縫洞型碳酸鹽巖地下儲(chǔ)氣庫(kù)高速注采滲流特征及庫(kù)容動(dòng)用機(jī)理

李隆新 王夢(mèng)雨 胡 勇 周 源 周 鴻 寧 飛 冉 林 王冠群 李 煒 龍 威

1.中國(guó)石油西南油氣田公司勘探開發(fā)研究院 2.中國(guó)石油西南油氣田公司 3.中國(guó)石油西南油氣田公司蜀南氣礦 4.深圳清華大學(xué)研究院 5.清能艾科（深圳）能源技術(shù)有限公司

0 引言

儲(chǔ)氣庫(kù)是保障天然氣安全供應(yīng)和解決調(diào)峰問(wèn)題的重要基礎(chǔ)設(shè)施。近年來(lái)為了解決天然氣供應(yīng)緊張的問(wèn)題，國(guó)家提出了關(guān)于加快儲(chǔ)氣設(shè)施建設(shè)的要求，中國(guó)石油天然氣集團(tuán)有限公司也大力發(fā)展建立區(qū)域儲(chǔ)氣中心來(lái)加快推進(jìn)儲(chǔ)氣庫(kù)的建設(shè)。中國(guó)石油西南油氣田公司積極響應(yīng)國(guó)家號(hào)召，快速推進(jìn)建設(shè)西南儲(chǔ)氣中心，截至2023年，已建成投產(chǎn)儲(chǔ)氣庫(kù)1 座，在建儲(chǔ)氣庫(kù)5 座，前期評(píng)價(jià)儲(chǔ)氣庫(kù)1 座，而其中在建的牟家坪、老翁場(chǎng)儲(chǔ)氣庫(kù)群是國(guó)內(nèi)首座縫洞型儲(chǔ)氣庫(kù)群。牟家坪儲(chǔ)氣庫(kù)位于四川省宜賓市翠屏區(qū)和長(zhǎng)寧縣境內(nèi)，距離宜賓市約40 km，緊鄰頁(yè)巖氣核心建產(chǎn)區(qū)。其區(qū)域構(gòu)造位于四川盆地川南古坳中隆低陡穹形帶，儲(chǔ)集巖為二疊系下統(tǒng)茅口組生屑灰?guī)r，埋深介于2 000～3 000 m，總體物性為低孔隙度、低滲透率[1-3]。牟家坪氣田自20世紀(jì)70年代發(fā)現(xiàn)工業(yè)氣流至今已開發(fā)生產(chǎn)40 余年，鉆井過(guò)程中存在頻繁的井漏、放空現(xiàn)象，表明茅口組存在規(guī)模較大的巖溶系統(tǒng)，縫洞較為發(fā)育[2]。這類具有孔洞縫發(fā)育、基質(zhì)低滲透率、強(qiáng)非均質(zhì)性的氣藏改建儲(chǔ)氣庫(kù)，在行業(yè)內(nèi)尚無(wú)建庫(kù)經(jīng)驗(yàn)可借鑒[4-13]。對(duì)于強(qiáng)非均質(zhì)縫洞型氣藏建庫(kù)，高速注采過(guò)程中高滲透縫洞體和低滲透基質(zhì)間的滲流規(guī)律和庫(kù)容動(dòng)用特征研究較少[7-8]。因此，筆者針對(duì)相關(guān)關(guān)鍵問(wèn)題，通過(guò)構(gòu)建縫洞型三維模型開展高速采氣數(shù)值模擬，獲得不同縫洞搭配模型中不同孔、洞、縫位置流體的壓力和速度分布特征，以及不同縫洞模型的庫(kù)容動(dòng)用特征，從而定量表征縫洞型儲(chǔ)氣庫(kù)高速滲流特征和庫(kù)容動(dòng)用機(jī)理。

1 模型的建立

牟家坪氣田的現(xiàn)有巖心和改建儲(chǔ)氣庫(kù)后的新鉆井牟儲(chǔ)1 井取全直徑巖心，主要特征為基質(zhì)致密、孔洞縫不發(fā)育。為了準(zhǔn)確模擬地下儲(chǔ)氣庫(kù)注采滲流特征，根據(jù)相似性原則，基于巖心觀察、露頭分析、地震解釋、生產(chǎn)數(shù)據(jù)分析，開展了對(duì)儲(chǔ)層典型縫洞的描繪，設(shè)計(jì)了兩類巖心模型，包括簡(jiǎn)化模型和仿真模型。

簡(jiǎn)化模型是根據(jù)氣田生產(chǎn)數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)的3 個(gè)物性級(jí)別遞增的縫洞模型（表1），依次為，模型A 為小縫小洞類型，模型B 為中縫小洞類型，模型C為大縫大洞類型（圖1），淺藍(lán)色代表由二維截面向兩側(cè)延展的寬度為1 mm 的裂縫，深藍(lán)色代表寬度為4 mm的縫洞。通過(guò)設(shè)計(jì)好的二維方案，利用3 次樣條插值和歐式距離生成三維縫洞數(shù)據(jù)模型。仿真模型則依照相似性原則，根據(jù)地震螞蟻體追蹤技術(shù)解釋后得出的地層縫洞系統(tǒng)和牟家坪區(qū)域野外露頭紅橋茅口組第四段晚期溶蝕裂縫結(jié)構(gòu)，描繪具有儲(chǔ)層典型特征的縫洞形態(tài)組合，由此設(shè)計(jì)不同縫洞組合的二維方案，利用圖形疊加的方法生成三維仿真縫洞數(shù)字巖心模型。文中的巖心模型長(zhǎng)度設(shè)為50 mm，寬度設(shè)為25 mm，高度設(shè)為25 mm。

表1 縫洞簡(jiǎn)化模型及物性參數(shù)表

2 數(shù)值模擬理論

為進(jìn)行巖心尺度三維數(shù)據(jù)體數(shù)值模擬計(jì)算，模擬多重介質(zhì)中的氣體流動(dòng)特征，采用了可以描述多尺度滲流問(wèn)題的Brinkman 模型，在同時(shí)考慮基質(zhì)、縫洞的情況下，通過(guò)修正N—S 方程開展數(shù)值模擬[14]，所用方程如下：

式（1）是基于質(zhì)量守恒所建立的方程，式（2）是基于動(dòng)量守恒所建立的方程。式中t表示時(shí)間，s；εp表示孔隙度；ρ表示流體密度，g/cm3；u表示速度矢量，m/s；Qm表示質(zhì)量源，g/(cm3·s)；p表示壓力，MPa；μ表示流體黏度，mPa·s；I表示單位矩陣；K表示基質(zhì)部分的滲透率，mD；F表示作用力，g/(cm2·s2)。

在給定初始條件、邊界條件和流體黏性等參數(shù)后，可簡(jiǎn)化上述公式，開展儲(chǔ)層滲流滯后效應(yīng)和庫(kù)容動(dòng)用特征的數(shù)值模擬，求解時(shí)采用的是格子玻爾茲曼方法（Lattice Boltzmann Method，LBM），所用方程如下：

3 簡(jiǎn)化模型數(shù)值模擬

基于建立的簡(jiǎn)化數(shù)字巖心模型，應(yīng)用上述方法開展氣體衰竭開采數(shù)值模擬計(jì)算，獲得不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)的基質(zhì)和各裂縫、孔、洞的氣體壓力與流速值，完成了等壓差和增壓差兩種數(shù)值模擬過(guò)程，獲得的相關(guān)結(jié)果總結(jié)如下。本文中的模擬壓力、速度、時(shí)間均采用無(wú)因次數(shù)值。

3.1 等壓差模擬

等壓差模擬關(guān)注的是在驅(qū)動(dòng)壓力相同的條件下，不同縫洞結(jié)構(gòu)下的氣體滲流特征。模型設(shè)定內(nèi)部初始?jí)毫?.0（代表氣藏原始地層壓力），衰竭開采開口端壓力為0.95（代表生產(chǎn)壓力），基質(zhì)部分的孔隙度為2%、滲透率為0.1 mD。數(shù)值模擬時(shí)間的迭代區(qū)間為(0～280)×104，開始階段迭代間隔小，中間階段到結(jié)束迭代間隔遞增。其中模型C 的迭代區(qū)間(0～3)×104又根據(jù)實(shí)際情況增加了更短小的迭代間隔（1 000），以觀察在氣體流速較大時(shí)模型內(nèi)部壓力的衰減情況。

在模型A 中，模型整體的壓力降低幅度較小，即使縫洞系統(tǒng)壓力下降幅度大，但由于基質(zhì)部分占比高且壓力降低非常小，導(dǎo)致模型整體壓力隨時(shí)間的變化情況與基質(zhì)部分有較為相似的趨勢(shì)（圖2）?？p洞系統(tǒng)在初始?jí)毫Γ?0×104）降低的速度快，隨著時(shí)間的增加壓力降低的速度逐漸減緩。越靠近開口端的縫洞壓力下降得越早且速度越大。在模型B 中，由于其基本結(jié)構(gòu)與模型A 類似，僅裂縫開度有所增加，模型整體壓力的變化情況仍與基質(zhì)部分有較高的相似性，但壓力降低的幅度比模型A 略高（圖2）。縫洞系統(tǒng)壓力在初始20×104迅速降低，隨后趨勢(shì)變緩，最終壓力趨于0.95，這個(gè)時(shí)間拐點(diǎn)的出現(xiàn)早于模型A 的拐點(diǎn)（50×104），大尺寸的縫洞系統(tǒng)含有更多的氣體，其氣體壓力下降的速度有顯著的提升，同樣地，縫洞系統(tǒng)各個(gè)部分越靠近開口端壓力下降越快。在模型C 中，整個(gè)模型的壓力下降在初始階段較快，主要是受到縫洞系統(tǒng)占比增大的影響，之后由于基質(zhì)部分氣體壓力下降緩慢，壓力降低速度減緩。相較于前兩組模型，整體與基質(zhì)部分壓力的下降幅度有顯著差異（圖2）。模型C 的縫洞系統(tǒng)在初始?jí)毫Γ?×104）內(nèi)壓力迅速降低到接近開口壓力（0.95），隨后壓力曲線趨于平穩(wěn)。模型C 中不同部分的縫洞系統(tǒng)的壓力下降速度基本相同。3 個(gè)簡(jiǎn)化模型的等壓數(shù)值模擬表明縫洞和基質(zhì)的壓力變化有明顯區(qū)別，縫洞系統(tǒng)的壓力釋放快，但由于基質(zhì)占比高，整體壓力變化曲線形態(tài)更接近基質(zhì)。最終穩(wěn)定后，3 個(gè)模型整體壓力下降分別是基質(zhì)內(nèi)壓力下降的1.19、1.23、1.73倍。模型的滲透率越高，其縫洞系統(tǒng)內(nèi)壓力下降越快，3 個(gè)模型縫洞系統(tǒng)內(nèi)壓力趨近穩(wěn)定值所用的模擬時(shí)長(zhǎng)比值為50∶10∶1。模型滲透率越高，基質(zhì)部分壓力下降程度越大，模型C 中基質(zhì)壓力下降最大。

圖2 等壓差條件下各簡(jiǎn)化模型不同部位的壓力變化圖

3 個(gè)模型氣體流速（表觀流速）的變化特征在一定程度上與壓力的變化有相似之處，整體的氣體流速變化情況都和基質(zhì)的氣體流速變化情況較為接近，但是3 個(gè)模型又各有特征（圖3）。模型A 中，整體和基質(zhì)的氣體流速的提升以及縫洞系統(tǒng)中氣體流速的下降都較為平緩，縫洞系統(tǒng)氣體流速初始值高于基質(zhì)中氣體流速，在時(shí)間約50×104時(shí)基質(zhì)中的氣體流速超過(guò)了縫洞系統(tǒng)，同時(shí)在縫洞系統(tǒng)中，遠(yuǎn)離開口端的位置流速出現(xiàn)了先增后減的變化特征。模型B 與模型A 具有相似的縫洞系統(tǒng)只是裂縫尺寸更寬，基質(zhì)和縫洞氣體流速發(fā)生交叉的時(shí)間提前到了20×104，并且在初始階段，基質(zhì)和模型整體的氣體流速提升的速度較快，另外在縫洞系統(tǒng)中，無(wú)論距離開口端遠(yuǎn)近，其內(nèi)部氣體流速均呈現(xiàn)持續(xù)下降的變化特征。在模型C 中，由于縫洞系統(tǒng)內(nèi)氣體流速下降過(guò)快，使得在最初始階段模型整體的氣體流速特征和縫洞系統(tǒng)較為相似，當(dāng)基質(zhì)中氣體流速超過(guò)縫洞系統(tǒng)氣體流速時(shí)，模型整體的氣體流速特征又與基質(zhì)部分更為接近。縫洞系統(tǒng)本身顯示出距離開口端越遠(yuǎn)氣體流速降低越慢的特征。3 個(gè)模型對(duì)比，在最終穩(wěn)定時(shí)，基質(zhì)中氣體流速是縫洞系統(tǒng)中氣體流速的2、4、30 倍?；|(zhì)中的氣體流速先上升再達(dá)到穩(wěn)定，上升的速度與模型的滲透率呈正相關(guān)?？p洞系統(tǒng)中的氣體流速均呈下降趨勢(shì)，滲透率越大初始?xì)怏w流速越大，到模擬結(jié)束時(shí)氣體流速分別為模擬初始時(shí)最高值的1/9、1/70和1/500。滲透率相對(duì)較小的模型A，遠(yuǎn)離開口端的縫洞系統(tǒng)內(nèi)氣體流速初始時(shí)有一個(gè)明顯的先上升再下降的現(xiàn)象，而其余兩個(gè)模型幾乎在一瞬間達(dá)到最高流速，之后一直保持下降狀態(tài)。

圖3 等壓差條件下各簡(jiǎn)化模型不同部位的氣體流速變化圖

3 個(gè)模型的采出氣量隨氣體流速的增加而增大，在同一時(shí)間點(diǎn)，物性最好的模型C 采出氣量最高，較好的模型B 次之，模型A 采出氣量最低（圖4）。以模型A 為基數(shù)，初始階段模型C 的采出氣量是模型A 的30 倍左右，模型B 是模型A 的3 倍左右，倍數(shù)隨著時(shí)間的增加而降低，初始階段模型C 降低的速度快，在20×104左右時(shí)開始減緩并趨于平穩(wěn)，模型B 降低得較慢，在30×104時(shí)趨于平穩(wěn)并逐漸接近模型A。

圖4 簡(jiǎn)化模型A、B、C 等壓模擬氣體流速及采出氣量對(duì)比圖

3.2 增壓差模擬

增壓差模擬主要關(guān)注在同樣的縫洞系統(tǒng)，不同開采壓差即壓力梯度對(duì)于同一模型氣體開采的影響。增壓差數(shù)值模擬選定簡(jiǎn)化模型B，設(shè)定開口端壓力分別為0.90 和0.85 時(shí)分別開展數(shù)值模擬。其他模擬條件包括模型內(nèi)部給定初始?jí)毫?.0，基質(zhì)孔隙度2%，基質(zhì)滲透率0.1 mD。

當(dāng)模擬壓力梯度由0.05 分別提升至0.10 和0.15時(shí)，整個(gè)模型的壓力變化特征都很相似，模型整體的壓力變化特征與基質(zhì)更為接近，下降幅度非常小，而縫洞系統(tǒng)壓力在時(shí)間約為20×104以內(nèi)瞬間達(dá)到了壓力下降的拐點(diǎn)，分別接近壓力下限0.90 和0.85，之后下降非常緩慢（圖5）。增壓差數(shù)值模擬結(jié)果表明縫洞系統(tǒng)和基質(zhì)的壓力變化有差異顯著，縫洞系統(tǒng)的壓力釋放非?？?，但由于基質(zhì)占比高，模型整體壓力變化曲線形態(tài)更接近基質(zhì)，在最終穩(wěn)定后，不同壓力梯度模型整體壓力下降均為基質(zhì)內(nèi)壓力下降的約1.23 倍。壓力梯度越大，縫洞系統(tǒng)內(nèi)壓力下降越快，壓力趨近穩(wěn)定值的時(shí)間拐點(diǎn)隨壓力梯度的增大而延遲增大。模型B 在3 個(gè)不同壓力梯度下達(dá)到最終穩(wěn)定后，基質(zhì)內(nèi)壓差的變化比約為1∶2∶3，同時(shí)縫洞系統(tǒng)內(nèi)壓差的變化比也約為1∶2∶3。

圖5 增壓差條件下模型B 不同部位的壓力變化圖

與上述壓力變化類似，模型B 中的氣體流速在3 個(gè)模擬壓力梯度下也有相似之處（圖6）。同樣的，由于基質(zhì)占比較高，3 個(gè)壓力梯度下整個(gè)模型氣體流速變化情況與基質(zhì)中的氣體流速類似，均為快速小幅提升后轉(zhuǎn)為緩慢平穩(wěn)上升。縫洞系統(tǒng)中氣體流速在3個(gè)壓力梯度開采過(guò)程中均為下降趨勢(shì)，初始速度遠(yuǎn)高于基質(zhì)內(nèi)氣體流速，在時(shí)間點(diǎn)20×104左右與基質(zhì)內(nèi)呈上升趨勢(shì)的氣體流速發(fā)生交叉，之后縫洞系統(tǒng)內(nèi)氣體流速低于基質(zhì)中氣體流速，且下降趨勢(shì)逐漸減緩。另外，模型中氣體流速的值隨著開采壓力梯度的提升而增大?？p洞系統(tǒng)和基質(zhì)中的氣體流速也有顯著差異，同樣由于基質(zhì)占比高，模型的整體氣體流速曲線形態(tài)都更接近基質(zhì)中氣體流速曲線。最終穩(wěn)定時(shí)，在3 個(gè)開采壓力梯度下，模型B 基質(zhì)內(nèi)氣體流速分別是縫洞系統(tǒng)中氣體流速的4.48、4.35、4.22 倍?；|(zhì)中的速度先上升再達(dá)到穩(wěn)定，速度上升的重點(diǎn)與壓力梯度呈正相關(guān)?？p洞中的氣體流速均呈下降趨勢(shì)，模擬壓力梯度越大其初始速度越大，最終穩(wěn)定時(shí)的氣體流速分別為初始值的0.014 5、 0.014 9 和0.015 3 倍。模型B 在3 個(gè)遞增壓力梯度下，最終穩(wěn)定時(shí)，在3 個(gè)開采壓力梯度下，基質(zhì)中的氣體流速比值為1.00∶2.05∶3.15，縫洞系統(tǒng)中的氣體流速比為1.00∶2.11∶3.35。

圖6 增壓差條件下模型B 不同部位的氣體流速變化圖

同一模型定壓生產(chǎn)的條件下以模型B 為例（圖7），采出氣量在同一壓力梯度下隨時(shí)間的增加而增大；在增壓差即壓力梯度提升的過(guò)程中，模型氣體流速隨壓力梯度的提升而增大，同時(shí)采出氣量也隨壓力梯度的提升而增大。在開口端壓力設(shè)定分別為0.95、0.90、0.85 的條件下，采出氣量增大的倍數(shù)與壓力梯度增大的倍數(shù)幾乎相同為1∶2∶3，在增壓差過(guò)程中基質(zhì)部分對(duì)采出氣量的貢獻(xiàn)隨壓力梯度的增大而增加。

圖7 模型B 增壓差模擬流速及采出氣量對(duì)比圖

4 仿真模型數(shù)值模擬

4.1 等壓差條件下各仿真模型不同部位壓力變化

仿真模型的數(shù)值模擬條件與簡(jiǎn)化模型的等壓模擬條件基本相同：模型內(nèi)部給定初始?jí)毫?.0，開口端壓力0.95，基質(zhì)孔隙度為2%，基質(zhì)滲透率為0.1 mD。數(shù)值模擬時(shí)間的迭代區(qū)間為(0～320)×104。3 種仿真模型分別為末端單井注采模型、貫穿單井注采模型和無(wú)井自主注采模型，其中前兩者是根據(jù)地震螞蟻體追蹤解釋設(shè)計(jì)，后者根據(jù)露頭形態(tài)設(shè)計(jì)，具體形態(tài)如圖8所示，淺藍(lán)色代表由二維截面向兩側(cè)延展的寬度為1 mm 的裂縫，深藍(lán)色代表寬度為4 mm 的縫洞。對(duì)3 種仿真模型開展了數(shù)值模擬計(jì)算，數(shù)值模擬方法也是基于N—S 方程的變形Brinkman 方程進(jìn)行計(jì)算分析。模擬過(guò)程中統(tǒng)計(jì)和對(duì)比分析了模型的整體、基質(zhì)、縫洞系統(tǒng)以及縫洞系統(tǒng)內(nèi)6 個(gè)位置的壓力和氣體流速的變化情況，獲得的相關(guān)結(jié)果總結(jié)如下。

最后，完善合同條款，明確對(duì)方服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)和要求，如服務(wù)時(shí)間、開機(jī)率、服務(wù)季報(bào)及重大維修專項(xiàng)報(bào)告等；付款實(shí)行分期季付或半年付，且先服務(wù)后付款，尤其是最后一期付款前，維保服務(wù)提供方應(yīng)完成整機(jī)主要參數(shù)指標(biāo)情況比照，并由醫(yī)院對(duì)維保服務(wù)成效確認(rèn)后才可進(jìn)行支付。

圖8 等壓差條件下各仿真模型不同部位的壓力變化圖

4.1.1 末端單井注采模型

模型整體的壓力降低速度較小，模擬終點(diǎn)時(shí)降低至約0.994（圖8-a），基質(zhì)壓力下降速度略慢于整體，模擬終點(diǎn)時(shí)降低至約0.995，縫洞系統(tǒng)壓力降低速度快于基質(zhì)部分，特別是在初始50×104內(nèi)壓力下降速度快，之后下降逐漸變慢，模擬終點(diǎn)時(shí)降低至約0.958?？p洞系統(tǒng)離開口端較近的位置，點(diǎn)1、2、3，壓力下降速度快，且離開口端越近壓力下降速度越快，壓力下降的速度隨時(shí)間增加逐漸變慢，離開口端相對(duì)較遠(yuǎn)的縫洞中的點(diǎn)4、5、6 壓力下降速度非常接近，慢于離開口端較近的縫洞位置。

4.1.2 貫穿單井注采模型

模型整體的壓力降低速度慢，模擬終點(diǎn)時(shí)降低至約0.995（圖8-b），基質(zhì)部分壓力下降慢于模型整體，模擬終點(diǎn)時(shí)降低至約0.996，縫洞系統(tǒng)壓力降低速度快，特別在時(shí)間初始50×104下降速度非?？?，而后逐漸變慢，模擬終點(diǎn)時(shí)降低至約0.958?？p洞系統(tǒng)內(nèi)6 個(gè)點(diǎn)的壓力都呈快速下降的趨勢(shì)，點(diǎn)1 位于貫穿裂縫上且離開口端較近，它的壓力下降最快且程度最大，位于貫穿縫另一端的點(diǎn)2，它的壓力下降較點(diǎn)1 慢。點(diǎn)4、5、6 壓力下降的速度接近。點(diǎn)3 位于不連通的洞中，壓力到時(shí)間50×104才開始逐步下降且下降速度遠(yuǎn)慢于其他點(diǎn)，與基質(zhì)壓力下降速度相似。

4.1.3 無(wú)井自主注采模型

整個(gè)模型的壓力降低速度小，模擬終點(diǎn)時(shí)降低至約0.996（圖8-c），基質(zhì)部分壓力下降速度略慢于整體，縫洞系統(tǒng)壓力降低速度快，特別在時(shí)間初始50×104內(nèi)降低速度快，后期降低速度逐漸變慢，模擬終點(diǎn)時(shí)降低至約0.975?？p洞系統(tǒng)壓力下降程度比前兩個(gè)模型的小，主要原因是縫洞體內(nèi)存在1 個(gè)裂縫狹窄點(diǎn)（圖8），狹窄點(diǎn)導(dǎo)致其左側(cè)縫洞系統(tǒng)壓力下降滯后于右側(cè)。縫洞系統(tǒng)內(nèi)各點(diǎn)壓力都呈快速下降趨勢(shì)。狹窄點(diǎn)右側(cè)離開口端較近的點(diǎn)1、2、3 壓力下降趨勢(shì)相似，位置離開口端越近下降速度越快，都具有初始階段壓力快速下降然后下降速度變緩的特征。狹窄點(diǎn)左側(cè)離開口端較遠(yuǎn)的點(diǎn)4、5、6 具有相近的下降速度，下降速度明顯慢于狹窄點(diǎn)右側(cè)的點(diǎn)1、2、3。

4.2 等壓差條件下各仿真模型不同部位流速變化

4.2.1 末端單井注采模型

模型整體的氣體流速為上升趨勢(shì)（圖9-a），基質(zhì)部分氣體流速上升趨勢(shì)和整體相似，略快于整體，縫洞系統(tǒng)中氣體流速在最初始時(shí)刻快速提升且高于基質(zhì)中氣體流速，之后呈下降趨勢(shì)，在時(shí)間8×104左右氣體流速開始低于基質(zhì)中氣體流速?？p洞系統(tǒng)靠近開口端的點(diǎn)1 位于寬度較小的裂縫中，其初始速度最高，雖然呈下降趨勢(shì)，但一直保持為6 個(gè)點(diǎn)中的最高值。點(diǎn)4、5、6 氣體流速隨時(shí)間變化的曲線形態(tài)相似。點(diǎn)5 位于寬度較小的裂縫內(nèi)，初始階段氣體流速提升快且數(shù)值大，之后呈下降趨勢(shì)但一直保持較高值，僅低于點(diǎn)1。離開口端更近的點(diǎn)4 初始階段氣體流速較點(diǎn)6 提升快且提升的數(shù)值大。離開口端近點(diǎn)2 和3氣體流速初始值很高，從初始時(shí)間到8×104快速下降，后期氣體流速緩慢下降。

圖9 等壓差條件下各仿真模型不同部位的氣體流速變化圖

模型整體的氣體流速隨時(shí)間的增加為上升趨勢(shì)（圖9-b），基質(zhì)部分氣體流速上升趨勢(shì)和模型整體相似，基質(zhì)部分氣體流速上升速度略快于模型整體，縫洞系統(tǒng)氣體流速在最初始時(shí)快速提升到最高值且高于基質(zhì)部分，之后呈下降趨勢(shì)，在時(shí)間16×104縫洞系統(tǒng)中氣體流速開始低于基質(zhì)部分氣體流速。模型中有一貫穿裂縫，裂縫寬度較小。位于貫穿縫上且離開口端較近的點(diǎn)1 氣體流速的初始值最高，雖然隨時(shí)間增加呈下降趨勢(shì)，但一直保持較高值。同樣位于貫穿縫上的點(diǎn)2 離開口端最遠(yuǎn)，在初始階段氣體流速快速提升到最高然后緩慢下降并低于點(diǎn)1。點(diǎn)4、5、6 位于連通的洞內(nèi)，氣體流速曲線具有相似的特征，在初始時(shí)間都迅速提升到最高值然后隨時(shí)間增加而減慢。點(diǎn)3 位于不連通的洞中，初期氣體流速快速提升并伴有震蕩的情況，之后呈緩慢上升趨勢(shì)并逐漸與點(diǎn)6 氣體流速接近，在時(shí)間為280×104時(shí)逐漸超過(guò)點(diǎn)6。

4.2.3 無(wú)井自主注采模型

模型整體的氣體流速隨時(shí)間的增加而加快，但加快的趨勢(shì)比較平緩（圖9-c），基質(zhì)部分氣體流速上升趨勢(shì)和模型整體的氣體流速相似，縫洞系統(tǒng)中的氣體流速在最初始時(shí)快速提升到最高值但并沒(méi)有高于基質(zhì)氣體流速，之后呈隨時(shí)間增加而降低且趨勢(shì)越來(lái)越平緩?？p洞系統(tǒng)中的氣體流速一直低于基質(zhì)中的氣體流速。離開口端較近的點(diǎn)1 的氣體流速，在初始時(shí)間數(shù)值在統(tǒng)計(jì)的6 個(gè)點(diǎn)中最高，雖然隨時(shí)間增加呈下降趨勢(shì)，但一直保持最高。點(diǎn)3 位置的氣體流速在初始階段快速提升，然后緩慢降低，在時(shí)間到達(dá)50×104之后與點(diǎn)1 的氣體流速曲線幾乎重合。點(diǎn)1 和點(diǎn)3 都位于寬度較小的裂縫內(nèi)。開口端有兩個(gè)裂縫，點(diǎn)2 位于連接這兩個(gè)裂縫的通道中，該位置的氣體流速在初始值僅低于點(diǎn)1，隨后快速下降到110×104左右時(shí)達(dá)到最低值，之后又呈上升趨勢(shì)，但數(shù)值在6 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)中處于最低。點(diǎn)4、5、6 位于狹窄點(diǎn)的左側(cè)，氣體流速的初始值顯著的低于位于狹窄點(diǎn)右側(cè)的點(diǎn)1、2、3，氣體流速曲線具有相似趨勢(shì)，都是在初始階段快速提升，然后緩慢下降，點(diǎn)5的氣體流速最快、點(diǎn)4 次之、點(diǎn)6 最慢。

4.3 多模型增壓差模擬氣體流速及采出氣量對(duì)比

3 個(gè)仿真模型的基質(zhì)部分占比都較高，導(dǎo)致模型整體壓力下降與基質(zhì)部分壓力下降趨勢(shì)相似（圖8）。3 個(gè)模型縫洞系統(tǒng)內(nèi)壓力變化對(duì)比，貫穿單井注采模型壓力下降最快，末端單井注采型僅次之，無(wú)井自主注采型由于狹窄點(diǎn)的存在壓力下降最慢，后者較前兩者有明顯的壓力下降滯后。3 個(gè)模型的氣體流速對(duì)比，無(wú)井自主注采模型最慢，貫穿單井注采模型較快，末端單井注采模型最快（圖10）。3 個(gè)模型采出氣量對(duì)比，在初始階段3 個(gè)模型采出氣量都從0 快速增長(zhǎng)隨后增長(zhǎng)速度減緩，無(wú)井自主注采模型采出氣量最少，貫穿單井注采模型次之，而末端單井注采模型采出氣量最多。模擬結(jié)束時(shí)，末端單井注采模型的采出氣量與無(wú)井自主注采模型的比值為1.786，貫穿單井注采模型與無(wú)井自主注采模型比值為1.513。

圖10 多模型增壓差模擬氣體流速及采出氣量對(duì)比圖

5 結(jié)論

1）針對(duì)縫洞型碳酸鹽氣藏型儲(chǔ)氣庫(kù)的滲流特征，提出了利用Brinkman 模型修正的N—S 方程的方法來(lái)開展?jié)B流數(shù)值模擬。通過(guò)設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)化數(shù)字巖心模型的數(shù)值模擬，得出了滲透率越高，縫洞系統(tǒng)內(nèi)的氣體流出的速度越快、庫(kù)容動(dòng)用越早、壓力下降越快的規(guī)律，同時(shí)基質(zhì)部分向縫洞系統(tǒng)補(bǔ)給的時(shí)間越提前，采出氣量也越大，庫(kù)容動(dòng)用程度也越大。

2）同一簡(jiǎn)化模型增壓差模擬得出，物性相同的儲(chǔ)層，注采條件對(duì)縫洞型碳酸鹽氣藏型儲(chǔ)氣庫(kù)的滲流特征起著至關(guān)重要的作用，開采壓力梯度越大，縫洞系統(tǒng)中壓力下降得越快、氣體流速越快、采出氣量也越多，采出氣量與壓力梯度的關(guān)系為正相關(guān)，縫洞型碳酸鹽巖地下儲(chǔ)氣庫(kù)的庫(kù)容動(dòng)用程度也隨壓力梯度增大而增大。

3）仿真數(shù)字巖心模型的數(shù)值模擬得出，縫洞系統(tǒng)形態(tài)對(duì)縫洞型碳酸鹽巖地下儲(chǔ)氣庫(kù)的滲流特征有著顯著影響，特別是裂縫的開度，是縫洞系統(tǒng)滲流滯后的重要因素。狹窄裂縫的存在會(huì)使得儲(chǔ)層氣體流速變慢，壓力下降變慢，從而使得采出氣量變少，儲(chǔ)氣庫(kù)的庫(kù)容動(dòng)用程度變小。不連通的洞對(duì)縫洞型碳酸鹽巖地下儲(chǔ)氣庫(kù)的滲流規(guī)律及庫(kù)容動(dòng)用的影響與基質(zhì)部分較為相似。

4）縫洞系統(tǒng)的復(fù)雜程度對(duì)縫洞型碳酸鹽巖地下儲(chǔ)氣庫(kù)的滲流特征有著顯著影響，縫洞結(jié)構(gòu)和形態(tài)越簡(jiǎn)單，儲(chǔ)氣庫(kù)壓力降低速度越快，儲(chǔ)氣庫(kù)中氣體流速越快，采出氣量越多，儲(chǔ)氣庫(kù)的庫(kù)容動(dòng)用程度越大。反之，結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，儲(chǔ)氣庫(kù)的壓力降低速度越慢，儲(chǔ)氣庫(kù)中氣體流速也越慢，采出氣量也越少，儲(chǔ)氣庫(kù)的庫(kù)容動(dòng)用程度也越小。