劉昌嶺 李彥龍 劉樂(lè)樂(lè) 胡高偉 陳 強(qiáng) 吳能友 孟慶國(guó)

1. 自然資源部天然氣水合物重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·青島海洋地質(zhì)研究所

2. 青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室海洋礦產(chǎn)資源評(píng)價(jià)與探測(cè)技術(shù)功能實(shí)驗(yàn)室

0 引言

海域天然氣水合物（以下簡(jiǎn)稱水合物）試采成本昂貴，水合物開(kāi)采技術(shù)研究仍以室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)為主?，F(xiàn)有的水合物開(kāi)采技術(shù)實(shí)驗(yàn)研究通常在較小尺寸的模擬實(shí)驗(yàn)裝置中進(jìn)行，并多關(guān)注較小尺度下水合物分解產(chǎn)氣和產(chǎn)水規(guī)律[1-6]。由于反應(yīng)釜樣品尺寸小，導(dǎo)致明顯的邊界效應(yīng)，且主導(dǎo)物理效應(yīng)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況不同，實(shí)驗(yàn)結(jié)果難以在現(xiàn)場(chǎng)中得到應(yīng)用。因此，研發(fā)大尺寸的水合物綜合開(kāi)采實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是非常有必要的。目前，已有多個(gè)國(guó)家研制了一批較大尺寸的水合物開(kāi)采模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，主要包括日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所研制的大型實(shí)驗(yàn)裝置[7]、德國(guó)波茨坦亥姆霍茲中心建立的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)[8]、中國(guó)科學(xué)院廣州能源所研制的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)[9]和中國(guó)石油大學(xué)（北京）研制的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)[10]，這些實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)重點(diǎn)關(guān)注水合物藏的形成機(jī)理及其分解產(chǎn)氣規(guī)律研究。近期西南石油大學(xué)依據(jù)水合物固態(tài)流化開(kāi)采法的工藝流程，建立了大型海洋水合物固態(tài)流化開(kāi)采實(shí)驗(yàn)室[11]，并初步開(kāi)展水合物固態(tài)流化開(kāi)采仿真[12]。

現(xiàn)有的水合物開(kāi)采技術(shù)研究通常關(guān)注水合物分解產(chǎn)氣和產(chǎn)水規(guī)律、溫度、壓力和水合物飽和度關(guān)系研究等，而對(duì)水合物開(kāi)采的產(chǎn)砂預(yù)測(cè)與防治等問(wèn)題的關(guān)注較少[13-15]。為此，青島海洋地質(zhì)研究所研發(fā)了一套大型水合物鉆、采一體化模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，可模擬實(shí)際地質(zhì)條件制備海洋水合物樣品，通過(guò)電阻層析成像技術(shù)實(shí)時(shí)探測(cè)水合物成藏與分布情況，研發(fā)了鉆井實(shí)驗(yàn)?zāi)K，可模擬鉆井、降壓開(kāi)采工藝與過(guò)程，實(shí)時(shí)測(cè)量開(kāi)采過(guò)程中出砂與管道流動(dòng)等過(guò)程中多個(gè)物理參數(shù)變化，實(shí)現(xiàn)試采全過(guò)程仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)M。筆者將重點(diǎn)介紹該系統(tǒng)的研發(fā)思路和主要構(gòu)成，以及基于該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的初步實(shí)驗(yàn)結(jié)果，以期為后續(xù)開(kāi)展南海多類型水合物開(kāi)采工藝實(shí)驗(yàn)研究奠定基礎(chǔ)。

1 模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的研發(fā)

1.1 主要功能與結(jié)構(gòu)組成

水合物鉆采一體化模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)具備以下功能：①制備符合自然條件的含水合物沉積層；②實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水合物沉積層整體和局部的水合物飽和度；③模擬井筒鉆進(jìn)樣品過(guò)程中的儲(chǔ)存動(dòng)態(tài)響應(yīng)規(guī)律；④實(shí)施多級(jí)分步降壓開(kāi)采過(guò)程；⑤實(shí)現(xiàn)產(chǎn)氣、產(chǎn)水、產(chǎn)砂過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與分離處理。

該系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，主要由主體高壓裝置、鉆采一體化、氣液供給、圍壓加載、回壓控制、氣液固分離及在線監(jiān)測(cè)、溫度控制、開(kāi)采工作制度控制、數(shù)據(jù)測(cè)控與后處理等模塊組成（圖1、2）。

1.2 各子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成及主要技術(shù)參數(shù)

1.2.1 主體高壓裝置模塊

主體高壓裝置模塊是整個(gè)系統(tǒng)的核心，主要由高壓反應(yīng)釜、圍壓膠套、壓力測(cè)柱、鎧裝溫度測(cè)柱、電阻層析成像測(cè)點(diǎn)等部分組成。

其中，高壓反應(yīng)釜內(nèi)部尺寸為?750 mm×1 180 mm，容積為521 L，采用整體鍛造工藝加工。反應(yīng)釜設(shè)計(jì)壽命為30年，工作壓力30 MPa，工作溫度范圍-20～50℃。高壓反應(yīng)釜配置專用工作平臺(tái)，方便各測(cè)點(diǎn)的布置、填充物及釜蓋的裝卸等；高壓反應(yīng)釜自帶制冷系統(tǒng)，2～3 h的時(shí)間可使高壓反應(yīng)器從室溫降低至-20℃；高壓反應(yīng)器溫度控制精度為±0.1℃。

為滿足不同地層圍壓條件的模擬，反應(yīng)釜內(nèi)筒采用氯丁橡膠制成的圍壓膠套，內(nèi)部尺寸?600 mm×1 145 mm，厚度10 mm，膠套上安裝320個(gè)電阻率層析成像測(cè)點(diǎn)。膠套內(nèi)置含水合物沉積物的樣品尺寸為?600 mm×1 000 mm，容積為282.6 L。圍壓膠套組件能夠承受井筒鉆進(jìn)和開(kāi)采模擬過(guò)程中產(chǎn)生的扭剪力，保證圍壓膠桶與傳感器以及上下端蓋連接處的密封性。

壓力測(cè)柱、鎧裝溫度測(cè)柱、電阻層析成像測(cè)點(diǎn)是主體高壓裝置模塊的主要測(cè)試單元。其中壓力測(cè)柱為測(cè)管式組件，分別插入沉積物4個(gè)層面，4個(gè)層面距離相隔均為200 mm；平面布置以軸線為中心，90°對(duì)稱距離分別為280 mm和440 mm。鎧裝溫度測(cè)柱由5個(gè)PT 100A鉑電阻裝入l根316 L的?10 mm鋼管中，測(cè)量柱表面粗糙化處理，防止氣液沿壁串流，精度為0.1 K。系統(tǒng)內(nèi)置6根鎧裝溫度測(cè)柱以獲取水合物成藏—開(kāi)采過(guò)程中的溫度場(chǎng)分布。

電阻層析成像（ERT）技術(shù)可以利用不同介質(zhì)（鹽水、氣體、沉積物、水合物）的電導(dǎo)率差異，識(shí)別處于敏感場(chǎng)的電導(dǎo)率分布，并進(jìn)行三維成像，從而識(shí)別模擬儲(chǔ)層中的水合物分布規(guī)律[16-18]。該系統(tǒng)選用四點(diǎn)法電阻層析成像測(cè)量系統(tǒng)[19]，測(cè)量電極安裝布局在圍壓膠套上，電極沿樣品軸向間隔50 mm布置20層，每層電極個(gè)數(shù)為16個(gè)，共320個(gè)電極，每層電極均布在膠桶圓周上。

1.2.2 鉆采一體化模塊

鉆采一體化模塊是該套模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)最具特色的部分，在國(guó)際天然氣水合物模擬裝置上尚屬首創(chuàng)。該模塊可實(shí)現(xiàn)以下功能：①模擬鉆具在高壓狀態(tài)下鉆入水合物儲(chǔ)層的現(xiàn)場(chǎng)鉆采工藝過(guò)程；②模擬鉆井液循環(huán)過(guò)程中水合物儲(chǔ)層的物化參數(shù)響應(yīng)規(guī)律；③實(shí)現(xiàn)高壓狀態(tài)下鉆進(jìn)的同時(shí)完成井下防砂工具安裝；④模擬不同工況下儲(chǔ)層水合物分解產(chǎn)出過(guò)程中的井筒攜砂、攜液流動(dòng)規(guī)律。

圖1 天然氣水合物鉆采一體化模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成示意圖

圖2 天然氣水合物鉆采一體化模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖

為了滿足上述功能需求，鉆采一體化模塊設(shè)計(jì)了相應(yīng)的鉆機(jī)總成、循環(huán)注入泵、流量計(jì)、壓力計(jì)、溫度計(jì)、背壓調(diào)節(jié)閥、截止閥、固液分離器、泥漿罐、攪拌器及鉆井液制冷機(jī)組，工藝流程如圖3所示，鉆機(jī)動(dòng)力鉆具與主體高壓裝置模塊滿足動(dòng)密封需求。

鉆采一體化模塊的基本設(shè)計(jì)工藝參數(shù)為：鉆機(jī)旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速50～400 r/min（無(wú)極調(diào)速），動(dòng)密封最大允許鉆速6 m/min，工作壓力30 MPa；循環(huán)管路流量6 L/min，循環(huán)注入泵選用三缸柱塞泵，流量400 L/h、電機(jī)功率15 kW；泥漿攪拌速度400 r/min、攪拌功率0.5 kW；制冷速率：泥漿罐裝滿額定泥漿0.5～1.0 h溫度從室溫降至-20 ℃，與高壓反應(yīng)釜水夾套制冷機(jī)組共用。

圖3 鉆采一體化模塊循環(huán)流程圖

模擬動(dòng)力鉆具與模擬開(kāi)采井管同心安裝，鉆頭帶動(dòng)模擬動(dòng)力鉆具和模擬開(kāi)采井管鉆入模擬水合物儲(chǔ)層，鉆達(dá)預(yù)定深度后導(dǎo)通外部流程，開(kāi)采過(guò)程中鉆桿充當(dāng)內(nèi)部油管，外部模擬開(kāi)采井筒上根據(jù)實(shí)際的地層需求安裝篩網(wǎng)或礫石包裹層，以模擬開(kāi)采過(guò)程中的出砂防控情況。為了達(dá)到模擬實(shí)際試采現(xiàn)場(chǎng)的目的，井管表面噴涂絕熱絕緣涂層并作表面粗糙化處理，防止氣液沿壁串流、熱量流失，特別是防止對(duì)層析成像電阻率測(cè)試場(chǎng)的干擾等。

1.2.3 氣液供給模塊

氣液供給模塊用于實(shí)驗(yàn)過(guò)程中天然氣和孔隙水的供給回收，由氣體供給子模塊和液相供給子模塊構(gòu)成。液相供給子模塊包括液體容器、高壓注入泵、流量計(jì)及相應(yīng)的高壓管閥等，供液速率介于0～500 mL/min，計(jì)量精度為±0.5 mL/min。為了實(shí)驗(yàn)?zāi)M降壓、注熱、注化學(xué)劑等多種開(kāi)采過(guò)程，液相供給子模塊的管閥均經(jīng)過(guò)耐化學(xué)劑涂層處理，并配備相應(yīng)的蒸汽發(fā)生器。

氣體供給子模塊由儲(chǔ)氣罐組、空壓機(jī)、增壓泵、壓力調(diào)節(jié)器、氣體流量計(jì)及管閥件組成，用于水合物生成時(shí)，向反應(yīng)釜提供穩(wěn)定壓力與流量的天然氣；并滿足CO2置換開(kāi)采過(guò)程中CO2的定壓、定速率注入。

為滿足持續(xù)成藏—開(kāi)采過(guò)程的實(shí)驗(yàn)，氣液供給模塊與產(chǎn)出分離計(jì)量模塊之間設(shè)計(jì)循環(huán)回路。

1.2.4 圍壓加載模塊

圍壓加載模塊用于提供水合物成藏—開(kāi)采過(guò)程模擬中的儲(chǔ)層圍壓，模塊設(shè)計(jì)壓力高于系統(tǒng)主體高壓裝置模塊設(shè)計(jì)壓力5 MPa。系統(tǒng)設(shè)計(jì)定壓跟蹤和定壓差跟蹤2種模式，根據(jù)設(shè)定值自動(dòng)跟蹤。主要由液體容器、高壓注入泵、圍壓背壓閥及相應(yīng)的高壓管件組成。

1.2.5 開(kāi)采工作制度控制模塊

水合物開(kāi)采工作制度的2個(gè)關(guān)鍵仿真參數(shù)分別是模擬油嘴開(kāi)度和井口油壓。通過(guò)油嘴開(kāi)度和井口油壓的控制實(shí)現(xiàn)水合物降壓開(kāi)采過(guò)程中井底流壓、生產(chǎn)壓降幅度、壓降速率的模擬。為此，采用帶計(jì)量刻度的針形閥安裝在氣液分離器之后的氣路流通通道，實(shí)現(xiàn)模擬油嘴的主要功能。

井口油壓控制主要通過(guò)回壓控制閥和回壓緩沖容器等設(shè)備的聯(lián)合實(shí)現(xiàn)，壓力控制精度不大于0.1 MPa。通過(guò)合理設(shè)計(jì)，解決溫度變化的高壓實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)出口流動(dòng)狀態(tài)不穩(wěn)定的問(wèn)題，采用全自動(dòng)回壓控制閥，使降壓開(kāi)采時(shí)回壓控制可調(diào)。其基本工作原理為：計(jì)算機(jī)設(shè)置壓力值，控制傳感器反饋管道中的壓力信號(hào)，調(diào)節(jié)器和氣動(dòng)調(diào)節(jié)氣源配合使用調(diào)節(jié)管道壓力；當(dāng)管道壓力高于或低于設(shè)定壓力值時(shí)，通過(guò)傳感器反饋給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)自動(dòng)調(diào)節(jié)壓力值，使兩端壓力值達(dá)到期望水平，從而確保出口流動(dòng)狀態(tài)相對(duì)穩(wěn)定。

產(chǎn)出分離計(jì)量模塊主要用于水合物開(kāi)采過(guò)程中氣—液—固三相的分離及實(shí)時(shí)計(jì)量，主要由兩級(jí)氣液固三相分離器、背壓式減壓閥、Y形過(guò)濾器、光柵液位計(jì)、在線激光粒度儀、電子天平、緩沖氣瓶、氣體流量計(jì)、截止閥及管線等組成。

分離后的氣體通過(guò)氣體流量計(jì)持續(xù)計(jì)量，光柵液位計(jì)實(shí)時(shí)記錄水砂混合液體積、估算混合體系中的固相含量；采用一定時(shí)間間隔分離取樣的手段進(jìn)行出砂量的計(jì)量。在線激光粒度儀可以實(shí)時(shí)在線記錄產(chǎn)出地層砂粒徑隨時(shí)間的變化規(guī)律。

1.2.7 溫度控制模塊

溫度控制模塊是水合物成藏、開(kāi)采過(guò)程中儲(chǔ)層溫度模擬的必要模塊，包括高壓反應(yīng)釜冷卻水夾套、制冷機(jī)組、電加熱器、循環(huán)泵等設(shè)備以及步進(jìn)式低溫恒溫室，高壓反應(yīng)器溫度控制精度為±0.1 ℃；供液模塊溫度控制精度為±1 ℃；步進(jìn)式低溫恒溫室的尺寸為6 m×6 m×4 m（長(zhǎng)×寬×高），步進(jìn)式低溫恒溫室主要放置主體高壓裝置，室內(nèi)工作溫度介于-20 ℃～室溫，溫度控制精度為±2 ℃。

1.2.8 數(shù)據(jù)測(cè)控與后處理模塊

數(shù)據(jù)測(cè)控與后處理模塊主要由測(cè)控硬件及水合物開(kāi)采室內(nèi)測(cè)控軟件2個(gè)部分構(gòu)成。測(cè)控硬件主要包括溫度傳感器、壓力傳感器、流量控制器、電阻層析成像測(cè)量?jī)x、氣液分離計(jì)量系統(tǒng)等數(shù)據(jù)測(cè)量設(shè)備和計(jì)算機(jī)、打印機(jī)、A/D采集卡、I/O控制板、軟件等數(shù)據(jù)采集設(shè)備。高壓反應(yīng)釜溫度測(cè)量精度為±0.1℃，壓力測(cè)量精度為±0.1 MPa，出口氣體測(cè)量精度為±1.0 L/min，出口液體測(cè)量精度為±0.5 mL/min。測(cè)量參數(shù)包括出砂速率、出砂量、出砂粒徑、產(chǎn)水速率和產(chǎn)氣速率以及反應(yīng)體系的溫度與孔隙壓力。

水合物開(kāi)采室內(nèi)測(cè)控軟件（著作權(quán)登記號(hào)：2018SR625845）平臺(tái)是配套研發(fā)的，其主要功能模塊包括：①水合物開(kāi)采過(guò)程仿真控制模塊；②水合物儲(chǔ)層多物理場(chǎng)在線監(jiān)測(cè)與反演模塊；③水合物出砂模擬與預(yù)測(cè)模塊；④水合物儲(chǔ)層產(chǎn)氣、產(chǎn)水規(guī)律測(cè)量模塊；⑤水合物開(kāi)采工作制度調(diào)控模塊；⑥水合物開(kāi)采實(shí)際工況仿真模塊等。該平臺(tái)專門(mén)用于水合物開(kāi)采過(guò)程大尺寸室內(nèi)模擬仿真的測(cè)控，具備數(shù)據(jù)采集、仿真數(shù)據(jù)庫(kù)管理、數(shù)據(jù)粗處理、二維/三維數(shù)據(jù)呈現(xiàn)、開(kāi)采降壓程序控制、圍壓自動(dòng)跟蹤控制等功能。

2 初步模擬實(shí)驗(yàn)與主要認(rèn)識(shí)

CO2水合物具有與甲烷水合物相似的成藏、分解規(guī)律，且其生成條件相對(duì)溫和，成藏效率高，安全性強(qiáng)。因此，為了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的整體可靠性，筆者以CO2水合物為例，初步展示冰點(diǎn)附近CO2水合物的降壓分解規(guī)律，分析篩管預(yù)埋工況下的氣—水—砂產(chǎn)出規(guī)律及儲(chǔ)層溫度場(chǎng)、壓力場(chǎng)的演化規(guī)律。

雙乙烯酮是一種極為活潑的乙?；瘎?，也是有機(jī)化學(xué)合成中一種非常重要的中間體，目前已廣泛地應(yīng)用于醫(yī)藥、食品、農(nóng)藥等領(lǐng)域，由于其分子結(jié)構(gòu)的特殊性，已被化學(xué)合成界默認(rèn)為萬(wàn)能的碳鏈延長(zhǎng)劑。雙乙烯酮生產(chǎn)過(guò)程控制要求嚴(yán)格，嚴(yán)禁與水、無(wú)機(jī)酸、堿性物質(zhì)及含鹵素的化合物相接觸，由于其自身結(jié)構(gòu)特殊且非常不穩(wěn)定，所以生產(chǎn)過(guò)程中的雙乙烯酮多呈深黑色，并且含有多種雜質(zhì)和乙烯酮的多聚物。另外，由于雙乙烯酮生產(chǎn)以醋酸為原料，生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)副產(chǎn)醋酐等，副產(chǎn)物的性質(zhì)和雙乙烯酮極為相似，從而給中控分析帶來(lái)一定的因難。

2.1 水合物儲(chǔ)層的制備

在研發(fā)的水合物鉆采一體化模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中制備CO2水合物儲(chǔ)層。實(shí)驗(yàn)用砂為利用石英砂與北京昌平河砂按照一定比例配比而成的混合砂，其粒度分布曲線如圖4所示。實(shí)驗(yàn)用砂最小砂粒徑0.5 μm，最大砂粒徑450 μm，粒度中值為230 μm，累積填砂量約為500 kg。從整體來(lái)看，離真實(shí)模擬南海儲(chǔ)層還很遠(yuǎn)，但已經(jīng)基本接近日本Nankai Trough的儲(chǔ)層粒度特征。

采用篩管預(yù)埋方式開(kāi)展模擬仿真，根據(jù)圖4所示的模擬沉積物粒度分布曲線，選用標(biāo)稱擋砂精度為90 um的精密篩管作為井筒控砂介質(zhì)，篩管由東營(yíng)市瑞豐石油技術(shù)發(fā)展有限責(zé)任公司提供。

CO2水合物成藏過(guò)程中維持實(shí)驗(yàn)溫度保持在0～2 ℃，CO2合成過(guò)程持續(xù)30 d，通過(guò)氣體緩沖腔持續(xù)供氣并維持沉積物內(nèi)部平均壓力在2.5～3.0 MPa，滿足CO2水合物生成的基本溫壓條件，合成結(jié)束后根據(jù)耗氣量估算沉積物中的平均水合物飽和度約為40%。詳細(xì)的水合物成藏過(guò)程及其儲(chǔ)層物性演化規(guī)律將在另文中敘述。

圖4 實(shí)驗(yàn)所用的模擬地層砂粒直徑分布曲線圖

2.2 降壓開(kāi)采工作制度控制

實(shí)際開(kāi)采過(guò)程中通過(guò)電潛泵泵頻、井口油嘴聯(lián)合調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)對(duì)井底流壓和產(chǎn)氣速率的控制。本實(shí)驗(yàn)中由于不存在電潛泵，因此采用氣路回壓和氣嘴開(kāi)度相結(jié)合的手段，以達(dá)到控制模擬井筒內(nèi)部流壓和產(chǎn)氣速率的目的。水合物降壓開(kāi)采過(guò)程中，降壓速率和降壓幅度是影響儲(chǔ)層穩(wěn)定性、出砂規(guī)律的主要因素，進(jìn)而影響正常的開(kāi)采產(chǎn)氣過(guò)程。筆者首先將?8 mm氣嘴調(diào)至最小開(kāi)度（10%）以1.1 MPa/h的降壓速率將氣路回壓從2.2 MPa降低值0.2 MPa，此過(guò)程中控制儲(chǔ)層圍壓降低至2.4 MPa，一方面始終保持儲(chǔ)層承受的有效圍壓為0.9～1.0 MPa，另一方面防止有效圍壓過(guò)大擠毀膠套。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中氣路回壓、氣嘴開(kāi)度及絕對(duì)圍壓控制參數(shù)變化曲線如圖5所示。氣路回壓降低到設(shè)定值后（0.2 MPa、2 h），調(diào)節(jié)氣嘴開(kāi)度，觀察冰點(diǎn)附近CO2水合物的分解產(chǎn)出規(guī)律。開(kāi)采過(guò)程中根據(jù)沉積物內(nèi)部外圍孔隙壓力實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)絕對(duì)圍壓值，以保證沉積物有效圍壓始終為0.9～1.0 MPa。因此整個(gè)開(kāi)采過(guò)程的工作制度控制主要分為“緩慢降壓→穩(wěn)壓產(chǎn)氣”2個(gè)階段，以下主要依據(jù)這兩個(gè)階段分析冰點(diǎn)附近CO2水合物的分解產(chǎn)出規(guī)律及儲(chǔ)層溫壓演化規(guī)律。

圖5 CO2水合物圍壓控制參數(shù)變化圖

2.3 氣液產(chǎn)出規(guī)律

開(kāi)采過(guò)程中，經(jīng)過(guò)兩級(jí)三相分離系統(tǒng)，產(chǎn)出的氣體通過(guò)氣路產(chǎn)出并利用氣體質(zhì)量流量計(jì)實(shí)時(shí)記錄，產(chǎn)出的水砂混合物通過(guò)非連續(xù)人工取樣方式采集，然后進(jìn)行沉淀分離。整個(gè)開(kāi)采過(guò)程中的產(chǎn)氣、產(chǎn)水變化規(guī)律分別如圖6、7所示，產(chǎn)砂規(guī)律在此不再贅述。

圖6 冰點(diǎn)附近CO2水合物分解產(chǎn)氣規(guī)律圖

圖7 冰點(diǎn)附近CO2水合物分解產(chǎn)水及水氣比變化規(guī)律圖

由圖7可知，在緩慢降壓階段，產(chǎn)氣過(guò)程連續(xù)，并伴隨一定的產(chǎn)水量。根據(jù)CO2水合物相平衡條件判斷，該區(qū)間產(chǎn)出的氣體大部分為孔隙中未合成水合物的游離氣，大量游離氣產(chǎn)出過(guò)程中攜帶井筒積液產(chǎn)出，該階段的平均水氣比維持在70～120。

在穩(wěn)壓產(chǎn)期階段，CO2產(chǎn)氣速率表現(xiàn)出明顯的波動(dòng)，CO2水合物的分解產(chǎn)出表現(xiàn)為明顯的非連續(xù)性，大量產(chǎn)氣過(guò)程主要集中在3個(gè)典型時(shí)間區(qū)間（2～8 h、25～33 h、45～50 h），而這3個(gè)時(shí)間區(qū)間的平均產(chǎn)水速率也明顯增大。特別是在第一大量產(chǎn)氣時(shí)間區(qū)間（2～8 h）的前半程（2.0～4.5 h），水氣比急劇上升，然后維持在190～220左右直到第一產(chǎn)氣區(qū)間結(jié)束。在第二、第三典型產(chǎn)氣區(qū)間，平均水氣比相比于產(chǎn)氣低谷區(qū)間均表現(xiàn)出明顯的上升，整個(gè)降壓開(kāi)采仿真過(guò)程中的最高氣水比大250。在水合物分解低谷區(qū)，氣水比下降，最低水氣比約為120，主要是該階段產(chǎn)氣速率較低，氣體攜水產(chǎn)出量也相應(yīng)降低，但總體而言，穩(wěn)壓產(chǎn)氣階段的綜合氣水比均高于降壓階段，主要是水合物分解水對(duì)產(chǎn)水量的貢獻(xiàn)。

2.4 降壓開(kāi)采過(guò)程儲(chǔ)層參數(shù)演化

為了展示水合物開(kāi)采過(guò)程中儲(chǔ)層的整體溫度場(chǎng)、壓力場(chǎng)演化規(guī)律，從而為水合物分解陣面演化規(guī)律提供基礎(chǔ)，選取典型時(shí)刻節(jié)點(diǎn)沉積物內(nèi)部的溫度場(chǎng)、壓力場(chǎng)分布規(guī)律分別如圖8、9所示。從圖中可以看出，整個(gè)開(kāi)采過(guò)程中儲(chǔ)層壓力呈明顯的非均勻下降趨勢(shì)；起始條件下由于成藏模擬過(guò)程水合物合成不均勻、外界溫度不均勻等條件的影響，儲(chǔ)層溫度場(chǎng)表現(xiàn)出明顯的“上高下低”，隨著水合物分解過(guò)程的持續(xù)，儲(chǔ)層整體溫度降低且不同位置的溫度趨于一致，這是由于水合物開(kāi)采過(guò)程中的吸熱效應(yīng)和儲(chǔ)層傳熱作用共同作用的結(jié)果，水合物分解過(guò)程儲(chǔ)層最大的溫度降幅為5 ℃。

結(jié)合圖6、7的產(chǎn)氣、產(chǎn)水規(guī)律分析，產(chǎn)氣/產(chǎn)水速率越快，水合物分解越大，導(dǎo)致地層溫度下降越快，因此儲(chǔ)層溫度、壓力波動(dòng)最顯著的3個(gè)階段正好是氣水集中產(chǎn)出的3個(gè)區(qū)間（2～8 h、25～33 h、45～ 50 h）。

3 結(jié)論與展望

1）基于天然氣水合物降壓法開(kāi)采思路和工藝流程，采用模塊化設(shè)計(jì)研發(fā)了一套海洋天然氣水合物鉆采一體化模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，可模擬實(shí)際地質(zhì)條件制備接近海洋水合物儲(chǔ)層的樣品，通過(guò)電阻層析成像技術(shù)實(shí)時(shí)探測(cè)水合物成藏與分布情況，通過(guò)水合物鉆采實(shí)驗(yàn)技術(shù)模擬鉆井、降壓開(kāi)采工藝與過(guò)程，實(shí)時(shí)測(cè)量開(kāi)采過(guò)程中出砂與管道流動(dòng)等過(guò)程中多個(gè)物理參數(shù)變化，實(shí)現(xiàn)了試采全過(guò)程實(shí)驗(yàn)?zāi)M。

2）采用該裝置進(jìn)行了冰點(diǎn)附近CO2水合物的初步開(kāi)采模擬實(shí)驗(yàn)，基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果建立了數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)分析的基本流程，通過(guò)對(duì)開(kāi)采過(guò)程參數(shù)分析，初步獲得了CO2水合物開(kāi)采過(guò)程中儲(chǔ)層溫、壓場(chǎng)變化以及產(chǎn)氣、產(chǎn)水規(guī)律。隨著技術(shù)的進(jìn)步和該模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的不斷完善，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果將為我國(guó)南海天然氣水合物開(kāi)采提供重要依據(jù)。

圖8 典型時(shí)刻儲(chǔ)層壓力場(chǎng)分布規(guī)律圖

圖9 典型時(shí)刻儲(chǔ)層溫度場(chǎng)分布規(guī)律圖