煤层气储层数值模拟
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江西南昌
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作者韦重韬 等著
出版社科学出版社
ISBN9787030430786
出版时间2015-03
装帧精装
开本16开
定价118元
货号23660058
上书时间2024-11-01
商品详情
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导语摘要
本书以煤层气地质勘探开发和计算数学的理论和方法为基础，系统阐述煤层气储层数值模拟研究的内涵、应用及其意义。主要内容包括煤储层数值模拟的地质模型、数学模型及其解算方法，国内外主要煤层气储层模拟软件的主要功能和特色，储层数值模拟在煤层气地面开发过程中的应用，如历史拟合与参数优化、产能预测、开发工艺优化等，煤储层数值模拟方法在煤层气开发理论研究方面的应用，如固流耦合效应和规律、产能增强等，以及储层模拟技术的新进展及其发展趋势。
目录
前言
1 绪论
1.1 储层模拟的定义与内涵
1.2 煤层气储层模拟与其他学科的关系
1.3 煤层气储层模拟的意义
篇 煤储层数值模拟基础
2 煤层气勘探开发基础前言
1 绪论
1.1 储层模拟的定义与内涵
1.2 煤层气储层模拟与其他学科的关系
1.3 煤层气储层模拟的意义
篇 煤储层数值模拟基础
2 煤层气勘探开发基础
2.1 煤层气地质学基础
2.2 煤层气开发基础
3 偏微分方程基础
3.1 偏微分方程的定义和导出
3.2 偏微分方程的数值求解
第二篇 模型与软件
4 煤层气产出模型
4.1 地质模型
4.2 数学模型
4.3 数学模型的解算
5 煤层气储层模拟软件
5.1 煤层气储层模拟理论与技术的发展历程
5.2 COMET3软件的结构和功能
5.3 COMET3软件基本操作
5.4 其他储层模拟软件与辅助软件
第三篇 煤储层数值模拟技术应用
6 煤层气井参数优化与产能预测
6.1 历史拟合技术
6.2 煤层气井产能预测技术
6.3 排采工艺技术优化
7 煤层气田开发预测与评价
7.1 研究方法
7.2 研究实例
8 煤层气井产能增强模拟与预测
8.1 CO2注入煤层气井产能增强机理与表述
8.2 CO2注入产能增强数值模拟实例
第四篇 煤储层数值模拟理论研究
9 煤层气储层模拟建模研究
9.1 煤层气井排采诱导渗透率变化
9.2 煤储层三孔两渗模型
9.3 煤储层裂隙系统中液体一颗粒运移规律探讨
10 煤储层开发动态过程模拟研究
10.1 概述
10.2 气压型储层
10.3 水压型储层
10.4 混合型储层
10.5 井网压降模拟
10.6 讨论
结束语
参考文献
内容摘要
本书以煤层气地质勘探开发和计算数学的理论和方法为基础，系统阐述煤层气储层数值模拟研究的内涵、应用及其意义。主要内容包括煤储层数值模拟的地质模型、数学模型及其解算方法，国内外主要煤层气储层模拟软件的主要功能和特色，储层数值模拟在煤层气地面开发过程中的应用，如历史拟合与参数优化、产能预测、开发工艺优化等，煤储层数值模拟方法在煤层气开发理论研究方面的应用，如固流耦合效应和规律、产能增强等，以及储层模拟技术的新进展及其发展趋势。
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韦重韬等编著的这本《煤层气储层数值模拟(精)》以煤层气地质勘探开发和计算数学的理论和方法为基础，系统阐述煤层气储层数值模拟研究的内涵、应用及其意义。主要内容包括煤储层数值模拟的地质模型、数学模型及其解算方法，国内外主要煤层气储层模拟软件的主要功能和特色，储层数值模拟在煤层气地面开发过程中的应用，如历史拟合与参数优化、产能预测、开发工艺优化等，煤储层数值模拟方法在煤层气开发理论研究方面的应用，如固流耦合效应和规律、产能增强等，以及储层模拟技术的新进展及其发展趋势。
精彩内容
1 绪 论
1.1 储层模拟的定义与内涵
模拟(simulation，modeling)是包括地质学在内的许多自然科学常常使用的一个术语.在中文里，“模”的本意是铸造器物的模子，?说文?言，“模，法也”，其动词的含义有模仿?效法的意思.“拟”的本义是揣度?猜测，?说文?对其的解释是“拟，度也”，其他的意思还有效法和模仿，如拟物是很常用的修辞方法，是把人比作物的一种写作手段.可见，模拟的主要意思还是仿效.从英文的角度来理解这个，“simulation”有“假装?模仿和仿真”等含义，而“modeling”这个词，其含义除了“建模?模型”之外，也有“模拟”的含义.可以这样认为，地质学中的模拟是指利用某种介质或手段，去“模仿?仿真或假装”自然界中发生的各种地质作用(即地质过程，geologicalprocess)，以达到认识它们的目的.
上面提到的“某种介质或手段”主要有两种，一种是实验室模拟(laboratorysimulaGtion)，又称为物理模拟;另一种是数值模拟(numericalsimulation)，由于常常用到计算机技术，有时也称为计算机模拟.无论是实验室模拟还是数值模拟，其目的都是认识各种地质过程.
实验室模拟是在实验室条件下，模仿地质体的物质成分?空间组合和赋存特征，地质体外部的物理?化学条件甚至还有地理等方面的条件，这些条件的综合就构成了一个模拟系统.此时，如果改变系统的部分条件，整个模拟系统的性状就会发生改变.可以认为，这个过程与真正的地质作用相类似，通过观察?认识模拟系统的变化规律和变化结果，就能够认识地质过程发生?发展变化和终结的整个过程.
实验室模拟典型的例子是岩浆形成的高温高压熔融实验.通过对不同成分的原始物质施以不同的温度和压力，并采用不同的升温增压程序就可以获得从超基性到酸性的整个岩浆系列，这些实验是建立岩浆成因理论的重要依据.
在煤层气地质学研究中，对煤岩样品进行气和水饱和，然后施以不同的围压和轴压，观察其固体的变形过程和固态?流态物质之间的耦合作用也是一种实验室模拟.其目的是认识原位条件下，排水产气引起的储层动态变化规律及其对煤层气井气水产出的影响.
实验室模拟有时会受到一些限制.例如由于实验室条件的限制，与实际的地质过程相比，实验室模拟在规模上通常要小很多，物理化学条件也不一定能够与实际完全一样，这就可能会出现一定程度的失真或误差.物理化学条件体系的建立也可能存在不同程度的困难，有时甚至无法建立相关的体系.实验室模拟难实现的是时间上的模拟，因为地质学的时间单位常常是百万年(Ma).所以人们会用到第二种模拟，即数值模拟.
数值模拟或计算机模拟，就是针对某一地质事件或地质过程，建立一个概念上的地质模型或物理模型，并据此推导出一个能够定量表达这个地质模型的数学模型，让这个模型运行起来(例如使之随着时间变化)，同时改变相关参数，考察其他参数的变化过程和变化规律，以此认识地质作用的发生?发展和终结的过程.
之所以称之为数值模拟(numericalsimulation)而不是数学模拟(mathematicalsimuGlation)，是因为表达这些地质过程的数学模型中，常常出现偏微分方程(partialdifferentialequation)或偏微分方程方程组，如椭圆型方程可表示为
这些方程或方程组是不能利用人们熟悉的一元二次方程
的解析解
来求解的.注意，式(1.3)只需要通过有限次加减乘除四则运算即可求解.偏微分方程或偏微分方程组很难利用高等数学中的积分法来求解，而是运用所谓的数值方法来求一个近似解(参见本书3.2节).所以，这种模拟通常被称为数值模拟.
从上面的叙述和实例可以看出，地质作用在时间跨度?空间范围和物理化学条件等诸多因素的特性使得人们在很多情况下不可能直接和全面地观察整个过程.因此，物理模拟和数值模拟成为了研究它们的有效手段.然而，从另一个角度说，这也有一点“不得已而为之”的意味.因为人们不可能再回到数亿年前，也不可能造一个泰山大小的花岗岩体，建立模拟体系来研究其形成过程.
在常规油气以及煤层气勘探开发过程中，常常需要进行储层模拟(reservoirmodeling)研究，这是数值模拟方法在石油天然气储层工程中的重要应用.所谓的储层模拟，就是利用数值模拟的方法研究和预测流体(气?水和油)在岩石(储层)孔隙中的流动行为.在此过程中需要使用储层模拟软件(reservoirmodeling/simulationsoftware)作为研究的工具.在储层模拟研究中，需要建立表述流体在储层中流动的地质和数学模型，并研制相应的储层模拟计算机软件系统，进一步建立地质和开发数据模型，这个模型包含了储层空间赋存特征(岩性?厚度及其空间变化?地质构造等)?储层物性特征(孔渗特征?吸附性能?地层温度和流体压力等)?储层中流体特征(油?气和水的密度和黏度等)，同时还包括生产井的井型?井参数?排采工作制度等.利用模拟软件运行地质模型，对井的生产过程进行模拟计算.模拟计算的结果有多种可能的形式，其中能够反映其特色的结果是井在数年甚至数十年内的油?气和水产量，尽管这个井可能只排采了几个月或几年(AzizandSettari，1979).
由于煤储层特性和排采过程的复杂性，储层模拟非常适用于进行煤层气井排采表现的研究，这种应用即为煤层气储层模拟(coalbedmethanereservoirmodeling)，也有人称之为产能模拟(Seidle，2011)或煤储层开发数值模拟，这是因为井的产能表现是人们
为关注的内容之一.实际上，煤层气储层模拟的研究内容远不止产能模拟，在后面的章节中读者可以看到.煤储层数值模拟的应用范围非常广泛，是煤层气地质学的一个重要领域.煤层气储层模拟研究过程中有很多理论问题需要解决.定量表述煤储层这种多孔介质中气水两相流体解吸渗流过程本身就是一个非常复杂的理论问题.排采会使流体产出，其赋存状态会发生变化.流体的变化会导致固态储层发生岩石力学性质等方面的变化，而固态储层的变化还会反过来作用于流体的运动，这种固?流态物质之间的耦合作用使得整个排采过程变得极为复杂.如果叠加上压裂激化或CO2注入等产能增强措施，这个过程将会更加复杂.
在实际应用方面，煤层气储层模拟研究是综合煤层气井?井网甚至气田的基础地质参数?含气性和储层物性参数?排采技术参数等多个方面的因素建立地质模型，运用储层模拟软件运行该模型.通过观察分析模拟计算结果，达到修正和优化各种参数，预测井?井网或气田的排采效果，进而为包括开采方式决策?井位和井网布置?钻井完井工艺优化以及排采工作制度优化在内的开发工作提供参考和指导等一系列的目的.
1.2 煤层气储层模拟与其他学科的关系
煤层气储层模拟是煤层气藏工程的是一个领域，同时也是一个综合性非常强的理论和技术体系.它广泛应用了基础和应用地质学?常规油气地质学?煤层气地质学?数学和计算机科学等学科的理论和方法.
在进行煤层气储层模拟之前，需要查明模拟研究区的地层?岩性组合?地质构造以及水文地质等基础地质特征;研究煤储层含气性和物性特征;另外，模拟地区好有一定程度的开发工程，所获得的试井数据也是储层模拟的重要基础资料.因此，与上述相关的学科理论?方法和技术是一个模拟研究者的基础知识.涉及的学科或领域包括地层学?岩石学?沉积学?构造地质学?石油天然气地质学?煤地质学?煤层气地质学?水文地质学以及油藏工程等.
在地质和数学建模工作中，需要研究煤储层的岩石力学性质及其孔渗特征，定量表述气态和液态流体在固态多孔介质中的扩散和渗流过程，描述由于煤层气井排采过程中因气水产出所引起的煤储层由于受力状态改变而发生变形对井排采表现所产生的影响等.因此常常要涉及流体力学?固体力学以及传质学等方面的知识.
煤层气储层模拟研究工作中运用了大量的数学知识.其中，隶属于应用数学的计算数学包含偏微分方程及其数值求解的理论和方法，它主要解决储层中气体运移的定量表述和解算问题，这是储层模拟的核心内容之一.
偏微分方程数值求解的计算量非常大，手动计算难以完成，电子计算机因具有高速度?高精度和高度自动化的特点而成为煤层气储层模拟必不可少的技术支撑.适用于科学计算的语言平台，例如MSVisualC ?CSharp以及MATLAB常被采用.目前被广泛应用的COMET3专业煤层气储层模拟软件甚至可能使用了“古老”的Fortran语言来编写其数值解算模块.
储层模拟的另外一个特点是数据量可能非常大，有时包含了整个气田数千口井的数以万计个参数以及模拟计算输出的大量结果数据.所以，计算机科学领域中的数据库技术和数据接口技术被广泛应用于煤层气储层模拟研究的基础数据和成果数据处理.数据表格的格式常被用于观察基础数据和模拟计算结果，曲线图?等值线图或云图等图件能够更直观地表现这些成果，因此，自动成图技术对于煤层气储层模拟研究也是必不可少的.
1.3 煤层气储层模拟的意义
目前，储层模拟已被广泛应用于煤层气科学研究和勘探开发，并对其发展起到了重要的促进作用.
在煤层气地质和开发基础理论研究方面，储层模拟技术可用于考察煤层气井排采过程中各种地质参数，如含气量?含气饱和度?储层压力等的动态变化;考察气水流体的运移，以及煤储层在排采过程中由于气水等流体运移和产出而引起的各种变化，从本质上认识这一过程的特征和规律，进一步指导煤层气资源勘探开发工作.
在煤层气资源勘查方面，煤层气井排采表现和产能预测是储层模拟技术基本的功能，模拟计算成果是煤层气勘探开发选区?开发决策和煤层气开发工程经济评价等工作的基本参数.在国土资源部2012年颁布的?煤层气资源勘查技术规范?(GB/T29119G2012)中，储层模拟方法是进行煤层气地质储量和可采储量计算以及相关参数确定的重要手段之一.
在煤层气资源开发方面，除了进行参数优化?井和井组排采表现的预测之外，储层模拟的成果还可用于指导布井?钻井完井以及排采工艺技术优化工作等，为煤层气资源科学合理开发提供依据.
篇煤储层数值模拟基础
2 煤层气勘探开发基础
煤层气储层数值模拟主要是以煤层气地质勘探和开发的理论?方法和技术为基础，结合现代数学和计算机发展而来.要掌握其中的理论和方法，必须具备1.2节中所述学科领域的相关知识，本章将对与煤层气勘探开发相关的基础知识进行简要介绍，这里仅涉及与储层模拟有关的部分，需要系统了解这些知识的读者可以参阅相关的文献.
2.1 煤层气地质学基础
煤层气(coalbedmethane)是指赋存在煤层中，以甲烷为主要成分，以吸附在煤基质孔隙内表面为主，部分游离于煤孔隙中或溶解于煤层水中的烃类气体(傅雪海等，2007;Moore，2012).煤层气勘探开发具有三方面的意义:首先，煤层气是一种新型洁净能源，其开发利用可以在较大程度上弥补常规油气能源的不足;其次，减灾和降低矿井生产成本，煤矿瓦斯一直是煤矿安全生产的重要威胁，煤层气地面开发抽出了赋存在煤层中的部分瓦斯，能够有效地降低煤矿的瓦斯灾害，有益于煤矿安全生产;再次，对煤层气进行开发利用，能够减少煤炭资源开发过程中甲烷等温室气体的排放，保护大气环境(傅雪海等，2007).
目前，我国正在大力开展煤层气勘探开发工作，国家的投入力度不断加强，石油?煤炭和地矿系统，民营企业?研究机构以及合资和外资企业等都参与到这项活动中，并取得了显著的成果.迄今为止，我国的煤层气资源状况已基本查清，通过勘探工程获得了一批地质储量，并在山西晋城?柳林，辽宁铁法?阜新，安徽淮南?淮北和陕西韩城等地区获得工业气流，形成了山西晋城等工业开发基地.上述进展提出了对煤层气储层模拟的需求，同时也推动其快速发展.
2.1.1 煤层气的生成
煤层
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