國(guó)內(nèi)外水溶氣開(kāi)發(fā)技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展建議

何勇明，謝汪洋，陳先超

（成都理工大學(xué)能源學(xué)院，四川成都610059）

目前，我國(guó)石油對(duì)外依存度超過(guò)了70%，天然氣對(duì)外依存度接近50%，嚴(yán)重影響了國(guó)家能源安全，因此，對(duì)風(fēng)能、地?zé)崮?、太?yáng)能、潮汐能和氫能等新能源進(jìn)行了開(kāi)發(fā)應(yīng)用研究，并取得了一定的進(jìn)展。水溶性天然氣（簡(jiǎn)稱水溶氣）作為一種儲(chǔ)量巨大的新能源，尚未得到足夠的重視，缺少系統(tǒng)的理論研究。

水溶氣是指以甲烷為主，在高壓、高溫地層水中溶解的非常規(guī)天然氣[1]。據(jù)初步估計(jì)，全世界水溶氣儲(chǔ)量約為常規(guī)氣藏的115倍，是世界第二大非常規(guī)天然氣資源和極具利用價(jià)值的潛在能源，未來(lái)可能會(huì)替代煤炭，成為新型主力能源。目前，國(guó)內(nèi)外均未形成水溶氣大型商業(yè)開(kāi)采模式，其主要技術(shù)瓶頸在于水溶氣的產(chǎn)量較低，對(duì)開(kāi)發(fā)設(shè)備要求很高，開(kāi)采成本高于常規(guī)天然氣。因此，研究形成經(jīng)濟(jì)有效的開(kāi)發(fā)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)水溶氣商業(yè)化開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵。筆者在對(duì)國(guó)內(nèi)外水溶氣開(kāi)發(fā)技術(shù)研究現(xiàn)狀進(jìn)行綜合分析的基礎(chǔ)上，提出了我國(guó)水溶氣開(kāi)發(fā)技術(shù)發(fā)展建議，以期推動(dòng)我國(guó)水溶氣的勘探開(kāi)發(fā)，為國(guó)家能源安全保障提供新的思路。

1 水溶氣儲(chǔ)量分布及開(kāi)發(fā)概況

1.1 水溶氣儲(chǔ)量分布

研究發(fā)現(xiàn)，形成和儲(chǔ)存一定規(guī)模的水溶氣需要具備3個(gè)條件：一是有大量地層水和豐富氣源；二是高壓或超高壓的環(huán)境，使天然氣在地層水中處于過(guò)飽和狀態(tài)；三是存在對(duì)水溶氣成藏和儲(chǔ)存有利的地質(zhì)背景，尤其是構(gòu)造運(yùn)動(dòng)[2]。水溶氣通常儲(chǔ)存于含油氣盆地中，全球水溶氣的資源量為3.3837×1016m3，典型盆地有墨西哥灣沿岸盆地、西西伯利亞盆地、伏爾加–烏拉爾盆地、濱里海盆地、南里海盆地、亞速夫–庫(kù)班盆地、四川盆地、大慶長(zhǎng)垣及以西地區(qū)和柴達(dá)木盆地三湖地區(qū)，水溶氣資源量分別為2.699×1015，1.000×1015，0.140×1015，0.980×1015，0.259×1015，0.180×1015，2.380×1012，4.500×1011和1.000×1012m3[3–4]。

我國(guó)四川盆地、鄂爾多斯盆地、柴達(dá)木盆地、塔里木盆地、松遼盆地、珠江口盆地和渤海灣淺層等主要油氣盆地，都發(fā)現(xiàn)賦存大量的水溶氣資源[5]。李偉等人[6]研究四川盆地須家河組的碳同位素發(fā)現(xiàn)，該盆地川中地區(qū)含有大量水溶氣。秦勝飛等人[7]研究發(fā)現(xiàn)，塔里木盆地和田河氣田天然氣為典型水溶氣。徐思煌等人[8]根據(jù)珠江口盆地惠州凹陷文昌組與恩平組地質(zhì)參數(shù)，計(jì)算出其水溶氣資源量分別約為1.79×1011和2.69×1011m3。王雪吾等人[9]估算我國(guó)43個(gè)盆地的水溶氣儲(chǔ)量為（1.2～6.5）×1013m3。雖然我國(guó)水溶氣儲(chǔ)量大、分布廣，但是具體的分布和甲烷含量均不確定，儲(chǔ)量也只是一個(gè)估計(jì)值，而且水溶氣資源的調(diào)查研究工作也剛剛起步，尚未形成比較準(zhǔn)確有效的水溶氣資源評(píng)價(jià)方法。目前，我國(guó)針對(duì)具體含油氣盆地水溶氣的研究很少，對(duì)于水溶氣的認(rèn)識(shí)還很模糊，對(duì)水溶氣資源的分布狀況及資源總量尚不清楚，未來(lái)應(yīng)該會(huì)有更多的發(fā)現(xiàn)。

1.2 水溶氣開(kāi)發(fā)概況

100多年前，人們就開(kāi)始關(guān)注水溶氣開(kāi)發(fā)，但世界各國(guó)關(guān)于水溶氣開(kāi)發(fā)的報(bào)道較少，僅日本和美國(guó)有過(guò)相關(guān)報(bào)道。日本在1908年開(kāi)始研究水溶氣，并于20世紀(jì)50年代實(shí)現(xiàn)了水溶氣的有效開(kāi)發(fā)，是水溶氣資源開(kāi)發(fā)利用最早的國(guó)家，至今已經(jīng)積累了70多年的探勘開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)。1956年，日本在中條氣田沿沙丘地帶背斜構(gòu)造的西側(cè)、構(gòu)造低部位向斜砂礫巖儲(chǔ)層中發(fā)現(xiàn)了水溶氣，儲(chǔ)層厚度200.00m、埋深1 400.00 m，地質(zhì)儲(chǔ)量5.2×109m3，可采儲(chǔ)量3.6×109m3，日產(chǎn)氣量達(dá)到120×103m3。中條氣田水溶氣開(kāi)發(fā)前期為氣水自噴，中期為氣舉，后期為電潛泵排水開(kāi)采，在開(kāi)發(fā)水溶氣的同時(shí)還產(chǎn)出很多的碘，年產(chǎn)量高達(dá)360 t。1959年，日本發(fā)現(xiàn)了東新潟氣田，該氣田為穹隆狀背斜構(gòu)造圈閉，水溶氣主要儲(chǔ)藏于上新統(tǒng)西山組地層，地質(zhì)儲(chǔ)量（6.1～7.4）×109m3，日產(chǎn)氣量達(dá)到837.6×103m3。東新潟氣田的氣藏從上至下依次是水溶氣和常規(guī)天然氣，開(kāi)發(fā)水溶氣時(shí)產(chǎn)出的地層水可以分離出碘，從而增加經(jīng)濟(jì)收入。20世紀(jì)80年代初，日本水溶氣產(chǎn)量占天然氣總產(chǎn)量的70%以上；20世紀(jì)90年代初，日本常規(guī)天然氣產(chǎn)量增長(zhǎng)較快，水溶氣產(chǎn)量占比降至約37%，但其年產(chǎn)量依然穩(wěn)定在（1.08～1.24）×109m3。1979年日本水溶氣開(kāi)發(fā)概況如表1所示[10]。

20世紀(jì)中后期，美國(guó)、蘇聯(lián)、意大利、伊朗、菲律賓、匈牙利和尼泊爾等國(guó)家都相繼開(kāi)展了水溶氣勘探開(kāi)發(fā)研究。以美國(guó)為例，20世紀(jì)50年代，殼牌公司將美國(guó)墨西哥灣新近系、古近系和上白堊統(tǒng)砂巖中的高溫高壓水溶氣定義為地壓氣，其中，得克薩斯州南部水溶氣儲(chǔ)層的滲透率不超過(guò)20mD，路易斯安那州南部水溶氣儲(chǔ)層的滲透率可達(dá)到幾百毫達(dá)西，整體上儲(chǔ)層厚度150.00～305.00m，鹽的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0～0.015%。1970—1990年，美國(guó)能源部在墨西哥灣鉆探了12口井試采水溶氣，但是受制于當(dāng)時(shí)的天然氣價(jià)格、技術(shù)水平和生產(chǎn)成本，經(jīng)濟(jì)效益不明顯[4]。

2007年，我國(guó)首先在柴達(dá)木盆地三湖地區(qū)多口井進(jìn)行了水溶氣試采，其中，S33井日產(chǎn)氣量為（1.488～7.680）×103m3，SK1井日產(chǎn)氣量為（1.137～3.362）×103m3，獲得良好的試采效果，但后續(xù)的研究一直停滯不前。根據(jù)溫度和壓力條件，柴達(dá)木盆地三湖地區(qū)水溶氣可以分為常溫常壓水溶氣和高溫高壓水溶氣2類，氣水比分別為0.5～3.0和10.0m3/m3。氣水比越高，水溶氣的開(kāi)發(fā)經(jīng)濟(jì)效益越好，因此，根據(jù)測(cè)井資料和試采分析結(jié)果，對(duì)該地區(qū)水溶氣儲(chǔ)層進(jìn)行了分類，結(jié)果如表2所示[11]。

表1 1979年日本水溶氣開(kāi)發(fā)概況[10]Tab le 1 Developm ent of water-solub le gas in Japan in 1979

表2 三湖地區(qū)第四系水溶氣儲(chǔ)層測(cè)井評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[11]Table 2 Logging evaluation criteria for Quaternary water-soluble gas reservoirs in Sanhu Area

三湖地區(qū)水溶氣儲(chǔ)層巖性細(xì)而松軟，易出砂，且試采地層多為含氣水層，因此舉升排液過(guò)程中的防砂技術(shù)措施對(duì)于高效采氣至關(guān)重要。路春明等人[12]在臺(tái)東2井不同水溶氣儲(chǔ)層進(jìn)行了螺桿泵舉升效果對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果如表3所示。該井第一層采用自噴工藝，其他層使用螺桿泵舉升工藝；第二層首先選用GLB 300-36型螺桿泵，由于泵口處的轉(zhuǎn)子擺動(dòng)太大，泵筒的橡膠磨損嚴(yán)重，后改用GLB 190-33型螺桿泵，達(dá)到穩(wěn)定生產(chǎn)狀態(tài)；第三層選用GLB 190-33型螺桿泵，因出砂嚴(yán)重，試采78 h后停產(chǎn)；第四層選用GLB 190-33型螺桿泵，舉升效果良好。試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，該井第三層試采時(shí)出砂量約達(dá)到17.46 m3/h時(shí)，沒(méi)有發(fā)生砂卡螺桿泵的情況，能夠正常舉升，但是會(huì)出現(xiàn)砂卡管柱的問(wèn)題，可采取上提管柱的方法來(lái)解決該問(wèn)題。

表3 臺(tái)東2井不同水溶氣儲(chǔ)層螺桿泵舉升情況統(tǒng)計(jì)Tab le 3 Statistics of progressing cavity pum p(PCP) lifting in watersolub le gas reservoirs of W ell Taidong-2

水溶氣在地下高溫高壓環(huán)境中成藏的時(shí)候，伴隨著氣體（主要成分為甲烷）在地層中的遷移，氣體與地層水不斷接觸和混合，因而開(kāi)展了甲烷在水中的溶解度與壓力、溫度關(guān)系的研究。楊映濤等人[13]研究發(fā)現(xiàn)：溫度大于80℃時(shí)，隨著溫度升高，甲烷在水中的溶解度增大；溫度低于80℃時(shí)，隨著溫度升高，甲烷在水中的溶解度減?。患淄樵谒械娜芙舛入S著壓力升高而增大。

2 水溶氣開(kāi)發(fā)技術(shù)現(xiàn)狀

目前，國(guó)內(nèi)外水溶氣主要應(yīng)用采出水回注技術(shù)和地?zé)嵝退軞忾_(kāi)采與二氧化碳地質(zhì)封存結(jié)合技術(shù)開(kāi)發(fā)，并針對(duì)水侵規(guī)律與氣水界面開(kāi)展了一些研究，取得了一些研究成果與開(kāi)采經(jīng)驗(yàn)，但理論研究相對(duì)較少，并沒(méi)有形成成熟的水溶氣開(kāi)發(fā)技術(shù)。

2.1 采出水回注技術(shù)

水溶氣開(kāi)發(fā)的特殊之處在于甲烷含量低、產(chǎn)量低，且產(chǎn)出水量大。因此，為了處理大量的產(chǎn)出水，降低開(kāi)發(fā)成本，研究應(yīng)用了采出水回注技術(shù)。作為開(kāi)發(fā)水溶氣最早的國(guó)家，日本在水溶性天然氣開(kāi)采初期，采用了氣舉（或井內(nèi)下泵抽汲）和地面分離的開(kāi)發(fā)方式，并且為了防止地面下沉，在新潟縣山區(qū)進(jìn)行了水溶性天然氣地下分離試驗(yàn)。1977年，日本開(kāi)始進(jìn)行水溶氣開(kāi)采、回注同步試驗(yàn)，并于1978年進(jìn)行了較深地層的采出水回注試驗(yàn)，在同一口井采用上層開(kāi)采、下層注水的分層開(kāi)發(fā)模式，避免了地面下沉，取得了較好的水溶氣開(kāi)發(fā)效果[2]。

2007年，張瀚丹等人[14]利用美國(guó)墨西哥灣地區(qū)高壓水溶性氣藏?cái)?shù)據(jù)，對(duì)采出水回注開(kāi)發(fā)和衰竭式開(kāi)發(fā)的效果進(jìn)行了數(shù)值模擬。該氣藏為基巖-裂縫雙重介質(zhì)，但是由于模擬技術(shù)的限制，沒(méi)有考慮裂縫情況，將其簡(jiǎn)化為單介質(zhì)情況。其中采出水回注開(kāi)發(fā)模式是假設(shè)在氣藏對(duì)角上分別有1口生產(chǎn)井和1口注水井，生產(chǎn)井以3 180m3/d的產(chǎn)量生產(chǎn)，注水井注水量為4 000m3/d。模擬結(jié)果表明，采出水回注開(kāi)發(fā)年限長(zhǎng)達(dá)13.8年，累計(jì)產(chǎn)氣量達(dá)到1.75×108m3；而衰竭式開(kāi)發(fā)年限僅有9年，累計(jì)產(chǎn)氣量只有0.85×108m3?？梢钥闯觯沙鏊刈⒓夹g(shù)不但可以延長(zhǎng)氣井開(kāi)發(fā)時(shí)間，而且可大幅度提高水溶氣氣藏的采出程度。

2014年，Sun Zhixue等人[15]將采出水回注技術(shù)和提高水溶氣采收率技術(shù)相結(jié)合，提出了一種新的水溶氣采出水回注技術(shù)，其工藝流程如圖1所示，氣和水的混合物通過(guò)井筒流至地面，經(jīng)過(guò)氣液分離、產(chǎn)碘和地?zé)崂玫裙に囘^(guò)程后，剩余的水再次注入地下。該技術(shù)不僅可以通過(guò)注水保持地層壓力，還可以提高水溶氣的產(chǎn)量和產(chǎn)出水的處理量。

圖1 水溶氣開(kāi)發(fā)采出水回注流程示意Fig.1 Reinjection process of produced-water in watersoluble gas development

Sun Zhixue等人[15]針對(duì)珠江口盆地惠州凹陷古近系文昌組和恩平組水溶氣氣藏，建立了一個(gè)通用的三維分析模型，模擬了采出水回注與不回注2種開(kāi)發(fā)方案的水溶氣采收率，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，采出水回注開(kāi)發(fā)方案的生產(chǎn)時(shí)間可以達(dá)到70.53年，比采出水不回注開(kāi)發(fā)的生產(chǎn)時(shí)間要長(zhǎng)得多，開(kāi)發(fā)效果更好。而且，注入水可以將溶解在水中的天然氣從注水井驅(qū)至生產(chǎn)井，所以生產(chǎn)井周?chē)軞鈨?chǔ)層中甲烷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)會(huì)增大。同時(shí)，Sun Zhixue等人[15]進(jìn)行了生產(chǎn)參數(shù)敏感性分析和評(píng)價(jià)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：1）注采井距大于450.00m時(shí)，累計(jì)產(chǎn)氣量變化不明顯；注采井距小于300.00m時(shí)，累計(jì)產(chǎn)氣量相對(duì)較低。2）注水井射孔深度對(duì)開(kāi)發(fā)效果影響不大，累計(jì)產(chǎn)氣量隨射孔深度增深而增大。3）在厚度為1 000.00m的儲(chǔ)層不同深度位置進(jìn)行射孔，模擬研究射孔位置與累計(jì)產(chǎn)氣量的關(guān)系，結(jié)果表明，當(dāng)射孔位置在儲(chǔ)層中的深度為200.00～300.00m時(shí)，累計(jì)產(chǎn)氣量最高，且隨著射孔深度增深，累計(jì)產(chǎn)氣量下降明顯，這可能是地層壓力、含氣飽和度和溫度等因素綜合影響的結(jié)果。因此，水溶氣開(kāi)發(fā)中，生產(chǎn)井射孔位置應(yīng)位于儲(chǔ)層上部。4）注入水穩(wěn)定流動(dòng)和不穩(wěn)定流動(dòng)對(duì)累計(jì)產(chǎn)氣量沒(méi)有顯著影響，因此注入水的不穩(wěn)定流動(dòng)對(duì)開(kāi)發(fā)效果的影響不大。

2.2 地?zé)嵝退軞忾_(kāi)采與二氧化碳地質(zhì)封存結(jié)合技術(shù)

國(guó)內(nèi)外相關(guān)技術(shù)研究表明，地?zé)嵝退軞忾_(kāi)發(fā)過(guò)程中，將CO2地質(zhì)封存與水溶氣開(kāi)采技術(shù)相結(jié)合，具有較好的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。C.W.Blount等人[16]在不同溫度、壓力和礦化度條件下，將CO2注入含甲烷的模擬地層水中，進(jìn)行了CO2摩爾分?jǐn)?shù)對(duì)甲烷溶解度的影響實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，當(dāng)溫度為153℃、CO2摩爾分?jǐn)?shù)大于7%時(shí)，甲烷溶解度會(huì)急劇降低（見(jiàn)圖2）。所以，CO2注入儲(chǔ)層與地層水接觸時(shí)，地層水中溶解的大部分甲烷可以以氣相的形式從液體中析出。Liu Junrong等人[17]分析了地?zé)嵝退軞忾_(kāi)采與CO2地質(zhì)封存結(jié)合技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性和可行性，認(rèn)為該技術(shù)有以下優(yōu)勢(shì)：1）注入的CO2可以補(bǔ)充地層因水溶氣開(kāi)采帶來(lái)的能量虧空，從而防止地層沉降和地質(zhì)災(zāi)害等；2）含油氣盆地水溶氣儲(chǔ)層的獨(dú)特圈閉環(huán)境和地質(zhì)構(gòu)造為CO2的地質(zhì)封存提供了良好的地質(zhì)條件，可以防止CO2泄露與擴(kuò)散；3）地層注入CO2可以提高水溶氣的采收率，同時(shí)地?zé)崮芸捎糜谌∨虬l(fā)電等，不僅提高了經(jīng)濟(jì)效益，還為解決全球變暖問(wèn)題提供了新的思路。

圖2 不同壓力和礦化度條件下CO2摩爾分?jǐn)?shù)對(duì)甲烷溶解度的影響（153℃）Fig.2 Influence of CO2 m ole fraction under different pressure and salinity on methane solubility (153°C)

我國(guó)鶯歌海盆地具有豐富的水溶氣資源，是南海北部大陸架重要的新生代油氣盆地，面積12×104km2，平均地溫梯度為3.5～4.5℃/100m，屬于典型的高溫高壓盆地，主要有中央凹陷帶、河內(nèi)凹陷帶、營(yíng)東斜坡帶和營(yíng)西斜坡帶等4個(gè)構(gòu)造帶[18]，水溶氣主要儲(chǔ)存在中央凹陷帶中淺層（埋深1.0～1.5 km）。Liu Junrong等人[17]基于鶯歌海盆地地質(zhì)參數(shù)，進(jìn)行了注CO2開(kāi)發(fā)水溶氣的模擬研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，注入純CO2時(shí)的水溶氣采收率要高于注水時(shí)的采收率。這意味著向飽和甲烷的水中注入CO2會(huì)導(dǎo)致甲烷析出，而且CO2注入速率越大、注入時(shí)間越短，水溶氣采收率越高。這是因?yàn)镃O2與飽和甲烷地層水的密度不同，CO2向上遷移至水體頂部，其注入速率越大，垂直和水平方向的流速差越小，水體底部波及面積會(huì)越大，水溶氣采收率相應(yīng)增大。

Liu Junrong等人[17]對(duì)注入CO2開(kāi)發(fā)水溶氣的經(jīng)濟(jì)性和生產(chǎn)參數(shù)的優(yōu)化進(jìn)行了模擬研究，并得到一些有指導(dǎo)性的結(jié)果。

1）井距和CO2注入方式。井距和CO2注入方式是提高水溶氣采收率的重要參數(shù)，CO2注入方式包括注入純CO2和注入CO2溶液2種方式。模擬結(jié)果表明，隨著井距增大，生產(chǎn)井中CO2的突破時(shí)間、累計(jì)CO2儲(chǔ)存量和水溶氣總產(chǎn)能均增大。注入純CO2方式下，每單位孔隙體積儲(chǔ)存的CO2體積隨著井距增大而減??；注入CO2溶液方式下，每單位孔隙體積儲(chǔ)存的CO2體積不受井距影響。考慮經(jīng)濟(jì)效益、CO2突破時(shí)間和成本等因素，模擬發(fā)現(xiàn)合理井距為800.00～1 000.00m，此時(shí)注入CO2溶液的附加收益高于注入純CO2。

2）儲(chǔ)層厚度。儲(chǔ)層厚度的變化會(huì)影響CO2在垂直方向上的運(yùn)移時(shí)間和水平方向上的波及面積。模擬結(jié)果表明，注入純CO2方式下，CO2突破時(shí)間、水溶氣采收率、地?zé)崮懿墒章屎蛦挝豢紫扼w積儲(chǔ)存的CO2體積隨著儲(chǔ)層厚度增厚而減小；注入CO2溶液方式下，儲(chǔ)層厚度對(duì)水溶氣和地?zé)崮艿牟墒章蕸](méi)有影響。

3）完井層段。模擬結(jié)果表明，注水井和生產(chǎn)井的完井層段對(duì)CO2儲(chǔ)存和水溶氣采收率有著非常重要的影響。注入純CO2方式下，注水井和生產(chǎn)井均在儲(chǔ)層底部進(jìn)行完井是最佳完井方式。這是因?yàn)镃O2與飽和甲烷的地層水存在密度差，從水體底部注入的純CO2首先向上移動(dòng)，當(dāng)?shù)竭_(dá)水體頂部時(shí)，因上覆巖層的阻擋而使其向下流至水體底部，并向生產(chǎn)井方向流動(dòng)，這樣可獲得最高的水溶氣和地?zé)崮懿墒章?，并且每單位孔體積所存儲(chǔ)的CO2體積最大。

4）儲(chǔ)層非均質(zhì)性。注入流體將優(yōu)先沿著高滲透儲(chǔ)層流動(dòng)，由于低滲透儲(chǔ)層會(huì)抑制CO2的垂向運(yùn)移，因此正韻律儲(chǔ)層的水溶氣產(chǎn)能和CO2儲(chǔ)存量要好于反韻律儲(chǔ)層。所以，正韻律儲(chǔ)層更適宜CO2地質(zhì)封存和水溶氣開(kāi)采。

5）經(jīng)濟(jì)效益。數(shù)值模擬結(jié)果表明，采用注入純CO2方式時(shí)，儲(chǔ)存1 t CO2大約可生產(chǎn)5.67m3水溶氣，并獲得3.5×105kJ的能量，平均收益約為27元；采用注入CO2溶液方式時(shí)，儲(chǔ)存1 t CO2大約可生產(chǎn)78.17m3水溶氣，并獲得5.03×106kJ的能量，平均收益約為450元?？梢?jiàn)，注入CO2溶液方式的經(jīng)濟(jì)性要優(yōu)于注入純CO2方式。

2.3 水侵規(guī)律與氣水界面研究

水溶氣釋放會(huì)對(duì)氣水界面產(chǎn)生影響，從而對(duì)水侵強(qiáng)度和氣井見(jiàn)水時(shí)間產(chǎn)生不同程度的影響，所以進(jìn)行水侵規(guī)律和氣水界面研究，對(duì)于防水技術(shù)研究及水溶氣有效開(kāi)發(fā)具有重要的意義。生如巖[19]認(rèn)為水溶氣釋放會(huì)影響水侵規(guī)律和氣水界面，但未進(jìn)一步闡明如何影響，也未做相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究。Zhou Xiang等人[20]認(rèn)為，水溶氣開(kāi)采過(guò)程中，地層壓力降低是一個(gè)緩慢的過(guò)程，水溶氣釋放過(guò)程中會(huì)影響氣水界面、水侵規(guī)律和井底見(jiàn)水時(shí)間等，從而影響氣井的最終產(chǎn)量。Huang Xiaoliang等人[21]設(shè)計(jì)了2組實(shí)驗(yàn)，分別為高壓地層和低壓地層，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，水溶氣開(kāi)發(fā)過(guò)程中，在溫度不變的條件下，氣藏的氣水界面均會(huì)顯著上升。馬勇新等人[22]采用室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，研究了水溶氣釋放對(duì)氣水界面的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，地層壓力降低時(shí)，水溶氣會(huì)釋放出來(lái)，使底水向上遷移，邊水推進(jìn)明顯加快，氣水界面明顯上升。另外，水溶氣釋放過(guò)程中，儲(chǔ)層的氣相相對(duì)滲透率逐漸減小，而水相相對(duì)滲透率逐漸增大。

Huang Xiaoliang等人[21]采用數(shù)值模擬方法，分析了氣體溶解度、應(yīng)力敏感、水體大小和配產(chǎn)等因素對(duì)水侵規(guī)律的影響。

1）氣體溶解度對(duì)水侵規(guī)律的影響。氣體溶解度會(huì)影響地層水中的氣體含量，進(jìn)一步影響儲(chǔ)層中的氣水界面。a.井底錐進(jìn)區(qū)：氣體溶解度越大，底水錐進(jìn)速度越快，井底見(jiàn)水時(shí)間越早。主要原因是隨著井底錐進(jìn)區(qū)壓力迅速降低，氣核會(huì)迅速轉(zhuǎn)化為氣泡，在氣泡形成連續(xù)氣相之前，地層水會(huì)被氣相攜帶并一起遷移，所以氣體溶解度越高，氣泡生成時(shí)間越短，底水錐進(jìn)速度就越快。b.遠(yuǎn)離井眼的非錐進(jìn)區(qū)：氣體溶解度越大，氣水界面上升越慢。主要原因是非錐進(jìn)區(qū)的壓力下降相對(duì)緩慢，氣核轉(zhuǎn)化為氣泡的過(guò)程較長(zhǎng)，氣泡有足夠的時(shí)間形成連續(xù)相，并從地層水中釋放出來(lái)。由于氣和水存在密度差，氣相在頂部富集，水相在底部富集。因此，非錐進(jìn)區(qū)的氣水界面上升速度比較緩慢。

2）應(yīng)力敏感對(duì)水侵規(guī)律的影響。高溫高壓地層中水溶氣具有較強(qiáng)的應(yīng)力敏感性，這不僅影響氣井的水侵規(guī)律，而且影響氣井的產(chǎn)量。a.井底錐進(jìn)區(qū)：考慮應(yīng)力敏感比不考慮應(yīng)力敏感的井底見(jiàn)水時(shí)間早。這是因?yàn)榭紤]應(yīng)力敏感的情況下，孔隙度和滲透率會(huì)隨著地層壓力下降而降低，導(dǎo)致氣井在相同產(chǎn)量下的壓差變大。在相同條件下，隨著地層壓力下降，氣核迅速轉(zhuǎn)變?yōu)闅馀?，?dǎo)致溶解氣體在液相中膨脹，使氣水液面上升。b.遠(yuǎn)離井眼的非錐進(jìn)區(qū)：考慮應(yīng)力敏感的情況下，隨著氣水界面上升高度增大，累計(jì)產(chǎn)氣量會(huì)下降。主要原因是應(yīng)力敏感會(huì)導(dǎo)致孔隙度和滲透率降低，如果氣井產(chǎn)量保持不變，則需要更大的壓差。因此，地層壓力降低導(dǎo)致水溶氣釋放并轉(zhuǎn)變?yōu)闅馀?，溶解氣體在液相中膨脹，使氣水界面上升。此外，孔隙度和滲透率的降低會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)量降低。

3）水體對(duì)水侵規(guī)律的影響。水體大小會(huì)影響氣體溶解量，從而影響水侵規(guī)律。a.井底錐進(jìn)區(qū)：水體越大，井底見(jiàn)水時(shí)間越早。其主要原因是水體越大，在相同壓降下釋放的氣體量越多，氣核會(huì)迅速轉(zhuǎn)變?yōu)闅馀?，使溶解氣體在液相中快速膨脹并在氣藏中上升，水將首先到達(dá)井眼底部，導(dǎo)致氣井見(jiàn)水時(shí)間較早。b.遠(yuǎn)離井眼的非錐進(jìn)區(qū)：水體越大，累計(jì)產(chǎn)氣量越小，氣藏壓降越小。其主要原因是水體越大，水突破時(shí)間越早，導(dǎo)致氣井產(chǎn)量迅速下降。同時(shí)，水體越大，氣水界面上升高度越大，壓降越小，其主要原因是水體越大，釋放的水溶氣越多，并向氣泡轉(zhuǎn)化，溶解氣在液相中進(jìn)一步膨脹，氣水界面上升。因此，對(duì)于含水體的氣藏，研究的重點(diǎn)是如何防止水的過(guò)早侵入和充分利用水體能量維持壓力穩(wěn)定。

4）配產(chǎn)對(duì)水侵規(guī)律的影響。a.井底錐進(jìn)區(qū)：配產(chǎn)越高，井底見(jiàn)水時(shí)間越早。其主要原因是，配產(chǎn)越高，氣井的生產(chǎn)壓差越大，低壓區(qū)形成越快，地層水從高壓區(qū)向低壓區(qū)的運(yùn)移速度越快，導(dǎo)致井底見(jiàn)水時(shí)間越早。b.遠(yuǎn)離井眼的非錐進(jìn)區(qū)：配產(chǎn)對(duì)氣水界面影響不大。主要原因是，氣井配產(chǎn)越高，產(chǎn)量降低的速度越快，不同配產(chǎn)下的氣井累計(jì)產(chǎn)氣量和地層壓降基本相同。因此，氣水界面的上升高度變化不大。

3 我國(guó)水溶氣開(kāi)發(fā)技術(shù)發(fā)展建議

3.1 我國(guó)水溶氣開(kāi)發(fā)的戰(zhàn)略意義

1）我國(guó)能源對(duì)外依存度高，能源安全形勢(shì)非常嚴(yán)峻。我國(guó)天然氣消費(fèi)量逐年增加，近十年復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá)15.14%。2018年，我國(guó)天然氣進(jìn)口量達(dá)到1 254×108m3，同比增長(zhǎng)31.7%，已成為世界最大的天然氣進(jìn)口國(guó)，天然氣對(duì)外依存度接近50%，石油對(duì)外依存度超過(guò)70%，能源安全形勢(shì)非常嚴(yán)峻。因此，水溶氣開(kāi)發(fā)對(duì)保障我國(guó)能源安全有重要意義。

2）水溶氣將成為我國(guó)未來(lái)清潔能源供給的重要接替資源。目前，天然氣在一次能源占比中排名第三，今后將迅速增長(zhǎng)，而石油和煤炭占比逐年遞減，據(jù)2019年BP世界能源統(tǒng)計(jì)年鑒預(yù)測(cè)，大約2025年天然氣將超過(guò)煤炭成為第二大能源。隨著我國(guó)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，常規(guī)天然氣已難以滿足經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的需要，必須大力開(kāi)發(fā)非常規(guī)油氣資源，儲(chǔ)量豐富的深層高溫高壓水溶氣將成為我國(guó)未來(lái)清潔能源供給的戰(zhàn)略接替資源。

3）為油田及地方安全生產(chǎn)及建設(shè)提供科學(xué)支撐。我國(guó)油氣生產(chǎn)基地和地方建設(shè)需要進(jìn)行大量的地下、地表施工作業(yè)，若不能弄清楚地下水溶氣分布規(guī)律，也會(huì)威脅油田生產(chǎn)和地方建設(shè)安全，給人民生命和國(guó)家財(cái)產(chǎn)帶來(lái)重大隱患。因此，加強(qiáng)深層高溫高壓水溶氣評(píng)價(jià)及開(kāi)發(fā)基礎(chǔ)理論研究，將為油田及地方安全生產(chǎn)及建設(shè)提供科學(xué)支撐。

3.2 目前水溶氣開(kāi)發(fā)技術(shù)分析和思考

根據(jù)當(dāng)前國(guó)內(nèi)外水溶氣開(kāi)發(fā)技術(shù)研究現(xiàn)狀，重點(diǎn)思考的問(wèn)題如下：

1）在水溶氣勘探方面，重點(diǎn)關(guān)注水溶氣脫溶成藏機(jī)理和成藏條件，就水溶氣的“氣”而言，重點(diǎn)從微觀上研究甲烷在地層水的溶解變化情況，需要分析水溶氣的物理特性、相關(guān)組分的分子化學(xué)結(jié)構(gòu)和分子之間的力學(xué)特征等，而且需要與水溶氣開(kāi)發(fā)技術(shù)相結(jié)合。

2）在水溶氣開(kāi)采可行性方面，需要探明水溶氣的實(shí)際儲(chǔ)量和具體分布。雖然目前預(yù)估的水溶氣資源量巨大，但是缺少水溶氣儲(chǔ)量的定量研究，應(yīng)該制定水溶氣分類標(biāo)準(zhǔn)，研究水溶氣的甲烷溶解度和氣水比等。需要將水溶氣的勘探技術(shù)與開(kāi)發(fā)技術(shù)有效結(jié)合，才能實(shí)現(xiàn)水溶氣的商業(yè)化開(kāi)發(fā)。

3）在水溶氣開(kāi)發(fā)方案方面，主要進(jìn)行了數(shù)值模擬和仿真實(shí)驗(yàn)，認(rèn)為采出水回注技術(shù)可以有效開(kāi)發(fā)水溶氣，能夠滿足海洋和陸地水溶氣的開(kāi)發(fā)需求，但海洋生產(chǎn)環(huán)境下的生產(chǎn)成本和產(chǎn)水量都很高。另外，水溶氣釋放會(huì)對(duì)氣水界面產(chǎn)生影響，從而對(duì)水侵強(qiáng)度和氣井見(jiàn)水時(shí)間產(chǎn)生不同程度的影響。所以，應(yīng)該研究水溶氣釋放對(duì)水侵規(guī)律的影響，分析其影響機(jī)理是重力分異產(chǎn)生的抑制作用還是水溶氣流動(dòng)攜帶地層水產(chǎn)生的促進(jìn)作用，以進(jìn)一步推動(dòng)水溶氣的有效開(kāi)發(fā)，特別是防水技術(shù)研究。

4）在開(kāi)采成本、環(huán)保及安全等方面，重點(diǎn)關(guān)注的是水溶氣開(kāi)發(fā)及綜合利用。針對(duì)不同水溶氣的地質(zhì)環(huán)境，設(shè)計(jì)詳細(xì)的開(kāi)發(fā)方案并進(jìn)行相應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究。例如，水溶氣儲(chǔ)層是良好的儲(chǔ)存空間，可以考慮將CO2地質(zhì)封存與水溶氣開(kāi)發(fā)相結(jié)合，為節(jié)能減排和新能源開(kāi)發(fā)利用提供了新思路；另外，還可以充分利用地下其他礦物質(zhì)資源、地?zé)崮芗八艿?，以降低水溶氣的開(kāi)發(fā)成本；還應(yīng)該關(guān)注安全和環(huán)保問(wèn)題，評(píng)估水溶氣開(kāi)發(fā)后引起的地層沉降問(wèn)題和海洋水溶氣開(kāi)發(fā)對(duì)海底生態(tài)環(huán)境造成的影響。

3.3 我國(guó)水溶氣開(kāi)發(fā)建議

我國(guó)油氣及地?zé)豳Y源勘探開(kāi)發(fā)研究與實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，各大含油氣盆地深部水層均分布有水溶氣資源，但分布區(qū)域和潛力尚不清楚，理論研究相對(duì)缺乏，水溶氣的勘探和開(kāi)發(fā)沒(méi)有技術(shù)儲(chǔ)備。為此，對(duì)于我國(guó)水溶氣的開(kāi)發(fā)提出以下幾點(diǎn)建議：

1）不僅要從微觀上研究水溶氣，還要從宏觀上研究水溶氣的地質(zhì)背景。建議加強(qiáng)易于生成與儲(chǔ)存水溶氣的地質(zhì)條件、水溶氣的形成、脫溶成藏機(jī)理、溶解氣與游離氣、成藏主控因素、碳同位素特征和水化學(xué)等方面的研究，加大水溶氣富集區(qū)域的勘探、水溶氣分類及豐度定量表征，重點(diǎn)是建立統(tǒng)一的資源評(píng)價(jià)體系，發(fā)現(xiàn)具有商業(yè)開(kāi)采價(jià)值的水溶氣，將地質(zhì)勘探成果與開(kāi)發(fā)技術(shù)完美地結(jié)合起來(lái)，做到因地施策。

2）在已有水溶氣開(kāi)發(fā)技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，建議選取含油氣盆地的水溶氣氣藏進(jìn)行評(píng)價(jià)和試采，如鶯歌海盆地、四川盆地和珠江口盆地等。目前，雖然有學(xué)者對(duì)采出水回注技術(shù)進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，但并沒(méi)有形成完善的開(kāi)發(fā)技術(shù)體系。未來(lái)的水溶氣開(kāi)發(fā)需要考慮注水開(kāi)發(fā)、污水處理、CO2填充、生產(chǎn)成本、分層處理、地層其他礦物質(zhì)利用、地面沉降問(wèn)題評(píng)估和提高采收率等方面，因此，需要針對(duì)不同開(kāi)發(fā)模式研究相應(yīng)的高效、安全和環(huán)保策略，以實(shí)現(xiàn)水溶氣的經(jīng)濟(jì)、有效、安全開(kāi)發(fā)與利用。

3）建議在前期含油氣盆地水溶氣開(kāi)發(fā)研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)行非含油氣盆地水溶氣勘探與開(kāi)發(fā)的研究與實(shí)踐。

4）聚焦水溶氣評(píng)價(jià)及開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題，從理論上實(shí)現(xiàn)突破，技術(shù)上進(jìn)行儲(chǔ)備。建議根據(jù)目前世界水溶氣研究現(xiàn)狀、含天然氣盆地（四川盆地、鄂爾多斯盆地和塔里木盆地等）實(shí)際地質(zhì)資料及已開(kāi)發(fā)天然氣井的解釋資料，綜合利用地質(zhì)、地球物理、地球化學(xué)、油氣滲流和氣藏工程等多學(xué)科，物理實(shí)驗(yàn)?zāi)M與數(shù)值模擬相結(jié)合，油氣地質(zhì)與油氣工程相結(jié)合，評(píng)價(jià)我國(guó)水溶氣的資源潛力，推動(dòng)我國(guó)水溶氣的勘探開(kāi)發(fā)。

4 結(jié)束語(yǔ)

我國(guó)水溶氣資源豐富，其勘探開(kāi)發(fā)對(duì)于保障我國(guó)能源安全具有重要意義，但目前國(guó)內(nèi)外均沒(méi)有形成成熟的水溶氣大型商業(yè)開(kāi)采模式，在儲(chǔ)量評(píng)價(jià)、分類標(biāo)準(zhǔn)和開(kāi)發(fā)技術(shù)等方面面臨巨大挑戰(zhàn)。因此，必須解放思想，充分認(rèn)識(shí)水溶氣開(kāi)發(fā)的重要性，高度重視水溶氣勘探開(kāi)發(fā)技術(shù)研究，在準(zhǔn)確評(píng)估我國(guó)水溶氣資源量的基礎(chǔ)上，盡快形成水溶氣勘探開(kāi)發(fā)技術(shù)體系，實(shí)現(xiàn)水溶氣的有效開(kāi)發(fā)，為我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展提供清潔能源支撐。