基于激电法评价含水合物沉积物渗透率数值模拟研究.pdf
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1、第 11 卷 第 4 期 新 能 源 进 展 Vol.11 No.4 2023 年 8 月 ADVANCES IN NEW AND RENEWABLE ENERGY Aug.2023 *收稿日期:2022-12-21 修订日期:2023-03-27 基金项目:中石油“十四五”前瞻性基础性重大科技项目(2021DJ4901);国家留学基金项目(202106455003);中央高校基本科研业务费专项资金项目(20CX05005A);中国石油科技创新基金项目(2018D-5007-0214);山东省自然科学基金项目(ZR2019MEE095)通信作者:邢兰昌,E-mail: 引用本文:邢兰昌,王硕,
2、张欢欢,等.基于激电法评价含水合物沉积物渗透率数值模拟研究J.新能源进展,2023,11(4):320-332.Citation:XING Lanchang,WANG Shuo,ZHANG Huanhuan,et al.Numerical study on permeability evaluation for hydrate-bearing sediments based on induced polarization principleJ.Advances in new and renewable energy,2023,11(4):320-332.文章编号:2095-560X(2023)
3、04-0320-13 基于激电法评价含水合物沉积物渗透率数值模拟研究*邢兰昌1,,王 硕1,张欢欢1,魏 伟2,韩维峰2,杨金秀3,葛新民3(1.中国石油大学(华东)控制科学与工程学院,山东 青岛 266580;2.中国石油勘探开发研究院 新能源研究所,河北 廊坊 065007;3.中国石油大学(华东)地球科学与技术学院,山东 青岛 266580)摘 要:含水合物沉积物样品渗透率的实验测量过程中存在成本高、周期长、水合物相态变化等问题,水合物开采过程中缺乏可对储层渗透率动态变化进行实时监测的技术。提出基于激电响应评价含水合物沉积物渗透率的新方法,构建含水合物多孔介质的流场与电场有限元数值模型,
4、探讨水合物饱和度、骨架颗粒尺寸等因素对复电导率和渗透率的影响规律及机理,建立基于复电导率参数的含水合物多孔介质渗透率评价模型。研究结果表明:(1)随着多孔介质骨架颗粒粒径及等效孔径的增大,复电导率谱的弛豫时间增大,复电导率虚部极大值所对应频率降低,双电层极化主导频率范围内的复电导率虚部增大,多孔介质有效渗透率增大;(2)随着孔隙填充型水合物的饱和度增加,双电层极化主导的频率范围内复电导率虚部减小,界面极化主导的频率范围内复电导率虚部增大,含水合物多孔介质有效渗透率及其变化率持续减小;(3)双电层极化主导的频率范围内复电导率虚部与渗透率之间存在确定性关系,在饱和水条件下选取的固定频率处复电导率虚
5、部与渗透率呈幂函数关系,结合饱和与非饱和条件下复电导率之间的关系以及归一化渗透率与饱和度之间的关系可建立基于复电导率虚部的含水合物多孔介质有效渗透率评价模型。研究结果可为开发基于激电法的含水合物沉积物样品渗透率实验测量技术以及天然气水合物储层渗透率动态监测技术提供理论与模型基础。关键词:天然气水合物;渗透率;激发极化;复电导率;水合物饱和度;数值模拟 中图分类号:TK01;P631 文献标志码:A DOI:10.3969/j.issn.2095-560X.2023.04.004 Numerical Study on Permeability Evaluation for Hydrate-Bea
6、ring Sediments Based on Induced Polarization Principle XING Lanchang1,WANG Shuo1,ZHANG Huanhuan1,WEI Wei2,HAN Weifeng2,YANG Jinxiu3,GE Xinmin3(1.College of Control Science and Engineering,China University of Petroleum(East China),Qingdao 266580,Shandong,China;2.Department of Alternative Energy,Petro
7、China Research Institute of Petroleum Exploration&Development,Langfang 065007,Hebei,China;3.School of Geosciences,China University of Petroleum(East China),Qingdao 266580,Shandong,China)Abstract:There are significant problems such as high cost,long period and phase-state change of hydrate in the exp
8、erimental process for measuring the permeability of hydrate-bearing samples.Moreover,real-time monitoring technologies for the dynamic evolution of reservoir permeability in hydrate exploitation processes are still lacking.A new method for evaluating the permeability of hydrate-bearing sediments bas
9、ed on induced polarization(IP)responses was proposed,and finite-element numerical models of flow field and electrical field for hydrate-bearing porous media were constructed.The effects and corresponding mechanisms of hydrate saturation and skeleton particle size on the complex conductivity and perm
10、eability were analyzed.Finally,a permeability evaluation model of hydrate-bearing porous media based on complex conductivity was established.It was demonstrated that:(1)with the increase of the skeleton particle size and the equivalent pore diameter of porous medium,the relaxation time of the comple
11、x-conductivity spectrum increases,the frequency corresponding to the 第 4 期 邢兰昌等:基于激电法评价含水合物沉积物渗透率数值模拟研究 321 maximum imaginary complex conductivity decreases,the imaginary complex conductivity within the frequency range of electrical-double-layer(EDL)polarization increases,and the effective permeabil
12、ity of the porous medium increases;(2)with the increase of the pore-filling-hydrate saturation,the imaginary complex conductivity within the frequency range of EDL polarization decreases,the imaginary complex conductivity within the frequency range of interface polarization increases,and the effecti
13、ve permeability and its changing rate of the hydrate-bearing porous medium decrease continuously;(3)there is a definite relationship between the imaginary complex conductivity and permeability within the frequency range of EDL polarization;the imaginary complex conductivity at a fixed frequency unde
14、r water-saturated conditions exhibits a power-law relationship with permeability;combining the relationship between the complex conductivity under saturated/unsaturated conditions and that between the normalized permeability and saturation,an evaluation model for the effective permeability of hydrat
15、e-bearing porous media can be established based on the imaginary complex conductivity.This study can provide a theoretical and model basis for the development of an experimental measurement technology for the permeability of hydrate-bearing samples based on IP principle and a dynamic monitoring tech
16、nology for the permeability of natural gas hydrate reservoirs.Keywords:natural gas hydrate;permeability;induced polarization;complex conductivity;hydrate saturation;numerical simulation 0 引 言 天然气水合物储量巨大,具有能量密度高、清洁无污染等优点,被认为是继页岩气、煤层气、致密气之后最具开采潜力的战略性接续能源1-2。我国已完成多次海域天然气水合物试采,为将来实施“生产性试采”奠定了坚实的基础。为了最终实
17、现海域天然气水合物的商业化开发,仍需解决一系列的难题,如具有开采潜力水合物资源的评估、水合物甜点的精准探测、水合物经济高效开采等3。我国南海天然气水合物大多赋存于未固结成岩的粉砂、黏土质粉砂、粉砂质黏土等沉积物中,水合物储层呈现高泥质含量、低渗透性和高非均质性等特点4。降压试采结果表明,水合物储层渗流能力差、天然气产量低、储层改造困难,尚未达到商业化开采要求。天然气水合物降压开采涉及热量传递、水合物相变分解、气水两相渗流、储层变形等多个相互耦合的物理/化学过程,储层的温度、孔隙压力、水合物/水/天然气含量等持续发生变化。水合物分解吸热和气流焦耳汤姆逊效应等综合作用会引起储层局部温度降低,可能导
18、致地层水结冰以及水合物二次生成,此外水合物分解产出的水促使黏土发生体积膨胀,继而堵塞流体流动通道,最终导致地层渗透率显著降低。可见地层中水合物分解所引起的上述系列变化严重制约了天然气产出效率的提升5-7。掌握天然气水合物开采过程中储层渗透率的实时变化规律对制定科学、高效的水合物开发方案,评价储层改造效果,以及现场实时调整和动态优化开发策略具有重要的意义。针对天然气水合物储层的渗透性评价问题,研究人员已经开展了理论分析、数值模拟、实验室测试以及现场原位测试等工作5-14。测试含水合物沉积物渗透率的方法可分为流动测试法、非流动测试法以及两者相结合的方法。流动测试法又可分为稳态法和非稳态法,其特点在
19、于测试过程涉及单相或多相流体的渗流过程,属于侵入式、直接式测量方式。典型的非流动测试法包括声波法、电阻率法、基于X 射线计算机断层成像(X-ray computed tomography,X-CT)技术以及基于核磁共振(nuclear magnetic resonance,NMR)技术的测试法,其特点在于测试过程中不涉及流体渗流过程,属于非侵入式、间接式测量方式。非流动测试法对渗透率模型的可靠性要求较高。由于水合物对环境条件非常敏感,采用侵入式测量方式的流动测试法在实施过程中容易受到水合物分解、二次形成的影响,从而引入不可预测性测量误差;而采用非流动测试法可以有效地降低上述影响,其中部分方法(
20、如 NMR 测井法)在储层原位渗透率评价方面更具优势。但是,由于 NMR 测井存在作业成本高、探测深度较浅等问题,在天然气水合物开采过程中难以对储层渗透率进行实时、长期的远探测。本文提出基于激电法定量评价天然气水合物储层渗透率的新思路。激电法,又称为激发极化(induced polarization,IP)法,是一种以岩矿石的激电效应、激电特性差异为物理基础的电性勘探方法15。激电法可分为时间域激电法和频率域激电法,前者在断电后测量瞬态响应随时间的衰减特性,后者在供电期间记录稳态响应随频率的变化特性。在一定322 新 能 源 进 展 第 11 卷 频率范围(如 1 mHz 100 Hz)内开展
21、扫频测量可以得到复电导率谱,通过分析复电导率谱来研究地层的激电特性,称为谱激电法(spectral induced polarization,SIP)或复电导率(complex conductivity,CC)法。SIP 或 CC 法是一类低频地电方法,通过将SIP响应参数与多孔介质的结构特征参数相关联,可实现对多孔介质渗透率的定量评价,其基本假设为激电效应主导的电极化(如低频电化学极化)过程的长度尺度与控制渗透率的几何长度尺度密切相关16-18。目前,低频段电学阻抗谱方法在天然气水合物相关实验研究中得到了初步应用。TZIRITA 等19测试了四氢呋喃水合物及其与砂和高岭石混合物的阻抗(50
22、1 000 Hz),实验数据展示了水合物体系电学参数的频率依赖特性。DU FRANE 等20测试了甲烷水合物的阻抗谱(20 Hz 2 MHz)并确定了水合物的电导率,随后对水合物与石英砂和玻璃珠混合物(不含孔隙水)进行了测试21,但是在数据分析时把低频(如低于 100 kHz)部分作为噪声过大的无效数据进行了舍弃。邢兰昌等22测试了四氢呋喃水合物生成和分解过程中的阻抗谱(10 mHz 8 MHz),通过分析等效电路元件参数的变化规律探讨了水合物生成和分解过程的阻抗谱参数特征。李栋梁等23利用以甲烷为主的混合气为模拟气在砂岩样品中合成了水合物并测试了其电阻抗(0.05 kHz 200 kHz),
23、结果显示含水合物岩石的介电常数在1 kHz 100 kHz 频段呈现频散特性。为了实现基于低频(SIP 频率范围)电阻抗谱对松散沉积物中水合物饱和度进行定量评价的目标,邢兰昌等24-29开展了系列研究工作,设计了复电阻率/复电导率与声学参数的联合探测(ultrasound combined with electrical impedance,UCEI)系统,在开展水合物模拟实验测试的基础上提取了用于构建电声联合岩石物理模型的有效特征参数,以宽频复电导率谱及其导出参数为基础,结合泥质修正阿尔奇公式、Simandoux 公式、Cole-Cole 模型、频散度模型等建立了一系列水合物饱和度计算模型,
24、形成了基于 SIP 的多孔介质中水合物饱和度评价方法。在提出利用激电法定量评价含水合物沉积物渗透率新思路的基础上,讨论激电效应参数与渗透率的关系模型,建立含水合物多孔介质的流场与电场有限元数值模型,研究水合物饱和度、骨架颗粒尺寸等因素对复电导率和渗透率的影响规律及机理,基于此建立基于复电导率参数的含水合物多孔介质渗透率评价模型,提出有待进一步解决的问题。本研究可为将来开发基于激电法的含水合物沉积物样品渗透率实验测量新技术以及水合物储层渗透率动态监测技术提供理论与模型基础。1 基于激电法评价渗透率基本原理 1.1 多孔介质复电导率与渗透率 激电响应主要受到岩石的岩性所控制,直接感知矿物与流体之间
25、界面的极化效应30。通过对多孔介质进行 SIP 测量可以获得多孔介质的复电导率,复电导率综合了孔隙水导电、矿物颗粒表面导电、矿物颗粒流体界面处电化学极化的贡献。颗粒表面电导率可表示为一个复数,其实部描述了电荷沿着颗粒流体界面的电迁移现象,虚部刻画了电荷在颗粒流体界面处的极化过程。多孔介质骨架颗粒表面电导率、内比表面积等参数与孔隙尺寸密切相关,而孔隙尺寸是用于预测渗透率的关键参数31。如式(1)所示,多孔介质复电导率可以采用模值与相位角或者实部与虚部的形式来表示。*=exp()ii (1)式中:*为复电导率,S/m;|为复电导率模值,S/m;为相角,rad;为复电导率实部,S/m;为复电导率虚部
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