(Departamento de Mecánica y Ciencias de la Ingeniería, Universidad de Ingeniería y Tecnología de Liaoning, Fuxin 123000)
Acerca del autor: Wang Qixin, hombre, nacido en 1963, de Fuxin , Liaoning, Ph.D., se dedica principalmente a la investigación teórica sobre la filtración de metano en capas de carbón. Correo electrónico: lbwqx@163.com.
Se estableció un modelo de migración de medios duales de fractura de poro para la filtración de dos fases de metano y agua de lechos de carbón. Se utilizó el método de diferencias finitas para resolver el modelo y se obtuvieron diferentes productividades. Los factores se simularon numéricamente bajo las reglas de almacenamiento y transporte de los yacimientos de metano de las capas de carbón en la cuenca de Fuxin, se analizó el impacto de diferentes factores del yacimiento en la productividad de los yacimientos de metano de las capas de carbón en la cuenca de Fuxin, y se señaló que el tiempo de adsorción y la permeabilidad. , la saturación de gas, la presión original del yacimiento y el radio de suministro son los factores que influyen en los parámetros clave de la capacidad de producción de metano de las capas de carbón.
Palabras clave: Simulación numérica de los factores de sensibilidad de la productividad del modelo de medio dual de fractura de poro de metano de capas de carbón
Análisis numérico de la sensibilidad de la productividad de metano de capas de carbón en la cuenca de Fuxin
Wang Qixin , Sun ,
(Departamento de Mecánica y Ciencias de la Ingeniería, Universidad de Ingeniería y Tecnología de Liaoning, Fuxin 123000)
Resumen: Un modelo de migración de medio dual de fractura de poro para metano-agua en yacimientos de carbón Se estableció una filtración de dos fases. El modelo se resuelve mediante el método de diferencias finitas. Utilizando métodos de simulación numérica, se analizaron la ley del transporte y la productividad de la cuenca de Fuxin bajo diferentes factores de influencia. Los resultados muestran que el tiempo de adsorción, la permeabilidad, la presión de formación original, la saturación de gas y el radio de suministro son los factores clave que afectan la productividad.
Palabras clave: metano de yacimientos de carbón; modelo dual de medio poro-fractura; sensibilidad; simulación numérica
Introducción
El metano de yacimientos de carbón es un gas natural no convencional. La productividad de los yacimientos es muy diferente a la de los yacimientos de gas natural convencionales. La capacidad de producción de metano de las capas de carbón está controlada por los parámetros de desorción, difusión y filtración de metano de las capas de carbón [1]. Este artículo estableció un modelo dinámico para la ocurrencia y migración de metano de capas de carbón en la cuenca de Fuxin, simuló numéricamente el modelo usando la teoría de diferencias finitas y realizó un análisis de sensibilidad sobre muchos factores que afectan la productividad del depósito de metano de capas de carbón en la cuenca de Fuxin [2 ] ~ [4].
1 Simulación numérica del yacimiento
1.1 Establecimiento del modelo
Basado en la geología real de la veta de carbón, los medios duales de fractura de poro y filtración bifásica de metano y agua del lecho de carbón Se estableció el transporte. Los supuestos básicos del modelo de migración son: ① Tratar la veta de carbón como un medio dual de poros y fracturas, donde el medio de poros almacena gas y el medio de fractura conduce agua y gas. La transferencia de masa entre los poros y las fracturas se logra a través de diferencias de presión; (2) la veta de carbón es incompresible; ③ el flujo de fluido es isotérmico; ④ el flujo de fluido de agua y gas en el sistema de fractura sigue la filtración de Darcy y la primera ley de difusión de Fick, considerando Se elimina la influencia de la gravedad, la fuerza capilar y la fuerza viscosa durante la filtración; ⑤ El proceso de difusión del gas en la matriz de carbón es un proceso en estado casi estacionario de no equilibrio y obedece a la segunda ley de Fick.
Dado que el metano desorbido de las capas de carbón ingresa a las fracturas desde los poros a través de difusión, y luego ingresa al pozo desde las fracturas, se puede establecer un modelo matemático en dos procesos: el proceso de difusión de desorción de poros y el proceso de migración de fracturas. .
Difusión de gas en microporos en 1.1.1
Generalmente, el agua no puede entrar en los microporos del bloque de matriz. Se cree que sólo hay difusión en estado casi estacionario de gas monofásico en el bloque de matriz de carbón, obedeciendo la primera ley de difusión de Fick. Se cree que la tasa de cambio de la concentración total cP a lo largo del tiempo es proporcional a la diferencia cP-cPx, es decir,
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Donde FS es el factor de forma del bloque de la matriz; FG es el factor geométrico; DP es el coeficiente de difusión del gas.
1.1.2 Migración de gas en fracturas
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En la fórmula: qP es la fuente de masa, kg/m3·s; Qg y qw son las cantidades de metano del lecho de carbón disuelto y Vfg y Vfw son las velocidades del gas y del agua; , g y w son respectivamente Representa el coeficiente de correlación de fractura, fase gaseosa y fase acuosa.
1.1.3 Ecuación de calidad de la fase de agua en fracturas
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1.1.4 Condiciones de contorno
(1) Condiciones de contorno internas:
cP(t)=cPy t=0
cP (t)= cPx t≥0°c∈г(5)
(2) Condición de límite externo: generalmente un límite de flujo constante, también llamado límite impermeable,
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1.1.5 Condiciones iniciales
(l) Valor de saturación inicial:
Sfw∣t=0=1Sfg∣t=0=0(7)
(2) Valor de presión inicial: Suponiendo que la parte superior del depósito de carbón se utiliza como punto de referencia, el valor de presión inicial del agua es,
Pw0=Pd+γwd (8 )
donde Pw0 es el valor inicial de la presión de la fase de agua, MPa; Pd es la presión de la columna hidrostática en el punto de referencia, MPa es la gravedad específica del agua, MPa/m; distancia por encima o por debajo del punto de referencia, m.
Las ecuaciones (1) a (4) constituyen el modelo de migración de medio dual poro-fractura para la filtración de dos fases de metano y agua en capas de carbón.
1.2 Simulación numérica del modelo
Las ecuaciones diferenciales matemáticas (3) y (4) de la migración del gas metano en la veta de carbón están discretizadas en el espacio y el tiempo, y la diferencia La ecuación se obtiene de la siguiente manera:
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Al discretizar numéricamente el modelo matemático, se obtiene el modelo numérico de la migración de metano del manto de carbón en la veta de carbón, y se utiliza el método de iteración de Newton para resolver el modelo numérico [5].
2 Análisis del factor de sensibilidad
La capacidad de producción de CBM se ve afectada por muchos factores, como el tiempo de adsorción, la saturación de agua inicial, el espesor del yacimiento, la permeabilidad, la porosidad, la presión original del yacimiento, la saturación de gas, radio de suministro, etc. Entre los muchos factores que afectan la capacidad de producción de metano de las capas de carbón, el tiempo de adsorción, la permeabilidad, la presión original del yacimiento, la saturación de gas y el radio de suministro tienen un mayor impacto en la cuenca Fuxin. Utilizando los parámetros de drenaje del pozo de metano de lecho de carbón LJ-1 en el distrito de Liujia, se realizaron simulaciones numéricas sobre la productividad afectada por los factores anteriores [6] y [7].
2.1 Influencia del tiempo de adsorción
El tiempo de adsorción refleja el tiempo necesario para que el metano del lecho de carbón se desorba, difunda y entre al sistema de escisión desde la matriz del carbón. Su tamaño afecta directamente al metano del lecho de carbón. pozos en diferentes períodos de producción de gas. La Figura 1 muestra el efecto del tiempo de adsorción en la producción de gas del pozo de metano de lecho de carbón LJ-1 en la cuenca Fuxin. Puede verse en la figura que cuanto más corto sea el tiempo de adsorción, mayor será el rendimiento inicial.
Fig. 1 El efecto del tiempo de adsorción en la producción de gas del Pozo LJ-1
Fig. 2 El efecto del tiempo de adsorción en la producción acumulada de gas del Pozo LJ-1.
Se predijo la producción de pozos de metano en lechos de carbón en la cuenca de Fuxin con tiempos de adsorción de 1 d, 30 d y 80 d. Los resultados mostraron que cuanto más corto es el tiempo de adsorción, más temprano será el pico de producción de gas y más rápido. más alto el pico. Cuando el tiempo de adsorción es de 80 días, el pico de producción de gas aparece más tarde y es bajo. La comparación de las curvas de producción acumulada de gas de los pozos de metano de lechos de carbón (Figura 2) muestra que cuanto más corto sea el tiempo de adsorción, mejor será la producción de los pozos de metano de lechos de carbón.
2.2 Influencia de la permeabilidad
La permeabilidad es el principal factor que determina el flujo de gas y agua en las vetas de carbón. Las vetas de carbón tienen buena permeabilidad, y el drenaje y la descompresión del pozo pueden extenderse efectivamente a un rango más amplio, controlando así un área más grande de vetas de carbón, desorbiendo más metano de las vetas de carbón y obteniendo una mayor producción. Una alta permeabilidad significa no sólo una alta producción inicial, sino también una alta producción acumulativa.
La Figura 3 muestra el impacto de la permeabilidad en la producción de gas de pozos de metano en capas de carbón en la cuenca de Fuxin. Cuando K = 1 mD, la producción de gas es de solo 250 ~ 350 m3/d y no hay un pico de producción de gas durante el período de producción de 15 años. Cuando la permeabilidad K = 5 mD, la producción máxima de gas comienza a aparecer después de 450 días de producción, y la producción máxima de gas alcanza 1836 m3/d. Cuando la permeabilidad k = 65438+100 md, la producción máxima de gas alcanza el pico después de 200 d, y la producción máxima de gas puede alcanzar los 3628 m3 /d. La Figura 4 muestra el efecto de la permeabilidad en la producción acumulada de gas de los pozos de metano de lechos de carbón en la cuenca de Fuxin. Se puede ver que a medida que aumenta la permeabilidad, avanza el pico de producción de gas de los pozos de metano de lechos de carbón y aumenta la producción de gas y la producción acumulada de gas. Sin embargo, cabe señalar que en las últimas etapas de producción, debido al suministro insuficiente de gas y a la alta permeabilidad, la producción de gas cae rápidamente.
Figura 3 El impacto de la permeabilidad en la producción de gas de los pozos de metano de capas de carbón en la cuenca de Fuxin
Figura 4 El impacto de la permeabilidad en la producción acumulada de gas de los pozos de metano de capas de carbón en la cuenca de Fuxin
2.3 Efecto original de la presión del yacimiento
El efecto de la presión original del yacimiento sobre la productividad del yacimiento implica la relación entre la presión original del yacimiento y la presión de desorción. Lo ideal es una relación entre la presión original del yacimiento y la presión crítica de desorción cercana a 1. Si la presión crítica de desorción es mucho menor que la presión original del yacimiento, es necesario un drenaje a largo plazo y una reducción de la presión para producir gas. La Figura 5 muestra el impacto de la presión original del yacimiento en la tasa de producción de gas y la producción de agua de los pozos de metano de capas de carbón en la cuenca de Fuxin, mostrando la producción de gas de capas de carbón bajo un 20% de sobrepresión, un 20% de presión normal y un 20% de presión negativa. Se puede ver que cuando se determina la saturación de gas de la veta de carbón, es decir, cuando se fija su presión de desorción crítica, la presión original del yacimiento solo afecta el tiempo inicial de producción de gas del pozo de metano de la veta de carbón. Cuando se produce una sobrepresión, la producción de gas comienza más tarde; la depresión se puede descargar antes. Sin embargo, tiene poco impacto en la producción máxima de gas y la producción acumulada de gas de los pozos de metano en capas de carbón.
Figura 5 Efecto de la presión de formación original sobre la producción de gas de pozos de metano en lechos de carbón en la cuenca Fuxin (K=5mD)
2.4 Efecto de la saturación de gas
El contenido de las vetas de carbón La saturación de gas determina su presión crítica de desorción. Cuanto mayor sea la presión crítica de desorción, menor será el rango de reducción de presión del drenaje del pozo de metano del lecho de carbón, más temprano comenzará la producción de gas y mayor será la cantidad de gas metano que se puede desorber de la veta de carbón. La Figura 6 muestra el impacto de la saturación de gas en la producción de gas de los pozos de metano en capas de carbón en la cuenca de Fuxin. Cuanto mayor sea la saturación de gas, mayor será la producción de gas del pozo de metano del lecho de carbón y más temprano se producirá el pico de producción de gas.
Figura 6 Efecto de la saturación de gas en la producción de gas de pozos de metano en capas de carbón en la cuenca de Fuxin (k = 65438+100md)
Influencia del radio de suministro de 2,5
Debido a la penetración La tasa tiene una gran influencia en el alivio de la presión de las vetas de carbón. Para las vetas de carbón de baja permeabilidad, generalmente se usa un espaciamiento pequeño entre pozos para mejorar el efecto de alivio de la presión de las vetas de carbón y aumentar la producción de metano en las vetas de carbón. Por lo tanto, el área de suministro de los pozos CBM, es decir, la densidad del patrón de pozos, es un problema importante para los pozos CBM. El impacto del área de suministro en la productividad de los pozos de gas se muestra en las Figuras 7 y 8. En la figura se puede ver que el área de suministro tiene una gran influencia en la producción de gas y la producción acumulada de gas. Cuanto mayor sea el radio de suministro, mayor será la producción acumulada de gas, pero cuanto más tarde llegue el pico de producción de gas, mayor será la vida de desarrollo del pozo de metano en capas de carbón. Por lo tanto, desde una perspectiva económica, debería haber una densidad de pozo óptima. Para los pozos de metano de lecho de carbón en la cuenca de Fuxin, cuando la permeabilidad k = 65438+100md, el área de suministro de gas de 800 acres llega más tarde que 600 acres y 400 acres (Figura 7), pero su producción acumulada de gas 15 es mucho mayor. que ellos (Figura 8).
Figura 7 El impacto del área de recarga en la producción de gas de los pozos de metano en capas de carbón en la Cuenca Fuxin (k = 65438+100md)
Figura 8 El impacto del área de recarga en la producción acumulada de gas de los pozos de metano de lechos de carbón en la cuenca de Fuxin (k = 65438+100 md)
3 Conclusión
Al establecer un modelo de migración de medios duales de fractura de poro para los dos filtración de fase de metano y agua de capas de carbón, se utilizó el método de diferencias finitas para resolver el modelo y se realizó una simulación numérica en el drenaje del pozo de metano de capas de carbón LJ-1 en el distrito de Liujia, Fuxin. Los resultados muestran que el tiempo de adsorción, la permeabilidad, La presión de formación original, la saturación de gas y el radio de recarga son parámetros clave que afectan la productividad de los yacimientos de metano de las capas de carbón en la cuenca Fuxin.
Referencia
[1] Zhou Shining, Lin Boquan, et al. Las reglas de ocurrencia y flujo del gas de veta de carbón [M]. Beijing: Prensa de la industria del carbón.
Wang Qixin. 2004. Investigación sobre reglas de almacenamiento y transporte de metano en capas de carbón y predicción de recursos en la cuenca de Fuxin [D]. Universidad de Ingeniería y Tecnología de Liaoning, 12 Zhang Junbao, Liu Xiuru, He Yumei. Informe de exploración de minas de carbón en el distrito de Liujia, ciudad de Fuxin, provincia de Liaoning [R]. Fuxin: Equipo de exploración 107 de la Oficina de Geología de Campos de Carbón del Noreste
Zhang Junbao, Liu Xiuru, He Yumei. Informe de evaluación del desarrollo de recursos y exploración de metano en lechos de carbón en la cuenca de Fuxin, provincia de Liaoning [R]. Fuxin: Equipo de exploración 107 de la Oficina de geología de yacimientos de carbón del noreste
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, Zhao, Gao Zhanwu. 2000. Estudio experimental sobre la teoría de los fractales y la permeabilidad de los yacimientos de metano en capas de carbón [J]. Journal of Rock Mechanics and Engineering, 19: 882 ~ 884.