卓魯斌 于 璟 張宏源 周翠平

中國石油集團工程技術(shù)研究院有限公司

0 引言

目前天然氣水合物（以下簡稱水合物）藏的開發(fā)方法大致可以分為降壓法、熱刺激法、注化學(xué)劑法以及CO2置換法，其中降壓法投入最低，是目前最有可能實現(xiàn)商業(yè)化的開發(fā)方法[1-4]。我國在南海北部神狐海域先后成功實施兩次試采工作，實現(xiàn)了從“探索性試采”向“試驗性試采”的重大跨越，也驗證了降壓法開發(fā)南海水合物藏的技術(shù)可行性[5-6]。

水平井可以有效擴大井筒與水合物藏的接觸長度，加速氣和水的產(chǎn)出從而更快地實現(xiàn)降壓，我國第二次試采采用水平井降壓開采，獲得2.87×104m3的日產(chǎn)氣量，證明了水平井降壓開采水合物藏的有效性。此外，國內(nèi)外學(xué)者針對水平井降壓開采水合物藏也開展了部分研究工作，Moridis等[7]采用TOUGH＋HYDRATE軟件對阿拉斯加北坡水合物藏水平井降壓開發(fā)的效果進行了數(shù)值模擬研究，結(jié)果表明水平井相對于直井可獲得更高的產(chǎn)氣速率，但由于水平井的鉆井和操作費用高于直井，因而其適應(yīng)性有待進一步評估；Li等[8]針對祁連山凍土區(qū)水合物藏進行了水平井降壓開發(fā)的數(shù)值模擬研究，結(jié)果表明降壓前期的產(chǎn)氣量明顯高于降壓后期，由于凍土區(qū)水合物藏的溫度較低，可用于分解的熱能較少，因而總體而言產(chǎn)氣能力較低；Yu等[9]針對日本南開海槽水合物藏開展了水平井降壓和注熱數(shù)值模擬研究，結(jié)果表明單一水平井降壓開發(fā)時，水平井位于儲層上部有利于利用底蓋層中流體的熱能促進水合物分解，且降壓和注熱相結(jié)合可以更好地提高水合物藏的開發(fā)效果；李剛等[10]以南海北部神狐海域水合物藏的地質(zhì)參數(shù)為基準(zhǔn)，建立了數(shù)值模擬模型并對水平井降壓開發(fā)的效果進行了模擬，發(fā)現(xiàn)水合物的分解區(qū)域主要為井周附近且產(chǎn)氣量在降壓約1年后可達最大值；申志聰?shù)萚11]建立了含有游離氣層的Ⅰ類水合物藏數(shù)值模擬模型，并采用TOUGH＋HYDRATE模擬器對比了水平井和直井的開發(fā)效果，結(jié)果表明采用水平井開發(fā)時，游離氣的向上運移不僅可以提高產(chǎn)氣速率，同時氣體中蘊含的熱能可有效促進水合物的分解，提高水合物藏的開發(fā)效果。雖然上述理論研究均表明水平井在水合物藏開發(fā)中具有很大的潛力，但目前的研究主要集中在生產(chǎn)動態(tài)的變化規(guī)律分析等方面，水平井長度對水合物降壓開發(fā)效果的影響尚缺少系統(tǒng)的實驗和理論研究。為此，筆者采用自行設(shè)計的水合物開采模擬實驗裝置，對比了不同長度水平井降壓開發(fā)水合物藏過程中，產(chǎn)氣產(chǎn)水和溫度壓力的變化規(guī)律，在此基礎(chǔ)上采用TOUGH＋HYDRATE軟件對實驗動態(tài)進行了擬合，進而分析了水合物的分解規(guī)律，研究內(nèi)容旨在為我國水合物藏的合理開發(fā)提供技術(shù)和理論支撐。

1 實驗設(shè)備及方法

1.1 實驗設(shè)備

圖1為自行設(shè)計的實驗裝置流程圖。該裝置主要包括注入系統(tǒng)、恒溫系統(tǒng)、采集系統(tǒng)、水合物藏模擬系統(tǒng)等，其中注入系統(tǒng)主要包括ISCO驅(qū)替泵和裝有水、高壓甲烷的中間容器，其作用為向水合物藏模擬系統(tǒng)中注入水合物生成所需的甲烷氣和水。恒溫系統(tǒng)采用高低溫恒溫箱，恒溫精度為±0.5 ℃。采集系統(tǒng)主要包括與水合物藏模擬系統(tǒng)底部相連的測溫和測壓探頭、可實時測量燒杯中產(chǎn)出液質(zhì)量的高精度天平、信號收集箱以及計算機等。

圖1 實驗裝置流程圖

水合物藏模擬系統(tǒng)是該系統(tǒng)的核心裝置，圖2為水合物藏和水平井模型的實物圖以及水合物藏模型底部的孔眼分布。水合物藏模型內(nèi)槽尺寸為20 cm×20 cm×6 cm，由于模型的材質(zhì)為不銹鋼，其熱傳導(dǎo)率較大，前期探索性實驗結(jié)果表明實驗過程中沿模型頂?shù)椎臒崮軅鬟f對開發(fā)效果的影響較大。在進行稠油熱采實驗時陶泥常被作為頂?shù)咨w層的模擬材料并表現(xiàn)出了良好的隔熱效果[12-13]，為此本模型在頂?shù)赘麂佒埔粚雍穸燃s為1 cm的不滲透陶泥，模型的實際可填砂厚度約為4 cm。此外，為了降低四周壁面的傳熱并防止氣水沿光滑壁面竄流，模型四周采用玻璃膠進行了粗糙化處理。

圖2 模型實物圖及孔眼分布圖

水合物藏模型底部的孔眼可作為溫壓測點和注采點（圖2-b），其中2號、4號和5號孔眼為溫度測點，6號、7號和9號孔眼為壓力測點，其余孔眼為注采孔眼。測溫和測壓探頭通過信號收集器與計算機相連，用來記錄各測點在降壓開發(fā)過程中的溫度和壓力變化。水平井模型為外徑6 mm的不銹鋼管柱（圖2-a），通過打孔模擬井筒射孔，水平井段距離與其平行的模型側(cè)邊的距離為10 cm，即水平井位于水合物藏模型的中心位置處。為了對比水平井長度對開發(fā)效果的影響，制作了6 cm、10 cm、14 cm三種不同射孔長度的水平井模型?？啥x無因次水平井長度為：

式中LD表示無因次水平井長度，為水平井射孔段長度占單井控制區(qū)域沿水平井方向長度的百分比，由于水合物藏模型沿水平井方向的長度為20 cm，因而6 cm、10 cm、14 cm三種射孔段長度水平井模型所對應(yīng)的無因次水平井長度分別為0.3、0.5和0.7；Lw表示水平井射孔段長度，cm；Lm表示水合物藏模型長度，cm。

1.2 實驗材料及步驟

實驗用水為去離子水，實驗用氣為純度99.9%的甲烷氣，水合物藏模型采用140目石英砂填制。實驗具體操作步驟如下：

1）采用石英砂進行模型充填，采用多點輪換注入的方式對水合物藏模型飽和水，根據(jù)進水量計算模型孔隙度，其中多點輪換注入方式的具體做法為：首先采用圖2-b中的孔眼1作為注入點，孔眼10為產(chǎn)出點，當(dāng)孔眼10無氣體產(chǎn)出時，關(guān)閉孔眼10并打開孔眼3繼續(xù)驅(qū)替，當(dāng)孔眼3無氣體產(chǎn)出時關(guān)閉孔眼3并打開孔眼8繼續(xù)驅(qū)替，當(dāng)孔眼8無氣體產(chǎn)出時將注入點變換至孔眼8、孔眼10或孔眼3并參照上述方法繼續(xù)進行驅(qū)替，當(dāng)4個注采孔眼均輪換完成后飽和結(jié)束。

2）采用多點輪換注入的方式注入甲烷氣并驅(qū)替出部分水，然后封閉出口端注入高壓氣將模型壓力上升至13 MPa。

3）關(guān)閉入口端并將恒溫箱溫度設(shè)定為8 ℃進行水合物生成，通過溫度和壓力數(shù)據(jù)變化監(jiān)測水合物的生成狀況。

4）當(dāng)系統(tǒng)壓力不再變化時認(rèn)為水合物已經(jīng)生成完畢，回壓閥設(shè)置為13 MPa，注水驅(qū)替模型中剩余的自由氣，當(dāng)多點輪換注入均無氣產(chǎn)出時可認(rèn)為模型中的自由氣已被完全采出，關(guān)閉注入端靜置24 h并按照本文參考文獻[2]中的方法計算模型中水合物和水的飽和度。

5）調(diào)節(jié)回壓閥的壓力值為3 MPa，打開位于水合物藏中部的模擬井進行水合物分解實驗，其中模擬井為圖2-a中所展示的外徑為6 mm的鋼制打孔管柱。實驗過程中模擬井纏繞鐵砂網(wǎng)進行防砂。

6）當(dāng)產(chǎn)氣和產(chǎn)水速率較低時實驗停止，降壓升溫使得水合物全部分解并排出模型中的剩余氣體。

2 實驗結(jié)果分析

實驗采用3種射孔段長度的水平井模型成功開展降壓開發(fā)實驗3組，各組實驗所對應(yīng)的水合物模型基本物性參數(shù)如表1所示。從表1可以看出，各組填砂模型的孔隙度和水合物飽和度較為接近，具有良好的可對比性。水合物藏模型的絕對滲透率無法直接進行測量，因而采用水合物藏模型所采用的140目石英砂對一維填砂管進行填砂，并盡量保證填砂管與水合物藏模型具有相似的石英砂壓實程度，通過水驅(qū)實驗測得滲透率約為0.34 μm2。

表1 降壓開采實驗基本物性參數(shù)表

2.1 產(chǎn)氣動態(tài)對比

圖3和圖4分別為3組實驗的產(chǎn)氣速率和累計產(chǎn)氣量對比，圖5和圖6分別為產(chǎn)水速率和累計產(chǎn)水量對比。從圖3、5可以看出，產(chǎn)量的劇烈變化主要發(fā)生在實驗前期，為了更加直觀地展示產(chǎn)氣和產(chǎn)水速率在實驗前期的變化規(guī)律，圖3和圖5中對15 min內(nèi)的產(chǎn)氣和產(chǎn)水曲線進行了局部放大。從局部放大圖中可以看出，3組實驗均表現(xiàn)為產(chǎn)氣速率快速上升，到達峰值后震蕩式下降的趨勢，而產(chǎn)水量則是在降壓初期獲得峰值后快速下降，當(dāng)產(chǎn)水量較低時保持不規(guī)律的上下波動。這主要是因為模型的初始壓力較高，可動水處于高壓狀態(tài)，當(dāng)實驗開始后，可動水首先呈噴涌狀產(chǎn)出，同時伴隨著模型壓力的快速下降，近井地帶水合物大量分解，分解后孔隙度和滲透率的上升則可進一步促進分解氣的產(chǎn)出。此外水合物的分解是一個吸熱反應(yīng)，由于沒有穩(wěn)定的熱源供給，水合物分解速度快速降低，因而產(chǎn)氣量到達峰值后也快速下降。

圖3 產(chǎn)氣速率對比圖

圖4 累計產(chǎn)氣量對比圖

圖5 產(chǎn)水速率對比圖

圖6 累計產(chǎn)水量對比圖

無因次水平井長度LD為0.7、0.5和0.3時所對應(yīng)的峰值產(chǎn)氣速率分別為3 122 mL/min、2 640 mL/min和2 300 mL/min，到達產(chǎn)氣峰值的時間分別為2分40秒、4分50秒以及6分20秒。這說明水平井長度越大，其產(chǎn)氣峰值越高，到達產(chǎn)氣峰值所需要的時間也越短。這主要是由于水平井可以有效增大泄水和泄氣面積，因而降壓開始后水平井長度最大的方案可以獲得最高的初始產(chǎn)水速率（圖5），對應(yīng)的模型降壓速度和水合物的分解速度也最大，同時分解氣需運移至射孔段并被采出，水平井長度越長，其泄氣面積越大，分解氣的產(chǎn)出速率也越快。然而，從圖3所示的局部放大圖可以看出，LD為0.7的方案其產(chǎn)氣速率在達到峰值后快速降低，且在6～12 min時其產(chǎn)氣速率低于其他方案，而與之相反，LD為0.3的方案雖然在開發(fā)初期產(chǎn)氣速率上升較慢，但在該階段其產(chǎn)氣速率最高。這說明較長的水平段雖然可以獲得較高的初期產(chǎn)氣速度，但在無持續(xù)熱能供應(yīng)的情況下，可分解的水合物總量是有限的，因而較高的峰值產(chǎn)量往往對應(yīng)著更快的產(chǎn)量遞減速度。

從圖4和圖6可以看出，水平井段越長累計產(chǎn)氣量和累計產(chǎn)水量也越高，實驗結(jié)束時LD為0.7、0.5和0.3所對應(yīng)的累產(chǎn)氣量分別為20 749 mL、19 865 mL和17 221 mL，對應(yīng)的累產(chǎn)水量分別為201 mL、194 mL和178 mL。假設(shè)實驗結(jié)束時整個模型內(nèi)的壓力均已降至3 MPa，則根據(jù)表1中各組實驗的基本參數(shù)以及圖3至圖6中的產(chǎn)量數(shù)據(jù)，采用體積守恒方法[14]可計算得到LD為0.7、0.5和0.3所對應(yīng)的水合物分解率（分解的水合物量與初始水合物量之比）分別為0.67、0.63和0.58。

2.2 溫度和壓力變化規(guī)律

圖7為3組實驗的溫度和壓力變化規(guī)律的對比。由于模型尺度較小，溫度和壓力傳播速度較快，因而與水平井較為接近的各測點的溫壓變化差異較小。為了體現(xiàn)出溫度和壓力的變化過程，選取位于水合物藏模型側(cè)邊附近的溫度測點2和壓力測點數(shù)據(jù)9進行不同方案的溫度和壓力數(shù)據(jù)對比。同時，溫度和壓力變化數(shù)據(jù)在實驗開始15 min后趨同，壓力均降至回壓閥設(shè)定壓力3 MPa左右，而溫度則降至3 MPa所對應(yīng)的平衡溫度1.5 ℃附近，因而圖7中僅展示了降壓開始后15 min內(nèi)的測點溫度和壓力對比。從圖7可以看出，壓力曲線表現(xiàn)為明顯的三段式特征，即快速下降段、緩慢下降段和平穩(wěn)段。降壓開始后由于自由水的大量產(chǎn)出壓力快速降低至5 MPa左右，同時水平井長度越大，降壓速度越快。隨著自由水產(chǎn)出速度的降低和水合物的快速分解，測點壓力下降速度變緩并最終降至設(shè)定壓力左右。相比于壓力的急劇變化，溫度的變化則相對平緩，測點溫度從初始環(huán)境溫度8 ℃逐漸降低到1.5 ℃左右。水平井長度越大，降壓速度越快，因而水合物的分解速度和溫度的下降速度也越快。

圖7 溫度和壓力變化規(guī)律對比圖

3 基于數(shù)值模擬的水合物分解規(guī)律分析

3.1 數(shù)值模擬模型的建立及歷史擬合

室內(nèi)實驗雖然可以更加真實地反映水合物的分解規(guī)律和氣水產(chǎn)出規(guī)律，但由于監(jiān)測手段和實驗誤差的限制，物理場的時變特征尤其是水合物飽和度的變化規(guī)律難以準(zhǔn)確獲得。而數(shù)值模擬技術(shù)具有費用低、速度快、模擬結(jié)果直觀等特點，可一定程度上彌補室內(nèi)實驗的缺陷[15-16]。TOUGH＋HYDRATE是美國勞倫茲伯克利國家實驗室推出的一款水合物藏開發(fā)數(shù)值模擬器，目前已被廣泛應(yīng)用于水合物藏的開發(fā)機理分析、優(yōu)化方案制訂等方面[17-18]。為了進一步研究水平井長度對降壓開發(fā)過程中水合物飽和度變化規(guī)律的影響，筆者首先建立實驗室尺度數(shù)值模擬模型，然后在產(chǎn)氣量擬合的基礎(chǔ)上分析不同長度水平井降壓開發(fā)時水合物的分解規(guī)律。

模型采用21×21×21的網(wǎng)格體系，平面上采用等間距網(wǎng)格，單個網(wǎng)格步長為0.95 cm，垂向上第一層和最后一層的厚度均為1 cm，用于模擬頂?shù)咨w層，水合物藏部分細(xì)分為19個垂向網(wǎng)格，單個網(wǎng)格厚度為0.21 cm。頂?shù)咨w層的孔隙度設(shè)定為0.01，滲透率為0，考慮到三次實驗中模型的孔隙度和水合物飽和度差異較小，為了使得后續(xù)的機理分析更具對比性，數(shù)值模擬模型中水合物層的孔隙度及水合物飽和度按照室內(nèi)實驗實測參數(shù)的平均值進行初始化。采用動力學(xué)模型精細(xì)模擬水合物的分解動態(tài)，相對滲透率模型采用修正的Stone模型[19]，即：

式中krw表示水相相對滲透率，無量綱；krg表示氣相相對滲透率，無量綱；Sw表示含水飽和度，無量綱；Sg表示含氣飽和度，無量綱；Sirw表示束縛水飽和度，無量綱；Sirg表示束縛氣飽和度，無量綱；nw表示水相相滲指數(shù)，無量綱；ng表示氣相相滲指數(shù)，無量綱。

毛細(xì)管力模型采用van Genuchten模型[20]，其表達式為：

式中pcap表示毛細(xì)管力，Pa；pco表示毛細(xì)管力基準(zhǔn)值，Pa；λ表示毛細(xì)管力指數(shù)。

采用EPM（Evolving Porous Medium）模型表征水合物生成和分解對滲透率所造成的影響，其表達式為：

式中k表示含水合物時多孔介質(zhì)的絕對滲透率，μm2；k0表示水合物完全分解后多孔介質(zhì)的絕對滲透率，μm2；表示含水合物時多孔介質(zhì)的孔隙度，無量綱；c表示臨界孔隙度，即多孔介質(zhì)滲透率降低為0時的孔隙度，無量綱；0表示水合物完全分解后多孔介質(zhì)的孔隙度，無量綱；n表示絕對滲透率指數(shù)，無量綱，其表征水合物分解對滲透率的影響程度，n值越大，則絕對滲透率隨水合物飽和度增加而降低的速度越快。參照J(rèn)i等[21]和Phirani等[22]的研究結(jié)果，本文中c取值0.1，n取值3。

主要通過調(diào)整相對滲透率曲線、毛細(xì)管力曲線的參數(shù)值以及小幅調(diào)整熱物性參數(shù)的方式對實驗得到的產(chǎn)氣量進行歷史擬合，表2為TOUGH＋HYDRATE軟件中的主要參數(shù)取值，圖8為產(chǎn)氣量的歷史擬合結(jié)果。從圖8可以看出，雖然局部實驗數(shù)據(jù)存在偏差，但實驗的整體趨勢擬合較好，模型可用來進行后續(xù)的機理分析。

表2 數(shù)值模擬模型主要參數(shù)表

圖8 產(chǎn)氣速率擬合結(jié)果圖

3.2 水合物分解規(guī)律分析

由于模型尺度較小，壓力和溫度的變化規(guī)律較為簡單，即模型的壓力在短時間內(nèi)降低至設(shè)定壓力附近，而溫度則在較短的時間內(nèi)降低至設(shè)定壓力所對應(yīng)的平衡溫度附近（圖7），因而本部分主要在歷史擬合的基礎(chǔ)上對飽和度場進行分析。圖9為不同水平井長度時水合物飽和度的分布對比，其中5 min代表降壓開發(fā)前期，而60 min代表降壓開發(fā)后期，水平井在圖中用黑色線條表示。從圖9可以看出，各方案的水合物飽和度場的分布規(guī)律較接近，即水平井處水合物飽和度最低，其次為頂?shù)咨w層處，其余位置水合物飽和度則較高。這主要是因為水平井處壓力最低，因而水合物分解速度最快，而接近上下頂?shù)咨w層處的水合物則可以吸收頂?shù)咨w層中的熱能用于水合物分解。從圖9-a中可以看出，水平井長度越大，低水合物飽和度的區(qū)域也越大，這說明較長的水平段有利于擴大水合物的分解區(qū)域。但同時從圖9-b中可以看出，由于沒有熱能供給，降壓開發(fā)后期水合物藏中仍然有大量的剩余水合物未被分解，因而有必要轉(zhuǎn)變開發(fā)方式，進一步促進水合物分解，提高開發(fā)效果。圖10為不同水平井長度時的含氣飽和度分布對比，可以看出，水平井長度越大，降壓開發(fā)前期的含氣飽和度也越高，這說明長水平段所導(dǎo)致的快速降壓可以大大加速水合物的分解速度。同時從圖10-b中可以看出，降壓開發(fā)后期水合物藏頂部的含氣飽和度仍然較高，這說明由于蓋層傳熱和氣水重力差的影響，水合物藏降壓開發(fā)容易產(chǎn)生次生氣頂，因而水平井鉆井位置位于水合物藏上部時有利于降低分解氣的超覆，提高分解氣產(chǎn)量。

圖9 水合物飽和度分布對比圖

圖10 含氣飽和度分布對比圖

4 結(jié)論

1）對于水和水合物共存的水合物藏，高壓可動水在降壓初期大量產(chǎn)出，同時地層壓力快速下降，水合物大量分解。在降壓開發(fā)后期由于沒有穩(wěn)定的熱源供給，水合物分解速度快速降低，產(chǎn)氣量呈現(xiàn)初期快速上升到達峰值后震蕩式下降的趨勢；

2）水平井可以有效增大泄水和泄氣面積，因而水平井長度越大，降壓速度越快，對應(yīng)的產(chǎn)氣峰值越高，到達產(chǎn)氣峰值所需要的時間也越短。但在沒有熱源供應(yīng)的情況下，可分解的水合物總量有限，因而水平井段越長產(chǎn)量遞減速度也越快；

3）數(shù)值模擬結(jié)果表明水平井段附近地層為低水合物飽和度區(qū)，因而長水平段有利于擴大水合物的分解區(qū)域。但降壓開發(fā)后期儲層溫度已降至平衡溫度附近，水合物分解速度減慢，水合物藏中仍然殘存大量未分解水合物，有必要轉(zhuǎn)變開發(fā)方式，進一步利用長水平段的優(yōu)勢提高水合物的分解量和開發(fā)效果；

4）蓋層中所包含的熱能可促進水合物的分解，同時由于氣水重力差的影響，水合物藏降壓開發(fā)過程中易在頂蓋層附近形成次生氣頂，因而水平井打井位置靠近水合物藏上部有利于降低分解氣的超覆，提高產(chǎn)氣量。