張冠華，刁雨薇，劉 航

(1 延長(zhǎng)油田股份有限公司寶塔采油廠,陜西延安 716005；2 中圣環(huán)境科技發(fā)展有限公司,陜西西安 710077；3 西北大學(xué),陜西西安 716900)

天然氣水合物是一種儲(chǔ)量大、分布廣的新型清潔資源,是一種重要的替代能源。天然氣水合物的儲(chǔ)量是現(xiàn)有化石燃料總碳含量的兩倍。天然氣水合物是天然氣和水在高壓、低溫下形成的冰狀結(jié)晶物質(zhì),又稱(chēng)可燃冰,是一種亞穩(wěn)礦物[1-4]。NGН 2 ОTC-28806-MS 在大陸永久凍土和大陸斜坡沉積底板中以固體形式沉積。在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下,單位體積的天然氣水合物分解可產(chǎn)生多達(dá)164單位的甲烷氣體。天然氣水合物是目前公認(rèn)的具有廣闊前景的重要后續(xù)能源,對(duì)緩解能源危機(jī)具有重要作用。根據(jù)以往的研究,天然氣水合物生產(chǎn)過(guò)程中沒(méi)有考慮水錐進(jìn)問(wèn)題。數(shù)值模擬結(jié)果表明,在常規(guī)降壓方式下,水錐發(fā)生。在同一模型下,分別采用DWS 法和DWS 加熱注入法,避免了堵水問(wèn)題。最后,通過(guò)產(chǎn)氣量和產(chǎn)水量的對(duì)比,驗(yàn)證了DWS 法能否有效提高天然氣水合物的回收率。

1 試驗(yàn)方法

在有底水存在的情況下,當(dāng)井筒周?chē)奶烊粴馑衔锓纸馍蓵r(shí),天然氣水合物層以下的底水可能突破進(jìn)入水合物層,生成大量的水而不是天然氣。在這種情況下,可以使用DWS 完井(方法)來(lái)避免水錐進(jìn)。

DWS 完井技術(shù)是一種正在發(fā)展中的針對(duì)存在水錐問(wèn)題的油藏開(kāi)發(fā)技術(shù)。其基本思想是在油層和水層分別進(jìn)行射孔完井,封隔器在井底隔離。在ОWC 上方,石油被開(kāi)采到地表；同時(shí),在ОWC 下方,水被排出。將排水速度調(diào)整到生產(chǎn)速度,使頂部完井時(shí)的含水率大大降低或完全消除。此外,排出的水可能不會(huì)開(kāi)采到地表,而是在同一口井中注入更深的處置區(qū)。自1991 年以來(lái),人們從理論和實(shí)驗(yàn)上研究了DWS 井的操作和設(shè)計(jì)原理,最近的研究主要集中在DWS 與常規(guī)完井的比較上。研究表明,DWS 井在水錐反轉(zhuǎn)和較高采油速度方面表現(xiàn)更好[5-7]。1994 年,亨特石油公司成功地首次在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施DWS 后,其他幾家公司在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試了該技術(shù),并報(bào)告了良好的結(jié)果。1997 年,成立了一個(gè)聯(lián)合工業(yè)LSU 聯(lián)盟,即井下水沉技術(shù)倡議,并一直致力于研究和DWS 技術(shù)轉(zhuǎn)讓。

2 建立模型

利用CMG 星建立了仿真模型。STARS(Steam-Thermal and Advanced Process Reservoir Simulator)是計(jì)算機(jī)模擬集團(tuán)有限公司開(kāi)發(fā)的新一代油藏模擬器,用于模擬三相多組分流體的流動(dòng)。STARS 可用于模擬成分、蒸汽、地質(zhì)力學(xué)、分散組分(聚合物、凝膠、細(xì)粉、乳液和泡沫)和原位燃燒過(guò)程。STARS 使用了一個(gè)離散化的井筒模型,該模型通過(guò)對(duì)井筒進(jìn)行離散化并同時(shí)解決由此產(chǎn)生的井筒和油藏流動(dòng)耦合問(wèn)題來(lái)改進(jìn)建模。局部網(wǎng)格細(xì)化可應(yīng)用于笛卡爾坐標(biāo)系、柱面坐標(biāo)系和混合坐標(biāo)系,以盡可能接近地質(zhì)模型。組分之間的化學(xué)反應(yīng)也可以用固定速率的依賴(lài)關(guān)系來(lái)描述[8]。

仿真模型如圖1 所示。模型尺寸為500m×500m ×150m,網(wǎng)格數(shù)為50×50×24。所有網(wǎng)格在i、j 方向上尺寸相同,均為10m；在k 方向上,前3 層和后3 層網(wǎng)格尺寸均為10m,其余各層網(wǎng)格尺寸均為5m,前3層和后3 層為孔隙度和容限均為零的上覆地層。在儲(chǔ)層(4～21 層)中,前8 層為天然氣水合物層,其余10層為水層。

圖1 三維模擬模型和中間的生產(chǎn)井示意圖Fig.1 Three dimensional simulation model and production well diagram in the middle

該模型考慮了三種生產(chǎn)情景。第一種情況是使用普通降壓方法生產(chǎn)天然氣水合物；在中心點(diǎn)放置一口名為“pro”的生產(chǎn)井,從第4 層到第11 層射孔,井底壓力為1000 kPa。第二種情況是采用DWS 降壓方法,在天然氣水合物層和水層中對(duì)該井進(jìn)行雙重完井,在模擬中,將兩口生產(chǎn)井置于中心位置,以模擬雙重完井效果；“pro”井的射孔方式與方案一(主要產(chǎn)氣)中的射孔方式相同,而方案二(主要產(chǎn)氣)中的射孔方式相同名為“prow”的井孔位于水層頂部,即第14 層至第17 層,主要產(chǎn)水；“pro”井底壓力為1000kPa,“prow”井底壓力為3000kPa；“prow”在模擬開(kāi)始時(shí)關(guān)井,550 天底水破入天然氣水合物層時(shí)開(kāi)啟。第三種方案是DWS 法和熱注入法相結(jié)合,在第二種方案的基礎(chǔ)上增加1.296×107J/ 天熱源。模擬時(shí)間為0～900 天。

3 結(jié)果與討論

3.1 水合物飽和度分布

900 天模擬結(jié)果的水合物飽和度分布如圖2 所示。結(jié)果表明,DWS 法與熱注法相結(jié)合的水合物分解面積最大,DWS 法次之,普通降壓法最小,這一結(jié)果說(shuō)明了DWS 法能有效促進(jìn)水合物的分解,特別是當(dāng)DWS 與熱注法相結(jié)合的時(shí)候。

圖2 三種方法900 天天然氣水合物飽和度分布比較Fig.2 Comparison of 900 day gas hydrate saturation distribution of three methods

3.2 含水飽和度分布

900 天模擬結(jié)果的含水飽和度分布如圖3 所示。在所有三種方法中,水在550 天時(shí)就會(huì)產(chǎn)生突破,從圖中很明顯,常規(guī)降壓方法會(huì)產(chǎn)生水錐,從而顯著降低天然氣產(chǎn)量(如圖4 所示)。而在另外兩種方法中,DWS 井從550 天的水層開(kāi)始產(chǎn)水,通過(guò)比較圖3 中常用的降壓方法和DWS 方法,可以看出DWS 方法抑制了水錐進(jìn),這意味著DWS 可以控制水錐進(jìn),從而提升天然氣水合物的產(chǎn)收率。

圖3 三種方法900 天含水飽和度分布比較Fig.3 Comparison of 900 day water saturation distribution of three methods

圖4 常用降壓方法的氣速Fig.4 Gas velocity of common depressurization methods

這三種方法的最終產(chǎn)氣量如圖5 所示。從圖中可以看出,組合法最高產(chǎn)氣量為1.69681×107m3,DWS 法次之,為1.66912×107m3,普通法最低,為1.23884×107m3,以上結(jié)果說(shuō)明DWS 降壓與注熱相結(jié)合的方法能有效地提高天然氣水合物的采收率。

圖5 常用降壓方法的最高產(chǎn)氣量Fig.5 Maximum gas production of common depressurization methods

圖6 顯示了三種方法的產(chǎn)水率。由于“船頭”是開(kāi)放的,因此采用DWS 方法的模型可以有效地抑制水錐進(jìn)現(xiàn)象,而采用DWS 方法的模型產(chǎn)水率則遠(yuǎn)低于常規(guī)降壓方法。兩種降壓方法的氣水比對(duì)比如圖7 所示,可以看出,采用DWS 方法的模型比采用普通降壓方法的模型產(chǎn)氣量大,產(chǎn)水量少。

圖6 三種方法的產(chǎn)水率Fig.6 Water production rate of three methods

圖7 三種方法的氣水比Fig.7 Gas water ratio of three methods

4 結(jié)論

本文主要討論了常用降壓法、DWS 降壓法和DWS與熱注相結(jié)合的三種天然氣水合物開(kāi)采方法。根據(jù)試驗(yàn)所建立的仿真模型研究結(jié)果,可以得出如下結(jié)論:

(1)如果天然氣水合物儲(chǔ)層以下存在底水,根據(jù)模型預(yù)測(cè)的結(jié)果,可能會(huì)有水錐進(jìn)的發(fā)生,進(jìn)而導(dǎo)致天然氣產(chǎn)量降低。

(2)天然氣水合物的采收率是由產(chǎn)氣率和產(chǎn)水率決定的,采收率高的產(chǎn)氣率高而產(chǎn)水率低,根據(jù)研究結(jié)果,得出三種方法對(duì)天然氣水合物采收率的大小關(guān)系是:DWS 與熱注法相結(jié)合>DWS 降壓法>常規(guī)降壓法。

(3)DWS 降壓可以有效地控制水錐進(jìn),提高天然氣產(chǎn)量。由于注熱可加速水合物的分解,因此采用組合法可進(jìn)一步提高天然氣產(chǎn)量。