一種采用直井井組細(xì)分層壓裂注熱水開采天然氣水合物的工藝方案

羅天雨

（廣東石油化工學(xué)院，廣東 茂名 525000）

南海海域是我國(guó)可燃冰最主要的分布區(qū)。2017年5月18日，我國(guó)試采南海神狐海域天然氣水合物，實(shí)現(xiàn)連續(xù)187 h的穩(wěn)定產(chǎn)氣，平均日產(chǎn)1.6×104m3/d。但是，神狐海域天然氣水合物儲(chǔ)層為低滲透泥質(zhì)粉砂巖，屬于難于開采、易于出砂的類型，當(dāng)前的產(chǎn)量仍然達(dá)不到工業(yè)產(chǎn)量。世界范圍內(nèi)，在天然氣水合物的開采方面，嘗試了降壓法[1-2]、熱激法[3]、化學(xué)劑法[4]、二氧化碳置換法[5-6]。但是由于開采對(duì)象的復(fù)雜性，開采技術(shù)整體上尚無(wú)成熟配套，單井產(chǎn)量低，連續(xù)時(shí)間短，經(jīng)濟(jì)效益差。如采用單一的降壓法開采，生產(chǎn)效率低下[7]；壓降與熱激法聯(lián)合在一起能夠收到較好的開采效果[8]；二氧化碳置換法效率低、產(chǎn)量低[5,9]；微波加熱技術(shù)在固體儲(chǔ)層中的穿透距離有限[10]；壓裂技術(shù)能夠顯著提高儲(chǔ)層的生產(chǎn)能力，但是沒有得到充分應(yīng)用；防砂技術(shù)僅僅采用篩管，屬于治標(biāo)不治本的方法。因此，需要研究天然氣水合物儲(chǔ)層的配套高效開采工藝方法。

為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本文研究提供了一種采用直井井組注熱水開發(fā)可燃冰的工藝技術(shù)方案。采用熱激法與降壓法聯(lián)合工藝，避免單一采用降壓法開采帶來(lái)的天然氣水合物的二次固化，及降壓效率的低下導(dǎo)致的產(chǎn)量低下。對(duì)目標(biāo)儲(chǔ)層布置直井井網(wǎng)，進(jìn)行套管射孔完井作業(yè)，完井后對(duì)所有直井進(jìn)行分層壓裂作業(yè)；壓裂作業(yè)完畢后下入篩管及電潛泵。然后，對(duì)所有井實(shí)施降壓開采直至無(wú)經(jīng)濟(jì)效益，隨后在注水井布置地面熱水供給系統(tǒng)，通過注水井對(duì)天然氣水合物儲(chǔ)層高壓注入熱水，悶井，從生產(chǎn)井對(duì)天然氣及采出水進(jìn)行收集處理。在生產(chǎn)進(jìn)行一段時(shí)間后，對(duì)生產(chǎn)井注入固化劑固結(jié)儲(chǔ)層防砂。技術(shù)系列包括直井井組的布置、海水源熱泵技術(shù)、直井細(xì)分層壓裂改造、完井及井下工具、高壓注水及悶井技術(shù)、系統(tǒng)防砂技術(shù)等。

該工藝適合于不存在自由氣體、臨界溫度較高、連通性差、儲(chǔ)層厚度大、飽和度低、膠結(jié)疏松容易出砂的天然氣水合物儲(chǔ)層，能夠提高儲(chǔ)層的加熱效率與受熱體積，減少出砂的可能性，大幅提高儲(chǔ)層生產(chǎn)天然氣的產(chǎn)量與持續(xù)時(shí)間，提高經(jīng)濟(jì)效益。

1 直井井組注熱水開發(fā)可燃冰的工藝技術(shù)方案

1.1 直井井組布置

蔣貝貝等[11]提出了水平井注熱海水開發(fā)天然氣水合物的工藝方法，但沒有論述具體的完井方式，也沒有論及儲(chǔ)層改造、防砂措施等。天然氣水合物儲(chǔ)層膠結(jié)疏松，當(dāng)天然氣水合物分解后，生成水與天然氣，巖體破壞，出現(xiàn)泥沙，儲(chǔ)層強(qiáng)度降低，結(jié)構(gòu)破壞，儲(chǔ)層坍塌。上述情況不僅發(fā)生在生產(chǎn)過程中的儲(chǔ)層中，也發(fā)生在鉆井過程中的井筒附近，導(dǎo)致鉆井過程中井壁不穩(wěn)、坍塌、變形，因此長(zhǎng)鉆井段與大斜度井、水平井鉆井工藝技術(shù)選擇困難，尤其是水平井建井困難。目前，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)進(jìn)行過試采的天然氣水合物的井型均為直井井型，還沒有出現(xiàn)水平井井型，這從側(cè)面反映了水平井井型在天然氣水合物儲(chǔ)層中的建井比較困難的問題。因此，直井井型還是目前階段切實(shí)可行的井型。

結(jié)合地質(zhì)資料，對(duì)目標(biāo)儲(chǔ)藏布置直井井網(wǎng)，直井井網(wǎng)包括直線式、反五點(diǎn)式（圖1）、反七點(diǎn)式、反九點(diǎn)式等，注水井與采氣井按照一定的比例安排。注水井段與生產(chǎn)井段位于同一生產(chǎn)層段；各井之間的距離根據(jù)儲(chǔ)藏條件及壓裂裂縫長(zhǎng)度，在一定范圍內(nèi)變化。井間距離150～400 m。

鉆井完畢后進(jìn)行配套完井作業(yè)，完井后對(duì)所有直井實(shí)行分層壓裂作業(yè)；隨后注入防砂支撐劑，在近井地帶形成固結(jié)層；對(duì)所有井實(shí)施降壓開采直至無(wú)經(jīng)濟(jì)效益，隨后在注水井布置海水源熱泵系統(tǒng)、地面供給系統(tǒng)，通過注水井對(duì)天然氣水合物儲(chǔ)藏注入熱水，并從生產(chǎn)井生產(chǎn)天然氣，對(duì)采出水進(jìn)行收集。

圖1 反五點(diǎn)井網(wǎng)壓裂后裂縫形態(tài)俯視圖

1.2 海水源熱泵技術(shù)

采用海水源熱泵技術(shù)提供熱水作為熱激熱源。熱泵實(shí)質(zhì)上是一種熱量提升裝置，工作時(shí)它本身消耗很少一部分電能，卻能從環(huán)境介質(zhì)（水、空氣、土壤等）中提取4～7倍電能的裝置，提升溫度進(jìn)行利用。

Xiaosen Li等[12]建立了水合物開采數(shù)學(xué)模型。在初期先進(jìn)行降壓，待儲(chǔ)層溫度下降后再注入熱鹽水。結(jié)果表明：在注熱階段，注入井附近分解反應(yīng)強(qiáng)烈，產(chǎn)氣速率加快。Yasuhiko H Mori[13]提出了采用水下熱泵加熱水合物儲(chǔ)層進(jìn)行生產(chǎn)的工藝方法。Jing-Chun Feng等[14]利用雙水平井對(duì)水合物降壓與注熱分解進(jìn)行研究。在熱水注入期，水合物飽和度越高，產(chǎn)氣量越大。與降壓期產(chǎn)氣量相比，注入期產(chǎn)氣量是實(shí)驗(yàn)中影響整個(gè)產(chǎn)氣量的主要因素之一。

地源熱泵[15]已成功利用地下水、江河湖水、海水、城市中水、工業(yè)尾水等各類水資源以及土壤源，作為地源熱泵的冷、熱源。它不受地域、資源等限制，均可制取高溫?zé)嵩矗?0～85℃以上，熱風(fēng)或熱水）。

經(jīng)直接觀測(cè)表明：海水溫度日變化很小，南海海水表層水溫高（25～28℃），年溫差?。?～4℃）。海水源熱泵熱水生產(chǎn)具有電能效率高、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠、可重復(fù)使用、儲(chǔ)層加熱效率高、穿透深度大、能力強(qiáng)等特點(diǎn)。該技術(shù)能夠提供70℃以上的熱水。

具體操作過程如下（圖2）：帶有海水過濾裝置的海水循環(huán)泵吸入海水，海水在蒸發(fā)器中與工質(zhì)1（乙二醇等）進(jìn)行熱量交換，工質(zhì)1吸收熱量。海水溫度降低后，經(jīng)過海水流出線排入大海。然后，工質(zhì)1與蒸發(fā)器內(nèi)的工質(zhì)2（R32/R134a或R407C或R22）進(jìn)行熱量交換，工質(zhì)2吸熱量蒸發(fā)。由蒸發(fā)器出來(lái)的工質(zhì)2蒸氣被吸入壓縮機(jī)，壓縮機(jī)將工質(zhì)壓縮成過熱蒸氣，進(jìn)入冷凝器并在定壓下放熱給工質(zhì)3（即注入水），工質(zhì)2凝結(jié)成飽和液體，經(jīng)膨脹閥減壓降溫，進(jìn)入蒸發(fā)器，開始下一個(gè)循環(huán)。工質(zhì)3吸收熱量后溫度升高，循環(huán)進(jìn)入注入水循環(huán)罐中，并經(jīng)由注入水循環(huán)管線，注入水循環(huán)泵，連續(xù)進(jìn)行循環(huán)加熱。

圖2 海水源熱泵系統(tǒng)和地面供給系統(tǒng)示意圖

注入水循環(huán)罐中的注入水包括海水、地層采出水等，由水處理裝置處理后方可使用。水處理裝置包括具有過濾、分解水中溶解氣體功能的常規(guī)水處理設(shè)備。待注入水循環(huán)罐中的溫度升高到一定程度，由注入泵泵注到注入水罐中儲(chǔ)存，并由注入泵打到注水井中。

1.3 直井細(xì)分層壓裂改造

新方案為了提高天然氣的產(chǎn)量，實(shí)現(xiàn)天然氣水合物的商業(yè)開采，對(duì)注水井進(jìn)行壓裂改造，在儲(chǔ)層中壓開多條人工裂縫。

在我國(guó)的油田類型中，低滲透和致密砂巖性質(zhì)的油氣田數(shù)量非常多[16-17]。在這些低滲透的油氣田中，巖石致密、滲透率低等因素都會(huì)嚴(yán)重影響油氣田的開采效率，增加開采的難度。而水力壓裂技術(shù)作為一種必要的投產(chǎn)措施，不僅能夠提高產(chǎn)量，而且能夠降低開采難度。有研究人員提出了水力壓裂改造的工藝技術(shù)在開發(fā)天然氣水合物儲(chǔ)層中的應(yīng)用[18]。2017年5月10日，在中國(guó)南海神狐海域，從水深1 266 m的海底以下203～277 m的天然氣水合物礦藏中開采出天然氣，此次“試采”采用了水力割縫的方法進(jìn)行儲(chǔ)層改造。測(cè)試表明，割縫效果良好，大大提高了地層滲透性。

由于儲(chǔ)層比較淺，根據(jù)地應(yīng)力的大小關(guān)系，一般產(chǎn)生水平裂縫，這也是采用直井注采井組的理論依據(jù)。人工裂縫，尤其是細(xì)分層裂縫的存在，將大大提高儲(chǔ)層受熱面積，提高熱交換的效率，從而提高天然氣的產(chǎn)量；同時(shí)，裂縫的存在，改變滲流模式為雙線性流，降低滲流阻力，顯著提高泵注熱水的能力，降低泵注壓力。同時(shí)更為重要的是，由于在儲(chǔ)層中制造出人工裂縫，能夠顯著提高生產(chǎn)面積，提高降壓生產(chǎn)效果，迅速擴(kuò)展降壓范圍，提高儲(chǔ)層的生產(chǎn)能力。在生產(chǎn)過程中，同樣由于降低了生產(chǎn)阻力，減小了壓力降低的程度，也就減小了儲(chǔ)層中砂粒的受力程度，減小了儲(chǔ)層出砂的可能性及出砂量。

本方案中，注水直井進(jìn)行壓裂改造，采氣井不進(jìn)行壓裂改造；采用化學(xué)暫堵轉(zhuǎn)向分層壓裂或多級(jí)封隔器分層水力壓裂。

在分層壓裂工藝中，根據(jù)射孔段長(zhǎng)設(shè)置壓裂級(jí)數(shù)，設(shè)置每層厚度2～6 m，將儲(chǔ)層細(xì)分割，密集造縫，提高注入熱水與儲(chǔ)層的接觸面積。每層的壓裂規(guī)模根據(jù)井網(wǎng)及井間的距離設(shè)置，注水井壓裂裂縫與采氣井之間保留一定距離，造縫長(zhǎng)度80～200 m，液體規(guī)模 150～400 m3，壓裂排量 2～4 m3/min，壓裂液粘度控制在 10～30 mPa·s。

化學(xué)暫堵轉(zhuǎn)向分層壓裂技術(shù)[19]（圖3）是針對(duì)籠統(tǒng)射孔地層的。在第一次壓裂完畢后，從暫堵劑投送裝置投入3～7 mm化學(xué)暫堵球，暫堵球?yàn)樗苄怨悄z類或纖維類或樹脂類化學(xué)物質(zhì)，能夠起到暫堵裂縫縫口、射孔孔眼[20]的作用，提供2～8 MPa的暫堵壓力，使得新裂縫開啟，并在壓裂施工后1.5～2.5 h后溶解部分或大部分，并且不污染儲(chǔ)層。暫堵球的用量根據(jù)射孔孔眼的數(shù)量配置；投送排量低于壓裂排量；分層數(shù)量為3～8層。

圖3 暫堵分層壓裂

多級(jí)封隔器分層水力壓裂[21-22（]圖4）是指采用井下分層壓裂工具實(shí)現(xiàn)細(xì)分層，分層數(shù)量為3～5層。采用多個(gè)液壓封隔器，并組合投球滑套裝置?？山M合封隔器滑套分層工藝與化學(xué)暫堵分層進(jìn)行分層，使用封隔器滑套粗分層，每一層中多次投入暫堵劑（2～3次），進(jìn)行細(xì)分層。結(jié)合工具與化學(xué)暫堵分層，分層數(shù)量可以達(dá)到10～15層。

圖4 機(jī)械分層壓裂

1.4 完井及井下工具

本方案的完井方式為套管固井射孔完井，套管內(nèi)下入防砂篩管及電潛泵進(jìn)行生產(chǎn)。

當(dāng)套管固井射孔完成后，進(jìn)行壓裂施工，排液后，再下入防砂篩管[23]（圖5）。篩管防砂粒徑可以根據(jù)需要調(diào)整，能夠防住顆粒較小的地層砂。因此，本方案的完井方式是套管內(nèi)嵌套篩管。這樣的好處是：采用套管固井完井，井壁比較穩(wěn)固，強(qiáng)度高，抵抗儲(chǔ)層塑形變形的能力強(qiáng)[24]，且能夠進(jìn)行壓裂施工。套管內(nèi)再下入防砂篩管，則具備完善的防砂功能。單純采用篩管完井，不能進(jìn)行壓裂施工與注固化劑施工，也難以抵抗井壁的塑形變形，井筒存在坍塌變形的可能性增加。

完井作業(yè)的直井段口袋深度20～50 m，以實(shí)現(xiàn)氣水分采，減少采出氣含水量。在注水井及生產(chǎn)井直井段中下入電潛泵[25]，下入至直井段底部口袋。由于采用注熱水開發(fā)，為提高注熱效率，減小熱量損失，注水井的油管要采用隔熱功能設(shè)計(jì)。

圖5 直井完井示意圖

1.5 高壓注水及悶井技術(shù)

采用高壓注熱水技術(shù)加熱激發(fā)儲(chǔ)層，波及范圍廣，天然氣水合物分解快；采用悶井技術(shù)充分進(jìn)行熱交換。

由于儲(chǔ)層有一定的滲透性，采用高壓方式向儲(chǔ)層中注入高溫度的熱水，在天然氣水合物沒有徹底分解之前，預(yù)先在儲(chǔ)層孔隙中灌注具有一定溫度的熱水，促進(jìn)天然氣水合物分解；而且采用高壓灌注工藝，灌注速度高，與分級(jí)壓裂裂縫結(jié)合起來(lái)，受效面積大，穿透能力強(qiáng)，滲透時(shí)間短。注入熱水一段時(shí)間后，開始悶井，悶井時(shí)間要保證儲(chǔ)層中熱水沁潤(rùn)的體積中的天然氣水合物徹底分解。悶井過程中由于重力作用，氣體上升，造成“氣頂”儲(chǔ)層。

1.6 系統(tǒng)防砂技術(shù)

本方案的防砂技術(shù)為系統(tǒng)防砂技術(shù)[26]，包括采用分層壓裂技術(shù)、小壓差生產(chǎn)技術(shù)、儲(chǔ)層固結(jié)技術(shù)、篩管防砂技術(shù)等。分層壓裂技術(shù)為小壓差生產(chǎn)技術(shù)提供了可能性，此時(shí)生產(chǎn)壓差下降，出砂的動(dòng)力減小，降低了儲(chǔ)層出砂的可能性。

在生產(chǎn)過程中，隨著天然氣水合物分解為水與天然氣，水合物冰體消失，儲(chǔ)層中水分增多，膠結(jié)疏松的砂粒在氣流與水流的沖擊下，容易剝落，流向井筒，導(dǎo)致出砂。

由于儲(chǔ)層容易出砂，加上出砂成份的復(fù)雜性，雖然篩管防砂效果較好，能夠阻擋砂子不進(jìn)入井筒或少量進(jìn)入井筒，但隨著篩管外面的砂子越積越多，篩管有全部堵死的風(fēng)險(xiǎn)；或者篩管經(jīng)受的磨蝕時(shí)間越來(lái)越長(zhǎng)，存在篩管失效的風(fēng)險(xiǎn)，因此防砂問題要從系統(tǒng)的角度來(lái)考慮。

采用儲(chǔ)層固結(jié)技術(shù)[27]，注入特殊化學(xué)劑，固結(jié)井筒周圍疏松的砂巖，提高儲(chǔ)層骨架強(qiáng)度，減少出砂的幾率，減小儲(chǔ)層出砂量。固結(jié)劑要優(yōu)選，固結(jié)后仍要保留較高的滲流能力。注入化學(xué)劑作業(yè)針對(duì)生產(chǎn)井進(jìn)行，且在生產(chǎn)進(jìn)行一段時(shí)間后，近井周圍的儲(chǔ)層中的水合物已經(jīng)分解。利用生產(chǎn)管柱，注入一定量的低溫固結(jié)支撐劑，按照每條裂縫用3～10 m3固結(jié)劑的用量，關(guān)井1～3 h。篩管選擇方面，選擇厚壁基管，優(yōu)選篩網(wǎng)材料，提高抗磨蝕能力及防砂精度，提高篩管的防砂效果、防砂壽命。

2 理論模擬

2.1 溫壓模型

根據(jù)研究，當(dāng)模擬的溫度在273.15 K之上時(shí)，采用如下的平衡壓力方程[28]：

以神狐海域的天然氣水合物的儲(chǔ)層參數(shù)為例進(jìn)行計(jì)算[29]，其原始溫度取為15.4℃,壓力取15.55 MPa。假設(shè)注熱水后溫度升高為30℃，則平衡壓力為83.5 MPa；注熱水后溫度升高為22℃，則平衡壓力為35.8 MPa。假設(shè)天然氣分解界面溫度為10℃，則平衡壓力為9.2 MPa。

2.2 反應(yīng)速度的變化

2.2.1 不存在分層壓裂，不注入熱流體時(shí)的降壓生產(chǎn)產(chǎn)量 假設(shè)儲(chǔ)層的厚度為h（m），儲(chǔ)層孔隙度為φ（無(wú)因次），水合物飽和度為SH（無(wú)因次），As表示天然氣水合物的分解面積中天然氣水合物所占的面積（m2），Peq表示儲(chǔ)層對(duì)應(yīng)條件下的氣固相平衡壓力（MPa），Peq1表示自然降壓生產(chǎn)條件下儲(chǔ)層氣-固相平衡壓力（MPa），PD表示儲(chǔ)層分解壓力（MPa），nL表示天然氣的產(chǎn)出量，Q0表示自然壓降天然氣產(chǎn)量（m3/s），t表示時(shí)間（s），RD表示天然氣水合物分解半徑（m），n為比例常數(shù)，小于1。

由于自然降壓生產(chǎn)，天然氣水合物分解吸收熱量，儲(chǔ)層的溫度逐漸降低，假設(shè)降低為10℃，則相平衡壓力變?yōu)镻eq1=9.2 MPa。假設(shè)井底流動(dòng)壓力為5 MPa。

根據(jù)Bin Dou[30]的推導(dǎo)，在一定時(shí)間后，當(dāng)分解邊界達(dá)到RD時(shí)，天然氣的產(chǎn)量為：

為保持因次的完整性，本文研究后認(rèn)為，公式右邊缺少一個(gè)分解常數(shù)C0（m/（MPa）n/s），

則天然氣產(chǎn)量為：

2.2.2 分層壓裂，注入熱流體時(shí)生產(chǎn)產(chǎn)量 假設(shè)儲(chǔ)層中存在m條均勻分布的裂縫，裂縫長(zhǎng)度為L(zhǎng)（m），仍然對(duì)比徑向分解半徑達(dá)到RD時(shí)的產(chǎn)量（見圖6）。

圖6 直井加熱面積變化示意圖

由于多條裂縫的存在，當(dāng)注入熱水進(jìn)行分解生產(chǎn)時(shí)，分解面面積大大增加，每一條裂縫對(duì)應(yīng)兩個(gè)呈圓盤狀的分解面，每一個(gè)分解面的面積為：

假設(shè)當(dāng)徑向分解半徑達(dá)到RD時(shí)，裂縫面上下的分解距離為hD（m）,則徑向分解的面積AF（m2）為：

則考慮徑向分解的面積后，總的分解面積AsF（m2）為：

由于注入熱水，不僅補(bǔ)償了熱量的損失，而且能夠提高儲(chǔ)層的溫度。以Peq2（MPa）表示自然降壓生產(chǎn)條件下儲(chǔ)層氣-固相平衡壓力，假設(shè)儲(chǔ)層溫度提高為22℃，則平衡壓力Peq2為35.8 MPa。

此時(shí)產(chǎn)量QF為：

則生產(chǎn)產(chǎn)量比i為：

下面考察兩種情況下的生產(chǎn)產(chǎn)量比。假設(shè)h=30 m，m=5，φ=0.3，SH=0.2，RD=15 m，L=50 m，Peq2=35.8 MPa，n=0.02，Peq1=9.2 MPa，PD=5 MPa，則生產(chǎn)產(chǎn)量比為i=13，說明分層壓裂制造多條裂縫，注熱水提高儲(chǔ)層溫度能夠大幅提高生產(chǎn)產(chǎn)量。

3 結(jié)論

文中提出采用直井井組壓裂注熱水開采天然氣水合物。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本方案的有益效果是：采用目前階段切實(shí)可行的直井井型，并形成一注多采井網(wǎng)；采用分層壓裂技術(shù)，注水及降壓生產(chǎn)受效面積大；采用海水源熱泵技術(shù)，儲(chǔ)層溫度提高，天然氣水合物分解速度增加，同時(shí)做到低成本開發(fā)天然氣水合物；同時(shí)采用套管固井完井與篩管完井，有效保護(hù)了篩管，滿足了壓裂工序的要求；采用系統(tǒng)防砂工藝，出砂量少，防砂效果好。計(jì)算模型模擬結(jié)果表明，采用該套工藝能大幅提高生產(chǎn)產(chǎn)量。