天然氣水合物開(kāi)采的關(guān)鍵地質(zhì)參數(shù)敏感性研究*

彭盈鈺，金光榮，蘇 正?，劉麗華，劉 杰，翟海珍

（1.中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所，廣州 510640；2.中國(guó)科學(xué)院天然氣水合物重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510640；3.廣東省新能源和可再生能源研究開(kāi)發(fā)與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510640；4.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

0 引 言

天然氣水合物為白色或是淡黃色的固態(tài)冰籠狀結(jié)晶化合物，也被稱(chēng)為“可燃冰”[1]，由小分子氣體如輕烴、二氧化碳和水在低溫高壓條件下形成[2]。天然氣水合物主要有I 型、II 型以及H 型三種結(jié)構(gòu)類(lèi)型，其中甲烷主要形成Ⅰ型結(jié)構(gòu)的天然氣水合物[3]。在標(biāo)準(zhǔn)溫度壓力下，1 m3的I 型天然氣水合物包含164 m3天然氣[4]，具有低能源豐度的特點(diǎn)。

天然氣水合物開(kāi)采的主要原理是破壞多孔介質(zhì)中水合物的相平穩(wěn)條件。目前，所采用的三種常規(guī)開(kāi)采方法為降壓法[5]、注熱法[6]、注入抑制劑法[7]。實(shí)驗(yàn)開(kāi)采、數(shù)值模擬以及現(xiàn)場(chǎng)試采均表明降壓法是比較經(jīng)濟(jì)高效的開(kāi)采方法，其他開(kāi)采方法可以作為輔助手段來(lái)抑制井筒周?chē)男纬珊退衔锒紊傻萚8]。

一般來(lái)說(shuō)，不同地區(qū)天然氣水合物開(kāi)采效率受到不同地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境、生產(chǎn)條件等因素的影響。而天然氣水合物儲(chǔ)層因素，如儲(chǔ)層介質(zhì)孔隙度、滲透率、地層厚度以及初始溫壓條件等，是影響水合物開(kāi)采的內(nèi)在因素[3]。目前，通過(guò)數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)方式對(duì)天然氣水合物儲(chǔ)層物性條件、地質(zhì)條件對(duì)開(kāi)采的影響做了大量的研究。JIANG 等[9]模擬探究了含有下伏氣層的天然氣水合物儲(chǔ)層降壓開(kāi)采情況，發(fā)現(xiàn)隨著儲(chǔ)層初始溫度的升高，水合物分解釋放氣體的速率增大，這是由于天然氣水合物分解是一個(gè)吸熱過(guò)程，當(dāng)儲(chǔ)層溫度較高時(shí)，提供水合物分解的內(nèi)在熱量較多。RUAN 等[10]通過(guò)對(duì)有含水層的水合物儲(chǔ)層降壓模擬發(fā)現(xiàn)，與儲(chǔ)層初始溫度相反，水合物儲(chǔ)層壓力越高反而不利于水合物開(kāi)采。水合物的飽和度對(duì)開(kāi)采影響相對(duì)復(fù)雜，一方面，儲(chǔ)層中天然氣水合物飽和度高，儲(chǔ)量大，有利于提高總產(chǎn)氣量[11]，另一方面，高水合物飽和度影響儲(chǔ)層介質(zhì)滲透性，阻礙流體流動(dòng)，從而影響產(chǎn)氣量[12]。儲(chǔ)層滲透率是影響水合物分解的重要水力參數(shù)，通常地層滲透率高（最低臨界值1～10 mD），提高了流體流動(dòng)能力，有利于地層壓降傳遞與水合物分解，可提高流體開(kāi)采效率[13]。地層孔隙度對(duì)水合物開(kāi)采的影響在實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬上有不同結(jié)論，BAI 等[14]通過(guò)降壓分解水合物實(shí)驗(yàn)與模擬發(fā)現(xiàn)，在實(shí)驗(yàn)中孔隙度值增高，流體運(yùn)移空間變大，產(chǎn)氣速率隨之增大，但模擬結(jié)果與之相反。另外，通過(guò)各個(gè)參數(shù)對(duì)水合物開(kāi)采敏感性影響研究，有學(xué)者認(rèn)為，影響流體運(yùn)移的地層滲透率是對(duì)水合物開(kāi)采影響最重要的參數(shù)[15]，也有學(xué)者認(rèn)為，水合物儲(chǔ)層的初始溫度很大程度上影響水合物的生產(chǎn)狀態(tài)[16]。目前，已對(duì)水合物儲(chǔ)層物性條件和地質(zhì)條件與開(kāi)采之間的單一影響關(guān)系得出定性結(jié)論，但還需要進(jìn)一步定量研究影響水合物開(kāi)采的最關(guān)鍵儲(chǔ)層參數(shù)，分析儲(chǔ)層參數(shù)對(duì)水合物開(kāi)采的聯(lián)合影響關(guān)系，為實(shí)現(xiàn)水合物開(kāi)采潛力地質(zhì)評(píng)價(jià)提供資料基礎(chǔ)。

本文以單次單因子敏感性分析方法為基礎(chǔ)，在統(tǒng)一變化幅度范圍內(nèi)研究某一儲(chǔ)層參數(shù)的變化在短期與長(zhǎng)期開(kāi)采周期下的水合物生產(chǎn)行為影響關(guān)系，并以變量敏感度為參照，計(jì)算多個(gè)水合物儲(chǔ)層參數(shù)對(duì)開(kāi)采結(jié)果的影響，進(jìn)一步確定影響天然氣水合物開(kāi)采的關(guān)鍵地質(zhì)參數(shù)。

1 數(shù)值模型

1.1 數(shù)值模擬器

本文采用由美國(guó)勞倫斯貝克萊國(guó)家實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的TOUGH+HYDRATE 模擬工具研究天然氣水合物降壓開(kāi)采過(guò)程。該程序考慮非等溫水合物反應(yīng)、多相行為、流體的流動(dòng)和熱量的傳遞過(guò)程，考慮了四種物質(zhì)成分：水合物、水、甲烷和水溶性抑制劑（如鹽或醇），這四種成分又分布在四種可能的相中，即氣相、液相、冰相和水合物相[17]。本文將水合物形成與分解過(guò)程理解為熱力學(xué)平衡過(guò)程，故采用平衡模型。對(duì)于所使用的其他方程，詳細(xì)情況見(jiàn)TOUGH+HYDRATE 用戶(hù)手冊(cè)[18]。

1.2 地質(zhì)模型

選取中心一口垂直單井的圓柱形天然氣水合物儲(chǔ)層模型作為T(mén)OUGH+HYDRATE 數(shù)值模擬器模擬的基本對(duì)象，地質(zhì)模型參照南海神狐海域SH7站位[19-20]。圓柱模型半徑為200 m，上下蓋層厚度取30 m，水合物層厚度為22 m。研究中的開(kāi)采井穿孔井段長(zhǎng)度為8 m，井徑為0.1 m，位于水合物層中部。研究區(qū)域?yàn)閳A柱體模型，徑向研究范圍為-150～150 m，由于地質(zhì)模型的對(duì)稱(chēng)性，僅討論研究區(qū)域的右半部（正數(shù)部分），如圖1 所示。

圖1 天然氣水合物藏地質(zhì)模型Fig.1 Geometric model of gas hydrate reservoir

1.3 網(wǎng)格離散化

研究區(qū)域Z 方向上一共分為42 層。為了精確描述水合物分解行為，水合物層網(wǎng)格間距為1 m，上下蓋層以3 m 為單位劃分網(wǎng)格。沿徑向剖分的網(wǎng)格數(shù)為99 個(gè)，其中靠近井附近的最初3 個(gè)網(wǎng)格半徑為0.2 m，隨后沿著徑向網(wǎng)格半徑呈指數(shù)形式增加。

1.4 模型條件

表1 模型參數(shù)[19-20]Table 1 Model parameters[19-20]

SH7 站位水合物層底部溫度為14℃，底部壓力為13.5 MPa，地層溫度梯度為0.043℃/m，在此溫壓條件下水合物能穩(wěn)定存在。另外，最新的調(diào)查數(shù)據(jù)表明，南海儲(chǔ)層類(lèi)型主要為粘土質(zhì)粉砂-低滲透粉砂，地層絕對(duì)滲透率平均為2～5 mD，有效滲透率明顯低于南海海槽[21-22]。因此，模型中將水合物層地層絕對(duì)滲透率設(shè)為5 mD，上下蓋層滲透率設(shè)為2 mD。具體模型參數(shù)見(jiàn)表1。

2 敏感性分析

敏感性分析方法常用來(lái)從定性與定量的角度判斷某自變量的改變對(duì)相關(guān)參數(shù)產(chǎn)生的影響。其中，單次單因子法為每個(gè)因素選擇一個(gè)基準(zhǔn)線，然后在其范圍內(nèi)依次改變每個(gè)因素，并使其他因素固定在初始（基線）水平[23]。基于單次單因子法，輸出結(jié)果的任何變化都將明確地歸因于單個(gè)因素的變化，這提高了結(jié)果的可比對(duì)性并將多個(gè)因素改變導(dǎo)致的模擬結(jié)果不收斂的風(fēng)險(xiǎn)大大降低[24]。

引入敏感度指標(biāo)定量估算某一參數(shù)改變對(duì)水合物開(kāi)采結(jié)果的影響，定義為[25]：

其中：Vb和Vi分別表示某自變量的初始水平和第i種水平；Fb和Fi分別是初始水平下的輸出結(jié)果與第i種水平下的輸出結(jié)果，以水合物開(kāi)采至某一周期下的開(kāi)采指標(biāo)值表示；為了將參數(shù)變化幅度控制在同一數(shù)量級(jí)內(nèi)，ΔVi定為10%、20%、30%。

另外，在分析天然氣水合物開(kāi)采潛力時(shí)多使用絕對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)與相對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)作為判斷依據(jù)[26]。絕對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)包括水合物的分解氣體量、井口產(chǎn)氣量以及產(chǎn)水量等，而相對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)是水合物氣水體積比，指水合物產(chǎn)氣體積與產(chǎn)水體積之比。

2.1 定性分析

2.1.1 溫度敏感性分析

將水合物儲(chǔ)層初始溫度14℃依次變化10%、20%、30%，溫度范圍為9.8～14℃。無(wú)論是60 d的短期開(kāi)采還是5 年的長(zhǎng)期開(kāi)采，隨著儲(chǔ)層溫度升高，水合物總分解氣體體積VR（圖2a，圖3a）、總產(chǎn)氣體積VQ（圖2b，圖3b）、氣水比RWG均增大（圖2d，圖3d）。其中，60 d 后儲(chǔ)層溫度為9.8℃、11.2℃、12.6℃、14℃時(shí)，水合物分解氣體量分別為8.14×103m3、1.26×104m3、2.03×104m3、5.55×104m3，產(chǎn)氣量分別為1.13×104m3、1.54×104m3、1.96×104m3、2.32×104m3。天然氣水合物能在自然界中穩(wěn)定存在需要合適的溫度和壓力條件，根據(jù)SLOAN 等[27]所提出的水合物壓力-溫度平衡關(guān)系相圖，地層壓力相同的儲(chǔ)層，當(dāng)?shù)貙訙囟雀邥r(shí)，水合物接近熱力學(xué)平衡狀態(tài)，容易失穩(wěn)分解；另外，水合物儲(chǔ)層地層溫度高，提供水合物分解吸收的熱量充足。

模擬結(jié)果顯示在整個(gè)開(kāi)采周期中，水合物總分解氣體體積VR、總產(chǎn)氣體積VQ隨地層溫度升高變化幅度較大，儲(chǔ)層溫度與分解氣體體積和產(chǎn)氣量之間有較強(qiáng)的相關(guān)性。據(jù)此，水合物儲(chǔ)層溫度是影響開(kāi)采的重要參數(shù)。另外，60 d 短期開(kāi)采時(shí)間內(nèi)，儲(chǔ)層溫度的變化對(duì)產(chǎn)水量影響較小（圖2c），但開(kāi)采后期，當(dāng)?shù)貙訙囟雀邥r(shí)，為后續(xù)水合物分解提供的熱量多，水合物分解量增多，產(chǎn)水量也增加，氣水比變化幅度減小（圖3d）。

圖2 不同溫度下天然氣水合物60 天開(kāi)采情況：（a）水合物總分解氣體體積VR；（b）總產(chǎn)氣體積VQ；（c）產(chǎn)水量VW；（d）氣水比RWGFig.2 60 days production of natural gas hydrate at different temperatures:(a) total hydrate decomposition gas volume VR;(b) total gas production volume VQ;(c) water production volume VW;(d) gas-water ratio RWG

圖3 不同溫度下天然氣水合物5 年開(kāi)采情況：（a）水合物總分解氣體體積VR；（b）總產(chǎn)氣體積VQ；（c）產(chǎn)水量VW；（d）氣水比RWGFig.3 5 years production of natural gas hydrate at different temperatures:(a) total hydrate decomposition gas volume VR;(b) total gas production volume VQ;(c) water production volume VW;(d) gas-water ratio RWG

2.1.2 壓力敏感性分析

在水合物儲(chǔ)層初始溫度為14℃時(shí)，將初始?jí)毫?3.5 MPa 依次變化10%、20%、30%進(jìn)行開(kāi)采模擬。根據(jù)圖4a 和圖5a，當(dāng)水合物儲(chǔ)層壓力增大時(shí)，短期和長(zhǎng)期開(kāi)采期內(nèi)的水合物分解氣體量隨之減小，壓力變化對(duì)水合物分解氣體量的影響較大，是由于當(dāng)儲(chǔ)層初始溫度相同時(shí)，較高的儲(chǔ)層初始?jí)毫?huì)增強(qiáng)水合物儲(chǔ)層的穩(wěn)定性，水合物不易發(fā)生分解，從而導(dǎo)致水合物分解氣體量降低。另外，儲(chǔ)層壓力與總產(chǎn)氣體積VQ之間的相關(guān)性明顯減小，在60 d 生產(chǎn)中，儲(chǔ)層壓力的增大反而使得產(chǎn)氣量增大，而在長(zhǎng)期開(kāi)采中，儲(chǔ)層壓力的變化對(duì)水合物產(chǎn)氣量無(wú)影響。其原因是地層中的溶解氣體對(duì)生產(chǎn)的貢獻(xiàn)隨著初始?jí)毫Φ脑龃蠖龃蟆?/p>

圖4c 和圖4d、圖5c 和圖5d 為產(chǎn)水體積VW和氣水比RWG隨儲(chǔ)層壓力的變化情況。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，較高的儲(chǔ)層初始?jí)毫?huì)增大地層與生產(chǎn)井之間的壓差驅(qū)動(dòng)力，從而導(dǎo)致產(chǎn)水量增加（呈線性增加的關(guān)系）?？偟膩?lái)說(shuō)，水合物儲(chǔ)層初始地層壓力是影響產(chǎn)水量的重要參數(shù)，但不是影響長(zhǎng)期產(chǎn)氣量的重要因素。

圖4 不同壓力下天然氣水合物60 天開(kāi)采情況：（a）水合物總分解氣體體積VR；（b）總產(chǎn)氣體積VQ；（c）產(chǎn)水量VW；（d）氣水比RWGFig.4 60 days production of natural gas hydrate under different pressures:(a) total hydrate decomposition gas volume VR;(b) total gas production volume VQ;(c) water production volume VW;(d) gas-water ratio RWG

圖5 不同壓力下天然氣水合物5 年開(kāi)采情況：（a）水合物總分解氣體體積VR；（b）總產(chǎn)氣體積VQ；（c）產(chǎn)水量VW；（d）氣水比RWGFig.5 5 years production of natural gas hydrate under different pressures:(a) total hydrate decomposition gas volume VR;(b) total gas production volume VQ;(c) water production volume VW;(d) gas-water ratio RWG

2.1.3 孔隙度敏感性分析

在給定孔隙度0.38 的基礎(chǔ)上，將孔隙度依次變化10%、20%、30%，評(píng)價(jià)孔隙度從0.266 到0.456的變化對(duì)儲(chǔ)層開(kāi)采的影響。從圖6a、圖6b、圖7a、圖7b 可以看出，水合物總分解氣體體積VR、總產(chǎn)氣體積VQ與孔隙度之間呈負(fù)相關(guān)，但對(duì)60 d 水合物分解氣量的變化影響相對(duì)較大，同時(shí)在后期的開(kāi)采中孔隙度與分解氣體量相關(guān)性趨勢(shì)減小。另外，根據(jù)圖6c、圖6d、圖7c、圖7d 發(fā)現(xiàn)，在整個(gè)開(kāi)采過(guò)程中，孔隙度對(duì)水合物產(chǎn)水量的影響不明顯，對(duì)氣水比的變化影響較小。

雖然地層孔隙度低，提供水合物儲(chǔ)層空間小，水合物分解氣體量與產(chǎn)氣量也會(huì)隨之減小，但模擬結(jié)果與之相反。當(dāng)?shù)貙涌紫抖却髸r(shí)，含天然氣水合物的沉積物單位體積潛熱也較大，由于天然氣水合物含量高，比熱低，熱導(dǎo)率低，使得地層的熱導(dǎo)率變小，因此地層溫度下降更快，從而不利于水合物分解。在開(kāi)采后期，孔隙度對(duì)水合物開(kāi)采影響的減小則是與水合物儲(chǔ)量有關(guān)。

圖6 不同孔隙度下天然氣水合物60 天開(kāi)采情況：（a）水合物總分解氣體體積VR；（b）總產(chǎn)氣體積VQ；（c）產(chǎn)水量VW；（d）氣水比RWGFig.6 60 days production of natural gas hydrate with different porosity:(a) total hydrate decomposition gas volume VR;(b) total gas production volume VQ;(c) water production volume VW;(d) gas-water ratio RWG

圖7 不同孔隙度下天然氣水合物5 年開(kāi)采情況：（a）水合物總分解氣體體積VR；（b）總產(chǎn)氣體積VQ；（c）產(chǎn)水量VW；（d）氣水比RWGFig.7 5 years production of natural gas hydrate with different porosity:(a) total hydrate decomposition gas volume VR;(b) total gas production volume VQ;(c) water production volume VW;(d) gas-water ratio RWG

2.1.4 滲透率敏感性分析

在水合物儲(chǔ)層初始滲透率5 mD 基礎(chǔ)上，依次變化10%、20%、30%，評(píng)價(jià)滲透率變化對(duì)儲(chǔ)層開(kāi)采的影響。滲透率是反映多孔介質(zhì)中流體滲流問(wèn)題的重要物理量。從圖8 和圖9 中可以看到，滲透率的微小改變對(duì)水合物開(kāi)采有明顯的影響。地層滲透率增大時(shí)，壓降傳遞快，有利于水合物分解，使得水合物分解氣體量隨之增大。另外，水合物層中的自由氣體隨著水合物分解而增多，在地層壓力與井口壓力差的有效驅(qū)動(dòng)下向井流動(dòng)，因此在一定程度上增加了產(chǎn)氣量，同時(shí)產(chǎn)水量也隨之增加。由于滲透率對(duì)水合物產(chǎn)氣量和產(chǎn)水量（圖8a 和圖9a，圖8c 和圖9c）的影響均較大，可見(jiàn)儲(chǔ)層滲透率是影響水合物開(kāi)采的重要參數(shù)。

圖8 不同滲透率下天然氣水合物60 天開(kāi)采情況：（a）水合物總分解氣體體積VR；（b）總產(chǎn)氣體積VQ；（c）產(chǎn)水量VW；（d）氣水比RWGFig.8 60 days production of natural gas hydrate under different permeability:(a) total hydrate decomposition gas volume VR;(b)total gas production volume VQ;(c) water production volume VW;(d) gas-water ratio RWG

圖9 不同滲透率下天然氣水合物5 年開(kāi)采情況：（a）水合物總分解氣體體積VR；（b）總產(chǎn)氣體積VQ；（c）產(chǎn)水量VW；（d）氣水比RWGFig.9 5 years production of natural gas hydrate under different permeability:(a) total hydrate decomposition gas volume VR;(b) total gas production volume VQ;(c) water production volume VW;(d) gas-water ratio RWG

2.1.5 水合物飽和度敏感性分析

在初始水合物飽和度0.40 的基礎(chǔ)上，依次變化10%、20%、30%，評(píng)價(jià)水合物飽和度變化對(duì)儲(chǔ)層開(kāi)采的影響。從圖10a 和圖10b 可以看到，在60 d 短期開(kāi)采中，水合物飽和度越大反而不利于水合物分解，分解氣量隨水合物飽和度的增大而減小，但是水合物飽和度的變化對(duì)產(chǎn)氣量的影響較小。同時(shí)，5年內(nèi)，高水合物飽和度與低水合物飽和度之間所引起的水合物分解氣體體積、產(chǎn)水量差距減小，對(duì)產(chǎn)氣量幾乎沒(méi)有影響（圖10 和圖11）。另外，水合物飽和度與氣水比之間為正相關(guān)關(guān)系（圖10d 和圖11d）。這一現(xiàn)象產(chǎn)生的原因，一方面是水合物飽和度較高時(shí)降低了水合物儲(chǔ)層的滲透率，自由氣體的流量減少，使得在開(kāi)采前期水合物產(chǎn)氣量隨飽和度增加而減少，同時(shí)也限制了水合物層壓降的傳遞，抑制了對(duì)流換熱，降低了水合物的分解速率。另一方面，高水合物飽和度通常會(huì)降低儲(chǔ)層的導(dǎo)熱系數(shù)，從而不利于天然氣水合物的分解。此外，水合物的飽和度是與水合物儲(chǔ)量有關(guān)的因素，在開(kāi)采后期，當(dāng)水合物層壓降傳遞到一定的程度后，在高水合物飽和度情況下會(huì)有更多的水合物發(fā)生分解。

圖10 不同飽和度下天然氣水合物60 天開(kāi)采情況：（a）水合物總分解氣體體積VR；（b）總產(chǎn)氣體積VQ；（c）產(chǎn)水量VW；（d）氣水比RWGFig.10 60 days production of natural gas hydrate with different saturation:(a) total hydrate decomposition gas volume VR;(b) total gas production volume VQ;(c) water production volume VW;(d) gas-water ratio RWG

圖11 不同飽和度下天然氣水合物5 年開(kāi)采情況：（a）水合物總分解氣體體積VR；（b）總產(chǎn)氣體積VQ；（c）產(chǎn)水量VW；（d）與氣水比RWGFig.11 5 years production of natural gas hydrate with different saturation:(a) total hydrate decomposition gas volume VR;(b) total gas production volume VQ;(c) water production volume VW;(d) gas-water ratio RWG

2.1.6 水合物層厚度敏感性分析

為了考察天然氣水合物層厚度對(duì)水合物開(kāi)采過(guò)程的影響，在初始水合物儲(chǔ)層厚度22 m 的基礎(chǔ)上，將儲(chǔ)層厚度依次變化10%、20%、30%。從圖12 所示的60 d 水合物開(kāi)采中發(fā)現(xiàn)，水合物層厚度變化對(duì)水合物產(chǎn)氣量、產(chǎn)水量以及氣水比的影響不大，反而水合物層厚度越大不利于水合物分解，這是由于水合物層厚度越大，地層壓降傳播距離越大，抑制了水合物分解。同時(shí)，開(kāi)采初期，由于地層中殘余氣體對(duì)產(chǎn)氣量的貢獻(xiàn)，使得水合物層厚度對(duì)產(chǎn)氣量的影響不大。另外，從圖12b～圖12d 與圖13b～圖13d 可以看到，5 年開(kāi)采周期中，由于天然氣水合物層厚度越大，水合物儲(chǔ)量越大，從而導(dǎo)致水合物分解氣體體積、產(chǎn)氣量和產(chǎn)水量也隨之增大。

圖12 不同層厚下天然氣水合物60 天開(kāi)采情況：（a）水合物總分解氣體體積VR；（b）總產(chǎn)氣體積VQ；（c）產(chǎn)水量VW；（d）氣水比RWGFig.12 60 days production of natural gas hydrate with different layer thickness:(a) total hydrate decomposition gas volume VR;(b)total gas production volume VQ;(c) water production volume VW;(d) gas-water ratio RWG

圖13 不同層厚下天然氣水合物5 年開(kāi)采情況：（a）水合物總分解氣體體積VR；（b）總產(chǎn)氣體積VQ；（c）產(chǎn)水量VW；（d）氣水比RWGFig.13 5 years production of natural gas hydrate with different layer thickness:(a) total hydrate decomposition gas volume VR;(b)total gas production volume VQ;(c) water production volume VW;(d) gas-water ratio RWG

2.2 定量計(jì)算

分別對(duì)6 個(gè)水合物儲(chǔ)層地質(zhì)參數(shù)進(jìn)行了敏感性模擬分析。圖14 分別給出了這6 個(gè)參數(shù)對(duì)水合物分解氣量、產(chǎn)氣量以及產(chǎn)水量的敏感程度值。在水合物開(kāi)采早期（圖14a），水合物層初始溫度、壓力和滲透率敏感度值分別為4.4、3.2、1.2，這三個(gè)參數(shù)是影響水合物分解的關(guān)鍵參數(shù)；而在開(kāi)采后期（圖14d），除了地層溫度（敏感性值為2.9）外，地層壓力影響明顯減小。對(duì)于井口產(chǎn)氣量而言，前期開(kāi)采中，水合物層溫度（敏感性值為1.7）與滲透率（敏感性值為0.8）對(duì)產(chǎn)氣量的影響貢獻(xiàn)大，另外則是地層壓力與孔隙度（圖14b）；在后期開(kāi)采中，除了地層溫度外，滲透率與地層厚度的影響程度較大（圖14e）。此外，水合物地層壓力、滲透率以及水合物飽和度是影響水合物前期產(chǎn)水量的重要參數(shù)（圖14c），而在開(kāi)采后期，地層溫度影響增大，壓力以及水合物飽和度的影響相對(duì)前期減?。▓D14f）。

綜上所述，無(wú)論是以哪一開(kāi)采指標(biāo)作為水合物開(kāi)采潛力的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，水合物地層溫度、地層壓力以及絕對(duì)滲透率是三個(gè)至關(guān)重要的地質(zhì)參數(shù)。其中水合物穩(wěn)定存在的初始溫壓條件是影響開(kāi)采的主導(dǎo)參數(shù)，反映的是儲(chǔ)層的能量問(wèn)題。氣體的有效開(kāi)采主要取決于地層的初始溫度，然而，水合物儲(chǔ)層的能量并不是影響開(kāi)采的唯一因素。如果地層滲透率很低時(shí)，流體無(wú)法及時(shí)流向井口，導(dǎo)致產(chǎn)氣量較低。因此，在實(shí)際開(kāi)采水合物的過(guò)程中，應(yīng)該關(guān)注選擇合適的生產(chǎn)井壓力以達(dá)到有效降壓的目的，采用注熱等手段提高儲(chǔ)層能量使水合物在后期更有效地分解，同時(shí)也應(yīng)該關(guān)注相關(guān)的儲(chǔ)層改造技術(shù)，在安全開(kāi)采的前提下，提高儲(chǔ)層滲透率。

圖14 不同地質(zhì)參數(shù)對(duì)水合物開(kāi)采的敏感度：（a）60 天開(kāi)采內(nèi)對(duì)水合物分解的敏感度；（b）60 天開(kāi)采內(nèi)對(duì)產(chǎn)氣量的敏感度；（c）60 天開(kāi)采內(nèi)對(duì)產(chǎn)水量的敏感度；（d）5 年開(kāi)采內(nèi)對(duì)水合物分解的敏感度；（e）5 年開(kāi)采內(nèi)對(duì)產(chǎn)氣量的敏感度；（f）5 年開(kāi)采內(nèi)對(duì)產(chǎn)水量的敏感度Fig.14 Sensitivity of different geological parameters to hydrate production:(a) sensitivity to hydrate decomposition within 60 days;(b) sensitivity to gas production within 60 days;(c) sensitivity to water production within 60 days;(d) sensitivity to hydrate decomposition within 5 years;(e) sensitivity to gas production within 5 years;(f) sensitivity to water production within 5 years

3 結(jié) 論

采用TOUGH+HYDRATE 數(shù)值模擬工具探究?jī)?chǔ)層溫度、壓力、滲透率、孔隙度等6 個(gè)儲(chǔ)層參數(shù)變化對(duì)水合物開(kāi)采過(guò)程的影響程度。以單次單因子敏感度分析方法和水合物開(kāi)采評(píng)價(jià)指標(biāo)為依據(jù)，定性討論了儲(chǔ)層參數(shù)變化與水合物開(kāi)采潛力之間的關(guān)系，同時(shí)，對(duì)影響水合物開(kāi)采潛力的重要參數(shù)進(jìn)行定量計(jì)算。主要得到以下結(jié)論：

（1）定量分析發(fā)現(xiàn)，儲(chǔ)層溫度與分解氣量和產(chǎn)氣量之間有較強(qiáng)的相關(guān)性；當(dāng)水合物儲(chǔ)層壓力增大時(shí)，水合物分解氣體體積隨之減小，壓力變化對(duì)水合物分解氣體量的影響較大，儲(chǔ)層壓力的增大使得產(chǎn)氣量增大，而在長(zhǎng)期開(kāi)采中，儲(chǔ)層壓力的變化對(duì)水合物產(chǎn)氣量基本無(wú)影響，儲(chǔ)層壓力與產(chǎn)水量之間呈線性增加的關(guān)系；水合物分解氣量、總產(chǎn)氣量與孔隙度之間呈負(fù)相關(guān)，在后期開(kāi)采中孔隙度與分解氣體量，產(chǎn)氣量之間的相關(guān)性趨勢(shì)減?。辉谡麄€(gè)開(kāi)采周期中，滲透率對(duì)水合物開(kāi)采有明顯的影響；短期開(kāi)采中，水合物飽和度越大不利于水合物分解，使得分解氣體體積與產(chǎn)水量隨水合物飽和度的增大而減小，在長(zhǎng)期開(kāi)采中飽和度對(duì)產(chǎn)氣量幾乎沒(méi)有影響；短期開(kāi)采中，水合物厚度越大反而不利于水合物分解，但地層厚度大使水合物分解量增大。

（2）定性計(jì)算發(fā)現(xiàn)，水合物層初始溫度、壓力和滲透率是影響水合物早期分解的三個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，地層厚度對(duì)水合物后期分解影響程度最大；水合物層初始溫度與壓力對(duì)前期產(chǎn)氣量的影響貢獻(xiàn)大；水合物地層壓力、滲透率以及水合物飽和度是影響水合物前期產(chǎn)水量的重要參數(shù)，而在開(kāi)采后期，地層溫度影響增大；無(wú)論是以哪一開(kāi)采指標(biāo)作為水合物開(kāi)采潛力的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，水合物地層溫度、地層壓力以及絕對(duì)滲透率是三個(gè)至關(guān)重要的地質(zhì)參數(shù)。