近井儲(chǔ)層改造對(duì)天然氣水合物藏降壓開采特性影響的數(shù)值模擬研究

齊 赟，孫友宏，李 冰，沈奕鋒，張國彪，黃 峰

（中國地質(zhì)大學(xué)（北京）工程技術(shù)學(xué)院，北京100083）

0 引言

天然氣水合物是由水與天然氣在高壓低溫條件下形成的結(jié)晶物質(zhì)［1］，廣泛分布于陸地凍土區(qū)、陸緣深水海域和一些深水湖泊底部沉積物中，具有能量密度大、分布范圍廣和儲(chǔ)量大等特點(diǎn)，是一種重要的潛在清潔接替資源。初步預(yù)測(cè)，我國海域天然氣水合物資源量約 800 億 t 油當(dāng)量［2］，其高效安全開采對(duì)將來保障我國能源安全具有重大的意義。近年來，美國、日本、加拿大和中國等多個(gè)國家開展了天然氣水合物試采，但各國試采工程普遍存在單井產(chǎn)氣量低、開采范圍小和穩(wěn)產(chǎn)時(shí)間短等問題，進(jìn)行商業(yè)化開采還有較長一段距離［3-5］。

如何有效實(shí)現(xiàn)天然氣水合物增產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)和高產(chǎn)是實(shí)現(xiàn)商業(yè)化開采亟需解決的關(guān)鍵問題之一。近年來，儲(chǔ)層改造增產(chǎn)方式陸續(xù)被提出，國內(nèi)外學(xué)者也圍繞水合物增產(chǎn)開展了大量實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究。王志遠(yuǎn)等［6］提出了熱流體壓裂方法，該方法可提高水合物分解速率，增大產(chǎn)氣量；LI 等［7］提出劈裂注泡沫砂漿改造水合物儲(chǔ)層方法，該方法可在水合物儲(chǔ)層中形成高滲透性、高強(qiáng)度的裂縫通道，加固水合物儲(chǔ)層的同時(shí)還可以增大儲(chǔ)層滲透性，后續(xù)的數(shù)值模擬結(jié)果表明，采用該方法進(jìn)行儲(chǔ)層改造，降壓開采1 年時(shí)間，產(chǎn)氣量可提高幾倍至十幾倍；SUN等［8］提出通過在甲烷水合物儲(chǔ)層上方生成CO2水合物蓋層來改造天然氣水合物儲(chǔ)層的技術(shù)思想，實(shí)驗(yàn)證實(shí)改造后產(chǎn)氣量、產(chǎn)氣效率均明顯提高。除儲(chǔ)層改造外，利用水平井、復(fù)雜結(jié)構(gòu)井和井群井網(wǎng)等開發(fā)模式也是水合物增產(chǎn)的重要手段。YU 等［9］通過數(shù)值模擬證明雙豎直井與降壓法開采結(jié)合可以提高天然氣采收率；FENG 等［10］、吳能友等［11］發(fā)現(xiàn)在水平井開采后期儲(chǔ)層溫度回升較快，水平井可加快儲(chǔ)層內(nèi)部熱量傳遞，提高水合物分解速率；許紅林等［12］發(fā)現(xiàn)采用魚骨井開采時(shí)產(chǎn)能大幅度提高；WILSON 等［13］證實(shí)多分支井在開采中后期具有明顯的增產(chǎn)優(yōu)勢(shì)?？傊?，以上增產(chǎn)方式都是通過增大泄壓面積、改善儲(chǔ)層滲流條件的方式，以擴(kuò)大水合物分解陣面、提高天然氣水合物分解速率，進(jìn)而增大降壓開采產(chǎn)能［11］。

近井區(qū)域儲(chǔ)層的滲透性和強(qiáng)度關(guān)系著油氣藏產(chǎn)能和開采井安全。我國南海泥質(zhì)粉砂水合物儲(chǔ)層具有低孔滲、未成巖和弱膠結(jié)等特點(diǎn)［14-15］，而在水合物開采過程中，近井儲(chǔ)層的低孔滲會(huì)嚴(yán)重阻礙氣/水產(chǎn)出效率，且水合物分解會(huì)引起井眼周圍地層應(yīng)力重新分布、地層強(qiáng)度降低，導(dǎo)致井壁失穩(wěn)。要實(shí)現(xiàn)天然氣水合物的安全高效開采，需對(duì)近井儲(chǔ)層進(jìn)行改造，同時(shí)增加近井儲(chǔ)層的滲透性和強(qiáng)度。而現(xiàn)有成熟的儲(chǔ)層改造技術(shù)難以在水合物儲(chǔ)層形成長期高導(dǎo)流能力的滲流通道［16-18］，也很少考慮增強(qiáng)水合物儲(chǔ)層強(qiáng)度的問題。近年來，一種用于水合物儲(chǔ)層改造的可原位固化形成高滲多孔骨架的漿液思路被提出［19-20］，向水合物儲(chǔ)層注入這種漿液可達(dá)到同時(shí)增強(qiáng)水合物儲(chǔ)層滲透性和強(qiáng)度的目的，因此，通過高壓旋噴注漿的方式可以實(shí)現(xiàn)近井儲(chǔ)層的增滲和增強(qiáng)改造。

為探明近井儲(chǔ)層改造對(duì)降壓開采的影響機(jī)制，本文基于我國第一輪海域水合物試采區(qū)域的地層數(shù)據(jù)，建立了含上覆層、水合物層、三相層、游離氣層和下伏層的復(fù)雜地質(zhì)模型，利用Tough+Hydrate對(duì)近井儲(chǔ)層改造后的水合物藏進(jìn)行了降壓開采數(shù)值模擬研究。重點(diǎn)關(guān)注了多孔骨架滲流通道的產(chǎn)氣速率、產(chǎn)水速率及氣水比的演化規(guī)律，并與儲(chǔ)層滲透通道作對(duì)比，分析了多孔骨架在水合物藏中的不同開采層位的作用，明確了多孔骨架對(duì)水合物開采的貢獻(xiàn)大??；此外，探究了開采過程中儲(chǔ)層溫度、壓力、水合物飽和度和氣體飽和度的分布特征，進(jìn)而分析了近井儲(chǔ)層改造對(duì)壓降傳播、水合物分解和氣/水產(chǎn)出的影響機(jī)制，為后續(xù)天然氣水合物儲(chǔ)層的改造方案制定和優(yōu)化提供支撐。

1 水合物降壓開采數(shù)值模型

1.1 地質(zhì)背景和模型建立

模擬區(qū)域位于我國在南海第一次水合物試采井SHSC-4 所在的W17 站位，位于南海北坡西沙海槽與東沙群島之間。該區(qū)域海床較為平坦（平均坡度＜3°），海水深度為 1000～1700 m，海底溫度為3.3～3.7 ℃，地溫梯度為45～67 ℃/km，海底壓力＞10 MPa，滿足水合物成礦地質(zhì)和熱力學(xué)條件［21-22］。模擬位置水深1266 m，采用柱坐標(biāo)建立模型，模型上邊界距離海底171 m，縱向深度為140 m，沿半徑方向長度為100 m。由于模擬開采時(shí)間較短（2 年），儲(chǔ)層滲透率較低，降壓開采影響范圍有限，徑向100 m 長的地質(zhì)模型能滿足降壓生產(chǎn)需要。整個(gè)模型由上下邊界、上覆層、下伏層、水合物層、三相層和游離氣層組成（如圖1 所示）。其中水合物層、三相層和游離氣層厚度分別為35、15 和27 m。此外，上覆層和下伏層本身滲透率較小，降壓開采對(duì)其溫壓場(chǎng)影響較小，普遍認(rèn)為30 m 厚的上覆層和下伏層可滿足開采層與外界的壓力傳遞、能量交換和流體流動(dòng)。因此，為方便模型參數(shù)計(jì)算，將上覆層和下伏層的厚度分別設(shè)置為31 和32 m。水合物層和三相層的水合物飽和度分別為34%和31%，三相層和游離氣層中的甲烷氣體飽和度分別為10%和7.8%，其他詳細(xì)參數(shù)參見表1。

圖1 近井儲(chǔ)層改造數(shù)值模擬模型Fig.1 Reservoir stimulation in the near wellbore area numerical simulation model

1.2 模型初始化

在模型初始化方面，我們參考了之前發(fā)表的文章［21-23］，由于該模型存在三相混合層和游離氣層，三相層和游離氣層界面處水合物應(yīng)處于相平衡狀態(tài)。試采區(qū)域水深為1266 m，三相層深度為海底236～251 m，通過靜水壓力計(jì)算三相層底部壓力為15.39MPa，依據(jù)水合物相平衡曲線確定其溫度為15.36 ℃，再利用文獻(xiàn)中報(bào)道的地溫梯度為43.653 ℃/km［21］，可以計(jì)算模型上下邊界的溫度和壓力。經(jīng)計(jì)算，模型上邊界溫度、壓力分別為11.86 ℃、14.58 MPa，模型下邊界的溫度、壓力分別為 17.88 ℃、15.98 MPa。參考先前模擬論文［7，21，23］，將上邊界、下邊界和圓柱外邊界設(shè)置為恒溫恒壓的可滲邊界，允許該模型與外界發(fā)生能量和物質(zhì)交換。一旦確定了邊界條件，運(yùn)用Tough+Hydrate 軟件在不開采條件將數(shù)值模擬模型運(yùn)行一段時(shí)間，可通過軟件自平衡功能實(shí)現(xiàn)整個(gè)模型溫度和壓力初始化。

表1 水合物儲(chǔ)層物理性質(zhì)參數(shù)Table 1 Physical property parameters of NGH layers

1.3 生產(chǎn)制度及多孔骨架滲流通道布置

本文在開采井參數(shù)選取中參考了前人數(shù)據(jù)，采用單一直井進(jìn)行開采，將生產(chǎn)井段長度設(shè)置為70 m，從水合物層開始，到游離氣層20 m 處結(jié)束，井徑為 0.1 m［21，23］，采用降壓法開采，根據(jù)實(shí)際的施工工藝，井中壓力為恒壓6 MPa，溫度取開采井段中間位置處的溫度13.93 ℃。在設(shè)置近井儲(chǔ)層改造產(chǎn)生的多孔骨架滲透通道參數(shù)時(shí)，參考了其他學(xué)者的研究結(jié)果，有研究認(rèn)為高壓旋噴注漿影響范圍可距開采井3.5 m［24］。為研究不同長度和高度的骨架通道對(duì)產(chǎn)氣的影響，共設(shè)置了8 組骨架通道參數(shù)（見表2），長度（L）分別為 1、3、5 m，高度（H）為2、20、30、40、50 cm。骨架通道在3 個(gè)層位中均有布置，水合物層中6 個(gè)，三相層和游離氣層中各3 個(gè)，間距為6 m，滲透率為1 D，孔隙度設(shè)置為60%，骨架通道滲透性和孔隙度的設(shè)置參考了其它儲(chǔ)層改造模擬文獻(xiàn)［25］，模型如圖1 所示。

表2 不同模擬案例中多孔骨架滲流通道主要參數(shù)Table 2 Main parameters of porous skeleton channel in different simulation cases

1.4 網(wǎng)格劃分

由于開采井和多孔骨架滲流通道周邊區(qū)域內(nèi)傳質(zhì)傳熱、相變過程非常劇烈，該區(qū)域的網(wǎng)格需劃分得更加細(xì)密。本文模擬的多孔骨架滲流通道均分布在距離井筒5 m 的范圍內(nèi)，井周5 m 區(qū)域的網(wǎng)格劃分較為精細(xì)，共劃分了50 個(gè)網(wǎng)格，其尺寸為0.1 m，隨著r增大，剩下的網(wǎng)格呈指數(shù)增長到100 m，最終，徑向被離散為120 個(gè)網(wǎng)格。在軸向網(wǎng)格劃分的過程中，根據(jù)不同的骨架通道高度，采取了不同的網(wǎng)格劃分方案，其中，骨架通道作為一層網(wǎng)格，隨著遠(yuǎn)離骨架通道，網(wǎng)格厚度也逐漸變大。最終，整個(gè)區(qū)域的網(wǎng)格被離散成以下3 種情況，骨架通道高度為 2、20、30、40、50 cm 的模型，模型中的最小層厚分別為 0.02、0.2、0.3、0.4、0.5 m，沿Z方向的層數(shù)分為190、178、130 層，網(wǎng)格總數(shù)分別為 22800 個(gè)（190×120）、21360 個(gè)（178×120）、19920 個(gè)（166×120）、15600 個(gè)（130×120）、15600 個(gè)（130×120），為活躍網(wǎng)格。剩余網(wǎng)格為劃分上下邊界的不活躍網(wǎng)格，即網(wǎng)格的溫度、壓力、各相飽和度及滲透率等參數(shù)隨模擬過程不斷改變，共3240 個(gè)。

2 結(jié)果與討論

2.1 產(chǎn)氣/產(chǎn)水特征

經(jīng)近井儲(chǔ)層改造后，氣/水是經(jīng)過多孔骨架滲流通道或低滲的儲(chǔ)層通道逐漸向井筒流動(dòng)而產(chǎn)出的。為明確骨架通道對(duì)氣/水產(chǎn)出的貢獻(xiàn)，我們比較了骨架通道（RSCG和RSCW）和儲(chǔ)層通道（RRCG和RRCW）的產(chǎn)氣/產(chǎn)水速率變化趨勢(shì)（如圖2 所示），圖中采用的速率均為單位高度通道的產(chǎn)氣/產(chǎn)水速率。從圖2 中可以明顯看出，多孔骨架滲流通道和儲(chǔ)層通道的產(chǎn)氣/產(chǎn)水速率差異較大，前者的產(chǎn)氣/產(chǎn)水速率均高于后者1～2 數(shù)量級(jí)，說明骨架通道在實(shí)際開采過程中一直作為氣/水產(chǎn)出的高速通道，對(duì)氣/水產(chǎn)出的貢獻(xiàn)較大。先前研究表明，井周氣/水流速?zèng)Q定了流體對(duì)巖石顆粒的攜帶、沖刷能力，流速越大，攜砂能力越強(qiáng)［26］。南海水合物儲(chǔ)層多以粉砂、泥質(zhì)粉砂巖為主，含水率高、膠結(jié)程度差［27］，在開采過程中，水合物的分解導(dǎo)致沉積物膠結(jié)程度進(jìn)一步變?nèi)酰?8-31］，氣/水產(chǎn)出時(shí)會(huì)不可避免地?cái)y帶沉積物顆粒進(jìn)入井中，即出砂。當(dāng)對(duì)近井儲(chǔ)層改造后的水合物儲(chǔ)層降壓開采時(shí)，骨架通道具有較高氣/水產(chǎn)出速率，儲(chǔ)層通道的產(chǎn)氣/產(chǎn)水速率相應(yīng)降低，可在一定程度上減緩近井區(qū)域的沉積物顆粒的移動(dòng)，具有防砂作用。此外，從圖2（a）和（b）中可以看出，當(dāng)骨架通道高度一定時(shí)，隨著長度的增加，骨架通道的產(chǎn)氣/產(chǎn)水速率逐漸增加，而儲(chǔ)層通道的產(chǎn)氣/產(chǎn)水速率逐漸減小，表明儲(chǔ)層改造的距離越大，骨架通道對(duì)氣/水產(chǎn)出的貢獻(xiàn)程度越大，越有利于防砂。而對(duì)比不同高度的骨架通道發(fā)現(xiàn)（圖2c 和d），骨架通道高度從 2 cm 增加到 20 cm 時(shí)，其中的產(chǎn)氣/產(chǎn)水速率均有明顯提高，當(dāng)骨架通道高度繼續(xù)增加時(shí)，其中的產(chǎn)氣/產(chǎn)水速率開始下降，且在案例5、案例6、案例7 三種情況下，骨架通道和儲(chǔ)層通道的產(chǎn)氣/產(chǎn)水速率曲線基本重合，這意味著骨架通道對(duì)開采的影響效果也相差不大，表明在促進(jìn)氣/水產(chǎn)出方面，骨架通道高度并不是越高越好，它有一個(gè)最佳值，在本文模擬中，最佳高度應(yīng)為20 cm。因此，在實(shí)際工程中，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)效率、工程需求和施工難度，盡量選擇較長且具有合適高度的骨架滲流通道，確定適宜的儲(chǔ)層改造方案。

圖2 多孔骨架滲流通道和儲(chǔ)層通道的產(chǎn)氣/產(chǎn)水速率變化趨勢(shì)Fig.2 Variation trend of gas/water yield rate of porous skeleton and reservoir channels

氣水比是衡量天然氣水合物開采能效的一個(gè)關(guān)鍵因素。開采過程中多孔骨架滲流通道和儲(chǔ)層通道中的氣水比變化趨勢(shì)如圖3 所示，可以明顯看出不同模擬條件下骨架通道的氣水比都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于儲(chǔ)層通道的氣水比，這充分證明骨架通道輸送氣體的能力更強(qiáng)，是氣體產(chǎn)出的主要通道。這種現(xiàn)象在楊林［32］和 LI 等［7］的經(jīng)儲(chǔ)層改造后水合物開采數(shù)值模擬中也同樣被發(fā)現(xiàn)，這意味著骨架通道的存在可有效提高降壓開采能效，減小維持降壓幅度所消耗的能量。比較特別的是，骨架通道和儲(chǔ)層通道的氣水比受參數(shù)的影響較小，開采中后期在不同骨架通道參數(shù)條件下2 類通道內(nèi)的氣水比變化趨勢(shì)基本重合，表明改變儲(chǔ)層改造的骨架通道參數(shù)對(duì)提高水合物開采能效作用不大。

為進(jìn)一步分析在不同開采層位中多孔骨架滲流通道對(duì)輸送氣體起到的作用，對(duì)比了不同開采層位在開采60 d 和720 d 時(shí)多孔骨架滲流通道和儲(chǔ)層通道的平均產(chǎn)氣速率如圖4 所示，圖中采用的速率均為單位高度通道的平均產(chǎn)氣速率。從圖4 中可以看出，不同開采層位中多孔骨架滲流通道的平均產(chǎn)氣速率（RSCG）均遠(yuǎn)大于儲(chǔ)層通道的產(chǎn)氣速率（RRCG），說明骨架通道在每一個(gè)開采層位中都為氣體的主要輸送通道，對(duì)產(chǎn)能的提高作用較大。為評(píng)估不同開采層位中骨架通道對(duì)產(chǎn)能提高的貢獻(xiàn)程度，比較了骨架通道和儲(chǔ)層通道的平均產(chǎn)氣速率比（RSCG/RRCG）的大小。開采進(jìn)行到60 d 時(shí)，案例2 和案例3 中3 個(gè)開采層位的RSCG/RRCG比值相差不大，而案例7 中三相層的RSCG/RRCG比值遠(yuǎn)大于另外2 個(gè)層位，說明滲流通道變高更有利于開采初期三相區(qū)氣體沿其產(chǎn)出。比較有意思的是，開采至720 d 時(shí)，3 種情況呈現(xiàn)一致的規(guī)律，三相層的RSCG/RRCG比值最大，水合物次之，游離氣層最小，表明三相層中骨架通道對(duì)產(chǎn)氣貢獻(xiàn)最大，水合物層居中，游離氣層中貢獻(xiàn)最小。由于三相層中含水、水合物和游離氣，骨架通道可為儲(chǔ)層內(nèi)原始游離氣體提供通道，同時(shí)還促進(jìn)水合物分解，因此對(duì)產(chǎn)氣貢獻(xiàn)最大；而在水合物層中骨架通道可引起周圍水合物快速分解，分解非均質(zhì)性從而導(dǎo)致其對(duì)產(chǎn)氣貢獻(xiàn)相對(duì)較大；對(duì)于游離氣層來說，骨架通道僅作為地層原始游離氣的快速輸送通道，考慮到原始儲(chǔ)層滲透率相對(duì)較大（表1），進(jìn)而導(dǎo)致其對(duì)產(chǎn)氣貢獻(xiàn)較小。總之，骨架通道在不同開采層位隨開采時(shí)間的變化呈現(xiàn)不同的增產(chǎn)效果，三相層中的增產(chǎn)效果最為明顯。

圖3 多孔骨架滲流通道和儲(chǔ)層通道的氣水比變化趨勢(shì)Fig.3 Variation trend of gas/water ratios of porous skeleton and reservoir channels

圖4 不同層位多孔骨架滲流通道和儲(chǔ)層通道平均產(chǎn)氣速率Fig.4 Average gas production rates of porous skeleton and reservoir channels in different layers

通過上述分析可以得出高壓旋噴注漿產(chǎn)生的多孔骨架滲流通道可作為氣/水產(chǎn)出高速通道，且具有一定的防砂功能。為進(jìn)一步明確近井儲(chǔ)層改造對(duì)增產(chǎn)的作用，對(duì)比了不同近井儲(chǔ)層改造參數(shù)條件下產(chǎn)氣量和產(chǎn)水量變化趨勢(shì)（見圖5）。如圖5（a）和（c）所示，在未進(jìn)行儲(chǔ)層改造的條件下，前60 d 內(nèi)的總產(chǎn)氣量在3.35×105m3，與實(shí)際試采的產(chǎn)氣量（3.09×105m3）相差不大，說明模擬結(jié)果能較好地吻合試采結(jié)果。在相同2 cm 骨架通道高度的條件下，隨著通道長度增加，產(chǎn)氣/產(chǎn)水量均有所升高，但增高幅度并不顯著，在骨架通道長度為5 m 的條件下，前60 d 的產(chǎn)氣量提高6.2%。這種現(xiàn)象表明在骨架通道高度較小時(shí)，增加近井儲(chǔ)層改造范圍并不能顯著提高產(chǎn)能，在董釗等［33］模擬滲流通道對(duì)壓裂充填井產(chǎn)量影響研究中也同樣發(fā)現(xiàn)這一現(xiàn)象，他們認(rèn)為提高產(chǎn)能主要靠滲流通道的高導(dǎo)流能力而不是滲流通道長度的增加。增產(chǎn)效果不明顯應(yīng)與骨架通道滲透率相關(guān)，在之前LI 等［7］的水合物儲(chǔ)層改造后產(chǎn)能模擬研究中發(fā)現(xiàn)，骨架通道滲透率從1 D 增加到10 D，產(chǎn)氣量可提高5.13 倍，這充分證明增加骨架通道滲透率可大幅度提高產(chǎn)氣量。在本文模擬中，考慮到高壓旋噴注漿攜帶的砂粒與沉積物顆粒級(jí)配相對(duì)較好，不利于形成高導(dǎo)流能力的骨架通道，而在開采過程中，沉積物微粒的運(yùn)動(dòng)又會(huì)顯著降低骨架通道滲透性，因此，基于普通砂層的滲透性（1 D 左右），將骨架通道滲透率設(shè)置為1 D。而在針對(duì)其他水合物儲(chǔ)層改造方法的產(chǎn)能模擬研究中［7，24，25］，骨架通道滲透率多設(shè)置在 1～100 D 之間，本文設(shè)置的骨架通道滲透率相對(duì)較低，且長度較短，因此，近井儲(chǔ)層改造對(duì)水合物藏增產(chǎn)效果不太明顯。此外，需要說明的是，隨著骨架通道高度的增加，產(chǎn)氣/產(chǎn)水量也隨之增加（圖5b 和d），這也在之前應(yīng)用其它水合物儲(chǔ)層改造方法的開采模擬中發(fā)現(xiàn)［7，34］，但增加骨架通道高度對(duì)水合物增產(chǎn)效果也不明顯，骨架通道高度為2 cm 時(shí)，相比于沒有改造的情況，60 d 產(chǎn)氣量提高了3.7%，當(dāng)骨架通道高度增加到20 cm 時(shí)，產(chǎn)氣量可提高12.8%，當(dāng)高度繼續(xù)增加時(shí)，產(chǎn)氣量提高開始變得不明顯，當(dāng)骨架通道高度為50 cm 時(shí)，產(chǎn)氣量只提高18.4%，開采2 年的產(chǎn)氣量僅提高11.7%。在骨架通道高度為30、40和50 cm 條件下，60 d 的產(chǎn)氣量相差不大，這與圖2（c）中的現(xiàn)象吻合，當(dāng)高度增加到一定程度時(shí)，繼續(xù)增加對(duì)產(chǎn)氣效果提高不明顯。通過上述結(jié)果分析可知，骨架通道高度并不是越大越好，增加骨架通道高度可以小幅度提高產(chǎn)能，但不是影響水合物產(chǎn)能的主要參數(shù)，在實(shí)際生產(chǎn)中，要結(jié)合實(shí)際情況控制骨架通道的高度。此外，要想通過儲(chǔ)層改造獲得較好的增產(chǎn)效果則需優(yōu)先選擇可形成高導(dǎo)流能力骨架通道的技術(shù)和措施。

圖5 不同多孔骨架滲流通道參數(shù)條件下產(chǎn)氣/產(chǎn)水量變化趨勢(shì)Fig.5 Variation trend of gas/water production under different porous skeleton channel parameters

2.2 儲(chǔ)層內(nèi)各物理場(chǎng)分布特性

開采過程中水合物儲(chǔ)層內(nèi)部壓力分布特征如圖6 所示，開采壓降由井筒沿徑向逐漸向水合物藏內(nèi)部擴(kuò)展，水合物層和三相層的井周附近形成明顯的高壓降區(qū)，游離氣層低壓區(qū)較小，這與先前該區(qū)域水合物開采模擬相一致［23］。近井儲(chǔ)層改造對(duì)壓降傳播的影響可從圖6 中明顯看出，經(jīng)改造后的水合物藏低壓區(qū)（＜10 MPa）面積更大，開采20 d 時(shí)，未改造情況下低壓區(qū)（＜10 MPa）擴(kuò)展至井周10 m處，而在案例7 條件下，低壓區(qū)可擴(kuò)展至井周13 m左右，這充分表明井周存在骨架通道更利于壓降向儲(chǔ)層內(nèi)部傳播。為進(jìn)一步說明骨架通道參數(shù)對(duì)壓降傳播的影響，比較了案例2 和案例3 以及案例3 和案例7 的壓力分布特征。當(dāng)開采20 d、骨架通道長度由1 m 升至3 m 時(shí)，低壓區(qū)只稍微擴(kuò)展，骨架通道高度由2 cm 升至50 cm 時(shí)，低壓區(qū)從距離開采井10 m 左右擴(kuò)展至13 m 左右，說明開采初期骨架通道高度對(duì)壓降的傳播影響更大，長度對(duì)壓降傳播的影響較小。隨著水合物的分解，近井區(qū)域儲(chǔ)層滲透性逐漸變大，骨架通道與儲(chǔ)層之間滲透性差異變小，高滲的骨架通道促進(jìn)儲(chǔ)層流體向井筒流動(dòng)的作用變?nèi)?，開采至 720 d 時(shí)，案例 2、案例 3 和案例 7 中低壓區(qū)分別擴(kuò)展至16、17 和18 m，低壓區(qū)范圍相差不大，表明開采進(jìn)程中骨架通道高度對(duì)壓降傳播的影響逐漸減弱。

圖6 壓力分布云圖Fig.6 Spatial distribution of pressure

溫度分布情況可反應(yīng)水合物分解速率的差異，溫度越低表明水合物分解越劇烈，從圖7 中可以看出，經(jīng)儲(chǔ)層改造后，近井區(qū)域低溫區(qū)明顯變大，且根據(jù)骨架通道布置情況呈現(xiàn)鋸齒狀分布，表明高滲骨架通道能促進(jìn)近井及其周邊水合物快速分解，相比于未改造的情況（案例1），改造后近井溫度恢復(fù)得較慢，這也進(jìn)一步證明近井儲(chǔ)層改造會(huì)有利于水合物分解。

圖7 溫度分布云圖Fig.7 Spatial distribution of temperature

近井儲(chǔ)層改造對(duì)水合物分解的影響可從水合物飽和度分布云圖中直觀看出，如圖8 所示，近井儲(chǔ)層改造后水合物分解前沿呈鋸齒狀，且隨骨架通道的長度和高度增加變得更加明顯，這與溫度云圖的變化是一致的。這種現(xiàn)象在應(yīng)用其它水合物儲(chǔ)層改造方法的開采模擬中同樣存在［7］，主要是由水合物的非均質(zhì)分解引起的。

圖9 展示了氣體飽和度分布變化規(guī)律，從圖中可以明顯看出，不同開采層位的氣體飽和度存在較大差異，水合物層較大，三相層次之，游離氣層基本無差別。這主要與甲烷氣體的來源有關(guān)系，水合物層中的甲烷全部來源于水合物分解，而骨架通道會(huì)加快水合物分解，導(dǎo)致甲烷氣體含量不同，三相層中存在少量水合物，所以近井區(qū)域的氣體飽和度有細(xì)微差別，而對(duì)于游離氣層，甲烷氣體全部來源于游離氣，隨著開采的進(jìn)行，后方的游離氣及時(shí)補(bǔ)充至近井區(qū)域，因此氣體飽和度基本無差別。

3 結(jié)論

（1）近井儲(chǔ)層改造產(chǎn)生的多孔骨架滲流通道可作為氣/水產(chǎn)出主要通道，其產(chǎn)氣/產(chǎn)水速率高于儲(chǔ)層通道1～2 個(gè)數(shù)量級(jí)，且骨架通道處的水合物分解較快，氣體飽和度較高，導(dǎo)致較高的氣水比，在一定程度上提高了降壓開采能效；骨架通道的存在會(huì)相應(yīng)地降低儲(chǔ)層滲流通道的產(chǎn)氣/產(chǎn)水速率，減弱了氣/水產(chǎn)出對(duì)沉積物顆粒的攜帶能力，具有一定的防砂作用。

（2）近井儲(chǔ)層改造可促進(jìn)壓降向儲(chǔ)層內(nèi)部傳播和加快多孔骨架滲流通道周邊水合物分解，經(jīng)儲(chǔ)層改造后，低壓區(qū)（＜10 MPa）可在開采20 d 時(shí)從距離開采井10 m 處擴(kuò)展至13 m 左右，泄壓面積明顯增大，導(dǎo)致水合物呈現(xiàn)非均質(zhì)分解，低溫區(qū)和水合物分解前沿呈鋸齒狀分布，骨架通道處氣體飽和度較大；但隨著開采進(jìn)行，水合物分解前沿逐漸遠(yuǎn)離骨架通道區(qū)域，骨架通道對(duì)壓降傳播和水合物分解的促進(jìn)作用就會(huì)逐漸減弱，儲(chǔ)層內(nèi)各參數(shù)分布特征差異性變小。

（3）近井儲(chǔ)層改造在不同開采層位起到的增產(chǎn)效果不同，相比于水合物層和游離氣層，整個(gè)開采過程中，三相層中近井儲(chǔ)層改造起到的增產(chǎn)效果最

明顯，多孔骨架滲流通道與儲(chǔ)層通道產(chǎn)氣速率差異最大，骨架通道一方面可提高水合物分解速率，另一方面能加快原始游離氣的產(chǎn)出；但在本文模擬的骨架通道參數(shù)條件下，開采2 年產(chǎn)氣量提高不明顯，最高僅增產(chǎn)11.7%，這主要跟模擬骨架通道長度較短、滲透性較低有關(guān)，儲(chǔ)層改造效果不明顯，要實(shí)現(xiàn)水合物產(chǎn)能量級(jí)提升，需擴(kuò)大儲(chǔ)層改造范圍。

圖8 水合物飽和度分布云圖Fig.8 Spatial distribution of hydrate saturation

圖9 氣體飽和度分布云圖Fig.9 Spatial distribution of gas saturation