一种可燃冰开采时甲烷监测传感器的布置方法与流程

本发明涉及可燃冰资源试/开采环境安全综合监测技术领域，特别涉及一种可燃冰开采时甲烷监测传感器的布置方法。

背景技术：

可燃冰是由是由天然气分子和水分子结合在一起，在高压低温环境下形成的固态冰状物质，又称天然气水合物。可燃冰分布范围广泛，资源量大，能量密度高，有希望成为未来满足人类需求的高效清洁能源。

但是，在可燃冰试/开采过程中如储层稳定环境遭到破坏，可燃冰就会分解为产生甲烷气体，进而影响海洋生态环境和带来温室效应。因此，在可燃冰开采环境监测领域，对于甲烷气体的有效监测是重中之重。

目前，国内外均处于可燃冰试采阶段，可燃冰开采采用多种不同的开采工艺，以降压法最为普遍。可燃冰试/开采布井方式可能存在垂直井、水平井以及垂直井和水平井联合布井。已公开的监测系统和方法仅适用于某种特定布井方式。

已公开的可燃冰开采海底甲烷监测系统，通常采用同心圆等距离的方式设置多层监测圈，在监测圈布设甲烷传感器。未来在商业化开采时，针对不同的开采区域会存在不同的布井方案，也存在垂直井和水平井联合布井的方式。在这种情况下，已公开的方法灵活性比较差，就不再适用于更多的可燃冰开采环境。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明提供了一种可燃冰开采时甲烷监测传感器的布置方法，以达到可适应不同的布井方式，提高监测精度的目的。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种可燃冰开采时甲烷监测传感器的布置方法，包括如下步骤：

s1、根据可燃冰开采区域的探测资料，建立可燃冰储层与海水水体的连接关系物理模型；

s2、建立可燃冰开采的模拟区域数值模型，根据物理模型和数值模型生成粗化网格单元；

s3、分别计算甲烷在储层和水体中的扩散速率；

s4、计算甲烷在储层和水体中的渗透量，对粗化网格局部区域进行多级加密处理，获取优化非结构网格单元；

s5、输入甲烷监测传感器的敏感范围参数；

s6、根据甲烷的扩散速率和渗透量，结合甲烷监测传感器的敏感范围参数，输出甲烷监测传感器布置点位。

上述方案中，所述s1具体如下：

采集选定开采区域海水深度、面积以及含可燃冰的储层所在深度范围，根据上述数据建立可燃冰储层与海水水体的连接关系：

s1-1，获取可燃冰开采的模拟区域：将包含水平井段、垂直井段以及监测井段设置为可燃冰开采的模拟区域；

s1-2，对可燃冰开采的模拟区域建立储层地质模型；

s1-3，建立储层地质模型与水体模型的耦合关系。

上述方案中，所述s2具体如下：

根据可燃冰储层特性以及甲烷气体流动形态，结合实际勘探资料，以达西方程为核心，考虑甲烷在储层和水体中的扩散，研究甲烷的扩散量与扩散速率，建立甲烷在储层及水体中扩散的数学模型，利用netgen软件对储层和水体模型的网格数据进行粗化处理，具体如下：

s2-1，确定横向网格和纵向网格分辨率，即粗化后网格大小，其中横向网格分辨率为10m，纵向网格分辨率为50m；

s2-2，在区域网格采用基于气体流动的方向粗化方法粗化甲烷在水体的扩散率，得到粗化后网格扩散率；

s2-3，将物理模型的水体边界和储层边界的几何信息输入；

s2-4，在水体边界和储层边界上设置取样点，形成边界的离散点；

s2-5，以边界离散点为基础，对整个模型进行网格离散化处理得到非结构网格系统。

上述方案中，所述s4包括：

s4-1，获取网格加密处理区域；

一级网格加密区域为垂直井井筒所在的区域；

二级网格加密区域为水平井走向两侧距离15m以内的区域；

s4-2，根据网格的孔隙度和渗透率，采用差值方法，得到每个小网格上的孔隙度和渗透率。

通过上述技术方案，本发明提供的可燃冰开采时甲烷监测传感器的布置方法有益效果在于：

1、建立空间拓扑的非结构网格系统，构建从大气至井底的立体化环境监测空间，并且加密井口附近监测点密度，利用网格节点布置监测设备，可以提高现有方法的监测精度。

2、利用拓扑结构，可以灵活调整井口数量以及开采工艺，克服现有方法仅针对单井开采监控和单种开采工艺的局限性。

本发明从数学建模再到数值解法都能很好的模拟水平井和垂直井联合布井工艺，解决了传感器布置无优化模型可依据的难题，为环境安全综合监测系统中甲烷泄露监测传感器的布置提供理论指导，具有很强的应用价值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为本发明实施例所公开的一种可燃冰开采时甲烷监测传感器的布置方法流程示意图；

图2为垂直井海床处井口分段网格剖分俯视图；

图3为垂直井直井段网格剖分图；

图4为水平井单井网格剖分图；

图5为水平井多井空间拓扑传感器布置示意俯视图；

图6为水平井多井空间拓扑传感器布置示意侧视图。

其中，1、井筒，2、甲烷监测传感器，a、垂直段；b、造斜段；c、水平段。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

本发明提供了一种可燃冰开采时甲烷监测传感器的布置方法，如图1所示，包括如下步骤：

s1、根据可燃冰开采区域的探测资料，建立可燃冰储层与海水水体的连接关系物理模型；

采集选定开采区域海水深度、面积以及含可燃冰的储层所在深度范围，根据上述数据建立可燃冰储层与海水水体的连接关系：

s1-1，获取可燃冰开采的模拟区域：将包含水平井段、垂直井段以及监测井段设置为可燃冰开采的模拟区域；

s1-2，对可燃冰开采的模拟区域建立储层地质模型；

s1-3，建立储层地质模型与水体模型的耦合关系。

s2、建立可燃冰开采的模拟区域数值模型，根据物理模型和数值模型生成粗化网格单元；

根据可燃冰储层特性以及甲烷气体流动形态，结合实际勘探资料，以达西方程为核心，考虑甲烷在储层和水体中的扩散，研究甲烷的扩散量与扩散速率，建立甲烷在储层及水体中扩散的数学模型，利用netgen软件对储层和水体模型的网格数据进行粗化处理，具体如下：

首先，建立可燃冰开采的数值模型，包括甲烷扩散方程、气相压力方程、水程、水合物分解方程、海水流域方程：具体为：

(1)甲烷扩散方程：

质量守恒方程表达式：

动量守恒方程：

能量守恒方程：

(2)气相压力方程：

(3)水相饱和度方程：

(4)水合物分解方程：

(5)海水流域方程：

式中符号含义如下：

ρ为混合气体密度，为矢量速度；p是绝对压力数值，μ是流体的动力粘度，ρa是空气密度，g是重力加速度；t是温度，cp是比热容，k为流体的传热系数，st是混合气体的内热源以及通过流体机械能转化为热能的部分，简称为粘性耗散项。

ρg和ρw分别为气相和水相密度，kg/m³；sg和sw分别为气相和水相饱和度；krg和krw分别气相水两相渗流的气相相对渗透率和水相相对渗透率；k为沉积物多孔介质的绝对渗透率沉积物多孔介质的绝对渗透率，m²；μg和μw分别为甲烷气体和水的粘度，pa·s；z为气体偏差因子；rg为气体常数，8.314j/(mol·k)；t为温度，k；为含水水合物沉积物孔隙度；ρh为水合物密度，kg/m³；s为水合物饱和度；mh为单位体积水合物分解速率，kg/(m³·s)；mg为单位体积水合物分解的产气速率，kg/(m³·s)；mw为单位体积水合物分解产水速率，kg/(m³·s)；mch4为甲烷的摩尔质量，0.016kg/mol；pe水合物平衡压力，pa；pg为气体压力，pa；pc为毛管力，pa；kreac为水合物分解速率常数，mol/(m²·pa·s)；ars为单位体积储层水合物分解的表面积，m^-1；pi为储层初始压力，pa。

s2-1，确定横向网格和纵向网格分辨率，即粗化后网格大小，其中横向网格分辨率为10m，纵向网格分辨率为50m；

s2-2，在区域网格采用基于气体流动的方向粗化方法粗化甲烷在水体的扩散率，得到粗化后网格扩散率；

s2-3，将物理模型的水体边界和储层边界的几何信息输入；

s2-4，在水体边界和储层边界上设置取样点，形成边界的离散点；

s2-5，以边界离散点为基础，对整个模型进行网格离散化处理得到非结构网格系统。

s3、分别计算甲烷在储层和水体中的扩散速率；

采用相对渗透率stone模型和vangenuchtenfunction方程以及甲烷扩散方程(1)、(2)、(3)来计算储层甲烷空隙运移和水体甲烷扩散；

(1)相对渗透率stone模型：

krh＝1；

(2)vangenuchtenfunction方程：

pcap＝-p0[(s^*)^-1/γ-1]^-γ(11)

kra为液相相对渗透率；krg为气相相对渗透率；krh为水合物相对渗透率；sa为液相湿润相饱和度；sg为气相湿润相饱和度；s1ra为液非湿润相湿润饱和度；spg为气相非湿润相饱和度；n为方程参数，取值0-5；ng为方程参数，取值1-5；pcap为毛细压力；p0为系统参数；smxa为液饱和度。

s4、计算甲烷在储层和水体中的渗透量，对粗化网格局部区域进行多级加密处理，获取优化非结构网格单元；

s4-1，获取网格加密处理区域；

如图2、图3和图4所示，一级网格加密区域为垂直井井筒1所在的区域；如图4所示的垂直井和水平井结合的井筒1包括了垂直段a、造斜段b和水平段c。

二级网格加密区域为水平井走向两侧距离15m以内的区域；

s4-2，根据网格的孔隙度和渗透率，采用差值方法，得到每个小网格上的孔隙度和渗透率。

网格建立依据：平面网格主方向应该与可燃冰储层的平面延伸方向尽可能一直，尽量保证网格的正交性和一致性，使网格方向保持与模拟区域一致。网格的尺度是根据储层和水体甲烷渗透量以及分辨率等因素决定。

s5、输入甲烷监测传感器的敏感范围参数；

s6、根据甲烷的扩散速率和渗透量，结合甲烷监测传感器的敏感范围参数，输出甲烷监测传感器2布置点位，如图5和图6所示。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。