南海固態(tài)流化開采天然氣水合物設(shè)計參數(shù)優(yōu)化

黃 鑫， 蔡明杰， 毛良杰， 周守為， 何玉發(fā)

(1.中國海洋石油總公司， 北京 100027； 2.西南石油大學(xué)， 油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室， 成都 610500； 3.中海石油(中國)有限公司北京研究中心， 北京 100027)

天然氣水合物因其清潔、儲量大、分布廣而被認為是未來最有前途的替代能源。天然氣水合物的開發(fā)方法主要有減壓法、熱注入法、化學(xué)劑注入法和CO2置換法[1-4]。這些開發(fā)方法的基本思想是通過改變水合物的周圍溫度和壓力來分解水合物，適用于強膠結(jié)致密水合物儲層的開采。然而，對于海底表層弱膠結(jié)非成巖天然氣水合物儲層來說，水合物的長期開采會影響儲層的壓力和溫度場，造成地質(zhì)災(zāi)害(如海底沉降和海底滑坡)、全球變暖和儲層污染[5]。

2013年3月，日本成功通過降壓法從南開海槽東部海底開采出甲烷氣體。然而，在開采的第6天，由于地層壓力下降引起的井下大量出砂，水合物的試采被迫停止。與日本水合物開采相比，南海“神狐”海域的水合物水深更深、埋深更淺，其開采面臨著更為嚴峻的挑戰(zhàn)[6]。固態(tài)流化方法是中國海洋石油總公司針對此類水合物開采提出的一種創(chuàng)新方法。固態(tài)流化的核心思想是先通過機械射流破碎的方法粉碎非成巖的水合物儲層，然后通過立管系統(tǒng)將水合物泥漿從海底輸送至鉆井船。這樣就不會影響天然氣水合物儲層的溫度場和壓力場，實現(xiàn)了天然氣水合物的可控開采。在實驗驗證該方法的可行性后，中國海洋石油總公司于2017年5月成功實施了全球首次海洋非成巖水合物固流化試采，試井水深1 310 m，水合物沉積層深度117～196 m。此次試采產(chǎn)氣81 m3，氣體中甲烷含量高達99.8%，未發(fā)現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害和甲烷泄漏[7]。

然而，現(xiàn)場觀察和試采數(shù)據(jù)表明，試采過程中仍然存在鉆井液漏失、產(chǎn)量下降等現(xiàn)象。海洋天然氣水合物固流化開采過程如下：首先，在水合物儲層上方鉆領(lǐng)眼；然后，天然氣水合物經(jīng)噴嘴破碎流化；最后，將流化的水合物漿體相上輸送。當水合物顆粒從環(huán)空返回鉆井船時，固體水合物顆粒會因為壓力的降低和溫度的升高而分解成為甲烷氣體和水，形成復(fù)雜的氣液固三相流動。環(huán)空多相流動對井筒壓力影響很大，無序的水合物分解有可能對鉆井安全構(gòu)成威脅(如鉆井液漏失、地層坍塌、地層破裂等)。Wang等[8]在考慮氣侵的情況下，研究了深水鉆井過程中水合物的多相流行為及水合物相變的影響，結(jié)果表明泥漿池增量隨井筒內(nèi)氣體體積的減少而降低。Gao等[9]提出了水合物鉆井的井筒-地層耦合模型，分析了水合物-地層可能的分解區(qū)域，提出了控制水合物分解的有效方法。由此可見，現(xiàn)有研究對水合物分解引起的環(huán)空多相流動行為已經(jīng)進行了廣泛分析。然而，很少有研究系統(tǒng)分析水合物分解引發(fā)的多相流行為對工程安全的影響。隨著能源需求的不斷增長，在大規(guī)模商業(yè)化固態(tài)流化開采海洋天然氣水合物之前，確保工程安全具有重要意義。

通過建立考慮水合物熱分解的井筒多相流動模型，系統(tǒng)地研究固態(tài)流化開采天然氣水合物過程中的井筒多相流行為。在此基礎(chǔ)上，分析鉆井參數(shù)對工程安全的影響，提出確保固態(tài)流化開采天然氣水合物工程安全的具體參數(shù)。研究成果可為中國南海固態(tài)流化商業(yè)化開采天然氣水合物提供理論指導(dǎo)和技術(shù)支持。

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 多相流模型

在天然氣水合物開采過程中，固相水合物顆粒會隨著鉆井液在環(huán)空中向上運移。在海水段，隨著環(huán)空溫度和壓力的降低，水合物顆粒會分解成氣體從而在環(huán)空內(nèi)形成氣液固三相流動。假設(shè)水合物分解產(chǎn)生的水忽略不計，建立如下多項流動模型[10]：

氣相連續(xù)性方程：

(1)

液相連續(xù)性方程:

(2)

固相連續(xù)性方程:

(3)

根據(jù)動量守恒定律，可以得到氣液固三相混合動量方程為[11]

(4)

式中：t為時間，s；z為單元體長度，m；ρ為某相密度，kg/m3；v為某相速度，m/s；E為某相體積分數(shù)；下標g、l、S分別表示氣相、液相和固相；A為環(huán)空截面積，m2；xg為水合物中天然氣的質(zhì)量分數(shù)；rH為水合物分解速率，m3/s；g為重力加速度，kg/m3；P為壓力，Pa。

1.2 能量守恒方程

由于水合物的分解是一個吸熱的過程，而井筒溫度分布又對水合物分解速率有著不可忽略的影響。因此，考慮水合物的吸熱分解來計算井筒溫度。

環(huán)空溫度計算模型[12]:

(5)

鉆柱內(nèi)溫度計算模型:

(6)

1.3 水合物分解速率

采用Kim等[13]提出的經(jīng)典模型來計算水合物分解速率：

(7)

式(7)中：k為水合物分解速率常數(shù)；As為水合物總分解面積，m2；Pg為氣相壓力，Pa；ΔE為水合物熱分解活化能, J；Peq為水合物相平衡壓力，可以用Dzyuba等[14]提出的經(jīng)驗?zāi)Ｐ陀嬎悖?/p>

(8)

其余輔助方程如流態(tài)判別準則、漂移流動模型以及摩阻壓降模型采用Hasan等[15-16]提出的在石油工業(yè)中廣泛應(yīng)用的經(jīng)典數(shù)學(xué)模型計算。

2 模型求解

2.1 網(wǎng)格劃分

采用有限差分法求解耦合的數(shù)學(xué)模型。在模擬中，時間域表示天然氣水合物從井底到井口運移的全部時間過程，空間域表示從井底到井口的所有空間節(jié)點。圖1為井筒網(wǎng)格劃分與網(wǎng)格集成區(qū)域示意圖。

圖1 井筒網(wǎng)格劃分Fig.1 Diagram of the grid diagram and cell grid integration area of the wellbore

2.2 方程離散

數(shù)學(xué)模型中的偏微分方程可以寫為

(9)

然后，根據(jù)格林公式可以得到沿L邊界的曲線積分為

(10)

通過化簡，式(10)可以寫為

(11)

(1)氣相差分方程：

(12)

(2)液相差分方程:

(13)

(3)固相差分方程:

(14)

(4)混合動量差分方程:

(15)

(5)環(huán)空能量守恒差分方程:

(16)

(6)鉆柱內(nèi)能量守恒差分方程：

(17)

3 工程應(yīng)用分析

在中國南海，天然氣水合物埋深淺、膠結(jié)弱、儲層疏松，壓力窗口很窄。在水合物固態(tài)流化開采過程中，井筒內(nèi)的多相流動行為會對井筒內(nèi)溫度和壓力場造成較大的影響，可能引發(fā)井下事故，如圖2所示。針對天然氣水合物大規(guī)模商業(yè)開采，采用數(shù)值模擬的方法，對南?！吧窈焙Ｓ蚰尘Ｑ筇烊粴馑衔锕塘骰_采中的多相流行為進行了研究。在此基礎(chǔ)上，分析了多相流特性對工程安全的影響。該井的主要計算參數(shù)如表1所示。

3.1 排量的影響

圖3為不同排量下環(huán)空含氣率、井筒溫度、地層段環(huán)空壓力和井底壓力變化規(guī)律。由圖3(a)可知，水合物顆粒在500～900 m位置開始分解，分解氣體積隨著井深的降低而增加。這是由于隨著井深的降低，環(huán)空內(nèi)鉆井液溫度和壓力降低，水合物分解速率增加。此外，排量越大，初始分解位置越接近海面。這是由于，排量越大，鉆井液在環(huán)空中流動的時間越少，從地層吸收的熱量越少[17]，鉆井液溫度越低[圖3(b)]。因此，水合物分解分解速率越低。因此，由于在高排量下井筒內(nèi)氣體體積更小，環(huán)空壓力和井底壓力更高，如圖3(c)、圖3(d)所示。此時，采用的排量如果低于40 L/s，井底壓力將低于地層坍塌壓力，極有可能造成地層坍塌。此外，排量也不應(yīng)該過大，由圖3(c)可知，過大的排量可能壓裂水合物儲層上部地層，造成儲層污染。因此，為保證工程安全，建議在海洋天然氣水合物開采中采用排量為40～50 L/s。

P為井底壓力，MPa；PL為漏失壓力，MPa；PP為地層壓力，MPa; PC為坍塌壓力，MPa；PF為破裂壓力，MPa圖2 井筒多相流與工程安全關(guān)系示意圖Fig.2 Diagram of the relationship between multiphase flow behavior and engineering safety

表1 “神狐”海域某井主要參數(shù)Table 1 The main parameters of the well in “Shenhu”

圖3 不同排量下含氣率、井筒溫度、地層段 環(huán)空壓力和井底壓力變化Fig.3 Variations of gas content, wellbore temperature, formation section annular pressure and bottom hole pressure under different displacements

3.2 地溫梯度的影響

圖4為不同地溫梯度下環(huán)空含氣率、井筒溫度、地層段環(huán)空壓力和井底壓力變化規(guī)律。由圖4(a)可知，隨著地溫梯度的增加，水合物分解速率加快，井內(nèi)氣體體積增加。這是因為，地溫梯度越大，鉆井液從底層獲得熱量越多[18]，鉆井液溫度越高[圖4(b)]，因此，水合物分解速率越高。因此，由于在高地溫梯度下井筒內(nèi)氣體體積更大，環(huán)空壓力和井底壓力更低，如圖4(c)、圖4(d)所示。此時，如果地溫梯度高于0.04 ℃/m，井底壓力將低于地層坍塌壓力，極有可能造成地層坍塌。此外，地層段環(huán)空壓力也有可能低于地層壓力，造成地層流體進一步侵入井筒。因此，如果地溫梯度高于0.04 ℃/m，鉆井時有必要提前冷卻鉆井液，確保工程安全。

圖4 不同地溫梯度下含氣率、井筒溫度、地層段 環(huán)空壓力和井底壓力變化Fig.4 Variations of gas content, wellbore temperature, formation section annulus pressure and bottom hole pressure under different geothermal gradients

3.3 鉆井液密度的影響

圖5為不同鉆井液密度下含氣率、井筒溫度、地層段環(huán)空壓力和井底壓力變化規(guī)律。由圖5(a)可知，隨著鉆井液密度的降低，水合物分解速率加快，井筒內(nèi)氣體體積增加。這是因為，鉆井液密度越大，鉆井液液柱壓力越大，溫度越低[圖5(b)]，水合物分解速率越低[19]。因此，由于在低鉆井液密度下井筒內(nèi)氣體體積更大，環(huán)空壓力和井底壓力更低，如圖5(c)、圖5(d)所示。然而，鉆井液密度如果低于1.20 g/cm3，儲層段環(huán)空壓力低于地層壓力[圖5(c)]，可能引發(fā)溢流事故；井底壓力低于地層坍塌壓力[圖5(d)]，可能造成地層坍塌。同時，如果鉆井液密度大于1.25 g/cm3，井底壓力將大于地層漏失壓力[圖5(d)]，引發(fā)鉆井液漏失。因此，為確保工程安全，鉆井液密度應(yīng)該控制在1.20～1.25 g/cm3。

圖5 不同鉆井液密度下含氣率、井筒溫度、地層段 環(huán)空壓力和井底壓力變化Fig.5 Variations of gas content, wellbore temperature, annulus pressure and bottom hole pressure in different drilling fluid densities

圖6 不同鉆速下含氣率、井筒溫度、地層段 環(huán)空壓力和井底壓力變化Fig.6 Variations of gas content, wellbore temperature, formation section annulus pressure and bottom hole pressure at different drilling rates

3.4 鉆速的影響

圖6為不同鉆速下含氣率、井筒溫度、地層段環(huán)空壓力和井底壓力變化規(guī)律。由圖6(a)可知，隨著鉆速的增加，水合物分解速率增加。這是由于在相同的時間內(nèi)，高鉆速下更多的水合物顆粒會攜帶熱量進入到環(huán)空內(nèi)[20]，提高了鉆井液溫度[圖6(b)]，增加了水合物分解速率。由圖6(c)可知，鉆速對儲層段環(huán)空壓力的影響較小，鉆速的變化引起地層破裂的可能性低。然而，當鉆速高于20 m/h時，由于鉆井液固相含量上升，初始井底壓力大于地層漏失壓力[圖6(d)]，將造成鉆井液漏失。在高鉆速下，一方面由于含氣率增加，井內(nèi)環(huán)空壓力和井底壓力會降低；另一方面由于鉆井液固相含量增加環(huán)空壓力和井底壓力會增加。在二者共同作用下，環(huán)空壓力和最終井底壓力隨鉆速變化不明顯。因此，在保證工程安全的前提下，為提高水合物開采效率，開采水合物的鉆速應(yīng)該保持在20 m/h左右。

4 結(jié)論

建立了考慮水合物吸熱分解的多相流模型，研究了天然氣水合物固相流化開采中的多相流行為。討論了排量、地溫梯度、鉆井液密度和鉆速對水合物開采過程中井筒多相流行為的影響并提出了確保工程安全的參數(shù)設(shè)計方法。得出如下主要結(jié)論。

(1)水合物固體顆粒在井深900 m附近開始分解，隨著井深的降低，環(huán)空內(nèi)鉆井液溫度和壓力降低，水合物分解速率增加，分解氣體積隨著井深的降低而增加。水合物的分解會造成環(huán)空壓力和井底壓力的降低。

(2)排量越大，水合物分解速率越低，環(huán)空壓力和井底壓力更高；地溫梯度越高，水合物分解速率越高，環(huán)空壓力和井底壓力更低；鉆井液密度越大，水合物分解速率越低，環(huán)空壓力和井底壓力更高；鉆速越快，水合物分解速率增加，同時，鉆井液固相含量增加，初始井底壓力增加，但環(huán)空壓力和最終井底壓力隨鉆速變化不明顯。

(3)為確保固態(tài)流化開采天然氣水合物工程安全，建議采用排量40～50 L/s；如果地溫梯度高于0.04 ℃/m，鉆井時應(yīng)該提前冷卻鉆井液；鉆井液密度應(yīng)該控制在1.20～1.25 g/cm3；為最大化水合物開采效率，鉆速應(yīng)該保持在20 m/h左右。