煤层气开发数值模拟-CMG

CMG煤层气数值模拟软件介绍CMG煤层气数值模拟软件介绍加拿大计算机模拟软件集团加拿大计算机模拟软件集团煤层气模拟的基本概念煤层气模拟的基本概念层气模拟本概层气模拟本概2煤层构造和煤层气流动机理煤层构造和煤层气流动机理Š原生孔隙：基质Š次生孔隙：割理（裂缝）Š次生孔隙：割理（裂缝）3煤层中的流动状态煤层中的流动状态CHCO2CH4N2ˆ煤层气次开采2ˆ煤层气一次开采ˆCO2提高采收率(CO2-ECBM)ˆN2提高采收率(N2-ECBM)ˆ烟道气提高采收率ˆ烟道气提高采收率4煤层气一次开采机理煤层气一次开采机理ˆ通过排水降低割理压力ˆ煤层气从基质中解吸附出来扩散到节理/裂缝当中ˆ煤层气从基质中解吸附出来，扩散到节理/裂缝当中ˆ煤层气和水流动到井筒在裂缝中为达西流动面割理和端割理•面割理和端割理•面割理和端割理的垂直连接部分Š在大型裂缝中的达西流动或者管流大型•大型节理•次生裂缝Š在生产油管和井筒中的管流CH4CH4CoalMatrixˆ裂缝渗透率受基质影响MatrixCH4H2O煤层割理和裂缝5CH4CH4CH4z1Slide5z1zll,2012-3-14提高煤层气采收率机理ECBM提高煤层气采收率机理ECBM烟道气CO2N2CH出售N2分离CH4出售煤注入绿色电厂CO2深部煤层CH4CH4CH4绿色电厂•提高煤层气采收率•温室气体(GHG)封存46温室气体()封存煤层属性：多重孔隙度系统煤层属性：多重孔隙度系统ˆ原生孔隙度系统（煤层基质）ˆ原生孔隙度系统（煤层基质）Š微孔隙度(2nm)Š中孔隙度(2–50nm)+Š非常低的流通能力：渗透率在微达西范围Š只有扩散流动ˆ次生孔隙度系统（煤层节理）ˆ次生孔隙度系统（煤层节理）Š宏观孔隙度(50nm)Š天然裂缝Š更强的流通能力：渗透率在毫达西范围7Š达西流动在GEM中煤作为多重孔隙系统在GEM中煤作为多重孔隙系统ˆ需要多重孔隙度模型ˆ需要多重孔隙度模型Š在裂缝（割理）系统中为标准的达西流动例如DUALPORSHAPEGKˆ裂缝间距IJKˆ裂缝间距,I,J,K例如DIFRACCON0.2或DIFRACALLarrayŠMATRIX表示基质系统ŠFRACTURE表示裂缝系统Š基质中允许非达西流动Š煤层气从基质扩散到裂缝（注意：如果基质渗透率被指定为0，那么基质到裂缝之间没有流动。）8煤层属性：渗透率各向异性煤层属性：渗透率各向异性ˆ面割理方向为较大的渗透率来定义割理系统渗透率各ˆ面割理方向为较大的渗透率来定义割理系统渗透率各向异性。例如例如PERMIMATRIXCON0.001PERMJMATRIXEQUALSIPERMJMATRIXEQUALSIPERMKMATRIXEQUALSIPERMIFRACTURECON0.8PERMJFRACTURECON4PERMKFRACTURECON0.49煤层气吸附模拟煤层气吸附模拟煤层气吸附模拟煤层气吸附模拟10CBM吸附模拟CBM吸附模拟ˆ气体的吸附量随着压力增加非线性增大同时ˆ气体的吸附量随着压力增加非线性增大，同时随压力降低而减小。这由等温吸附线描述。ˆ如果油藏温度和压力是已知的，那么可以通过等温线来估计煤层气在煤层中吸附的最大值等温线来估计煤层气在煤层中吸附的最大值，以及在什么压力下解吸附开始。ˆ煤层吸附气体的含量是煤的等级、灰分含量、水分含量和煤层压力影响的函数水分含量和煤层压力影响的函数。11吸附定义吸附定义ˆ等温吸附曲线(Li类型)ˆ等温吸附曲线(Langmuir类型)TypicalCoalAdsorptionCurveTypicalCoalAdsorptionCurve6007003/ton)300400500sorption(ftFracturePressure100200300GasAdsUndersaturatedcoalMatrixPressureFracturePressure001000200030004000Pressure(psi)12GEM吸附模拟GEM吸附模拟ˆ单组分吸附：Š需要Langmuir体积,VL（例如最大吸附气量）需要agu体积,L（例如最大吸附气量）ŠLangmuir压力,PL（表示在什么压力下气体存储量等于最大存储量(VL)的一半）。大存储量(VL)的半）。⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛+=PPPLViω其中，ωi=单位质量岩石中的吸附气摩尔量⎟⎠⎜⎝+PLP13GEM：吸附定义GEM：吸附定义ˆ多组分吸附模型：ˆ多组分吸附模型：Š扩展的Langmuir模型⎟⎟⎞⎜⎜⎛=∑Liigmaxii)p/py(ωω其中⎟⎟⎟⎠⎜⎜⎜⎝+∑jLjjgmax,ii)p/py(1ωω其中，yig=气相中吸附组分的摩尔分数Š基于单组份的Langmuir等温线基于单组份的Langmuir等温线Š提供多组分扩展14GEM中吸附关键字GEM中吸附关键字Langmuir等温线关键字：ˆADGCSTC-Langmuir等温线的压力参数的倒数(1/PL)Š1/kpaor1/psiˆADGMAXC-指定单位质量岩石吸附组分的最大摩尔量(VL)Šgmoleofgas/kgofrockorgmole/lbofrockŠ（注意右侧单位！）（注意右侧单位）ˆ*ROCKDEN:煤层密度（除孔隙外的实际岩石密度）ŠKg/m3orlb/ft3ŠKg/m3orlb/ft3ˆ这些关键字在模型的ROCK-FLUID部分定义。15GEM中吸附关键字GEM中吸附关键字例如**$PtMilAdbdM(CH4)(l/k)M0Mi0**$Property:MaximalAdsorbedMass(CH4)(gmole/kg)Max:0Min:0ADGMAXC'CH4'FRACTURECON0**$Property:MaximalAdsorbedMass(CO2)(gmole/kg)Max:0Min:0ADGMAXC'CO2'FRACTURECON0**$Property:MaximalAdsorbedMass(CH4)(gmole/kg)Max:0.734287Min:0ADGMAXC'CH4'MATRIXCON0.734287**$Property:MaximalAdsorbedMass(CO2)(gmole/kg)Max:1.04824Min:0$Property:MaximalAdsorbedMass(CO2)(gmole/kg)Max:1.04824Min:0ADGMAXC'CO2'MATRIXCON1.04824**$Property:LangmuirAdsorptionConstant(CH4)(1/kPa)Max:0.000303306Min:0.000303306ADGCSTC'CH4'MATRIXCON0.000303306**$Property:LangmuirAdsorptionConstant(CH4)(1/kPa)Max:0Min:0ADGCSTC'CH4'FRACTURECON0**$Property:LangmuirAdsorptionConstant(CO2)(1/kPa)Max:0.000809717Min:0.000809717ADGCSTC'CO2'MATRIXCON0.000809717**$Property:LangmuirAdsorptionConstant(CO2)(1/kPa)Max:0Min:0ADGCSTC'CO2'FRACTURECON0*16*$Property:RockDensity(kg/m3)Max:1327Min:1327ROCKDENMATRIXCON1327每个网格的这些关键字必须常数或者数组。GEM:其他可用的吸附模型GEM:其他可用的吸附模型ˆ其他复杂吸附模型选项ˆ其他复杂吸附模型选项Š其它复杂系统可利用表格输入17GEM:其他可用的吸附模型GEM:其他可用的吸附模型ˆ吸附作用数据表格输入的语法ˆ吸附作用数据表格输入的语法*ADSORBTMAX‘组分’ϖmax其中，ϖmax表示岩石对某组分的最大吸附值，单位是gmole/kg(或者lb)*ADSTAB‘组分’**(组分分压,kpa/psia)(组分吸附量)2_21_1ϖϖppˆ在多组分系统，可以将这个表格扩展到每种组分。n_.........ϖnp18气体在煤层基质中流动气体在煤层基质中流动扩散扩散扩散扩散19GEM：扩散模拟GEM：扩散模拟ˆ两种类型的模型：ˆ两种类型的模型：1.煤层自由扩散：模拟煤层基质到裂缝的扩散，遵循Fickslaw：Vl单元体积[][])f,k(C)m,k(C*)Sg(F*)K(diffus*shape*volQ−=Vol=单元体积Diffus(k)=扩散值F(S)模拟水堵的裂缝含气饱和度函数F(Sg)=模拟水堵的裂缝含气饱和度函数C(k,m)=基质中物质k在自由气相的质量浓度C(kf)=裂缝中物质k在自由气相的质量浓度C(k,f)=裂缝中物质k在自由气相的质量浓度20GEM：扩散模拟GEM：扩散模拟2.煤层朗格缪尔扩散：2.煤层朗格缪尔扩散：[][])f,k(Lang)m,k(Lang*)Sg(F*)K(diffus*shape*volQ−=Vol=晶粒体积[][]),(g),(g)g()(pQDiffus(k)=扩散值F(Sg)=水堵裂缝气体饱和度函数Lang(k,m)=基质中扩展的煤层朗格缪尔等温线Lang(kf)=裂缝中扩展的煤层朗格缪尔等温线Lang(k,f)=裂缝中扩展的煤层朗格缪尔等温线21GEM：扩散模拟GEM：扩散模拟ˆ输入煤层扩散时间(COALDIFTIME)ˆ输入煤层扩散时间(COAL-DIF-TIME)Š直接使用测量到的解吸附时间受组分影响•受组分影响Š内部计算扩散流动ˆ直接输入气相扩散值(COAL-DIF-COMP)Š输入扩散常数(cm2/sec)()Š输入估算的煤层节理（裂缝）间距•形状因子（ShapeFactor）pŠ流动取决于这两个参数的影响22GEM：扩散模拟GEM：扩散模拟ˆ直接输入气相扩散值ˆ直接输入气相扩散值Š为每个组分指定{DiffCoeffi}Š指定裂缝间距：DFraci,DFracj,DFrackŠ这些决定着下面的形状因子：这些决定着下面的形状因子：∑=14Shape()∑=ll24DFracShapeŠ定义煤块与裂缝之间的扩散•扩散常数=Shape×DiffCoeffi23煤层渗透率随时间的变化煤层渗透率随时间的变化煤层渗透率随时间的变化煤层渗透率随时间的变化24在注入阶段和生产阶段煤层渗透率的变化在注入阶段和生产阶段煤层渗透率的变化煤层渗透率的变化煤层渗透率的变化ˆ在煤层气井开采阶段，渗透率的变化是十分巨大的：在圣胡安盆地被报道超过100倍。ˆ在ECBM时渗透率的变化更加的强烈这是因为组分随着煤层特有ˆ在ECBM时，渗透率的变化更加的强烈，这是因为组分随着煤层特有的膨胀和收缩性质而发生变化。ˆ渗透率变化的解析模型可以有效地提供合理的与现场数据相比较的结ˆ渗透率变化的解析模型可以有效地提供合理的与现场数据相比较的结果。25煤层渗透率变化的解析模型煤层渗透率变化的解析模型¾ARIdl(PktdR2003)¾ARImodel(PekotandReeves,2003)¾PalmerandMansoori(P&M,1996,1998)()¾ShiandDurucan(S&D,2003,2005)C()¾CuiandBustin(2005,2007)¾ARCmodel;extensionofP&Mmodel(Mavor&;(Gunter,2004,2005)¾ImprovedP&Mmodel(2008)¾ImprovedP&Mmodel(2008)26AvailableinGEMGEM：基质的膨胀和收缩GEM：基质的膨胀和收缩ˆ什么时候气/水开始产出？ˆ什么时候气/水开始产出？Š裂缝压力降低，改变有效应力Š裂缝闭合，降低渗透率ˆ煤层气解吸附ˆ煤层气解吸附Š引起基质收缩裂缝张开增大渗透率Š裂缝张开，增大渗透率ˆ注入其他气体Š引起基质膨胀ˆ多种相互矛盾影响同时出现27ˆ多种