COMSOL 模拟海洋水合物储层产砂问题—来自TOP期刊《Energy》

2024-11-03 18:29 山东

大家好！今天给大家分享来自TOP期刊《Energy》的文章，大家快来学习一下吧。

利用微生物诱导碳酸盐沉淀技术控制海洋水合物储层产砂的可行性研究

Sand control during gas production from marine hydrate reservoirs by using microbial-induced carbonate precipitation technology: A feasibility study

1. 主要摘要

本文针对海洋天然气水合物储层在开采过程中遇到的产砂问题，提出了一种基于微生物诱导碳酸盐沉淀（MICP）技术的控制方案。研究显示，MICP技术通过在井筒周围生成钙碳酸盐沉积物来加固储层，有效减少了产砂，并对气体产量的影响较小。实验与数值模拟结果表明，通过合理调整细菌的固定方式和注浆压力，钙碳酸盐沉积可增强储层结构，减少砂粒流失，同时对水产量的控制效果显著，提供了一种潜在的被动式砂控方法。

2. 引言

天然气水合物（NGH）被视为未来的清洁能源，但其商业化开发面临诸多挑战，特别是浅层储层在开采过程中的产砂问题。当前的砂控方法多依赖于机械手段，如筛网和砾石填充，但在深海环境中效果有限且适用性不强。本文提出了一种新型的被动砂控策略，通过MICP技术在井筒周围生成碳酸钙沉积物，从而增加储层的机械强度，以抑制砂粒流失。这项研究的目标是验证MICP在水合物储层开采中的可行性，并探讨其对产砂和气体产量的影响，为NGH商业开发提供理论支持。

3. 主要内容

1. 研究背景与方法

（1)地质背景：本研究以日本南海海槽AT1站点的地质数据为基础。该站点的水合物储层主要位于1274至1336米深度，包括砂层、粉砂层及泥质层。储层孔隙度较高，水合物饱和度可达90%，储层温度约为2.8至3.0°C。

(2)微生物反应迁移模型：利用Comsol Multiphysics软件建立了MICP反应迁移模型，模拟细菌溶液的注入、流动和钙离子沉积过程。模型考虑了细菌的固定过程，并根据不同注入方式及压差，预测了钙碳酸盐在井筒周围的分布和沉积效果。

2. 钙碳酸盐分布及沉积机理

(1)垂直与水平分布：钙碳酸盐在井筒的上、下端生成较多，而中部沉积密度较小。沉积量随着注入时间的增加逐渐增大，井周围的钙碳酸盐沉积提供了结构增强基础，有助于减少产砂。

(2)沉积影响因素：钙碳酸盐的沉积量受控于细菌浓度、注入流速及反应时间。靠近井筒的沉积密度最大，随着距离增加沉积量逐渐减少。此外，高压环境下注入流体会优先侵入上层地层，导致上方沉积较多。

3. MICP处理对水合物开采的影响

(1)孔隙度和渗透率变化：钙碳酸盐沉积会略微降低储层孔隙度和渗透率，孔隙度减少至0.398，渗透率在某些方向下降约21%。然而，这种变化对气体总产量的影响不大，气水比保持稳定，表明MICP处理不会显著影响天然气水合物的开采效率。

(2)产砂量预测：通过三轴试验和数值预测模型对产砂情况进行了分析。结果显示，MICP处理后砂的总产量减少了73%，且砂粒流失速率明显下降。该技术在产砂控制方面具有显著效果，为NGH开采提供了一种高效的砂控手段。

4. 灵敏度分析

(1)注入压力的影响：注入压力显著影响钙碳酸盐的生成量和渗透距离。高压可增加钙碳酸盐沉积在井筒远端的渗透距离和沉积总量，但可能导致井筒附近的局部沉积过多。因此，建议在注浆时采用分阶段控制注入压力以优化沉积效果。

(2)储层渗透率的影响：不同渗透率的储层对钙碳酸盐沉积分布的影响显著。低渗透率条件下，沉积距离缩短，钙碳酸盐在井筒周围堆积，导致局部堵塞风险。为防止沉积过度，建议缩短注浆段长度或采取分段加固的方法。

(3)细菌固化方法的影响：研究了多步注入和混合注入的细菌固化方式。多步注入可提高细菌在井筒周围的沉积量，适合低渗透储层。而混合注入则能达到较高的钙碳酸盐沉积效果，但细菌容易聚集成絮状物，不适用于颗粒较小的储层。

4. 主要结论

1. MICP技术对储层产砂控制的效果显著

MICP技术通过诱导钙碳酸盐沉积有效增强储层强度，产砂量减少达73%，且对水产量的控制效果显著，为NGH开采提供了可靠的砂控方法。

2. 钙碳酸盐的分布影响储层渗透性

钙碳酸盐在井筒上下端的渗透较深，而中部渗透距离较短。合理控制注入压力可以优化沉积分布，避免井筒附近的堵塞问题。

3. 细菌固化方法对沉积效果的影响

分步注入方式可提升井筒附近的沉积效果，适用于强化砂控；而混合注入适合渗透性好的储层，但不适用于颗粒较小的储层以防止沉积堵塞。

4. 提高MICP应用的适用性建议

通过优化细菌固化方式和注入压力，MICP技术在不同类型储层中的适用性得以提高，具有在天然气水合物开发中推广的潜力。

5. 主要结果图

6. 参考文献

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