徑向井降壓開(kāi)采天然氣水合物產(chǎn)能模擬

張潘潘，田守嶒,2*，張逸群，李根生，武曉亞，王宇豪

1 中國(guó)石油大學(xué)(北京)油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249

2 中國(guó)石油大學(xué)(北京)克拉瑪依校區(qū)，克拉瑪依，834000

3 中石化江鉆石油機(jī)械有限公司，武漢 430000

0 前言

天然氣水合物是天然氣與水在高壓、低溫條件下形成的非化學(xué)計(jì)量的籠型結(jié)晶水合物[1-2]。自然界中天然氣水合物主要存在于深水大陸架的淺層沉積物及陸上凍土中[3-4]。來(lái)自全球范圍的評(píng)估認(rèn)為天然氣水合物中蘊(yùn)含的甲烷約為1015～1018m3，其碳儲(chǔ)量很可能超過(guò)全球其他化石能源資源量總和[5-7]。作為一種高效清潔的潛在替代能源，天然氣水合物的開(kāi)發(fā)對(duì)世界能源格局、氣候變化及自然災(zāi)害防治等一系列問(wèn)題都有重要影響，是21世紀(jì)全球能源發(fā)展的戰(zhàn)略制高點(diǎn)[8-10]。

天然氣水合物常見(jiàn)的開(kāi)采方法主要包括降壓法[11]、熱激法[12]、氣體置換法[13]、注抑制法[14]，其中降壓法由于其簡(jiǎn)單高效、適用范圍廣的特點(diǎn)，成為目前研究的熱點(diǎn)，也是試采中普遍采用的開(kāi)發(fā)方式[15]。采用降壓法，我國(guó)分別于2017年，2020年在南海神狐海域成功試采天然氣水合物，實(shí)現(xiàn)了我國(guó)水合物開(kāi)發(fā)的重大突破[16]。2020年試采生產(chǎn)井井型為水平井，持續(xù)產(chǎn)氣30天，創(chuàng)造了“產(chǎn)氣總量86.14萬(wàn) m3，日均產(chǎn)氣量2.87萬(wàn)m3”2項(xiàng)世界紀(jì)錄[17-18]，但其仍遠(yuǎn)未達(dá)到水合物商業(yè)化開(kāi)采的門(mén)檻[1]，提高開(kāi)采效率依然是未來(lái)水合物資源商業(yè)化開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵所在。

水合物試采成本高且難度大，試采持續(xù)時(shí)間往往較短，因此當(dāng)前水合物產(chǎn)能研究仍以室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬為主，且基于直井的降壓開(kāi)采模擬最為常見(jiàn)[19-21]。直井鉆采成本低，工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，但現(xiàn)場(chǎng)試采結(jié)果表明其單井產(chǎn)量低，產(chǎn)量遞減快，難以滿足水合物商業(yè)化開(kāi)采的需求[5]。為提高開(kāi)采效率，基于水平井的降壓開(kāi)采模擬逐漸成為新的研究熱點(diǎn)。通過(guò)增大泄流面積，水平井可有效提高單井產(chǎn)量[5,22-25]，但水平井的應(yīng)用當(dāng)前仍受到鉆井成本過(guò)高，水合物埋深淺導(dǎo)致造斜難度大等因素的制約[8]。同樣為了提高開(kāi)采效率，一些學(xué)者模擬研究了儲(chǔ)層改造對(duì)天然氣水合物儲(chǔ)層產(chǎn)能的影響，但研究也發(fā)現(xiàn)儲(chǔ)層改造后期水合物產(chǎn)能仍相對(duì)較低[26-27]。此外，水合物多賦存于非成巖泥質(zhì)或泥質(zhì)粉砂巖儲(chǔ)層中，儲(chǔ)層改造施工難度大，改造后裂縫易閉合，儲(chǔ)層改造效果難以保證，且可能引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害。

基于對(duì)上述問(wèn)題的思考，筆者課題組首次提出了利用徑向井+篩管完井一體化方法開(kāi)采天然氣水合物的新思路。該技術(shù)通過(guò)在水合物儲(chǔ)層的某一層位或多個(gè)層位鉆出徑向井，可擴(kuò)大水合物分解范圍、大幅提高單井產(chǎn)量。徑向井井眼尺寸和轉(zhuǎn)彎半徑小，突破了常規(guī)水平井難以開(kāi)采淺層水合物的局限，十分適合薄互層水合物開(kāi)采；通過(guò)水力噴射提供自進(jìn)力，徑向井鉆進(jìn)時(shí)對(duì)井口產(chǎn)生的軸向力和側(cè)向力遠(yuǎn)低于水平井，提高了井口的穩(wěn)定性；且該方法鉆采成本遠(yuǎn)低于常規(guī)水平井或多分支井，有望成為水合物儲(chǔ)層安全高效開(kāi)發(fā)的新方法。本文針對(duì)具有封閉邊界的第3類(lèi)水合物藏薄層，建立了4分支徑向井降壓開(kāi)采水合物模型，對(duì)比了徑向井和直井降壓開(kāi)采過(guò)程中儲(chǔ)層的溫度壓力響應(yīng)、產(chǎn)氣產(chǎn)水特征和水合物飽和度變化規(guī)律，進(jìn)一步分析了采用徑向井開(kāi)采水合物的潛在優(yōu)勢(shì)，以期促進(jìn)我國(guó)南海水合物早日實(shí)現(xiàn)商業(yè)化開(kāi)采。

1 徑向井技術(shù)簡(jiǎn)介

水力噴射徑向水平井技術(shù)也被稱作徑向井技術(shù)，是指在垂直井眼內(nèi)沿徑向鉆出呈輻射狀分布的一口或多口水平井眼[28]。20世紀(jì)80年代，美國(guó)的Bechtel和Petrophsics兩家公司聯(lián)合研制出了首套出采用高壓水射流鉆頭通過(guò)井下轉(zhuǎn)向器進(jìn)行徑向水平鉆進(jìn)的鉆井系統(tǒng)，其最初目的是為了提高非成巖稠油油藏采收率[29]。隨著徑向井技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，其應(yīng)用范圍逐漸擴(kuò)展到煤層氣、頁(yè)巖氣、地?zé)岬荣Y源的開(kāi)發(fā)[30-33]?，F(xiàn)有研究表明采用水力噴射徑向井技術(shù)鉆進(jìn)，水平分支延伸可達(dá)100 m[34]。2020年，李根生等[35]首次提出采用徑向井+篩管完井一體化技術(shù)開(kāi)采天然氣水合物(圖1)，并開(kāi)展了相關(guān)研究。在此背景下，本文開(kāi)展了基于徑向井的天然氣水合物儲(chǔ)層降壓開(kāi)采產(chǎn)氣模擬。

圖1 徑向水平井+篩管完井一體化開(kāi)采天然氣水合物藏示意圖[35]Fig.1 Schematic diagram of integrated exploitation of gas hydrate reservoirs by radial horizontal well and screen completion[35]

2 數(shù)值模型

2.1 水合物儲(chǔ)層產(chǎn)能模擬工具

國(guó)際上主流的水合物開(kāi)采數(shù)值模擬工具主要包括：美國(guó)勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的TOUGH+HYDRATE和HydrateResSim (HRS)，日本甲烷水合物資源聯(lián)盟開(kāi)發(fā)的MH21-HYDRES，加拿大CMG公司開(kāi)發(fā)的CMG STARS和美國(guó)西北太平洋國(guó)家實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的STOMP-HYD。隨著認(rèn)識(shí)的深入，近些年來(lái)也出現(xiàn)了一些能夠考慮水合物開(kāi)采過(guò)程中儲(chǔ)層力學(xué)響應(yīng)的模擬方法，有關(guān)這些模擬方法的對(duì)比分析詳見(jiàn)參考文獻(xiàn)[36]。

本文中使用的建模工具為HRS，其也是目前唯一免費(fèi)向公眾開(kāi)放源代碼的水合物產(chǎn)能模擬工具[37]。HRS基于TOUGH-Fx早期版本開(kāi)發(fā)，使用標(biāo)準(zhǔn)FORTRAN 95/2003語(yǔ)言編寫(xiě)而成，并延續(xù)了TOUGH2的數(shù)據(jù)輸入格式。它內(nèi)置了描述水合物生成及分解的平衡模型和動(dòng)態(tài)模型，可以模擬水合物開(kāi)采過(guò)程中發(fā)生的相態(tài)演變、多組分多相流、熱量交換[38]。此外，HRS還考慮了儲(chǔ)層的可壓縮性，即溫度壓力變化對(duì)儲(chǔ)層孔隙度的影響。在達(dá)西定律適用的前提下，理論上其可以模擬任意尺度下的水合物降壓開(kāi)采、熱激開(kāi)采和注抑制劑開(kāi)采。

2.2 HRS中的數(shù)學(xué)模型

HRS采用積分有限差分法進(jìn)行空間離散，在離散后的每個(gè)控制體單元內(nèi)，各組分質(zhì)量或總體能量的守恒方程由公式(1)給出：

其中，Vn為控制體單元的體積，m3；MK為K組分在單元體內(nèi)的質(zhì)量累計(jì)量，kg(如果K表示能量，則為能量在這個(gè)控制體單元內(nèi)的累積量，J)；An為控制體單元的表面積，m2；FK為K組分的質(zhì)量通量，kg·m-2·s-1(如果K表示能量，則為能量通量，J·m-2·s-1)；n為向內(nèi)單位法向量，無(wú)量綱；qK為源匯項(xiàng)，表示生產(chǎn)井產(chǎn)出或者注入井注入的質(zhì)量通量，kg·m-3·s-1(如果K表示能量，則為能量通量，J·m-3·s-1)。

質(zhì)量累計(jì)項(xiàng)如下：

其中，Ф為孔隙度，無(wú)量綱，SB為相在儲(chǔ)層孔隙中的飽和度，無(wú)量綱，ρB為B相的密度，kg·m-3，為K組分在相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，無(wú)量綱。N表示體系中相態(tài)的數(shù)量，無(wú)量綱。

K組分的流量通量為各相中K組分的流量和，流量通量的計(jì)算如下：

為B相中K組分的質(zhì)量通量，kg·m-3·s-1；各相的質(zhì)量流量通量服從達(dá)西定律：

其中，k為儲(chǔ)層巖石的絕對(duì)滲透率，m2；krB為B相的相對(duì)滲透率，無(wú)量綱；μB為B相的黏度，Pa·s；g為重力加速度，m·s-2。

潤(rùn)濕相壓力和非潤(rùn)濕相壓力滿足：

其中，PwB為潤(rùn)濕相壓力，Pa；PnB為非潤(rùn)濕相壓力，Pa；Pcap為毛管壓力，Pa。

對(duì)源匯項(xiàng)的處理比較簡(jiǎn)單，對(duì)于K組分如下所示：

其中，qB為相的質(zhì)量流量，kg·m-3·s-1。

需要注意的是，同水合物開(kāi)采的持續(xù)時(shí)間相比，水合物相變所需時(shí)間可忽略不計(jì)，因此本文選用了計(jì)算效率更高的平衡相態(tài)模型，即當(dāng)溫度壓力滿足相變條件時(shí)，相變瞬間完成，發(fā)生相變的水合物量由傳質(zhì)傳熱共同決定。在平衡模型中，水合物相為固相，但水合物不作為獨(dú)立組分參與運(yùn)算。公式(1)表示能量方程時(shí)各項(xiàng)的表達(dá)式及模型的求解方法詳見(jiàn)參考文獻(xiàn)[37]。

2.3 模型描述

本模型的建立基于Moridis等人劃分的第3類(lèi)水合物藏[39]，即只包含單一的水合物層。模型中使用的參數(shù)(表1)參考了我國(guó)南海神狐海域水合物的鉆探資料[40]。考慮到水合物儲(chǔ)層多為薄互層，其在水平方向上延伸遠(yuǎn)大于豎直方向，為節(jié)約計(jì)算時(shí)間，本文假設(shè)所開(kāi)采儲(chǔ)層為一薄層，上覆層與下伏層封閉性較強(qiáng)，可忽略豎直方向滲流的影響，從而將模型簡(jiǎn)化為單位厚度的二維模型。本文分別采用直井和徑向井模擬降壓法開(kāi)采水合物藏，其中徑向井分支數(shù)為4，分支夾角為90°，并根據(jù)模型具有的對(duì)稱性，選取四分之一面積的水合物儲(chǔ)層建立數(shù)值模型，模型大小為250 m×250 m。模型示意圖如圖2所示，主井筒水力半徑0.1 m, 徑向井延伸長(zhǎng)度為25 m。模型中地層原始?jí)毫?3.8 MPa，將主井筒井底壓力保持在3 MPa模擬降壓開(kāi)采，開(kāi)采時(shí)長(zhǎng)為1000 d。

圖2 水合物藏直井、徑向井開(kāi)采示意圖Fig.2 Schematic of hydrate exploitation by a vertical well and radial wells

表1 模擬計(jì)算參數(shù)Table 1 Parameters used in the simulation

2.4 網(wǎng)格劃分與初始化

圖3為本文所建立的二維模型網(wǎng)格劃分示意圖。模型在x和y方向均為250 m，厚度為1 m?？紤]到相變和傳質(zhì)傳熱主要圍繞生產(chǎn)井發(fā)生，因此本文對(duì)生產(chǎn)井附近的網(wǎng)格進(jìn)行了加密。整個(gè)模擬區(qū)域共有2500個(gè)網(wǎng)格，且在x和y方向網(wǎng)格分布相同。以x方向?yàn)槔渚W(wǎng)格分布依次為(網(wǎng)格數(shù)×單個(gè)網(wǎng)格大小)：1個(gè)×0.09 m；1個(gè)×0.21 m；1個(gè)×0.3 m；1個(gè)×0.4 m；2個(gè)×0.5 m；13個(gè)×1 m；5個(gè)×2 m；7個(gè)×5 m；19個(gè)×10 m。為了實(shí)現(xiàn)降壓開(kāi)采，坐標(biāo)軸原點(diǎn)所在網(wǎng)格壓力設(shè)置為3 MPa，且在模擬過(guò)程中保持不變。為模擬井筒環(huán)境并減少計(jì)算時(shí)間，本文借鑒前人所使用的方法，將主井筒所在網(wǎng)格滲透率k設(shè)為5×10-9m2(5000達(dá)西)，孔隙度為1，相對(duì)滲透率等于絕對(duì)滲透率，且不存在毛管力[40,43]。盡管分支井筒導(dǎo)流能力和主井筒相近，但其在垂直方向并非完全占據(jù)該單位厚度儲(chǔ)層，因此模型中將徑向井分支所在網(wǎng)格滲透率設(shè)為10-10m2(100達(dá)西)，其他物性參數(shù)和儲(chǔ)層基質(zhì)保持一致。

圖3 水合物藏網(wǎng)格劃分示意圖Fig.3 Schematic diagram of meshing

3 結(jié)果與討論

3.1 壓力空間分布

圖4分別繪制了直井和徑向井降壓開(kāi)采10 d、100 d、1000 d時(shí)的儲(chǔ)層壓力分布云圖。對(duì)于直井：降壓開(kāi)采10 d時(shí)，圍繞主井筒出現(xiàn)了近似于圓形的壓降區(qū)域，且壓降主要集中在主井筒附近，壓降前緣沿水平方向傳播了約110 m；隨著降壓的持續(xù)，壓降逐漸傳播到邊界，并波及到整個(gè)儲(chǔ)層區(qū)域，儲(chǔ)層中各點(diǎn)的壓力均不斷降低。對(duì)于徑向井：降壓開(kāi)采10 d時(shí)，主井筒壓力和徑向井分支壓力基本相同，且主井筒和徑向井分支周?chē)鷫航堤荻容^大，在遠(yuǎn)離井筒的方向，壓降前緣形狀趨于圓滑，近似于弧形向外傳播，壓降前緣沿水平方向傳播超過(guò)150 m。對(duì)比相同時(shí)刻直井和徑向井的壓力分布云圖可知，徑向井降壓開(kāi)采過(guò)程中，壓降傳播速度更快，波及范圍更廣，在相同位置壓降幅度更大。此外，直井降壓時(shí)，由于儲(chǔ)層滲透率較低，生產(chǎn)壓差主要被用于克服近井周?chē)臐B流阻力，導(dǎo)致地層內(nèi)部的降壓效果較差。如圖4所示，直井降壓開(kāi)采1000 d時(shí)，近50%的生產(chǎn)壓差(5.4 MPa)仍集中在距離生產(chǎn)井50 m的范圍內(nèi)，而徑向井降壓時(shí)，距離主井筒50 m范圍內(nèi)的壓降損失僅為2 MPa左右。分析壓力分布云圖可知，同直井相比，徑向井能顯著減小近井地帶滲流阻力，相同時(shí)刻降壓效果更好。

圖4 降壓開(kāi)采過(guò)程中地層壓力變化圖Fig.4 Distribution of pressure during hydrate production

3.2 水合物飽和度變化

一定溫度下，壓力低于水合物的相平衡壓力時(shí)，水合物會(huì)發(fā)生分解?；趯?duì)壓力云圖的分析可知采用徑向井降壓開(kāi)采，由于降壓效果更好，水合物將更容易發(fā)生分解。圖5所示為降壓開(kāi)采10 d、100 d、1000 d時(shí)的水合物飽和分布圖，圖中的黑色虛線標(biāo)明了相應(yīng)時(shí)刻水合物分解前緣所在位置，即等飽和度線Sh=0.44所在位置。從圖中可以看出，水合物的分解并非活塞式地向地層內(nèi)部推進(jìn)，由于壓降的傳播速度遠(yuǎn)大于水合物的分解速度，分解前緣迅速向地層內(nèi)部推進(jìn)，儲(chǔ)層中滿足水合物分解條件的區(qū)域迅速擴(kuò)大。降壓開(kāi)采1000 d時(shí)，分解前緣已經(jīng)消失，表明儲(chǔ)層中所有位置的水合物均發(fā)生了分解。需要注意的是，水合物存在“自鎖效應(yīng)”[6]，即水合物分解時(shí)會(huì)吸收熱量使儲(chǔ)層溫度下降，同時(shí)釋放氣體使壓力上升。因此，在壓力傳播和熱量傳遞受限的情況下，水合物的分解很容易被打斷，甚至出現(xiàn)水合物二次生成，導(dǎo)致儲(chǔ)層內(nèi)部的水合物分解程度較低。

圖5 降壓開(kāi)采過(guò)程中水合物飽和度變化圖Fig.5 Distribution of hydrate saturation during hydrate production

如圖5所示，相同時(shí)刻，直井降壓開(kāi)采水合物分解區(qū)域遠(yuǎn)小于徑向井降壓開(kāi)采。降壓開(kāi)采10 d時(shí)，徑向井的分解前緣向地層內(nèi)部移動(dòng)距離約為直井的兩倍。降壓開(kāi)采100 d時(shí)，直井的分解前緣移動(dòng)了約120 m,而相同時(shí)刻徑向井的分解前緣沿徑向井分支延伸方向傳播距離約為175 m。降壓開(kāi)采1000 d時(shí)，直井主井筒附近出現(xiàn)了明顯的水合物二次生成，即“自鎖效應(yīng)”。作為對(duì)照，徑向井降壓開(kāi)采過(guò)程中，未觀察到明顯的水合物二次生成。

圖6所示為對(duì)應(yīng)時(shí)刻的氣相飽和度分布。儲(chǔ)層中初始?xì)庀囡柡投葹榱?，降壓開(kāi)采過(guò)程中，水合物分解生成水和甲烷，氣相飽和度也隨之增加，因此圖5中水合物飽和度較低的區(qū)域在圖6顯示出較高的氣相飽和度。由于氣相飽和度高于其束縛氣飽和度時(shí)，氣體會(huì)向生產(chǎn)井方向流動(dòng)并最終產(chǎn)出，這種對(duì)應(yīng)關(guān)系并不是絕對(duì)的。在圖5中水合物二次生成的相同位置，圖6中的氣相飽和度出現(xiàn)了明顯的低值，進(jìn)一步佐證了相應(yīng)位置出現(xiàn)了“自鎖效應(yīng)”。綜上可知，水合物的二次生成不僅會(huì)降低孔隙度從而導(dǎo)致儲(chǔ)層絕對(duì)滲透率降低，相應(yīng)位置氣相飽和度的下降還會(huì)降低其相對(duì)滲透率，這進(jìn)一步削弱了直井的降壓開(kāi)采效果。

圖6 降壓開(kāi)采過(guò)程中氣相飽和度變化圖Fig.6 Distribution of gas saturation during hydrate production

3.3 儲(chǔ)層溫度響應(yīng)

水合物分解為吸熱反應(yīng)，且本文所建立的模型沒(méi)有設(shè)置外界熱源，水合物分解所需熱量主要來(lái)自于儲(chǔ)層內(nèi)部傳熱，因此水合物的開(kāi)采必然會(huì)導(dǎo)致儲(chǔ)層溫度場(chǎng)的變化。圖7繪制了模擬降壓開(kāi)采10 d、100 d、1000 d時(shí)的儲(chǔ)層溫度分布云圖。從圖中可以看出，隨著模擬時(shí)間的增加，低溫區(qū)域從生產(chǎn)井不斷向周?chē)鷶U(kuò)展；在相同時(shí)刻，徑向井開(kāi)采所產(chǎn)生的低溫區(qū)域不僅范圍更大，且溫度更低。徑向井開(kāi)采10 d時(shí)，主井筒與徑向井分支附近的最低溫度下降到約1.6 ℃，而直井開(kāi)采10 d時(shí)主井筒附近的最低溫度約為4.7 ℃。盡管徑向井降壓開(kāi)采時(shí)溫度下降幅度更大，但其也具有更好的降壓效果，在溫度和壓力的共同影響下，徑向井開(kāi)采過(guò)程中儲(chǔ)層沒(méi)有出現(xiàn)明顯的水合物二次生成。此外，由于模擬中觀察到的最低溫度始終高于0 ℃，開(kāi)采過(guò)程中也沒(méi)有出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象。

前面的介紹中，為了便于解釋徑向井降壓開(kāi)采的增產(chǎn)機(jī)理，筆者先討論了壓力場(chǎng)的變化，進(jìn)而引出水合物飽和度的變化及溫度場(chǎng)的變化，但在實(shí)際水合物開(kāi)采過(guò)程中，這三者的變化相互影響，同步演變，時(shí)間上沒(méi)有絕對(duì)的先后關(guān)系。某一時(shí)刻的溫度和壓力分布可以影響水合物的生成/分解速率，水合物的生成/分解反過(guò)來(lái)又會(huì)通過(guò)吸收/釋放氣體、釋放/吸收熱量影響下一時(shí)刻的溫度和壓力分布。上述物理量在不同時(shí)刻的分布云圖表明徑向井降壓開(kāi)采天然氣水合物能有效降低近井地帶滲流阻力，減緩“自鎖效應(yīng)”，促進(jìn)壓力降向地層內(nèi)部傳播，水合物分解效果優(yōu)于直井降壓開(kāi)采。

3.4 產(chǎn)能分析

為了得到關(guān)于徑向井降壓開(kāi)采開(kāi)發(fā)效果的定量認(rèn)識(shí)，本文對(duì)比分析了直井和徑向井降壓開(kāi)采過(guò)程中的產(chǎn)氣產(chǎn)水特征、甲烷采收率及水合物分解率變化。甲烷采收率指從生產(chǎn)井采出的甲烷量與水合物儲(chǔ)層中甲烷原始儲(chǔ)量之比。在本模型中產(chǎn)出的甲烷均來(lái)源于水合物分解，甲烷采收率也代表了儲(chǔ)層中水合物的采收率。水合物分解率是指已經(jīng)發(fā)生分解的水合物與初始時(shí)刻地層中水合物儲(chǔ)量之比，代表了水合物的分解程度。由于水合物分解后產(chǎn)生的氣體，只有部分通過(guò)生產(chǎn)井產(chǎn)出，因此水合物分解率總是大于水合物采收率。

圖8所示為模擬過(guò)程中產(chǎn)氣速率和累計(jì)產(chǎn)氣量的變化。降壓開(kāi)采初期，徑向井產(chǎn)氣速率較高，遠(yuǎn)大于同期直井的產(chǎn)氣速率。開(kāi)采200 d后，徑向井產(chǎn)氣速率下降到約250 m3/d，之后產(chǎn)氣速率下降變慢，產(chǎn)量逐漸趨于平穩(wěn)。整個(gè)開(kāi)采過(guò)程中，直井產(chǎn)氣速率始終保持在較低水平，產(chǎn)氣速率變化相對(duì)較小。降壓開(kāi)采1000 d時(shí)，徑向井的累計(jì)產(chǎn)量超過(guò)25萬(wàn) m3，是直井累計(jì)產(chǎn)量(約7.5萬(wàn) m3)的三倍以上。

圖9所示為開(kāi)采過(guò)程中產(chǎn)水速率及累計(jì)產(chǎn)氣產(chǎn)水比的變化。降壓開(kāi)采初期，徑向井生產(chǎn)氣水比相對(duì)較高，之后迅速下降，但下降速度逐漸減小，開(kāi)采1000 d時(shí)，氣水比略高于60。降壓開(kāi)采過(guò)程中，直井的生產(chǎn)氣水比相對(duì)穩(wěn)定，約為30左右。模擬生產(chǎn)結(jié)束時(shí)，徑向井累計(jì)產(chǎn)水量超過(guò)4000 m3，直井累計(jì)產(chǎn)水量約為2500 m3。相比于直井降壓開(kāi)采，采用徑向井降壓開(kāi)采在一定程度上增加了產(chǎn)水量，但由于產(chǎn)氣速率的增加更為明顯，使得徑向井的累計(jì)產(chǎn)氣產(chǎn)水比達(dá)到直井的2倍左右。分析累計(jì)產(chǎn)氣(圖8)和累計(jì)產(chǎn)水曲線(圖9)可知，相同產(chǎn)氣量下徑向井的累計(jì)產(chǎn)水量比直井更少。本模型孔隙中氣相的初始飽和度為0，產(chǎn)氣來(lái)自于水合物分解，同時(shí)1 m3水合物的分解大約產(chǎn)生164 m3氣體和0.8 m3水，因此徑向井開(kāi)采時(shí)較高的氣水比主要來(lái)源于水合物的快速分解。

圖9 生產(chǎn)氣水比和累計(jì)產(chǎn)水變化曲線Fig.9 Curves of cumulative produced gas to water ratio and water

圖10所示為降壓開(kāi)采過(guò)程中水合物分解率和采收率的變化。徑向井降壓開(kāi)采1000 d時(shí)，儲(chǔ)層中約10%的水合物發(fā)生了分解，甲烷采收率接近4%；直井降壓開(kāi)采1000 d時(shí)，儲(chǔ)層中約5%的水合物發(fā)生了分解，甲烷采收率僅為1%左右；同直井降壓開(kāi)采相比，徑向井降壓開(kāi)采水合物效率更高，1000 d時(shí)其水合物分解率是直井的2倍左右，甲烷采收率超過(guò)直井的3倍。

圖10 甲烷采收率和水合物分解率變化曲線Fig.10 Recovery rate of methane and dissociation rate of hydrate

綜上可知，徑向井在主井筒附近構(gòu)建的高導(dǎo)流能力通道增加了儲(chǔ)層中的有效泄流面積，相同生產(chǎn)壓差下，甲烷產(chǎn)量更高。此外，徑向井極大地降低了儲(chǔ)層近井區(qū)域的滲流阻力，加速了壓降向儲(chǔ)層內(nèi)部的傳播，從而促進(jìn)了水合物的分解。徑向井更好的降壓效果在一定程度上也抑制了井筒周?chē)衔锏亩紊?，減緩了儲(chǔ)層中的“自鎖效應(yīng)”，進(jìn)一步提高了產(chǎn)能。需要注意的是，同前人模擬結(jié)果相比[4-5,25]，本模型所得到的產(chǎn)量相對(duì)較低，這主要來(lái)源于以下兩點(diǎn)：一是本模型為突出徑向井降壓開(kāi)采的特點(diǎn)，模擬中將儲(chǔ)層厚度設(shè)為單位厚度，產(chǎn)量也為單位厚度儲(chǔ)層的產(chǎn)量；二是以往模型多選取豎直截面進(jìn)行建模，豎直方向存在熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流，而本文模型為體現(xiàn)徑向井在地層中的分布，基于具有強(qiáng)封閉性邊界的第3類(lèi)水合物藏薄層建模，未考慮地溫梯度及豎直方向滲流的影響。

由于水合物開(kāi)采涉及熱—流—力—化四場(chǎng)耦合，能夠模擬水合物開(kāi)采的數(shù)值方法普遍存在計(jì)算速度慢，收斂性差，建模流程復(fù)雜等問(wèn)題。受限于水合物藏鉆探數(shù)據(jù)匱乏，已有研究多選取水合物藏豎直截面建立二維數(shù)值模型，很難綜合考慮井型結(jié)構(gòu)和儲(chǔ)層非均質(zhì)性對(duì)產(chǎn)能的影響，模擬結(jié)果對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐的指導(dǎo)作用仍十分有限。大量數(shù)值模擬及現(xiàn)場(chǎng)試采結(jié)果表明僅使用直井或水平井很難實(shí)現(xiàn)水合物藏的商業(yè)化開(kāi)發(fā)。本文通過(guò)將儲(chǔ)層假設(shè)為具有封閉邊界的第三類(lèi)水合物藏薄層，得到了關(guān)于徑向井增產(chǎn)能力的認(rèn)識(shí)?？紤]到我國(guó)南海天然氣水合物儲(chǔ)層邊界的封閉性較差，本模型在邊界的處理上仍具有一定局限性。因此在后期工作中，仍需進(jìn)一步結(jié)合我國(guó)南海水合物真實(shí)儲(chǔ)層環(huán)境，引入垂向滲流和地溫梯度的影響，建立更加完善的三維模型，開(kāi)展徑向井完井參數(shù)對(duì)產(chǎn)能的影響研究，以期促進(jìn)我國(guó)南海天然氣水合物早日實(shí)現(xiàn)商業(yè)化開(kāi)采。

4 結(jié)論

本文針對(duì)具有強(qiáng)封閉性邊界的第3類(lèi)水合物藏薄層，使用開(kāi)源程序HRS分別建立了直井、徑向井降壓開(kāi)采水合物二維模型，分析了開(kāi)采過(guò)程中溫度場(chǎng)、壓力場(chǎng)、水合物飽和度變化規(guī)律，并對(duì)比了直井和徑向井降壓開(kāi)采水合物產(chǎn)能特征。本文主要結(jié)論如下：

(1)徑向井在主井筒周?chē)峁┑母邔?dǎo)流能力通道，增加了儲(chǔ)層中的有效泄流面積。此外，通過(guò)降低近井地帶滲流阻力，加速壓降向儲(chǔ)層內(nèi)部的傳播，徑向井降壓開(kāi)采有效擴(kuò)大了水合物的分解范圍。

(2)由于缺少外界熱源，水合物分解過(guò)程中儲(chǔ)層溫度迅速下降，產(chǎn)生了“自鎖效應(yīng)”。同直井相比，采用徑向井降壓開(kāi)采減緩了水合物的二次生成，顯著了提高了水合物產(chǎn)能，但在本模型的條件下，其產(chǎn)氣量仍相對(duì)較低。

(3)降壓開(kāi)采1000 d時(shí)，徑向井累計(jì)產(chǎn)氣量超過(guò)25萬(wàn) m3，是直井的3倍以上，累計(jì)產(chǎn)氣產(chǎn)水比超過(guò)60，約為直井的2倍，表現(xiàn)出較好的增產(chǎn)潛力。

致謝:

感謝美國(guó)勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(LBNL)和美國(guó)國(guó)家能源技術(shù)實(shí)驗(yàn)室(NETL)開(kāi)發(fā)并免費(fèi)提供的水合物 模擬工具HydrateResSim。