天然氣水合物藏降壓開(kāi)采流固耦合數(shù)值模擬研究.pdf

1、天然氣水合物能量密度大、在全球范圍分布廣，被公認(rèn)為是21世紀(jì)最具開(kāi)發(fā)前景的重要能源。從經(jīng)濟(jì)可行性考慮，降壓法被普遍認(rèn)為是天然氣水合物藏大規(guī)模開(kāi)采的有效方法之一。天然氣水合物藏降壓開(kāi)采過(guò)程中，固相水合物分解會(huì)引起儲(chǔ)層物性、力學(xué)性質(zhì)、孔隙壓力以及溫度等一系列變化，本研究將其統(tǒng)稱(chēng)為“水合物分解效應(yīng)”；同時(shí)，該過(guò)程中巖石變形與孔隙流體滲流相互作用密切，因此，充分考慮“水合物分解效應(yīng)”，開(kāi)展水合物藏降壓開(kāi)采流固耦合數(shù)值模擬研究具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)

2、意義。 本論文針對(duì)天然氣水合物藏降壓開(kāi)采的相關(guān)問(wèn)題開(kāi)展流固耦合數(shù)值模擬研究。首先，根據(jù)質(zhì)量守恒和能量守恒原理，綜合考慮多孔介質(zhì)中水合物分解熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)、氣、水兩相流以及“水合物分解效應(yīng)”等因素，建立了天然氣水合物藏降壓開(kāi)采相變滲流模型；在此基礎(chǔ)上，根據(jù)流固耦合滲流理論，建立了考慮相態(tài)變化的滲透率各向異性天然氣水合物藏降壓開(kāi)采氣、水兩相非等溫流固耦合數(shù)學(xué)模型。與此同時(shí)，基于前人開(kāi)展的疏松砂巖應(yīng)力敏感性實(shí)驗(yàn)，考慮了儲(chǔ)層物性參數(shù)與應(yīng)

3、力狀態(tài)之間的關(guān)系，同時(shí)兼顧“水合物分解效應(yīng)”影響，建立了水合物藏儲(chǔ)層物性參數(shù)綜合動(dòng)態(tài)模型。對(duì)流固耦合模型控制方程進(jìn)行離散，基于FEPG有限元平臺(tái)，自主開(kāi)發(fā)了天然氣水合物藏降壓開(kāi)采氣、水兩相非等溫流固耦合數(shù)值模擬軟件，引入穩(wěn)定性分析模塊后，進(jìn)一步開(kāi)發(fā)了水合物藏降壓開(kāi)采近井儲(chǔ)層穩(wěn)定性分析軟件。 其次，利用天然氣水合物藏降壓開(kāi)采氣、水兩相非等溫流固耦合數(shù)值模擬軟件，對(duì)水合物藏降壓開(kāi)采近井儲(chǔ)層應(yīng)力狀態(tài)以及物性參數(shù)的變化規(guī)律進(jìn)行了研究，結(jié)

4、果表明：“水合物分解效應(yīng)”、流固耦合作用及井眼效應(yīng)是影響近井儲(chǔ)層應(yīng)力狀態(tài)和物性參數(shù)的三個(gè)主要因素，其作用機(jī)理不同，影響程度各異；其中流固耦合作用對(duì)分解效應(yīng)引起的儲(chǔ)層物性參數(shù)變化趨勢(shì)具有明顯的抑制作用，必須引起重視。 再次，利用水合物藏降壓開(kāi)采近井儲(chǔ)層穩(wěn)定性分析軟件，對(duì)近井弱膠結(jié)、低強(qiáng)度、高孔滲分解區(qū)儲(chǔ)層的穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，建立了井壁不出砂的臨界生產(chǎn)壓差分析方法，結(jié)果表明：水合物分解區(qū)是整個(gè)儲(chǔ)層穩(wěn)定性較差的區(qū)域，其中井壁上最小水平

5、主應(yīng)力方向儲(chǔ)層穩(wěn)定性最差，是整個(gè)儲(chǔ)層出砂的優(yōu)先位置。影響因素分析進(jìn)一步表明：“水合物分解效應(yīng)”、生產(chǎn)壓差大小、流固耦合作用以及水平地應(yīng)力非均勻程度是影響近井儲(chǔ)層穩(wěn)定性的敏感因素，開(kāi)井速度的影響相對(duì)較小。 最后，本文對(duì)天然氣水合物藏降壓開(kāi)采產(chǎn)能進(jìn)行了流固耦合數(shù)值模擬研究，深刻剖析了流固耦合作用對(duì)水合物藏開(kāi)采動(dòng)態(tài)的影響機(jī)制。研究表明：盡管流固耦合作用提高了儲(chǔ)層彈性驅(qū)動(dòng)能，但巖石孔隙收縮導(dǎo)致儲(chǔ)層滲儲(chǔ)能力降低的效應(yīng)占主導(dǎo)地位，因此，耦合