夏志增，任曉云，王厲強(qiáng)，王學(xué)武，馬向東

（1. 中國石油大學(xué)勝利學(xué)院，山東 東營 257061；2. 中鹽金壇鹽化有限責(zé)任公司，江蘇 常州 231200；3. 中國石化勝利石油工程公司，井下作業(yè)公司培訓(xùn)中心，山東 東營 257100）

0 前 言

天然氣水合物是在低溫、高壓條件下由烴類分子與水分子作用形成的籠形晶體化合物[1]，具有分布廣、儲(chǔ)量大、能量密度高[2]的特點(diǎn)，是重要的戰(zhàn)略后備能源。根據(jù)地質(zhì)構(gòu)造和儲(chǔ)層條件，水合物藏可分為三種類型[1]，如圖1所示。

與傳統(tǒng)的煤炭、石油等化石能源不同，水合物在開采過程中會(huì)發(fā)生相變，開發(fā)利用難度更大。目前，注熱法[4]、降壓法[5]、注化學(xué)劑法[6]、氣體置換法[7]等是水合物資源開采的主要方法。其中，降壓法具有簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、有效等特點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)水合物資源商業(yè)開采最具潛力的方法[8]。降壓法是通過降低儲(chǔ)層壓力至相平衡壓力之下，破壞原始條件下水合物的穩(wěn)定狀態(tài)，使其分解為氣體和水而實(shí)現(xiàn)開發(fā)利用。對(duì)于具有下伏氣層的 I類水合物藏或具有下伏水層的II類水合物藏可通過下伏流體的抽取，實(shí)現(xiàn)水合物藏的有效降壓開采[9-10]。我國首次海域水合物試采采用的“地層流體抽取法”[11]本質(zhì)上就是降壓法。

圖1 水合物藏分類示意圖Fig. 1 Sketch of the classification of hydrate reservoirs

目前關(guān)于降壓開采模式的研究，多以定井底流壓生產(chǎn)為主[12-15]，即將井底流壓設(shè)置為一恒定值進(jìn)行模擬研究，此時(shí)儲(chǔ)層與井底之間的壓差能夠引發(fā)水合物的持續(xù)分解。在這種生產(chǎn)制度下，通過設(shè)置合理的井底流壓值（大于2.75 MPa），可以防止冰和水合物的二次形成，但在某些儲(chǔ)層條件下，開發(fā)早期容易產(chǎn)生過高的流體產(chǎn)出速率（如II類水合物藏降壓開采時(shí)早期產(chǎn)水速率過大[16]），不利于生產(chǎn)控制。定質(zhì)量流量生產(chǎn)是實(shí)現(xiàn)降壓的另一種方式[17-18]，即將井口產(chǎn)出流體的質(zhì)量流量設(shè)置為一恒定值進(jìn)行模擬研究，流體的定質(zhì)量流量產(chǎn)出能夠有效降低儲(chǔ)層壓力，引發(fā)水合物的持續(xù)分解。此種生產(chǎn)制度能夠?qū)崿F(xiàn)流體的可控產(chǎn)出，但長期生產(chǎn)容易造成井底流壓過低，致使近井地帶溫度下降過快而形成冰或二次水合物，嚴(yán)重影響流體的流動(dòng)。

為結(jié)合上述兩種降壓開采模式的優(yōu)點(diǎn)，本文提出了先定質(zhì)量流量生產(chǎn)，后轉(zhuǎn)定井底流壓生產(chǎn)的降壓開采模式。考慮到目前III類水合物藏的降壓開采研究較少，本文以III類水合物藏為例，采用數(shù)值模擬方法，探討該降壓模式下水合物藏的氣水生產(chǎn)動(dòng)態(tài)及物理場(chǎng)的變化規(guī)律，以加強(qiáng)對(duì)水合物資源開發(fā)規(guī)律的認(rèn)識(shí)。

1 數(shù)值模擬模型

1.1 基礎(chǔ)模型建立

本文使用HydrateResSim（HRS）模擬器[19]進(jìn)行模擬研究。HRS是專門用于水合物藏開采模擬的開源學(xué)術(shù)代碼，能夠很好地表征開采過程中的相變、傳熱、多相滲流等過程，在國內(nèi)外應(yīng)用廣泛[20-22]。本文在適當(dāng)修改HRS代碼的基礎(chǔ)上，開展模擬研究。

圖2為建立的降壓開采III類水合物藏的數(shù)值模擬模型，模型大小為290 m × 290 m × 82 m，劃分網(wǎng)格數(shù)共計(jì)14 297個(gè)（29 × 29 × 17）。模型由中間水合物層和頂?shù)追菨B透層組成，一口生產(chǎn)井位于模型中央。其中，水合物層的參數(shù)主要參考我國神狐海域鉆探取芯點(diǎn)SH7的水合物層數(shù)據(jù)[23-24]；頂?shù)追菨B透層厚度設(shè)為30 m[25]，以充分表征水合物藏開采過程中的熱效應(yīng)。模型參數(shù)取值如表1所示。

圖2 基礎(chǔ)模型示意圖Fig. 2 Sketch of the hydrate reservoir development model

表1 基礎(chǔ)模型參數(shù)（水合物層）Table 1 Basic parameters of the hydrate-bearing layer of the model

模擬研究時(shí)，考慮體系中可能存在的相態(tài)有水合物相、水相、氣相和冰相。其中水合物相和冰相不可流動(dòng)，水相和氣相的流動(dòng)遵循達(dá)西定律，采用的相對(duì)滲透率模型和毛管力模型分別如式（1）和式（2）所示，模型參數(shù)取值見表1。

式中，krA、krG分別為水相、氣相相對(duì)滲透率；SA、SG分別為水相、氣相飽和度；SirA和SirG分別為束縛水和束縛氣飽和度；nA、nG為模型參數(shù)。

式中，pc為氣相和水相間的毛管力，Pa；pc0和λ為模型參數(shù)。

1.2 生產(chǎn)制度

生產(chǎn)井的射孔位置在水合物層中部，射孔長度為10 m。開采模擬時(shí)，先以定質(zhì)量流量30 t/d進(jìn)行生產(chǎn)，隨著生產(chǎn)的進(jìn)行，井底流壓逐漸降低，當(dāng)井底流壓平均值降至6 MPa時(shí)，以恒定的井底流壓值6 MPa進(jìn)行生產(chǎn)，模擬生產(chǎn)時(shí)間為1年。

2 生產(chǎn)動(dòng)態(tài)規(guī)律

2.1 產(chǎn)氣動(dòng)態(tài)

生產(chǎn)過程中，產(chǎn)氣速率、分解氣速率和井底流壓的變化曲線如圖3所示?？梢钥闯?，生產(chǎn)過程可分為兩個(gè)階段：①定質(zhì)量流量生產(chǎn)階段，0 ～ 40 d；②定井底流壓生產(chǎn)階段，41 ～ 365 d。

在定質(zhì)量流量生產(chǎn)階段（階段①），由于流體的定質(zhì)量流量產(chǎn)出，對(duì)儲(chǔ)層產(chǎn)生較為強(qiáng)烈的降壓效果，引起水合物快速分解。產(chǎn)氣速率和分解氣速率較為穩(wěn)定，平均分解氣速率和平均產(chǎn)氣速率分別為1 600 m3/d和650 m3/d。

在定井底流壓生產(chǎn)階段（階段②），井底流壓保持6 MPa的水平進(jìn)行生產(chǎn)，儲(chǔ)層流體在壓差作用下流入井底，造成儲(chǔ)層壓力繼續(xù)下降，低壓范圍不斷擴(kuò)大，水合物持續(xù)分解。分解氣速率隨生產(chǎn)時(shí)間逐漸增加，前期呈緩慢增長趨勢(shì)，后期由于水合物分解量增加而上升明顯（與階段②開始時(shí)刻相比，增幅近200%），整個(gè)階段的平均分解氣速率為1 750 m3/d；產(chǎn)氣速率在生產(chǎn)后期有一定程度的上升，此階段的產(chǎn)氣速率較階段①低，平均值為200 m3/d。

截至模擬結(jié)束，累產(chǎn)氣量1.06 × 105m3，累分解氣量 7.42 × 105m3。

圖3 產(chǎn)氣速率、分解氣速率及井底流壓的變化Fig. 3 Variation of the gas production rate, the gas dissociation rate and the bottom-hole pressure

2.2 產(chǎn)水動(dòng)態(tài)

圖4為產(chǎn)水速率和氣水比的變化曲線?？梢钥闯?，產(chǎn)水速率與產(chǎn)氣速率類似，也分為兩個(gè)階段，各階段的產(chǎn)水速率整體穩(wěn)定，在階段②后期，由于水合物分解量增加，產(chǎn)水速率有所上升。氣水比在階段②的平均值約為階段①的2倍，變化規(guī)律與產(chǎn)氣速率曲線（圖 3）基本一致，這主要是由于不論在階段①還是在階段②，產(chǎn)水速率變化不大，因此氣水比的變化主要受產(chǎn)氣速率的控制。其中，氣水比為產(chǎn)氣速率與產(chǎn)水速率之比，能夠反映氣水生產(chǎn)速率的相對(duì)大小。

圖4 產(chǎn)水速率及氣水比變化Fig. 4 Variation of the water production rate and gas-water ratio

3 物理場(chǎng)變化

由于模型為均質(zhì)模型且僅有一口生產(chǎn)井位于模型中央，因此二維剖面圖可以反映模型物理場(chǎng)在三維空間的變化。過生產(chǎn)井井筒軸線，作與模型側(cè)面平行的垂直剖面圖，選取模擬開始時(shí)刻1 d、定質(zhì)量流量生產(chǎn)階段結(jié)束時(shí)刻40 d、生產(chǎn)中期0.5 a、結(jié)束時(shí)刻1a，4個(gè)時(shí)間點(diǎn)，分析生產(chǎn)過程中儲(chǔ)層壓力場(chǎng)、溫度場(chǎng)和水合物飽和度場(chǎng)的變化。

3.1 壓力場(chǎng)

儲(chǔ)層壓力場(chǎng)的變化如圖5。隨生產(chǎn)時(shí)間的增加，以井筒為中心，儲(chǔ)層壓降范圍不斷擴(kuò)大。由于儲(chǔ)層流體持續(xù)產(chǎn)出，40 d時(shí)，井所在網(wǎng)格的壓力逐漸降低至平均壓力小于6 MPa；之后，井底壓力保持恒定，在儲(chǔ)層壓力與井底壓差的作用下，流體持續(xù)流入井底，低壓范圍不斷擴(kuò)大。此外，由于氣水的重力分異，導(dǎo)致水合物層上部壓力的擴(kuò)展速度比水合物層下部快。至模擬結(jié)束，水合物層平均壓力降至13 MPa。

圖5 壓力場(chǎng)變化（沿井筒的垂直剖面）Fig. 5 Variation of pressure field (the vertical profile from the wellbore)

3.2 溫度場(chǎng)

儲(chǔ)層溫度場(chǎng)與壓力場(chǎng)的變化規(guī)律類似，如圖6所示，低溫范圍以井筒為中心不斷擴(kuò)大。水合物的分解和形成伴隨著溫度的變化，而分解是一個(gè)吸熱過程。水合物由于儲(chǔ)層壓力的降低發(fā)生分解，分解區(qū)域內(nèi)的溫度不斷降低，井筒附近的溫度降低程度最大。

圖6 溫度場(chǎng)變化（沿井筒的垂直剖面）Fig. 6 Variation of temperature field (the vertical profile from the wellbore)

3.3 水合物飽和度場(chǎng)

水合物飽和度場(chǎng)的變化如圖7所示。水合物的分解受儲(chǔ)層壓力下降的控制，隨時(shí)間增加，水合物不斷分解，井筒附近水合物飽和度逐漸下降；生產(chǎn)后期，在低壓環(huán)境影響下，水合物層底部出現(xiàn)了低水合物飽和度帶。模擬結(jié)束時(shí)，井筒所在網(wǎng)格區(qū)域的水合物已分解完全，距離井筒越遠(yuǎn)，水合物分解程度越低。的定質(zhì)量流量生產(chǎn)和定井底流壓生產(chǎn)之間，能夠在一定程度上避免定質(zhì)量流量壓力保持水平偏低及產(chǎn)水量過高和定井底流壓生產(chǎn)時(shí)產(chǎn)量過低的問題，具有較高的產(chǎn)量，能夠較好地保持地層能量。

圖7 水合物飽和度場(chǎng)變化（沿井筒的垂直剖面）Fig. 7 Variation of the gas hydrate saturation field (the vertical profile from the wellbore)

4 開發(fā)效果對(duì)比

為探討本文提出的定質(zhì)量流量轉(zhuǎn)定井底流壓生產(chǎn)的效果，在前文模型（基礎(chǔ)模型）基礎(chǔ)上，分別建立了兩種模擬模型：對(duì)比模型1、對(duì)比模型2。在對(duì)比模型1中，只以定質(zhì)量流量30 t/d的生產(chǎn)制度進(jìn)行模擬開采；在對(duì)比模型2中，只以定井底流壓6 MPa的生產(chǎn)制度進(jìn)行模擬開采。兩種對(duì)比模型除生產(chǎn)制度不同，其余參數(shù)條件均與基礎(chǔ)模型相同。圖8和圖9為模擬結(jié)束時(shí)三種模型的各項(xiàng)指標(biāo)情況。其中，累氣水比為累產(chǎn)氣量與累產(chǎn)水量的比值，能夠反映生產(chǎn)期間累計(jì)產(chǎn)氣量和累計(jì)產(chǎn)水量的相對(duì)大小。

可以看出，截至模擬結(jié)束，對(duì)比模型 1（定質(zhì)量流量生產(chǎn)）具有最大的累產(chǎn)氣、累分解氣量，同時(shí)累產(chǎn)水量也最高；對(duì)比模型2（定井底流壓生產(chǎn)）具有最高的壓力保持水平，表明地層能量得到了有效保持；而基礎(chǔ)模型有最大的累氣水比，其他各項(xiàng)指標(biāo)均介于兩種模型之間。這表明，在定質(zhì)量流量轉(zhuǎn)定井底流壓生產(chǎn)模式下，總體開發(fā)效果介于單純

圖8 模擬結(jié)束時(shí)的累產(chǎn)氣、累分解氣和累產(chǎn)水Fig. 8 Cumulative produced gas, cumulative dissociated gas and cumulative produced water at the end of the production

圖9 模擬結(jié)束時(shí)的水合物層平均壓力和累氣水比Fig. 9 Average pressure of the gas hydrate layer and the gaswater ratio

5 結(jié) 論

（1）采用數(shù)值模擬法研究了定質(zhì)量流量轉(zhuǎn)定井底流壓開采水合物藏的氣水生產(chǎn)動(dòng)態(tài)，并對(duì)壓力場(chǎng)、溫度場(chǎng)和水合物飽和度場(chǎng)的變化規(guī)律進(jìn)行了研究。

（2）在本文研究條件下，生產(chǎn)過程可分為定質(zhì)量流量生產(chǎn)和定井底流壓生產(chǎn)兩個(gè)階段。定質(zhì)量流量生產(chǎn)階段的產(chǎn)氣速率要高于定井底流壓生產(chǎn)階段，前者約為后者的3倍；定質(zhì)量流量生產(chǎn)階段的分解氣速率與定井底流壓生產(chǎn)階段相當(dāng)，但在定井底流壓生產(chǎn)階段后期分解氣速率上升明顯，較階段開始時(shí)刻增加近200%；兩個(gè)階段的產(chǎn)水速率較穩(wěn)定。

（3）儲(chǔ)層壓力場(chǎng)、溫度場(chǎng)和水合物飽和度場(chǎng)的變化有相似的規(guī)律，隨生產(chǎn)時(shí)間增加，低壓、低溫和低水合物飽和度范圍均以井筒為中心不斷擴(kuò)大。

（4）定質(zhì)量流量轉(zhuǎn)定井底流壓開采水合物藏時(shí)，累氣水比最高，能一定程度上克服單一定質(zhì)量流量生產(chǎn)和定井底流壓生產(chǎn)的問題，產(chǎn)量較高且能較好地保持地層能量。實(shí)際生產(chǎn)中，應(yīng)結(jié)合實(shí)際儲(chǔ)層條件，優(yōu)化生產(chǎn)參數(shù)以達(dá)到該生產(chǎn)模式下的最佳效果。

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