天然氣水合物降壓開(kāi)采過(guò)程中儲(chǔ)層應(yīng)力規(guī)律分析

金 顥, 張俊斌, 何玉發(fā)

天然氣水合物降壓開(kāi)采過(guò)程中儲(chǔ)層應(yīng)力規(guī)律分析

金 顥, 張俊斌, 何玉發(fā)

(中海石油(中國(guó))有限公司深圳分公司深水工程技術(shù)中心, 廣東 深圳 518000)

為了研究天然氣水合物降壓開(kāi)采過(guò)程的儲(chǔ)層應(yīng)力及其穩(wěn)定性, 運(yùn)用線性多孔彈性力學(xué)和巖石力學(xué)知識(shí), 考慮水合物儲(chǔ)層原始應(yīng)力、孔隙壓力、滲流附加應(yīng)力及降壓開(kāi)采水合物過(guò)程中水合物飽和度的變化, 建立了降壓開(kāi)采天然氣水合物儲(chǔ)層的力學(xué)模型, 結(jié)合墨西哥灣某處水合物藏的基本參數(shù), 對(duì)降壓開(kāi)采水合物儲(chǔ)層應(yīng)力變化和開(kāi)采過(guò)程的儲(chǔ)層穩(wěn)定性進(jìn)行研究。結(jié)果表明: 井底壓力是影響水合物儲(chǔ)層應(yīng)力變化的關(guān)鍵因素之一; 滲流附加應(yīng)力在一定程度上減小了儲(chǔ)層的應(yīng)力; 水合物分解儲(chǔ)層應(yīng)力發(fā)生變化, 儲(chǔ)層應(yīng)力在井壁處的波動(dòng)最大, 井壁處是整個(gè)儲(chǔ)層所受軸向偏應(yīng)力最大的位置, 因此井壁處是優(yōu)先發(fā)生剪切破壞的位置; 為了儲(chǔ)層的穩(wěn)定性, 降壓開(kāi)采水合物生產(chǎn)壓差應(yīng)小于2.19 MPa。

降壓開(kāi)采; 天然氣水合物; 滲流附加應(yīng)力; 水合物飽和度; 臨界生產(chǎn)壓差; 儲(chǔ)層穩(wěn)定性

目前, 天然氣被認(rèn)為是21世紀(jì)的一種未來(lái)優(yōu)質(zhì)、高效、潔凈的能源, 天然氣的蘊(yùn)藏量為現(xiàn)有地球化石燃料總碳量的2倍左右[1]。然而, 天然氣能否真正成為未來(lái)的可用能源, 關(guān)鍵在于能否有效地對(duì)天然氣水合物進(jìn)行合理的開(kāi)采[2]。

天然氣水合物廣泛分布于海底沉積層和極地凍土帶。通常天然氣水合物以固態(tài)形式充填于多孔介質(zhì)儲(chǔ)層中, 天然氣水合物成藏相比于常規(guī)儲(chǔ)層條件要復(fù)雜, 并且不具備流動(dòng)性。因此, 根據(jù)天然氣水合物的存在條件和基本性質(zhì)決定了天然氣水合物的開(kāi)采方式[3]。天然氣水合物理論上的開(kāi)采思路是: 首先通過(guò)一定的方式打破天然氣水合物儲(chǔ)層的平衡性, 促使水合物在儲(chǔ)層中發(fā)生分解, 進(jìn)而開(kāi)采出分解的天然氣。目前, 天然氣水合物廣泛的開(kāi)采方法有: 注化學(xué)劑法、加熱法和降壓法等三種[4]。注化學(xué)劑法較加熱法作用緩慢, 且二者使用的費(fèi)用昂貴; 降壓法是通過(guò)降低儲(chǔ)層壓力使其低于水合物相平衡壓力引起儲(chǔ)層中水合物分解的方法, 降壓法開(kāi)采天然氣水合物由于其不需要昂貴的連續(xù)激發(fā), 所以被認(rèn)為是最具有商業(yè)前景的開(kāi)采方法[5]。

天然氣水合物在降壓開(kāi)采過(guò)程中, 由于降低井底壓力, 打破了水合物儲(chǔ)層的穩(wěn)定性, 促使水合物發(fā)生分解。受水合物分解的影響, 分解區(qū)水合物儲(chǔ)層膠結(jié)性變差、力學(xué)強(qiáng)度大幅度降低, 進(jìn)而近井區(qū)儲(chǔ)層呈現(xiàn)出弱膠結(jié)、低強(qiáng)度、高孔滲的特點(diǎn), 類(lèi)似于常規(guī)疏松砂巖[6]。由于水合物降壓分解引起水合物儲(chǔ)層物性參數(shù)及巖石力學(xué)性質(zhì)等發(fā)生一系列變化, 如水合物飽和度減小、儲(chǔ)層內(nèi)聚力降低、儲(chǔ)層孔隙度增大、滲透率增大等, 導(dǎo)致水合物儲(chǔ)層應(yīng)力發(fā)生改變, 致使水合物儲(chǔ)層穩(wěn)定性降低, 達(dá)到或超過(guò)本身固有的剪切強(qiáng)度, 使近井區(qū)水合物儲(chǔ)層發(fā)生剪切破壞, 從而影響天然氣水合物安全有效的開(kāi)采。

由于天然生成的天然氣水合物巖樣取芯困難, 目前, 國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)天然氣水合物的研究大多是在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)完成的。因此, 基于前人的研究, 通過(guò)分析水合物儲(chǔ)層的穩(wěn)定性, 本文在采用降壓法開(kāi)采天然氣水合物過(guò)程中考慮儲(chǔ)層滲流附加應(yīng)力的影響, 同時(shí)利用疊加原理建立了天然氣水合物降壓開(kāi)采過(guò)程中儲(chǔ)層穩(wěn)定性的力學(xué)模型, 進(jìn)行了降壓開(kāi)采水合物過(guò)程中儲(chǔ)層應(yīng)力的模擬計(jì)算, 分析天然氣水合物在降壓開(kāi)采過(guò)程中儲(chǔ)層應(yīng)力變化特征及儲(chǔ)層的穩(wěn)定性, 為有效開(kāi)采天然氣水合物提供一定的理論基礎(chǔ)。

1 水合物儲(chǔ)層模型建立

通常天然氣水合物存在于疏松砂巖沉積層中, 埋藏深度淺。在降壓開(kāi)采天然氣水合物過(guò)程中, 可將整個(gè)水合物儲(chǔ)層劃分為兩個(gè)區(qū)域, 即水合物分解區(qū)、儲(chǔ)層穩(wěn)定區(qū), 如圖1所示[4, 7]。降壓開(kāi)采天然氣水合物時(shí), 當(dāng)水合物儲(chǔ)層內(nèi)壓力低于水合物相平衡時(shí), 打破了水合物儲(chǔ)層的平衡條件, 促使水合物發(fā)生分解。天然氣水合物的分解將會(huì)導(dǎo)致儲(chǔ)層的穩(wěn)定性發(fā)生改變, 而水合物儲(chǔ)層的應(yīng)力在一定程度上影響儲(chǔ)層的穩(wěn)定性。因此, 水合物儲(chǔ)層應(yīng)力的變化成為影響水合物儲(chǔ)層穩(wěn)定性的重要因素, 而井底壓力是分析水合物儲(chǔ)層應(yīng)力變化的關(guān)鍵因素。

圖1 水合物儲(chǔ)層區(qū)域劃分示意圖

在研究降壓開(kāi)采天然氣水合物儲(chǔ)層應(yīng)力變化時(shí), 結(jié)合國(guó)內(nèi)外學(xué)者建立的有關(guān)水合物飽和度、儲(chǔ)層孔隙度、內(nèi)聚力及儲(chǔ)層應(yīng)力等相關(guān)模型之間的關(guān)系, 構(gòu)建水合物儲(chǔ)層力學(xué)模型。由于降壓開(kāi)采天然氣水合物的過(guò)程是非等溫滲流過(guò)程, 因此該模型在研究過(guò)程中做了如下簡(jiǎn)化假設(shè): (1) 天然氣水合物儲(chǔ)層為均質(zhì)、各向同性的線彈性體。(2) 水合物儲(chǔ)層僅考慮三相三組分。三相: 氣、水、水合物; 三組分: 氣、水、水合物。其中, 水合物為固相, 氣體僅含甲烷, 且不重新生成新的水合物。(3) 降壓開(kāi)采水合物過(guò)程中, 水合物儲(chǔ)層的溫度變化忽略不計(jì), 本文注重考慮井底壓力的變化影響水合物儲(chǔ)層應(yīng)力改變的問(wèn)題。(4) 僅考慮氣、水兩相流, 且兩相滲流符合廣義Darcy定律。(5) 井為垂直井。

1.1 水合物儲(chǔ)層穩(wěn)定性模型建立

在降壓開(kāi)采水合物前, 水合物儲(chǔ)層受上覆巖層壓力、最大水平主應(yīng)力和最小水平主應(yīng)力, 水合物儲(chǔ)層處于應(yīng)力平衡狀態(tài)。當(dāng)水合物儲(chǔ)層被鉆開(kāi)時(shí), 近井區(qū)水合物儲(chǔ)層應(yīng)力平衡被打破, 儲(chǔ)層應(yīng)力發(fā)生變化, 引起水合物儲(chǔ)層應(yīng)力的重新分布, 水合物儲(chǔ)層的穩(wěn)定性發(fā)生改變。因此, 井周?chē)膽?yīng)力分布可表示為[8-9]:

劉玉石等[10]通過(guò)運(yùn)用有限元方法分析了井周儲(chǔ)層穩(wěn)態(tài)達(dá)西滲流時(shí)儲(chǔ)層井壁圍巖應(yīng)力的變化, 從而得出井壁處的徑向應(yīng)力和周向應(yīng)力與線彈性理論計(jì)算的結(jié)果存在很大的差別。水合物儲(chǔ)層為多孔介質(zhì)儲(chǔ)層, 考慮到水合物儲(chǔ)層的滲透性, 同時(shí)又由于儲(chǔ)層流體在向孔隙中的徑向流動(dòng)過(guò)程中會(huì)對(duì)儲(chǔ)層周?chē)a(chǎn)生應(yīng)力, 因此滲流附加應(yīng)力會(huì)對(duì)儲(chǔ)層產(chǎn)生一定的影響, 其相關(guān)表達(dá)式為[11]:

應(yīng)用線性疊加原理, 由公式(1)和(2)得到天然氣水合物儲(chǔ)層近井區(qū)任意一點(diǎn)(≥1)處的應(yīng)力分布式如下:

(1) 初始條件

天然氣水合物開(kāi)采前儲(chǔ)層壓力滿(mǎn)足:

(2) 近井區(qū)水合物儲(chǔ)層初始分量

1.2 水合物儲(chǔ)層物性參數(shù)

(1) 水合物儲(chǔ)層孔隙壓力的分布

開(kāi)采前, 整個(gè)水合物儲(chǔ)層處于穩(wěn)定的狀態(tài), 儲(chǔ)層中各點(diǎn)壓力均等于原始地層應(yīng)力。假設(shè)天然氣水合物儲(chǔ)層為一圓形區(qū)域, 在降壓開(kāi)采水合物過(guò)程中, 圓形封閉儲(chǔ)層中任意一點(diǎn)時(shí)刻的壓力滿(mǎn)足彈性不穩(wěn)定滲流邊界條件, 其控制方程可表示為[12-13]:

整理方程(8), 得到降壓過(guò)程中水合物儲(chǔ)層孔隙壓力的分布函數(shù):

當(dāng)=1時(shí), 得到井底壓力w隨時(shí)間變化的關(guān)系式為:

式中:為水合物儲(chǔ)層厚度, m;為通過(guò)井孔的砂巖流量, cm3/s。

通過(guò)式(9)及式(10)可得:

式(11)可化為:

(2) 水合物飽和度隨時(shí)間變化

降壓開(kāi)采水合物過(guò)程中水合物分解動(dòng)力學(xué)方程可表示為:

根據(jù)降壓法開(kāi)采中Kim-Bishnoi模型, 天然氣水合物分解速率可表示為:

水興百業(yè)旺。結(jié)合飲水安全工程建設(shè)，各地的鄉(xiāng)村振興建設(shè)也搞得有聲有色。有了水，農(nóng)戶(hù)就把改廁、改灶、改路結(jié)合起來(lái)，很多農(nóng)村的面貌煥然一新。

分解區(qū)水合物儲(chǔ)層內(nèi)氣、水、水合物之間的關(guān)系式:

H+W+g= 1, (16)

其中,H=HH/H, 式中:H為分解水合物的體積;H為水合物物質(zhì)的量, mol;H為水合物密度, 0.918 g/cm3。

多孔介質(zhì)孔隙體積為:

其中,s= 2πd。

(3) 水合物儲(chǔ)層孔隙度

隨著水合物儲(chǔ)層埋深、狀態(tài)分布等特點(diǎn), 水合物儲(chǔ)層物性參數(shù)發(fā)生變化。隨著埋深的增加, 地層沉積壓實(shí)作用增大, 水合物儲(chǔ)層孔隙度減小。多孔介質(zhì)儲(chǔ)層孔隙度與有效應(yīng)力關(guān)系式為[15-16]:

Nazridoust等[17]假設(shè)天然氣水合物儲(chǔ)層孔隙度均勻分布且忽略了溫度的影響, 得出儲(chǔ)層孔隙度與水合物飽和度之間的關(guān)系式為:

由式(20)和式(21), 可得到孔隙度變化動(dòng)態(tài)模型:

式中:為儲(chǔ)層有效應(yīng)力, MPa。

(4) 水合物儲(chǔ)層內(nèi)聚力及有效應(yīng)力

在降壓開(kāi)采水合物過(guò)程中, 由于水合物的分解導(dǎo)致儲(chǔ)層膠結(jié)性變差, 儲(chǔ)層內(nèi)聚力減小。隨著水合物的分解, 水合物儲(chǔ)層的內(nèi)聚力降低, 儲(chǔ)層內(nèi)聚力與孔隙度之間的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下[18]:

式中:為水合物分解后儲(chǔ)層內(nèi)聚力, MPa;0為初始水合物儲(chǔ)層內(nèi)聚力, MPa;為假設(shè)為1.2;為水合物儲(chǔ)層孔隙度增量。

應(yīng)用Terzaghi有效應(yīng)力原理, 設(shè)儲(chǔ)層巖石應(yīng)力受壓為負(fù), 受拉為正[19], 其表達(dá)式為:

式中:為有效應(yīng)力, MPa;v為儲(chǔ)層原始垂向應(yīng)力, MPa;為Biot系數(shù);為Biot有效應(yīng)力參數(shù)。

(5) 天然氣水合物相平衡

天然氣水合物廣泛分布于極地凍土帶和海底沉積層中, 水合物在儲(chǔ)層中存在穩(wěn)定帶即水合物在儲(chǔ)層中特定溫度和壓力條件下的一個(gè)范圍, 在這個(gè)范圍內(nèi)水合物達(dá)到相平衡, 甲烷水合物相溫度和壓力平衡采用Makogon[20]模型計(jì)算, 得出表達(dá)式為:

lge=(–0) +(–0)2+, (25)

式中:e、0為分別是水合物分解的平衡壓力(MPa)和平衡溫度(K);= 0.034 2K–1,= 0.000 5K–2,= 6.480 4。

由于降壓開(kāi)采水合物導(dǎo)致的變形幾乎是注熱的10倍[21], 因此本文在研究降壓開(kāi)采水合物過(guò)程中, 假設(shè)水合物儲(chǔ)層內(nèi)的溫度變化忽略不計(jì)。

(6) 儲(chǔ)層穩(wěn)定性判據(jù)準(zhǔn)則

在研究水合物儲(chǔ)層的穩(wěn)定性時(shí), 運(yùn)用Drucker- Prager準(zhǔn)則進(jìn)行判斷:

即,

降壓開(kāi)采水合物過(guò)程中生產(chǎn)壓差的計(jì)算公式表示為:

Δ=0–w, (28)

式中: Δ為水合物儲(chǔ)層臨界生產(chǎn)壓差, MPa;0為原始水合物儲(chǔ)層的孔隙壓力, MPa;w為井底壓力, MPa。

將式(3)、(29)代入(28)化簡(jiǎn), 最終得到降壓開(kāi)采水合物過(guò)程中儲(chǔ)層穩(wěn)定性指數(shù)與生產(chǎn)壓差之間的關(guān)系式為:

2 降壓開(kāi)采水合物儲(chǔ)層應(yīng)力變化分析

2.1 模擬采用的基本參數(shù)

模型計(jì)算所選用的參數(shù)采用墨西哥灣某處甲烷水合物藏的部分基本參數(shù)[18]來(lái)分析降壓開(kāi)采水合物過(guò)程中近井區(qū)儲(chǔ)層應(yīng)力的變化特征。

墨西哥灣某處水合物藏的部分基本參數(shù): 水合物儲(chǔ)層溫度288 K; 儲(chǔ)層初始?jí)毫?6.9 MPa; 井孔半徑0.15 m; 儲(chǔ)層垂向原始主應(yīng)力21.8 MPa; 儲(chǔ)層最大水平原始主應(yīng)力20.45 MPa; 儲(chǔ)層最小水平原始主應(yīng)力19.70 MPa; 儲(chǔ)層厚度30 m; Biot有效應(yīng)力參數(shù)0.6; Biot系數(shù)1.0; 水合物飽和度0.5; 儲(chǔ)層孔隙度0.4; 泊松比0.4; 儲(chǔ)層初始滲透率0.2 μm2; 多孔介質(zhì)壓縮系數(shù)10–9Pa–1; 水的壓縮系數(shù)4.6×10–10Pa–2; 儲(chǔ)層內(nèi)聚力1.8 MPa; 內(nèi)摩擦角30°。其中, 泄油半徑100 m。

2.2 水合物儲(chǔ)層物性參數(shù)及力學(xué)性質(zhì)變化分析

圖2、圖3分別給出了生產(chǎn)壓差3 MPa, 不同生產(chǎn)時(shí)間下水合物飽和度分布、儲(chǔ)層滲透率分布曲線圖。降壓開(kāi)采水合物過(guò)程中, 初始水合物儲(chǔ)層飽和度受已存自由氣體的影響。

圖2 水合物飽和度分布曲線

從圖2中可以看出, 由降壓開(kāi)采引起的水合物飽和度變化主要發(fā)生在近井區(qū), 在降壓開(kāi)采水合物初期(20 d), 靠近井壁處的水合物飽和度減小的相對(duì)緩慢, 這主要是因?yàn)樵衔飪?chǔ)層內(nèi)存在的自由氣體使得儲(chǔ)層內(nèi)的壓力升高, 在一定程度上阻礙了水合物的分解速率, 使得水合物的分解速率減慢; 在較遠(yuǎn)處, 水合物飽和度趨于穩(wěn)定。隨著時(shí)間不斷增加(60 d), 儲(chǔ)層內(nèi)的自由氣體逐漸減少, 水合物飽和度減小的速度逐漸加快, 這與唐良廣等[22]研究的水合物飽和度變化規(guī)律相符, 進(jìn)一步證明了該水合物飽和度變化模型的準(zhǔn)確性。

圖3 水合物儲(chǔ)層滲透率分布曲線

分析圖3可以看出, 井壁處的儲(chǔ)層滲透率增大的最快, 遠(yuǎn)離井壁儲(chǔ)層滲透率逐漸恢復(fù)到原始狀態(tài)。在水合物分解區(qū), 特別是井壁處水合物分解速率最快, 水合物飽和度減小的最快, 根據(jù)式(19)可知, 水合物飽和度和儲(chǔ)層滲透率呈反比。因此, 生產(chǎn)時(shí)間越長(zhǎng), 水合物飽和度變得越小, 儲(chǔ)層滲透率就越大。

2.3 儲(chǔ)層滲流附加應(yīng)力的影響

水合物儲(chǔ)層為多孔介質(zhì)儲(chǔ)層, 通過(guò)模擬計(jì)算得到在生產(chǎn)壓差3 MPa, 開(kāi)井生產(chǎn)100 d后, 研究?jī)?chǔ)層應(yīng)力過(guò)程中考慮滲流附加應(yīng)力與不考慮滲流附加應(yīng)力兩種情況下對(duì)水合物儲(chǔ)層徑向應(yīng)力、周向應(yīng)力進(jìn)行了對(duì)比, 如圖4所示。

圖4 存在滲流附加應(yīng)力與無(wú)滲流附加應(yīng)力兩種情況下儲(chǔ)層應(yīng)力的對(duì)比

從圖4中可以得出, 考慮滲流附加應(yīng)力時(shí)的儲(chǔ)層徑向、周向應(yīng)力小于不考慮滲流附加應(yīng)力時(shí)的儲(chǔ)層徑向、周向應(yīng)力。通過(guò)對(duì)式(2)分析可知, 水合物降壓分解過(guò)程中, 飽和度逐漸減小, 儲(chǔ)層有效孔隙度逐漸增大, 這說(shuō)明滲流附加應(yīng)力降低了儲(chǔ)層的穩(wěn)定性。

在井底壓力13.9 MPa, 井眼半徑0.15 m的條件下, 分析考慮近井區(qū)水合物儲(chǔ)層滲流附加應(yīng)力和不考慮滲流附加應(yīng)力時(shí), 儲(chǔ)層所受最大軸向偏應(yīng)力分布曲線如圖5所示。結(jié)合圖4, 由圖5不難得出, 考慮滲流附加應(yīng)力時(shí)儲(chǔ)層所受最大軸向偏應(yīng)力小于不考慮滲流附加應(yīng)力時(shí)儲(chǔ)層所受最大軸向偏應(yīng)力。因此, 在建立水合物儲(chǔ)層的力學(xué)模型時(shí), 必須考慮滲流附加應(yīng)力對(duì)水合物儲(chǔ)層的影響, 以減小預(yù)測(cè)結(jié)果的誤差。

圖5 儲(chǔ)層最大軸向偏應(yīng)力分布

2.4 水合物儲(chǔ)層應(yīng)力分析

通過(guò)降低井底壓力, 使水合物儲(chǔ)層壓力低于其平衡壓力, 促使水合物發(fā)生分解生成天然氣和水。井底壓力變化會(huì)改變一定區(qū)域的原始儲(chǔ)層應(yīng)力, 造成分解區(qū)水合物儲(chǔ)層發(fā)生應(yīng)力集中, 從而降低水合物儲(chǔ)層的穩(wěn)定性。在降壓開(kāi)采水合物過(guò)程中水合物儲(chǔ)層徑向、周向、垂向應(yīng)力表現(xiàn)出不同的變化。圖6顯示了在生產(chǎn)壓差3 MPa, 開(kāi)采時(shí)間100 d后, 塑性區(qū)水合物儲(chǔ)層應(yīng)力的分布曲線。

通過(guò)式(3)不難看出, 水合物儲(chǔ)層應(yīng)力是角度的函數(shù), 儲(chǔ)層周向、垂向應(yīng)力隨角度呈周期性變化, 儲(chǔ)層徑向應(yīng)力不發(fā)生變化。近井區(qū)水合物儲(chǔ)層中最大、最小應(yīng)力之間的差值隨著距井孔距離的增大逐漸減小, 在井周上某點(diǎn)與水平最大主應(yīng)力方向的夾角90°或270°方位處, 水合物儲(chǔ)層的最大、最小應(yīng)力之間的差值最大, 即近井區(qū)水合物儲(chǔ)層所受到的擠壓應(yīng)力最大。根據(jù)Drucker-Prager巖石破壞準(zhǔn)則, 儲(chǔ)層周向、徑向應(yīng)力之間的差值越大, 儲(chǔ)層越容易發(fā)生剪切破壞。因此, 這兩個(gè)方位處也是儲(chǔ)層最容易發(fā)生剪切破壞的位置, 儲(chǔ)層發(fā)生剪切破壞一般是從井壁處開(kāi)始的。

圖6 儲(chǔ)層應(yīng)力隨角度的變化曲線

Drucker-Prager準(zhǔn)則認(rèn)為儲(chǔ)層發(fā)生的破壞主要是剪切破壞, 根據(jù)式(29)進(jìn)一步說(shuō)明儲(chǔ)層破壞的臨界條件。保持其他參數(shù)不變, 水合物儲(chǔ)層穩(wěn)定性隨生產(chǎn)壓差變化的關(guān)系圖如圖7所示。由圖7可知, 水合物儲(chǔ)層穩(wěn)定性指數(shù)隨生產(chǎn)壓差的增大而減小。這是因?yàn)榫讐毫υ叫? 即生產(chǎn)壓差越大, 儲(chǔ)層有效應(yīng)力增大越快, 造成儲(chǔ)層失穩(wěn)的可能性就越大; 隨著生產(chǎn)壓差的增大, 水合物分解速率加快, 儲(chǔ)層物性變化越顯著。

圖7 儲(chǔ)層穩(wěn)定性隨生產(chǎn)壓差變化關(guān)系圖

通過(guò)對(duì)圖7曲線進(jìn)行線性回歸得到儲(chǔ)層穩(wěn)定性指數(shù)與生產(chǎn)壓差之間的關(guān)系式(30)所示:

= 0.247 3Δ2– 2.803 7Δ+ 5.092 9, (30)

式中:為儲(chǔ)層穩(wěn)定性指數(shù), MPa; Δ為生產(chǎn)壓差, MPa。

通過(guò)解式(30), 得到水合物儲(chǔ)層臨界生產(chǎn)壓差為2.19 MPa。當(dāng)生產(chǎn)壓差小于2.19 MPa, 水合物儲(chǔ)層保持穩(wěn)定; 相反, 當(dāng)生產(chǎn)壓差大于2.19 MPa, 水合物儲(chǔ)層發(fā)生剪切強(qiáng)度破壞, 有可能會(huì)引起儲(chǔ)層出砂。因此, 降壓開(kāi)采水合物過(guò)程中, 應(yīng)保持井底壓力大于14.71 MPa。

綜合以上分析可知, 在降壓開(kāi)采水合物過(guò)程中, 水合物分解區(qū)是整個(gè)儲(chǔ)層穩(wěn)定性較差的區(qū)域。降低井底壓力: 一方面, 促進(jìn)了水合物的分解, 儲(chǔ)層內(nèi)聚力減小, 儲(chǔ)層各應(yīng)力發(fā)生改變; 另一方面, 不合理的降壓會(huì)造成儲(chǔ)層發(fā)生剪切破壞, 進(jìn)而影響水合物的有效開(kāi)采。因此, 在降壓開(kāi)采水合物過(guò)程中應(yīng)保證合理的井底壓力。

3 結(jié)論

1) 降壓開(kāi)采水合物過(guò)程中, 由于水合物發(fā)生分解, 分解區(qū)儲(chǔ)層呈現(xiàn)出弱膠結(jié)、低強(qiáng)度、高孔滲的特點(diǎn), 在不同生產(chǎn)壓差下, 近井區(qū)儲(chǔ)層應(yīng)力發(fā)生了明顯的改變, 距井孔較遠(yuǎn)處儲(chǔ)層應(yīng)力不再發(fā)生變化而趨于原始儲(chǔ)層應(yīng)力。說(shuō)明近井區(qū)儲(chǔ)層出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象, 井底壓力是影響儲(chǔ)層穩(wěn)定性的重要因素。

2) 生產(chǎn)壓差越大, 塑性區(qū)水合物儲(chǔ)層所受軸向偏應(yīng)力就越大, 井壁處所受軸向偏應(yīng)力最大, 是整個(gè)水合物儲(chǔ)層優(yōu)先破壞的位置。其中, 生產(chǎn)壓差2.19 MPa作為降壓開(kāi)采水合物過(guò)程中儲(chǔ)層發(fā)生剪切破壞的臨界壓差。

3) 有待進(jìn)一步開(kāi)展對(duì)天然氣水合物降壓開(kāi)采過(guò)程中儲(chǔ)層應(yīng)力變化分析, 確定水合物儲(chǔ)層發(fā)生剪切破壞的生產(chǎn)壓差的合理臨界點(diǎn), 為今后有效開(kāi)采天然氣水合物奠定一定的基礎(chǔ)。

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Geomechanical stress law analysis of hydrate reservoir for gas hydrate production by depressurization

JIN Hao, ZHANG Jun-bin, HE Yu-fa

(Deepwater Engineering Technology Center of CNOOC (China) Co., Ltd., Shenzhen 518000, China)

A model combining linear porous elasticity and rock mechanics knowledge is developed to analyze the geomechanical stress of the hydrate reservoir and assess the wellbore stability during depressurization. The proposed model considers the original reservoir stress, pore pressure, seepage additional stress, and depressurization of hydrate mining during the process of hydrate saturation change. This model is applied to the case of the Gulf of Mexico, where the hydrate reservoir basic parameters have been publicly published and depressurization of the hydrate mining reservoir has been simulated and analyzed. Results show that the effect of bottom hole pressure is the dominant factor affecting the formation of reservoir stress. Moreover, reservoir stress significantly affects the wall. Therefore, the wall is the location that is most prone to shear failure. To assess the wellbore stability during the process of depressurization, the production pressure difference of the hydrate reservoir must be <2.19 MPa.

depressurization; gas hydrate reservoir; seepage additional stress; hydrate saturation; critical production pressure differential; wellbore stability

Oct. 31, 2019

TE319

A

1000-3096(2020)11-0001-09

10.11759/hykx20191031002

2019-10-31;

2019-12-10

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目 (2016YFC0304000)；國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題 (2016YFC03044007)；國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題 (2018YFC0310205)

[The National Key R&D Program of China, No. 2016YFC0304000; The National Key R&D Program of China, No. 2016YFC03044007; The National Key R&D Program of China, No. 2018YFC0310205]

金顥(1984-)，男，廣東深圳人，高級(jí)工程師，主要從事鉆井、完井、測(cè)試、水合物等領(lǐng)域相關(guān)內(nèi)容研究，電話：15899755760，E-mail：jinhao@cnooc.com.cn

(本文編輯: 劉珊珊)