一种高含硫气藏硫沉积孔隙网络模型研究方法与流程

[0001]
本发明涉及一种高含硫气藏硫沉积孔隙网络模型研究方法，属于高含硫气藏开发技术领域。


背景技术：

[0002]
四川盆地已探明高含硫天然气储量超过9000
×
108m3，占全国同类天然气储量的比例超过90。作为中国高含硫天然气开发的主战场，四川盆地已有近47年的高含硫气藏开发历史，积累了丰富的开发成果和技术经验，同时“走出去”支持海外天然气合作开发，代表了中国高含硫气藏开发的最高水平，并引领我国高含硫气藏开发的技术发展方向。
[0003]
目前，在含硫天然气的开发中，元素硫的析出沉积对生产的主要影响是堵塞油管及管线由于管线的堵塞导致天然气的生产减缓甚至停滞；降低地层渗透性由于元素硫在孔隙喉道中的沉积，堵塞了天然气的渗流通道，降低了地层渗透率，形成硫堵，影响到气井产能；井筒堵塞硫的沉积主要发生在距井筒周围2m的范围内，当含硫饱和度超过大约20％时，硫堵就会迅速发生，并且硫的沉积量与距井筒中心距离的平方成反比.与压降成正比.这使得元素硫越靠近井。
[0004]
经过广泛的调研，专利号为cn201910463758.1的《一种高含硫气藏岩心硫沉积孔隙尺寸分布变化的测量方法》提供一种高含硫气藏岩心硫沉积孔隙尺寸分布变化的测量方法；；专利号为cn202010062795.4的《一种高含硫气体元素硫沉积模拟装置》提供了一种在不同的温度、压力环境下实施硫沉积实验的装置；彭盼在2019年基于单质硫的分形生长理论，结合传热，传质学理论与能量，质量守恒定律，建立了单质硫的扩散，沉积与生长模型，能较好地描述硫沉积于井壁的物理现象；邓勇等人在2007年通过元素硫沉积影响因素的分析和评价，运用人工神经网络理论建立高含硫气藏硫沉积神经网络预测模型，预测高含硫气藏硫沉积情况。
[0005]
总体来说，目前针对高含硫气藏硫沉积的研究较多，但都停留在理论研究和物理实验模拟的阶段，未见利用孔隙网络模型对高含硫气藏硫沉积进行数值模拟的报道。


技术实现要素：

[0006]
本发明目的是：为了解决现今缺乏高含硫气藏硫沉积数值模拟方法的问题，本发明建立高含硫气藏硫沉积孔隙网络模型，研究硫的渗流和沉积规律，模拟效果好，可推广性强。
[0007]
为实现上述目的，本发明提供了一种高含硫气藏硫沉积孔隙网络模型研究方法，该方法包括下列步骤：
[0008]
s100、准备孔隙网络模型的输入参数，包括孔喉结构参数、硫的粘度、硫的摩尔质量；
[0009]
s200、采用随机函数随机分配管束半径建立非均质随机孔隙网络模型；
[0010]
s300、利用逾渗理论通过连通概率控制随机孔隙网络模型的连通性、配位数和孔
隙结构大小；
[0011]
s400、采用水电相似原理建立并求解压力矩阵方程，获取孔隙网络模型的压力分布，继而获得流场分布，通过描述两相界面推进前缘，明确气-液硫两相渗流路径图像；
[0012]
s500、建立孔隙网络模型，研究高含硫气藏硫的渗流和沉积规律。
[0013]
上述一种高含硫气藏硫沉积孔隙网络模型研究方法中，所述采用随机函数随机分配管束半径实现非均质随机网络模型是指采用随机函数来配置喉道半径，随机函数中两组半径分布函数分别为对数均匀分布和均匀分布，对数均匀分布的变异系数为0.05、0.30、0.55、0.80和1.05，均匀分布的变异系数分别为0.05、0.30和0.55，对数均匀分布的计算公式为均匀分布的计算公式为
[0014]
喉道半径的生成公式为
[0015][0016]
其中e为欧拉数，为常数；rand()％为随机函数；r
ma
为最大喉道半径，单位为μm；r
min
为最小喉道半径，单位为μm；r
h1
为对数均匀分布计算的喉道半径，单位为μm；r
h2
为对数均匀分布计算的喉道半径，单位为μm。
[0017]
上述一种高含硫气藏硫沉积孔隙网络模型研究方法中，所述随机孔隙网络模型包括体心立方体(简称为bcc)、面心立方体(简称为fcc)和简单立方体(简称为sc)三种类型，模型体心节点对应的最大配位数z
max
分别为6、8、12；通过设定连通概率p和随机选择喉道来建立模型，其中连通概率p等于实际连通配位数z/z
max
，并配置等于零的半径，临界值z
c
与晶格类型无关，即z
c
≈1.5，p和z用做描述作连通性，关系为z
p
＝z
max
·
p，其中，z
max
为模型最大配位数，无量纲；z
p
为模型连通配位数，无量纲；p为连通概率，为百分数。
[0018]
上述一种高含硫气藏硫沉积孔隙网络模型研究方法中，将电路网络和流体多孔介质渗流视为管束组成的网络结构，流体压降方程简化为类似于欧姆定律的形式，公式为q
ij
＝g
ij
δp
ij
，其中，q
ij
为流量，单位为cm3/s；δp
ij
为管束两端的压差，单位为mpa；g
ij
为导流系数，单位为cm3/(s
·
mpa)；导流系数公式为
[0019][0020][0021]
其中，m为摩尔质量，单位为kg/kmol；r
ij
为喉道平均半径，单位为cm；μ为气体粘度，单位为mpa
·
s；r为气体常数，单位为8.314j/mol/k；t为绝对温度，单位为k；ρ
avg
为气体平均密度，单位为kg/m3；l
ij
为喉道长度，单位为cm；α为切向动量调节系数，值为0.8；f为中间函数；在此基础上建立压力矩阵方程并求解。
[0022]
上述一种高含硫气藏硫沉积孔隙网络模型研究方法中，所述研究高含硫气藏硫的渗流和沉积规律是指研究连通性以及配位数对气-液硫两相渗流的影响、硫沉积对气相相对渗透率的影响、孔喉分布对硫沉积特征的影响。
[0023]
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：(1)创新利用孔隙网络模型对高含硫气藏硫沉积进行数值模拟，模拟效果好；(2)可推广性强。
附图说明
[0024]
在附图中：
[0025]
图1是本方法技术路线图。
[0026]
图2是逾渗模型示意图。
[0027]
图3是体心立方体的随机网络模型图。
[0028]
图4是面心立方体的随机网络模型图。
[0029]
图5是简单立方体的随机网络模型图。
[0030]
图6是高含硫气藏渗流路径示意图。
[0031]
图7是喉道全联通硫沉积图。
[0032]
图8是配位数为6的孔隙网络拓扑图。
[0033]
图9是配位数为6的硫沉积图。
[0034]
图10是不同配位数硫沉积的气相相对渗透率图。
[0035]
图11是孔隙半径变化时气相相对渗透率图。
具体实施方式
[0036]
下面结合实施方式和附图对本发明做进一步说明。
[0037]
本发明提供了一种高含硫气藏硫沉积孔隙网络模型研究方法，图1为本方法的技术路线图，该方法包括下列步骤：
[0038]
s100、准备孔隙网络模型的输入参数，包括孔喉结构参数、硫的粘度、硫的摩尔质量；
[0039]
s200、采用随机函数随机分配管束半径建立非均质随机孔隙网络模型；
[0040]
s300、利用逾渗理论通过连通概率控制随机孔隙网络模型的连通性、配位数和孔隙结构大小；
[0041]
s400、采用水电相似原理建立并求解压力矩阵方程，获取孔隙网络模型的压力分布，继而获得流场分布，通过描述两相界面推进前缘，明确气-液硫两相渗流路径图像；
[0042]
s500、建立孔隙网络模型，研究高含硫气藏硫的渗流和沉积规律。
[0043]
进一步的，考虑储层具有强非均值性，用储层岩石孔隙半径变异系数来描述其的非均质性，孔隙网络模型采用随机函数来配置喉道半径，来实现非均质性孔隙网络模拟。随机函数中两组半径分布函数分别为对数均匀分布和均匀分布，对数均匀分布的变异系数为0.05、0.30、0.55、0.80和1.05，均匀分布的变异系数分别为0.05、0.30和0.55，对数均匀分布的计算公式为均匀分布的计算公式为
[0044]
[0045]
喉道半径的生成公式为
[0046][0047]
其中e为欧拉数，为常数；rand()％为随机函数；r
ma
为最大喉道半径，单位为μm；r
min
为最小喉道半径，单位为μm；r
h1
为对数均匀分布计算的喉道半径，单位为μm；r
h2
为对数均匀分布计算的喉道半径，单位为μm。
[0048]
进一步的，逾渗理论是表示随机孔隙网络模型的研究的核心内容，如图2所示，它通过描述对其随机网络中点、键的结合与连通，它的核心为在随机孔隙网络模型里面利用统计学方法研究流体的分布和其流动规律。在流动模拟中对模型做如下假设：喉道具有空间体积和流动阻力在图中表示为连线，有一定的分布特征；孔隙为图中连线交点，没有体积和流动的阻力，仅仅起连接作用。故对逾渗模型参数计算不考虑孔隙体积，逾渗模型以网络空间连线分布为基础，研究这些微观分布对岩心宏观属性的影响。
[0049]
随机孔隙网络模型包括体心立方体(简称为bcc)、面心立方体(简称为fcc)和简单立方体(简称为sc)三种类型，如图3-图5所示，模型体心节点对应的最大配位数z
max
分别为6、8、12；通过设定连通概率p和随机选择喉道来建立模型，其中连通概率p等于实际连通配位数z/z
max
，并配置等于零的半径，临界值z
c
与晶格类型无关，即z
c
≈1.5，p和z用做描述作连通性，关系为z
p
＝z
max
·
p，其中，z
max
为模型最大配位数，无量纲；z
p
为模型连通配位数，无量纲；p为连通概率，为百分数。
[0050]
进一步的，将电路网络和流体多孔介质渗流视为管束组成的网络结构，流体压降方程简化为类似于欧姆定律的形式，公式为q
ij
＝g
ij
δp
ij
，其中，q
ij
为流量，单位为cm3/s；δp
ij
为管束两端的压差，单位为mpa；g
ij
为导流系数，单位为cm3/(s
·
mpa)；导流系数公式为
[0051][0052][0053]
其中，m为摩尔质量，单位为kg/kmol；r
ij
为喉道平均半径，单位为cm；μ为气体粘度，单位为mpa
·
s；r为气体常数，单位为8.314j/mol/k；t为绝对温度，单位为k；ρ
avg
为气体平均密度，单位为kg/m3；l
ij
为喉道长度，单位为cm；α为切向动量调节系数，值为0.8；f为中间函数；
[0054]
假设渗流路径如图6所示，涉及0、1、2
……
7共8个节点，入口节点为0，出口节点为7，对于节点的流动模型假设为准静态模型。因此节点1、2
……
6满足质量守恒方程，节点0和7位初始边界条件。建立整个孔隙网络模型的压力矩阵方程：
[0055]
g
×
p＝q
b
+c
s
q
c
[0056]
其中，压力传导系数矩阵为
[0057][0058]
压力自传导系数：
[0059][0060]
无量纲压力：
[0061][0062]
压力影响的无量纲流量：
[0063][0064]
毛管力影响的无量纲流量：
[0065][0066]
其中，g
ij
为导流系数，单位为cm3/(s
·
mpa)；p
inlet
为入口端的压力，单位为mpa；pc35为节点3和节点5间的毛管力；pc36为节点3和节点6间的毛管力；ls为毛管长。
[0067]
通过求解压力矩阵方程，就可以解到整个网络模型的压力分布，继而获得流场分布，通过描述两相界面推进前缘，就可以获得气-液硫两相渗流路径图像。
[0068]
进一步的，导入输入参数，建立20*20*1的孔隙网络模型进行气-液硫两相渗流模拟，设定赋存相为气体，侵入相为液硫，硫的粘度7mpa
·
s，硫的摩尔质量32g/mol，设定孔隙坐标间距为100μm，温度为130℃，孔隙半径大小服从对数正态分布，并小于孔隙坐标间距；相邻两个孔隙的喉道长度则为两孔隙中心坐标与两孔隙半径之和的差值。
[0069]
在两相流动模拟时根据边界条件求解压力场，再孔隙及喉道半径大小计算阈值压力，每一个时间步发生一次侵入，从而确定渗流路径。
[0070]
进一步的，利用高含硫气藏硫沉积孔隙网络模型依次分析连通性以及配位数对气-液硫两相渗流的影响、硫沉积对气相相对渗透率的影响、孔喉分布对硫沉积特征的影响。
[0071]
分别控制模型的喉道联通率，以全联通、联通90％、联通80％、联通70％、联通60％进行模拟，并进行气硫两相流动模拟，压力边界分别设置在x轴两端，入口端为2mpa。时间步＝95％时，高含硫气藏孔隙网络模型的喉道全联通硫沉积图如图7所示。
[0072]
表1孔隙网络模型渗透率表
[0073][0074]
由表1可知，对于二维孔隙网络模型来说，全联通模型的硫相沉积比较均匀，随着连通性降低，在联通性小于80％时，渗透率就发生了突降，并且在液硫侵入发生时只能沿主要流通方向深入，自然对渗透率的伤害越大。
[0075]
然后再研究配位数对气硫两相渗流的影响，配位数为6的孔隙网络拓扑图如图8，配位数为6的硫沉积图如图9。
[0076]
表2不同配位数模型的渗透率
[0077][0078]
从表2的渗透率数据可以得出，配位数越高，模型的渗透率越高。并且液硫相在侵入时则更容易随优势渗流通道深入，而不是呈现均匀的沉积。图9中可以看出在配位数为6时，硫相沉积比较均匀，进一步说明了不处于优势通道上的孔隙受沉积影响较小。
[0079]
接着再研究硫沉积对气相相对渗透率的影响，建立一个20*20*20的孔隙网络模型，并且配位数分别为6、8、12，连通性均为50％。在进行模拟时先求解压力场，先确定会被侵入的孔隙，即压力大于进入这个孔隙所需的阈值压力，再修改这些孔隙的传导率，从而实现硫沉积的堵塞作用。同时再施加气相边界，并且通过计算每一时间步的硫饱和度与气相渗透率，即得到不同的含硫饱合度下的气相相对渗透率。不同配位数硫沉积的气相相对渗透率图如图10所示。
[0080]
从相渗曲线可以看出对于三维孔隙网络，配位数对硫沉积的影响并不显著，这是因为满足了一定的连通性要求后，硫沉积的分布受连通性影响很小。
[0081]
最后研究孔喉分布对硫沉积特征的影响，建立一个20*20*20的孔隙网络模型，并且配位数分别为8，连通性为50％。使用韦布尔分布算法随机分配每个孔隙的半径值，分布的最大值分别为45μm、35μm与25μm，标准差为0.0001，同时喉道长度为相邻两孔隙半径之和与坐标间插值，半径则为喉道长度的二分之一，这样就同时对孔喉分布进行了修改。孔隙半径变化时气相相对渗透率图如图11所示。
[0082]
表3不同孔隙半径分布模型的渗透率
[0083][0084]
从图11和表3可以看出孔隙网络模型在配位数不变时，孔隙半径分布的变化也会影响硫沉积分布，随孔隙半径的减小，渗流速度变慢，液硫沉积较快，在相渗曲线上反应为前期的快速下降；而孔隙半径较大的模型，液硫随之运移的更加深入，后期则会造成更严重的堵塞。
[0085]
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：(1)创新利用孔隙网络模型对高含硫气藏硫沉积进行数值模拟，模拟效果好；(2)明确了连通性、配位数以及孔喉分布对硫沉积的影响，对含硫气藏高效开发提供一定的指导；(3)可推广性强。
[0086]
最后所应说明的是：以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应该理解：依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。