天然气水合物与浅层气、深层气联合开采模拟方法和系统

摘要

本发明公开了天然气水合物与浅层气、深层气联合开采模拟方法和系统，涉及天然气水合物开采技术领域，包括：构建浅层气层与水合物层联合开采模拟模型，包括设定浅层气层与水合物层并网格划分，通过设置地层参数、生产参数构建联合开采模拟模型，求解模型获取产能数据；构建浅层气层、深层气层与水合物层联合开采模拟模型，包括设定浅层气层、深层气层与水合物层并网格划分，通过设置地层参数、生产参数构建联合开采模拟模型，求解模型获取产能数据。本发明基于渗流场、温度场、力学场相互作用机制进行三场耦合流动模拟，建立天然气水合物储层孔隙度、渗透率、饱和度、毛管力等物性参数的表征方法，分别探明了两气合采和三气合采的产能变化规律。

权利要求

1.天然气水合物与浅层气、深层气联合开采模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、构建浅层气层与水合物层联合开采模拟模型，包括设定浅层气层与水合物层，并进行网格划分，设定地质参数、生产参数及井控参数，构建联合开采模拟模型，求解模型获取产能数据；

S2、在步骤S1的基础上，水合物层下方增加深层气层，并对深层气层进行网格划分，设定地质参数、生产参数，构建浅层气层、深层气层与水合物层联合开采模拟模型，求解模型获取产能数据；

步骤S1中，水合物分解动力学方程为：式中，Nh为水合物结合的水分子数；

水合物层遵循质量守恒方程和能量守恒方程，体系守恒关系表示为：式中，t为时间，s；κ为组分标识，本方程中表示水合物组分h、甲烷组分m、水组分w或能κ 3 3 κ 2 κ量e；M为κ的所有组分的和，kg/m或J/m；F为κ的可流动的组分，kg/(m·s)；q为κ的源汇，

3 3

kg/(m·s)或J/(m·s)；

水合物组分质量守恒方程为：

h

M＝φSHρH；

h 3

式中，M为水合物组分的质量之和，kg/m ；SH为水合物相的饱和度；ρH为水合物相的密3

度，kg/m；

甲烷组分质量守恒方程为：

m 3

式中，M 为甲烷组分的质量之和，kg/m；φ为储层孔隙度；SA为水相的饱和度；SG为气相

3 3

的饱和度；ρA为水相的密度，kg/m；ρG为气相的密度，kg/m； 为甲烷组分的质量与水相的质量之比； 为甲烷组分的质量与气相的质量之比； 为甲烷组分的质量与水合物相的2

质量之比；FA为水相的在单位截面积通过的质量流量，kg/(m·s)；FG为气相在单位截面积

2 m 2 m

通过的质量流量，kg/(m·s)；F 为甲烷组分在单位截面积通过的质量流量，kg/(m·s)；q

3 3 3

为甲烷组分的源汇，kg/(m·s)；qA为水相的源汇，kg/(m·s)；qG为气相的源汇，kg/(m·s)； 为甲烷组分的质量与水相源汇的质量之比； 为甲烷组分的质量与气相源汇的质量之比；

水组分质量守恒方程为：

w 3

式中，M 为水组分的质量之和，kg/m ； 为水组分的质量与水相的质量之比； 为水w组分的质量与气相的质量之比； 为水组分的质量与水合物相的质量之比；F为水组分在

2 w 3

单位截面积通过的质量流量，kg/(m·s)；q为水组分的源汇，kg/(m·s)； 为水组分的质量与水相源汇的质量之比； 为水组分的质量与气相源汇中质量之比；

能量守恒方程为：

e 3 3

式中，M为能量之和，J/m；ρR为岩石的密度，kg/m；HR为岩石的焓，J/kg；sβ为β相的饱和度；Hβ为β相的焓，J/kg；ΔsH为当前时间步内水合物饱和度的变化值；ΔH0为水合物的分解/e 2形成焓，J/kg；F为能量流速，J/(m·s)；Kc为体系的综合导热系数，W/(m·K)；Fβ为β相在单

2 e 3

位截面积通过的质量流量，kg/(m·s)；q为能量的源汇，J/(m·s)；

步骤S2中，浅层气层、深层气层遵循质量守恒方程和能量守恒方程，体系守恒关系表示为：x 3 3 x

式中，x为气组分g或能量e；M为x的所有组分的和，kg/m或J/m；F为x的可流动的组分，

2 x 3 3

kg/(m·s)；q为x的源汇，kg/(m·s)或J/(m·s)；

气组分质量守恒时为：

g

M＝φSGρGXG；

g

F＝XGFG；

g

q＝Xq,GqG；

g 3 g

式中，M为气组分的质量之和，kg/m ；XG为气组分的质量与气相的质量之比；F为气组分

2 g 3

在单位截面积通过的质量流量，kg/(m·s)；q为气组分的源汇，kg/(m·s)；Xq,G为气组分的质量与气相源汇的质量之比；

能量守恒时为：

e

M＝(1‑φ)ρRHR+φsGρGHG；

e

F＝‑Kc▽T+HGFG；

e

q＝HGqG；

式中，sG为气相的饱和度；HG为气相的焓，J/kg；FG为气相在单位截面积通过的质量流2

量，kg/(m·s)；

步骤S2中，气体渗流规律如下：在气体状态方程中引入偏差因子：pV＝nZRT；

3

式中，p为气体的绝对压力，Mpa；T为气体的绝对温度，K；V为气体的体积，m ；n为气体的‑3物质的量，mol；R为气体常数，8.314×10 Mpa/(mol·K)；Z为气体的偏差因子，无量纲；

气体渗流与液体渗流相类似，当气体处于层流状态时，采用达西渗流定律描述流动状态，对于均质地层中，在三维渗流空间中，广义达西定律为：气体流动在三维空间中的流动速度表示为：式中，v为气体渗流速度，m/s；K为地层渗透率，D；μ为气体粘度，mPa·s；g为重力加速3

度，g/cm；x、y、z为空间坐标轴；

当气体的渗流速度增加到渗流速度与压力梯度呈非线性关系，不满足达西渗流定律；

在水平方向上，气体渗流过程中有紊流和惯性阻力存在时，满足其动力学规律的非线性二次项式运动方程为：式中，ζ为影响紊流和惯性阻力的孔隙结构特征参数；

当渗流速度增加到偏离达西定律时，达西定律变为：其中，

式中，δ为紊流修正系数；

水合物与浅层气、深层气联合开采过程中，水相相对渗透率krw、气相相对渗透率krg和毛细管压力Pc的计算式分别为：其中，

式中，Swr为束缚水饱和度，Sgr为残余气饱和度，krw0和krg0为渗透率端点值，Pc0是毛管压力端点值，m为van Genuchten参数。

2.采用权利要求1所述方法的天然气水合物与浅层气、深层气联合开采模拟系统，其特征在于，包括：天然气水合物与浅层气联合开采模拟模块，用于设定浅层气层与水合物层，并进行网格划分，设定地质参数、生产参数及井控参数，构建联合开采模拟模型，求解模型获取产能数据；

天然气水合物与浅层气、深层气联合开采模块，在天然气水合物与浅层气联合开采模拟模块的基础上，水合物层下方增加深层气层，并对深层气层进行网格划分，设定地质参数、生产参数，构建浅层气层、深层气层与水合物层联合开采模拟模型，求解模型获取产能数据。

3.一种计算机设备，其特征在于，包括处理器以及用于存储处理器可执行指令的存储器，所述处理器执行所述指令时实现权利要求1所述方法的步骤。

4.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机指令，其特征在于，所述指令被执行时实现权利要求1所述方法的步骤。

说明书

天然气水合物与浅层气、深层气联合开采模拟方法和系统

技术领域

[0001] 本发明涉及天然气水合物开采技术领域，尤其涉及一种天然气水合物与浅层气、深层气联合开采模拟方法和系统。

背景技术

[0002] 随着经济的发展和社会的进步，能源需求逐渐增加。美国能源信息署在2019年国际能源展望中报告称，2018年至2050年间，世界能源消耗量将增加近50％。随着常规化石燃料储量的减少，探索和开发非常规油气资源势在必行。天然气水合物作为非常规能源的重要组成部分，受到了全世界的关注和研究。与其他传统化石能源相比，它是一种新型清洁燃烧化石能源，产生的CO2更少。除此之外，天然气水合物中的总碳量是传统化石能源的两倍。

[0003] 天然气水合物是在低温高压条件下由天然气和水发生化学反应而形成的类冰状的结晶物质，俗称可燃冰，是一种非常规的、清洁的天然气资源，其分布面广、资源量大。标3 3 3
准状况下，1m天然气水合物分解产出164m天然气和0.8m水。

[0004] 我国天然气水合物储量丰富，但目前仍处于实验室模拟、地质调查等阶段，水合物储层的数值模拟技术是一种有效的评价方法。鉴于目前有关开采水合物模拟的研究还不够全面，且缺少对相关开采动力学规律以及多气合采相关开采方案的系统性研究，需要对各种水合物藏的开采方法进行系统的研究，并对其开采规律进行分析，厘清多气合采的特征规律，并确定最佳的开采参数，从而为多气合采提供科学的依据。

[0005] 数值模拟技术是研究天然气水合物储层的关键技术之一，通过数值模拟技术可以对各种开采方式的采收率进行一定的预测，并对其进行合理的开发和设计；同时，通过数值模拟，可以对水合物的各个参数进行分析，从而对水合物的动力学特性进行再认识，从而为今后的开发利用提供依据。

[0006] 因此，亟需研究一种天然气水合物与浅层气、深层气联合开采模拟方法和系统。

发明内容

[0007] 为解决上述技术问题，本发明公开了一种天然气水合物与浅层气、深层气联合开采模拟方法和系统，能够厘清多气合采的特征，解决试采中存在的日产气量低，稳产时间短的问题。本发明基于渗流场、温度场、力学场相互作用机制进行三场耦合流动模拟，建立天然气水合物储层孔隙度、渗透率、饱和度、毛管力等物性参数的表征方法，可以有效阐明多气合采储层物性参数时变规律及演化特征，明确不同开采阶段储层物性参数变化规律。

[0008] 为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

[0009] 本发明第一方面提出了天然气水合物与浅层气、深层气联合开采模拟方法，包括以下步骤：

[0010] S1、构建浅层气层与水合物层联合开采模拟模型，包括设定浅层气层与水合物层，并进行网格划分，设定地质参数、生产参数及井控参数等，构建联合开采模拟模型，求解模型获取产能数据；

[0011] S2、在步骤S1的基础上，在水合物层下方增加深层气层，并进一步对深层气层进行网格划分，设定地质参数、生产参数等，之后构建浅层气层、深层气层与水合物层联合开采模拟模型，求解模型获取产能数据。

[0012] 可选地，步骤S1中，水合物分解动力学方程为：

[0013]

[0014] 式中，Nh为水合物结合的水分子数；

[0015] 水合物层遵循质量守恒方程和能量守恒方程，体系守恒关系表示为：

[0016]

[0017] 式中，t为时间，s；κ为组分标识，本方程中表示水合物组分h、甲烷组分m、水组分wκ 3 3 κ 2 κ或能量e；M为κ的所有组分的和，kg/m或J/m；F 为κ的可流动的组分，kg/(m·s)；q为κ的
3 3
源汇，kg/(m·s)或J/(m·s)；

[0018] 水合物组分质量守恒方程为：

[0019] Mh＝φSHρH；

[0020] 式中，Mh为水合物组分的质量之和，kg/m3；SH为水合物相的饱和度；ρH为水合物相3
的密度，kg/m；

[0021] 甲烷组分质量守恒方程为：

[0022]

[0023]

[0024]

[0025] 式中，Mm为甲烷组分的质量之和，kg/m3；φ为储层孔隙度；SA为水相的饱和度；SG为3 3
气相的饱和度；ρA为水相的密度，kg/m；ρG为气相的密度，kg/m ； 为甲烷组分的质量与水相的质量之比； 为甲烷组分的质量与气相的质量之比； 为甲烷组分的质量与水合物
2
相的质量之比；FA为水相的在单位截面积通过的质量流量，kg/(m·s)；FG为气相在单位截
2 m 2
面积通过的质量流量，kg/(m·s)；F 为甲烷组分在单位截面积通过的质量流量，kg/(m·m 3 3
s)；q 为甲烷组分的源汇，kg/(m·s)；qA为水相的源汇，kg/(m·s)；qG为气相的源汇，kg/
3
(m·s)； 为甲烷组分的质量与水相源汇的质量之比； 为甲烷组分的质量与气相源汇的质量之比；

[0026] 水组分质量守恒方程为：

[0027]

[0028]

[0029]

[0030] 式中，Mw为水组分的质量之和，kg/m3； 为水组分的质量与水相的质量之比；w
为水组分的质量与气相的质量之比； 为水组分的质量与水合物相的质量之比；F为水组
2 w 3
分在单位截面积通过的质量流量，kg/(m·s)；q为水组分的源汇，kg/(m·s)； 为水组分的质量与水相源汇的质量之比； 为水组分的质量与气相源汇中质量之比；

[0031] 能量守恒方程为：

[0032]

[0033]

[0034]

[0035] 式中，Me为能量之和，J/m3；ρR为岩石的密度，kg/m3；HR为岩石的焓，J/kg；sβ为β相的饱和度；Hβ为β相的焓，J/kg；ΔsH为当前时间步内水合物饱和度的变化值；ΔH0为水合物的e 2分解/形成焓，J/kg；F 为能量流速，J/(m·s)；Kc为体系的综合导热系数，W/(m·K)；Fβ为β
2 e 3
相在单位截面积通过的质量流量，kg/(m·s)；q为能量的源汇，J/(m·s)。

[0036] 可选地，步骤S2中，浅层气层、深层气层遵循质量守恒方程和能量守恒方程，体系守恒关系表示为：

[0037]

[0038] 式中，x为气组分g或能量e；Mx为x的所有组分的和，kg/m3或J/m3；Fx为x的可流动的2 x 3 3
组分，kg/(m·s)；q为x的源汇，kg/(m·s)或J/(m·s)；

[0039] 气组分质量守恒时为：

[0040] Mg＝φSGρGXG；

[0041] Fg＝XGFG；

[0042] qg＝Xq,GqG；

[0043] 式中，Mg为气组分的质量之和，kg/m3；XG为气组分的质量与气相的质量之比；Fg为2 g 3
气组分在单位截面积通过的质量流量，kg/(m·s)；q 为气组分的源汇，kg/(m·s)；Xq,G为气组分的质量与气相源汇的质量之比；

[0044] 能量守恒时为：

[0045] Me＝(1‑φ)ρRHR+φsGρGHG；

[0046]

[0047] qe＝HGqG；

[0048] 式中，sG为气相的饱和度；HG为气相的焓，J/kg；FG为气相在单位截面积通过的质量2
流量，kg/(m·s)。

[0049] 可选地，步骤S2中，深水气层温度较低，实际气体压缩性与理想气体存在较大差异，因此在气体状态方程中引入偏差因子：

[0050] pV＝nZRT；

[0051] 式中，p为气体的绝对压力，Mpa；T为气体的绝对温度，K；V为气体的体积，m3；n为气‑3体的物质的量，mol；R为气体常数，8.314×10 Mpa/(mol·K)；Z为气体的偏差因子，无量纲；

[0052] 气体渗流与液体渗流相类似，当气体处于层流状态时，采用达西渗流定律描述其流动状态，对于均质地层中，在三维渗流空间中，广义达西定律为：

[0053]

[0054] 气体流动在三维空间中的流动速度表示为：

[0055]

[0056]

[0057]

[0058] 式中，v为气体渗流速度，m/s；K为地层渗透率，D；μ为气体粘度，mPa·s；g为重力加3
速度，g/cm；x、y、z为空间坐标轴；

[0059] 当气体的渗流速度增加到一定程度之后，紊流和惯性的影响将会愈发显著，其渗流速度与压力梯度呈非线性关系，不满足达西渗流定律；在水平方向上，气体渗流过程中有紊流和惯性阻力存在时，满足其动力学规律的非线性二次项式运动方程为：

[0060]

[0061] 式中，ζ为影响紊流和惯性阻力的孔隙结构特征参数；

[0062] 上式右端第一项为黏滞阻力，与渗流速度成正比，第二项为惯性阻力，与渗流速度平方成正比，所以当渗流速度较小之时，可以不考虑惯性阻力的影响；当渗流速度较大时，紊流和惯性的影响逐渐显著，当渗流速度增加到偏离达西定律时，惯性将会起主导作用；因此，上式为广义的运动方程，将达西定律变为：

[0063]

[0064] 其中，

[0065]

[0066] 式中，δ为紊流修正系数；

[0067] 水合物与浅层气、深层气联合开采过程中，水相相对渗透率krw、气相相对渗透率krg和毛细管压力Pc的计算式分别为：

[0068]

[0069]

[0070]

[0071] 其中，

[0072]

[0073]

[0074] 式中，Swr为束缚水饱和度，Sgr为残余气饱和度，krw0和krg0为渗透率端点值，Pc0是毛管压力端点值，m为van Genuchten参数。

[0075] 本发明第二方面提出了天然气水合物与浅层气、深层气联合开采模拟系统，包括：

[0076] 天然气水合物与浅层气联合开采模拟模块，用于设定浅层气层与水合物层，并进行网格划分，设定地质参数、生产参数及井控参数，构建联合开采模拟模型，求解模型获取产能数据；

[0077] 天然气水合物与浅层气、深层气联合开采模块，在天然气水合物与浅层气联合开采模拟模块的基础上，水合物层下方增加深层气层，并对深层气层进行网格划分，设定地质参数、生产参数，构建浅层气层、深层气层与水合物层联合开采模拟模型，求解模型获取产能数据。

[0078] 本发明第三方面提出了一种计算机设备，包括处理器以及用于存储处理器可执行指令的存储器，所述处理器执行所述指令时实现上述任一项所述方法的步骤。

[0079] 本发明第四方面提出了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机指令，所述指令被执行时实现上述任一项所述方法的步骤。

[0080] 本发明的有益效果是，

[0081] 本发明提供的天然气水合物与浅层气、深层气联合开采模拟方法，基于渗流场、温度场、力学场相互作用机制进行三场耦合流动模拟，分别探明了两气合采和三气合采的产能变化规律。构建两气合采与三气合采数值模拟模型，可以有效阐明多气合采储层物性参数时变规律及演化特征，明确不同开采阶段储层物性参数变化规律，为实现海洋天然气水合物多气合采提供理论与技术支撑。

附图说明

[0082] 图1是本发明实施例提供的天然气水合物与浅层气、深层气联合开采模拟方法和系统流程图；

[0083] 图2是本发明实例构建的浅层气层与水合物层联合开采模拟模型示意图；

[0084] 图3是本发明实例井底流压为3.75MPa时浅层气与水合物联合开采的累产气与产气速率随时间变化的规律图；

[0085] 图4是本发明实例构建的浅层气层、深层气层与水合物层联合开采模拟模型示意图；

[0086] 图5是本发明实例井底流压为3.75MPa时浅层气、深层气与水合物联合开采的累产气与产气速率随时间变化的规律图。

具体实施方式

[0087] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0088] 天然气水合物与浅层气、深层气联合开采模拟方法，如图1所示，包括以下步骤：

[0089] S1、构建浅层气层与水合物层联合开采模拟模型，包括设定浅层气层与水合物层，并进行网格划分，设定地质参数、生产参数及井控参数等，构建联合开采模拟模型，求解模型获取产能数据；

[0090] 水合物分解动力学方程为：

[0091]

[0092] 式中，Nh为水合物结合的水分子数；

[0093] 水合物层遵循质量守恒方程和能量守恒方程，体系守恒关系表示为：

[0094]

[0095] 式中，t为时间，s；κ为组分标识，本方程中表示水合物组分h、甲烷组分m、水组分wκ 3 3 κ 2 κ或能量e；M为κ的所有组分的和，kg/m或J/m；F 为κ的可流动的组分，kg/(m·s)；q为κ的
3 3
源汇，kg/(m·s)或J/(m·s)；

[0096] 水合物组分质量守恒方程为：

[0097] Mh＝φSHρH；

[0098] 式中，Mh为水合物组分的质量之和，kg/m3；SH为水合物相的饱和度；ρH为水合物相3
的密度，kg/m；

[0099] 甲烷组分质量守恒方程为：

[0100]

[0101]

[0102]

[0103] 式中，Mm为甲烷组分的质量之和，kg/m3；φ为储层孔隙度；SA为水相的饱和度；SG为3 3
气相的饱和度；ρA为水相的密度，kg/m；ρG为气相的密度，kg/m； 为甲烷组分的质量与水相的质量之比； 为甲烷组分的质量与气相的质量之比； 为甲烷组分的质量与水合物
2
相的质量之比；FA为水相的在单位截面积通过的质量流量，kg/(m·s)；FG为气相在单位截
2 m 2
面积通过的质量流量，kg/(m·s)；F 为甲烷组分在单位截面积通过的质量流量，kg/(m·m 3 3
s)；q 为甲烷组分的源汇，kg/(m·s)；qA为水相的源汇，kg/(m·s)；qG为气相的源汇，kg/
3
(m·s)； 为甲烷组分的质量与水相源汇的质量之比； 为甲烷组分的质量与气相源汇的质量之比；

[0104] 水组分质量守恒方程为：

[0105]

[0106]

[0107]w 3

[0108] 式中，M 为水组分的质量之和，kg/m； 为水组分的质量与水相的质量之比；w
为水组分的质量与气相的质量之比； 为水组分的质量与水合物相的质量之比；F为水组
2 w 3
分在单位截面积通过的质量流量，kg/(m·s)；q 为水组分的源汇，kg/(m·s)； 为水组分的质量与水相源汇的质量之比； 为水组分的质量与气相源汇中质量之比；

[0109] 能量守恒方程为：

[0110]

[0111]

[0112]

[0113] 式中，Me为能量之和，J/m3；ρR为岩石的密度，kg/m3；HR为岩石的焓，J/kg；sβ为β相的饱和度；Hβ为β相的焓，J/kg；ΔsH为当前时间步内水合物饱和度的变化值；ΔH0为水合物的e 2分解/形成焓，J/kg；F 为能量流速，J/(m·s)；Kc为体系的综合导热系数，W/(m·K)；Fβ为β
2 e 3
相在单位截面积通过的质量流量，kg/(m·s)；q为能量的源汇，J/(m·s)。

[0114] S2、在步骤S1的基础上，在水合物层下方增加深层气层，并进一步对深层气层进行网格划分，设定地质参数、生产参数等，之后构建浅层气层、深层气层与水合物层联合开采模拟模型，求解模型获取产能数据。

[0115] 浅层气层、深层气层遵循质量守恒方程和能量守恒方程，体系守恒关系表示为：

[0116]

[0117] 式中，x为气组分g或能量e；Mx为x的所有组分的和，kg/m3或J/m3；Fx为x的可流动的2 x 3 3
组分，kg/(m·s)；q为x的源汇，kg/(m·s)或J/(m·s)；

[0118] 气组分质量守恒时为：

[0119] Mg＝φSGρGXG；

[0120] Fg＝XGFG；

[0121] qg＝Xq,GqG；

[0122] 式中，Mg为气组分的质量之和，kg/m3；XG为气组分的质量与气相的质量之比；Fg为2 g 3
气组分在单位截面积通过的质量流量，kg/(m·s)；q 为气组分的源汇，kg/(m·s)；Xq,G为气组分的质量与气相源汇的质量之比；

[0123] 能量守恒时为：

[0124] Me＝(1‑φ)ρRHR+φsGρGHG；

[0125]

[0126] qe＝HGqG；

[0127] 式中，sG为气相的饱和度；HG为气相的焓，J/kg；FG为气相在单位截面积通过的质量2
流量，kg/(m·s)。

[0128] 深水气层温度较低，实际气体压缩性与理想气体存在较大差异，因此在气体状态方程中引入偏差因子：

[0129] pV＝nZRT；

[0130] 式中，p为气体的绝对压力，Mpa；T为气体的绝对温度，K；V为气体的体积，m3；n为气‑3体的物质的量，mol；R为气体常数，8.314×10 Mpa/(mol·K)；Z为气体的偏差因子，无量纲；

[0131] 气体渗流与液体渗流相类似，当气体处于层流状态时，采用达西渗流定律描述其流动状态，对于均质地层中，在三维渗流空间中，广义达西定律为：

[0132]

[0133] 气体流动在三维空间中的流动速度表示为：

[0134]

[0135]

[0136]

[0137] 式中，v为气体渗流速度，m/s；K为地层渗透率，D；μ为气体粘度，mPa·s；g为重力加3
速度，g/cm；x、y、z为空间坐标轴；

[0138] 当气体的渗流速度增加到一定程度之后，紊流和惯性的影响将会愈发显著，其渗流速度与压力梯度呈非线性关系，不满足达西渗流定律；在水平方向上，气体渗流过程中有紊流和惯性阻力存在时，满足其动力学规律的非线性二次项式运动方程为：

[0139]

[0140] 式中，ζ为影响紊流和惯性阻力的孔隙结构特征参数；

[0141] 上式右端第一项为黏滞阻力，与渗流速度成正比，第二项为惯性阻力，与渗流速度平方成正比，所以当渗流速度较小之时，可以不考虑惯性阻力的影响；当渗流速度较大时，紊流和惯性的影响逐渐显著，当渗流速度增加到偏离达西定律时，惯性将会起主导作用；因此，上式为广义的运动方程，将达西定律变为：

[0142]

[0143] 其中，

[0144]

[0145] 式中，δ为紊流修正系数；

[0146] 水合物与浅层气、深层气联合开采过程中，水相相对渗透率krw、气相相对渗透率krg和毛细管压力Pc的计算式分别为：

[0147]

[0148]

[0149]

[0150] 其中，

[0151]

[0152]

[0153] 式中，Swr为束缚水饱和度，Sgr为残余气饱和度，krw0和krg0为渗透率端点值，Pc0是毛管压力端点值，m为van Genuchten参数。

[0154] 本发明实施例还提供了一种天然气水合物与浅层气、深层气联合开采模拟系统，包括：

[0155] 天然气水合物与浅层气联合开采模拟模块，用于设定浅层气层与水合物层，并进行网格划分，设定地质参数、生产参数及井控参数，构建联合开采模拟模型，求解模型获取产能数据；

[0156] 天然气水合物与浅层气、深层气联合开采模块，在天然气水合物与浅层气联合开采模拟模块的基础上，水合物层下方增加深层气层，并对深层气层进行网格划分，设定地质参数、生产参数，构建浅层气层、深层气层与水合物层联合开采模拟模型，求解模型获取产能数据。

[0157] 本发明实施例还提出了一种计算机设备，包括处理器以及用于存储处理器可执行指令的存储器，所述处理器执行所述指令时实现上述方法的步骤。

[0158] 本发明实施例还提出了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机指令，所述指令被执行时实现上述方法的步骤。本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本发明所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和易失性存储器中的至少一种。非易失性存储器可包括只读存储器(Read‑Only Memory，ROM)、磁带、软盘、闪存或光存储器等。易失性存储器可包括随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)或外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，RAM可以是多种形式，比如静态随机存取存储器(Static Random Access Memory，SRAM)或动态随机存取存储器(Dynamic Random Access Memory，DRAM)等。

[0159] 下面结合实施例对本发明的技术方案作进一步的描述。

[0160] 如图2所示，该发明实例仅考虑浅层气层和天然气水合物层，模型的上、下盖层是不可渗透的。海底水平面距离海面水平面的深度为1200m，海底处压力取11760kPa，海底温3
度取3.8℃。海底沉积物密度取2600kg/m ，沉积物比热容为1000J/(kg·℃)。同时，将天然气水合物层距离海面的深度设置为1530m，将浅层气层距离海面深度设置为1700m。

[0161] 模型大小为560m×560m×285m，长宽都为560m，厚度为285m。XY方向上划分为56个网格，纵向上划分为35个网格。模型共有4层，分别为上下盖层，水合物层和浅层气层。上下盖层厚度均为40m，划分为4个网格，水合物层厚度为15m，划分为5个网格，浅层气层厚度为35m，划分为5个网格。天然气水合物层与浅层气层之间为170m的其他各类地质类型，将其设置为无效网格，忽略其地层参数对结果的影响。模型中央一口直井进行降压生产，从浅层气层顶部钻至水合物层底部。按地层厚度划分的地质模型如图2所示，图中水合物层和浅层气层之间的区域为无效网格区。

[0162] 水合物层厚度为15m，包括水，天然气水合物和甲烷气，有效孔隙度为33％，水合物饱和度为31％，渗透率为1.5mD。浅层气层厚度为35m，孔隙度取25％，渗透率取6mD，储层中包含甲烷相与气相。

[0163] 图3展示了井底流压为3.75MPa时浅层气与天然气水合物联合开采的累产气与产气速率随时间的变化规律图，从图中可以看出产气速率为一条先上升后快速下降，之后平缓下降的曲线，而累产气量为一条先快速上升后平缓上升的曲线，因此生产过程可分为两个阶段：①自由气大量产出阶段。投产最初一段时间获得极高的产气速率后快速下降，最大6 3
产气速率达到了1.83×10m/d。在此阶段内，浅层气层内存在大量自由气，故初始时刻的产气速率与产气量突增。之后由于储层的自由气的大量产出，储层压力降低，水合物开始分解，产出的气体包括自由气和水合物分解产生的气体两部分。该阶段的产出气以自由气为主，开采初期能获得很大的产气速率，而后续由于自由气大量减少，产气速率迅速下降，累产气量开始逐渐变得平缓；②水合物分解产气阶段。水合物开始分解产生分解气，而产气速率主要受储层中天然气水合物的分解速率影响。由于浅层气的大量采出导致气体压力快速下降，导致井底压力与地层压力之差快速增大，促进水合物的分解，使水合物分解速度加快。然而，由于水合物分解吸热导致了水合物层温度降低，在没有外界热量的补充的情况下，水合物分解速率逐渐下降，产气速率也一直呈下降趋势，但下降速率缓慢，基本保持在
4 3
稳定值3.03×10m/d左右，有较好的商业开采价值。

[0164] 如图4所示，该发明实例考虑浅层气层和天然气水合物层和深层气层，模型的上、下盖层是含水饱和层。将天然气水合物层距离海面的深度设置为1530m，将浅层气距离海面的深度设置为1700m，将深层气距离海面的深度设置为4500m。

[0165] 模型大小为560m×560m×3077m，长宽都为560m，厚度为3077m。XY方向上划分为56个网格，纵向上划分为131个网格。模型共有5层，分别为上下盖层，浅层气层，水合物层和深层气层。上下盖层厚度均为40m，划分为4个网格，水合物层厚度为15m，划分为5个网格，浅层气层厚度为35m，划分为5个网格，深层气层为27m，划分为3个网格。浅层气层与天然气水合物层之间为155m以及天然气水合物层与深层气层之间2765m的其他各类地质类型，将其设置为无效网格，忽略其地层参数对结果的影响。模型中央一口直井进行降压生产，从浅层气层顶部钻至深层气层底部。按地层厚度划分的地质模型如图4所示，图中水合物层和浅层气层之间以及浅层气层和深层气层之间的区域为无效网格区。

[0166] 水合物层厚度为15m，包括水和天然气水合物和甲烷气，有效孔隙度为33％，水合物饱和度为31％，渗透率为1.5mD。浅层气层厚度为35m，孔隙度取25％，渗透率取6mD，储层中包含甲烷气。深层气层厚度为27m，包含甲烷气，有效孔隙度32％，渗透率为7.4mD。

[0167] 图5展示了井底流压为3.75MPa时多气合采模型累产气与产气速率随时间的变化规律图，从图中可以看出产气速率为一条先上升后快速下降，之后平缓下降的曲线，而累产气量为一条先快速上升后平缓上升的曲线，因此生产过程可分为两个阶段：①自由气大量产出阶段。生产最初一段时间获得极高的产气速率后快速下降，最大产气速率达到了2.827 3
×10m/d。这一阶段，浅层气层和深层气层中自由气含量较高，因此初始时刻产气速率和产气量都发生了突增。开采气主要来自于储层中的自由气以及由水合物转化而来的甲烷气。
这一阶段产出气主要为自由气，在采出程度前期可取得较大产气速率，随后因自由气的大幅降低，产气速率快速降低，累产气量也开始渐趋平缓。②水合物分解产气阶段。水合物开始分解生成甲烷气，产气速率则主要受到储层内天然气水合物分解速率的影响。由于浅层气和深层气大量开采造成气体压力迅速降低，致使井底压力和地层压力之差迅速增加，促使水合物分解并加速其分解。因此，为了研究水合物分解对气井产能的影响，需要准确测定不同条件下产气量随时间的变化规律。而水合物分解吸热造成水合物层内温度下降，无外界热量补充时水合物分解速率会逐渐减小，产气速率始终呈现减小趋势，只是减小速率较
4 3
慢，基本保持在稳定值1.81×10m/d左右。

[0168] 当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。