彭盈鈺，金光榮，蘇 正?，劉麗華，劉 杰，翟海珍

（1.中國科學院廣州能源研究所，廣州 510640；2.中國科學院天然氣水合物重點實驗室，廣州 510640；3.廣東省新能源和可再生能源研究開發(fā)與應用重點實驗室，廣州 510640；4.中國科學院大學，北京 100049）

0 引 言

天然氣水合物為白色或是淡黃色的固態(tài)冰籠狀結晶化合物，也被稱為“可燃冰”[1]，由小分子氣體如輕烴、二氧化碳和水在低溫高壓條件下形成[2]。天然氣水合物主要有I 型、II 型以及H 型三種結構類型，其中甲烷主要形成Ⅰ型結構的天然氣水合物[3]。在標準溫度壓力下，1 m3的I 型天然氣水合物包含164 m3天然氣[4]，具有低能源豐度的特點。

天然氣水合物開采的主要原理是破壞多孔介質中水合物的相平穩(wěn)條件。目前，所采用的三種常規(guī)開采方法為降壓法[5]、注熱法[6]、注入抑制劑法[7]。實驗開采、數值模擬以及現場試采均表明降壓法是比較經濟高效的開采方法，其他開采方法可以作為輔助手段來抑制井筒周圍冰的形成和水合物二次生成等[8]。

一般來說，不同地區(qū)天然氣水合物開采效率受到不同地質構造環(huán)境、生產條件等因素的影響。而天然氣水合物儲層因素，如儲層介質孔隙度、滲透率、地層厚度以及初始溫壓條件等，是影響水合物開采的內在因素[3]。目前，通過數值模擬與實驗方式對天然氣水合物儲層物性條件、地質條件對開采的影響做了大量的研究。JIANG 等[9]模擬探究了含有下伏氣層的天然氣水合物儲層降壓開采情況，發(fā)現隨著儲層初始溫度的升高，水合物分解釋放氣體的速率增大，這是由于天然氣水合物分解是一個吸熱過程，當儲層溫度較高時，提供水合物分解的內在熱量較多。RUAN 等[10]通過對有含水層的水合物儲層降壓模擬發(fā)現，與儲層初始溫度相反，水合物儲層壓力越高反而不利于水合物開采。水合物的飽和度對開采影響相對復雜，一方面，儲層中天然氣水合物飽和度高，儲量大，有利于提高總產氣量[11]，另一方面，高水合物飽和度影響儲層介質滲透性，阻礙流體流動，從而影響產氣量[12]。儲層滲透率是影響水合物分解的重要水力參數，通常地層滲透率高（最低臨界值1～10 mD），提高了流體流動能力，有利于地層壓降傳遞與水合物分解，可提高流體開采效率[13]。地層孔隙度對水合物開采的影響在實驗和數值模擬上有不同結論，BAI 等[14]通過降壓分解水合物實驗與模擬發(fā)現，在實驗中孔隙度值增高，流體運移空間變大，產氣速率隨之增大，但模擬結果與之相反。另外，通過各個參數對水合物開采敏感性影響研究，有學者認為，影響流體運移的地層滲透率是對水合物開采影響最重要的參數[15]，也有學者認為，水合物儲層的初始溫度很大程度上影響水合物的生產狀態(tài)[16]。目前，已對水合物儲層物性條件和地質條件與開采之間的單一影響關系得出定性結論，但還需要進一步定量研究影響水合物開采的最關鍵儲層參數，分析儲層參數對水合物開采的聯合影響關系，為實現水合物開采潛力地質評價提供資料基礎。

本文以單次單因子敏感性分析方法為基礎，在統(tǒng)一變化幅度范圍內研究某一儲層參數的變化在短期與長期開采周期下的水合物生產行為影響關系，并以變量敏感度為參照，計算多個水合物儲層參數對開采結果的影響，進一步確定影響天然氣水合物開采的關鍵地質參數。

1 數值模型

1.1 數值模擬器

本文采用由美國勞倫斯貝克萊國家實驗室開發(fā)的TOUGH+HYDRATE 模擬工具研究天然氣水合物降壓開采過程。該程序考慮非等溫水合物反應、多相行為、流體的流動和熱量的傳遞過程，考慮了四種物質成分：水合物、水、甲烷和水溶性抑制劑（如鹽或醇），這四種成分又分布在四種可能的相中，即氣相、液相、冰相和水合物相[17]。本文將水合物形成與分解過程理解為熱力學平衡過程，故采用平衡模型。對于所使用的其他方程，詳細情況見TOUGH+HYDRATE 用戶手冊[18]。

1.2 地質模型

選取中心一口垂直單井的圓柱形天然氣水合物儲層模型作為TOUGH+HYDRATE 數值模擬器模擬的基本對象，地質模型參照南海神狐海域SH7站位[19-20]。圓柱模型半徑為200 m，上下蓋層厚度取30 m，水合物層厚度為22 m。研究中的開采井穿孔井段長度為8 m，井徑為0.1 m，位于水合物層中部。研究區(qū)域為圓柱體模型，徑向研究范圍為-150～150 m，由于地質模型的對稱性，僅討論研究區(qū)域的右半部（正數部分），如圖1 所示。

圖1 天然氣水合物藏地質模型Fig.1 Geometric model of gas hydrate reservoir

1.3 網格離散化

研究區(qū)域Z 方向上一共分為42 層。為了精確描述水合物分解行為，水合物層網格間距為1 m，上下蓋層以3 m 為單位劃分網格。沿徑向剖分的網格數為99 個，其中靠近井附近的最初3 個網格半徑為0.2 m，隨后沿著徑向網格半徑呈指數形式增加。

1.4 模型條件

表1 模型參數[19-20]Table 1 Model parameters[19-20]

SH7 站位水合物層底部溫度為14℃，底部壓力為13.5 MPa，地層溫度梯度為0.043℃/m，在此溫壓條件下水合物能穩(wěn)定存在。另外，最新的調查數據表明，南海儲層類型主要為粘土質粉砂-低滲透粉砂，地層絕對滲透率平均為2～5 mD，有效滲透率明顯低于南海海槽[21-22]。因此，模型中將水合物層地層絕對滲透率設為5 mD，上下蓋層滲透率設為2 mD。具體模型參數見表1。

2 敏感性分析

敏感性分析方法常用來從定性與定量的角度判斷某自變量的改變對相關參數產生的影響。其中，單次單因子法為每個因素選擇一個基準線，然后在其范圍內依次改變每個因素，并使其他因素固定在初始（基線）水平[23]?；趩未螁我蜃臃ǎ敵鼋Y果的任何變化都將明確地歸因于單個因素的變化，這提高了結果的可比對性并將多個因素改變導致的模擬結果不收斂的風險大大降低[24]。

引入敏感度指標定量估算某一參數改變對水合物開采結果的影響，定義為[25]：

其中：Vb和Vi分別表示某自變量的初始水平和第i種水平；Fb和Fi分別是初始水平下的輸出結果與第i種水平下的輸出結果，以水合物開采至某一周期下的開采指標值表示；為了將參數變化幅度控制在同一數量級內，ΔVi定為10%、20%、30%。

另外，在分析天然氣水合物開采潛力時多使用絕對評價指標與相對評價指標作為判斷依據[26]。絕對評價指標包括水合物的分解氣體量、井口產氣量以及產水量等，而相對評價指標是水合物氣水體積比，指水合物產氣體積與產水體積之比。

2.1 定性分析

2.1.1 溫度敏感性分析

將水合物儲層初始溫度14℃依次變化10%、20%、30%，溫度范圍為9.8～14℃。無論是60 d的短期開采還是5 年的長期開采，隨著儲層溫度升高，水合物總分解氣體體積VR（圖2a，圖3a）、總產氣體積VQ（圖2b，圖3b）、氣水比RWG均增大（圖2d，圖3d）。其中，60 d 后儲層溫度為9.8℃、11.2℃、12.6℃、14℃時，水合物分解氣體量分別為8.14×103m3、1.26×104m3、2.03×104m3、5.55×104m3，產氣量分別為1.13×104m3、1.54×104m3、1.96×104m3、2.32×104m3。天然氣水合物能在自然界中穩(wěn)定存在需要合適的溫度和壓力條件，根據SLOAN 等[27]所提出的水合物壓力-溫度平衡關系相圖，地層壓力相同的儲層，當地層溫度高時，水合物接近熱力學平衡狀態(tài)，容易失穩(wěn)分解；另外，水合物儲層地層溫度高，提供水合物分解吸收的熱量充足。

模擬結果顯示在整個開采周期中，水合物總分解氣體體積VR、總產氣體積VQ隨地層溫度升高變化幅度較大，儲層溫度與分解氣體體積和產氣量之間有較強的相關性。據此，水合物儲層溫度是影響開采的重要參數。另外，60 d 短期開采時間內，儲層溫度的變化對產水量影響較?。▓D2c），但開采后期，當地層溫度高時，為后續(xù)水合物分解提供的熱量多，水合物分解量增多，產水量也增加，氣水比變化幅度減?。▓D3d）。

圖2 不同溫度下天然氣水合物60 天開采情況：（a）水合物總分解氣體體積VR；（b）總產氣體積VQ；（c）產水量VW；（d）氣水比RWGFig.2 60 days production of natural gas hydrate at different temperatures:(a) total hydrate decomposition gas volume VR;(b) total gas production volume VQ;(c) water production volume VW;(d) gas-water ratio RWG

圖3 不同溫度下天然氣水合物5 年開采情況：（a）水合物總分解氣體體積VR；（b）總產氣體積VQ；（c）產水量VW；（d）氣水比RWGFig.3 5 years production of natural gas hydrate at different temperatures:(a) total hydrate decomposition gas volume VR;(b) total gas production volume VQ;(c) water production volume VW;(d) gas-water ratio RWG

2.1.2 壓力敏感性分析

在水合物儲層初始溫度為14℃時，將初始壓力13.5 MPa 依次變化10%、20%、30%進行開采模擬。根據圖4a 和圖5a，當水合物儲層壓力增大時，短期和長期開采期內的水合物分解氣體量隨之減小，壓力變化對水合物分解氣體量的影響較大，是由于當儲層初始溫度相同時，較高的儲層初始壓力會增強水合物儲層的穩(wěn)定性，水合物不易發(fā)生分解，從而導致水合物分解氣體量降低。另外，儲層壓力與總產氣體積VQ之間的相關性明顯減小，在60 d 生產中，儲層壓力的增大反而使得產氣量增大，而在長期開采中，儲層壓力的變化對水合物產氣量無影響。其原因是地層中的溶解氣體對生產的貢獻隨著初始壓力的增大而增大。

圖4c 和圖4d、圖5c 和圖5d 為產水體積VW和氣水比RWG隨儲層壓力的變化情況。結果發(fā)現，較高的儲層初始壓力會增大地層與生產井之間的壓差驅動力，從而導致產水量增加（呈線性增加的關系）?？偟膩碚f，水合物儲層初始地層壓力是影響產水量的重要參數，但不是影響長期產氣量的重要因素。

圖4 不同壓力下天然氣水合物60 天開采情況：（a）水合物總分解氣體體積VR；（b）總產氣體積VQ；（c）產水量VW；（d）氣水比RWGFig.4 60 days production of natural gas hydrate under different pressures:(a) total hydrate decomposition gas volume VR;(b) total gas production volume VQ;(c) water production volume VW;(d) gas-water ratio RWG

圖5 不同壓力下天然氣水合物5 年開采情況：（a）水合物總分解氣體體積VR；（b）總產氣體積VQ；（c）產水量VW；（d）氣水比RWGFig.5 5 years production of natural gas hydrate under different pressures:(a) total hydrate decomposition gas volume VR;(b) total gas production volume VQ;(c) water production volume VW;(d) gas-water ratio RWG

2.1.3 孔隙度敏感性分析

在給定孔隙度0.38 的基礎上，將孔隙度依次變化10%、20%、30%，評價孔隙度從0.266 到0.456的變化對儲層開采的影響。從圖6a、圖6b、圖7a、圖7b 可以看出，水合物總分解氣體體積VR、總產氣體積VQ與孔隙度之間呈負相關，但對60 d 水合物分解氣量的變化影響相對較大，同時在后期的開采中孔隙度與分解氣體量相關性趨勢減小。另外，根據圖6c、圖6d、圖7c、圖7d 發(fā)現，在整個開采過程中，孔隙度對水合物產水量的影響不明顯，對氣水比的變化影響較小。

雖然地層孔隙度低，提供水合物儲層空間小，水合物分解氣體量與產氣量也會隨之減小，但模擬結果與之相反。當地層孔隙度大時，含天然氣水合物的沉積物單位體積潛熱也較大，由于天然氣水合物含量高，比熱低，熱導率低，使得地層的熱導率變小，因此地層溫度下降更快，從而不利于水合物分解。在開采后期，孔隙度對水合物開采影響的減小則是與水合物儲量有關。

圖6 不同孔隙度下天然氣水合物60 天開采情況：（a）水合物總分解氣體體積VR；（b）總產氣體積VQ；（c）產水量VW；（d）氣水比RWGFig.6 60 days production of natural gas hydrate with different porosity:(a) total hydrate decomposition gas volume VR;(b) total gas production volume VQ;(c) water production volume VW;(d) gas-water ratio RWG

圖7 不同孔隙度下天然氣水合物5 年開采情況：（a）水合物總分解氣體體積VR；（b）總產氣體積VQ；（c）產水量VW；（d）氣水比RWGFig.7 5 years production of natural gas hydrate with different porosity:(a) total hydrate decomposition gas volume VR;(b) total gas production volume VQ;(c) water production volume VW;(d) gas-water ratio RWG

2.1.4 滲透率敏感性分析

在水合物儲層初始滲透率5 mD 基礎上，依次變化10%、20%、30%，評價滲透率變化對儲層開采的影響。滲透率是反映多孔介質中流體滲流問題的重要物理量。從圖8 和圖9 中可以看到，滲透率的微小改變對水合物開采有明顯的影響。地層滲透率增大時，壓降傳遞快，有利于水合物分解，使得水合物分解氣體量隨之增大。另外，水合物層中的自由氣體隨著水合物分解而增多，在地層壓力與井口壓力差的有效驅動下向井流動，因此在一定程度上增加了產氣量，同時產水量也隨之增加。由于滲透率對水合物產氣量和產水量（圖8a 和圖9a，圖8c 和圖9c）的影響均較大，可見儲層滲透率是影響水合物開采的重要參數。

圖8 不同滲透率下天然氣水合物60 天開采情況：（a）水合物總分解氣體體積VR；（b）總產氣體積VQ；（c）產水量VW；（d）氣水比RWGFig.8 60 days production of natural gas hydrate under different permeability:(a) total hydrate decomposition gas volume VR;(b)total gas production volume VQ;(c) water production volume VW;(d) gas-water ratio RWG

圖9 不同滲透率下天然氣水合物5 年開采情況：（a）水合物總分解氣體體積VR；（b）總產氣體積VQ；（c）產水量VW；（d）氣水比RWGFig.9 5 years production of natural gas hydrate under different permeability:(a) total hydrate decomposition gas volume VR;(b) total gas production volume VQ;(c) water production volume VW;(d) gas-water ratio RWG

2.1.5 水合物飽和度敏感性分析

在初始水合物飽和度0.40 的基礎上，依次變化10%、20%、30%，評價水合物飽和度變化對儲層開采的影響。從圖10a 和圖10b 可以看到，在60 d 短期開采中，水合物飽和度越大反而不利于水合物分解，分解氣量隨水合物飽和度的增大而減小，但是水合物飽和度的變化對產氣量的影響較小。同時，5年內，高水合物飽和度與低水合物飽和度之間所引起的水合物分解氣體體積、產水量差距減小，對產氣量幾乎沒有影響（圖10 和圖11）。另外，水合物飽和度與氣水比之間為正相關關系（圖10d 和圖11d）。這一現象產生的原因，一方面是水合物飽和度較高時降低了水合物儲層的滲透率，自由氣體的流量減少，使得在開采前期水合物產氣量隨飽和度增加而減少，同時也限制了水合物層壓降的傳遞，抑制了對流換熱，降低了水合物的分解速率。另一方面，高水合物飽和度通常會降低儲層的導熱系數，從而不利于天然氣水合物的分解。此外，水合物的飽和度是與水合物儲量有關的因素，在開采后期，當水合物層壓降傳遞到一定的程度后，在高水合物飽和度情況下會有更多的水合物發(fā)生分解。

圖10 不同飽和度下天然氣水合物60 天開采情況：（a）水合物總分解氣體體積VR；（b）總產氣體積VQ；（c）產水量VW；（d）氣水比RWGFig.10 60 days production of natural gas hydrate with different saturation:(a) total hydrate decomposition gas volume VR;(b) total gas production volume VQ;(c) water production volume VW;(d) gas-water ratio RWG

圖11 不同飽和度下天然氣水合物5 年開采情況：（a）水合物總分解氣體體積VR；（b）總產氣體積VQ；（c）產水量VW；（d）與氣水比RWGFig.11 5 years production of natural gas hydrate with different saturation:(a) total hydrate decomposition gas volume VR;(b) total gas production volume VQ;(c) water production volume VW;(d) gas-water ratio RWG

2.1.6 水合物層厚度敏感性分析

為了考察天然氣水合物層厚度對水合物開采過程的影響，在初始水合物儲層厚度22 m 的基礎上，將儲層厚度依次變化10%、20%、30%。從圖12 所示的60 d 水合物開采中發(fā)現，水合物層厚度變化對水合物產氣量、產水量以及氣水比的影響不大，反而水合物層厚度越大不利于水合物分解，這是由于水合物層厚度越大，地層壓降傳播距離越大，抑制了水合物分解。同時，開采初期，由于地層中殘余氣體對產氣量的貢獻，使得水合物層厚度對產氣量的影響不大。另外，從圖12b～圖12d 與圖13b～圖13d 可以看到，5 年開采周期中，由于天然氣水合物層厚度越大，水合物儲量越大，從而導致水合物分解氣體體積、產氣量和產水量也隨之增大。

圖12 不同層厚下天然氣水合物60 天開采情況：（a）水合物總分解氣體體積VR；（b）總產氣體積VQ；（c）產水量VW；（d）氣水比RWGFig.12 60 days production of natural gas hydrate with different layer thickness:(a) total hydrate decomposition gas volume VR;(b)total gas production volume VQ;(c) water production volume VW;(d) gas-water ratio RWG

圖13 不同層厚下天然氣水合物5 年開采情況：（a）水合物總分解氣體體積VR；（b）總產氣體積VQ；（c）產水量VW；（d）氣水比RWGFig.13 5 years production of natural gas hydrate with different layer thickness:(a) total hydrate decomposition gas volume VR;(b)total gas production volume VQ;(c) water production volume VW;(d) gas-water ratio RWG

2.2 定量計算

分別對6 個水合物儲層地質參數進行了敏感性模擬分析。圖14 分別給出了這6 個參數對水合物分解氣量、產氣量以及產水量的敏感程度值。在水合物開采早期（圖14a），水合物層初始溫度、壓力和滲透率敏感度值分別為4.4、3.2、1.2，這三個參數是影響水合物分解的關鍵參數；而在開采后期（圖14d），除了地層溫度（敏感性值為2.9）外，地層壓力影響明顯減小。對于井口產氣量而言，前期開采中，水合物層溫度（敏感性值為1.7）與滲透率（敏感性值為0.8）對產氣量的影響貢獻大，另外則是地層壓力與孔隙度（圖14b）；在后期開采中，除了地層溫度外，滲透率與地層厚度的影響程度較大（圖14e）。此外，水合物地層壓力、滲透率以及水合物飽和度是影響水合物前期產水量的重要參數（圖14c），而在開采后期，地層溫度影響增大，壓力以及水合物飽和度的影響相對前期減?。▓D14f）。

綜上所述，無論是以哪一開采指標作為水合物開采潛力的評價標準，水合物地層溫度、地層壓力以及絕對滲透率是三個至關重要的地質參數。其中水合物穩(wěn)定存在的初始溫壓條件是影響開采的主導參數，反映的是儲層的能量問題。氣體的有效開采主要取決于地層的初始溫度，然而，水合物儲層的能量并不是影響開采的唯一因素。如果地層滲透率很低時，流體無法及時流向井口，導致產氣量較低。因此，在實際開采水合物的過程中，應該關注選擇合適的生產井壓力以達到有效降壓的目的，采用注熱等手段提高儲層能量使水合物在后期更有效地分解，同時也應該關注相關的儲層改造技術，在安全開采的前提下，提高儲層滲透率。

圖14 不同地質參數對水合物開采的敏感度：（a）60 天開采內對水合物分解的敏感度；（b）60 天開采內對產氣量的敏感度；（c）60 天開采內對產水量的敏感度；（d）5 年開采內對水合物分解的敏感度；（e）5 年開采內對產氣量的敏感度；（f）5 年開采內對產水量的敏感度Fig.14 Sensitivity of different geological parameters to hydrate production:(a) sensitivity to hydrate decomposition within 60 days;(b) sensitivity to gas production within 60 days;(c) sensitivity to water production within 60 days;(d) sensitivity to hydrate decomposition within 5 years;(e) sensitivity to gas production within 5 years;(f) sensitivity to water production within 5 years

3 結 論

采用TOUGH+HYDRATE 數值模擬工具探究儲層溫度、壓力、滲透率、孔隙度等6 個儲層參數變化對水合物開采過程的影響程度。以單次單因子敏感度分析方法和水合物開采評價指標為依據，定性討論了儲層參數變化與水合物開采潛力之間的關系，同時，對影響水合物開采潛力的重要參數進行定量計算。主要得到以下結論：

（1）定量分析發(fā)現，儲層溫度與分解氣量和產氣量之間有較強的相關性；當水合物儲層壓力增大時，水合物分解氣體體積隨之減小，壓力變化對水合物分解氣體量的影響較大，儲層壓力的增大使得產氣量增大，而在長期開采中，儲層壓力的變化對水合物產氣量基本無影響，儲層壓力與產水量之間呈線性增加的關系；水合物分解氣量、總產氣量與孔隙度之間呈負相關，在后期開采中孔隙度與分解氣體量，產氣量之間的相關性趨勢減小；在整個開采周期中，滲透率對水合物開采有明顯的影響；短期開采中，水合物飽和度越大不利于水合物分解，使得分解氣體體積與產水量隨水合物飽和度的增大而減小，在長期開采中飽和度對產氣量幾乎沒有影響；短期開采中，水合物厚度越大反而不利于水合物分解，但地層厚度大使水合物分解量增大。

（2）定性計算發(fā)現，水合物層初始溫度、壓力和滲透率是影響水合物早期分解的三個關鍵參數，地層厚度對水合物后期分解影響程度最大；水合物層初始溫度與壓力對前期產氣量的影響貢獻大；水合物地層壓力、滲透率以及水合物飽和度是影響水合物前期產水量的重要參數，而在開采后期，地層溫度影響增大；無論是以哪一開采指標作為水合物開采潛力的評價標準，水合物地層溫度、地層壓力以及絕對滲透率是三個至關重要的地質參數。