加瑞，許敬明，郝岱恒，李青茁，楊崗

1.天津大學建筑工程學院，天津 300350

2.天津大學濱海土木工程結構與安全教育部重點實驗室，天津 300350

天然氣水合物是由甲烷等氣體和水在高壓低溫條件下形成的冰狀固體，俗稱可燃冰，分布于深?；蜿懹蛴谰脙鐾林?。其在全球分布廣泛、儲量巨大、能量密度高，是一種極具開采價值的戰(zhàn)略性替代能源[1]。有研究指出世界上90%以上的天然氣水合物分布于海底沉積物中，海域天然氣水合物的開采方法包括降壓法、熱刺激法、抑制劑法、CO2置換法和聯(lián)合開采法等[2]。前期研究表明，降壓法是目前海域天然氣水合物較為經(jīng)濟高效的開采方法[3]。降壓法的基本原理是將開采井內(nèi)的壓力降低至水合物相平衡壓力以下，在開采井和儲層之間形成壓差，促使水合物發(fā)生分解并向開采井內(nèi)運移。由于水合物沉積層通常未固結成巖，降壓開采時極易發(fā)生出砂現(xiàn)象[4]，目前世界范圍內(nèi)已開展的水合物試采作業(yè)幾乎都遭遇了出砂問題[5-6]。出砂一方面會造成地層坍塌、井壁失穩(wěn)、井筒砂堵，另一方面篩管和礫石充填等防砂措施會造成井周儲層滲透率的明顯降低[7]，是目前制約天然氣水合物安全、持續(xù)、高效開采的關鍵問題之一。

天然氣水合物降壓開采的效率會受到儲層參數(shù)的影響，已有學者研究了儲層地質(zhì)構造環(huán)境以及水合物藏參數(shù)等對水合物開采產(chǎn)能的影響。李淑霞等[8]通過對開采過程中參數(shù)的敏感性分析發(fā)現(xiàn)滲透率對產(chǎn)能的影響較大，滲透率越大，天然氣生產(chǎn)速率越高。Grover 等[9]利用TOUGH+HYDRATE 分析了影響Messoyakha 氣田產(chǎn)氣的主要參數(shù)，結果表明儲層滲透率、射孔井的位置和水合物飽和度是影響氣體生產(chǎn)的重要參數(shù)，上覆層和下伏層對水合物層傳遞的熱量也對水合物分解有重要的影響。李剛等[10]對單一水平井定壓降壓法開采進行了數(shù)值模擬，結果表明上覆層和下伏層為可滲透的沉積物時，產(chǎn)氣量遠小于不可滲透的情況。Su 等[11]對南海神狐海域?qū)訝钏衔飪哟怪本祲洪_采的產(chǎn)氣潛能進行了分析，指出儲層的高滲透率和上下不透水邊界可以大幅提高水合物的分解和產(chǎn)氣量。吳能友等[12]指出水合物儲層孔隙度越大、絕對滲透率越大、初始溫度越高，水合物分解和產(chǎn)氣效率越高。Huang 等[13]研究了不同儲層參數(shù)對Ⅱ類海域天然氣水合物分解以及產(chǎn)氣產(chǎn)水的影響，指出在高滲透率、中等孔隙度（40%）和中等至高水合物飽和度（38%～67%）條件下的水合物藏更有利于開采。劉建軍等[14]建立了水合物THMC 數(shù)值模型，模擬結果表明生產(chǎn)井井底壓力越小，產(chǎn)氣量越大；產(chǎn)氣量隨飽和度的增大先增大后減小；儲層的滲透率越大，產(chǎn)氣量越大。梁偉等[15]通過數(shù)學模型分析了降壓開采時儲層參數(shù)的時空演化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)井筒開始降壓后，井周迅速形成壓降漏斗，壓降輻射范圍隨時間逐漸增大，水合物分解速率與降壓幅度及初始絕對滲透率成正相關，與初始含水飽和度成負相關。彭盈鈺等[16]分析了天然氣水合物儲層參數(shù)對60 天短期與5 年長期開采產(chǎn)能的影響，發(fā)現(xiàn)水合物儲層溫度、儲層壓力以及絕對滲透率是3 個至關重要的儲層參數(shù)。王自豪等[17]通過試驗和數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)在同一含水飽和度下，水合物飽和度的變化改變了沉積物的孔隙空間結構，進而影響了氣-水相對滲透率。

開采方法和開采參數(shù)也會影響到天然氣水合物的開采效率。在降壓開采方面已有學者研究了降壓生產(chǎn)規(guī)律、降壓法開采的有效性及開發(fā)潛力等生產(chǎn)條件對水合物開采產(chǎn)能的影響[18]。宋永臣等[19]建立了天然氣水合物降壓開采的二維數(shù)學模型，對影響產(chǎn)氣量和產(chǎn)氣速率的因素進行了分析，指出出口壓力越大，累積產(chǎn)氣量越小，邊界傳熱越快，分解越快。Oyama 等[20]采用人工沉積巖心研究了不同的生產(chǎn)壓力條件下溫度、壓力以及氣體和水的產(chǎn)量隨時間的變化，結果表明生產(chǎn)壓力對水合物分解速率和產(chǎn)氣速率影響很大。李淑霞等[21]通過數(shù)值模擬研究了降壓幅度和降壓速度對水合物開采產(chǎn)能的影響，指出降壓幅度越大，水合物分解速度越快，同一時刻產(chǎn)氣速度也越快；降壓速度越快，產(chǎn)氣峰值越大且越早出現(xiàn)，同一時刻累積產(chǎn)氣越多。袁益龍等[22]針對我國南海泥質(zhì)粉砂型水合物儲層，分析了水平井降壓開采的參數(shù)對產(chǎn)能的影響，指出應盡量將水平井布設于水合物藏的下部，增加水平井長度、降低水平井開采壓力是提高水合物開采效率的有效手段。Yu 等[23]建立了開采過程中儲層泥砂-水合物-氣-水多相流數(shù)值模型，開展了泥質(zhì)粉砂型水合物藏適度出砂開采產(chǎn)能評價，認為適度出砂方法可以提高產(chǎn)能。盧靜生等[24]通過出砂室內(nèi)試驗和實測數(shù)據(jù)，推導了出砂條件下水合物的開采產(chǎn)能情況，提出可以采用控砂措施平衡出砂率和產(chǎn)氣效率，在適度出砂條件下產(chǎn)能有望達到產(chǎn)業(yè)化開采的要求。梁吉凱等[25]研究了出砂堵塞對天然氣水合物藏水平井開采產(chǎn)能的影響，指出井筒周圍儲層堵塞對天然氣水合物的產(chǎn)氣量有很大的影響。

綜上所述，儲層參數(shù)和開采參數(shù)對天然氣水合物開采產(chǎn)能有不同程度的影響，因此有必要對我國泥質(zhì)粉砂型天然氣水合物降壓開采產(chǎn)能的影響因素開展系統(tǒng)地分析和研究。本文根據(jù)我國南海神狐海域SH7 站位的地層參數(shù)，利用TOUGH+HYDRATE軟件系統(tǒng)地分析了儲層壓力、溫度、孔隙度、水合物飽和度、滲透率、上覆層和下伏層滲透率等儲層參數(shù)，以及降壓幅度、降壓井長度和出砂堵塞（通過改變井周網(wǎng)格滲透率反映出砂堵塞）等開采參數(shù)對降壓開采時水合物分解速率、產(chǎn)氣速率、60 天短期和5 年長期產(chǎn)氣量、產(chǎn)水量以及產(chǎn)氣與產(chǎn)水量比值的影響。研究結果可以為將來我國南海神狐海域水合物開采時開采區(qū)域的選擇和開采參數(shù)的設計提供參考。

1 降壓開采數(shù)值模擬

1.1 數(shù)值模擬軟件

水合物開采涉及到地層中熱量傳遞、水和氣的運移、水合物的形成和分解等多個方面，是一個非常復雜的多相介質(zhì)的多場耦合問題。TOUGH+HYDRATE 是由美國勞倫斯伯克利國家實驗室開發(fā)的可以模擬天然氣水合物形成和分解過程的多相流數(shù)值模擬軟件，軟件中包括4 種物質(zhì)成分（水合物、水、甲烷和水合物抑制劑）以及4 種相（氣相、液相、冰相和水合物相），可以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，采用的質(zhì)量和能量守恒方程如下：

式中：Vn為單元體n 的體積；Mk為組分k的質(zhì)量累計項，常見組分包括水（w）、CH4（m）、水合物（h）、抑制劑（i），熱量θ為偽組分；Гn為單元體n 的表面積；Fκ為組分κ的達西流速矢量；qκ為組分κ的源匯項。質(zhì)量累計項Mκ、流動項Fκ和源匯項qκ的具體計算公式可參考軟件手冊up＞和源匯項qκ的具體計算公式可參考軟件手冊[26]。

1.2 數(shù)值模型建立

南海神狐海域SH7 站位屬于Ⅲ類水合物藏，水合物為單層，海水深度為1 108 m，水合物儲層位于海底以下約160 m 處，儲層厚度為22 m，孔隙度為0.33～0.48，水合物飽和度為0.26～0.48[27]。所建立的數(shù)值模型如圖1 所示。模擬區(qū)域為圓柱形，采用軸對稱模型，半徑為150 m，高度為82 m。模型從上到下分別為上覆層、水合物層和下伏層，其厚度分別為30、22 和30 m，降壓井長度為8 m、半徑為0.1 m。模型的網(wǎng)格劃分如圖2 所示，水平方向劃分為100 列，豎直方向劃分為42 行，總共由4 200 個網(wǎng)格單元組成。在豎直方向，水合物層網(wǎng)格的高度為1 m，上覆層和下伏層網(wǎng)格的高度為3 m；在水平方向?qū)鄹浇木W(wǎng)格進行了加密，第一個網(wǎng)格寬度為0.5 m，隨著離開采井距離的增加，網(wǎng)格的寬度逐漸增大。將開采井的孔隙度設定為1，滲透率設定為10 μm2（遠大于儲層的滲透率），可以模擬流體和氣體向井內(nèi)的運移[28]。

圖1 模型示意圖Fig.1 Schematic diagram of the numerical model

圖2 網(wǎng)格劃分示意圖Fig.2 Schematic diagram of the grid division

模型中參數(shù)取值如表1 所示。水合物層壓力取為13.5 MPa、水合物層溫度為14℃、地熱梯度為0.043℃·m-1、鹽度的質(zhì)量分數(shù)為0.03，以上參數(shù)取值參考了彭盈鈺等論文中的值[16]。儲層的孔隙中包含兩相，分別為水合物相和水相，其中水合物的飽和度SH為44%、水的飽和度SA為56%，上覆層、下伏層和水合物層的孔隙度為0.41、滲透率k為0.075 μm2、固相的顆粒密度ρ為2 600 kg·m-3，以上參數(shù)取值參考了Li 等論文中的值[29]。復合導熱系數(shù)模型和相對滲透率模型中的參數(shù)取值參考了Moridis 等編寫的軟件手冊中的值[26]。毛細管壓力模型中的參數(shù)取值參考了van Genuchten 論文中的值[30]。

表1 模型參數(shù)Table 1 Model parameters

1.3 數(shù)值模擬方案

通過數(shù)值模擬計算了不同儲層壓力、溫度、孔隙度、水合物飽和度、滲透率、上覆層和下伏層滲透率等儲層參數(shù)，以及降壓幅度、降壓井長度和出砂堵塞等開采參數(shù)時5 年長期開采時的水合物分解速率、產(chǎn)氣速率、產(chǎn)氣量和產(chǎn)水量，系統(tǒng)分析了影響我國南海泥質(zhì)粉砂型天然氣水合物降壓開采產(chǎn)能的主要因素，具體數(shù)值模擬方案如表2 所示。

表2 數(shù)值模擬方案Table 2 The numerical simulation scheme

2 儲層參數(shù)對產(chǎn)能的影響分析

2.1 儲層壓力

圖3a-f 分別為不同儲層壓力（13.5、14.5、15.5、16.5 MPa）時水合物分解速率、井口產(chǎn)氣速率、60 天產(chǎn)氣量、5 年產(chǎn)氣量、產(chǎn)水量和氣水比隨時間的變化圖，其他參數(shù)如表2 所示。由圖3a、b 可知，不同儲層壓力時水合物分解速率和井口產(chǎn)氣速率都隨時間逐漸減小，這是因為水合物的分解過程為吸熱過程，開采初期水合物的快速分解會使分解區(qū)的溫度降低，使其接近相平衡線，從而導致分解速率和產(chǎn)氣速率都會隨時間（水合物的分解）逐漸減小。開采初期，儲層壓力越大，相同時間下水合物的分解速率和產(chǎn)氣速率越小，這是因為開采初期的儲層壓力在天然氣水合物相平衡線以上，儲層壓力越大，水合物儲層的穩(wěn)定性越強，水合物越不易發(fā)生分解。但在開采后期，隨著壓力的傳遞，分解速率和產(chǎn)氣速率差別不大。

圖3 不同儲層壓力時天然氣水合物開采產(chǎn)能Fig.3 Relationship between production of natural gas hydrate and reservoir pressure

由圖3c 可知，儲層壓力為13.5 MPa 時60 天的產(chǎn)氣量為1.97×105m3，與我國2017 年南海神狐海域試采的60 天產(chǎn)氣量相差不大[31]。由圖3d 可知，不同儲層壓力時累積產(chǎn)氣量都隨著時間逐漸增大，由于產(chǎn)氣速率隨時間逐漸減小，累積產(chǎn)氣量的增加速率逐漸減小。在開采初期，儲層壓力在天然氣水合物相平衡線以上，產(chǎn)氣量隨著儲層壓力的增大而減??；而在開采后期，產(chǎn)氣量隨儲層壓力的增大而增大，這是因為開采后期的儲層壓力在天然氣水合物相平衡線以下，儲層壓力越大，儲層與開采井之間的壓力梯度越大，氣體向開采井的流速越大，導致產(chǎn)氣速率和產(chǎn)氣量越大。當儲層壓力從13.5 MPa增加到16.5 MPa 時，5 年累積產(chǎn)氣量從2.21×106m3增加到2.57×106m3。但需要說明這是在井口壓力都為4 MPa 的條件下進行計算的，即儲層壓力越大，對應的降壓幅度也越大，分別為9.5、10.5、11.5 和12.5 MPa。

由圖3e 可知，不同儲層壓力時，累積產(chǎn)水量都隨時間逐漸增大。產(chǎn)水量隨著儲層壓力的增大而增大，且在開采后期，累積產(chǎn)水量的增加速率基本保持不變。這是因為水合物分解會同時產(chǎn)生氣體和水，分解產(chǎn)生的水和儲層中原有的水會在壓力梯度作用下向開采井運移，儲層壓力越大，儲層與開采井之間的壓力梯度越大，水向開采井的流速和流量也就越大。由圖3f 可知，不同儲層壓力時，氣水比都隨著時間逐漸減小，這是因為產(chǎn)氣量隨時間的增加量小于產(chǎn)水量隨時間的增加量。隨著儲層壓力的增大，氣水比略有減小，表明儲層壓力對產(chǎn)水量的影響大于對產(chǎn)氣量的影響。

2.2 儲層溫度

圖4a-f 分別為不同儲層溫度（9.0、9.5、10.0、10.5℃）時水合物分解速率、井口產(chǎn)氣速率、60 天產(chǎn)氣量、5 年產(chǎn)氣量、產(chǎn)水量和氣水比隨時間的變化圖，其他參數(shù)如表2 所示。不同工況下水合物分解速率、產(chǎn)氣速率、產(chǎn)氣量、產(chǎn)水量、氣水比隨時間的變化趨勢和原因一致，如圖3 所示，以下將不再贅述。

圖4 不同儲層溫度時天然氣水合物開采產(chǎn)能Fig.4 Relationship between production of natural gas hydrate and reservoir temperature

由圖4a、b 可知，開采初期，儲層溫度越高，相同時間下水合物分解速率和井口產(chǎn)氣速率都越大，這是因為儲層溫度越高，水合物越接近相平衡線，在相同的壓力下越容易發(fā)生分解；另外，儲層溫度越高，未分解區(qū)可以給分解區(qū)傳遞的熱量越多，分解區(qū)的溫度回升越快，可以發(fā)生分解的水合物的量也就越多。開采后期，儲層溫度對水合物分解速率和井口產(chǎn)氣速率的影響不大。

由圖4c、d 可知，產(chǎn)氣量隨著儲層溫度的升高而增大，當儲層溫度從9.0℃增加到10.5℃時，60 天累積產(chǎn)氣量從1.77×105m3增加到1.97×105m3；5 年累積產(chǎn)氣量 從2.14×106m3增加到2.21×106m3。由圖4e、f 可知，儲層溫度的變化對產(chǎn)水量的影響較小，這是因為產(chǎn)水量主要跟壓力梯度和液相的滲透率有關。由于隨著儲層溫度的升高，產(chǎn)氣量逐漸增大，而產(chǎn)水量基本不變，因此氣水比隨儲層的溫度的升高略有增大。

2.3 儲層孔隙度

儲層孔隙度越大，在相同水合物飽和度下，天然氣水合物含量越多，可供分解的水合物也就越多。圖5a-f 分別為不同儲層孔隙度（0.35、0.38、0.41、0.44）時水合物分解速率、井口產(chǎn)氣速率、60 天產(chǎn)氣量、5 年產(chǎn)氣量、產(chǎn)水量和氣水比隨時間的變化圖，其他參數(shù)如表2 所示。由圖5a、b 可知，當儲層孔隙度從0.35 增加到0.44 時，水合物分解速率和井口產(chǎn)氣速率的變化不大。開采初期，隨著儲層孔隙度的增大，相同時間下水合物的分解速率和井口產(chǎn)氣速率略有減小，這可能是因為天然氣水合物的熱導率低，孔隙度越大，水合物含量越多，未分解區(qū)域熱量越不易傳遞到分解區(qū)域，導致水合物的分解速率和產(chǎn)氣速率越小。

圖5 不同儲層孔隙度時天然氣水合物開采產(chǎn)能Fig.5 Relationship between production of natural gas hydrate and reservoir porosity

由圖5c、d 可知，開采初期，隨著儲層孔隙度的增大，相同時間下產(chǎn)氣量略有減小；而開采后期，儲層孔隙度越大，相同時間下的產(chǎn)氣量越大。這是因為在開采后期，影響產(chǎn)氣量的主要因素為水合物含量，因此儲層孔隙度越大，水合物產(chǎn)氣速率和產(chǎn)氣量越大。當儲層孔隙度從0.35 增加到0.44 時，5 年累積產(chǎn)氣量從2.1×106m3增加到2.26×106m3。由圖5e可知，孔隙度對產(chǎn)水量的影響較小。因此，氣水比隨孔隙度的增大有一定程度的增大（圖5f）。

2.4 水合物飽和度

圖6a-f 分別為不同水合物飽和度（0.2、0.28、0.36、0.44）時水合物分解速率、井口產(chǎn)氣速率、60 天產(chǎn)氣量、5 年產(chǎn)氣量、產(chǎn)水量和氣水比隨時間的變化圖，其他參數(shù)如表2 所示。圖7a-e 分別為5 年時水合物分解速率、產(chǎn)氣速率、產(chǎn)氣量、產(chǎn)水量和氣水比隨水合物飽和度（0.2、0.24、0.28、0.32、0.36、0.4、0.44、0.48、0.52）的變化圖。由圖6a 和6b 可知，開采初期，水合物飽和度越大，相同時間下水合物分解速率和產(chǎn)氣速率越小。這是因為水合物飽和度越大，液相滲透率越小，壓降傳遞越慢，水合物分解速率與產(chǎn)氣速率越小；另外，水合物分解吸熱會導致分解區(qū)溫度降低從而抑制水合物的進一步分解，由于天然氣水合物的熱導率低，水合物飽和度越大，未分解區(qū)域熱量越不易傳遞到分解區(qū)域，也會導致水合物的分解速率減小。

圖6 不同水合物飽和度時天然氣水合物開采產(chǎn)能Fig.6 Relationship between production of natural gas hydrate and hydrate saturation

圖7 天然氣水合物開采產(chǎn)能隨飽和度增加的變化Fig.7 Relationship between gas hydrate production and gas hydrate saturation

開采后期，隨著水合物飽和度的增大，水合物分解速率和產(chǎn)氣速率都呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，如圖7a、b 所示，開采5 年時水合物分解速率從5.98×10-3kg/s（飽和度0.2）增加到6.33×10-3kg/s（飽和 度0.36），后 又 減 小 為5.77×10-3kg/s（飽 和 度0.52）；井口產(chǎn)氣速率從8.83×10-3m3/s（飽和度0.2）增加到9.36×10-3m3/s（飽和度0.36），后又減小為8.53×10-3m3/s（飽和度0.52）。這是因為影響不同水合物飽和度下開采后期分解速率和產(chǎn)氣速率的因素主要有兩個：一個是水合物可分解的范圍（水合物飽和度越大，液相滲透率越小，壓降傳遞范圍越??；水合物飽和度越大，由于水合物的熱導率低，水合物分解溫度降低后回升的速率越慢?？梢?，水合物飽和度會影響壓力和溫度的傳遞，而只有當壓力和溫度在水合物相平衡線以下時，水合物才會發(fā)生分解，因此水合物飽和度增大會導致水合物的可分解范圍減?。涣硪粋€是可分解范圍內(nèi)的水合物含量。當飽和度從0.2 增加到0.36 時，水合物飽和度增大對水合物可分解范圍減小的程度較小，因此分解速率和產(chǎn)氣速率隨水合物飽和度的增大而增大。而當水合物飽和度從0.36 增加到0.52 時，水合物飽和度增大對水合物可分解范圍減小的影響較大，因此分解速率和產(chǎn)氣速率隨飽和度的增大反而減小。這與已有文獻的結果一致[13-14]。

圖6c、d 表明，隨著水合物飽和度的增加，60 天產(chǎn)氣量和5 年產(chǎn)氣量都呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。圖7c 表明，5 年產(chǎn)氣量從2.08×106m3（飽和度0.2）增加到2.21×106m3（飽和度0.32），后又減小為1.97×106m3（飽和度0.52）。由圖6e 可以看到，隨著飽和度的增加，產(chǎn)水量略有減小。圖7d 表明，當水合物飽和度從0.2 增加到0.52 時，5 年累積產(chǎn)水量從1.65×106m3減小到1.59×106m3，這主要是因為隨著水合物飽和度的增大，液相滲透率逐漸減小，因此相同壓差下產(chǎn)水量逐漸減小。圖6f 表明在開采時間為250 天時，由于產(chǎn)水量隨水合物飽和度的增加而減小，氣水比隨飽和度的增加而增大，而在開采時間為5 年時，隨著水合物飽和度的增加，與產(chǎn)氣量的變化趨勢類似，氣水比也呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，如圖7e 所示。

2.5 儲層滲透率

圖8a-f 分別為不同儲層滲透率（0.005、0.025、0.05、0.075 μm2）時水合物分解速率、井口產(chǎn)氣速率、60 天產(chǎn)氣量、5 年產(chǎn)氣量、產(chǎn)水量和氣水比隨時間變化圖，其他參數(shù)如表2 所示。由圖8a 可知，儲層滲透率對水合物分解速率有明顯的影響，隨著儲層滲透率的增大，相同時間下水合物的分解速率明顯增大。這一方面是因為儲層滲透率越大，壓降的傳遞速度越快、壓力的降低范圍也越多，同一時間時參與分解的水合物也就越多；另一方面是因為儲層滲透率越大，未分解區(qū)向分解區(qū)傳遞熱量的速度越快，分解區(qū)溫度降低后回升的速率越快。圖8b 表明，井口產(chǎn)氣速率隨儲層滲透率的增大而明顯增大，一方面是因為水合物分解速率隨儲層滲透率的增大而增大（圖8a），另一方面是因為儲層滲透率越大，在相同的壓差和分解速率下，氣相滲透率越大，分解產(chǎn)生的氣體向生產(chǎn)井運移的速度越快。

圖8 不同儲層滲透率時天然氣水合物開采產(chǎn)能Fig.8 Relationship between production of natural gas hydrate and reservoir permeability

由圖8c 和8d 可以看到，隨著儲層滲透率的增大，產(chǎn)氣量有明顯的增大，當儲層滲透率由0.005 μm2增 加 到0.075 μm2時，60 天 時 的 累 積 產(chǎn) 氣 量 從2.2×104m3增 加 到1.97×105m3；5 年 累 積 產(chǎn) 氣 量 從4.5×105m3增加到2.21×106m3。圖8e 可知，儲層滲透率對產(chǎn)水量也有明顯的影響，這是因為儲層滲透率越高，液相滲透率越大，因此在相同壓差下產(chǎn)水量越大。圖8f 表明，氣水比隨儲層滲透率的增大而減小，可見儲層滲透率增大對產(chǎn)水量的增加幅度高于對產(chǎn)氣量的增加幅度。

2.6 上覆層和下伏層滲透率

圖9a～9f 分別為不同上覆層與下伏層滲透率（0.005、0.025、0.05、0.075 μm2）時水合物分解速率、井口產(chǎn)氣速率、60 天產(chǎn)氣量、5 年產(chǎn)氣量、產(chǎn)水量和氣水比隨時間的變化圖，其他參數(shù)如表2 所示。由圖9a、b 可知，開采初期，上覆層和下伏層滲透率越大，相同時間下水合物的分解速率和產(chǎn)氣速率越大，這是因為上覆層和下伏層滲透率越大時，壓降傳遞越快，同一時間參與分解的水合物越多；而隨著開采的進行，上覆層和下伏層滲透率越大，相同時間下水合物的分解速率和產(chǎn)氣速率反而越小，這是因為上覆層和下伏層滲透率越大時，上覆層和下伏層的壓力損失相對越小，導致水合物儲層的整體壓力相對越大，從而導致水合物的分解速率和產(chǎn)氣速率越小。

圖9 不同上覆層與下伏層滲透率時天然氣水合物開采產(chǎn)能Fig.9 Relationship between production of natural gas hydrate and permeabilities of upper and lower layers

由圖9c、d 可知，隨著上覆層和下伏層滲透率的增大，60 天產(chǎn)氣量和5 年產(chǎn)氣量都呈現(xiàn)減小的趨勢。當上覆層和下伏層滲透率從0.005 μm2增加到0.075 μm2時，60 天累積產(chǎn) 氣量從2.47×105m3減小到1.97×105m3，5 年 累 積 產(chǎn) 氣 量 從4.0×106m3減 小到2.21×106m3。圖9e 表明，上覆層和下伏層滲透率越大，地層的平均滲透率越大，產(chǎn)水量越多。上覆層和下伏層滲透率越大，產(chǎn)氣量越少，而產(chǎn)水量越多，因此氣水比越低，如圖9f 所示。

3 開采參數(shù)對產(chǎn)能的影響分析

3.1 降壓幅度

圖10a-f 分別為降壓幅度為11.5、9.5、7.5、5.5 MPa（對應的井口壓力分別為2、4、6、8 MPa）時水合物分解速率、井口產(chǎn)氣速率、60 天產(chǎn)氣量、5 年產(chǎn)氣量、產(chǎn)水量和氣水比隨時間的變化圖，其他參數(shù)如表2 所示。如圖10a 所示，降壓幅度越大，相同時間下水合物的分解速率越大，這是因為降壓幅度越大，儲層中壓力的降低幅值越大，水合物的分解驅(qū)動力越大。如圖10b 所示，降壓幅度越大，相同時間下井口產(chǎn)氣速率越大，這一方面是因為降壓幅度越大，水合物分解速率越大；另一方面是因為降壓幅度越大，儲層與開采井之間的壓力梯度越大，在相同的氣相滲透率下氣體向開采井的流速越大。

由圖10c 和10d 可知，隨著降壓幅度的增大，在相同時間下累積產(chǎn)氣量明顯增大，當降壓幅度從5.5 MPa 增 加 到11.5 MPa 時，60 天 累 積 產(chǎn) 氣 量 從1.88×105m3增 大 到2.38×105m3，5 年 累 積 產(chǎn) 氣 量 從1.62×106m3增大 到2.46×106m3。由圖10e 可知，當降壓幅度從5.5 MPa 增加到9.5 MPa 時，累積產(chǎn)水量隨降壓幅度的增大而增加，這是因為降壓幅度越大，儲層與開采井之間的壓力梯度越大，在相同液相滲透率下水向開采井的流速和流量越大。但當降壓幅度從9.5 MPa 到11.5 MPa 時，產(chǎn)水量反而有所降低，這可能是因為水合物的快速分解導致了液相滲透率的快速降低。圖10f 表明，降壓幅度越大，氣水比越高，可見提高降壓幅度對產(chǎn)氣量的增加幅度高于對產(chǎn)水量的增加幅度。

3.2 降壓井長度

圖11a-f 分別為不同降壓井長度（4、8、12、16 m）時水合物分解速率、井口產(chǎn)氣速率、60 天產(chǎn)氣量、5 年產(chǎn)氣量、產(chǎn)水量和氣水比隨時間的變化圖，其他參數(shù)如表2 所示。由圖11a 和11b 可知，降壓井長度越大，相同時間下水合物的分解速率和井口產(chǎn)氣速率越大，這是因為降壓井長度越大，同一時刻壓力的降低范圍越廣，同一位置壓力的降低幅值也越大，水合物的分解范圍和分解速率越大。

圖11 不同降壓井長度時天然氣水合物開采產(chǎn)能Fig.11 Relationship between production of natural gas hydrate and the length of depressurization well

由圖11c 和11d 可知，隨著降壓井長度的增加，在相同時間下累積產(chǎn)氣量逐漸增大，這是因為產(chǎn)氣速率和開采井面積都隨降壓井長度的增加而增大。當降壓井長度為4、8、12、16 m 時，60 天累積產(chǎn) 氣 量 分 別 為1.35×105、1.97×105、2.4×105、2.56×105m3，5 年累積產(chǎn)氣量分別為1.77×106、2.21×106、2.55×106、2.7×106m3，可見累積產(chǎn)氣量的增加幅值逐漸減小，這是因為整個儲層厚度只有22 m，產(chǎn)氣量不會隨降壓井長度的增加而成比例增大。圖11e 表明，隨著降壓井長度的增加，開采井的面積逐漸增大，在相同壓力梯度和液相滲透率下累積產(chǎn)水量逐漸增大。圖11f 表明，降壓井長度越大，氣水比越小，可見增大降壓井長度對產(chǎn)水量的增加幅度高于對產(chǎn)氣量的增加幅度。

3.3 出砂堵塞

出砂一方面可能會造成開采井附近的儲層發(fā)生出砂堵塞，顯著降低井周儲層的滲透率（常規(guī)防砂），降低水合物開采產(chǎn)能；另一方面可能會增大儲層的滲透力（適度出砂防砂），提高水合物開采產(chǎn)能。由于TOUGH+HYDRATE 無法直接模擬出砂過程以及出砂引起的堵塞問題，通過改變井周1 m 內(nèi)網(wǎng)格滲透率反映出砂堵塞引起井周儲層滲透率的降低，分析不同出砂堵塞程度對水合物開采產(chǎn)能的影響。圖12a-f 分別為不同井周網(wǎng)格滲透率（0.075、0.007 5、0.000 75 μm2）時水合物分解速率、井口產(chǎn)氣速率、60 天產(chǎn)氣量、5 年產(chǎn)氣量、產(chǎn)水量和氣水比隨時間的變化圖，其他參數(shù)如表2 所示。

圖12 不同出砂堵塞程度時天然氣水合物開采產(chǎn)能Fig.12 Relationship between production of natural gas hydrate and the degree of sand blockage

由圖12a 可以看出，隨著出砂堵塞程度的加?。ň軡B透率的減?。?，水合物分解速率明顯減小，這是因為井周滲透率減小會影響儲層中的壓力降低范圍和降低幅值，井周滲透率越小，井周附近壓力損失程度越大，水合物儲層中的壓力降低范圍和幅值就越小，水合物分解范圍和驅(qū)動力越小，導致水合物分解速率隨出砂堵塞程度的加劇而減小。由圖12b 可以看出，井周滲透率越小，相同時間下井口產(chǎn)氣速率越小，這一方面是因為井周滲透率越小，水合物分解速率越小；另一方面是因為井周滲透率越小，氣相滲透率越小，氣體的流速越小，從而導致井口產(chǎn)氣速率隨出砂堵塞程度的加劇而明顯減小。

由圖12c 和12d 可知，隨著井周滲透率的減小，在相同時間下產(chǎn)氣量明顯降低。當井周滲透率為0.075、0.007 5、0.000 75 μm2時，60 天累積產(chǎn)氣量分別為1.97×105、7.50×104、2.32×103m3，5 年累積產(chǎn)氣量分別為2.21×106、1.25×106、7.59×105m3。由圖12e可知，隨著出砂堵塞程度的加劇，在相同時間下累積產(chǎn)水量也明顯降低，這是因為井周滲透率越小，液相滲透率越小，水向開采井的流速和流量也就越小。由于產(chǎn)水量隨井周滲透率減小的降低幅度大于產(chǎn)氣量的降低幅度，氣水比反而會隨井周滲透率減小呈現(xiàn)一定程度的增大（圖12f）。

4 討論

表3 列出了不同儲層參數(shù)和開采參數(shù)情況下的5 年產(chǎn)氣量和氣水比，對比分析了儲層壓力、溫度、孔隙度、水合物飽和度、儲層滲透率、上覆層和下伏層滲透率，以及降壓幅度、降壓井長度、出砂堵塞對5 年產(chǎn)氣量和氣水比的影響程度，由表3可知：

表3 儲層和開采參數(shù)對5 年累積產(chǎn)氣量和氣水比的影響Table 3 The effects of reservoir and exploitation parameters on 5-year cumulative gas production and gas-water ratio

（1）儲層壓力越高，5 年產(chǎn)氣量越大，但氣水比越小，當儲層初始壓力分別為13.5、14.5、15.5 和16.5 MPa 時，5 年產(chǎn)氣量分別為2.21×106、2.30×106、2.45×106和2.57×106m3，氣 水 比 分 別 為1.25、1.13、1.09 和1.05。儲層壓力16.5 MPa 時的產(chǎn)氣量是儲層壓力13.5 MPa 時的116%，表明儲層初始壓力高對提高產(chǎn)氣量有較大的影響，但需要說明的是不同儲層壓力下的井口壓力都為4 MPa，儲層壓力越大意味著降壓幅值也越大。

（2）儲層溫度越高，5 年產(chǎn)氣量越大，氣水比略有增大，當儲層初始溫度分別為9.0、9.5、10.0 和10.5 ℃時，5 年 產(chǎn) 氣 量 分 別 為2.14×106、2.15×106、2.15×106和2.21×106m3，氣 水 比 分 別 為1.20、1.20、1.20 和1.25。儲層溫度10.5℃時的產(chǎn)氣量是儲層溫度9.0℃時的103%，表明儲層初始溫度高對提高產(chǎn)氣量有一定的影響。

（3）儲層孔隙度越大，5 年產(chǎn)氣量越大，氣水比有一定程度的增大，當儲層孔隙度分別為0.35、0.38、0.41 和0.44 時，5 年 產(chǎn) 氣 量 分 別 為2.1×106、2.16×106、2.21×106和2.26×106m3，氣 水 比 分 別 為1.17、1.20、1.25 和1.25。儲層孔隙度0.44 時的產(chǎn)氣量是儲層孔隙度0.35 時的108%，表明儲層孔隙度大對提高產(chǎn)氣量有較大的影響。

（4）隨著水合物飽和度的增大，5 年產(chǎn)氣量先增大后減小，氣水比也呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，當水合物飽和度分別為0.2、0.28、0.36 和0.44 時，5 年產(chǎn) 氣 量 分 別 為 2.22×106、 2.30×106、 2.28×106和2.22×106m3，氣水比分別為1.22、1.81、1.27 和1.24。水 合 物 飽 和 度0.24、0.28、0.32、0.36、0.4、0.44、0.48 和0.52 時的產(chǎn)氣量分別是0.2 時的102.5%、103.8%、104.3%、103.2%、101.2%、100.0%、97.8%和93.5%。表明水合物飽和度高對提高產(chǎn)氣量有一定的影響，但水合物飽和度過大時，產(chǎn)氣量和氣水比反而會減小，本文無下伏游離氣簡化計算模型的水合物飽和度約為0.3 時產(chǎn)氣量最大。

（5）儲層滲透率越大，5 年產(chǎn)氣量越大，但氣水比越小，當儲層滲透率分別為0.005、0.025、0.05 和0.075 μm2時，5 年產(chǎn)氣量分別為4.5×105、1.12×106、1.7×106和2.21×106m3，氣水比分別為6.0、2.2、1.5和1.25。儲層滲透率0.075 μm2時的產(chǎn)氣量是儲層滲透率0.005 μm2時的491%，表明儲層滲透率高對提高產(chǎn)氣量有非常大的影響。但由于儲層滲透率增大對產(chǎn)水量的增加幅度高于對產(chǎn)氣量的增加幅度，氣水比反而有明顯的降低。

（6）上覆層和下伏層滲透率越大，5 年產(chǎn)氣量越小，氣水比也越小，當上覆層和下伏層滲透率分別為0.005、0.025、0.05 和0.075 μm2時，5 年累積產(chǎn)氣量分別為4.0×106、2.77×106、2.40×106和2.21×106m3，氣水比分別為4.0、1.87、1.42 和1.25。上覆層和下伏層滲透率0.075 μm2時的產(chǎn)氣量是0.005 μm2時的60%，表明上覆層和下伏層滲透率小反而能大幅提高產(chǎn)氣量。

（7）降壓幅度越大，5 年產(chǎn)氣量越大，氣水比也越大，當降壓幅度分別為5.5、7.5、9.5 和11.5 MPa 時，5 年產(chǎn)氣量分別為1.62×106、1.94×106、2.21×106和2.46×106m3，氣水比分別為1.90、1.96、2.17 和2.57。降壓幅度11.5 MPa 時的產(chǎn)氣量是降壓幅度5.5 MPa時的152%，表明提高降壓幅度可以大幅提高產(chǎn)氣量和氣水比。

（8）降壓井長度越大，5 年產(chǎn)氣量越大，但氣水比越小，當降壓井長度分別為4、8、12、16 m 時，5 年 產(chǎn) 氣 量 分 別 為1.77×106、2.21×106、2.55×106和2.7×106m3，氣 水 比 分 別 為1.6、1.25、1.06 和0.98。降壓井長度16 m 時的產(chǎn)氣量是降壓井長度4 m 時的153%，表明增加降壓井長度能大幅提高產(chǎn)氣量，但氣水比有一定程度的減小。

（9）出砂堵塞程度越嚴重，5 年產(chǎn)氣量越少，氣水比有所增大，當井周滲透率分別為0.075、0.007 5、0.000 75 μm2時，5 年產(chǎn)氣量分別為2.21×106、1.25×106和7.6×105m3，氣水比分別為1.25、2.24 和7.07。井周滲透率0.000 75 μm2時的產(chǎn)氣量是井周滲透率0.075 μm2時的34%，表明出砂堵塞程度加劇會明顯降低產(chǎn)氣量，由于產(chǎn)水量的降低幅度更大，氣水比反而有一定的增大。值得說明的是在適度出砂防砂情況下，出砂反而會增大儲層的滲透力，提高水合物開采產(chǎn)能。本文主要研究了出砂堵塞對水合物開采產(chǎn)能的影響，出砂同時引起儲層滲透率增大對水合物開采產(chǎn)能的影響還有待于進一步研究。

由上可知，在儲層參數(shù)方面，儲層滲透率對產(chǎn)能的影響最大；儲層壓力、儲層孔隙度、水合物飽和度以及上覆和下伏層滲透率對產(chǎn)能有較大的影響，儲層溫度對產(chǎn)能也有一定的影響。在選擇開采區(qū)域時，綜合考慮產(chǎn)氣量與成本，建議優(yōu)先選擇儲層滲透率大、上覆層和下伏層滲透率小、儲層孔隙度大、溫度高、飽和度適中的水合物儲層進行開采。在開采參數(shù)方面，出砂堵塞、降壓幅度和降壓井長度都對產(chǎn)能有非常大的影響，實際開采時可以對儲層進行改造或采取合適的防砂措施減輕出砂堵塞的程度，以及通過提高降壓幅度和增加降壓井長度來提高產(chǎn)氣量。實際中采用降壓法進行開采時，通常會采用其他方法作為輔助，如升溫法、注抑制劑法等。

5 結論

(1) 儲層參數(shù)對水合物開采產(chǎn)能的影響：在井口壓力相同時，儲層初始壓力越高產(chǎn)氣量越大；儲層溫度越高產(chǎn)氣量越大；在飽和度相同的情況下，儲層孔隙度越大產(chǎn)氣量越大；隨著水合物飽和度的增大，產(chǎn)氣量先增大后減小，本文計算模型的水合物飽和度約為0.3 時產(chǎn)氣量最大；儲層滲透率越大產(chǎn)氣量越大；上覆層和下伏層滲透率越大產(chǎn)氣量越少。儲層滲透率大對提高產(chǎn)氣量有非常大的影響，儲層壓力高和孔隙度大對提高產(chǎn)氣量有較大的影響，而上覆層和下伏層滲透率大產(chǎn)氣量反而會有較大的減小。因此，在選擇開采區(qū)域時，建議優(yōu)先選擇滲透率大、上覆層和下伏層滲透率小、孔隙度大、溫度高、水合物飽和度適中的水合物儲層進行開采。

(2) 開采參數(shù)對水合物開采產(chǎn)能的影響：降壓幅度越大產(chǎn)氣量越大；降壓井長度越大產(chǎn)氣量越大；出砂堵塞程度越嚴重產(chǎn)氣量越少。提高降壓幅度和增大降壓井長度對提高產(chǎn)氣量都有非常大的影響，而出砂堵塞程度加重會明顯降低產(chǎn)氣量。因此，實際開采時可以通過提高降壓幅度以及增加降壓井長度來提高產(chǎn)氣量，另外應對儲層進行改造或采取合適的防砂措施減輕出砂堵塞程度。