天然氣水合物藏開采增產(chǎn)技術(shù)研究進(jìn)展

黃鑫，王海波，張樂,2，賀甲元,2，岑學(xué)齊,2

(1.中國石化石油勘探開發(fā)研究院，北京 102206; 2.南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室，廣州 511458)

天然氣水合物是極具潛力的清潔能源之一，資源潛力巨大，廣泛分布在海洋大陸邊緣和陸地永久凍土區(qū)。根據(jù)Kvenvolden[1]的估計(jì)，全球天然氣水合物中蘊(yùn)藏的甲烷含量約為2.0×1016m3，約為全球目前探明的煤炭、石油和天然氣中蘊(yùn)含碳量總和的兩倍。根據(jù)2016年發(fā)布的《中國能源礦產(chǎn)地質(zhì)調(diào)查報(bào)告》，中國水合物資源約為83.65×1012m3，而南海海域的資源約占80%。

目前，中國、美國、日本、印度和韓國等是天然氣水合物勘查與試采領(lǐng)域最為活躍的國家，各國已經(jīng)相繼在加拿大的麥肯齊三角洲、阿拉斯加的北坡、日本的南海海槽和中國南海的神狐海域等多個(gè)地域開展了水合物現(xiàn)場試驗(yàn)開采[2]。盡管試生產(chǎn)取得了一定成功，但是每次現(xiàn)場試驗(yàn)均面臨諸如產(chǎn)氣量低和開采周期短的現(xiàn)狀。這意味著亟須攻關(guān)工藝技術(shù)，聚焦儲(chǔ)層滲透率改善和產(chǎn)氣提效工藝，以早日實(shí)現(xiàn)天然氣水合物資源的大規(guī)模商業(yè)開發(fā)。為此，現(xiàn)從優(yōu)化水合物開發(fā)工藝，提高水合物產(chǎn)能的角度，重點(diǎn)分析天然氣水合物增產(chǎn)技術(shù)及增產(chǎn)理論，以期為天然氣水合物開發(fā)技術(shù)研究的進(jìn)步提供參考。

1 水合物藏開采方法

水合物藏的開采方法與傳統(tǒng)常規(guī)天然氣藏有很大的差異，天然氣水合物在埋藏條件下是固體，在開采過程中會(huì)發(fā)生相態(tài)轉(zhuǎn)變，從固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)的天然氣和液態(tài)的水。天然氣水合物的開采技術(shù)也聚焦于如何人為地破壞天然氣水合物穩(wěn)定存在的溫度和壓力條件，促使其在儲(chǔ)層內(nèi)失穩(wěn)分解，并建立井筒將分解產(chǎn)生的天然氣輸送到地面。目前，中外學(xué)者提出的天然氣水合物開采主要有降壓法、注熱法、注化學(xué)抑制劑法和二氧化碳置換法等。

如圖1所示，注熱法和降壓法分別通過改變溫度和壓力條件，使得局部穩(wěn)定溫壓條件轉(zhuǎn)移到天然氣水合物相平衡曲線不穩(wěn)定的一側(cè)；注劑法改變了相平衡邊界，使局部的天然氣水合物在原位條件下發(fā)生分解。二氧化碳置換法是基于客體分子置換的原理，由于二氧化碳水合物相比于天然氣水合物所需要的相平衡壓力更低，向水合物藏注入二氧化碳?xì)怏w后可以置換出封存于天然氣水合物中的甲烷氣體。

圖1 各種開采方法所引起的水合物相平衡曲線變化示意圖[3]

1.1 降壓法

降壓法的基本原理是將水合物儲(chǔ)層壓力降低到水合物相平衡壓力之下，在儲(chǔ)層溫度不變的條件下破壞天然氣水合物的穩(wěn)定性[4]。降壓法開采水合物藏的基本流程即通過一口鉆穿蓋層到達(dá)水合物層的生產(chǎn)井，通過降低井底壓力來使局部水合物的穩(wěn)定性發(fā)生破壞，誘使水合物發(fā)生分解，從而連續(xù)產(chǎn)出氣體。

大量的研究結(jié)果表明，降壓法開采受降壓幅度、環(huán)境溫度、水合物初始飽和度和儲(chǔ)層結(jié)構(gòu)特征的影響[5-9]。其優(yōu)點(diǎn)是操作工藝簡單易行，經(jīng)濟(jì)環(huán)保優(yōu)勢明顯，可行性較高。該方法的缺點(diǎn)是單一的降壓法開采速率衰減較快，這是由于降壓法開采中沒有額外熱源補(bǔ)充，水合物分解所需要的熱量必須從周圍的環(huán)境中獲得，此時(shí)大量的分解熱會(huì)導(dǎo)致降壓過程中儲(chǔ)層溫度降低，釋放出來的水會(huì)變成固態(tài)冰堵塞流體流動(dòng)通道，阻礙了水合物的進(jìn)一步分解。因此，只有當(dāng)存在較大的傳熱和分解面積，或者水合物儲(chǔ)層具有合適的溫度條件時(shí)，降壓法才具有實(shí)際使用價(jià)值。

1.2 注熱法

注熱法的基本原理是將水合物儲(chǔ)層溫度提高到相平衡溫度以上，打破水合物藏的穩(wěn)定狀態(tài)，其技術(shù)手段主要是通過傳統(tǒng)的井口注熱方法，將熱水[10-12]、蒸汽[13]、熱鹽水[14-15]等介質(zhì)注入天然氣水合物儲(chǔ)層。注熱法開采水合物藏的基本流程包括：①熱流體從井口注入管柱，并從射孔孔眼進(jìn)入到水合物的目的層；②通過熱傳導(dǎo)、對流等方式將熱量傳遞給天然氣水合物，而后分解產(chǎn)生的天然氣、水及注入的熱流體等形成的混合流體從井筒和管柱間的環(huán)形空間返回地面。

注熱法的優(yōu)點(diǎn)是可以通過控制注熱速率來控制水合物的分解速率，實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)氣體產(chǎn)率的目的。該方法的缺點(diǎn)是熱量損失巨大，注熱法注入的熱量不僅加熱了水合物，更多地用于了提高沉積物顆粒、黏土和下伏地層流體的溫度，而且在熱流體沿著管道從海平面輸送至海底的過程中存在較大的沿程熱耗散，因此能源利用效率極低。計(jì)算研究表明，這種方式所產(chǎn)生的熱損失最高可以達(dá)到75%[16-17]。

1.3 注化學(xué)抑制劑法

注化學(xué)抑制劑法的基本原理是向地層中注入某種化學(xué)試劑，以降低水分子活度，將天然氣水合物的相平衡曲線移動(dòng)向更高的壓力和更低的溫度方向，從而使得水合物藏發(fā)生分解[18-23]。注化學(xué)抑制劑法的技術(shù)手段與注熱法類似，之前的研究結(jié)果表明注化學(xué)抑制劑法的開采效果抑制劑的種類、濃度、注入溫度、注入速率和系統(tǒng)壓力等多種因素有關(guān)[24-27]。

注化學(xué)抑制劑法的優(yōu)點(diǎn)是可以降低初期能源輸入，能在很短的時(shí)間內(nèi)有效地提高水合物的分解速率。該方法最大的缺點(diǎn)是成本太高，并且常用抑制劑易污染環(huán)境。Collett等[28]進(jìn)行了水合物開采的經(jīng)濟(jì)評價(jià)表明，注化學(xué)抑制劑法費(fèi)用要遠(yuǎn)高于注熱法和降壓法。Kvenvolden[29]報(bào)道，注化學(xué)抑制劑法曾在西伯利亞的Messoyakha氣田試驗(yàn)過，但是實(shí)踐證明該方法費(fèi)用太高，不適用于商業(yè)生產(chǎn)。

1.4 二氧化碳置換法

二氧化碳置換法的基本原理是基于二氧化碳和甲烷水合物相平衡條件的差異，將二氧化碳?xì)怏w注入水合物儲(chǔ)層后把水合物中的甲烷氣體置換出來[30-32]。Nakano 等[33]總結(jié)了二氧化碳置換開采法的兩個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)，一是新形成的二氧化碳水合物能夠保持儲(chǔ)層沉積物的力學(xué)穩(wěn)定性；二是該方法可以將二氧化碳封存起來，減弱溫室效應(yīng)。目前，已經(jīng)有大量的實(shí)驗(yàn)研究從熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)的角度驗(yàn)證了二氧化碳置換開采的可行性[34-36]。

但是，用二氧化碳置換法開采水合物也存在著一些技術(shù)難題，尚未很好地解決。首先，二氧化碳置換甲烷水合物的反應(yīng)速率很慢，難以滿足商業(yè)生產(chǎn)的需要；其次，二氧化碳只能置換水合物晶體中包裹于大籠子中的甲烷分子，即使完全置換也會(huì)殘留部分甲烷分子在水合物晶體中；再次，置換開采法的效率會(huì)隨著反應(yīng)的進(jìn)行逐漸降低，這是由于表面新形成的二氧化碳水合物會(huì)包裹天然氣水合物，阻礙二氧化碳?xì)怏w與內(nèi)部水合物的接觸，降低了置換效率[37]。

2 天然氣水合物試開采進(jìn)展

水合物的開發(fā)利用必須先進(jìn)行試驗(yàn)開采，繼之以長期試驗(yàn)開采，才能逐步穩(wěn)定過渡到規(guī)?；虡I(yè)開發(fā)階段。隨著對天然氣水合物研究的不斷深入，科學(xué)界已經(jīng)開始嘗試對大陸凍土帶和海域水合物進(jìn)行試開采。目前，天然氣水合物現(xiàn)場測試開采地點(diǎn)主要分布在西伯利亞平原、麥肯齊三角洲、阿拉斯加的北坡、日本的南海海槽和中國南海的神狐海域[38-51]。表1匯總了國內(nèi)外開展的多次天然氣水合物試采進(jìn)展細(xì)節(jié)，目前仍僅限于短期探索性開采，亟須解決長期開發(fā)所要面臨的增產(chǎn)工藝技術(shù)及經(jīng)濟(jì)問題，以實(shí)現(xiàn)天然氣水合物的規(guī)模化商業(yè)開采。

表1 國內(nèi)外天然氣水合物試采情況匯總表

3 水合物藏開采增產(chǎn)技術(shù)

3.1 降壓法增產(chǎn)技術(shù)

3.1.1 裂隙流體抽取法

這種方法通過抽取儲(chǔ)層介質(zhì)孔隙與裂縫中液體的方法開降低水合物藏的層壓，將系統(tǒng)壓力降低到儲(chǔ)層溫度對應(yīng)的水合物穩(wěn)定壓力以下，促使天然氣水合物分解[52]。由于水合物是一種吸熱過程，隨著開采進(jìn)行會(huì)使得儲(chǔ)層溫度降低，形成沿著水合物分解前緣的溫度梯度。裂隙流體抽取法通過相鄰地段液體的流動(dòng)運(yùn)移，補(bǔ)充了水合物分解區(qū)所需要的熱量，提高水合物藏開采效率。

3.1.2 降壓-注熱聯(lián)合開采

現(xiàn)場測試證明，單一采用降壓開采天然氣水合物產(chǎn)氣效率低，并且當(dāng)儲(chǔ)層分解吸熱后的會(huì)發(fā)生水合物二次生成或結(jié)冰，阻塞氣層通路。為了更有效、更經(jīng)濟(jì)地開采天然氣水合物，解決單一開采方法存在的局限性和缺點(diǎn)，可以采用聯(lián)合開采方法[53-59]。

Demirbas[60]指出作為一種水合物藏生產(chǎn)天然氣的方法，結(jié)合井壁加熱工藝的減壓開采更具有經(jīng)濟(jì)可行性，將系統(tǒng)壓力降低到儲(chǔ)層溫度下的水合物穩(wěn)定壓力以下后，僅通過加熱含水合物層的井壁，就可以有效地降低開采運(yùn)行成本。Jiang等[61]開發(fā)一個(gè)描述水合物儲(chǔ)層開采的三維數(shù)值模型，模擬了在恒定的井底壓力下從含底層游離氣水合物儲(chǔ)層生產(chǎn)天然氣的過程，結(jié)果表明當(dāng)初始水合物儲(chǔ)層溫度很低時(shí)開采效率極低，聯(lián)合開采可以有效改善這一情況。Nair等[62-63]從不同的角度比較了在單一降壓和降壓-加熱聯(lián)合開采下的水合物開采效率。結(jié)果表明，聯(lián)合開采方法的開采效率始終比單純的減壓效果更好。Moridis等[64]證明水合物最有前途的生產(chǎn)策略之一就是注熱和降壓聯(lián)合開采，并且可以采用多口生產(chǎn)井注熱系統(tǒng)進(jìn)一步增強(qiáng)效果。Li等[65-66]基于南海神狐地區(qū)SH2，SH3和SH7站點(diǎn)的地質(zhì)數(shù)據(jù)，使用TOUGH+HYDRATE模擬器模擬了通過降壓法和注熱-降壓聯(lián)合開采水合物的分解和水/氣生產(chǎn)過程，證實(shí)了聯(lián)合開采增產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)性和有效性。

綜上所述，在注熱法輔助下的降壓方法可以在一定程度上提高天然氣水合物的開采率和生產(chǎn)氣水比。但是由于天然氣水合物儲(chǔ)層熱導(dǎo)率較差，若僅提高熱源溫度或增加注熱量，對于提高天然氣水合物的分解效率影響有限[67-68]。因此，聯(lián)合開采方法需要結(jié)合水平井和復(fù)雜井網(wǎng)技術(shù)，提高儲(chǔ)層內(nèi)熱對流效率來改善傳熱。

3.2 注熱法增產(chǎn)技術(shù)

3.2.1 注熱增效

Kamath等[16]建立了一個(gè)注熱開采天然氣水合物藏的數(shù)學(xué)模型，以評估儲(chǔ)層孔隙度、水合物藏厚度、埋深、鹽水濃度、鹽水溫度和鹽水注入速率等關(guān)鍵參數(shù)對能效比和產(chǎn)氣量的影響。熱鹽水的濃度對能效比影響很大，濃度增加不僅可以降低熱損耗，同時(shí)可以減少水合物分解所需要的能量，從而提高能量利用效率。研究表明，濃度每增加1%，能量利用效率可以提高約2%。為了提高注熱發(fā)開采效率，應(yīng)盡量提高含濃度，或采用稠化鹽水的方法，注入過飽和度的熱鹽水。此外，優(yōu)選熱鹽水的注入溫度需要考慮熱效應(yīng)，過高意味著嚴(yán)重的熱損失，而過低則需要相應(yīng)提高注入速率；具體注入速度應(yīng)根據(jù)地層滲透性、注入能力和熱利用效率綜合確定。

3.2.2 井下電磁加熱技術(shù)

井下電磁加熱技術(shù)是改善注熱法的效率的一種有效途徑。實(shí)踐證明，在電磁加熱技術(shù)中最有效的是微波加熱技術(shù)。微波具有獨(dú)特的加熱性能，與常規(guī)注熱法不同，微波對物質(zhì)的介電熱效應(yīng)是通過離子遷移和極性分子的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的，熱量從介質(zhì)內(nèi)部產(chǎn)生，溫度場更為均勻。微波加熱技術(shù)開采天然氣水合物兼顧了加熱、造縫和非熱效應(yīng)三大作用，具有速度快、設(shè)備簡單、靈活性高、不對儲(chǔ)層造成任何污染等優(yōu)點(diǎn)[69]。

微波開采水合物藏是利用大功率微波源對地層進(jìn)行輻射，由于天然氣水合物籠形結(jié)構(gòu)以水分子為主體，其是一種可以吸收微波能量的極性分子，水分子吸收的能量會(huì)以熱的形式耗散在水合物氣藏中，從而促進(jìn)天然氣水合物藏的分解。微波的非熱效應(yīng)也可以提高水合物藏采收率，當(dāng)微波頻率接近主體水分子的固有頻率，極易引起分子強(qiáng)烈的共振，破壞水分子間氫鍵的穩(wěn)定性，會(huì)進(jìn)一步地促進(jìn)水合物的分解。此外，由于不同物質(zhì)組分在微波作用下的溫度變化和膨脹系數(shù)差異很大，會(huì)造成膨脹收縮不均勻，誘導(dǎo)較大的熱應(yīng)力，致使水合物儲(chǔ)層產(chǎn)生大量的微裂縫，有效提高儲(chǔ)層滲透率。

3.2.3 自發(fā)熱流體注入法

為提高注熱開采效率，俄羅斯研究人員提出了在水合物儲(chǔ)層中利用酸堿中和反應(yīng)原位產(chǎn)熱方法[70]。這種方法原理是利用水力壓裂技術(shù)是將液態(tài)酸、堿注入水合物層，在地層中原位發(fā)生酸堿中和反應(yīng)，并利用化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的熱量分解水合物。這是一種實(shí)用的提高單井產(chǎn)量的天然氣水合物藏開采方法，該方法的結(jié)合水力壓裂工藝可以在儲(chǔ)層中形成相互連通的裂縫，增加熱作用面，提高傳熱效率，解決低滲透水合物儲(chǔ)層的傳質(zhì)和傳熱問題。然而，這種方法的加熱機(jī)理與常規(guī)的熱水注入和井底加熱方法有很大的不同，放熱動(dòng)力學(xué)機(jī)理、溫度和壓力變化以及合適的生產(chǎn)工藝參數(shù)有待進(jìn)一步研究。

3.3 二氧化碳置換法增產(chǎn)技術(shù)

3.3.1 優(yōu)化注入方式

Mcgrail等[71]提出了一種強(qiáng)化二氧化碳置換開采天然氣水合物的方法，制備一種液態(tài)二氧化碳為分散相、水為連續(xù)相的乳化液。該方法利用二氧化碳乳化液的物理和熱力學(xué)特性，以及在含水合物的多孔介質(zhì)中多相流傳熱傳質(zhì)過程，在高于甲烷水合物穩(wěn)定相平衡溫度的條件下將兩相乳化液注入水合物儲(chǔ)層中，促進(jìn)水合物藏原位分解。研究表明，水合物藏分解所需要的熱量來源于乳化液的顯熱與形成二氧化碳水合物釋放的熱量。通過調(diào)整乳化液溫度、二氧化碳與水的比例以及分散相的尺寸，可以對置換效率和速率進(jìn)行調(diào)控。

3.3.2 混合氣體置換

使用二氧化碳置換開采天然氣水合物，二氧化碳主要置換束縛在大籠子中的甲烷分子，對于常規(guī)I型水合物而言，理論置換效率不會(huì)超過75%，實(shí)驗(yàn)結(jié)果也證明了這一點(diǎn)。Kvamme等[72]研究表明向二氧化碳?xì)怏w中添加一定比例的氮?dú)庥欣谔岣咧脫Q效率，而且混合氣體具有較高的氣體滲透性的優(yōu)點(diǎn)，與注入純二氧化碳?xì)怏w相比，形成新的水合物而造成的流動(dòng)通道阻塞也將更少。Park等[73]使用發(fā)電廠尾氣中的煙氣(二氧化碳和氮?dú)饣旌蠚怏w)進(jìn)行水合物置換實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)由于氮?dú)饪梢灾脫Q小籠子中的甲烷分子，I型水合物的置換率可以提高到85%。二氧化碳置換法在氣體置換機(jī)制外，還存在混合氣體吹掃機(jī)制，這兩種機(jī)制結(jié)合進(jìn)一步提高了置換效率，獲得了更高的回收率。

2012年，美國能源部向Ignik Sikumi油氣田的目標(biāo)水合物層中注入了氮?dú)?77%)+二氧化碳(23%)的混合氣體，以驗(yàn)證混合氣驅(qū)替法的應(yīng)用潛力。注入地層的大部分氮?dú)獗换厥眨趸蓟厥章实陀?0%，證實(shí)了混合氣體替代是一種增強(qiáng)的開采方法[74]。然而在工程應(yīng)用領(lǐng)域，盡管混合氣的置換率很高，但由于天然氣水合物儲(chǔ)層的滲透率極低，能被置換生產(chǎn)天然氣的水合物儲(chǔ)層體積有限。為了進(jìn)一步提高單井的產(chǎn)氣量和開采效率，該方法應(yīng)與優(yōu)化的鉆井方案和壓裂技術(shù)相結(jié)合。

3.4 注化學(xué)抑制劑增產(chǎn)技術(shù)

傳統(tǒng)水合物熱力學(xué)抑制劑具有耗量巨大、成本高、毒性強(qiáng)等缺點(diǎn)，為了彌補(bǔ)其不足，逐漸發(fā)展了兩種新型的抑制技術(shù)，即以表面活性劑為基礎(chǔ)的防聚結(jié)技術(shù)和阻止晶核生長的動(dòng)力學(xué)技術(shù)[75-77]。

水合物動(dòng)力學(xué)抑制劑是指一些水溶性或水分散性的聚合物，通過顯著降低水合物的成核速率、阻礙臨界晶核的生成、干擾晶體生長等方式抑制水合物的生成[78-80]。動(dòng)力學(xué)抑制劑在兩相界面處發(fā)生作用，因此在天然氣水合物氣藏開采后期，當(dāng)溫度、壓力、水溶液組分等條件不變的情況下，只需要對應(yīng)產(chǎn)出水量適當(dāng)增加動(dòng)力學(xué)抑制劑的劑量即可保持恒定的抑制效果。

防聚劑多為聚合物和表面活性劑，其通過吸附于水合物籠上而改變晶體分聚集形態(tài)。與動(dòng)力學(xué)抑制劑不同，防聚劑起乳化作用，在油水共存時(shí)才可使用。但是由于防聚劑的效果不像動(dòng)力學(xué)抑制劑一樣取決于過冷度大小，溫度-壓力應(yīng)用范圍更為寬廣[81-83]。

從效益、經(jīng)濟(jì)性和綠色環(huán)保角度考慮，新型動(dòng)力學(xué)抑制劑和防聚劑代替?zhèn)鹘y(tǒng)的熱力學(xué)抑制劑已勢在必行。此外，還需要摸索生產(chǎn)動(dòng)態(tài)、尋求合理的注劑解堵技術(shù)、合理優(yōu)化注入量，或者把多種抑制劑配合起來使用，以降低天然氣生產(chǎn)成本，提高水合物開采效率。

3.5 井網(wǎng)模式

由于垂直井技術(shù)難度和作業(yè)成本較低，是當(dāng)前水合物現(xiàn)場試采的主要井身設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。雖然在垂直井設(shè)計(jì)中，可以通過調(diào)整適當(dāng)?shù)慕祲悍桨富蚓蹟U(kuò)孔等方式輔助增產(chǎn)，但是不足以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)能量級突破[84-85]。因此，以水平井和多分支井、多井簇群井為主的復(fù)雜井網(wǎng)開采方法將會(huì)是未來攻關(guān)天然氣水合物產(chǎn)業(yè)化的重要技術(shù)手段。

Reagan等[86]最早開展了應(yīng)用水平井的天然氣水合物開采模擬，在天然氣水合物儲(chǔ)層中，水平井增產(chǎn)效果顯著，且增產(chǎn)效果受水平井布設(shè)位置控制。Chong 等[87-88]通過物模實(shí)驗(yàn)證實(shí)水平井有助于延長產(chǎn)氣周期，提高氣體采收率5.5%～10.0%。2020年中國神狐海域開展的水合物試采，創(chuàng)新性地采用定向水平井技術(shù)，大幅增加儲(chǔ)層的動(dòng)用面積，實(shí)現(xiàn)連續(xù)產(chǎn)氣30 d，日產(chǎn)氣2.87×104m3，相比與2017年中國首次海域水合物試采的垂直井結(jié)構(gòu)，日產(chǎn)氣量增至5.57 倍[51]。與直井和大斜度井相比，水平井具有擴(kuò)大單井控制儲(chǔ)量、增加氣井產(chǎn)量、控制氣井出砂等優(yōu)勢，主要是由于水平井增大了井筒與天然氣水合物儲(chǔ)層控制邊界，擴(kuò)大了天然氣水合物分解前緣面積。但是根據(jù)Feng等[89]模擬研究表明，增加水平井穿越可以在一定程度上增加天然氣水合物開采產(chǎn)能，但是產(chǎn)量增加幅度與水平井段長增加不匹配。因此，在采用定向水平井技術(shù)時(shí)，需綜合考慮施工難度、成本及產(chǎn)量變化等因素，優(yōu)選最佳水平井長度。

為了進(jìn)一步提高儲(chǔ)層控制范圍、增加分解接觸面積，李彥龍等[90]提出了一種針對天然氣水合物儲(chǔ)層的多分支井開采技術(shù)。如圖2所示，該技術(shù)在主井眼四周布設(shè)系列的定向分布的分支孔，分支孔內(nèi)按照“防粗疏細(xì)”的基本原則填充礫石形成高滲通道，以提高水合物儲(chǔ)層滲透率、產(chǎn)氣能力、降低工程地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)。通過模擬現(xiàn)實(shí)，多分支井結(jié)構(gòu)下水合物開采降壓梯度較低，可以有效提高井眼周圍的壓力傳輸效率。多分支孔開采技術(shù)有效地增大了儲(chǔ)層控制邊界，能夠顯著提高開采初期的產(chǎn)能效率；但是對于長期開采而言，當(dāng)天然氣水合物分解范圍超過分支孔控制邊界后，多分支井的后期產(chǎn)量將大幅縮減。

圖2 水合物儲(chǔ)層鉆井井眼與多分支射孔配合模式示意圖[90]

此外，為實(shí)現(xiàn)天然氣水合物儲(chǔ)層的增產(chǎn)，還可以考慮采用多井簇群井開采方法，發(fā)展多井型井網(wǎng)開發(fā)模式。Yu等[91-92]模擬對比了日本Nankai海槽儲(chǔ)層在垂直井和水平井模式降壓開采天然氣水合物的產(chǎn)能，結(jié)果顯示兩口水平井的產(chǎn)能遠(yuǎn)優(yōu)于其他兩種方案，暗示多井協(xié)同效應(yīng)在天然氣水合物增產(chǎn)方面可能具有巨大的潛力。為了充分發(fā)揮多井協(xié)同效應(yīng)，早日實(shí)現(xiàn)天然氣水合物的產(chǎn)業(yè)化，日本天然氣水合物聯(lián)盟最早提出了多井簇群井開采方案。如圖3所示，利用多井簇形式對整個(gè)儲(chǔ)層進(jìn)行分片區(qū)的開采，每組井簇包含一定數(shù)量的井眼來實(shí)現(xiàn)對儲(chǔ)層目標(biāo)區(qū)域的控制，多井同步降壓開采，并通過對井?dāng)?shù)、井間距及井簇位點(diǎn)優(yōu)化，來實(shí)現(xiàn)天然氣水合物的高效開發(fā)利用。然而，Yu等[93]通過建立多井系統(tǒng)相結(jié)合的3D儲(chǔ)層模型，發(fā)現(xiàn)多井簇群井開采方法存在“盲區(qū)效應(yīng)”，即分解產(chǎn)生的游離氣會(huì)聚集在井簇中央，誘導(dǎo)水合物二次形成，限制了產(chǎn)氣潛力。為了解決開采中水合物的二次形成來消除“盲區(qū)效應(yīng)”，可以在多井型井網(wǎng)開發(fā)模式中采用降壓-注熱聯(lián)合開采，從而提高天然氣水合物產(chǎn)能[94-96]。

圖3 水合物多井簇群井開采方法示意圖[95]

3.6 儲(chǔ)層改造

儲(chǔ)層改造的目標(biāo)是通過一定的物理化學(xué)手段在井筒周圍形成裂縫網(wǎng)絡(luò)，以提高井周局部滲透率，加速壓力傳遞效率，進(jìn)而提高產(chǎn)能。其中，水力壓裂是提高單井產(chǎn)量的最有效的工程技術(shù)之一，極大地改變了致密氣，頁巖氣和煤層氣等非常規(guī)油氣資源的經(jīng)濟(jì)開采方式[97-98]。水力壓裂是開發(fā)低滲透率氣藏和非常規(guī)油氣藏的重要手段，已廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，可以使油氣井的產(chǎn)量提高數(shù)十倍甚至數(shù)十倍。

天然氣水合物藏不同于其他石油與天然氣資源，在水合物對沉積物顆粒上的膠結(jié)作用下，水合物儲(chǔ)層具有很強(qiáng)的巖石力學(xué)性能，因此常規(guī)的水力壓裂技術(shù)可能并不適用[99]。目前，上述針對水合物儲(chǔ)層的四種開采方式，都圍繞著如何原位分解天然氣水合物，但是還有一個(gè)同樣重要的問題需要引起重視，即如果水合物儲(chǔ)層的滲透率非常低，即使水合物已經(jīng)原位解離，分解產(chǎn)生的天然氣如何進(jìn)入井眼并流向地面。迄今為止，在全球范圍內(nèi)已進(jìn)行了多次期現(xiàn)場生產(chǎn)試驗(yàn)，產(chǎn)量都非常低，主要原因之一是儲(chǔ)層滲透率較低，水合物儲(chǔ)層的產(chǎn)氣面積有限。

近年來，已有研究證實(shí)了通過水力壓裂在含水合物沉積物中產(chǎn)生人工裂縫的可行性。Ito等[100]在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)開展了模擬水合物泥沙層中的水力壓裂過程，發(fā)現(xiàn)注入流體可以在沙子和泥漿層之間的界面處引起類似裂縫的結(jié)構(gòu)。Konno等[101]研究了含水合物的砂體中的水力壓裂過程，結(jié)果表明，壓裂后滲透率顯著增加，即使裂縫重新閉合也能保持較高的滲透率。Jlta等[102]、Too等[103]研究了水合物飽和度高的砂巖儲(chǔ)層的破裂敏感性，并通過水力壓裂在一個(gè)硬幣形裂縫中實(shí)現(xiàn)了人工裂縫。Feng等[104]為提高水合物儲(chǔ)層的產(chǎn)氣效率提出了水力壓裂與減壓相結(jié)合的方法，通過數(shù)值模擬研究了模擬深海沉積物和多年凍土區(qū)的兩類儲(chǔ)層，結(jié)果顯示壓裂后可以明顯提高減壓初期水合物的分解和產(chǎn)氣量。

因此，如果將水力壓裂技術(shù)與上述一種或幾種生產(chǎn)方法結(jié)合，則有望獲得可觀的天然氣產(chǎn)量。人造裂縫可以有效提高儲(chǔ)層滲透率，顯著增加了水合物儲(chǔ)層的產(chǎn)氣面積；并且可以改變氣體流型，有利于回收氣體順利進(jìn)入井筒。但是，水合物分解后的儲(chǔ)層失去膠結(jié)作用，剛性結(jié)構(gòu)將發(fā)生變形甚至塌陷，壓裂也將失去其功能，這限制了壓裂技術(shù)在水合物開發(fā)領(lǐng)域的普及應(yīng)用。因此，水合物儲(chǔ)層的改造和保護(hù)技術(shù)是水合物資源商業(yè)開發(fā)亟待解決的主要技術(shù)難題。研究人員應(yīng)充分考慮天然氣儲(chǔ)層的特點(diǎn)，將基礎(chǔ)理論與工程技術(shù)完美結(jié)合，進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新，用水力切割、聲波致裂、激光射孔等方法代替?zhèn)鹘y(tǒng)水力壓裂，以進(jìn)一步推進(jìn)水合物工業(yè)化進(jìn)程。

4 結(jié)論

如前所述，中外開展的多次天然氣水合物現(xiàn)場測試雖實(shí)現(xiàn)了對水合物的成功開發(fā)，但是距離實(shí)現(xiàn)規(guī)模的商業(yè)化開采還有很大的距離。目前天然氣水合物開發(fā)仍面臨著工藝難度大、開采風(fēng)險(xiǎn)高、產(chǎn)量較低和施工成本高等諸多挑戰(zhàn)。僅從工程技術(shù)的角度提出了天然氣水合物增產(chǎn)的基本措施及原理，以期為天然氣水合物的高效開發(fā)利用提供參考。

(1)天然氣水合物的開采主要有注熱法、降壓法、注化學(xué)抑制劑法和二氧化碳置換法這四種方法，以提高天然氣水合物原位分解速率為目標(biāo)，研究人員針對每種開發(fā)方式均進(jìn)行了科研攻關(guān)，提出了對應(yīng)的增產(chǎn)技術(shù)。為解決注熱法熱量損失巨大的痛點(diǎn)，通過優(yōu)化注熱流體物性、研發(fā)井下電磁加熱技術(shù)及自發(fā)熱流體注入技術(shù)可以有效改善儲(chǔ)層傳熱、增加熱作用面、提高熱利用率。多次水合物現(xiàn)場試采表明，單一降壓開采產(chǎn)氣效率較低，并且伴隨著水合物二次生成或結(jié)冰現(xiàn)場，通過采用裂隙流體抽取法，或者降壓-注熱聯(lián)合開采可以大幅提高開采率和生產(chǎn)效率。從效益、經(jīng)濟(jì)性和綠色環(huán)保角度考慮，通過研發(fā)新型動(dòng)力學(xué)抑制劑和防聚劑代替?zhèn)鹘y(tǒng)的熱力學(xué)抑制劑，可以使得注化學(xué)抑制劑方法更切實(shí)可行。針對二氧化碳置換開采這種極具前景的綠色開發(fā)方式，通過優(yōu)化二氧化碳注入方式或者采用二氧化碳和N2/H2混合氣開發(fā)的方式，可以有效改善置換開采的效率和速率。

(2)天然氣水合物開采距離實(shí)現(xiàn)規(guī)模的商業(yè)化開采還需要經(jīng)過很長的一段路程，全世界內(nèi)多次水合物試采工程僅從考慮天然氣水合物原位分解來設(shè)計(jì)開發(fā)方案，忽視了如何擴(kuò)大水合物儲(chǔ)層控制范圍、增加分解接觸面積以及對儲(chǔ)層滲流條件的改善。為了實(shí)現(xiàn)水合物開發(fā)產(chǎn)能在量級上的突破，以水平井和多分支井、多井簇群井為主的復(fù)雜井網(wǎng)開采方法將會(huì)是未來攻關(guān)天然氣水合物產(chǎn)業(yè)化的重要手段，有望顯著提高水合物的采收面積。此外，水合物儲(chǔ)層滲透率普遍非常低，水力壓裂是提高水合物單井產(chǎn)量的最具潛力的工程技術(shù)之一，可以顯著提高井周局部滲透率，加速壓力傳遞效率，進(jìn)而提高天然氣水合物產(chǎn)能。

總體而言，雖然從技術(shù)角度闡述了提高天然氣水合物產(chǎn)能的基本措施及增產(chǎn)機(jī)理，但并未評估實(shí)際技術(shù)成本及工藝實(shí)施難度。對于天然氣水合物高效開發(fā)利用，仍需要不斷地創(chuàng)新思路。傳統(tǒng)油氣井工程中的一些技術(shù)措施對天然氣水合物的勘探開發(fā)雖具有重要借鑒意義，但不能完全復(fù)制。針對水合物儲(chǔ)層的特殊性，要以原創(chuàng)技術(shù)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)制度創(chuàng)新、技術(shù)創(chuàng)新和裝備創(chuàng)新，研發(fā)安全高效的水合物資源開發(fā)技術(shù)。在未來攻關(guān)中，建議針對中國南海海域水合物儲(chǔ)層開展不同增產(chǎn)技術(shù)的適應(yīng)性評價(jià)，綜合開展實(shí)驗(yàn)?zāi)M、數(shù)值模擬、現(xiàn)場應(yīng)用協(xié)作攻關(guān)，優(yōu)選最佳增產(chǎn)方法及技術(shù)參數(shù)，建立安全、高效、綠色、可持續(xù)的生產(chǎn)方案。