Диссертация (1173025), страница 14

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 14)

Схема проникновения бурового раствора в пласт и разложения газогидратов89Изменения температуры и давления пласта могут привести к разложениюгазогидрата, что приводит к неустойчивости стенки ствола скважины. Нарис.43 показана граница стабильности газогидратного пласта в акваторииШэньху.Рис.43. Граница стабильности газогидратного пласта и условия бурения в акватории ШэньхуУстойчивость устья скважиныВскрытие пласта в процессе бурения может привести к разложению газогидратов в подводной газогидратной залежи.

В результате появляется опасность смещение или обвала устья скважины (рис.44).90Рис.44. Влияние разложения газогидратов на стабильность устья скважиныУстойчивость наклонного участка морского днаДобыча газа из газогидратов морских осадочных слоев, а как следствие ипроцесс их разложения, приведет к значительному снижению прочностных характеристик осадочного слоя, что может привести к образованию оползней наморском дне.

Подводные оползни приводят к землетрясениям, цунами и другим катастрофическим явлениям. Под большой угрозой оказываются морскиебуровые платформы подводные трубопроводы, подводные кабели и другиеважные подводные сооружения. Большое количество метанового газа, образующегося при разложении гидратов, поступает в атмосферу и усугубляет парниковый эффект(рис.45).91Рис.45.

Схематическая карта нестабильности морского дна в процессе разработки газогидратов3.2. Математическая модель взаимодействия между буровым раствором и пластом для прогнозирования осложнений в процессе буренияРис.46. Блок-схема теории многопрофильных взаимодействий multi-fieldcoupling theoryПрогнозирование осложнений в процессе бурения и гидратообразованиявключает сложные взаимодействия между буровым раствором и пластом.Процесс бурения может привести к нескольким инженерным геологическимкатастрофам, таким как нестабильность стенки скважины, оседание устьяскважины, повреждение обсадной колонны и так далее(рис.46).92Математическая модель многофазного взаимодействия для прогнозирования осложнений в процессе бурения включает рассмотрение подземной циркуляции поступления бурового раствора в пласте, теплопроводность междубуровым раствором и пластом, разложение газогидратов, видоизменениеостова горной породы, физические и механические изменения в пласте и взаимодействие между этими факторами.Математическая модель взаимодействия между буровым раствором ипластом для прогнозирования аварии в процессе бурения объединила пять моделей:（1） Модель температурного поля газогидратного пласта（2） Модель изменения фазового состояния газогидратов, которая состоит изкинетической модели, модели фазового равновесия и тепловой модели（3） Модель фильтрации（4） Модель поля деформации газогидратного пласта（5） Уравнения состояния для фаз системы, которые включают связь междутермодинамическими параметрами фаз, общую динамическую модельпроницаемости газогидратного пласта; общую динамическая модель пористости, модель упругих параметров пласта; модель эволюции напряжённости породы с содержанием газогидратов.Модель процесса разложения газогидрата(1) Расчет температурного поля в газогидратном пластеМодель поля температуры в газогидратным пласте описывает температурное состояние пласта насыщенного газогидрата, а также учитывает процессы поглощения и выделения энергии при фазовом переходе газогидрата.Модель не учитывает кинетическую энергию, тепловое излучение и эффектдросселирования.

Основное уравнение модели выглядит следующим образомследующим образом:(1 − ∅)+∅+∅⃗(1 − )+++∅−∇∙(+∇∙∇ )=−+часть внутренной энергии системы;∇∙−∇ ∙ (⃗+⃗-энергия за счет конвекции;∇ )--энергия за счет теплопроводности;∆+⃗+（3-1）-дополнительная93−∆ --скрытая теплота разложения или образования газогидрата;-поток тепла от внешних источников;где, −абсолютная пористость,%, , , , −плотность газогидраты, газа, водыи породы,г/cм³, , , , −энтальпия газогидрата, газа, воды и породы, Дж/кг,породы газогидратом, газом и водой, %,, , − насыщенность,,,−удельная теплоёмкость газогидраты, газа, воды и породы,Дж/кг·К, ⃗, ⃗−скорость,просачивания газа и воды, см/с, −эффективнаятеплоповодность пласта с содержащем газогидратов, Вт/(м·K), T-температура,К,-массагазогидратовсоответственноразложившийся,33г/(с·см ),−внешнее теплоснабжение, Дж/(м ·с),-скорость разложения3газогидрата пласта на единицу объема, kг/м ·с, Δ − скрытая теплота разложения газогидрата, Дж/кг.(2) Модель изменения фазового состояния газогидрата1)Кинетическая модель разложения газогидратовИспользование модели Кима-Бишного：==где=∅∆∙−∅（3-2）+=2−∅=∅—разность прекрасной выправки является движущей силой ре-акции разложениягде,−скорость образования природного газа в единице объема газогидратных залежи, (г/(м3с),безразмерный；−постоянная скорости разложения гидрата,−молярная масса метана, г/моль；−площадь поверх-ности разложения газогидрата на единицу объема в пористых средах, (1/см)；−коэффициент летучести метана при балансировочном давлении, безразмерный；−балансировочное давление при текущей температуре, МПа.∅ -равновесная пористость в газовой фазе, безразмерный； -текущее давление,МПа.2) Модель фазового равновесияНа формирование и стабильное существование гидратов на глубине в дополнение к температуре и давлению, также влияет соленость жидкости, которая насыщает поровую среду：Чем выше соленость, тем более неустойчив газогидрат.94= 3.83 × 10( ) + 8.64 × 10− 4.09 × 10（3-3）( )где, - температура фазового равновесия в газогидратным пласте, K;- давление фазового равновесия в газогидратным пласте, МПа.3) Тепловая модель разложения газогидратовДля тепловой модели разложения газогидратов Масуда и др.

предложили модель расчета теплоты распада для гидрата метана:(=−∙ )（3-4）где：QH теплота разложения газогидратов, Дж；MH молекулярная масса газогидратов, безразмерный；c, d - экспериментальный коэффициент, c =56599 Дж/мл, d = -16,744 Дж/(моль·К); T- температура, K.(3) Модель фильтрацииВ пласте будет происходить фильтрация газа и воды, которые образуютсяпри разложении газогидрата:Уравнение для расчета давления в газовой фазе:[ ]+−∇∅[ ] ∇,вой и водной фазами;фазы, кг/(м3·с),+−+[ ] [ ]⃗ −∇∙−（3-5）[ ]∇,-насы--относительная проницаемость газо--матрица проницаемость,м2;фазы и водной фазы, Пa·с;,+-плотность газовой и водной фаз, кг/м3; ,щенность газовой и водной фаз;ние, МПа;+[ ]++∇∙где, ∅-пористость，=,-вязкость газовой-текущее давление, МПа, -равновесное давле-- многопроцессное изменение качества газовой фазы и водной-скорость образования природного газа на единицу объемапласта, кг/(м3·с),-скорость образования воды на единицу объема пласта,кг/(м3·с), g-ускорение силы тяжести, m/s2, -объемная деформация,-скорость газа из разложения гидрата, м/c，-скорость воды из разложения гид-рата, м/c，∇- дифференциальный оператор.Уравнение для расчета насыщенность водной фазой:+++∇[ ] ∇=++∇[ ] ∇+⃗ （3-6）(4) Модель деформации газогидратного пластаУравнение равновесия скелета залежи газогидратов95,где,,+⃗−（3-7）=0-эффективное напряжение скелета горной породы, МПa;-нагрузкафизической силы, МПa; p-эквивалентное поровое давление，МПa; -коэффициент Био，-функция Кронекера.Деформации определяются соотношениями=где,+,（3-8）,-тензор деформаций， -перемещение.Модель упругого поведения（3-9）=где,-эффективное напряжение;-упруго-пластическая матрица；-тен-зор деформаций。Модель упруго-пластического поведения:{dσ} = []{}−[[]]{[}= []−[]][[]{}（3-10）]Критерий текучести залежи газогидратов ： Исправленные критериипрочности Мора-Коломба (используется для оценки прочности на срез пласта)+ гиперболическая конститутивная модель (используется для определениянапряженно-деформированной зависимости отложений в пластах)(5) Вспомогательные уравнения физических параметров газогидратногопласта1) Всесторонняя динамическая модель проницаемости залежи газогидратовУравнение подходит к прискважинной зоны=()∙ 1+∅∅（3-11）∅Уравнение проницаемости зоны удаленной от скважины=( ∙+∙+ )(1 −（3-12）)где, Kσ-проницаемость при эффективном напряжении σ ,10-3μм2；K0- абсолютная проницаемость,10-3μм2 ；σ- действующее напряжение ,MПа；εν- объемнаядеформация ；φe-первоначальная эффективная пористость.2）Параметры тепловых свойств пластаЭффективная теплопроводность в газогидратным пласте λc находится сиспользованием аддитивной модели:= (1 − )+++（3-13）96В формуле, λr、λH、λg и λw - коэффициенты теплопроводности горного скелета, гидрата, метана и воды.3）Всесторонняя динамическая модель пористости= (1 −)×（3-14）( ∙ )∙(1 − )-распадение газогидратов( ∙ )-изменение пластового напряжённого состояния∙где, -пористость при определенным напряженном состоянии; м, n- коэффициент заполнения экспериментов восприимчивости напряжения пористости;σ-эффективный стресс;ϕ-абсолютная пористость; -насыщаемостьгидратов.4）Модель упругих параметров пластаЕ ={− ∙ [ (1 −)×( ∙ ) − (1 −∙)]} ∙ ( ∙+∙+ )（3-15）где, -модуль упругости при определенным напряженном состоянии,GПa; -модуль упругости перед разложением гидратов, GПa; A, B, C-коэффициент чувствительности к напряжениям;σ-эффективный стресс, MПa;исходная гидратная насыщенность; -текущая гидратная насыщенность.5) Модель эволюции прочности образца породы содержащей газогидратов=+∙++++（3-16）6) Решение моделиДля численного решения определяющей системы уравнений многокомпонентного газогидратного пласта используется метод конечных элементов.Используя метод развязки, физические уравнения записывают в дискретной форме, а затем последовательно решают.

Спаренные термы обрабатываются как нагрузка, что благоприятно для сходимости и устойчивости численного решения.Конечно-значная дискретизация температурного поля, поля фильтрациии уравнений деформационного поля, может быть получена с помощью слабойинтегральной формы конечного элемента на основе анализа конечных элементов методом Галеркина:( )=0 (Ω) = ∑( )=0 (Г) ∫（3-17）=+∫=0（3-18）Уравнения давления в газовой фазе и уравнения водонасыщения, зависятот поля температуры и поля фильтрации, поэтому их дискретная форма97находится во временной области с использованием полностью неявной разностной схемы, что приведет к стабильному результату.Влияние диссоциации газогидратов на стабильность ствола скважиныПринимая во внимание симметрию модели ствола скважины, целесообразно рассмотреть одну четверть области модели деформации плоских элементов, диаметр ствола скважины принят 215,9 мм (8 1/2 дюйма), размер расчетной области около скважины 25*25 м.

Зона разделена на прискважинную изону расположенную далекого от скважины. Для изучения деформаций и нестабильности изменений в области вблизи ствола скважины выполняетсяместное уплотнение расчетной сетки(рис.47).Рис.47. Расчетная область устойчивости ствола скважины в газогидратномпластуТаблица 4. Исходные численные данные параметров газогидратного пластаСоответствующие параметрыЗначениеСоответствующие параметрыЗначениеГлубина морской воды1200Модуль упругости в пласте(MПa)3560Глубина залегания от пластагазогидратов до уровни днаморя (м)365Коэффициент Пуассона0.4398Поровое давление в пласте(MПa)16.9Сила сцепления(MПa)2.0Исходная степень насыщения газогидратов0.5Угол внутреннего трения (º)25Водоная насыщенность0.4Коэффициент Био ( Biot)1.0Пористость пласта0.4Вертикальное земное напряжение (MПa)21.8Абсолютная проницаемость(mD)10Максимальное горизонтальное земное напряжение(MПa)20.45Начальная пластовая температура (℃)15Минимальное горизонтальное земное напряжение(MПa)19.7Плотность морскойводы(kг/м3)1030Плотность газогидрата(kг/м3)910Плотность скелета горнойпороды (kг/м3)2200Удельная теплоёмкостьводы (Дж/кг·К)4200Удельная теплоёмкость природного газа (Дж/кг·К)20931600Удельная теплоёмкость скелета горной породы(Дж/кг·К)800Удельная теплоёмкость газогидратов (Дж/кг·К)Число газогидратов6Влияние температуры бурового раствора на стабильность ствола скважины99Рис.48.

Характеристики

Список файлов диссертации