置換減壓法開(kāi)發(fā)天然氣水合物工藝及數(shù)值模擬

張 磊

中國(guó)石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院

0 引言

在海洋沉積物和永凍層中發(fā)現(xiàn)了大量的天然氣水合物，其中含有大量的甲烷結(jié)合物，使得人們產(chǎn)生了利用含水合物沉積物作為能源的想法。據(jù)估計(jì)，世界天然氣水合物是常規(guī)天然氣和石油中已知儲(chǔ)量最大的化石燃料資源，開(kāi)發(fā)利用水合物并商業(yè)化生產(chǎn)天然氣具有巨大的經(jīng)濟(jì)和戰(zhàn)略意義[1-3]。天然氣水合物在保持機(jī)械、熱能和化學(xué)平衡的環(huán)境條件下，其保持穩(wěn)定特性。通過(guò)降壓、熱刺激、添加二氧化碳化學(xué)物質(zhì)等方式擾亂天然氣水合物的平衡狀態(tài)，可以從水合物沉積物中解離甲烷氣體。為了實(shí)現(xiàn)商業(yè)化開(kāi)采甲烷氣體，必須獲取關(guān)于天然氣水合物形成和解離的機(jī)理及其性質(zhì)特征。

天然生成的氣體水合物在水合物穩(wěn)定帶中呈固體狀態(tài)，水合物在移出穩(wěn)定區(qū)之前保持固體狀態(tài)。水合物穩(wěn)定性區(qū)域是壓力、溫度和孔隙中氣體和流體組成的函數(shù)[4-6]。當(dāng)水合物在規(guī)定壓力內(nèi)溫度升高至水合物平衡溫度以上，或在規(guī)定溫度內(nèi)壓力降低至水合物平衡壓力以下時(shí)，水合物開(kāi)始解離。當(dāng)鉆井進(jìn)入水合物儲(chǔ)集層時(shí)，會(huì)引發(fā)減壓作用，導(dǎo)致水合物分解和甲烷氣體的釋放。

本文采用CMG油藏模擬器對(duì)礦藏條件下的水合物進(jìn)行模擬分析，使用STARS模塊模擬了多組分、多相流體和熱流在地下的流動(dòng)和傳輸。利用數(shù)值模擬方法，分析甲烷飽和度和溫度分布，估算了水合物解離產(chǎn)氣量和出砂量。模擬結(jié)果表明，水合物產(chǎn)氣量總體呈現(xiàn)出增加趨勢(shì)。為了保證天然氣水合物產(chǎn)氣量的持續(xù)穩(wěn)定，需要根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)天然氣水合物生產(chǎn)井進(jìn)行循環(huán)注入二氧化碳等化學(xué)物質(zhì)。研究結(jié)果為天然氣水合物開(kāi)采的可行性和經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)提供了理論依據(jù)。

1 數(shù)值模擬

1.1 數(shù)值模型

本文采用CMG油藏模擬器對(duì)復(fù)雜地質(zhì)介質(zhì)中典型天然甲烷水合物礦床的非等溫水化反應(yīng)、相行為、流體流動(dòng)和熱量流動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，包括甲烷水合物形成和分解的平衡模型和動(dòng)力學(xué)模型。該模型考慮了熱量和四個(gè)質(zhì)量分量(即水、甲烷、水合物和水溶性抑制劑)，劃分為氣相、水相、冰相和水合物相四個(gè)可能的相態(tài)。模型設(shè)置1口生產(chǎn)直井、2口注入直井(見(jiàn)圖1)，生產(chǎn)井井底壓力為4 MPa，滲透率為40 mD，孔隙度為0.3%，溫度系數(shù)為0.04 ℃/m，水合物儲(chǔ)層頂界面溫度為2.75 ℃，地層壓力系數(shù)為1.03 MPa/100 m。網(wǎng)格尺寸為20 m×2.5 m×20 m，網(wǎng)格個(gè)數(shù)為41×1×20,共計(jì)820個(gè)，模擬時(shí)間為10年。

圖1 降壓+置換開(kāi)采工藝示意圖

1.2 模型參數(shù)

在相同溫度下，二氧化碳水合物生成壓力比甲烷水合物的生成壓力低，甲烷水合物轉(zhuǎn)化為更穩(wěn)定二氧化碳水合物，二氧化碳和甲烷水合物熱力學(xué)交換過(guò)程自發(fā)的進(jìn)行，釋放甲烷氣體，有利于產(chǎn)氣的順利進(jìn)行。模型參數(shù)設(shè)置:巖石體積熱容量2.12×106J/(m3·K)、水合物熱熔1 600 J/(kg·K)、巖石導(dǎo)熱系數(shù)3.92 W/(m·K)、水的導(dǎo)熱系數(shù)0.6 W/(m·K)、初始水合物飽和度0.26、甲烷水合物密度919.7 kg/m。

1.3 模擬結(jié)果

圖2和圖3模擬了降壓+二氧化碳置換法開(kāi)采過(guò)程中生產(chǎn)井甲烷飽和度和溫度分布的變化情況。

圖2 生產(chǎn)井甲烷飽和度

圖3 生產(chǎn)井溫度分布

隨著開(kāi)采的進(jìn)行，甲烷飽和度降低，頂部的水合物優(yōu)先開(kāi)始分解。二氧化碳置換法會(huì)導(dǎo)致地層下降，垂向最大下降幅度達(dá)到0.118 m。出砂主要發(fā)生在生產(chǎn)初期，含砂量與氣體的分布相關(guān)，頂部含砂量高于底部。由于甲烷被分解，儲(chǔ)層孔隙度增大，但是地層的孔隙壓力減小，因此，地層總孔隙度減小。滲透率與總孔隙度變化趨勢(shì)一致，地層滲透率隨之下降1～2 mD。二氧化碳置換法可以自發(fā)進(jìn)行，形成二氧化碳水合物會(huì)放熱，為甲烷水合物分解提供熱能，置換區(qū)域地層溫度提高2～5 ℃，促進(jìn)甲烷的解離，并通過(guò)注入井和生產(chǎn)井進(jìn)行二氧化碳交換，形成了一個(gè)連續(xù)的交換和生產(chǎn)循環(huán)過(guò)程。

從圖4和圖5可以看出，采用直井開(kāi)采的方式達(dá)不到商業(yè)化開(kāi)采天然氣水合物的要求，有必要進(jìn)行其它開(kāi)采方式的研究。水合物降壓開(kāi)采法和置換開(kāi)采法都需要波及水合物儲(chǔ)層面積的最大化，因此，采用水平井技術(shù)開(kāi)采天然氣水合物是優(yōu)先選項(xiàng)。

圖4 生產(chǎn)直井甲烷累計(jì)產(chǎn)氣量

圖5 生產(chǎn)直井累計(jì)產(chǎn)砂量

2 油井建模及優(yōu)化

2.1 雙水平井循環(huán)開(kāi)采方法

BUTLER 于 1991 年提出的利用雙水平井開(kāi)采重質(zhì)油藏的原理和方法[7-8]，即蒸汽輔助重力驅(qū)(SAGD)技術(shù)，開(kāi)展了眾多室內(nèi)物理模型研究和礦場(chǎng)開(kāi)采實(shí)踐，取得了大量的實(shí)驗(yàn)研究成果。日本九州大學(xué)能源學(xué)院與日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)總合研究所甲烷水合物研究中心的Kyuro Sasaki、Shinji Ono 和Takao Ebinuma等人首次提出雙水平井注熱水開(kāi)采法。利用水平井技術(shù)開(kāi)采水合物難度較高，目前全世界還沒(méi)有工程實(shí)例，但可能是深海水合物大規(guī)模商業(yè)開(kāi)采的有效途徑。基于上述研究，提出采用雙水平井降壓+二氧化碳置換方式開(kāi)采天然氣水合物，即一口生產(chǎn)井和一口注入井，注入井注入二氧化碳?xì)怏w，生產(chǎn)井產(chǎn)出甲烷氣體,見(jiàn)圖6。該工藝的優(yōu)點(diǎn)為增加了儲(chǔ)層開(kāi)采波及面積，從而增加甲烷氣體產(chǎn)量，達(dá)到商業(yè)化開(kāi)采規(guī)模。通過(guò)數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)雙水平井相對(duì)位置、水平段長(zhǎng)度等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化分析研究。

圖6 雙水平井降壓+置換方式開(kāi)采水合物示意圖

在該方法中，降壓和二氧化碳置換兩種方法在兩口水平井中同時(shí)使用。采用雙水平井復(fù)合式開(kāi)采水合物法，通過(guò)數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)雙水平井相對(duì)位置、水平段長(zhǎng)度等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

2.2 雙水平注采關(guān)系優(yōu)化

雙水平井注入井和生產(chǎn)井的相對(duì)位置對(duì)水合物的生產(chǎn)有著重要影響，注入井和生產(chǎn)井位于天然氣水合物層內(nèi)且水平段平行延伸，應(yīng)用模擬器分析兩口井的相對(duì)位置對(duì)生產(chǎn)的影響。開(kāi)采初期，二氧化碳在兩水平井中獨(dú)立循環(huán)，井眼周圍天然氣水合物被預(yù)熱并且逐漸分解，隨時(shí)間推移，兩水平井中間夾層被溝通并形成高滲透率多孔介質(zhì)通道，最終得到由兩水平井及連通區(qū)域組成的“二氧化碳腔”；向下層水平井中注入二氧化碳不斷擴(kuò)大“二氧化碳腔”作用范圍促使更多天然氣水合物分解，在上層水平井中采出水和天然氣的混合物，如此循環(huán)進(jìn)而達(dá)到天然氣水合物開(kāi)采的目的。

雙水平井位置有兩種方案。方案一：注入井在下、生產(chǎn)井在上。當(dāng)注入井在下時(shí)，形成的二氧化碳腔波及范圍較廣，并且水受重力的影響向下運(yùn)移。因此，注入井在下時(shí)，能擴(kuò)大波及范圍，如圖7所示。方案二：注入井在上，生產(chǎn)井在下。當(dāng)注入井在上，由于注入二氧化碳與儲(chǔ)層甲烷氣體密度差異引起的浮力使二氧化碳上浮，部分二氧化碳直接流入生產(chǎn)井產(chǎn)出，生成的氣體向上運(yùn)移，降低了二氧化碳的置換率，影響甲烷氣體的采收率,如圖8所示。因此注入井在上時(shí)，甲烷氣體采收率受影響。

圖7 注入井在下、生產(chǎn)井在上的溫度分布

圖8 注入井在上、生產(chǎn)井在下的溫度分布

通過(guò)數(shù)據(jù)模擬計(jì)算表明，注入井在下，生產(chǎn)井在上，投產(chǎn)10年后，累計(jì)產(chǎn)氣量達(dá)到8.5×107m3，出砂量達(dá)到1.1×104m3；注入井在上，生產(chǎn)井在下累計(jì)產(chǎn)氣量達(dá)到8.2×107m3，出砂量達(dá)到1.2×104m3，見(jiàn)圖9和圖10。結(jié)果表明：注入井在下，生產(chǎn)井在上這種相對(duì)位置要優(yōu)于注入井在上，生產(chǎn)井在下。

圖9 甲烷累計(jì)產(chǎn)氣量

圖10 累計(jì)出砂量

3 結(jié)論

(1)通過(guò)采用雙水平井降壓+二氧化碳置換法開(kāi)采天然氣水合物，增加了波及甲烷水合物儲(chǔ)層的有效開(kāi)采面積，并通過(guò)注入井和生產(chǎn)井進(jìn)行二氧化碳交換，形成了一個(gè)連續(xù)的交換和生產(chǎn)循環(huán)過(guò)程。

(2)利用數(shù)值模擬方法，分析甲烷飽和度和溫度分布，估算了水合物解離產(chǎn)氣量和出砂量。結(jié)果表明，隨著生產(chǎn)進(jìn)行，水合物產(chǎn)氣量和出砂量總體呈增加趨勢(shì)，最后趨于穩(wěn)定，達(dá)到商業(yè)開(kāi)采價(jià)值規(guī)模。

(3)雙水平井循環(huán)一體化技術(shù)有望成為高效、經(jīng)濟(jì)開(kāi)采天然氣水合物的技術(shù)，為科學(xué)評(píng)價(jià)天然氣水合物開(kāi)采技術(shù)可行性、經(jīng)濟(jì)性提供理論依據(jù)。