本發(fā)明涉及流體計算領(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：單井產(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開發(fā)和管網(wǎng)不斷擴張，使得集輸管網(wǎng)日趨復雜，而且各井之間運行操作相互干擾、運行參數(shù)相互影響，牽一發(fā)而動全身，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)計的依據(jù)，也是加強煤層氣集輸系統(tǒng)優(yōu)化運行的基礎(chǔ)。

以往將井筒、管網(wǎng)割裂開來進行單獨設(shè)計，實際生產(chǎn)情況不理想，煤層氣產(chǎn)量不高。傳統(tǒng)的預(yù)測氣田生產(chǎn)動態(tài)方法也往往只是對單一生產(chǎn)環(huán)節(jié)進行研究，沒有考慮其他環(huán)節(jié)的影響，分析結(jié)果可能會偏離實際。煤層氣井開采過程中，地層壓力的變化導致井口壓力和產(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)作為一個整體進行研究，同時分析煤層氣在氣藏、井筒和地面管網(wǎng)內(nèi)的流動過程，從而對煤層氣井的生產(chǎn)狀態(tài)進行準確預(yù)測。地上地下耦合求解技術(shù)對整個生產(chǎn)系統(tǒng)從優(yōu)化設(shè)計到安全運行具有重要的指導意義，能夠為煤層氣系統(tǒng)的合理設(shè)計、安全運行提供重要的指導依據(jù)，有利于獲得較高的煤層氣產(chǎn)量，提高我國煤層氣產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟效益，加速我國煤層氣產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。但國內(nèi)外對非常規(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)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的在于提供一種能夠有效預(yù)測煤層氣井產(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)測產(chǎn)氣量或預(yù)測產(chǎn)水量；根據(jù)管網(wǎng)拓撲結(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)測產(chǎn)氣量或預(yù)測產(chǎn)水量，計算獲得井口壓力；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)測產(chǎn)氣量或預(yù)測產(chǎn)水量，計算獲得井底流壓；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，計算獲得計算產(chǎn)氣量或計算產(chǎn)水量；將計算產(chǎn)氣量或計算產(chǎn)水量與預(yù)設(shè)閾值進行比較，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)拓撲結(jié)構(gòu)，建立管網(wǎng)模型包含：根據(jù)管網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)和節(jié)點法，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為輸氣管起點壓力，pa；pz為輸氣管終點壓力，pa；t為輸氣溫度，k；t0為標準狀況下的溫度，k；d為輸氣管內(nèi)徑，m；p0為標準狀況下的壓力，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*為天然氣的相對密度；ra為空氣的氣體常數(shù)，kj·(kg·k)^-1；δs為輸氣管終點與起點的高程差，m；l為輸氣管的長度，m；其中當δs＝0時，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算純氣柱段的壓差，所述混氣液柱段壓差井筒模型用于計算混氣液柱段壓差。

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為氣柱段中點壓力，mpa；pg為動液面處的壓力，mpa；pc為井口套壓，mpa；ic為根據(jù)井口參數(shù)計算得到的參數(shù)i；img為根據(jù)氣柱段中點參數(shù)計算得到的i；ig為根據(jù)動液面處參數(shù)計算得到的i；γg為氣體的相對密度，無因次；hg為純氣柱段長度，m；p為井筒內(nèi)某點處的壓力，mpa；z為氣體偏差系數(shù)，無因次；t為氣體溫度，k；f為水力摩阻系數(shù)，無因次；qsc為標準狀況下的日產(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)，無因次；hi為每一小段混氣液柱的長度，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)，無因次；kw為水的有效滲透率，md；μw為水的動力粘度，pa·s；bw為水的地層體積系數(shù)，無因次。

在上述煤層氣地上地下耦合求解的模擬方法中，優(yōu)選的，所述將計算產(chǎn)氣量或計算產(chǎn)氣量與預(yù)設(shè)閾值進行比較，根據(jù)比較結(jié)果獲得煤層氣井筒產(chǎn)能情況包含：當比較結(jié)果超出預(yù)設(shè)閾值時，將所述計算產(chǎn)氣量作為預(yù)測產(chǎn)氣量或?qū)⑺鲇嬎惝a(chǎn)水量作為預(yù)測產(chǎn)水量，通過迭代計算法重復計算煤層氣井筒產(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集輸管網(wǎng)的影響，可實現(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)的流動過程，從而對煤層氣井的生產(chǎn)狀態(tài)進行準確預(yù)測。

附圖說明

此處所說明的附圖用來提供對本發(fā)明的進一步理解，構(gòu)成本申請的一部分，并不構(gòu)成對本發(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。

具體實施方式

為使本發(fā)明實施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，下面結(jié)合實施例和附圖，對本發(fā)明做進一步詳細說明。在此，本發(fā)明的示意性實施例及其說明用于解釋本發(fā)明，但并不作為對本發(fā)明的限定。

請參考圖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)能模型來計算煤層氣井的產(chǎn)氣量，進行煤層氣井筒與地面管網(wǎng)的半耦合計算。

請參考圖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)測產(chǎn)氣量或預(yù)測產(chǎn)水量；根據(jù)管網(wǎng)拓撲結(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)測產(chǎn)氣量或預(yù)測產(chǎn)水量，計算獲得井口壓力；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)測產(chǎn)氣量或預(yù)測產(chǎn)水量，計算獲得井底流壓；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，計算獲得計算產(chǎn)氣量或計算產(chǎn)水量；將計算產(chǎn)氣量或計算產(chǎn)水量與預(yù)設(shè)閾值進行比較，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算純氣柱段的壓差，所述混氣液柱段壓差井筒模型用于計算混氣液柱段壓差。

在上述實施例中，所述將計算產(chǎn)氣量或計算產(chǎn)水量與預(yù)設(shè)閾值進行比較，根據(jù)比較結(jié)果獲得煤層氣井筒產(chǎn)能情況還包含：當比較結(jié)果超出預(yù)設(shè)閾值時，將所述計算產(chǎn)氣量作為預(yù)測產(chǎn)氣量或?qū)⑺鲇嬎惝a(chǎn)水量作為預(yù)測產(chǎn)水量，通過迭代計算法重復計算煤層氣井筒產(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，其結(jié)果則為產(chǎn)氣量的實際值。

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

1、管網(wǎng)計算模型；

針對管網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)進行矩陣表示，構(gòu)建節(jié)點法管網(wǎng)穩(wěn)態(tài)方程即數(shù)學模型具體如下所示：

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，以此進行管網(wǎng)流量壓降計算，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為輸氣管起點壓力，pa；pz為輸氣管終點壓力，pa；t為輸氣溫度，k；t0為標準狀況下的溫度，k；d為輸氣管內(nèi)徑，m；p0為標準狀況下的壓力，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*為天然氣的相對密度；ra為空氣的氣體常數(shù)，kj·(kg·k)^-1；δs為輸氣管終點與起點的高程差，m；l為輸氣管的長度，m；

其中當δs＝0時，b＝1。

2、井筒計算模型；

當煤層氣井產(chǎn)量一定時，認為煤層氣在井筒內(nèi)的運動是穩(wěn)態(tài)的，此時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-岳湘安法計算求解。其中，cullender-smith法為：

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

另一個陳家瑯-岳湘安法則為將整個計算段按深度進行分段，計算段內(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)，無因次；hi為每一小段混氣液柱的長度，m；n為分段數(shù)；υsg為氣體表觀流速，m/s。

計算時，首先確定分段數(shù)n和每一小段的長度hi，然后迭代計算得到每一小段產(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，可以對煤儲層產(chǎn)量進行粗略預(yù)測：

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為水的動力粘度，pa·s；bw為水的地層體積系數(shù)，無因次。

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際使用效果，以下是實際工作中參數(shù)為例，做進一步說明，以圖3結(jié)構(gòu)形式的管網(wǎng)為例，煤層氣各組分摩爾分數(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)；各點代表氣井，中心交叉處為閥組，閥組的進站壓力為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)過驗證該結(jié)果與真實情況相符，誤差較小，為此進一步說明了本發(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集輸管網(wǎng)的影響的基礎(chǔ)上，實現(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)的流動過程，從而對煤層氣井的生產(chǎn)狀態(tài)進行準確預(yù)測。

顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該明白，上述的本發(fā)明實施例的各模塊或各步驟可以用通用的計算裝置來實現(xiàn)，它們可以集中在單個的計算裝置上，或者分布在多個計算裝置所組成的網(wǎng)絡(luò)上，可選地，它們可以用計算裝置可執(zhí)行的程序代碼來實現(xiàn)，從而，可以將它們存儲在存儲裝置中由計算裝置來執(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集成電路模塊，或者將它們中的多個模塊或步驟制作成單個集成電路模塊來實現(xiàn)。這樣，本發(fā)明實施例不限制于任何特定的硬件和軟件結(jié)合。

以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限定本發(fā)明的保護范圍，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、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。