Development and Application of Underground Gas Storage Simulator
SPE 59438
日本石油公司（JNOC）正在开展一项利用惰性气体作为垫气的地下天然气储存（UGS）调查，充分利用枯竭气田或凝析气田的资产。由于日本对城市燃气的热值要求极为严格，因此从这些气田中抽取的天然气的热值和成分必须谨慎预测，以成功设计UGS项目。
JNOC开发了一种UGS模拟器，能够严格评估抽出气体的热值，并考虑所有可能影响产出气体成分的主要现象。该模拟器基于改进的常规立方状态方程（EOS）三维组分模拟器和PVT模拟器，增加了计算物理现象的功能，包括分子扩散、速度依赖的分散、三相闪蒸（包括气体组分在水中的溶解和水的汽化）、气体组分在岩石表面的吸附、湍流和Klinkenberg效应等。此外，还引入了多点通量近似（MPFA）和总变差递减（TVD）方案以及局部网格细化功能，以严格计算具有渗透率张量的流体通量并减少数值分散。此外，还增加了计算储层和井筒温度分布的功能，以检查气体注入和绝热膨胀引起的冷却对流体流动和气体成分的影响。通过实验室测试和假设储层的现场规模模拟验证了UGS模拟器的性能，并考察了垫气量、工作气量、储层非均质性和原位气体成分对抽出气体成分的影响。
CMG软件应用情况
- 基础模拟器选择：UGS模拟器基于CMG公司的EOS三维三相多组分流动模拟器和PVT模拟器，因其在EOS公式和数值解方面的可信度而被选为UGS模拟器的基础。
- 功能扩展：在CMG的基础模拟器上，增加了计算物理现象的功能，如分子扩散、三相闪蒸、吸附、湍流和Klinkenberg效应等。此外，还引入了MPFA和TVD方案以改善数值解，并增加了计算储层和井筒温度分布的功能。
- 输入输出处理：CMG开发的前后处理被集成到UGS模拟器中，这些程序能够实现图形化和交互式的前后处理。
结论
UGS模拟器能够严格评估抽出气体的热值，并考虑所有可能影响抽出气体成分的主要现象。通过实验室测试和假设及实际储层的现场规模模拟验证了UGS模拟器的功能：
- 测试结果表明，新功能能够成功再现预期的物理现象，并减少数值误差。
- 假设储层模型的现场规模模拟表明，剩余原位气体成分、垫气量和储层非均质性显著影响抽出气体的成分，而工作气量在小于原气量30%时影响较小。气体在水中的溶解对井底压力性能的影响大于对抽出气体成分的影响。
- 实际储层模型的模拟表明，UGS模拟器对于优化UGS操作（如垫气量和抽注速率）具有潜在的应用价值。
- 实验室和现场规模的模拟结果表明，UGS模拟器适用于复杂的UGS操作评估，包括预测抽出气体的成分。
作者单位
- 日本石油工程公司
开发流程
功能扩展与模块开发
在基础模拟器上，开发团队逐步加入了以下关键模块：
1. 物理现象模拟模块
| 模块 | 功能 |
| 扩散与弥散 | 模拟分子扩散与速度依赖的对流弥散（纵向与横向） |
| 三相闪蒸计算 | 模拟气体在水中的溶解、水汽进入气相、盐水中气体溶解度等 |
| 吸附/解吸 | 使用扩展Langmuir等温线模拟气体在岩石表面的吸附行为 |
| 非达西流动 | 引入Forchheimer方程模拟高速流动下的湍流效应，并考虑Klinkenberg效应（低渗透气体滑脱） |
2. 数值方法优化模块
| 模块 | 功能 |
| MPFA（多点通量近似） | 提高在非规则网格（如角点网格）下的通量计算精度，支持渗透率张量 |
| TVD（总变差递减）格式 | 降低数值弥散，提高组分界面追踪精度 |
| 局部网格加密（LGR） | 在井附近区域实现高精度模拟 |
3. 热力学与温度计算模块
- 储层温度计算：考虑注气冷却与气体膨胀引起的温度变化，耦合能量守恒方程。
- 井筒温度计算：基于Bernoulli型方程求解井筒内稳态流动下的压力与温度分布，用于判断是否需井口加热器防止水合物生成。
模拟器集成与系统构建
- 输入/输出系统：集成CMG的图形化输入处理器与输出可视化工具，支持用户交互建模与结果分析。
- 模块化结构：各功能模块可独立启用或关闭，适应不同模拟需求。
- 主求解器结构：求解变量包括压力、温度、各组分摩尔数、吸附量等，采用全隐式或自适应隐式方法求解。
验证与应用
1. 实验验证
- 细长管弥散实验：模拟氩气驱替甲烷实验，验证TVD格式与物理弥散模型的准确性。
- 气体溶解实验：模拟天然气组分在盐水中的溶解度，验证Henry定律与SPT（尺度粒子理论）模型的有效性。
2. 假设储层模拟
- 研究不同因素（如垫气量、工作气量、初始气体组成、储层非均质性）对采出气热值与组成的影响。
3. 实际储层应用
- 模拟日本某实际气田的UGS运行，评估氮气垫气对采出气热值的影响，优化注采策略。
