吳學(xué)震，葉鴻宇，李大勇，蔣宇靜，王 渠

(1. 福州大學(xué) 土木工程學(xué)院，福建 福州 350116; 2. 中國(guó)石油大學(xué)(華東) 儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院，山東 青島 266580; 3. 日本長(zhǎng)崎大學(xué) 工學(xué)研究科，日本 長(zhǎng)崎 852-8521; 4. 山東科技大學(xué) 礦山災(zāi)害預(yù)防控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(培育)，山東 青島 266590)

天然氣水合物(以下稱(chēng)水合物)是一種清潔的綠色能源，主要蘊(yùn)藏于海底沉積物和陸地永久凍土層中，可滿(mǎn)足人類(lèi)未來(lái)1 000年的能源需求[1]。在能源短缺和環(huán)境問(wèn)題日益嚴(yán)峻的今天，若能夠?qū)崿F(xiàn)天然氣水合物的大規(guī)模開(kāi)采，將對(duì)緩解當(dāng)前能源危機(jī)及改善居住環(huán)境具有重要的戰(zhàn)略意義。目前，全球已有多個(gè)國(guó)家參與天然氣水合物的勘探與開(kāi)采，但就現(xiàn)有技術(shù)條件下，其產(chǎn)能距商業(yè)化開(kāi)采門(mén)檻仍然有2～3個(gè)數(shù)量級(jí)的差距[2]。

大量的室內(nèi)試驗(yàn)、數(shù)值模擬和實(shí)地試采結(jié)果表明，降壓法、注熱法、置換法、抑制劑法和固態(tài)流化法等是實(shí)現(xiàn)海域天然氣水合物開(kāi)采的潛在途徑，其中降壓法被認(rèn)為是最經(jīng)濟(jì)、最有效的方法，可能是實(shí)現(xiàn)海域天然氣水合物商業(yè)化開(kāi)采的最佳途徑[3]。首次海域天然氣水合物試采作業(yè)由日本于2013年在Nankai海槽開(kāi)展，試采因第6天的產(chǎn)砂問(wèn)題而終止，日產(chǎn)量約19 833 m3/d[4]。2017年，日本在相同海域進(jìn)行了第二次試采，但同樣由于井底發(fā)生嚴(yán)重出砂問(wèn)題而被迫切換至第二口開(kāi)采井，兩口井的日產(chǎn)量分別為2 917 m3/d和8 333 m3/d[5]；同一時(shí)期在我國(guó)南海神狐海域，我國(guó)首次實(shí)施海域天然氣水合物試采作業(yè)，采用降壓法開(kāi)采配合水力割縫方法對(duì)儲(chǔ)層進(jìn)行改造，有效提高了試采產(chǎn)量，達(dá)到5 150 m3/d[6]。同年，我國(guó)在南海北部荔灣3站位，利用自主研制技術(shù)、工藝和裝備成功實(shí)施鉆井固態(tài)流化法開(kāi)采，獲得天然氣81 m3[7]。2020年我國(guó)在神狐海域完成水平鉆井技術(shù)，進(jìn)行了第二次降壓試采，實(shí)現(xiàn)30天連續(xù)產(chǎn)氣，共計(jì)產(chǎn)出天然氣約8.6×105m3，是最接近商業(yè)化開(kāi)采門(mén)檻的一次試驗(yàn)[8]。這些試采工程均取得了一定的進(jìn)展，提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。然而，現(xiàn)有試采技術(shù)均處于科學(xué)試驗(yàn)階段，其物料、設(shè)備和人工的綜合成本仍遠(yuǎn)超采集天然氣所創(chuàng)造的價(jià)值，要實(shí)現(xiàn)天然氣水合物長(zhǎng)期、安全、綠色和高效的商業(yè)化開(kāi)發(fā)利用目標(biāo)仍存在著諸多挑戰(zhàn)。

全球90%以上的天然氣水合物賦存于海底黏土質(zhì)粉砂或淤泥質(zhì)沉積物中[9]。我國(guó)在南海北部陸坡開(kāi)展的泥質(zhì)粉砂型天然氣水合物試采獲得成功，證明了賦存于海底黏土質(zhì)粉砂中的沉積物也具備技術(shù)可采性，并且在此試采過(guò)程中已經(jīng)成熟地運(yùn)用了吸力錨技術(shù)，用以提高深水井口的穩(wěn)定性[8]。吸力錨是重要的深海錨泊基礎(chǔ)之一，廣泛應(yīng)用于深海平臺(tái)、海洋浮動(dòng)式結(jié)構(gòu)等，具有安裝簡(jiǎn)便、使用成本低、施工效率高等優(yōu)點(diǎn)，主要適用于黏土型地質(zhì)、細(xì)砂或顆粒層，能承受很高的水平和垂向載荷。其主要安裝過(guò)程為：通過(guò)船用吊機(jī)下放至海床，在其自身重力作用下貫入到一定深度，形成密閉空間，然后通過(guò)潛水泵向外抽水降低其內(nèi)部壓力，在內(nèi)外壓差作用下貫入海床[10-11]。若能將吸力錨的貫入原理運(yùn)用于海上基礎(chǔ)之外，把天然氣水合物開(kāi)采設(shè)備置于其中，將會(huì)產(chǎn)生一種新的開(kāi)采思路。

對(duì)于海域天然氣水合物開(kāi)采新思路的探索，基于原位分解開(kāi)采方式，李守定等[12]提出了氧化鈣原位補(bǔ)熱降壓充填方法，通過(guò)一系列放熱的化學(xué)反應(yīng)防止水合物二次生成，提升水合物分解速率；黎偉等[13]設(shè)計(jì)了蓋頂降壓式海底淺/表層的開(kāi)采裝置，通過(guò)收集罩外殼與外部隔絕，形成一個(gè)密閉空間，然后進(jìn)行區(qū)域內(nèi)降壓或降壓—熱激聯(lián)合開(kāi)采?；诠滔噙\(yùn)輸開(kāi)采方式，徐海良等[14]設(shè)計(jì)的海底采掘車(chē)，采用絞吸式開(kāi)采法將水合物切割破碎成塊后運(yùn)輸至海上平臺(tái)；周守為等[7]進(jìn)一步總結(jié)出固態(tài)流化開(kāi)采方法，除了進(jìn)行過(guò)現(xiàn)場(chǎng)鉆井試開(kāi)采外，對(duì)于固態(tài)流化開(kāi)采工具，王國(guó)榮等[15]研制了射流破碎工具以適用于儲(chǔ)層較薄的工況；宋震等[16]設(shè)計(jì)了變截面?zhèn)闶焦ぞ?，以?shí)現(xiàn)大規(guī)模、大范圍的儲(chǔ)層開(kāi)采，由于裝置要求剛度過(guò)大，又借鑒刨煤機(jī)刨削采煤過(guò)程，參照拉刀結(jié)構(gòu)特點(diǎn)提出一種新的拉削開(kāi)采裝置[17]；張旭輝和魯曉兵[18]提出了機(jī)械—熱聯(lián)合開(kāi)采法，將破碎成小顆粒后的水合物在輸送管道中與一定溫度的海水摻混分解后收集，有效利用海水的熱能，克服常規(guī)開(kāi)采方法中傳熱及開(kāi)采效率慢等問(wèn)題。然而，以目前進(jìn)展來(lái)看，大多對(duì)于天然氣水合物“提產(chǎn)降本”的研究，都是以“井筒”和“機(jī)械車(chē)”或其他構(gòu)造相對(duì)精密的機(jī)械設(shè)備為載體，搭載相關(guān)開(kāi)采設(shè)施進(jìn)入儲(chǔ)層?！熬病钡倪\(yùn)用較為成熟但施工難度大，成本高，以復(fù)雜結(jié)構(gòu)井為例，雖然能夠顯著擴(kuò)大水合物分解面積從而提升產(chǎn)能，但其所帶來(lái)的施工成本提升可能要大于提產(chǎn)所帶來(lái)的效益；“機(jī)械車(chē)”或其他構(gòu)造相對(duì)精密的機(jī)械設(shè)備在深海中對(duì)于裝置的剛度要求極大，目前多數(shù)仍停留在理論研究階段，以“機(jī)械車(chē)”為例，在近千米的深海，外界壓力可達(dá)到10 MPa左右，若裝置剛度和強(qiáng)度無(wú)法滿(mǎn)足要求，小車(chē)局部位置容易癟掉或損壞。在先前的研究中，吳學(xué)震等[19]提出了一種利用自身重力沖擊貫入儲(chǔ)層的鋼制載體，能夠顯著加大降壓幅度，提升水合物分解效率。

結(jié)合海域天然氣水合物降壓開(kāi)采原理和吸力錨的貫入特性，基于傳統(tǒng)作業(yè)方式面臨的深水作業(yè)成本高、井筒結(jié)構(gòu)易損壞及長(zhǎng)期穩(wěn)定開(kāi)采難度大等問(wèn)題，提出了海域天然氣水合物吸力筒式開(kāi)采裝置(suction cylinder-type exploitation device，簡(jiǎn)稱(chēng)SCED)，其依靠吸力和重力作用進(jìn)入儲(chǔ)層，再通過(guò)內(nèi)置開(kāi)采設(shè)備進(jìn)行降壓開(kāi)采。吸力筒式開(kāi)采裝置能實(shí)現(xiàn)更大降壓幅度并且擴(kuò)大水合物分解面積，有望提高原位水合物分解速率。

1 吸力筒式開(kāi)采裝置開(kāi)采工藝

1.1 裝置構(gòu)造

有別于傳統(tǒng)的開(kāi)采方式，SCED的開(kāi)采系統(tǒng)主要由海面處理系統(tǒng)、錨纜系統(tǒng)、輸送管道和吸力筒式開(kāi)采裝置等構(gòu)成(圖1)，不需深海鉆井船等重型設(shè)備，并且根據(jù)不同地質(zhì)條件設(shè)計(jì)了2種SCED的實(shí)施方式(圖2)。整個(gè)系統(tǒng)主要核心有：

圖1 吸力筒式開(kāi)采裝置開(kāi)采整體示意Fig. 1 Overall schematic diagram of the SCED exploitation

圖2 吸力筒式開(kāi)采裝置結(jié)構(gòu)Fig. 2 The structure of SCED

1)開(kāi)采筒。上側(cè)封閉、下側(cè)不封閉的筒形結(jié)構(gòu)，由預(yù)制鋼結(jié)構(gòu)組成，頂部連接纜繩和輸送管道，下側(cè)周?chē)O(shè)有空腔、透水構(gòu)件和防砂裝置等?？涨蛔鳛榻祲洪_(kāi)采的空間；透水構(gòu)件和防砂裝置允許液體和氣體進(jìn)入空腔并過(guò)濾泥砂。

2)沉貫水泵。設(shè)置于開(kāi)采筒頂板，與筒體內(nèi)腔連通，用于排出開(kāi)采筒內(nèi)的液體或向筒內(nèi)泵入液體來(lái)控制筒體內(nèi)外壓差，從而實(shí)現(xiàn)開(kāi)采筒下沉或上浮。

3)氣液舉升系統(tǒng)。主要由舉升動(dòng)力裝置及氣液分離器組成，一端連接空腔，另一端經(jīng)管路向外輸出，能夠?qū)⒖涨恢械囊后w舉升來(lái)降低空腔內(nèi)部壓力，進(jìn)而降低周?chē)貙訅毫Γ龠M(jìn)天然氣水合物分解并在壓差作用下通過(guò)防砂裝置進(jìn)入空腔，然后進(jìn)行舉升以實(shí)現(xiàn)開(kāi)采。

4)噴射鉆進(jìn)系統(tǒng)(備選)。主要由伸縮臂、鉆具、噴射系統(tǒng)和泥漿泵送系統(tǒng)組成，能夠?qū)⑼矁?nèi)包空間中的地層破碎成巖屑，通過(guò)泥漿泵送系統(tǒng)將巖屑泵送到筒的外部，當(dāng)開(kāi)采筒下沉到地層中的預(yù)定位置，控制噴射系統(tǒng)射出固化材料，將筒底封閉以形成封底。

1.2 作業(yè)流程

開(kāi)采裝置的第一種形態(tài)主要適用于天然氣水合物上覆層或儲(chǔ)層較軟的情況，僅通過(guò)吸力和自身重力實(shí)現(xiàn)貫入，其空腔設(shè)置在開(kāi)采筒的豎直筒壁外側(cè)，防砂裝置覆蓋空腔外側(cè)。其主要開(kāi)采步驟為(圖3)：①選定開(kāi)采區(qū)域，將開(kāi)采筒下放，扣在海底；②通過(guò)水泵將開(kāi)采筒內(nèi)的液體向外排出降低筒內(nèi)壓力，開(kāi)采筒在內(nèi)外壓差作用下進(jìn)入指定深度；③通過(guò)氣液舉升系統(tǒng)，將空腔中的液體和/或氣體進(jìn)行舉升，降低壓力，進(jìn)而引起周?chē)貙訅毫档?，促使天然氣水合物分解；④分解形成的水和天然氣在壓差作用下通過(guò)防砂裝置進(jìn)入空腔后，舉升到海面處理系統(tǒng)。

圖3 形態(tài)一開(kāi)采示意Fig. 3 Schematic diagram of the first mode of SCED

開(kāi)采裝置的第二種形態(tài)主要適用于天然氣水合物上覆層或儲(chǔ)層較硬和儲(chǔ)層埋深較大的情況，除利用吸力和重力外，還通過(guò)噴射鉆進(jìn)系統(tǒng)輔助實(shí)現(xiàn)貫入。其主要開(kāi)采步驟與第一種形態(tài)的區(qū)別(圖4)為：在貫入過(guò)程中，噴射鉆進(jìn)系統(tǒng)將內(nèi)包空間中的地層不斷清出筒外，在開(kāi)采筒內(nèi)部形成空腔，防砂裝置設(shè)置在開(kāi)孔處。當(dāng)開(kāi)采筒到達(dá)儲(chǔ)層后，控制噴射系統(tǒng)射出固化材料將筒底封閉，再通過(guò)泥漿泵將空腔內(nèi)的液體向外排，降低空腔內(nèi)部壓力，進(jìn)而引起周?chē)貙訅毫档停瑢?shí)現(xiàn)天然氣水合物分解和開(kāi)采。

圖4 形態(tài)二開(kāi)采示意Fig. 4 Schematic diagram of the second mode of SCED

當(dāng)一定范圍內(nèi)天然氣水合物開(kāi)采完成或者產(chǎn)氣效率降低到一定值以后，可以停止氣液舉升，通過(guò)向開(kāi)采筒內(nèi)泵入水，使開(kāi)采筒內(nèi)壓力大于筒外壓力，在壓差作用和錨纜系統(tǒng)上拉作用下，上升到泥線(xiàn)以上，進(jìn)而將開(kāi)采筒回收或轉(zhuǎn)移到新的開(kāi)采區(qū)域繼續(xù)開(kāi)采。以上內(nèi)容僅列出整個(gè)開(kāi)采系統(tǒng)的核心部分，在實(shí)際運(yùn)用過(guò)程中，還應(yīng)包括動(dòng)力提供裝置、監(jiān)測(cè)控制裝置等配套設(shè)施。

1.3 關(guān)鍵點(diǎn)討論

SCED在理論上有著更高的強(qiáng)度和剛度、更簡(jiǎn)潔的施工方式和流程及更低廉的作業(yè)成本，并期望其能夠具有以下效益：①施工過(guò)程不需要使用深海鉆井船等重型設(shè)備，SCED通過(guò)吸力和重力作用實(shí)現(xiàn)自主貫入安裝，施工周期短、成本低；②當(dāng)天然氣水合物儲(chǔ)層位于較深位置時(shí)，可以將SCED在生產(chǎn)制造過(guò)程中分為多個(gè)預(yù)制管節(jié)，既方便運(yùn)輸，又能夠在海面平臺(tái)逐節(jié)拼裝，從而實(shí)現(xiàn)深層貫入和開(kāi)采；③SCED由預(yù)制鋼結(jié)構(gòu)組成，徹底解決傳統(tǒng)混凝土井筒在地層壓力作用下易損壞坍塌等問(wèn)題，同時(shí)還增強(qiáng)了對(duì)防砂裝置的保護(hù)，減緩了出砂等問(wèn)題，并且可實(shí)現(xiàn)更大幅度的降壓，提高原位開(kāi)采效率；④SCED進(jìn)入儲(chǔ)層的筒徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于井筒套管施工的井徑，大大增加了天然氣水合物分解面積；⑤在開(kāi)采作業(yè)完成時(shí)，可以進(jìn)行回收和重復(fù)利用，進(jìn)一步降低生產(chǎn)成本。然而，一種新方法的提出必然會(huì)帶來(lái)諸多潛在問(wèn)題，扼要分析如下：

1)環(huán)境問(wèn)題。由于新裝置貫入過(guò)程中的速度可控，沒(méi)有大規(guī)模廢液排出，預(yù)計(jì)不會(huì)對(duì)海底地質(zhì)結(jié)構(gòu)、生態(tài)環(huán)境造成大范圍破壞。

2)沉貫問(wèn)題。與吸力錨一樣，若儲(chǔ)層深度過(guò)大，SCED在貫入過(guò)程中同樣要面對(duì)“土塞”現(xiàn)象對(duì)，最終貫入深度造成影響，對(duì)于形態(tài)一，可適當(dāng)增加裝置的長(zhǎng)度以抵消土塞造成的影響，而形態(tài)二由于增設(shè)了噴射鉆進(jìn)系統(tǒng)，無(wú)需考慮“土塞”現(xiàn)象。

3)防砂問(wèn)題。在現(xiàn)有的防砂技術(shù)運(yùn)用中，日本第一次試采采用裸眼礫石充填防砂工藝，但地層出砂，第二次采用井下膨脹篩管防砂系統(tǒng)取得一定的效果；我國(guó)第一次海域試采研發(fā)了TD預(yù)充填防砂管技術(shù)獲得成功，第二次采用新型旁通預(yù)充填篩管，發(fā)揮了疏防結(jié)合的作用。SCED可以視為鋼制套管，筆者認(rèn)為可以將防砂裝置預(yù)制或裝配在套管中。相對(duì)于傳統(tǒng)井筒，預(yù)制鋼結(jié)構(gòu)可以承受更大的地層應(yīng)力，避免井壁破壞導(dǎo)致的防砂裝置失效。

4)回收問(wèn)題。當(dāng)新裝置尺寸較小時(shí)(形態(tài)一)，與現(xiàn)有吸力錨類(lèi)似，讓泵系統(tǒng)反向工作，向筒內(nèi)注水或氣體，使筒內(nèi)部壓力大于外部壓力，配合海上平臺(tái)錨纜拉拔，利用內(nèi)外的正壓力差將其頂出泥面。當(dāng)新裝置尺寸較大時(shí)(形態(tài)二)，由于其自重非常大，單靠壓差和拉拔作用難以完成回收，此時(shí)可以只考慮部分回收。

就現(xiàn)階段而言，SCED的研究關(guān)鍵在于：一是能否與吸力錨一樣順利貫入指定位置；二是能否顯著提高開(kāi)采效率。因此，需要對(duì)新裝置的貫入特性和產(chǎn)能提升情況進(jìn)行分析。

2 吸力筒式開(kāi)采裝置貫入特性分析

2.1 形態(tài)一貫入原理

SCED的沉貫速度與所施加的吸力密切相關(guān)，吸力值設(shè)置太小會(huì)導(dǎo)致其沉貫速度過(guò)慢，施工效益降低；吸力值設(shè)置太大將產(chǎn)生較高的筒內(nèi)土塞，裝置不能到達(dá)預(yù)定位置，且較容易引起儲(chǔ)層內(nèi)部穩(wěn)定性破壞，從而無(wú)法完成開(kāi)采[11]。而在我國(guó)南海海域?qū)嵤┑?次試采中儲(chǔ)藏狀況主要為砂巖、泥巖和泥質(zhì)粉砂[6-8]。因此，在考慮SCED形態(tài)一的沉貫過(guò)程時(shí)，由李大勇等[20]研究公式簡(jiǎn)化后得：

(1)

(2)

(3)

(4)

式(4)表示吸力沉貫，左側(cè)是吸力和有效自身重力之和，右側(cè)為SCED側(cè)向摩阻力和端部阻力之和。其中，s為吸力，kPa；hs為吸力沉貫深度，m；α為孔隙水壓力系數(shù)；h為總沉貫深度，m。為此，根據(jù)區(qū)域鉆探數(shù)據(jù)和SCED的幾何參數(shù)，可以計(jì)算出沉貫所需的吸力s。

按式(1)～(4)計(jì)算本文所采用的兩個(gè)SCED案例，假設(shè)SCED比預(yù)計(jì)沉貫深度高2 m(筒高分別為14 m和80 m)，壁厚0.2 m，平均密度6.5 t/m3，SCED自身質(zhì)量約為410 t和2 350 t。參考神狐海域地質(zhì)數(shù)據(jù)[21]，水合物沉積物的內(nèi)聚力為0.25～0.58 MPa，內(nèi)摩擦角的范圍為23.98°～26.62°，計(jì)算得到沉貫至12 m和78 m大約需要吸力分別為0.37 MPa與2.43 MPa。而s主要由筒內(nèi)外壓力差形成，我國(guó)南海神狐海域的天然氣水合物儲(chǔ)層水深介于900～1 500 m之間，外部壓力可達(dá)10 MPa左右，若排水量充足，則可提供非?？捎^的吸力。值得一提的是，吸力基礎(chǔ)沉貫與SCED沉貫有所不同，前者需要周?chē)馏w保持一定的強(qiáng)度，即保持土體不被破壞，而SCED沉貫則只需貫入即可，因此無(wú)需考慮土體的破壞，可實(shí)現(xiàn)更大內(nèi)外壓差貫入，由于該方案從未有人探索，因此采用上述理論可能偏于保守，具體對(duì)上覆層和儲(chǔ)層的擾動(dòng)有待后續(xù)研究。

2.2 形態(tài)二貫入原理

SCED的形態(tài)二是為天然氣水合物上覆層或儲(chǔ)層較硬和儲(chǔ)層埋深較大的情況設(shè)計(jì)，除利用吸力和重力外，還可通過(guò)噴射鉆進(jìn)系統(tǒng)輔助實(shí)現(xiàn)貫入。在未采用噴射鉆進(jìn)系統(tǒng)輔助時(shí)，其貫入原理與形態(tài)一相似，并可根據(jù)貫入掘進(jìn)方式的不同分為2種沉貫方式：一是“先沉后挖”，在無(wú)法繼續(xù)依靠重力和吸力貫入時(shí)，清空內(nèi)部土體回歸初始狀態(tài)，式(1)～(4)中的深度h也初始至0，周而復(fù)始，達(dá)到預(yù)計(jì)沉貫位置；二是“邊挖邊沉”，在依靠重力和吸力貫入時(shí)，噴射鉆進(jìn)系統(tǒng)同時(shí)進(jìn)行工作，使得筒內(nèi)的土體能夠及時(shí)排出，可以不斷借助自身重力和較小吸力進(jìn)行沉貫。

換言之，形態(tài)二下的SCED可以看成現(xiàn)有多層套管鉆井法的新模式——鋼制單層套管，由預(yù)制鋼結(jié)構(gòu)組成，能夠?qū)崿F(xiàn)大幅度降壓，提高原位水合物分解速率，而現(xiàn)有工程實(shí)例中的井筒主要由高強(qiáng)度混凝土構(gòu)成，所能夠承受的壓差較小，容易造成井筒坍塌破壞。此外，相比多層套管，SCED有著更大的內(nèi)部空間允許放置更多更精密的設(shè)備和管道，此外還有著較大的半徑，能夠擴(kuò)大水合物分解面積，進(jìn)一步促進(jìn)產(chǎn)能的提升。

3 吸力筒式開(kāi)采裝置產(chǎn)能分析

相對(duì)于傳統(tǒng)的海域天然氣水合物井筒式降壓開(kāi)采方法，SCED的主要特征在于其由預(yù)制鋼結(jié)構(gòu)組成，有著更高的強(qiáng)度和剛度，可實(shí)現(xiàn)更大幅度的降壓，且筒徑擴(kuò)大增加了天然氣水合物分解面積。本節(jié)將通過(guò)數(shù)值模擬方法研究上述因素對(duì)于提高天然氣水合物開(kāi)采效率的影響規(guī)律。

3.1 數(shù)值模型建立

自2007年起，我國(guó)先后在南海完成了多次水合物鉆探航次，取得了豐富的水合物儲(chǔ)層特征數(shù)據(jù)，得出了水合物商業(yè)開(kāi)發(fā)所需具備的儲(chǔ)層特征可能包括：①平均水合物飽和度應(yīng)超過(guò)30%；②平均有效滲透率應(yīng)大于5×10-3μm2；③水合物以孔隙浸潤(rùn)為主，平均有效孔隙度大于30%[21]。參照我國(guó)南海海域SH-SC4井相關(guān)數(shù)據(jù)[21-22][圖5(a)]，水合物儲(chǔ)層埋深分別為淺表層4～22 m(C1)和深淺層62～98 m(C2)，整體孔隙度為33%～55%，有效滲透率為(0.2～20)×10-3μm2。分別選取兩個(gè)儲(chǔ)層(C1和C2)作為參考研究對(duì)象，借助CMG STARS軟件建立三維降壓開(kāi)采數(shù)值模型進(jìn)行研究，通過(guò)添加水合物生成、分解反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程來(lái)模擬天然氣水合物的開(kāi)采，從而得到SCED的產(chǎn)氣特征曲線(xiàn)，并與井筒開(kāi)采方式對(duì)比[23](開(kāi)采壓力設(shè)置為4.5 MPa，井筒半徑0.1 m)，以此來(lái)分析SCED產(chǎn)能情況。

圖5 地質(zhì)模型建立Fig.5 Establishment of geological model

三維模型[圖5(b)]以SCED為中心向外延伸R=300 m，假設(shè)條件為：①考慮三相(氣相、水相、固相)四組分(自由氣組分、分解氣組分、水組分、水合物組分)，其中，氣相僅含甲烷氣體，把水合物作為固相來(lái)處理；②只考慮氣、液兩相流動(dòng)，且流體滲流符合達(dá)西定律；③儲(chǔ)層非均質(zhì)，即孔隙度、滲透率、飽和度隨機(jī)分布；④忽略氣體的擴(kuò)散和氣體在水中的溶解；⑤考慮熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流以及水合物分解吸熱；⑥考慮巖石的壓縮性和流體的可壓縮性[24-25]。具體參數(shù)見(jiàn)表1，儲(chǔ)層非均質(zhì)性情況見(jiàn)圖6。

圖6 儲(chǔ)層非均質(zhì)性Fig.6 Reservoir inhomogeneity

表1 天然氣水合物開(kāi)采模型地質(zhì)參數(shù)Tab. 1 Geological parameters of natural gas hydrate exploitation model

通過(guò)對(duì)多組SCED與單垂直井開(kāi)采分別在C1和C2儲(chǔ)層對(duì)比，以評(píng)估SCED產(chǎn)能提升情況，由于SCED相比于傳統(tǒng)鉆井開(kāi)采方式，由預(yù)制鋼結(jié)構(gòu)組成，可承受更大幅度的降壓。此外，相比鉆井多采用多層套管，新型裝置有著較大的半徑，能夠大幅度擴(kuò)大水合物分解面積，促進(jìn)產(chǎn)能提升。因此在進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，半徑及開(kāi)孔處壓力均適當(dāng)進(jìn)行了調(diào)整，具體案例設(shè)置如表2。

表2 案例設(shè)置情況表Tab. 2 Case setting table

3.2 模擬結(jié)果分析

圖7記錄了SCED在C1和C2儲(chǔ)層與單垂直井的產(chǎn)氣速率Qd和累計(jì)產(chǎn)氣量V的變化情況。開(kāi)采初期，三者的產(chǎn)氣速率都有著較大幅度的提升，新裝置的增速幅度要高于單垂直井開(kāi)采，并且由于筒底壓力大幅度下降，Qd曲線(xiàn)存在著一定的波動(dòng)；到了開(kāi)采前期(約180天)三者的曲線(xiàn)走勢(shì)開(kāi)始分化，SCED的Qd曲線(xiàn)繼續(xù)走高，而單垂直井則趨于平緩增速；在開(kāi)采中期，新裝置(2 MPa)繼續(xù)增速，而新裝置(3 MPa)和單垂直井則穩(wěn)定平緩甚至開(kāi)始有下降的趨勢(shì)；到了開(kāi)采末期，受限于模型大小和邊界條件，三者均呈穩(wěn)定緩慢下降趨勢(shì)。

為研究開(kāi)采過(guò)程中溫壓場(chǎng)的時(shí)空演化特征，選取了筒/井底壓力Pw和溫度Tw的物理場(chǎng)參數(shù)變化情況(圖8)。從溫壓變化曲線(xiàn)中可以顯著觀察到，筒/井底壓力于開(kāi)采初期迅速降低到預(yù)期壓降數(shù)值左右，在之后的生產(chǎn)中均穩(wěn)定保持略大于設(shè)定數(shù)值；而筒/井底溫度變化則由于初期周?chē)乃衔锎罅糠纸馕鼰?，?dǎo)致溫度迅速下降，在中期之后，下降的趨勢(shì)變緩，但結(jié)合圖7來(lái)看周?chē)牡蜏匾欢ǔ潭壬弦种屏怂衔锏姆纸狻?/p>

圖7 產(chǎn)氣特征曲線(xiàn)Fig. 7 Gas production characteristic curve

圖8 溫壓特征曲線(xiàn)Fig.8 Temperature and pressure characteristic curve

據(jù)此，可以得出：①新裝置能提升水合物原位分解速率和擴(kuò)大分解面積，有效提高產(chǎn)能，開(kāi)采周期內(nèi)比單垂直井方式提升了2.46～11.69倍；②相比在深層中厚度較大的儲(chǔ)層開(kāi)采，淺層的儲(chǔ)層厚度較窄，水合物含量較少，采用原位降壓方式產(chǎn)氣速率偏低，采用鉆井法顯得“大動(dòng)干戈”，SCED施工易，周期短，能夠降低開(kāi)采成本；③新裝置由預(yù)制鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)成，強(qiáng)度大、剛度高，能夠較傳統(tǒng)井式開(kāi)采實(shí)現(xiàn)更大幅度降壓，進(jìn)而顯著提升開(kāi)采效率；④開(kāi)孔段周?chē)鷫毫Φ难杆俳档?，?huì)使周?chē)衔锓纸馑俾十a(chǎn)生一定的波動(dòng)，降低幅度越大，波動(dòng)越明顯；⑤原位降壓水合物開(kāi)采中，不同的開(kāi)采壓力都會(huì)存在一個(gè)“分解臨界帶”，超過(guò)這個(gè)區(qū)域的水合物，被開(kāi)采的分解率較低，甚至無(wú)法被采收；⑥若有一定的熱源供給，將能夠有效減緩后期產(chǎn)氣速率下降的趨勢(shì)；⑦儲(chǔ)層的埋深和厚度對(duì)產(chǎn)氣速率有著較大的影響，在埋深較淺且厚度較薄的條件下尤為顯著。

此外，實(shí)現(xiàn)海域天然氣水合物商業(yè)化開(kāi)采的關(guān)鍵，一方面取決于產(chǎn)能，另一方面則取決于天然氣價(jià)格。對(duì)于海域天然氣水合物商業(yè)化開(kāi)采的標(biāo)準(zhǔn)，以目前的開(kāi)采成本，國(guó)際上普遍將日產(chǎn)量5×105m3作為門(mén)檻值[2]。我國(guó)2020年在南海完成的水平井降壓開(kāi)采中，最高日均產(chǎn)能也僅約為商業(yè)化開(kāi)采日均產(chǎn)能門(mén)檻的1/17。由于天然氣水合物商業(yè)化開(kāi)采產(chǎn)能門(mén)檻值不是一個(gè)固定不變的數(shù)值，相比當(dāng)前工程實(shí)例中鉆井法開(kāi)采，若使用上述的開(kāi)采方式，雖然在模擬的儲(chǔ)層中最高產(chǎn)氣速率為7.7×104m3/d左右，但作業(yè)成本將顯著降低，該門(mén)檻值也會(huì)降低，具有一定的研究?jī)r(jià)值和工程應(yīng)用前景。

4 結(jié) 語(yǔ)

參考海域天然氣水合物降壓開(kāi)采原理和吸力錨的貫入特性，提出了兩種形態(tài)的吸力筒式開(kāi)采裝置，可適應(yīng)不同地質(zhì)條件，并對(duì)其工藝原理、開(kāi)采步驟、貫入原理和產(chǎn)能提升規(guī)律進(jìn)行了闡述和可行性分析，得出了以下結(jié)論：

1)SCED由預(yù)制鋼結(jié)構(gòu)組成，有著更高的強(qiáng)度和剛度，可實(shí)現(xiàn)更大幅度的降壓，提高原位開(kāi)采效率。并且進(jìn)入儲(chǔ)層的筒徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于井筒套管施工的井徑，增加了天然氣水合物分解面積。

2)形態(tài)一的貫入方式與傳統(tǒng)吸力錨相同，但無(wú)需考慮土體的破壞，可實(shí)現(xiàn)更大內(nèi)外壓差貫入。而對(duì)于形態(tài)二，可根據(jù)貫入掘進(jìn)方式的不同分為“先沉后挖”或是“邊挖邊沉”。換言之可以將其視為鋼制單層套管，配合吸力貫入，并提供更大的設(shè)備放置空間。

3)與單垂直井開(kāi)采相比，SCED產(chǎn)能提升了約2.46～11.69倍，但大幅度的降壓難免會(huì)使儲(chǔ)層的溫度急速降低，因此熱源的供給對(duì)開(kāi)采后期有著舉足輕重的作用，未來(lái)可考慮增加輔助加熱措施來(lái)解決該問(wèn)題。

本文將吸力錨與降壓設(shè)備相結(jié)合，形成全新的海域天然氣水合物開(kāi)采裝置，具有結(jié)構(gòu)強(qiáng)度大、開(kāi)采半徑大和施工簡(jiǎn)便等優(yōu)勢(shì)，有望在現(xiàn)有開(kāi)采方法的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步“提產(chǎn)降本”。