本發(fā)明涉及流體計(jì)算領(lǐng)域，尤指一種煤層氣地上地下耦合求解的模擬方法。

背景技術(shù)：

煤層氣田具有不同于常規(guī)天然氣田的特點(diǎn)：?jiǎn)尉a(chǎn)量偏低，需要規(guī)模、連片開發(fā)，前期投資高；煤層氣井口壓力非常低。隨著煤層氣田的滾動(dòng)開發(fā)和管網(wǎng)不斷擴(kuò)張，使得集輸管網(wǎng)日趨復(fù)雜，而且各井之間運(yùn)行操作相互干擾、運(yùn)行參數(shù)相互影響，牽一發(fā)而動(dòng)全身，給集輸管網(wǎng)的系統(tǒng)分析、優(yōu)化帶來了更大的難題。煤層氣集輸系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析是煤層氣集輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)的依據(jù)，也是加強(qiáng)煤層氣集輸系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行的基礎(chǔ)。

以往將井筒、管網(wǎng)割裂開來進(jìn)行單獨(dú)設(shè)計(jì)，實(shí)際生產(chǎn)情況不理想，煤層氣產(chǎn)量不高。傳統(tǒng)的預(yù)測(cè)氣田生產(chǎn)動(dòng)態(tài)方法也往往只是對(duì)單一生產(chǎn)環(huán)節(jié)進(jìn)行研究，沒有考慮其他環(huán)節(jié)的影響，分析結(jié)果可能會(huì)偏離實(shí)際。煤層氣井開采過程中，地層壓力的變化導(dǎo)致井口壓力和產(chǎn)氣量也隨之變化，因此在井筒與地面管網(wǎng)模擬中，需要將煤層氣藏、井筒和地面管網(wǎng)作為一個(gè)整體進(jìn)行研究，同時(shí)分析煤層氣在氣藏、井筒和地面管網(wǎng)內(nèi)的流動(dòng)過程，從而對(duì)煤層氣井的生產(chǎn)狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。地上地下耦合求解技術(shù)對(duì)整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)從優(yōu)化設(shè)計(jì)到安全運(yùn)行具有重要的指導(dǎo)意義，能夠?yàn)槊簩託庀到y(tǒng)的合理設(shè)計(jì)、安全運(yùn)行提供重要的指導(dǎo)依據(jù)，有利于獲得較高的煤層氣產(chǎn)量，提高我國(guó)煤層氣產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，加速我國(guó)煤層氣產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。但國(guó)內(nèi)外對(duì)非常規(guī)油氣田地上地下耦合求解模擬的研究都較少，尚未形成比較成熟的理論體系。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的在于提供一種能夠有效預(yù)測(cè)煤層氣井產(chǎn)量的煤層氣地上地下耦合求解的模擬方法。

為達(dá)上述目的，本發(fā)明所提供的煤層氣地上地下耦合求解的模擬方法具體包含：獲取煤層信息和管網(wǎng)信息，預(yù)設(shè)井產(chǎn)氣量或井產(chǎn)水量獲得預(yù)測(cè)產(chǎn)氣量或預(yù)測(cè)產(chǎn)水量；根據(jù)管網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，建立管網(wǎng)模型，并根據(jù)煤層信息、管網(wǎng)信息和預(yù)測(cè)產(chǎn)氣量或預(yù)測(cè)產(chǎn)水量，計(jì)算獲得井口壓力；根據(jù)井底流壓與井口套壓、油套環(huán)空純氣柱段壓差和混氣液柱段壓差之間的關(guān)系，建立井筒模型，并根據(jù)井口壓力、井筒模型和預(yù)測(cè)產(chǎn)氣量或預(yù)測(cè)產(chǎn)水量，計(jì)算獲得井底流壓；根據(jù)物質(zhì)平衡原理，建立煤層氣井產(chǎn)量方程，并根據(jù)地層參數(shù)、井底流壓和煤層氣井產(chǎn)量方程，計(jì)算獲得計(jì)算產(chǎn)氣量或計(jì)算產(chǎn)水量；將計(jì)算產(chǎn)氣量或計(jì)算產(chǎn)水量與預(yù)設(shè)閾值進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果獲得煤層氣井筒產(chǎn)能情況。

在上述煤層氣地上地下耦合求解的模擬方法中，優(yōu)選的，所述根據(jù)管網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，建立管網(wǎng)模型包含：根據(jù)管網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和節(jié)點(diǎn)法，構(gòu)建以下管網(wǎng)方程：

上式中，q＝(q1,q2,…,qm)^t為管段的流量組成的向量，q＝(q1,q2,…,qm)^t為節(jié)點(diǎn)的流量組成的向量，a為關(guān)聯(lián)矩陣；δp＝(δp1,δp2,...,δpm)^t為管段壓降向量，b為環(huán)路矩陣。

在上述煤層氣地上地下耦合求解的模擬方法中，優(yōu)選的，采用等溫輸氣管的流量公式建立管段的流量組成的向量與管段壓降向量之間關(guān)系方程，所述關(guān)系方程包含：

上式中，q為輸氣管道在狀況下的體積流量，nm³/s；pq為輸氣管起點(diǎn)壓力，pa；pz為輸氣管終點(diǎn)壓力，pa；t為輸氣溫度，k；t0為標(biāo)準(zhǔn)狀況下的溫度，k；d為輸氣管內(nèi)徑，m；p0為標(biāo)準(zhǔn)狀況下的壓力，pa；λ為水力摩阻系數(shù)；z為天然氣在管道平均壓力和溫度下的壓縮因子；δ*為天然氣的相對(duì)密度；ra為空氣的氣體常數(shù)，kj·(kg·k)^-1；δs為輸氣管終點(diǎn)與起點(diǎn)的高程差，m；l為輸氣管的長(zhǎng)度，m；其中當(dāng)δs＝0時(shí)，b＝1。

在上述煤層氣地上地下耦合求解的模擬方法中，優(yōu)選的，所述井筒模型包含純氣柱段壓差井筒模型和混氣液柱段壓差井筒模型；所述純氣柱段壓差井筒模型用于計(jì)算純氣柱段的壓差，所述混氣液柱段壓差井筒模型用于計(jì)算混氣液柱段壓差。

在上述煤層氣地上地下耦合求解的模擬方法中，優(yōu)選的，所述純氣柱段壓差井筒模型包含：

上式中，pmg為氣柱段中點(diǎn)壓力，mpa；pg為動(dòng)液面處的壓力，mpa；pc為井口套壓，mpa；ic為根據(jù)井口參數(shù)計(jì)算得到的參數(shù)i；img為根據(jù)氣柱段中點(diǎn)參數(shù)計(jì)算得到的i；ig為根據(jù)動(dòng)液面處參數(shù)計(jì)算得到的i；γg為氣體的相對(duì)密度，無(wú)因次；hg為純氣柱段長(zhǎng)度，m；p為井筒內(nèi)某點(diǎn)處的壓力，mpa；z為氣體偏差系數(shù)，無(wú)因次；t為氣體溫度，k；f為水力摩阻系數(shù)，無(wú)因次；qsc為標(biāo)準(zhǔn)狀況下的日產(chǎn)氣量，m³/d；d1為油管外徑，m；d2為套管內(nèi)徑，m。

在上述煤層氣地上地下耦合求解的模擬方法中，優(yōu)選的，所述混氣液柱段壓差井筒模型包含：

gcf＝exp(0.03499-0.9631υsg^0.67)；

上式中，δpm為混氣液柱段的壓降，mpa；rmi為每一小段混氣液柱的壓力梯度，mpa/m；rli為每一小段混氣液柱的液相壓力梯度，mpa/m；gcfi為每一小段混氣液柱的壓力梯度校正系數(shù)，無(wú)因次；hi為每一小段混氣液柱的長(zhǎng)度，m；n為分段數(shù)；υsg為氣體表觀流速，m/s。

在上述煤層氣地上地下耦合求解的模擬方法中，優(yōu)選的，所述煤層氣井產(chǎn)量方程包含產(chǎn)氣方程和產(chǎn)水方程。

在上述煤層氣地上地下耦合求解的模擬方法中，優(yōu)選的，所述產(chǎn)氣方程包含：

上式中，qg為產(chǎn)氣量，m³/d；kg為氣體有效滲透率，md；h為煤層厚度，m；p為平均儲(chǔ)層壓力，mpa；pwf為井底流壓，mpa；m()為擬壓力，mpa；t為氣藏溫度，k；rw為井筒半徑，m；re為氣藏外半徑，m；s為表皮系數(shù)，無(wú)因次。

在上述煤層氣地上地下耦合求解的模擬方法中，優(yōu)選的，所述產(chǎn)水方程包含：

上式中，qw為產(chǎn)水量，m³/d；h為煤層厚度，m；p為平均儲(chǔ)層壓力，mpa；pwf為井底流壓，mpa；rw為井筒半徑，m；re為氣藏外半徑，m；s為表皮系數(shù)，無(wú)因次；kw為水的有效滲透率，md；μw為水的動(dòng)力粘度，pa·s；bw為水的地層體積系數(shù)，無(wú)因次。

在上述煤層氣地上地下耦合求解的模擬方法中，優(yōu)選的，所述將計(jì)算產(chǎn)氣量或計(jì)算產(chǎn)氣量與預(yù)設(shè)閾值進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果獲得煤層氣井筒產(chǎn)能情況包含：當(dāng)比較結(jié)果超出預(yù)設(shè)閾值時(shí)，將所述計(jì)算產(chǎn)氣量作為預(yù)測(cè)產(chǎn)氣量或?qū)⑺鲇?jì)算產(chǎn)水量作為預(yù)測(cè)產(chǎn)水量，通過迭代計(jì)算法重復(fù)計(jì)算煤層氣井筒產(chǎn)能情況。

本發(fā)明所提供的煤層氣地上地下耦合求解的模擬方法考慮地層對(duì)集輸管網(wǎng)的影響，可實(shí)現(xiàn)煤層氣井筒管網(wǎng)耦合求解模擬，能夠分析煤層氣在氣藏、井筒和地面管網(wǎng)內(nèi)的流動(dòng)過程，從而對(duì)煤層氣井的生產(chǎn)狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。

附圖說明

此處所說明的附圖用來提供對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步理解，構(gòu)成本申請(qǐng)的一部分，并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的限定。在附圖中：

圖1為本發(fā)明所提供的煤層氣地上地下耦合求解的模擬方法的原理示意圖；

圖2為本發(fā)明所提供的煤層氣地上地下耦合求解的模擬方法的流程示意圖；

圖3為本發(fā)明所提供的煤層氣地上地下耦合求解的模擬方法中管網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明實(shí)施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，下面結(jié)合實(shí)施例和附圖，對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。在此，本發(fā)明的示意性實(shí)施例及其說明用于解釋本發(fā)明，但并不作為對(duì)本發(fā)明的限定。

請(qǐng)參考圖1所示，本發(fā)明所提供的煤層氣地上地下耦合求解的模擬方法中，煤層氣井開采階段，隨著排水采氣過程的進(jìn)行，井底壓力處于持續(xù)變化，但同樣滿足井筒與地面管網(wǎng)系統(tǒng)的能量平衡，因此井底流壓可通過井筒及地面管網(wǎng)系統(tǒng)來確定；為此，首先，以產(chǎn)氣量為變量根據(jù)地面管網(wǎng)系統(tǒng)的能量平衡方程組求解得到氣井的井口壓力，然后由井筒內(nèi)的壓降方程來確定井底流壓，最后根據(jù)這一井底流壓，采用物質(zhì)平衡法通過氣藏產(chǎn)能模型來計(jì)算煤層氣井的產(chǎn)氣量，進(jìn)行煤層氣井筒與地面管網(wǎng)的半耦合計(jì)算。

請(qǐng)參考圖2所示，本發(fā)明提供了一種煤層氣地上地下耦合求解的模擬方法，該方法具體包含：獲取煤層信息和管網(wǎng)信息，預(yù)設(shè)井產(chǎn)氣量或井產(chǎn)水量獲得預(yù)測(cè)產(chǎn)氣量或預(yù)測(cè)產(chǎn)水量；根據(jù)管網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，建立管網(wǎng)模型，并根據(jù)煤層信息、管網(wǎng)信息和預(yù)測(cè)產(chǎn)氣量或預(yù)測(cè)產(chǎn)水量，計(jì)算獲得井口壓力；根據(jù)井底流壓與井口套壓、油套環(huán)空純氣柱段壓差和混氣液柱段壓差之間的關(guān)系，建立井筒模型，并根據(jù)井口壓力、井筒模型和預(yù)測(cè)產(chǎn)氣量或預(yù)測(cè)產(chǎn)水量，計(jì)算獲得井底流壓；根據(jù)物質(zhì)平衡原理，建立煤層氣井產(chǎn)量方程，并根據(jù)地層參數(shù)、井底流壓和煤層氣井產(chǎn)量方程，計(jì)算獲得計(jì)算產(chǎn)氣量或計(jì)算產(chǎn)水量；將計(jì)算產(chǎn)氣量或計(jì)算產(chǎn)水量與預(yù)設(shè)閾值進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果獲得煤層氣井筒產(chǎn)能情況；其中，所述井筒模型包含純氣柱段壓差井筒模型和混氣液柱段壓差井筒模型；所述純氣柱段壓差井筒模型用于計(jì)算純氣柱段的壓差，所述混氣液柱段壓差井筒模型用于計(jì)算混氣液柱段壓差。

在上述實(shí)施例中，所述將計(jì)算產(chǎn)氣量或計(jì)算產(chǎn)水量與預(yù)設(shè)閾值進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果獲得煤層氣井筒產(chǎn)能情況還包含：當(dāng)比較結(jié)果超出預(yù)設(shè)閾值時(shí)，將所述計(jì)算產(chǎn)氣量作為預(yù)測(cè)產(chǎn)氣量或?qū)⑺鲇?jì)算產(chǎn)水量作為預(yù)測(cè)產(chǎn)水量，通過迭代計(jì)算法重復(fù)計(jì)算煤層氣井筒產(chǎn)能情況，以此縮小誤差直到所述比較結(jié)果小于預(yù)設(shè)閾值即收斂條件時(shí)，其結(jié)果則為產(chǎn)氣量的實(shí)際值。

在上述實(shí)施例中，整體來講包含三類模型的構(gòu)建，即產(chǎn)能預(yù)測(cè)模型，井筒計(jì)算模型和管網(wǎng)計(jì)算模型，其具體構(gòu)建方式如下：

1、管網(wǎng)計(jì)算模型；

針對(duì)管網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行矩陣表示，構(gòu)建節(jié)點(diǎn)法管網(wǎng)穩(wěn)態(tài)方程即數(shù)學(xué)模型具體如下所示：

上式中，q＝(q1,q2,…,qm)^t為管段的流量組成的向量，q＝(q1,q2,…,qm)^t為節(jié)點(diǎn)的流量組成的向量，a為關(guān)聯(lián)矩陣；δp＝(δp1,δp2,...,δpm)^t為管段壓降向量，b為環(huán)路矩陣；上述公式還需要建立q和p之間的關(guān)系，可通過采用等溫輸氣管的流量公式來構(gòu)建，以此進(jìn)行管網(wǎng)流量壓降計(jì)算，具體構(gòu)建的關(guān)系方程如下所示：

上式中，q為輸氣管道在狀況下的體積流量，nm³/s；pq為輸氣管起點(diǎn)壓力，pa；pz為輸氣管終點(diǎn)壓力，pa；t為輸氣溫度，k；t0為標(biāo)準(zhǔn)狀況下的溫度，k；d為輸氣管內(nèi)徑，m；p0為標(biāo)準(zhǔn)狀況下的壓力，pa；λ為水力摩阻系數(shù)；z為天然氣在管道平均壓力和溫度下的壓縮因子；δ*為天然氣的相對(duì)密度；ra為空氣的氣體常數(shù)，kj·(kg·k)^-1；δs為輸氣管終點(diǎn)與起點(diǎn)的高程差，m；l為輸氣管的長(zhǎng)度，m；

其中當(dāng)δs＝0時(shí)，b＝1。

2、井筒計(jì)算模型；

當(dāng)煤層氣井產(chǎn)量一定時(shí)，認(rèn)為煤層氣在井筒內(nèi)的運(yùn)動(dòng)是穩(wěn)態(tài)的，此時(shí)井底流壓等于井口套壓、油套環(huán)空純氣柱段壓差和混氣液柱段壓差三者之和。其中的井口套壓由井口壓力表直接讀出，純氣柱段壓差采用cullender-smith法，混氣液柱段壓差采用陳家瑯-岳湘安法計(jì)算求解。其中，cullender-smith法為：

上式中，pmg為氣柱段中點(diǎn)壓力，mpa；pg為動(dòng)液面處的壓力，mpa；pc為井口套壓，mpa；ic為根據(jù)井口參數(shù)計(jì)算得到的參數(shù)i；img為根據(jù)氣柱段中點(diǎn)參數(shù)計(jì)算得到的i；ig為根據(jù)動(dòng)液面處參數(shù)計(jì)算得到的i；γg為氣體的相對(duì)密度，無(wú)因次；hg為純氣柱段長(zhǎng)度，m；p為井筒內(nèi)某點(diǎn)處的壓力，mpa；z為氣體偏差系數(shù)，無(wú)因次；t為氣體溫度，k；f為水力摩阻系數(shù)，無(wú)因次；qsc為標(biāo)準(zhǔn)狀況下的日產(chǎn)氣量，m³/d；d1為油管外徑，m；d2為套管內(nèi)徑，m。

另一個(gè)陳家瑯-岳湘安法則為將整個(gè)計(jì)算段按深度進(jìn)行分段，計(jì)算段內(nèi)的總壓降：

gcf＝exp(0.03499-0.9631υsg^0.67)

其中，δpm為混氣液柱段的壓降，mpa；rmi為每一小段混氣液柱的壓力梯度，mpa/m；rli為每一小段混氣液柱的液相壓力梯度，mpa/m；gcfi為每一小段混氣液柱的壓力梯度校正系數(shù)，無(wú)因次；hi為每一小段混氣液柱的長(zhǎng)度，m；n為分段數(shù)；υsg為氣體表觀流速，m/s。

計(jì)算時(shí)，首先確定分段數(shù)n和每一小段的長(zhǎng)度hi，然后迭代計(jì)算得到每一小段產(chǎn)生的壓降，各小段壓降的總和即為混氣液柱段產(chǎn)生的總壓降。

3、產(chǎn)能預(yù)測(cè)模型

在已知井底流壓的條件下，結(jié)合物質(zhì)平衡方程和煤層氣井產(chǎn)氣產(chǎn)水方程，可以對(duì)煤儲(chǔ)層產(chǎn)量進(jìn)行粗略預(yù)測(cè)：

1)產(chǎn)氣方程

2)產(chǎn)水方程

上式中，qg為產(chǎn)氣量，m³/d；kg為氣體有效滲透率，md；h為煤層厚度，m；p為平均儲(chǔ)層壓力，mpa；pwf為井底流壓，mpa；m()為擬壓力，mpa；t為氣藏溫度，k；rw為井筒半徑，m；re為氣藏外半徑，m；s為表皮系數(shù)，無(wú)因次。qw為產(chǎn)水量，m³/d；kw為水的有效滲透率，md；μw為水的動(dòng)力粘度，pa·s；bw為水的地層體積系數(shù)，無(wú)因次。

為更清楚的說明本發(fā)明所提供的煤層氣地上地下耦合求解的模擬方法的實(shí)際使用效果，以下是實(shí)際工作中參數(shù)為例，做進(jìn)一步說明，以圖3結(jié)構(gòu)形式的管網(wǎng)為例，煤層氣各組分摩爾分?jǐn)?shù)為ch4(96.30％)，c2h6(1.13％)，n2(2.52％)，co2(0.05％)；地面集輸系統(tǒng)中管道的管徑為0.0620m，壁厚為0.0032m，總傳熱系數(shù)為1.13565w/(m²·k)；采用星狀結(jié)構(gòu)；各點(diǎn)代表氣井，中心交叉處為閥組，閥組的進(jìn)站壓力為0.2mpa。系統(tǒng)的地層條件、所產(chǎn)氣的組成、各氣井的結(jié)構(gòu)參數(shù)、地面管網(wǎng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)分別見下表1至表3所示，其中表1為煤儲(chǔ)層參數(shù)，表2為氣井結(jié)構(gòu)參數(shù)，表3為星狀地面集輸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

表1

表2

表3

根據(jù)以上表1至表3中獲得數(shù)據(jù)，利用本發(fā)明所提供的煤層氣地上地下耦合求解的模擬方法，計(jì)算獲得其后第600天氣井管網(wǎng)的產(chǎn)量數(shù)據(jù)，具體數(shù)據(jù)如表4所示：

表4

經(jīng)過驗(yàn)證該結(jié)果與真實(shí)情況相符，誤差較小，為此進(jìn)一步說明了本發(fā)明所提供的煤層氣地上地下耦合求解的模擬方法在考慮了地層對(duì)集輸管網(wǎng)的影響的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了煤層氣地上地下耦合求解的模擬，能夠分析煤層氣在氣藏、井筒和地面管網(wǎng)內(nèi)的流動(dòng)過程，從而對(duì)煤層氣井的生產(chǎn)狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。

顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該明白，上述的本發(fā)明實(shí)施例的各模塊或各步驟可以用通用的計(jì)算裝置來實(shí)現(xiàn)，它們可以集中在單個(gè)的計(jì)算裝置上，或者分布在多個(gè)計(jì)算裝置所組成的網(wǎng)絡(luò)上，可選地，它們可以用計(jì)算裝置可執(zhí)行的程序代碼來實(shí)現(xiàn)，從而，可以將它們存儲(chǔ)在存儲(chǔ)裝置中由計(jì)算裝置來執(zhí)行，并且在某些情況下，可以以不同于此處的順序執(zhí)行所示出或描述的步驟，或者將它們分別制作成各個(gè)集成電路模塊，或者將它們中的多個(gè)模塊或步驟制作成單個(gè)集成電路模塊來實(shí)現(xiàn)。這樣，本發(fā)明實(shí)施例不限制于任何特定的硬件和軟件結(jié)合。

以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。