文摘

作为一个复杂的两相流自然破碎煤的形成,煤层气产量的预测和分析仍具有挑战性。本研究提出了一种离散裂缝建模方法煤层气(CBM)和水流在破碎的煤储层,特别是断裂方向的影响,裂缝密度、重力和裂缝骨架流体运输。首先验证了离散裂缝模型两个注水情况下多和单处骨折配置。验证模型用于模拟煤层气生产从离散裂缝性储层使用四个不同的断裂模式。结果表明,流体行为取向的影响,密度,和裂缝连通性。最后,一些情况下执行调查重力的影响,裂缝骨架。仿真结果表明,天然气向上迁移到顶部储层流体萃取过程中由于浮力和连接的裂缝骨架在液体运输中起着主导作用和甲烷生产效率。总的来说,开发了离散裂缝模型提供了一个强大的工具来研究两相流在破碎的煤储层。

1。介绍

煤层气(CBM)作为一种优质清洁能源可持续发展已经吸引了相当大的兴趣在工业和学术领域(1,2]。尽管一些国家(如中国、澳大利亚、美国和加拿大)取得了商业从煤储层煤层气生产,煤层气产量的预测和分析仍具有挑战性的,因为复杂的两相流在自然破碎煤的形成(3- - - - - -7]。

煤通常由矩阵和骨折8,9]。毛孔的矩阵是指收集不同的尺度包括微孔隙、中孔和大孔隙7,8,10,11]。骨折的骨折系统包括四种类型:楔子,断裂群(或裂缝/三级楔子),骨折(或故障),结构和液压骨折(7]。楔子把两组垂直裂缝,称为脸和屁股楔子。骨折骨折群和结构是指随机分布的裂隙和大规模的骨折,分别为(7,12- - - - - -14]。液压骨折人工骨折引起的工业注入活动被称为水力压裂(15- - - - - -17]。独特的煤结构的结果之间的复杂耦合流体传输矩阵和骨折在煤储层(18]。煤炭矩阵作为主要储层煤层气储存,尽管它有相对较低的渗透率,甚至可能是不透水。大量的煤层气吸附在煤的内表面矩阵(19]。断裂系统提供了一个迁移的主要途径通过地下煤储层煤层气和水。存储和传输流体的基本性质是破碎煤储层和被吸附/吸收和扩散和渗流模型,分别。

孔隙和裂缝网络的复杂性使原位分析水和甲烷传输,引入了错误的评价甲烷生产性能。因此,分析裂隙多孔介质流动的流体流动的重视,因此甲烷生产(20.,21]。一系列的概念和数值模型在多个尺度上已经开发并提出澄清传输机制(22- - - - - -29日]。一般来说,在裂隙多孔介质流体接触有两个概念模型,这是连续介质模型和离散裂缝基岩(DFM)模型。在连续体模型中,骨折含蓄地表示裂隙多孔介质。相当于属性与裂隙张量理论计算(30.,31日),方向、大小和孔径的骨折。这种类型的升级技术广泛用于大规模的模拟,尤其是对致密储层的裂缝网络。一般来说,煤是视为一个结构与单个孔隙度和渗透率(SPSP),双孔隙度和渗透率(DPSP),双孔隙度和双渗透率(DPDP),甚至三孔隙度和双渗透率(TPDP) [29日,32- - - - - -36),矩阵和骨折重叠。代表基本卷(牧师)假定水库内同时满足流的质量平衡方程矩阵和骨折。上述方法使用连续介质模型或等效多孔介质建模破碎岩石或煤岩。几个著名的水库模拟器,包括ECLIPSE (37,没有发生38],COMET2 [39],TOUGH2 [40),利用连续介质模型。考虑裂缝流体运输的主导作用,提出了另一种概念离散裂缝模型的矩阵被假定为不透水和流体过程控制的断裂网络(41]。在离散裂缝模型,骨折由低维线或接口显式描述,网格生成的优势,从而大大减少了计算时间。之间的质量交换矩阵和骨折,单相离散裂缝基岩模型探讨了吸附和游离气和裂缝网络对天然气生产(42]。在这个模型中,流体的流动行为发生在断裂和周围的矩阵系统。

在本文中,我们首先建立一个数学模型来模拟水和甲烷流经破碎煤储层。两个注水情况下包含多个骨折和一个骨折然后模拟来验证该模型的准确性。然后我们测试4例multifracture配置研究断裂的影响方向和分布格局对流体行为和甲烷生产性能。最后,我们进行了离散裂缝网络仿真的几种情况调查重力和连接在液体运输的影响。

2。控制方程

2.1。水和煤层气在多孔介质流

在这里给出的数学模型,煤储层被认为是与甲烷和水饱和气体和水阶段,分别。因此,饱和气体之和(非润湿性)阶段 和润湿(水)阶段 = 1。此外,该模型假定甲烷吸附在煤粒表面扩散瞬间进入毛孔。因此,甲烷质量在矩阵系统包括自由和吸附阶段。一般的质量平衡方程immiscible-phase(水、气)流在煤储层矩阵是由气相的压力 和水饱和 ,每个阶段的速度在哪里 由达西定律描述。水和甲烷的控制方程是描述如下。 在哪里 矩阵的绝对渗透率, 和 水的相对渗透率、气相,分别 是水的压力, 每个阶段的密度( 和 是指水和甲烷,职责),计算了 (14), 是流体压缩系数, 是朗缪尔体积不变, 朗缪尔压力, 是煤的密度矩阵,然后呢 是系统矩阵的孔隙度。毛细压力 是这两种非混相流体之间的压力差,作为吗

2.2。水和煤层气流动骨折

在这项研究中,我们代表骨折在煤储层低维网格细胞(26]。骨折被描述为二维接口和一维线在三维或二维域,分别。一个二维域包含不连续骨折,如图1。总模拟空间 分解为 在哪里 和 分别代表了矩阵和骨折域 骨折孔吗 骨折子域名 ,和 骨折的总数。


图1
矩阵的示意图 和骨折 子域。

我们假设压力在整个模型空间连续性,这意味着气体压力、水压力和毛细管压力是相同的矩阵和裂缝网格,这意味着压力和饱和度的跳的接口矩阵和骨折不考虑这项工作。甲烷和水流经骨折的方程表示为 在哪里 是骨折孔径或厚度。方程的变量(3)- (6)有相同的物理特性和下标 和 代表这些变量矩阵和内部断裂系统,分别。我们证明了方程的弱形式的详细过程(5)。所有项目在方程(5)刚搬到右边,双方都乘以湿润饱和的测试函数 ,在模拟域集成 :

根据绿色的第一身份和散度定理,右边的第三部分在方程(7然后表示为)

最后,方程(8)是重新安排和控制方程得到

同样的,我们可以获得弱水流方程乘以方程的表达式(6测试函数)的水压力 ,在模拟域集成 ,和应用绿色的第一身份和散度定理

方程(9)和(10)被称为弱形式的水和煤层气质量平衡方程。

求解方程(1),(2),(9)和(10)、毛细管压力的辅助方程, ,气体和水相对渗透率的非润湿 和润湿 阶段采用如下5: 在哪里 和 引用变量在骨折和矩阵系统,分别 入口压力, 和 系数是由实验决定的。的有效饱和度 被定义为 在哪里 和 代表水的残余饱和度和气体,分别。

气体压力和含水饱和度的初始条件

作为边界条件,两相流可以有以下。

狄利克雷边界条件的气体压力和含水饱和度

通量条件下,称为自然边界条件,包括在两相方程的弱形式

3所示。模型验证

我们解决上述方程与有限元软件COMSOL。流质量平衡方程与方程矩阵实现(1)和(2使用偏微分方程(PDE)的接口。两个在骨折不溶混相流方程(9)和(10与疲软的贡献模块)实现。然后我们测试两种构型的注水油藏研究模型和数值解的准确性提出。两种情况不同的骨折采用如下配置。

(1)Multifracture情况。图2描述了模型的几何和网格方案。在这种情况下,水注入多孔介质有六个骨折骨折25天。这些骨折提供了引用的详细信息(26]。


图2
方案描述几何、网格边界和初始条件的仿真模型。

(2)单处骨折情况。模拟地区,单个断裂与任意角度建模。模拟与三个断裂方向进行 和 调查断裂角对流动行为的影响。仿真时间50天。

地区两个配置模型 。域是最初近饱和油。基质的孔隙度和渗透率是0.20 (分别为1毫达西)。裂缝孔隙度是1。所有骨折域被认为有相同的孔 。基于立方定律,相应的渗透率的骨折 。润湿相的密度和粘度为1000公斤/米3和 ,分别。非润湿相的密度和粘度是600公斤/米3和 。流体压缩性来说都是被忽视的阶段,这是合理的,因为流速度非常小。注入和生产井位于左下角和右上角的角落。水注入裂隙多孔介质以恒定速率 。初始压力和非润湿相饱和度设置为3.99 MPa和0.99,分别。

点态约束应用于生产与恒压和饱和度。所有边界都不透水。毛细压力 和相对渗透率的水 和石油 被描述为含水饱和度的函数 ,显示为(26,43] 的参数 在矩阵和骨折= 1 atm。

水饱和后25天的空间分布的水注入近饱和油藏如图3。良好的匹配是实现之间的参考模型和仿真结果,这表明该模型的准确性。


图3
含水饱和度分布后25天的水注入水库最初饱和油。以前的建模结果22我们的模拟结果显示在(a)和(b),分别。

图4显示了含水饱和度的空间分布和气体压力后50天的水注入不同的断裂角。数值模拟的结果是在良好的协议与参考研究22日,41。比较水的饱和度和压力沿对角线从注入井生产井的注水后50天低维离散裂缝模型(L-DFM)和等轴的离散裂缝模型(E-DFM)如图5。可以看出L-DFM的结果是在良好的协议与E-DFM的结果,这表明L-DFM提出论文中能够准确地模拟裂隙多孔介质中两相流。大骨折的绝对渗透率、流体优先传播到水库通过裂缝和造成重大压力的变化。稳态流沿断裂裂缝角度观察到的情况 (图中蓝线5)。仿真结果表明,流体流动行为在很大程度上是由骨折的角度控制。

(一)
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(b)
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(c)
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(d)
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(e)
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(f)
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图4
空间分布(a - c)饱和度和压力(d-f)后50天的水注入不同的断裂方向。
(一)
(一)
(b)
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图5
比较水的饱和度和压力沿对角线从注入井生产井注水50天后L-DFM和E-DFM。

石油累计生产的曲线不同的断裂方向如图6。累计产量最低的断裂角的情况 ,可以用这一事实来解释注入水喜欢迁移与裂缝方向,因此,减少石油由注水水库的推出。


图6
累计生产不同的断裂方向。

4所示。模拟情况下

4.1。从离散裂缝储层煤层气生产

在本节中,我们介绍了与不同的模式(图4例7)进行调查的影响骨折对流体流动行为和甲烷生产。在前两个情况下,45平行骨折是均匀分布在整个煤储层的取向 ,分别。在第三和第四个病例中,有两组正交骨折与角度 和 ,分别。仿真领域 ,的孔径和长度骨折都假定为10−4米和5米。生产井位于中心的仿真模型与一个常数1 MPa气体压力和含水饱和度为0.2。初始气体压力和含水饱和度6 MPa和0.7,分别。仿真总时间是100天。周围的边界将没有流。其它仿真参数表中列出1。


图7
域模型、断裂的配置、监控线,点了四例。在1和2情况下,45骨折均匀分布在整个煤储层的方向保持一致 ,和例3和4分别包含两组正交骨折与角度 和 ,分别。
表1
仿真参数注水情况。

图8显示了含水饱和度的空间分布经过100天的生产与不同的骨折4例配置。仿真结果表明,断裂几何流路径上有至关重要的影响。图9显示了气体压力和含水饱和度沿垂直和水平线。在生产过程中,水饱和度和气体压力减少从外部横向边界到生产。饱和度和压力面前的速度开采煤层不同的四个病例。4,沿着线压力和饱和度低于初始条件,表明排水已接近周围的边界。

(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
(d)
(d)
图8
空间分布的水饱和后100天的生产不同的断裂模式。
(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
(d)
(d)
图9
(a, b)气体压力和含水饱和度(c, d)沿着水平和垂直的线,分别在250年之后四天的生产情况。

气体压力的时间演化和含水饱和度点A和B所示图10。减少孔隙压力和饱和度是观察到的所有病例的早期阶段,因为在生产井压力和饱和压降。含水饱和度和气体压力情况下3和4是低于1和2的情况下可能由于增加骨折的密度(或数量),增强了整个储层渗透率和流体速度。4,骨折在垂直方向上巧合的是连接形成一个长骨折45米的长度。流体迁移例4中是最快的,这表明裂缝连通性主导性影响流体运输和生产效率。

(一)
(一)
(b)
(b)
图10
时间的进化(a)和(b)气体压力水饱和度点a和b 4例。实线和虚线代表结果点A和B,分别。
4.2。敏感分析
4.2.1。准备重力的影响

在本节中,我们建立了两个仿真例三维模型考虑两组正交骨折与角度 。几何模型如图11。光阑的骨折被认为是10−4m。两组骨折的长度和位置是随机分布在模拟域。两个仿真例执行调查重力对流体迁移的影响。重力是被忽视的,以防案例2中1和考虑。在这些模拟,煤高度为10米和仿真时间50天。其他设置和参数是一样的那些部分4.1。


图11
方案描述模型域、骨折的配置、监控表面,线,点三维情况下。

图12显示了含水饱和度的空间分布整个域(数据12(一)和12(b)),骨折的内表面(数字12(c)和12(d))和表面监测后50天的生产与随机分布的三维储层骨折(图12(d))。储层的含水饱和度降低排水天然气生产过程中广泛地。不考虑重力、水饱和度是均匀分布在垂直方向,而非均匀饱和度分布观察骨折和监测案例2中表面。气体饱和后50天沿着线的生产 - - - - - -和 - - - - - -方向如图13。减少气体饱和度展品“波型”从井筒横向边界。气体饱和度沿着线d, e, f - - - - - -方向是比沿着线条流畅,b和c - - - - - -由于骨折减少交叉方向 - - - - - -方向线。气体饱和度是最大的上层路线(a, d)和最低低线(c、f)浮力效应的结果。


图12
水饱和后50天的生产三维模型与随机分布的骨折。例2的结果考虑重力(b)所示,(d)和(f)。
(一)
(一)
(b)
(b)
图13
天然气饱和的(一个) - - - - - -和(b) - - - - - -生产方向后50天。

图14显示气体饱和度的演化在案例1,点b点,b和c,以防2。气体饱和度增加在一个相对短的时间内迅速由于连续脱水。气体继续向上迁移,从而导致更多的天然气聚集在顶部储层表面在生产过程中(数据13和14)。


图14
演化的气体饱和度在案例1,点b点,b和c,以防2。
4.2.2。骨骼断裂的影响

本节进行我们的几例研究裂缝骨架的影响流体的迁移路径。离散裂隙网络生成的开源工具DFNE [44]。两组骨折是面向45和135度 煤储层。每组骨折有40个人骨折。骨折线的最小和最大的长度是1和7 m,分别。然后断开连接,隔离骨折被调查骨骼断裂的影响。原始裂缝网络(情况下)和连接断裂后骨架处理(案例b)如图15。总模拟 和其他参数表中列出1。

(一)
(一)
(b)
(b)
图15
原始裂缝网络(情况下)和连接断裂骨架(b)。

甲烷饱和后的空间分布 不同的裂缝的渗透率 , ,和 在两个不同的模拟域如图16。一般来说,仿真结果表明,气体饱和度分布的两个领域是相似的。饱和度的分布情况b比,以防顺畅。事实可以解释为一个大型饱和度梯度结束时断开连接的裂缝出现由于大断裂和矩阵之间的渗透性。

(一)
(一)
(b)
(b)
图16
甲烷饱和后的空间分布 如果a和b不同裂缝渗透率 , ,和 。

图17显示平均气相压力的进化( )沿着垂直线 两种不同情况下不同的裂缝渗透率 , ,和 。压力降低,产生的甲烷不断破碎煤储层。压力大幅下降的情况更大的裂缝渗透率。在图17,实线是仿真结果在一段虚线是导致案例b。可以看出一个好的协议之间取得了这两种情况下,这表明断裂网络的骨架有影响力对甲烷产量的贡献。更大的区别是观察到的裂缝渗透率较高的两种情况 。几个原因,包括边界效应和裂缝数量根据垂直线,导致这一现象。


图17
的时间演化沿垂线平均气体压力 不同的裂缝的渗透率 , ,和 。

5。结论

在这项研究中,我们开发并应用离散裂缝模型来模拟两相流(煤层气和水)通过破碎的煤储层。拟议中的裂隙多孔介质中两相模型验证了两个油藏注水情况下单个和多个骨折。仿真结果有很好的一致性,证实了模型的可行性和准确性。我们从离散模拟煤层气生产破碎煤储层的四种类型骨折的配置。仿真结果清楚地表明,流体流动的模式和生产性能明显受到断裂方向的影响,密度,和连接。液体倾向于迁移与裂缝方向保持一致。增加裂缝密度提高生产效率。此外,裂缝连通性似乎对流体运输和甲烷生产效率作出了重大贡献。之后,两个三维情况下研究了重力的影响进行调查。结果表明,气体继续向上迁移到储层顶部表面流体萃取过程中由于浮力的甲烷,它提供了甲烷泄漏的可能性。 Finally, we performed two cases of original discrete fracture network and a connected fracture network to study the effect of fracture skeleton. Simulation results demonstrate that the connected fracture skeleton is of great importance to fluid migration and methane production. Overall, the developed model provides a powerful approach to study coalbed methane and water flow in fractured coal reservoirs.

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从第一作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

本研究支持的特殊主体授予中国国家基础研究计划(973计划)(2015号cb251602),国家科技重大(2016 zx05043),江苏省自然科学基金(BK20180636),双一级的自主创新项目建设CUMT (2018 zzcx04),预先研究项目(LTKY201803),和中国博士后科学基金会和江苏(2019 m65201)。我们还要感谢柯蒂斯奥尔登堡(劳伦斯伯克利国家实验室)评论较早的一份草案。