裂隙-孔隙结构双重介质煤储层气水两相流数值模拟方法技术

本发明专利技术公开了一种裂隙‑孔隙结构双重介质煤储层气水两相流数值模拟方法，研究了煤层气的运移和产出机理，建立了煤储层的地质模型。通过对渗流方程推导，建立气、水两相流数学模型，进一步对数学模型进行差分计算。该方法使用全隐式数值计算方法形成一套完整的煤储层气水两相流数值模拟方法。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于煤层气的开采
，具体地涉及一种裂隙-孔隙结构双重介质煤层气储层气水两相流数值模拟方法。
技术介绍
煤层气是一种自生自储的非常规天然气，它的开发和利用对改善能源结构、环境保护和煤矿安全均具有重要意义。我国煤层气资源遍布全国，埋深小于2000m的煤层气资源总量为22.5×1012m3，具有广阔的开发前景。虽然我国煤层气的储藏量较大，但是与美国相比，我国绝大多数的煤层气储藏开采条件困难，普遍性的难点为：1.低渗透率：煤层裂隙发育不完善，煤层原始渗透率低，与美国圣胡安盆地煤层渗透率1～50mD相比，我国难采煤层气区块渗透率仅为0.1～0.5mD，无强制作用下煤层气溢出速度缓慢。2.欠饱和吸附煤层：地质结构变化频繁，导致特定阶段煤层气溢出地面，或者煤系发育不完全导致煤层气含量不丰富。目前已发现的煤层气高产富集区块均为高吸附饱和度，如圣胡安盆地为90％～98％，黑勇士盆地为92％～99％，沁水煤层气田为85％～95％，而我国难采煤层气区块煤层气吸附饱和度则低于30％。3.难压储层，有效地应力高企：煤层有效地应力低的地区，其煤层渗透率比相同条件下的高应力区的煤层渗透率要高，煤层有效地应力愈大，其压裂难度愈大，煤层压裂后裂隙闭合速度越快。而我国难采煤层气区块有效地应力相对较高，与圣胡安盆地高产区域地应力为3～8MPa，我国难采煤层气区块有效地应力为12～15Mpa以上。4.煤层结构碎裂，煤质较软：长期地质扰动造成煤层反复挤压造成煤层内颗粒状结构，导致煤层整体抗压性较差，在压裂后形成的煤层裂隙稳定性较差。以上均是阻碍我国难采煤层气区块煤层气开发较为常见的技术难题。与常规油气相比，目前对煤层气的数值模拟研究相对较少，理论和方法相对薄弱。
技术实现思路
针对上述技术问题，本专利技术旨在提供一种裂隙-孔隙结构双重介质煤储层气水两相流数值模拟方法，可以指导煤层气开采。为达到上述目的，本专利技术的技术方案是：一种裂隙-孔隙结构双重介质煤储层气水两相流数值模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：S01：建立煤层气储集和运移的地质模型；S02：根据煤层气吸附-扩散模型，基于渗流力学理论，建立煤储层数值模拟的数学模型，所述数学模型包括裂隙系统的基本微分方程、煤基质微孔隙系统的解吸吸附方程、辅助方程、定解方程；S03：对上述数学模型进行离散差分求解，获取全隐式格式的数值模型；S04：对上述数值模型采用预处理正交极小化方法进行求解，得出每个时段的气和水产量值。优选的，所述步骤S02中裂隙系统的基本微分方程包括气相基本微分方程和水相基本微分方程，气相基本微分方程为：水相基本微分方程为：煤基质微孔隙系统的解析吸附方程为：式中：其中G为几何因子，Vm表示煤基质中吸附气体的平均含量，为气体定产量项，其中h表示产层厚度，Pwfg表示煤层气井井底气体流压，re为排泄半径，rw为井筒半径，S为表皮系数，Kx，Ky，Kz分别表示裂隙系统的绝对渗透率在X，Y，Z三个方向上的分量，Krg表示气相的相对渗透率，ρg表示气体密度，μg表示气体粘度，分别表示x，y，z三个方向上的气相压力梯度，D表示由某一基准面算起的深度，向下为正，g表示重力加速度，Sg表示气相饱和度，φ表示裂隙系统的储层孔隙度；式中：为液体产量项，Pwfw表示煤层气井井底液体流压，Krw表示水相的相对渗透率，ρw表示地层水密度，μw表示地层水粘度，分别表示x，y，z三个方向上的水相压力梯度，Sw表示水相饱和度；式中：σ表示形状因子，D表示煤基质的气体扩散系数，VL表示兰缪尔体积，PL表示兰缪尔压力；Pg表示自由气体压力，Ve与自由气体处于平衡状态的吸附气体含量；辅助方程：Sg+Sw＝1；Pcgw(Sw)＝Pg-Pw，其中Pcgw为毛管压力，Pg和Pw分别为气相和水相压力；ρg＝ρg(Pg)，气相密度；ρw＝ρw(Pw)，水相密度；Krg＝Krg(Sg)，气相相对渗透率；Krw＝Krw(Sw)，水相相对渗透率；μg＝μg(Pg)，气体粘度；μw＝μw(Pw)，地层水粘度；初始条件Pw(x，y，z，t＝0)＝Pwi(x，y，z)，初始地层压力；Sw(x，y，z，t＝0)＝Swi(x，y，z)，初始含水饱和度；内边界条件Prw＝Pwf(x，y，z，t)，内边界水相压力条件；定压外边界条件Pg|E1＝Pg1(x，y，z，t)，外边界气相压力；Pw|E1＝Pw1(x，y，z，t)，外边界水相压力；封闭外边界条件外边界气相压力梯度；外边界水相压力梯度。优选的，所述步骤S03中数值模型为：优选的，所述气相基本微分方程和水相基本微分方程由气、水相运动方程代入到气、水相连续性方程中得到；所述气相运动方程为：所述水相运动方程为：所述气相连续性方程为：水相连续性方程为：优选的，所述步骤S04包括，首先将三维中线z方向选定为“线”方向；再固定x坐标，形成一块x-z板；然后在板上按照二维剖面模型的扫描方法进行扫描；完成后进行第二块板的扫描，这样依次将所有的板都扫描完，并反复进行，直到得到满足精度要求的解，从而完成方程的一次求解过程，要在每一条线上的解得出后，施加松弛因子算出该线上各节点未知量的该次迭代值，随后再进行下一条线的计算。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：1)考虑了裂隙-孔隙双重介质的煤储层中气、水两相流的情况；2)使用气体吸附-扩散模型；3)采用全隐式的数值插分方程；4)使用预处理压交极小化方法求解方程组。解的稳定性好，结果精度高，可以更好地指导煤层气的开采。附图说明图1为本专利技术裂隙-孔隙结构双重介质煤储层气水两相流数值模拟方法的流程图；图2为煤储层中的微小单元体结构模型图。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式以及附图，对本专利技术进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本专利技术的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本专利技术的概念。实施例：1.1建立地质模型，煤层气储集和运移的地质模型可概化如下：(1)煤储层是非均质、各向异性的；(2)煤储层具有典型的裂隙一孔隙双重孔隙结构，是由煤基质块中的微孔隙系统和裂隙系统构成的双孔隙系统；(3)煤储层中存在气、水两相流体；(4)煤基质块中的微孔隙是煤层气的主要储集空间，煤层气主要以吸附状态赋存于微孔隙的内表面上。微孔隙很小，水不能进入其中，所以微孔隙系统中只存在单相气体。裂隙系统既是气体和水的储集空间，也是气、水两相流体的渗流通道；(5)煤层气体从煤储层运移产出经历渗流、解吸和扩散三个阶段，①渗流：当煤层气井排水降压时，裂隙系统中的煤层气和水在压力梯度作用下以层流形式向井筒流动。这一流动服从Darcy定律；②解吸：由于气、水从裂隙产出，导致煤储层压力下降，煤基质块表面微孔隙系统中吸附的煤层气发生解吸，使得煤基质块表面微孔隙系统中吸附的煤层气含量即煤层气浓度降低。此煤层气含量或煤层气浓度大小可用兰缪尔方程来描述；③扩散：随着煤基质块表面微孔隙中煤层气浓度的降低，煤基质块的内部微孔隙系统与表面微孔隙系统之间形成煤层气浓度梯度，即其内部微孔隙系统中煤层气浓度相对较高，而其表面微孔隙中煤层气浓度相对较低。在浓度梯度的作用下，内部微孔隙系统中的煤层气通过微孔隙系统沿着浓度梯本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种裂隙‑孔隙结构双重介质煤储层气水两相流数值模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：S01：建立煤层气储集和运移的地质模型；S02：根据煤层气吸附‑扩散模型，基于渗流力学理论，建立煤储层数值模拟的数学模型，所述数学模型包括裂隙系统的基本微分方程、煤基质微孔隙系统的解吸吸附方程、辅助方程、定解方程；S03：对上述数学模型进行离散差分求解，获取全隐式格式的数值模型；S04：对上述数值模型采用预处理正交极小化方法进行求解，得出每个时段的气和水产量值。

【技术特征摘要】
1.一种裂隙-孔隙结构双重介质煤储层气水两相流数值模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：S01：建立煤层气储集和运移的地质模型；S02：根据煤层气吸附-扩散模型，基于渗流力学理论，建立煤储层数值模拟的数学模型，所述数学模型包括裂隙系统的基本微分方程、煤基质微孔隙系统的解吸吸附方程、辅助方程、定解方程；S03：对上述数学模型进行离散差分求解，获取全隐式格式的数值模型；S04：对上述数值模型采用预处理正交极小化方法进行求解，得出每个时段的气和水产量值。2.根据权利要求1所述的裂隙-孔隙结构双重介质煤储层气水两相流数值模拟方法，其特征在于，所述步骤S02中裂隙系统的基本微分方程包括气相基本微分方程和水相基本微分方程，气相基本微分方程为：水相基本微分方程为：煤基质微孔隙系统的解吸吸附方程为：式中：其中G为几何因子，Vm表示煤基质中吸附气体的平均含量，为气体定产量项，其中h表示产层厚度，Pwfg表示煤层气井井底气体流压，re为排泄半径，rw为井筒半径，S为表皮系数，Kx，Ky，Kz分别表示裂隙系统的绝对渗透率在X，Y，Z三个方向上的分量，Krg表示气相的相对渗透率，ρg表示气体密度，μg表示气体粘度，分别表示x，y，z三个方向上的气相压力梯度，D表示由某一基准面算起的深度，向下为正，g表示重力加速度，Sg表示气相饱和度，φ表示裂隙系统的储层孔隙度；式中：为液体产量项，Pwfw表示煤层气井井底液体流压，Krw表示水相的相对渗透率，ρw表示地层水密度，μw表示地层水粘度，分别表示x，y，z三个方向上的水相压力梯度，Sw表示水相饱和度；式中：σ表示形状因子，D表示煤基质的气体扩散系数，VL表示兰米尔体积，PL表示兰米尔压力；Pg表示自由气体压力，Ve与自由气体处于平衡状态的吸附气体含量；辅助方...

【专利技术属性】
技术研发人员：赖枫鹏，
申请(专利权)人：中国地质大学北京，
类型：发明
国别省市：北京;11