吳能友 李彥龍 萬義釗 孫建業(yè) 黃 麗 毛佩筱

1.自然資源部天然氣水合物重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局青島海洋地質(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

1810年，英國(guó)學(xué)者Davy首次在實(shí)驗(yàn)室命名了氣體水合物，截至21世紀(jì)初，先后發(fā)現(xiàn)了40多種氣體分子（分子直徑介于0.4～0.9 nm）能夠形成氣體水合物[1-2]。1934年，Hammerschmidt等[3]在天然氣輸送管道中發(fā)現(xiàn)了甲烷水合物堵塞，由此拉開了天然氣水合物研究的序幕[4]。特別是Makogon等1965年報(bào)道了天然氣水合物在永久凍土帶和深海環(huán)境中大量存在以后，掀起了全球天然氣水合物研究的熱潮。國(guó)際天然氣水合物研究隊(duì)伍從化工界擴(kuò)展到地質(zhì)界，研究目標(biāo)由原來的工業(yè)災(zāi)害防治轉(zhuǎn)變?yōu)榉浅Ｒ?guī)能源找礦甚至直指商業(yè)開采應(yīng)用。盡管關(guān)于天然氣水合物在環(huán)境氣候[5-9]、海底災(zāi)害方面[10-12]的討論和爭(zhēng)議從未間斷，但在全球能源轉(zhuǎn)型的大背景下，天然氣水合物作為一種非常規(guī)戰(zhàn)略能源已成為國(guó)際共識(shí)。

縱觀世界各國(guó)及相關(guān)組織的天然氣水合物勘探開發(fā)計(jì)劃發(fā)展歷程，大致可以將其歸納為3個(gè)階段。第一階段（1965年—20世紀(jì)80年代）的主要目標(biāo)是證實(shí)天然氣水合物在自然界中的存在，美國(guó)布萊克海臺(tái)、加拿大麥肯齊三角洲的天然氣水合物就是在這一時(shí)期被發(fā)現(xiàn)的。第一階段的研究認(rèn)為，全球天然氣水合物蘊(yùn)含的甲烷總量在1×1017～1×1018m3（標(biāo)準(zhǔn)狀況下，即溫度為0 ℃、壓強(qiáng)為101.325 kPa）量級(jí)[13]。這一驚人的數(shù)據(jù)，好似給全球天然氣水合物能源調(diào)查研究注入了一針“強(qiáng)心劑”。隨后開展了以圈定分布范圍、評(píng)估資源潛力、確定有利區(qū)和預(yù)測(cè)資源遠(yuǎn)景為主要目的[14]的水合物調(diào)查高潮（即第二階段，20世紀(jì)80年代—2002年）。隨著該階段調(diào)查程度的深入和資源量評(píng)估技術(shù)的進(jìn)步，全球天然氣水合物所含的天然氣資源量預(yù)測(cè)結(jié)果被降低至1×1014～ 1×1015m3量級(jí)[15-16]。2002 年，由加拿大主導(dǎo)的在Mallik 5L-38井進(jìn)行儲(chǔ)層降壓和加熱分解測(cè)試，證明天然氣水合物儲(chǔ)層具有一定的可流動(dòng)性，單純依靠熱激發(fā)很難實(shí)現(xiàn)天然氣水合物的高效生產(chǎn)[17]。由此，天然氣水合物高效開采方法的研究便成了熱點(diǎn)，國(guó)際天然氣水合物研發(fā)態(tài)勢(shì)從勘查階段轉(zhuǎn)入勘查試采一體化階段（即第三階段，2002年至今）。目前，中國(guó)、美國(guó)、日本、印度和韓國(guó)是天然氣水合物勘查與試采領(lǐng)域最為活躍的國(guó)家[18]。

天然氣水合物處于化石能源金字塔的中下部，儲(chǔ)量巨大，但其資源品位差、聚集程度弱，現(xiàn)有技術(shù)條件下的資源經(jīng)濟(jì)可采性差[19-20]。近年來，國(guó)內(nèi)外在天然氣水合物開采方法與技術(shù)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)?zāi)M、數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)試采等方面都取得了重要的進(jìn)展?；趯?duì)天然氣水合物儲(chǔ)層孔滲特征、技術(shù)可采難度的認(rèn)識(shí)，國(guó)際主流觀點(diǎn)普遍認(rèn)為賦存在砂層沉積物中的天然氣水合物應(yīng)該是試采的優(yōu)選目標(biāo)[19]。因此，日本2013年、2017年先后兩度海域天然氣水合物試采也都將試采站位鎖定在海底砂質(zhì)沉積物中[21-22]。前期印度、韓國(guó)的天然氣水合物鉆探航次也將尋找砂層型天然氣水合物作為重點(diǎn)目標(biāo)，從而為后續(xù)的試采提供可選站位。我國(guó)在早期天然氣水合物鉆探航次和室內(nèi)研究中，也大多瞄準(zhǔn)賦存于砂層沉積物中的天然氣水合物。

然而，全球天然氣水合物總量的90%以上都賦存于海底黏土質(zhì)粉砂或淤泥質(zhì)沉積物中[16,23]。2017年，我國(guó)在南海北部陸坡開展的泥質(zhì)粉砂型天然氣水合物試采獲得成功，證明賦存于海底黏土質(zhì)粉砂中的沉積物也具備技術(shù)可采性[24]，從而扭轉(zhuǎn)了國(guó)際天然氣水合物研究界的常規(guī)認(rèn)識(shí)。這是我國(guó)天然氣水合物能源研究從跟跑到領(lǐng)跑的重要標(biāo)志。然而，無論是我國(guó)首次海域天然氣水合物試采，還是國(guó)外歷次天然氣水合物試采，均處于科學(xué)實(shí)驗(yàn)階段，離產(chǎn)業(yè)化開采還有很多關(guān)鍵技術(shù)問題需要解決。2020年我國(guó)采用水平井成功實(shí)現(xiàn)了第二輪天然氣水合物試采，今年2月17日—3月18日期間累計(jì)產(chǎn)氣 86.14×104m3[25]。這一方面進(jìn)一步證實(shí)了泥質(zhì)粉砂天然氣水合物的開采可行性，另一方面也充分說明了水平井等新技術(shù)的應(yīng)用對(duì)于提高天然氣水合物的產(chǎn)能至關(guān)重要。

在國(guó)家戰(zhàn)略的刺激和引導(dǎo)下，近年來國(guó)內(nèi)天然氣水合物研究隊(duì)伍規(guī)模不斷擴(kuò)大，不同的團(tuán)隊(duì)針對(duì)天然氣水合物“提產(chǎn)降本”做了大量的實(shí)驗(yàn)?zāi)M和數(shù)值模擬。研究隊(duì)伍的快速擴(kuò)充極大地促進(jìn)了天然氣水合物開發(fā)技術(shù)的發(fā)展，但同時(shí)也面臨著研究片段化、缺乏學(xué)科統(tǒng)領(lǐng)等瓶頸。從學(xué)科體系的角度對(duì)不同的研究成果進(jìn)行整合，是促進(jìn)天然氣水合物開發(fā)技術(shù)發(fā)展的必然需求。為此，本文從提高天然氣水合物產(chǎn)能的角度，重點(diǎn)探討天然氣水合物增產(chǎn)學(xué)科建設(shè)的發(fā)展方向，進(jìn)而提出對(duì)天然氣水合物增產(chǎn)技術(shù)、增產(chǎn)理論、主要實(shí)現(xiàn)途徑等的思考與建議，以期為天然氣水合物開發(fā)技術(shù)研究的進(jìn)步提供參考。

1 天然氣水合物開發(fā)面臨的產(chǎn)能困局

實(shí)現(xiàn)天然氣水合物試采的基本原理是：通過一定的物理化學(xué)手段促使原地狀態(tài)的天然氣水合物分解為氣—水兩相，然后應(yīng)用類似于油氣開采的手段將天然氣產(chǎn)出到地面。目前國(guó)際上普遍認(rèn)可的天然氣水合物開采方法主要有降壓法、注熱法、二氧化碳置換法及上述單一方法的聯(lián)合應(yīng)用[26-27]。除了現(xiàn)場(chǎng)試采以外，國(guó)內(nèi)外學(xué)者還基于室內(nèi)數(shù)值模擬、實(shí)驗(yàn)?zāi)M開展了大量的針對(duì)天然氣水合物開采方法評(píng)價(jià)方面的研究工作，由此暴露出現(xiàn)有的開采技術(shù)中所存在的一些問題。比如，降壓法在開采海域天然氣水合物過程中面臨著地層失穩(wěn)[28]、大面積出砂[29-32]等潛在工程地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)，也有可能造成地層物質(zhì)、能量的雙重虧空；二氧化碳置換法雖然能在一定程度上解決天然氣水合物產(chǎn)出所造成的物質(zhì)虧空[33-34]，但生產(chǎn)效率低則是該方法的最大缺陷，同時(shí)還存在著產(chǎn)出氣體分離難題的困擾；向儲(chǔ)層中注熱水的方法雖然能夠補(bǔ)充地層能量并在很大程度上緩解工程地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生，但是受能量傳遞及熱效率的影響，注熱法在深遠(yuǎn)海天然氣水合物開采中作為主要方法的前景不容樂觀[35]，當(dāng)然其作為一種輔助增產(chǎn)提效措施的作用仍然不可忽視，后文將詳細(xì)表述。

在眾多天然氣水合物勘探開發(fā)國(guó)家計(jì)劃的支持下，迄今已在加拿大北部麥肯齊三角洲外緣的Mallik（2002年、2007—2008年）[36-37]、阿拉斯加北部陸坡的Ig?nik Sikumi（2012年）[38]、中國(guó)祁連山木里盆地（2011年、2016年）[39]3個(gè)陸地凍土區(qū)，以及日本東南沿海的Nankai海槽（2013年、2017年）[21-22]、中國(guó)南海神狐海域（2017年、2020年）[24-25]兩個(gè)海域成功實(shí)施了9次試采。特別是2013年由日本主導(dǎo)實(shí)施的全球首次海域天然氣水合物試采，盡管因?yàn)槌錾昂吞鞖獾脑虮黄冉K止[21]，但仍然極大地鼓舞了國(guó)際天然氣水合物研究者。2017年，日本在同一地點(diǎn)進(jìn)行了第二次天然氣水合物生產(chǎn)測(cè)試，目的是評(píng)估其2013年試采中遇到的防砂完井問題，并嘗試驗(yàn)證長(zhǎng)期高產(chǎn)試采的可行性[22]。同期，中國(guó)在南海神狐海域完成了海域天然氣水合物生產(chǎn)測(cè)試，首次在泥質(zhì)粉砂型儲(chǔ)層中取得了天然氣水合物試采成功[24]。

我國(guó)目前已將天然氣水合物產(chǎn)業(yè)化開采作為階段科研攻關(guān)目標(biāo)。天然氣水合物能否滿足產(chǎn)業(yè)化標(biāo)準(zhǔn)，一方面取決于天然氣價(jià)格，另一方面則取決于產(chǎn)能。本文僅從技術(shù)層面來考慮提高天然氣水合物產(chǎn)能的技術(shù)方案，采用固定產(chǎn)能作為天然氣水合物產(chǎn)業(yè)化的門檻產(chǎn)能標(biāo)準(zhǔn)。天然氣水合物產(chǎn)業(yè)化開采產(chǎn)能門檻值應(yīng)該不是一個(gè)固定不變的數(shù)值，隨著低成本開發(fā)技術(shù)的發(fā)展，該數(shù)值將有可能降低[40]。國(guó)內(nèi)外研究文獻(xiàn)普遍采用的凍土區(qū)天然氣水合物產(chǎn)業(yè)化開采的產(chǎn)能門檻值是3.0×105m3/d[41-44]；對(duì)于海域天然氣水合物儲(chǔ)層而言，部分學(xué)者則以5.0×106m3/d為標(biāo)準(zhǔn)[45-46]——需要說明的是，雖然文獻(xiàn)顯示該門檻值的出處為本文參考文獻(xiàn)[4]，但源文獻(xiàn)的日產(chǎn)氣量的門檻值應(yīng)為5.0×105m3，而非5.0×106m3。因此，上述產(chǎn)業(yè)化門檻產(chǎn)能標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性仍有待于進(jìn)一步考證，但在沒有考慮天然氣價(jià)格、目前沒有確切行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的情況下，采用上述產(chǎn)能數(shù)據(jù)來衡量目前試采所處的技術(shù)水平，刪繁就簡(jiǎn)、直觀可行，也有其優(yōu)勢(shì)所在。

圖1對(duì)比了當(dāng)前已有的天然氣水合物試采日均產(chǎn)能結(jié)果與商業(yè)開采門檻產(chǎn)能之間的關(guān)系。由圖1可知，當(dāng)前陸域天然氣水合物試采最高日均產(chǎn)能約為產(chǎn)業(yè)化開采日均產(chǎn)能門檻值的1/138，海域天然氣水合物試采最高日均產(chǎn)能約為產(chǎn)業(yè)化開采日均產(chǎn)能門檻的1/17。目前天然氣水合物開采產(chǎn)能距離產(chǎn)業(yè)化開采產(chǎn)能門檻仍然有2～3個(gè)數(shù)量級(jí)的差距，海洋天然氣水合物試采日均產(chǎn)能普遍高于陸地永久凍土帶試采日均產(chǎn)能1～2個(gè)數(shù)量級(jí)。

圖1 已有的天然氣水合物試采日均產(chǎn)能與產(chǎn)業(yè)化門檻產(chǎn)能之間的關(guān)系圖

2 天然氣水合物開采增產(chǎn)方法

綜合現(xiàn)場(chǎng)試采、數(shù)值模擬、實(shí)驗(yàn)?zāi)M的研究結(jié)果，目前普遍認(rèn)為，降壓法及基于降壓法的改良方案可能是實(shí)現(xiàn)海域天然氣水合物產(chǎn)業(yè)化試采的最佳途徑[48]，而其他方法則主要作為降壓法的輔助增產(chǎn)措施或產(chǎn)氣穩(wěn)定措施使用[49-50]。已有的天然氣水合物試采主要以垂直井為主，因此下文討論的增產(chǎn)技術(shù)方案和基本原理都是以垂直井降壓法為參考基準(zhǔn)而展開的。另外，天然氣水合物開采方法及增產(chǎn)技術(shù)在不同類型的天然氣水合物儲(chǔ)層中的適應(yīng)性也不盡相同。因此首先要對(duì)儲(chǔ)層類型進(jìn)行準(zhǔn)確地劃分，方能使天然氣水合物增產(chǎn)方法研究有的放矢。

從天然氣水合物開采模擬的角度，為方便數(shù)值建模分析，Moridis等[51]將天然氣水合物藏分為4種基本類型：①由上層天然氣水合物子層與下部游離氣子層共同構(gòu)成的Ⅰ類天然氣水合物藏；②由上部天然氣水合物子層與下部游離水層構(gòu)成的Ⅱ類天然氣水合物藏；③不存在下伏氣/水子層的單一天然氣水合物儲(chǔ)層（Ⅲ類儲(chǔ)層）；④彌散分布于海洋沉積物中的低飽和度天然氣水合物儲(chǔ)層（Ⅳ類儲(chǔ)層）。以下在探討具體的天然氣水合物增產(chǎn)方法時(shí)，所指的儲(chǔ)層類型便以此為參考。

2.1 復(fù)雜結(jié)構(gòu)井增產(chǎn)

近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者基于室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬，開展了大量的天然氣水合物開采模擬研究，其中大部分研究都集中在垂直井和水平井。由于垂直井技術(shù)門檻和作業(yè)成本均較低，因此很可能是當(dāng)前及未來相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間進(jìn)行天然氣水合物試采的主力井身結(jié)構(gòu)。在垂直井開采條件下，選擇恰當(dāng)?shù)慕祲悍桨竅52]、井身結(jié)構(gòu)[53]或井眼擴(kuò)孔[54]都能在一定程度上輔助產(chǎn)能的提升，但不足以有量級(jí)的突破。因此，從短期現(xiàn)場(chǎng)試采和長(zhǎng)期數(shù)值模擬的結(jié)果來看，單一垂直井降壓法很難滿足天然氣水合物產(chǎn)業(yè)化開采的需求[47]。以定向井（尤其是水平井）和多分支井為代表的復(fù)雜結(jié)構(gòu)井在未來天然氣水合物產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程中將具有不可替代的作用。

目前水平井開采天然氣水合物的適應(yīng)性評(píng)價(jià)主要限于室內(nèi)模擬。2020年我國(guó)在南海開展的第二次天然氣水合物試采，是目前國(guó)際上唯一采用水平井成功實(shí)現(xiàn)海域天然氣水合物試采的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用案例[25]。水平井應(yīng)用于天然氣水合物開采模擬的最早文獻(xiàn)見于Moridis等[55]，該文作者對(duì)比了水平井和垂直井在不同類型儲(chǔ)層中的產(chǎn)能情況，認(rèn)為在Ⅰ類儲(chǔ)層中，無論是水平井還是垂直井，天然氣水合物分解陣面都會(huì)沿水合物層—游離氣層界面向前推進(jìn)?；诖?，該文作者認(rèn)為水平井在Ⅰ類儲(chǔ)層中促進(jìn)天然氣水合物分解的效果有限，而在Ⅱ類和Ⅲ類儲(chǔ)層則增產(chǎn)效果顯著，但增產(chǎn)見效期與水平井布設(shè)位置緊密相關(guān)。此后，大量實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬都顯示出水平井的增產(chǎn)優(yōu)勢(shì)。如Chong等[56-57]基于小尺度實(shí)驗(yàn)證明，水平井有助于提高連續(xù)產(chǎn)氣周期和氣體采收率（5.5%～10.0%）；Feng等[42]基于日本Nankai海槽AT1試采站位對(duì)比垂直井和水平井的開采產(chǎn)能，發(fā)現(xiàn)水平井能夠?qū)⑸百|(zhì)儲(chǔ)層中的天然氣水合物產(chǎn)能提高一個(gè)量級(jí)（10倍）。

水平井能夠大幅度提高天然氣水合物的產(chǎn)能，主要?dú)w因于其廣域面效應(yīng)，即：水平井增大了井筒與天然氣水合物儲(chǔ)層的接觸面積，擴(kuò)大了天然氣水合物分解陣面，使得同一時(shí)刻參與分解的天然氣水合物量成倍的增加。進(jìn)一步的研究表明，在水平井和垂直井與儲(chǔ)層接觸面相近的條件下，水平井開采后期儲(chǔ)層溫度回升速率大于垂直井開采條件[58-59]。這意味著水平井能夠顯著提升天然氣水合物儲(chǔ)層的傳熱效率，在一定程度上加快其分解速率[60]。盡管水平井較垂直井更有利于天然氣水合物開采，但單純依靠降壓法結(jié)合水平井的方式仍然不足以滿足產(chǎn)業(yè)化開采的需求。據(jù)Feng等[42]的模擬結(jié)果，在水平井穿越儲(chǔ)層長(zhǎng)度628 m，垂直井穿越儲(chǔ)層長(zhǎng)度 12 m的條件下，水平井360天的日均產(chǎn)能比垂直井提高了一個(gè)量級(jí)（10倍），但實(shí)際上其水平井與垂直井穿越儲(chǔ)層長(zhǎng)度比卻接近于30倍?？梢娝骄┰絻?chǔ)層長(zhǎng)度越長(zhǎng)，天然氣水合物產(chǎn)能一定越大，但其增產(chǎn)倍數(shù)與穿越長(zhǎng)度倍數(shù)則不成比例。因此，利用水平井進(jìn)行開采時(shí)，需考慮井型變化及產(chǎn)量變化的復(fù)雜性，必然存在著一個(gè)最優(yōu)水平井長(zhǎng)度，以達(dá)到米增產(chǎn)倍數(shù)的最大值。

盡管針對(duì)不同的地質(zhì)條件、采用不同模擬手段獲得的水平井增產(chǎn)效果模擬結(jié)果差異較大，并且針對(duì)具體儲(chǔ)層的水平井參數(shù)優(yōu)化需要考慮的因素也還沒有定論，但可以肯定的是：水平井一定能夠在一定程度上擴(kuò)大天然氣水合物分解的面積，水平段長(zhǎng)度越長(zhǎng)，分解陣面越大。但是受成本、技術(shù)難度的限制，超長(zhǎng)井段水平井在天然氣水合物儲(chǔ)層中的應(yīng)用仍然受限[61]。如何在短期內(nèi)快速見效并緩解工程地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)，是天然氣水合物復(fù)雜結(jié)構(gòu)井應(yīng)用的關(guān)鍵。為此，中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局青島海洋地質(zhì)研究所（以下簡(jiǎn)稱青島海洋地質(zhì)所）提出了大尺寸主井眼多分支孔有限控砂天然氣水合物開采技術(shù)（專利號(hào)：ZL201611024784.7；JP2018-528718）。其基本思路是：首先穿透天然氣水合物儲(chǔ)層形成一口大直徑主井眼垂直井或水平井；然后通過在主井眼周圍形成若干與主井眼呈一定夾角、定向分布的分支孔，分支孔內(nèi)按照“防粗疏細(xì)”的基本原則填充礫石形成高滲充填通道[29]，以達(dá)到提高泥質(zhì)粉砂天然氣水合物儲(chǔ)層產(chǎn)氣能力、降低工程地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)的雙重目的。大尺寸主井眼與多分支孔配合關(guān)系模式示意圖如圖2所示。為了驗(yàn)證大尺寸主井眼多分支孔這一“單井叢式井”的增產(chǎn)效果，以“垂直主井眼∠兩分支孔”井型為例，基于我國(guó)南海神狐海域W19站位的地質(zhì)參數(shù)開展的初步模擬結(jié)果顯示，主井眼配套2口深度約為60 m的傾斜孔，能夠在緩解儲(chǔ)層出水的同時(shí)使天然氣產(chǎn)能翻倍[62]。

圖2 大尺寸主井眼與多分支孔配合關(guān)系模式示意圖[62]

可以預(yù)見，在儲(chǔ)層控制邊界足夠大的情況下，多分支孔開采技術(shù)能夠在開采初期快速見效；但對(duì)于長(zhǎng)期開采而言，當(dāng)天然氣水合物分解范圍超過分支孔控制邊界后，多分支孔的增產(chǎn)效果將大打折扣。因此，“主井眼多分支孔”向多分支井開采的轉(zhuǎn)化將會(huì)是必然選擇。特別是對(duì)于縱向非均質(zhì)性明顯的儲(chǔ)層，多分支井在開采中后期具有明顯的增產(chǎn)優(yōu)勢(shì)[63]。

從工程施工難度的角度來看，復(fù)雜結(jié)構(gòu)井在天然氣水合物儲(chǔ)層中施工對(duì)現(xiàn)有的建井工藝也提出了苛刻的要求：天然氣水合物儲(chǔ)層埋深淺，要求復(fù)雜結(jié)構(gòu)井造斜率大；儲(chǔ)層疏松未成巖，造斜困難，井眼軌跡控制難度大，井壁穩(wěn)定性差、易漏、易塌；儲(chǔ)層鉆井液密度窗口窄，長(zhǎng)井段復(fù)雜結(jié)構(gòu)井鉆井風(fēng)險(xiǎn)增大。因此，復(fù)雜結(jié)構(gòu)井的選擇需要從擴(kuò)大分解陣面、改善地層滲流條件、降低施工難度和成本等方面加以綜合考慮。

2.2 井網(wǎng)協(xié)同效應(yīng)增產(chǎn)

Yu等[46]對(duì)比了日本Nankai海槽儲(chǔ)層在單一直井和雙直井降壓開采條件下的天然氣產(chǎn)能情況，結(jié)果表明采用雙直井（井間距為100 m）能夠?qū)?5年生產(chǎn)周期內(nèi)的天然氣日均產(chǎn)能從0.95×104m3增加到7.9×104m3。Yu等[45]進(jìn)一步分析了雙水平井的增產(chǎn)效果，結(jié)果表明無論兩口水平井的空間相對(duì)位置如何，雙水平井的產(chǎn)能都遠(yuǎn)大于單一水平井的產(chǎn)能。這一結(jié)論也曾被Moridis等[64]證實(shí)。同時(shí)，在雙水平井井距一定的情況下，雙水平井同一深度水平布局或在縱向剖面內(nèi)平行布局，在相同開采條件下的平均米采指數(shù)、綜合氣水比都存在著差異。雙水平井在縱向剖面內(nèi)平行布局時(shí)的增產(chǎn)效果最佳[45]。這可能與水平井上下布局導(dǎo)致儲(chǔ)層中氣/水重力分異作用明顯有關(guān)[43]。上述結(jié)論均顯示出，雙井協(xié)同效應(yīng)在天然氣水合物增產(chǎn)方面所具有巨大的潛力。雖然直井雙井聯(lián)采、水平井雙井聯(lián)采不屬于嚴(yán)格意義上的“井網(wǎng)”，但雙井聯(lián)采模式對(duì)于多井井網(wǎng)協(xié)同效應(yīng)開采具有非常重要的啟示：①多井聯(lián)采一定能夠大幅度提升天然氣水合物的產(chǎn)能； ②不同的井網(wǎng)布局參數(shù)對(duì)增產(chǎn)效果有著重要的影響[65]。因此在討論多井聯(lián)采增產(chǎn)效果時(shí)，必須考慮井網(wǎng)參數(shù)的影響。

為了充分發(fā)揮多井協(xié)同效應(yīng)，并在短期內(nèi)快速達(dá)到產(chǎn)業(yè)化開采產(chǎn)能目標(biāo)，日本天然氣水合物聯(lián)盟MH21提出了多井簇群井開采方案[66]。其基本思路是：基于同一個(gè)鉆井平臺(tái)，利用井簇形式將整個(gè)儲(chǔ)層進(jìn)行分片區(qū)控制，每組井簇包含一定數(shù)量的垂直井井眼并控制一定的儲(chǔ)層范圍，多井同步降壓，如圖3所示。此時(shí)，每個(gè)井簇中的井?dāng)?shù)、井間距及井簇之間的距離是決定天然氣水合物開采效率的關(guān)鍵。Deepak等[40]認(rèn)為6井簇、每簇20口井同步降壓開采可實(shí)現(xiàn)印度Krishna-Godavari盆地天然氣水合物產(chǎn)業(yè)化開采的需求，但最新模擬結(jié)果則顯示40口井協(xié)同降壓即可滿足產(chǎn)業(yè)化需求[67]。Yu等[68]認(rèn)為，各井簇內(nèi)布設(shè)兩口開采井的增產(chǎn)效果最佳；當(dāng)井簇中井眼數(shù)為3或4時(shí)，部分天然氣水合物分解產(chǎn)生的游離氣會(huì)在井簇中央位置聚集，導(dǎo)致儲(chǔ)層出現(xiàn)產(chǎn)氣“盲區(qū)”，進(jìn)而影響產(chǎn)能。目前，天然氣水合物多井簇群井開采方案仍處于概念模型階段，井簇之間的最優(yōu)匹配關(guān)系、可避免“盲區(qū)”效應(yīng)的井簇內(nèi)最佳井網(wǎng)布設(shè)、長(zhǎng)期開采時(shí)各井簇之間存在的影響等均需深入研究，需結(jié)合實(shí)際儲(chǔ)層特征進(jìn)行匹配性分析。

圖3 多井簇群井開采天然氣水合物概念圖

除了上述多井協(xié)同降壓開采，研究人員還提出利用多井模式將降壓與注熱或置換相結(jié)合來實(shí)現(xiàn)天然氣水合物增產(chǎn)。如Loh等[69]證明在雙直井“一注一采”開采條件下，增大生產(chǎn)井壓差比、提高注熱井溫度對(duì)天然氣水合物產(chǎn)能的影響顯著。Wang等[70]基于降壓聯(lián)合注熱開采法，分析了不同井網(wǎng)布設(shè)對(duì)開采效率的影響，結(jié)果表明：在井間距較小的情況下五點(diǎn)法垂直井井網(wǎng)的增產(chǎn)效果為最好。Li等[71-72]的實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果顯示，雙水平井結(jié)合注熱的“上注下采”模式能夠使天然氣水合物產(chǎn)能維持在產(chǎn)業(yè)化標(biāo)準(zhǔn)以上，類似的結(jié)論在Yu等[45]的工作中也有所提及。

因此，針對(duì)實(shí)際天然氣水合物儲(chǔ)層，應(yīng)優(yōu)化多井簇群井開采方法，發(fā)展多井型井網(wǎng)開發(fā)模式，在增大網(wǎng)絡(luò)化降壓通道的同時(shí)輔以適當(dāng)?shù)募訜岷蛢?chǔ)層改造，通過建立海底井工廠實(shí)現(xiàn)天然氣水合物資源的高效、安全開發(fā)利用。此外，針對(duì)存在深層油氣的淺層天然氣水合物儲(chǔ)層，可形成深層油氣—淺層天然氣水合物一體化開發(fā)技術(shù)。但需注意的是，在大力發(fā)展海底井工廠等集成作業(yè)模式、提高生產(chǎn)效率的同時(shí)，還必須要兼顧環(huán)境友好及經(jīng)濟(jì)性。

2.3 降壓輔助熱激發(fā)增產(chǎn)

針對(duì)單純降壓法開采天然氣水合物面臨的儲(chǔ)層水合物二次生成及儲(chǔ)層失穩(wěn)等問題，近年來國(guó)內(nèi)外開展了大量的基于降壓法輔助熱激發(fā)法相關(guān)的研究，也催生了許多新的天然氣水合物開采方法。Nair等[73-74]從不同角度驗(yàn)證了不同降壓模式、降壓加熱聯(lián)合模式下天然氣水合物產(chǎn)能的變化情況，結(jié)果表明無論降壓方案如何優(yōu)化，其開采效率都不如在降壓過程中輔助加熱所取得的效果。Yang等[41]指出，泥質(zhì)粉砂型Ⅱ類天然氣水合物儲(chǔ)層在長(zhǎng)井段水平井（1 500 m）、大幅度降壓（0.2p0～ 0.1p0，p0表示原始地層壓力）、輔助加熱（42 ℃）開采模式下，能夠達(dá)到產(chǎn)業(yè)化開采產(chǎn)能門檻值。Yu等[45]以雙水平井（水平段長(zhǎng)度 1 000 m、井間距 90 m）“下注上采”模擬日本Nankai海槽天然氣水合物產(chǎn)氣情況，證明在注熱溫度40 ℃、注熱速率2 kg/（s·m）的條件下，該地區(qū)年均天然氣日產(chǎn)能可高達(dá)86.4×104m3（綜合氣水比為10.8），遠(yuǎn)高于純降壓雙水平井開采模式（年均天然氣日產(chǎn)能為 13.76×104m3，綜合氣水比為 7.6）。

因此，降壓輔助熱激發(fā)開采方法能夠在一定程度上提高天然氣水合物產(chǎn)能和綜合氣水比[44]。但由于天然氣水合物儲(chǔ)層的傳熱條件差，單純提高熱源溫度或加大熱量的注入對(duì)提高天然氣水合物的分解效率效果均甚微[75-76]，而儲(chǔ)層的熱導(dǎo)率是很難改變的，只能通過提高熱對(duì)流的效率來改善傳熱。復(fù)雜結(jié)構(gòu)井或多井井網(wǎng)降壓輔助熱激發(fā)對(duì)天然氣水合物產(chǎn)能的開采效率高于直井，復(fù)雜結(jié)構(gòu)井或多井井網(wǎng)降壓輔助熱激發(fā)法是從量級(jí)尺度提高天然氣水合物產(chǎn)能的優(yōu)選途徑?；谶@種思路，近年來也有學(xué)者提出聯(lián)合深層地?zé)豳Y源開采淺部天然氣水合物的方法[77-80]。該方法的基本思路是：通過向深層地?zé)醿?chǔ)層注入海水，海水在深層地?zé)釋又形諢崃亢笱h(huán)至淺部天然氣水合物儲(chǔ)層，利用復(fù)雜結(jié)構(gòu)井技術(shù)，結(jié)合降壓法和加熱法促使天然氣水合物分解，如圖4所示。盡管不同文獻(xiàn)中采用的井身結(jié)構(gòu)、熱替換方法有所差異，但其涉及的地?zé)釕?yīng)用模式均為熱水直接加熱儲(chǔ)層，暫未涉及利用地?zé)釋⑺娊廪D(zhuǎn)化為電能等二次轉(zhuǎn)化加熱模式[81]。熱水循環(huán)排量、地?zé)醿?chǔ)層溫度（地?zé)崽荻龋?、地?zé)醿?chǔ)層滲透率、地?zé)醿?chǔ)層壓力等參數(shù)的提高，均能有助于提高天然氣水合物的開采效率，但同時(shí)也面臨著能效比的降低[79,82]。

然而，無論是地面注熱還是采用地?zé)彷o助開采天然氣水合物，都不可避免地會(huì)在注熱井周圍形成高壓區(qū)域，不利于天然氣水合物的分解。特別是在高飽和度、低滲透率地層，將面臨注熱困難的窘境。非流體輔助加熱模式（如電加熱[83]、射頻波輻射[84]、微波加熱[85-87]、電磁加熱[88]）則有可能從根本上解決熱流體注入的難題。Liang等[83]指出，直井降壓開采條件下，電加熱輔助增產(chǎn)效果優(yōu)于熱水加熱。Li等[87]和Islam[88]分別從不同的角度證明，在相同的熱功率條件下，微波加熱、電磁加熱引起的天然氣水合物分解效率遠(yuǎn)高于注熱水加熱條件，Rahim等[84]則指出，微波加熱的開采效率優(yōu)于射頻波輻射?？傊?，非流體輔助加熱開采方法，不僅克服了流體加熱的潛在工程地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)，而且還提高了天然氣水合物開采的效率。盡管目前這些新型輔助加熱開采方法仍處于概念模型階段，但不能排除一旦技術(shù)取得突破，將對(duì)天然氣水合物產(chǎn)業(yè)化產(chǎn)生重大的影響，特別是對(duì)于高飽和度、低滲透率、低熱容等流體注入可行性較弱的儲(chǔ)層而言，非流體輔助加熱開采方法具有良好的應(yīng)用前景。

圖4 基于“地?zé)?降壓”聯(lián)合開采天然氣水合物的概念圖

總之，目前針對(duì)降壓法輔助熱激發(fā)開采模擬的研究百花齊放，研究結(jié)論不一而足?？傮w而言，單純依靠熱激發(fā)很難實(shí)現(xiàn)天然氣水合物的高效開采，依賴復(fù)雜結(jié)構(gòu)井或多井井網(wǎng)降壓，將熱激發(fā)作為輔助措施一定能夠提高天然氣水合物的產(chǎn)能。此外，天然氣水合物的分解是吸熱反應(yīng)，從長(zhǎng)期開采的角度來看，必須要通過熱量的補(bǔ)充來促進(jìn)天然氣水合物的分解，進(jìn)而保持產(chǎn)氣的穩(wěn)定性。因此，在天然氣水合物開采過程中，加熱占有非常重要的地位。但是一味地強(qiáng)調(diào)注熱溫度或加熱功率可能無法提高能效比，因此在基于降壓法輔助熱激發(fā)開采天然氣水合物時(shí)，熱源作為輔助手段沒必要“用藥過猛”，而應(yīng)以最大能效比作為注熱或加熱參數(shù)的優(yōu)選標(biāo)準(zhǔn)。目前可行的辦法是通過一系列最優(yōu)化分析方法（如Pareto最優(yōu)準(zhǔn)則[85]）確定最佳的輔助加熱功率。

2.4 儲(chǔ)層改造輔助增產(chǎn)

降壓法開采天然氣水合物的過程中，通常認(rèn)為大幅度降壓能夠在一定程度上提高天然氣水合物的產(chǎn)能[89-90]，但當(dāng)壓降超過一定閾值后，增大壓降幅度所帶來的產(chǎn)能紅利卻越來越小，因而不能將增大降壓幅度作為一種增產(chǎn)措施來對(duì)待。Yu等[46]基于日本Nankai海槽的模擬結(jié)果顯示，提高儲(chǔ)層滲透率對(duì)產(chǎn)能的影響遠(yuǎn)大于擴(kuò)大降壓幅度所帶來的收益，若該海槽儲(chǔ)層中部泥質(zhì)夾層的滲透率從40 mD提高到800 mD，15年生產(chǎn)周期內(nèi)的天然氣日均產(chǎn)能將從0.95×104m3增加到2.0×104m3。這也是諸多文獻(xiàn)中以儲(chǔ)層絕對(duì)滲透率值作為主要指標(biāo)優(yōu)選試采目標(biāo)[41,67,91-92]的重要考量。因此，通過儲(chǔ)層改造方法提高儲(chǔ)層滲透率對(duì)于天然氣水合物長(zhǎng)期開采具有重要的意義。

儲(chǔ)層改造的主要目標(biāo)是通過一定的物理/化學(xué)/生物手段在生產(chǎn)井周圍形成裂縫網(wǎng)絡(luò)，提高開采井周圍的局部滲透率，加速壓力傳遞效率，進(jìn)而提高產(chǎn)能。目前文獻(xiàn)中提及的天然氣水合物儲(chǔ)層改造技術(shù)主要為水力壓裂[46]。在假定儲(chǔ)層中已經(jīng)形成既定規(guī)模的裂隙網(wǎng)絡(luò)的前提下，F(xiàn)eng等[93]、Sun等[94]分別開展了砂質(zhì)儲(chǔ)層、泥質(zhì)粉砂儲(chǔ)層水力壓裂增產(chǎn)效果的數(shù)值模擬，證明提高水力裂縫的滲透率和幾何尺寸是增強(qiáng)水力壓裂提產(chǎn)效果的主要途徑；水力裂縫在開采初期提產(chǎn)作用明顯，但在開采中后期的增產(chǎn)作用則有限。其主要原因可能是生產(chǎn)中后期天然氣水合物分解范圍超出水力裂縫的控制范圍，裂縫在增大分解陣面中的主導(dǎo)作用下降。在水力裂縫降壓的基礎(chǔ)上，適度加熱將有助于進(jìn)一步提升天然氣水合物的產(chǎn)能。盡管如此，單純依靠單一直井儲(chǔ)層改造仍然很難達(dá)到天然氣水合物產(chǎn)業(yè)化開采產(chǎn)能的需求[95]。因此，儲(chǔ)層改造技術(shù)必須結(jié)合復(fù)雜結(jié)構(gòu)井或多井井網(wǎng)，才能具備在短期內(nèi)實(shí)現(xiàn)天然氣水合物產(chǎn)業(yè)化開采的可能性。

Bhade等[96]模擬儲(chǔ)層縱向非均質(zhì)分布特征對(duì)Ⅱ類儲(chǔ)層降壓開采的影響，結(jié)果顯示天然氣水合物縱向成層分布儲(chǔ)層的開采效率明顯優(yōu)于天然氣水合物均質(zhì)分布儲(chǔ)層。這可能是儲(chǔ)層中天然氣水合物層狀分布引起的滲透率各向異性因素所致的。滲透率各向異性雖然在開采初期不利于產(chǎn)氣量的提高，但在開采中后期卻能大幅度的提高產(chǎn)能和氣水比，有利于增產(chǎn)[42]。這一結(jié)論為儲(chǔ)層精細(xì)改造提供了重要的啟示：儲(chǔ)層改造過程中，在提高儲(chǔ)層整體滲透率的同時(shí)，通過定向改變儲(chǔ)層中的裂隙方位[94]，提高天然氣水合物儲(chǔ)層滲透率的各向異性，是獲得儲(chǔ)層改造紅利最大化的重要措施。

然而，關(guān)于天然氣水合物儲(chǔ)層水力壓裂可行性的爭(zhēng)論一直都存在[97-98]。Too等[99]通過注液壓力曲線證實(shí)，天然氣水合物飽和度為50%～75%的砂質(zhì)儲(chǔ)層具有可壓性；Konno等[100]基于含水合物飽和度為72%的砂質(zhì)沉積物進(jìn)行壓裂實(shí)驗(yàn)，通過X-CT掃描觀察到了沉積物內(nèi)部沿最小主應(yīng)力方向的裂縫延伸。而在泥質(zhì)/砂質(zhì)互層型天然氣水合物儲(chǔ)層中，裂縫則傾向于沿著砂泥互層界面延伸[101]。更令人振奮的一條信息是：實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，即使壓裂結(jié)束后不進(jìn)行充填，沉積物滲透率也會(huì)比壓裂之前高很多[100]。這可能預(yù)示著水力壓裂在天然氣水合物儲(chǔ)層增產(chǎn)中還有其他未被發(fā)掘的增產(chǎn)機(jī)理。以上苛刻的實(shí)驗(yàn)條件（砂質(zhì)、高飽和度）預(yù)示著在進(jìn)行實(shí)際天然氣水合物儲(chǔ)層壓裂改造時(shí)必須進(jìn)行目標(biāo)儲(chǔ)層的篩選，由此限制了壓裂技術(shù)的廣泛應(yīng)用。特別是對(duì)于飽和度較低的黏土質(zhì)粉砂儲(chǔ)層，在動(dòng)靜載荷作用下更容易發(fā)生壓實(shí)而難以被壓裂。因此用水力切割、聲波致裂、激光射孔等方法代替?zhèn)鹘y(tǒng)水力壓裂，是天然氣水合物儲(chǔ)層改造技術(shù)的主要發(fā)展方向。

3 天然氣水合物開采增產(chǎn)的基本原理與評(píng)價(jià)方法

3.1 主要增產(chǎn)機(jī)理

如前所述，從量級(jí)尺度提升產(chǎn)能是實(shí)現(xiàn)天然氣水合物產(chǎn)業(yè)化開采的關(guān)鍵，復(fù)雜結(jié)構(gòu)井、多井井網(wǎng)、新型輔助熱激發(fā)開采方法及儲(chǔ)層改造是提高天然氣水合物產(chǎn)能的具體實(shí)現(xiàn)途徑。從天然氣水合物分解、產(chǎn)出的全過程來分析，上述增產(chǎn)措施的主要增產(chǎn)機(jī)理可概括為：①擴(kuò)大分解陣面，增加泄流面積；②提高天然氣水合物分解速率；③改善儲(chǔ)層滲流條件。以下分述之。

1）擴(kuò)大分解陣面即盡可能使井筒與儲(chǔ)層有更大的接觸面積，確保同一時(shí)刻參與分解的天然氣水合物量成倍增加，有更多的流體流入井筒。這是短期內(nèi)快速提高天然氣水合物產(chǎn)能的關(guān)鍵。較之于單一垂直井，水平井或多分支井井眼在天然氣水合物儲(chǔ)層中的暴露面積成倍增加，因此產(chǎn)能也有較大的提高。在一定的產(chǎn)能需求條件下，擴(kuò)大分解陣面和泄流面積意味著可以采用較低的生產(chǎn)壓差，因而能夠降低井周地層的滲流速率，從而緩解產(chǎn)能需求與工程地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)之間的矛盾。對(duì)于多井井網(wǎng)聯(lián)合開采方式而言，短期內(nèi)主要的增產(chǎn)效果仍然以擴(kuò)大分解陣面和泄流面積為主，但隨著開采的進(jìn)行，多井眼降壓區(qū)域出現(xiàn)重疊，可能發(fā)生相互干擾，此時(shí)擴(kuò)大泄流面積對(duì)天然氣水合物分解陣面的擴(kuò)大作用有可能會(huì)下降[62,102]。同理，水力裂縫在垂直井/水平井周圍的擴(kuò)展大大提高了泄流面積，擴(kuò)大了開采初期天然氣水合物的分解陣面。因此儲(chǔ)層改造對(duì)于天然氣水合物開采初期快速見效作用顯著，但是在開采中后期，當(dāng)儲(chǔ)層中的天然氣水合物分解前緣超過裂縫控制范圍后，裂隙擴(kuò)大分解陣面的作用就會(huì)降低。

2）從提高分解速率的角度來考慮，擴(kuò)大生產(chǎn)壓差能提高天然氣水合物分解的速率[41]，但無疑也會(huì)加劇工程地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生和發(fā)展。因此，從天然氣水合物相平衡條件的角度來考慮，維持或升高儲(chǔ)層溫度不僅有利于加速天然氣水合物的分解，而且也有利于緩解儲(chǔ)層中的Joule-Thomson效應(yīng)，防止天然氣水合物二次生成。目前各種基于降壓輔助熱激發(fā)天然氣水合物開采技術(shù)的主要增產(chǎn)原理便在于此。

3）天然氣水合物在地層中高效分解是實(shí)現(xiàn)其開采的第一步，而其分解氣能否高效流入到井筒當(dāng)中在開采過程中與前者具有同等重要的地位。不同的數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)?zāi)M結(jié)果均表明，天然氣水合物分解產(chǎn)生的氣體總量總是大于產(chǎn)出到井底的氣體總量[44,55,58]，只有當(dāng)?shù)貙又械臍庀囡柡投却笥谑`氣飽和度時(shí)，天然氣才會(huì)產(chǎn)出到井筒。部分模擬結(jié)果顯示，長(zhǎng)度相近的水平井和垂直井進(jìn)行降壓開采過程中，水平井開采條件下儲(chǔ)層產(chǎn)氣速率快且穩(wěn)定降壓階段儲(chǔ)層的溫度回升快。其主要原因是：水平井開采條件下，水的重力方向與井眼軸線垂直，影響了甲烷氣體和水在儲(chǔ)層中的傳輸效率。此外，滲流條件的改善有利于儲(chǔ)層中壓力的擴(kuò)展，促進(jìn)熱量的傳遞，從而擴(kuò)大天然氣水合物的分解范圍、提高分解效率。因此，復(fù)雜結(jié)構(gòu)井在擴(kuò)大分解陣面的同時(shí)，對(duì)于改善儲(chǔ)層的滲流條件也至關(guān)重要。

除此之外，不同的天然氣水合物增產(chǎn)方法可能還存在著其他的增產(chǎn)機(jī)理，如滲透率各向異性在開采初期不利于產(chǎn)氣量的提高，但在后期則有助于產(chǎn)氣量的提高。滲透率各向異性能夠提高氣水比，有助于增產(chǎn)[42]，主要原因是儲(chǔ)層滲透率各向異性通常是水平方向的滲透率高于垂向滲透率。這就有利壓力在水平方向的擴(kuò)展、擴(kuò)大分解面，而不利于壓力在垂向的擴(kuò)展速度，避免上覆層和下伏層的水過早進(jìn)入井筒，降低產(chǎn)氣速率。

3.2 增產(chǎn)效果評(píng)價(jià)方法

總體而言，筆者認(rèn)為復(fù)雜結(jié)構(gòu)井和多井井網(wǎng)是提高天然氣水合物產(chǎn)能的根本；基于復(fù)雜結(jié)構(gòu)井和井網(wǎng)系統(tǒng)輔助加熱或進(jìn)行儲(chǔ)層改造，能從量級(jí)尺度提高天然氣水合物的產(chǎn)能。日產(chǎn)能/日產(chǎn)氣量[Qg，單位m3（標(biāo)準(zhǔn)狀況下）]是衡量增產(chǎn)方法有效性最直接的量化指標(biāo)，可以直觀地反映出增產(chǎn)后平臺(tái)產(chǎn)能與產(chǎn)業(yè)化開采門檻值之間的差距，從而衡量增產(chǎn)措施的有效性。然而，對(duì)于水平井等以擴(kuò)大分解陣面為主要增產(chǎn)機(jī)理的方法而言，日產(chǎn)能提升量與水平井穿越儲(chǔ)層的長(zhǎng)度并不成正比。因此，筆者建議使用比生產(chǎn)指數(shù)（J）作為增產(chǎn)效果評(píng)價(jià)的輔助指標(biāo)，使用無阻流量（QAOF）作為評(píng)價(jià)增產(chǎn)極限的指標(biāo)。另外，天然氣水合物開采過程中水的產(chǎn)出會(huì)抑制氣的產(chǎn)出，浪費(fèi)了額外的能量、降低了開采效率。筆者采用綜合氣水比[Rgw， 單位m3/m3（標(biāo)準(zhǔn)狀況下）]來衡量增產(chǎn)方法的有效性。

比生產(chǎn)指數(shù)的定義為：

式中Qg表示日產(chǎn)氣量，m3；h表示穿越天然氣水合物儲(chǔ)層并實(shí)際打開用于生產(chǎn)的有效井眼累積長(zhǎng)度，m；Δp表示生產(chǎn)壓差,MPa。J主要與滲透率、泄流面積和井型等有關(guān)，可以反映開采井型和儲(chǔ)層改造措施的增產(chǎn)效果，J越大，增產(chǎn)效果越好。

綜合氣水比的定義為：

式中Qw表示日產(chǎn)水量，m3。該值反映了從井中產(chǎn)出的氣和水的比例，Rgw越大，增產(chǎn)效果越好。

綜上所述，筆者建議以平均日產(chǎn)氣量（Qg）作為評(píng)價(jià)增產(chǎn)措施效果最直接的指標(biāo)，同時(shí)以J、QAOF、Rgw作為輔助指標(biāo)。其中QAOF的定義是流入動(dòng)態(tài)關(guān)系曲線（日產(chǎn)氣量與井底壓力的關(guān)系曲線）與橫坐標(biāo)相交的交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的產(chǎn)量，即假想井底流壓為0時(shí)的產(chǎn)氣量，即極限產(chǎn)氣量，同樣可以反映開采井型和儲(chǔ)層改造措施的增產(chǎn)效果，QAOF越大，增產(chǎn)效果越好。

4 天然氣水合物開采增產(chǎn)基礎(chǔ)研究的瓶頸

縱觀過去半個(gè)世紀(jì)（從1965年至今）的發(fā)展歷程，天然氣水合物研究盡管得到了各國(guó)政府或相關(guān)國(guó)際組織的支持，但企業(yè)資本的參與度卻非常低，各區(qū)域、各領(lǐng)域研究程度參差不齊。因此難免會(huì)產(chǎn)生天然氣水合物陷入“無休止的政府支出研究項(xiàng)目”的擔(dān)憂。目前天然氣水合物開發(fā)仍處于科學(xué)探索階段，天然氣水合物開采所獲產(chǎn)能距離產(chǎn)業(yè)化仍然存在著量級(jí)差距。參考體積壓裂技術(shù)發(fā)展及其在頁(yè)巖氣革命中的地位可知，能夠從量級(jí)尺度提高產(chǎn)能的增產(chǎn)理論與技術(shù)將是天然氣水合物實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化開采的關(guān)鍵突破口。目前很多增產(chǎn)方法、增產(chǎn)技術(shù)的研究仍然停留在概念模型階段或數(shù)值模擬階段，缺乏現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的支撐，對(duì)增產(chǎn)機(jī)理的認(rèn)識(shí)還不夠深入、對(duì)實(shí)際生產(chǎn)儲(chǔ)層的影響行為不明確。因此，在天然氣水合物開發(fā)學(xué)科建設(shè)過程中，應(yīng)該更加注重基礎(chǔ)研究工作、提前布局，從基礎(chǔ)理論上回答天然氣水合物增產(chǎn)的機(jī)理，考慮復(fù)雜地層影響因素，提出最佳的增產(chǎn)方法。從天然氣水合物增產(chǎn)理論與技術(shù)體系基礎(chǔ)研究的角度，筆者認(rèn)為目前急需突破的技術(shù)瓶頸主要如下。

4.1 大尺度仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)M

大尺度仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)M是連接室內(nèi)基礎(chǔ)研究與現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的關(guān)鍵，但應(yīng)理性看待天然氣水合物開采仿真實(shí)驗(yàn)的“大”與模擬真實(shí)儲(chǔ)層開采過程之間的鴻溝：盡管目前很多學(xué)者從數(shù)值模擬的角度對(duì)天然氣水合物增產(chǎn)技術(shù)的增產(chǎn)能力進(jìn)行了評(píng)估，為優(yōu)選最佳增產(chǎn)方法提供了非常有意義的借鑒。但如果離開實(shí)驗(yàn)?zāi)M，在目前現(xiàn)場(chǎng)試采數(shù)據(jù)有限的情況下，很難驗(yàn)證模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，也無法解釋天然氣水合物增產(chǎn)措施的作用機(jī)理。從實(shí)驗(yàn)?zāi)M的角度，實(shí)驗(yàn)尺度的變化引起開采主控因素的改變：巖心尺度的天然氣水合物分解主要受動(dòng)力學(xué)參數(shù)（如壓力差、不同相中的氣體逸度差）的控制，而大尺度的天然氣水合物藏中水合物的分解則主要受流體流動(dòng)、傳熱和傳質(zhì)過程的控制[56-57,60]。因此天然氣水合物開采過程仿真模擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)，在水合物開采增產(chǎn)理論與技術(shù)基礎(chǔ)研究方面具有不可替代的作用。

目前國(guó)內(nèi)外仿真尺度（反應(yīng)釜腔體容積大于等于200 L）的天然氣水合物開采物理模擬裝置如表1所示。

大型物理模擬裝置主體反應(yīng)釜尺寸越大，開采過程中的傳熱傳質(zhì)過程越接近于實(shí)際。然而，在發(fā)展大型物理模擬裝置的同時(shí)，也必須清醒地認(rèn)識(shí)到目前大科學(xué)裝置所存在的不足。

表1 大型天然氣水合物開采物理模擬裝置統(tǒng)計(jì)表

1）當(dāng)前的天然氣水合物增產(chǎn)效果室內(nèi)模擬研究，無論是小尺度的機(jī)理研究還是大尺度的仿真實(shí)驗(yàn)，都僅考慮了Ⅲ類儲(chǔ)層，而對(duì)Ⅰ類、Ⅱ類、Ⅳ類儲(chǔ)層的考慮則極少。因此，大型物理模擬裝置在考慮實(shí)際地質(zhì)模型方面仍然有很長(zhǎng)的路要走。

2）有效監(jiān)測(cè)技術(shù)的缺失與不足。目前的大型物理模擬裝置仿真天然氣水合物開采過程注重對(duì)產(chǎn)氣、產(chǎn)水的監(jiān)測(cè)，近年來又不斷加入對(duì)產(chǎn)砂行為的監(jiān)測(cè)，達(dá)到了氣液固產(chǎn)出測(cè)試的目的。對(duì)儲(chǔ)層本身演變行為的監(jiān)測(cè)則主要以點(diǎn)式溫度、壓力監(jiān)測(cè)為主，德國(guó)LARS系統(tǒng)和青島海洋地質(zhì)所鉆采一體化系統(tǒng)考慮采用電阻率層析成像監(jiān)測(cè)儲(chǔ)層飽和度場(chǎng)。但目前看來，這些監(jiān)測(cè)技術(shù)仍然難以滿足對(duì)儲(chǔ)層多物理場(chǎng)、化學(xué)場(chǎng)耦合過程的監(jiān)測(cè)。這導(dǎo)致開采仿真模擬重結(jié)果、輕機(jī)理，難以得到普適性的認(rèn)識(shí)。

4.2 含天然氣水合物細(xì)粒沉積物高效制樣技術(shù)

含天然氣水合物細(xì)粒沉積物高效制樣技術(shù)是擺在南海天然氣水合物開采仿真模擬面前的最基礎(chǔ)、最緊迫的任務(wù)。粗略估計(jì)的結(jié)果表明，目前95%以上的天然氣水合物儲(chǔ)層基礎(chǔ)物性、開采過程室內(nèi)基礎(chǔ)研究都以砂質(zhì)儲(chǔ)層作為研究對(duì)象。然而，全球90%以上的天然氣水合物都存在于海底黏土質(zhì)粉砂或粉砂質(zhì)黏土沉積物（以下統(tǒng)稱為細(xì)粒沉積物）中，在我國(guó)南海迄今為止還沒有發(fā)現(xiàn)成規(guī)模的砂質(zhì)天然氣水合物儲(chǔ)層。因此室內(nèi)研究與真實(shí)需求之間尚存在著巨大的鴻溝，其主要制約因素是泥質(zhì)粉砂天然氣水合物儲(chǔ)層制樣技術(shù)沒有取得突破。特別是仿真尺度細(xì)粒儲(chǔ)層制樣關(guān)鍵技術(shù)還沒有取得突破，制樣效率低，致使目前細(xì)粒沉積物儲(chǔ)層天然氣水合物開采過程仿真幾乎為空白。

在巖心尺度（厘米級(jí)別），部分學(xué)者采用四氫呋喃（THF）代替天然氣水合物摸索細(xì)粒沉積物中的水合物合成過程[108]，初步結(jié)果顯示，水合物合成排擠細(xì)顆粒形成非均質(zhì)性極強(qiáng)的脈狀或結(jié)核狀水合物條帶。也有學(xué)者嘗試用不同的制樣方式驗(yàn)證CO2水合物在細(xì)粒沉積物中的分布特征，獲得了與四氫呋喃水合物近似的非均質(zhì)分布特征[109-110]。上述研究結(jié)果顯示，細(xì)粒沉積物中水合物難以全部以孔隙分散形態(tài)存在，其合成過程、物性演變與砂質(zhì)沉積物中的孔隙充填型水合物存在著本質(zhì)上的差異，細(xì)粒沉積物中水合物裂隙型非均質(zhì)分布特點(diǎn)必然導(dǎo)致其開采行為演化存在著特殊性。然而，目前國(guó)內(nèi)大部分研究者在數(shù)值模擬南海天然氣水合物開采過程時(shí)采用Tough+Hydrate模擬器，按照水合物層與氣/水邊界層的關(guān)系將儲(chǔ)層劃分為Ⅰ～Ⅳ類，假設(shè)天然氣水合物分散分布于沉積物孔隙中。這種分類便于數(shù)值建模，但是無法考慮天然氣水合物在地層中的塊狀或結(jié)核狀等非連續(xù)分布特征，在裂隙型水合物表征方面存在著致命缺陷，與實(shí)驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果存在著本質(zhì)上的差異[23]。因此，對(duì)于以泥質(zhì)粉砂為主的南海天然氣水合物儲(chǔ)層，在加快推進(jìn)天然氣水合物試采進(jìn)程的同時(shí)，還應(yīng)更加重視基礎(chǔ)研究突破在試采可持續(xù)發(fā)展方面的支撐作用，首當(dāng)其沖便是天然氣水合物制樣技術(shù)的制約。

4.3 建立新型熱—流—固—化耦合模型

在天然氣水合物開采過程仿真中，考慮力學(xué)場(chǎng)、建立新型熱—流—固—化耦合模型，是進(jìn)行天然氣水合物開采—工程地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)一體化評(píng)價(jià)與管控的關(guān)鍵：受天然氣水合物儲(chǔ)層非成巖、“亞穩(wěn)態(tài)”特征的制約，降壓開采過程中過大的生產(chǎn)壓差有可能會(huì)導(dǎo)致工程地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)的加大，嚴(yán)重影響進(jìn)一步開采。因此在天然氣水合物開采過程中，權(quán)衡產(chǎn)能需求與工程地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)對(duì)于延長(zhǎng)試采周期、保證試采安全至關(guān)重要[32]。而工程地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生則直接受儲(chǔ)層應(yīng)力與力學(xué)性質(zhì)的控制[19]，儲(chǔ)層強(qiáng)度參數(shù)受水合物飽和度的控制處于動(dòng)態(tài)變化過程中[111-112]，進(jìn)而導(dǎo)致儲(chǔ)層滲流特征的動(dòng)態(tài)變化[113-114]。從數(shù)值模擬的角度來看，目前主要的研究手段是將Tough+Hydrate與Flac3D結(jié)合起來分析儲(chǔ)層的穩(wěn)定性[115]，多相滲流、傳熱和水合物分解過程由Tough+Hydrate模擬，而儲(chǔ)層力學(xué)響應(yīng)過程則由Flac3D模擬，兩者之間通過參數(shù)傳遞的方式進(jìn)行耦合。近期美國(guó)Lawrence Berkeley實(shí)驗(yàn)室（Tough+Hydrate開發(fā)商）推出了Tough+Millstone，在原有Tough+Hydrate版本基礎(chǔ)上，新增了儲(chǔ)層力學(xué)響應(yīng)特征與開采數(shù)值模擬的耦合分析[116-117]。此外，不少學(xué)者還開發(fā)了多相滲流（H）、傳熱（T）、水合物分解（C）和力學(xué)（M）響應(yīng)過程的THMC耦合模擬器，用于天然氣水合物開采地層和井筒穩(wěn)定性的分析。如吉林大學(xué)等在Tough+Hydrate基礎(chǔ)上開發(fā)的Tough+Hydrate+Biot模擬器[118]，青島海洋地質(zhì)所研發(fā)的QIMG-THMC模擬器（2019SR1154695）[28]。這些模擬器的發(fā)展對(duì)天然氣水合物開采過程中熱—流—固—化強(qiáng)耦合過程的求解奠定了重要的基礎(chǔ)。

然而，從大尺度天然氣水合物開采過程實(shí)驗(yàn)仿真模擬的角度來看，部分大型天然氣水合物開采過程模擬實(shí)驗(yàn)未考慮儲(chǔ)層應(yīng)力條件的影響[58,107]，部分則僅考慮在天然氣水合物模擬儲(chǔ)層制備腔體中安裝沉積物夾套來模擬水合物儲(chǔ)層所受的地層圍壓狀態(tài)[103-106]，未見對(duì)實(shí)際儲(chǔ)層上覆地層壓力、下伏地層壓力的考慮，特別是對(duì)儲(chǔ)層應(yīng)力狀態(tài)各向異性的考慮不足。這是目前天然氣水合物仿真過程模擬無法再現(xiàn)實(shí)際開采過程中儲(chǔ)層沉降、出砂、失穩(wěn)、甚至滑坡等工程地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)的最大制約。為了實(shí)現(xiàn)天然氣水合物開采—工程地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)一體化評(píng)價(jià)，必須建立新的耦合儲(chǔ)層宏—微觀力學(xué)特征和應(yīng)力條件的天然氣水合物生產(chǎn)預(yù)測(cè)模型。因此，在建立海域天然氣水合物開發(fā)學(xué)科的同時(shí)，應(yīng)注重與工程地質(zhì)學(xué)的結(jié)合，發(fā)展天然氣水合物開發(fā)工程地質(zhì)學(xué)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)天然氣水合物工程地質(zhì)參數(shù)的快速評(píng)價(jià)與實(shí)時(shí)反饋。

5 結(jié)論與建議

天然氣水合物開采能否產(chǎn)業(yè)化取決于兩個(gè)方面：首先是原地可采儲(chǔ)量能否支撐產(chǎn)業(yè)化開采所需要的基本開采周期；其次是開采產(chǎn)能能否達(dá)到當(dāng)前產(chǎn)業(yè)化開采的標(biāo)準(zhǔn)。本文僅從提高天然氣水合物開采產(chǎn)能的角度提出了天然氣水合物增產(chǎn)的基本方法、原理以及目前在增產(chǎn)基礎(chǔ)學(xué)科研究領(lǐng)域存在的瓶頸問題，以期為國(guó)家“十四五”規(guī)劃期間天然氣水合物開發(fā)技術(shù)研究提供參考。

1）從目前文獻(xiàn)調(diào)研的結(jié)果來看，用于天然氣水合物增產(chǎn)的方法有多種多樣，模擬獲得的增產(chǎn)效果也不一而足。以水平井或多分支井為代表的復(fù)雜結(jié)構(gòu)井、以多井簇群井開采為代表的井網(wǎng)開采模式、以降壓輔助熱激發(fā)為主的開采新方法、以水力造縫為代表的儲(chǔ)層改造技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用等是實(shí)現(xiàn)天然氣水合物產(chǎn)能量級(jí)提升的關(guān)鍵。

2）不同的增產(chǎn)方法提高天然氣水合物產(chǎn)能的主要機(jī)理可概括為擴(kuò)大水合物分解陣面、提高水合物分解速率、改善儲(chǔ)層滲流條件。不同的增產(chǎn)機(jī)理在天然氣水合物開發(fā)中起作用的時(shí)間點(diǎn)不同，在提高天然氣水合物產(chǎn)能中的地位也不同。日產(chǎn)能、比生產(chǎn)指數(shù)、無阻流量和綜合氣水比可作為評(píng)價(jià)不同天然氣水合物增產(chǎn)方案增產(chǎn)效果的宏觀指標(biāo)。

3）天然氣水合物研究得到了各國(guó)政府和相關(guān)國(guó)際組織的支持，但企業(yè)資本的參與度卻非常低，各區(qū)域、各領(lǐng)域研究程度參差不齊。從天然氣水合物增產(chǎn)理論與技術(shù)體系基礎(chǔ)研究的角度來看，目前急需突破的瓶頸主要包括：加強(qiáng)大尺寸天然氣水合物仿真系統(tǒng)儲(chǔ)層監(jiān)測(cè)技術(shù)的研發(fā)，制備與儲(chǔ)層地質(zhì)模型一致的儲(chǔ)層；攻關(guān)形成含天然氣水合物細(xì)粒沉積物快速制樣技術(shù)，形成對(duì)南海天然氣水合物開發(fā)有指導(dǎo)意義的研究成果；在天然氣水合物開采仿真過程中充分考慮儲(chǔ)層力學(xué)場(chǎng)的演變及其對(duì)開采過程的反饋，加強(qiáng)天然氣水合物工程地質(zhì)學(xué)學(xué)科發(fā)展。

4）總體而言，我國(guó)海域天然氣水合物試采步伐較快，天然氣水合物開發(fā)學(xué)科發(fā)展和基礎(chǔ)理論研究嚴(yán)重滯后于現(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)踐。試采工程的快速推進(jìn)帶動(dòng)了基礎(chǔ)學(xué)科的發(fā)展，但也可能面臨著“重結(jié)果、輕機(jī)理”的不足，可持續(xù)發(fā)展面臨瓶頸。雖然本文從技術(shù)角度闡述了提高天然氣水合物產(chǎn)能的基本方法、增產(chǎn)機(jī)理，但并未考慮實(shí)際技術(shù)成本。如果考慮部分海域天然氣水合物系統(tǒng)的非連續(xù)特征，必須進(jìn)一步研發(fā)低成本開采系統(tǒng)，從單一礦體的角度出發(fā)，實(shí)現(xiàn)一個(gè)礦體幾十年尺度的開發(fā)幾乎是不可能的，因而要有充分的“打一槍，換一個(gè)地方”的思想準(zhǔn)備，盡可能做到成本最小化、產(chǎn)能最大化。因此，在下一步攻關(guān)中，建議基于南海天然氣水合物儲(chǔ)層開展不同方法的適應(yīng)性評(píng)價(jià)，優(yōu)選最佳增產(chǎn)方法，以并行研究或集中攻關(guān)模式，開展優(yōu)選的增產(chǎn)方法的實(shí)驗(yàn)?zāi)M、數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用協(xié)作攻關(guān)。