文摘

当降压开发hydrate-bearing层开始,近井地层的温度迅速降低的离解平衡温度附近由于天然气水合物因此,第二代的天然气水合物在井筒容易如果压力跳跃高值出现由于生产速度的变化或关闭的。尽管水合物生成过程中高压钻探和天然气和水运输已被广泛研究,第二代的天然气水合物造成压力跳跃在降压开发过程中不是完全理解。在这项研究中,水平井多相管流,Vyniauskas-Bishnoi生成天然气水合物动力学和分解动力学模型由金正日俾斯诺依组合在一起,形成一组水平井再驱车gas-liquid-solid三相流模型,在井筒中考虑相变和杰出的二级水合物生成区域在不同的温度和压力条件下井筒。结果表明,当靠着7 MPa压力和环境温度是6.4°C,二级水合物生成存在于水平井的水平段,和最大井筒水合物流速是0.044米³/ d。靠着高压力、低环境温度和较高的天然气产量将导致更大的井筒水合物生成,和井筒压力会显著影响生成的数量及其范围。

1。介绍

天然气水合物是一种高压和低温环境中存在的像冰一样的物质,广泛分布于深海沉积物和土地永久冻土。外汇储备是非常大。,一个pproximately twice as much as conventional fossil energy [1,2]。美国,加拿大,日本和中国已经成功地进行了试生产的天然气水合物储层,并发的逐渐增加,全球能源消耗和减少化石能源储备。天然气水合物被认为是最具潜力的新能源之一,在21世纪和受到沉重的关注3- - - - - -5]。天然气水合物储层中的固体形态,没有流动性,和它的存在需要特殊的温度和压力条件。当前的开发方法是分解水合物通过人为的不稳定条件(6- - - - - -8]。天然气水合物的状态通常在开发过程中动态变化。生产的天然气可以与驻留水和改革水合物反应。目前,天然气水合物储层的主要开发方法包括减压、热活化、有限公司₂位移,和化学剂注入9- - - - - -12]。热激活相比,有限公司₂位移和化学剂注入,减压可以实现一定程度的生产没有向储层注入液体,这会产生最低的开发成本。与此同时,其技术可行性已被证明的成功开发Messoyakha前苏联的气藏;因此,减压一直在这个领域研究最多的开发方法(13- - - - - -15]。天然气水合物的分解是一个吸热过程,在降压开发过程中储层温度逐渐降低,和一个二次生成的水合物容易发生在近井区域。Myshakin等人建立的2 d和3 d模型来模拟和分析规则的二级水合物生成和冰堵塞在降压开发过程中(16,17]。阮等人建立了三相三分量的核心层面水合物降压的仿真模型,研究了影响水合物二次生成和渗透率变化对减压的发展(18]。Gaddipati和安德森发现,经过一年的降压开发第二代的水合物发生在近井地层,并且结果显示增加潜在的二次水合物的形成和滞后时间生产的出现率随着储层规模的增加(19]。使用水平或倾斜可以增加井筒之间的接触面积和水库,和更高的分解率和生产天然气可以实现。由于长时间的接触,井筒附近的温度会降低后,天然气水合物的分解,从而减少井筒的温度,提高了再生的水合物。

事实上,在常规天然气和水管道运输和本文钻探石油行业的研究,已经发现如果运输管道的温度和压力条件或钻井井筒满足水合物生成条件下,水合物会聚集在管壁导致流区域。许多研究人员针对运输管道和钻井井筒多相流问题。实验,格拉索等人发现,水合物沉积现象存在于管道流和提出三水合物沉积机制(20.]。Joshi等人采用了95米长的管研究水合物堵塞机制在高含水量系统;结果表明,水合物生成过程可以分为三个阶段,即:,the hydrate is evenly distributed in the aqueous phase when the hydrate content is low during the original phase, the hydrate starts to aggregate when the hydrate amount increases to a certain level, and the aggregated hydrate starts to deposit and eventually block the wellbore during the last phase [21]。提出了天然气水合物作为一种手段来获取相关的海上石油平台上的气体产生。在这方面,安德森和Gudmundsson采用循环管实验研究水合物在水泥浆的粘度和流变特性,发现随着水合物的浓度的增加,水泥浆粘度的增加(22]。丁等人采用高压流循环观察水合物生成过程时,气体和液体混合和流管;他们发现,水合物的生成有重要影响的流类型气体和液体(23]。尼古拉斯等人进行了一次测量之间的附着力现有的水合物和金属墙。结果表明,水合物混合流不会坚持金属墙,而上生成的水合物直接在水合物聚集和管壁增厚(24]。

调查的第二代天然气水合物和流动性机制,研究建立仿真模型进行预测钻井过程中天然气水合物的生成。在数学建模方面,贾西姆等人建立了水合物沉积模型针对供电流线;进行了模拟水合物颗粒大小和水合物沉积位置(25]。尼古拉斯等人建立了一个液体冷凝系统中水合物沉降预测模型根据能量和质量守恒定律,而由此产生的压力和温度曲线(26]。王等人研究了水合物沉积模型与自由水和供电系统进行了模拟和预测水合物层的厚度分布在水平管(27- - - - - -29日]。

环境在水平井筒流动在减压过程中天然气水合物的发现是相当不同的常规钻井井筒(30.]。因为水合物分解是一个吸热过程,以及地区附近的温度平衡温度迅速降低。在这个时候,如果压力跳跃的高价值由于关闭或降压幅度的调整,将形成天然气水合物在井筒和以下生产的气体和水将极大地阻碍。直到现在,第二代的天然气水合物在水平井筒压力造成的跳在降压开发hydrate-bearing层尚未全面调查。出于这个原因,本研究结合质量变量流在水平与天然气水合物的生成和分解动力学模型建立一组三相(即。,gas, water, and hydrate) mass variable mathematical models for a horizontal well, which consider the hydrate phase transition in the wellbore, adopting a node analysis method to solve the model and conduct the example verification, which distinguishes the generation area of secondary hydrate under different temperature, pressure, and gas output conditions. The results of this study can provide a certain theoretical basis for the temperature and pressure control of a horizontal well in terms of the depressurization development of the hydrate reservoir and a hydrate prevention in the wellbore.

2。数学模型

图1显示了一个示意图的降压开发天然气水合物储层水平井。通过产生的水和甲烷水合物分解将进入一个水平井筒由于压力差。将引起水合物生成如果井筒的温度和压力条件满足所需的水合物生成条件。如果不采取抗凝和井筒加热措施在水合物生成条件下,水合物聚合和堵塞可能发生影响生产。在这一部分,三相gas-water-natural天然气水合物的质量守恒方程和动量和能量守恒方程的系统首先建立,然后结合Vysniauskas俾斯诺依代动力学模型再驱车和金氏俾斯诺依分解再驱车的动力学模型。此外,一个三相质量变量数学模型建立了水平井考虑水合物相变。考虑到井筒长度远远大于油井半径,井筒中的流体流动往往被视为一维流在当前研究和商业软件(31日,32]。本文也认为一维流动,只有沿着井筒流动特性。

2.1。守恒定律

假设每个阶段在井筒的流动处于一个稳定状态,气相和液相的质量水平井筒流动时的变化主要是大量的流入井筒水合物的储层,和大众产生或通过水合物生成和分解引起的。水合物的阶段,因为没有流入数量、质量的变化只等于一代或分解质量。因此,三个阶段的质量守恒方程如下: 在哪里 , ,和气体的密度、水和水合物阶段(公斤/米³); , ,和是气体的速度、水和水合物阶段(m / s);和 , ,和气体的体积分数、水和水合物阶段,分别。

基于动量定理、动量方程的数学模型可以获得三相管流如下: 在哪里是井筒和水平方向之间的夹角(°),的摩擦阻力是流体在井筒流动过程中 ),和井筒压力( )。

能量变化的流体在井筒流动过程中每个阶段主要包括由注入气体和水,热流体在井筒和储层之间的热量交换,吸收和释放热量或通过水合物生成和分解,因此,系统的能量守恒方程如下: 在哪里和质量流量的气体和液体阶段,分别(千克/秒),和的比热是气体和液体阶段(J /(公斤·°C)),在井筒温度(°C),环境温度(°C),是管热阻,水合物的分解热(J /摩尔),然后呢的平均分子量是天然气水合物(公斤/摩尔)。

2.2。补充条件

最大的一个数学模型和传统的气-水之间的区别的水平井筒变质量流模型是一个数学模型包括天然气水合物生成和分解动力学,而高压物理性质、气体的状态方程,和流型判断传统模型中是一样的。本文中使用的天然气体状态方程是一个P-R方程,和循环式的判断采用古典Beggs-Brill模型。

至于水合物分解率的计算,本文采用最常用的Kim-Bishinoi动力学模型,如下的表达式(33]: 在哪里是复合preindex常数, ; 活化能, ; 气体常数, ; , ,和是测试常数,在哪里 , ,和 ; 是过冷温度(K), ; 相平衡温度;是压力(kP_一个);和气液界面的面积是 。

至于水合物生成速率的计算,本研究采用Vysniauskas-Bishinoi动力学模型,如下的表达式(34]: 在哪里分解速率常数, ; 水合物分解活化能, ; 气体常数, ; 温度(K);是压力(MPa);压力平衡的温度吗(MPa);和水合物颗粒的总表面积(m²)。基于水合物的相平衡线,判断水合物的生成和分解,相平衡线采用本研究提出的回归形式Moridis 2003年(35]: 在哪里温度(K)和吗相对应的压力平衡吗(MPa)。

2.3。边界条件

井筒的进气压力,外部环境温度、水平井长度、天然气生产指数和液体生产指数包括如下:

在哪里井筒深度(米)环境温度(K),是井筒深度的线性函数(h),然后呢和水平井是靠着压强和温度。

本文模型之间的主要区别和钻井、气体运输是天然气和水将流入水平井筒通过穿孔在hydrate-bearing层的发展。因此,流体在井筒变质量流和气体和液体生产指数是用来确定天然气和水的流入率如下: 在哪里和是天然气生产指数和液体生产指数和水平井长度(米)。

3所示。解决方案和验证模型

3.1。解决方案的模型

采用节点法来解决模型,将水平井划分为部分, 在总节点将生成, 。基于流的方向,那里 位于水平井的靠着,靠着的模型然后解决向脚后跟,偏转水平和垂直部分先后。图2显示了一个计算的流程图。以下任何两个节点和 在井筒为例来描述计算过程的细节。假设节点的参数被大量用于计算每个参数的值在节点 。(1)假设节点的压力和温度 是和 ,分别(2)利用状态方程来计算每个阶段的属性节点 和计算气体的流入的条件和水基于气体产出和液体输出索引(3)在节点基础上的压力和温度条件 判断是否生成水合物;如果水合物生成条件满足,水合物生成的数量 ,热可以计算和相应的反应。相比之下,如果水合物分解条件满足,首先我们可以判断水合物的存在。不需要计算如果水合物不存在,如果水合物存在,水合物分解量热可以计算相应的反应(4)连续性方程被用来解决这个明显的每个阶段(5)Beggs-Brill方法是用来判断流型和确定持液量(6)水合物相的体积分数与气相计算,然后视率是用来解决每个阶段的流体速度(7)确定参数代入动量和能量方程来解决和(8)如果获得了压力和温度在容许误差,即 , ,然后停止计算 节点;否则,返回步骤(1)重新估计,直到条件变成真(9)判断 节点是最后一个节点;如果没有,需要的参数 已知条件计算的下一个节点,重复以上步骤。然后完成,整个计算井筒和计算完成(10)井筒中的所有节点的参数可以通过上述步骤计算

3.2。模型验证

没有具体的测量数据的井筒流体的天然气水合物储层与最近的一个试验生产,因此,模型验证在这项研究仅仅是对一个垂直井筒气液两相流模式。实际测量数据在14个水和天然气的生产井在中国气田如表所示1(36]。在这项研究中,建立了井筒气液两相流模型,描述的部分2.1,计算井底流动压力的14口井。然后,我们用测量数据相比,如图3。根据图3之间的相对误差,本研究建立的模型的计算结果和实测数据在0.6%和8.4%之间,这意味着拟合优度一般高,因此,通过本研究建立的模型是可靠的。

验证了本文模型的字段数据对深水气井试井操作:m3,见参考(37]。计算沿井筒温度剖面。环境温度的参考资料是一样的。计算数据和测量数据在图所示4。它表明,计算数据与测试温度是一致的。

4所示。结果和讨论

4.1。在井筒压力分布及水合物生成

的基本信息的天然气水合物储层南海神狐海域钻获近作为参考进行参数选择、主要参数如表所示2(38- - - - - -41]。我们假设最初的水合物储层压力和温度是10 MPa和11°C,分别。在降压开发过程中,过度降压将容易导致快速空气和水流动和砂的生产;因此,减压范围一般不超过50%42]。水平井的减压范围选择5 MPa,这意味着水平井生产5 MPa的压力在一个井底流动。基于水合物相平衡线,由Moridis退化,水合物相平衡温度对应5 MPa是大约6.4°C;考虑到快速减压首先会导致水合物分解在近井区域,近井地层的温度将下降到接近平衡温度。这时,如果井筒及近井地层压力的增加由于生产和其他因素的变化,第二个水合物生成很容易发生在近井地层和井筒。假设靠着7 MPa压力增加,生产压差是2 MPa,因此,近井地层的压力是9 MPa。

图5显示了原始温度和压力分布以及井筒形成。的原始温度和压力曲线的形成可以分为四个部分:部分我是水平井的水平段;本节中的地层压力下降到9 MPa由于降压开发,和近井地层压力降低到大约6.4°C由于吸热近井水合物的分解。第二部分是水合物层;这部分的垂直深度跨度是30 m,在本节中,井筒长度大约是80由于偏转。根据径向流原理,形成温度和压力将逐渐恢复到原始地层温度和压力以对数形式之间的垂直距离这一节和水平井也在不断增加。第三部分是原始地层剖面,温度和压力在这一节中最初形成的温度和压力,温度逐渐降低的深度降低。当流程到达大海的底部,温度是5°C和8 MPa的压力。第四部分是海水部分,本节中的温度和压力随好长度的增加呈线性增加。当它最终到达地面,温度是25°C,而0.1 MPa的压力。

图6显示了在井筒温度和压力分布。应该注意的是,图中的虚线6 (b)表示相应的井筒压力的平衡温度。图7显示气体和水的输出资料的水平截面相应标准的地面温度和压力、井筒水合物流速曲线。显示在图6水平截面,即部分我,井筒温度和压力的变化很小,这主要是因为气体和水的粘度很低,摩擦阻力造成的压力损失也小,而压力是主要消耗在倾斜和垂直部分的提升;同样,流入气体和水的温度是一样的形成环境温度;与此同时,热传导和对流的影响可以通过比较分析数据5和6 (b)。这两个变化趋势的井筒流体温度和环境温度是一致的流体的入口进入后偏转。形成温度高于井筒流体温度,因此,液体温度将不断增加。然而,随着深度减少,形成温度不断降低,因此,井筒流体温度将不断减少,温度将达到最低点在海底部分;进入海水部分后,海水温度随着深度增加减少,和井筒流体温度不断增加。图中阴影区域6 (b)表明,井筒流体温度低于井筒部分的平衡温度;温度部分I-IV比平衡温度较低,因此,不同程度的水合物生成。通过考虑图7 (b),这些三个部分的水合物流速不断增加,水合物生成速率高,和流量的增加幅度很大时,井筒温度和平衡温度之间的差异是显著的;当流体进入第三节,水合物生成速率减缓,增加流量的振幅随着井筒流体温度的增加相应减少。当流体进入第四节,海水部分,向上迁移,井筒流体温度不断增加,最后超过了水合物平衡温度。在井筒水合物从分解的一代,因为分解率比生成速率更快,如图7 (b),水合物流量将迅速减少,直到完全分解时,流量是零。数值,井筒水合物的最大流量是0.044米³/ d因为井筒的直径小,单位长度只有油管卷 。如果生成的水合物有一定量的管壁沉积,很容易导致井筒的有效直径减少甚至阻止井筒,因此,井筒加热和应采取其他措施来防止井筒水合物生成,确保顺利生产。根据图7(一),靠着的井筒压力heel-end略有减少由于摩擦阻力,因此,相对应的压差靠着最大。气体和水的输出率也最大的在这一点上;然而,形成的异质性不考虑这个方案因为摩擦阻力相对较小,在整个井筒流入剖面的差异相对较小,地下,水和天然气输出通过积累 和 ,分别。

4.2。分析影响因素

水合物生成与井筒中的温度和压力密切相关。在本节中,我们研究环境温度的影响和对水合物生成和流入井筒压力性能。

4.2.1。准备井筒压力

每个参数与基本方案保持一致,而靠着改为6 MPa压力(对应于不同生产3 MPa的压力)和8 MPa(对应于不同的生产压力低于1 MPa)。图8显示了一个比较图的沿程压力,温度,水合物流量、总气、水产量在不同靠着压力。其中,图中的虚线8 (b)表示水合物相平衡温度(EqT)相应的井筒压力。根据图8(一个)井筒压力的变化趋势在不同靠着压力是相同的,和压差的变化水平截面很小;此外,减少的主要压力发生在流体提升垂直井筒。靠着压力越低,越会在井筒沿程压力。因此,平衡温度图8 (b)靠着6 MPa的压力对应的最低点;井筒流体温度将迅速增加,流体进入偏转后的平衡温度以上部分。水合物开始分解,如图8 (c)。井筒水合物流量将迅速减少。当靠着压力达到7和8 MPa,分别由于水合物相平衡温度相对较高,上方的温度将增加平衡温度只有当井筒流体到达井筒的海水区。根据图8 (c),水合物流峰值对应于6、7、8 MPa是0.016,0.044和0.085米³分别/ d。根据天然气和水之间的比较结果输出(图8 (d)),井筒压力越低,相应的生产压差越大,气体和水输出越大,气体和液体会发生没有改变生产指标。总的来说,井筒压力有很大影响水合物生成和生成区域;此外,井筒水合物流动增加的数量随着靠着压力的增加,因此,井筒中的压力应密切监测在实际开发的水合物储层以防止水合物生成和井筒堵塞。

4.2.2。环境温度在水平部分

水平井在降压过程中,近井地层的温度不断降低,因为水合物吸热分解。应该注意的是,本节中靠着压力假定为7 MPa。模拟井筒不同环境下的水合物生成温度,环境温度的水平截面设置为5.4°C, 6.4°C,分别和7.4°C。由于压差和天然气和水生产指数在生产过程中是不变的,可以看出,压力和天然气和水流入井筒的三个方案基本上是相同的。图8比较和分析了水合物的温度和数量在井筒流动;与此同时,由于压力变化很小,这三个方案图9(一个)只图一水合物相平衡线对应于井筒压力。根据图9(一个),相对应的井筒温度分布之间的差异的三个方案只是反映在水平和偏转部分;环境温度越低,越低流体温度将在水平部分。偏转的节中,井筒流体温度将迅速增加,因为增加的环境温度。三个方案的井筒温度的逐渐接近对方。根据图9 (b)在水平部分,温度越低,水合物生成速率越快,和相对应的最大水合物流速环境温度为5.4°C, 6.4°C,和7.4°C是0.036,0.044和0.048米³/ d,分别,这意味着较低的井筒温度将导致更快的水合物生成速率;然而,由于水合物分解率比生成速率更快,水合物会迅速分解时井筒的温度高于水合物相平衡温度,和水合物生成的地区差异的三个方案。

4.2.3。天然气产量的影响

调查的影响气体在井筒水合物生成输出,假设靠着压力和环境温度7 MPa和6.4°C,分别设置为天然气产出指数 , ,和 分别对这三个方案。图10显示了一个比较图的沿程压力,温度,水合物流量、和总气体和水的输出在不同气体输出。从图可以看出,由于井筒的摩擦阻力小,水平井筒流体压力之间的差异在不同气体输出是轻微的。垂直井筒,气体停滞增长,因为由于大型天然气产量、气水混合物的密度减少,因此,垂直截面的压差下一个大型天然气产量很小。根据图10 (b),虽然在井筒流体压力之间的差异在不同气体输出是轻微的,垂直井筒中的压力在不同气体输出是不同的,和相应的相平衡压力也有一些差异,即。天然气产量越大,平衡温度越高相应的垂直切面。同时,根据图10 (c)越高,气体输出对应于一个更大的水合物生成区域和水合物生成,虽然差异三个方案一般是小的。因为只有天然气生产指数改变,根据图10 (d),液体输出的三个方案基本上是相同的;气体输出增加天然气产量增加索引。

5。结论

在这项研究中,多相管流的水平井结合天然气水合物生成和分解动力学模型建立一组gas-liquid-solid三相流模型的水平井在考虑井筒中的相变。基于该模型,温度和压力分布以及水合物辅助生成规则分析了井筒。获得的主要结论如下:(1)气体和水的粘度很低,水平段的压力损失引起的摩擦阻力小,和流体压力水平截面几乎是相同的。如果靠着压力高于水合物相平衡压力,水合物生成条件将满足在整个水平截面(2)流体在井筒压力损失主要是消耗的液体提升偏转部分和垂直部分到达后偏转;当环境温度变化时,井筒流体温度和环境温度的变化趋势是相同的。因为波和底基形成的温度相对较低,水平井筒区域主要集中于水平井的水平段,海底地层剖面,水下区域如果水合物生成条件是满足在水平井筒(3)为所述情况,井筒水合物流动最快是0.044米³/ d。如果生成的水合物有一定数量的管壁沉积,它可能会阻止井筒和导致减少的有效直径。应采用加热和其他措施来防止水合物生成的井筒,确保顺利生产(4)井筒压力在二级有显著影响水合物生成。此外,井筒中水合物生成区和流动金额增加随着靠着压力的增加,因此,为了防止水合物生成和井筒堵塞,井筒中的压力应密切监测在实际开发的水合物储层。井筒温度较低和较高的天然气产出指数将会导致更大的水合物生成的,和这两个因素的影响在二级水合物生成的影响将远小于井筒压力

水平井的三相质量变量数学模型考虑了水合物相变,这是一个稳定的状态模型。在降压开发过程中天然气水合物储层的压力,温度,气体和水的索引近井形成不断变化的发展过程。在不同的发展阶段,气水流动状态和井筒水合物二代形势不同,和水合物生成的影响在井筒储集层开发是不稳定模型的研究范畴。后续研究需要夫妇建立了稳定状态模型与天然气水合物储层降压开发模型和利用耦合不稳定性模型来证实上述研究。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项工作是由中国国家自然科学基金资助(批准号51804324),中国国家杰出青年科学基金(批准号51625403),中国石油天然气集团公司的重大科技项目(zd2019 - 184 - 002),山东省自然科学基金(批准号ZR2017QEE008 ZR2018BEE004),青岛的自主创新项目(批准号16-5-46-jch),中央大学和基础研究基金(批准号18 cx02169a)。