海域天然氣水合物自入式開(kāi)采裝置及其可行性研究

吳學(xué)震，葉鴻宇，蔣宇靜，李大勇，姜杰，王剛，公彬

(1.福州大學(xué)土木工程學(xué)院，福建福州，350116；2.日本長(zhǎng)崎大學(xué)工學(xué)研究科，日本長(zhǎng)崎，852-8521；3.中國(guó)石油大學(xué)(華東) 儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院，山東青島，266580；4.山東科技大學(xué)礦山災(zāi)害預(yù)防控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(培育)，山東青島，266590)

天然氣水合物分布廣泛、資源量豐富，是現(xiàn)有天然氣、煤炭和石油全球儲(chǔ)量的2 倍[1]，被認(rèn)為是未來(lái)的重要能源之一。截至目前，全球有40 多個(gè)國(guó)家和地區(qū)開(kāi)展了關(guān)于天然氣水合物的研究與勘探，天然氣水合物的開(kāi)采已成為當(dāng)前世界科技創(chuàng)新的前沿。

在世界范圍內(nèi)進(jìn)行海域天然氣水合物試采的案例均采用鉆井開(kāi)采法，國(guó)際首次海洋天然氣水合物試采作業(yè)是由日本于2013年在Nankai 海槽開(kāi)展的，日產(chǎn)量約20 000 m3/d，但因第6天突然井底出現(xiàn)嚴(yán)重出砂問(wèn)題而終止。2017年，日本在相同海域進(jìn)行了第二次試采，但同樣由于井底嚴(yán)重出砂問(wèn)題，而被迫切換至第二口開(kāi)采井[2]。我國(guó)同一時(shí)期在南海神狐海域，首次實(shí)施海域天然氣水合物試采作業(yè)，采用降壓法開(kāi)采配合水力割縫方法對(duì)儲(chǔ)層進(jìn)行改造，有效提高了試采產(chǎn)量[3]；同年，我國(guó)在南海北部荔灣3站位，依托“海洋石油708”深水工程勘察船，利用自主研制技術(shù)、工藝和裝備實(shí)施鉆井固態(tài)流化法開(kāi)采，原設(shè)計(jì)獲取氣體100 m3，實(shí)際獲得81 m3[4]。2020年我國(guó)在神狐海域采用水平鉆井技術(shù)進(jìn)行了第二次降壓試采，實(shí)現(xiàn)連續(xù)產(chǎn)天然氣30 d，共計(jì)產(chǎn)出天然氣約8.614×105m3[5]。上述試采工程都為實(shí)現(xiàn)海域天然氣水合物商業(yè)化開(kāi)采提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。然而，從全球水合物試采停產(chǎn)原因來(lái)看，由于在作業(yè)過(guò)程中井筒周圍天然氣水合物分解會(huì)導(dǎo)致儲(chǔ)層強(qiáng)度大幅度下降，在巨大的地應(yīng)力作用下地層大量出砂，井筒失穩(wěn)或破壞，長(zhǎng)期開(kāi)采存在較大挑戰(zhàn)。此外，基于鉆井技術(shù)的開(kāi)采方法，需要使用深海鉆井船等重型裝備，使得目前開(kāi)采成本遠(yuǎn)高于采出的天然氣價(jià)值，產(chǎn)業(yè)化開(kāi)采仍存在較大瓶頸。

對(duì)于新型開(kāi)采裝置和方法的研究，徐海良等[6]提出了通過(guò)下放海底的采掘車對(duì)水合物進(jìn)行切割和破碎成塊狀，再將其運(yùn)送至海上平臺(tái)后分解的絞吸式開(kāi)采法。宋震等[7]借鑒刨煤機(jī)刨削采煤過(guò)程，參照拉刀結(jié)構(gòu)特點(diǎn)提出一種新的拉削開(kāi)采新裝置，其實(shí)質(zhì)也是機(jī)械開(kāi)采形式的一種拓展。張旭輝等[8]提出了機(jī)械-熱聯(lián)合開(kāi)采法，將破碎成小顆粒后的水合物在輸送管道中與一定溫度的海水摻混分解后，再將土顆粒分離后回填海底，能夠減少因土層采空所造成的安全隱患。周守為等[4]進(jìn)一步總結(jié)出固態(tài)流化開(kāi)采方法，并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試開(kāi)采。黎偉等[9]提出一種基于蓋頂降壓式海底淺/表層的開(kāi)采裝置，將蓋頂收集罩外殼覆蓋在區(qū)域沉積層上方，錨定機(jī)構(gòu)鉆入沉積層使得密閉擋板插入泥床，隔絕外部海水形成密閉空間后進(jìn)行區(qū)域內(nèi)降壓開(kāi)采。

這些相關(guān)研究多數(shù)還只適用于淺/表層，但以新的裝置載體替代了目前使用最為廣泛的井筒載體，為天然氣水合物提供了新的開(kāi)采思路：實(shí)現(xiàn)海域天然氣水合物產(chǎn)業(yè)化開(kāi)采，可能并非要像開(kāi)采石油或頁(yè)巖氣一樣，一味使用井筒作為載體“鉆”到底，導(dǎo)致深海鉆井作業(yè)成本過(guò)高，采用新的載體或許能夠起到事半功倍的效果。因此，針對(duì)現(xiàn)有開(kāi)采實(shí)例中鉆井成本高、井筒易坍塌和防砂結(jié)構(gòu)易破壞等一系列難題，本文作者依照海域天然氣水合物通常賦存于黏土質(zhì)粉砂或淤泥質(zhì)沉積物中的特點(diǎn)，提出一種新型自入式開(kāi)采裝置(self-entry exploitation device，簡(jiǎn)稱SEED)及開(kāi)采方法，以期為海域天然氣水合物開(kāi)采提供新思路。

1 自入式開(kāi)采裝置工藝原理

1.1 理念來(lái)源

目前，國(guó)際上普遍認(rèn)可的天然氣水合物開(kāi)采方法主要有降壓法、注熱法、置換法和抑制劑法以及它們之間的聯(lián)合應(yīng)用。其本質(zhì)原理都是通過(guò)一定的物理化學(xué)手段促使原位狀態(tài)的天然氣水合物分解為氣-水兩相，如圖1所示[10]。其中降壓法是通過(guò)將水合物儲(chǔ)層壓力降低到水合物平衡壓力以下，進(jìn)而破壞水合物的平衡狀態(tài)，促使水合物分解，其操作簡(jiǎn)單且經(jīng)濟(jì)、高效，被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)海域天然氣水合物商業(yè)化開(kāi)采的最佳途徑[11]。

圖1 天然氣水合物相態(tài)圖[10]Fig.1 Natural gas hydrate phase diagram[10]

在我國(guó)完成的南海天然氣水合物第二次降壓試采中，用于深海錨泊的吸力錨在維護(hù)井口穩(wěn)定方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用[5]。魚雷錨[12]是另一種重要的深海錨泊結(jié)構(gòu)(如圖2所示)，依靠自重沉貫至海床一定深度以提供錨泊力，其貫入地層的機(jī)理為新型天然氣水合物開(kāi)采裝置進(jìn)入儲(chǔ)層提供了啟示。因此，將魚雷錨的貫入原理運(yùn)用于天然氣水合物開(kāi)采，把降壓開(kāi)采設(shè)備置于其中，可形成一種全新的開(kāi)采系統(tǒng)。

圖2 魚雷錨實(shí)物及安裝示意圖Fig.2 Torpedo anchor and installation diagram

對(duì)于地層種類，我國(guó)南海海域天然氣水合物主要賦存于未固結(jié)成巖的粉砂、黏土質(zhì)粉砂、粉砂質(zhì)黏土等沉積物中，甚至直接暴露于海底，如圖3所示，而魚雷錨主要適用于黏土、粉土以及砂質(zhì)地層，因此，地層條件基本相似。對(duì)于儲(chǔ)層深度，我國(guó)南海海域天然氣水合物儲(chǔ)層埋深較淺且無(wú)致密蓋層，主要存在于海底以下幾十米到300 m[13-14]。而就魚雷錨目前的運(yùn)用而言，在巴西Campos盆地Marlim油田、Albacora油田(貫入深度為錨長(zhǎng)的1.5～2.4倍)和挪威西海岸的北海Gj?a油田(貫入深度為錨長(zhǎng)的1.9～2.4倍)[15-17]等地已完成用于固定海底的柔性管線的錨固安裝。美國(guó)軍方的GBU-57A/B鉆地彈(彈長(zhǎng)僅為6.2 m，直徑為0.8 m，質(zhì)量為13.6 t，結(jié)構(gòu)和外形與魚雷錨相似)，能夠在單純依靠重力下落的情況下，對(duì)一般加固混凝土的鉆深可達(dá)60 m[18]。

圖3 南海神狐海域沉積物顆粒粒度特征(修改自文獻(xiàn)[3，14])Fig.3 Characteristics of sediment particle size in Shenhu area,South China Sea(modified from Refs.[3,14])

魚雷錨對(duì)水深增加的敏感性較低，不需要特殊的水下設(shè)備或大型施工船，在超深水域應(yīng)用無(wú)任何限制[16]。因此，結(jié)合海域天然氣水合物儲(chǔ)層特征和魚雷錨的貫入特性，設(shè)計(jì)出新型自入式開(kāi)采裝置。該裝置依靠重力貫入儲(chǔ)層，再通過(guò)內(nèi)置降壓設(shè)備進(jìn)行天然氣水合物開(kāi)采。

1.2 新型開(kāi)采裝置原理

新型開(kāi)采系統(tǒng)主要由海上處理平臺(tái)、錨纜系統(tǒng)、輸送管道和自入式開(kāi)采裝置等組成[19]，如圖4所示。其中，海上處理平臺(tái)為傳統(tǒng)海上平臺(tái)或船只，用于搭載和控制開(kāi)采設(shè)備以及對(duì)收集的氣體進(jìn)行處理；錨纜系統(tǒng)通過(guò)纜繩連接海上處理平臺(tái)和自入式開(kāi)采裝置，輸送管道用于收集開(kāi)采出的水和天然氣。自入式開(kāi)采裝置整體為與魚雷錨形狀類似的結(jié)構(gòu)體，可攜帶開(kāi)采設(shè)備進(jìn)入儲(chǔ)層。

圖4 自入式開(kāi)采方法整體示意圖Fig.4 Overall schematic diagrams of self-entry exploration method

自入式開(kāi)采裝置內(nèi)部構(gòu)造如圖5所示。開(kāi)采裝置的主要核心包括以下幾部分。

圖5 自入式開(kāi)采裝置內(nèi)部構(gòu)造Fig.5 Internal structures of self-entry exploration device

1)自入式結(jié)構(gòu)體。外形類似于魚雷形狀，由預(yù)制鋼結(jié)構(gòu)組成，尾部連接錨纜系統(tǒng)和輸送管道，內(nèi)部設(shè)置有空腔，開(kāi)孔管壁允許氣、液進(jìn)入空腔，并保護(hù)防砂裝置不被地層壓力和流體沖蝕破壞。整個(gè)結(jié)構(gòu)在下落的過(guò)程中主要依靠重力產(chǎn)生較大速度，從而沖擊進(jìn)入天然氣水合物儲(chǔ)層。

2)氣液舉升系統(tǒng)。主要由舉升動(dòng)力裝置及氣液分離器組成，能夠?qū)⒖涨恢械囊后w和氣體舉升來(lái)降低空腔內(nèi)部壓力，進(jìn)而降低周圍地層壓力，促進(jìn)天然氣水合物分解。待天然氣和水在壓差作用下通過(guò)防砂裝置進(jìn)入空腔時(shí)，實(shí)現(xiàn)天然氣水合物開(kāi)采。

3)防砂裝置?？梢允褂梅郎昂Y網(wǎng)、防砂篩管、機(jī)械篩管、礫石防砂層或柔性織物防砂材料層等，允許液體和氣體進(jìn)入空腔的同時(shí)過(guò)濾泥砂。

4)中心重塊?？梢源蠓鰪?qiáng)主體構(gòu)件質(zhì)量，可根據(jù)實(shí)際工況選擇是否使用。

上述內(nèi)容僅列出整個(gè)開(kāi)采系統(tǒng)的核心部分，在實(shí)際運(yùn)用過(guò)程中，還應(yīng)包括緩沖減震裝置、監(jiān)測(cè)控制裝置等配套設(shè)施。此外，該裝置主要針對(duì)深水淺層水合物開(kāi)采，初步考慮以100 m內(nèi)的儲(chǔ)層深度為佳，裝置長(zhǎng)度只需30～80 m。考慮到裝置的幾何尺寸對(duì)于施工運(yùn)輸?shù)挠绊?，?shí)際試采中可以選擇分段制作、現(xiàn)場(chǎng)組裝的方案。

自入式開(kāi)采裝置的生產(chǎn)流程主要包括：1)選定開(kāi)采區(qū)域，配置好開(kāi)采裝置。2)在海床上側(cè)一定距離處釋放自入結(jié)構(gòu)體，攜帶氣液舉升系統(tǒng)和防砂裝置等設(shè)備沖擊貫入天然氣水合物儲(chǔ)層。3)通過(guò)氣液舉升系統(tǒng)將空腔中的液體舉升，空腔內(nèi)部壓力降低，進(jìn)而引起周圍地層壓力降低，促使周圍地層中的天然氣水合物分解。4)分解形成的水和天然氣在壓差作用下通過(guò)防砂裝置進(jìn)入空腔后，將液體舉升到海底或者海上處理平臺(tái)，氣體舉升至海上處理平臺(tái)，完成開(kāi)采作業(yè)。5)當(dāng)一定范圍內(nèi)天然氣水合物開(kāi)采完成或者產(chǎn)氣效率降低到一定值以后，通過(guò)纜繩將位于儲(chǔ)層中的自入結(jié)構(gòu)體拉出，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)回收或轉(zhuǎn)移到新的開(kāi)采區(qū)域繼續(xù)開(kāi)采。由于不存在井筒，主體結(jié)構(gòu)貫入或者拔出后周圍地層可以自動(dòng)回填，主體結(jié)構(gòu)所在的區(qū)段是封閉的，因此，暫時(shí)不考慮封井作業(yè)，后期根據(jù)需要可通過(guò)管線進(jìn)行注漿封閉。

新型開(kāi)采方法的可行性分析包括2 個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)：一是自入式開(kāi)采裝置能否依靠重力沖擊順利到達(dá)天然氣水合物儲(chǔ)層位置；二是基于自入式開(kāi)采裝置的預(yù)制鋼結(jié)構(gòu)而實(shí)現(xiàn)的大幅度降壓能否顯著提高開(kāi)采效率。

2 自入式開(kāi)采裝置貫入儲(chǔ)層規(guī)律研究

參考現(xiàn)有魚雷錨貫入數(shù)值模擬研究，通過(guò)建立數(shù)值模型研究自入式開(kāi)采裝置沖擊貫入儲(chǔ)層深度的規(guī)律和特征。首先通過(guò)有限元軟件ABAQUS，依照BRAND?O 等[16]等現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究建立數(shù)值模型，將模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)結(jié)果以及KIM 等[20]的模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證本文數(shù)值模擬方法的有效性。進(jìn)而輸入神狐海域地層參數(shù)，并通過(guò)改變開(kāi)采裝置尺寸等參數(shù)，研究貫入深度變化規(guī)律和關(guān)鍵影響因素。

2.1 數(shù)值模型的建立與驗(yàn)證

由于結(jié)構(gòu)體高速貫入海底會(huì)引起土體網(wǎng)格的大變形，導(dǎo)致在分析計(jì)算時(shí)網(wǎng)格嚴(yán)重畸變而終止運(yùn)算，故本文針對(duì)此大變形問(wèn)題采用了耦合歐拉-拉格朗日方法(CEL)。該方法結(jié)合了拉格朗日方法和歐拉方法的優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)計(jì)算其歐拉體積分?jǐn)?shù)(EVF)來(lái)跟蹤歐拉材料通過(guò)網(wǎng)格的流動(dòng)[21]。

考慮到模型的對(duì)稱性，采用1/4 模型進(jìn)行計(jì)算，如圖6所示。將土體建立為歐拉體，視為不排水條件，采用基于Tresca屈服準(zhǔn)則的理想彈塑性模型，并在土體上表面預(yù)留空區(qū)域用來(lái)捕捉土體表面的變化，魚雷錨放置在海床表面，通過(guò)施加初速度模擬實(shí)際中的沖擊速度。由于魚雷錨相對(duì)于土體的變形可以忽略不計(jì)，故而將其設(shè)置為剛體，同時(shí)對(duì)與魚雷錨相近的土體進(jìn)行網(wǎng)格加密，以保證計(jì)算的準(zhǔn)確度，其他參數(shù)參考KIM 模型[20](見(jiàn)表1)。

圖6 魚雷錨貫入數(shù)值模型圖Fig.6 Torpedo anchor accommodation numerical models

表1 魚雷錨數(shù)值模型主要參數(shù)Table 1 Main parameter of torpedo anchor numerical model

模擬結(jié)果如圖7所示。從圖7可知：KIM模擬所得的最終貫入深度為35.7 m[20]，擬合曲線最終貫入深度為32.8 m，與KIM 結(jié)果較為接近，同時(shí)BRAND?O 等[16]的現(xiàn)場(chǎng)魚雷錨貫入測(cè)試結(jié)果為35.2 m，其貫入深度也與本文的結(jié)果相似。本模型未考慮應(yīng)變軟化和應(yīng)變率的影響，土體抗剪強(qiáng)度處于較高的狀態(tài)，導(dǎo)致最終沉貫深度偏低，因此，本文采用的數(shù)值模擬方法具有較高可靠性。

圖7 貫入深度數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比Fig.7 Comparison of numerical simulation results of penetration depth

2.2 自入式結(jié)構(gòu)體貫入模擬

考慮自入式結(jié)構(gòu)體直徑和長(zhǎng)度的影響，對(duì)貫入深度的變化規(guī)律進(jìn)行分析，以驗(yàn)證其沖擊貫入儲(chǔ)層的可行性。有別于傳統(tǒng)魚雷錨，自入式結(jié)構(gòu)體因其體積有較大變化，其質(zhì)量大幅提升，但平均密度采用偏低的值6.5 t/m3作為對(duì)貫入深度的保守預(yù)測(cè)。為防止邊界效應(yīng)，將模型沿寬度方向設(shè)置為20d(d為魚雷錨直徑)，深度方向取7l(l為魚雷錨長(zhǎng)度)。

由于自入式結(jié)構(gòu)體在實(shí)際下落中還存在纜繩和管線的影響，所以，本文繞流阻力系數(shù)取值采用t98魚雷錨在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)中的閾值速度進(jìn)行反算確定[20]。盡管采用這樣的方法使該值相對(duì)偏大，但確保了貫入深度預(yù)測(cè)的保守性。

自入式結(jié)構(gòu)體在海水貫入階段中的運(yùn)動(dòng)方程為

式中：m為結(jié)構(gòu)體質(zhì)量，kg；G為自入式結(jié)構(gòu)體自重，kN；Fw為浮力，kN；FD為阻力，kN。

式中：ρw為海水密度，kg/m3；ρs為自入式結(jié)構(gòu)體密度，t/m3；VS為自入式結(jié)構(gòu)體體積，m3；CD為繞流阻力系數(shù)；Ap為正向投影面積，m2。

當(dāng)結(jié)構(gòu)體加速度a等于0時(shí)，將式(1)代入式(4)可得自入式結(jié)構(gòu)體最終沖擊速度[22]：

此外，考慮到實(shí)際作業(yè)中，結(jié)構(gòu)體所需貫入儲(chǔ)層的攜帶開(kāi)采裝置部分僅為整體的1/5～1/3；并且由于土層厚度大所需劃分網(wǎng)格數(shù)多，為優(yōu)化計(jì)算，上覆層和儲(chǔ)層參數(shù)參考神狐海域W18/19 站位[14,23]，具體參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 自入式結(jié)構(gòu)體貫入模擬主要參數(shù)Table 2 Main parameter of self-entry structure penetration simulation

貫入模擬結(jié)果如圖8所示。通過(guò)對(duì)不同幾何條件的自入式結(jié)構(gòu)體貫入模擬，可以得出隨著結(jié)構(gòu)體直徑和長(zhǎng)度的增大，質(zhì)量也隨之增大，使得沖擊能量增大，貫入深度增加，貫入深度為結(jié)構(gòu)體長(zhǎng)度l的1.2～2.4 倍，最深可達(dá)370 m，而海域天然氣水合物主要存在于海底以下幾十米到300 m。在實(shí)際生產(chǎn)中，可根據(jù)勘探資料調(diào)整結(jié)構(gòu)體的長(zhǎng)度和直徑以及控制釋放高度，進(jìn)而調(diào)整沖擊速度來(lái)適應(yīng)不同的儲(chǔ)層條件，以此達(dá)到預(yù)期的作業(yè)深度。此外，因?yàn)樽匀胧介_(kāi)采裝置的貫入原理與魚雷錨的貫入原理類似，其結(jié)構(gòu)有著較高的強(qiáng)度和剛度，同樣也適用于黏土、粉土以及砂質(zhì)等非成巖地層。

圖8 自入式結(jié)構(gòu)體貫入深度變化規(guī)律Fig.8 Change law of penetration depth of self-entry structure

3 自入式開(kāi)采裝置產(chǎn)氣特性研究

CMG-STARS是一款油藏?cái)?shù)值模擬軟件，可以利用儲(chǔ)層地質(zhì)資料、場(chǎng)地開(kāi)采以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)值分析對(duì)天然氣水合物產(chǎn)氣特性進(jìn)行預(yù)測(cè)。首先建立傳統(tǒng)鉆井降壓法數(shù)值模型，并與日本Nankai 海槽水合物試采數(shù)據(jù)對(duì)比以驗(yàn)證該方法的有效性，然后建立自入式開(kāi)采裝置的開(kāi)采數(shù)值模型，預(yù)測(cè)其在該海域的產(chǎn)氣情況，從而評(píng)價(jià)自入式開(kāi)采裝置的開(kāi)采潛力。建立的模型假設(shè)條件如下：

1)考慮三相(氣相、水相、固相)四組分(自由氣組分、分解氣組分、水組分、水合物組分)。其中，氣相僅含甲烷氣體，把水合物作為固相來(lái)處理；

2)只考慮氣、液兩相流動(dòng)，且流體滲流符合達(dá)西定律；

3)地層均質(zhì)，即孔隙度、滲透率為常數(shù)；

4)忽略氣體的擴(kuò)散和氣體在水中的溶解；

5)考慮熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流以及水合物分解吸熱；

6)考慮巖石的壓縮性和流體的可壓縮性[24-25]。

3.1 傳統(tǒng)鉆井降壓法數(shù)值模型建立與可靠性驗(yàn)證

2013年3 月在日本東部Nankai海槽成功完成世界上第一個(gè)海域水合物開(kāi)采試驗(yàn)，試開(kāi)采為期6 d，但最后因井底大量出砂而終止[26]。試開(kāi)采場(chǎng)地共鉆探了4口井，其中AT1-P作為降壓開(kāi)采井，試采區(qū)水深約為1 000 m，天然氣水合物賦存于海底以下約300 m的砂質(zhì)地層中，儲(chǔ)層厚約為60 m，產(chǎn)層厚約為35 m，初始滲透率范圍為(0.01～10)×10-3μm2，絕對(duì)滲透率(0.01～2 000)×10-3μm2。本文參照FUJII等[27]綜合分析多個(gè)測(cè)井和巖心實(shí)驗(yàn)的測(cè)試結(jié)果，建立開(kāi)采模型，具體參數(shù)取值如表3所示。

表3 日本Nankai海槽試采數(shù)值模擬模型參數(shù)Table 3 Numerical simulation model parameters for trial exploration in Nankai Trough,Japan

通過(guò)STARS 模塊，得出所建立模型的產(chǎn)氣特性，并將其與實(shí)際開(kāi)采過(guò)程中的產(chǎn)氣特性[28-29]相對(duì)比，從而驗(yàn)證該模型的準(zhǔn)確性。計(jì)算模擬出的產(chǎn)氣速率以及實(shí)際產(chǎn)氣速率如圖9所示。試采開(kāi)始時(shí)，井中水被抽出，井底壓力逐漸降低到4.5 MPa，致使周圍地層壓力也大幅下降，水合物迅速分解，井口產(chǎn)氣速率急劇上升。3 d 后，在實(shí)際生產(chǎn)中逐漸出現(xiàn)出砂問(wèn)題，井底壓力已不足以使水合物進(jìn)一步分解，實(shí)際速率開(kāi)始小于模擬速率。在為期6 d的開(kāi)采作業(yè)中，模擬產(chǎn)氣速率與實(shí)際產(chǎn)氣速率的波動(dòng)程度存在差異，但平均值基本相等，可認(rèn)為該模擬方式具有較高可靠性。

圖9 日本Nankai海槽產(chǎn)氣模擬結(jié)果對(duì)比Fig.9 Comparison of gas production simulation results in Nankai Trough,Japan

3.2 新型開(kāi)采裝置試采模型建立與產(chǎn)氣效率對(duì)比

自入式開(kāi)采裝置在貫入儲(chǔ)層后的開(kāi)采原理與傳統(tǒng)的鉆井降壓開(kāi)采原理類似，只是貫入(鉆井)到儲(chǔ)層的方式不同，據(jù)此建立如圖10所示三維模型，其他模型參數(shù)如表4所示。有別于傳統(tǒng)鉆井法的是，自入式開(kāi)采裝置主體由預(yù)制鋼結(jié)構(gòu)組成，能夠?qū)崿F(xiàn)大幅度降壓，而傳統(tǒng)井筒主要由素混凝土構(gòu)成(目前在嘗試采用鋼制筒)，所能夠承受的壓差較小。

圖10 自入式開(kāi)采裝置方法模型Fig.10 Self-entry exploration device method model

表4 自入式開(kāi)采裝置方法模型主要參數(shù)Table 4 Main parameters of self-entry exploration device method model

通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算，自入式開(kāi)采裝置在降壓至1 MPa 和2 MPa 時(shí)，產(chǎn)氣特征曲線如圖11所示。從圖11可見(jiàn)：在降壓為1 MPa 和2 MPa 時(shí)，前6 d 的平均開(kāi)采速率分別為1.39×105m3/d 和9.84×104m3/d，與現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的傳統(tǒng)方式(開(kāi)采壓力為4.5 MPa)相比，總產(chǎn)能共提升了6～14 倍。新型方法由于速率快，使得距離儲(chǔ)層較近的水合物迅速分解，且曲線波動(dòng)相對(duì)較大，在開(kāi)采速率峰值過(guò)后，速率下降幅度要比傳統(tǒng)方法的大。此外，在為期2 a的開(kāi)采周期中，自入式開(kāi)采裝置的開(kāi)采速率均比傳統(tǒng)方式的高，由于受限于模型大小與邊界效應(yīng)，因此，開(kāi)采后期速率相差較小。總體來(lái)看，自入式開(kāi)采裝置能夠顯著提升開(kāi)采效率。

圖11 日本Nankai海槽自入式開(kāi)采裝置產(chǎn)氣特征曲線Fig.11 Gas production characteristic curve of self-entry exploration device in Nankai Trough,Japan

4 討論與思考

上述論證主要從裝置的基本原理、貫入儲(chǔ)層規(guī)律和產(chǎn)氣效率3個(gè)核心部分進(jìn)行可行性研究。鉆井方法與新型方法對(duì)照如表5所示[30-31]。與傳統(tǒng)鉆井法(主要針對(duì)素混凝土井)開(kāi)采方式相比，新型方法具有以下優(yōu)勢(shì)：1)在施工過(guò)程中不需要深海鉆井船，而是采用自主貫入安裝方式，運(yùn)輸方便，工期短，可顯著降低天然氣水合物開(kāi)采成本；2)裝置主體采用預(yù)制鋼結(jié)構(gòu)，避免了在地層壓力作用下易損壞坍塌問(wèn)題，可實(shí)現(xiàn)極限降壓開(kāi)采；同時(shí)還增強(qiáng)了對(duì)防砂裝置的保護(hù)，有效緩解了出砂問(wèn)題；3)根據(jù)儲(chǔ)層的埋深，可以通過(guò)調(diào)整開(kāi)采裝置重量來(lái)控制貫入位置，適用于淺層和深層開(kāi)采，也可以實(shí)現(xiàn)分層開(kāi)采，并且由于其直徑較大，在儲(chǔ)層的開(kāi)采作用范圍有所增大；4)在開(kāi)采作業(yè)完成時(shí)，可以進(jìn)行拉拔回收，重復(fù)使用，從而進(jìn)一步降低開(kāi)采成本。

表5 鉆井方法與新型方法對(duì)照Table 5 Comparison of drilling methods and new methods

然而，新型的開(kāi)采裝置會(huì)帶來(lái)以下問(wèn)題。

1)裝置未達(dá)到預(yù)期位置。參照魚雷錨的貫入模式，相對(duì)于鉆井法存在一定的不確定性。但在實(shí)地開(kāi)采前，都會(huì)對(duì)開(kāi)采區(qū)域進(jìn)行詳細(xì)的勘察，根據(jù)所得到的資料對(duì)自入式結(jié)構(gòu)體的質(zhì)量、長(zhǎng)徑比和下落高度進(jìn)行調(diào)整，從而使其貫入至預(yù)期位置。此外，后續(xù)還可以采取振動(dòng)下沉、適量拔出等輔助措施對(duì)其貫入后位置進(jìn)行調(diào)整。

2)貫入后內(nèi)置設(shè)備受損。在貫入過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生較大的沖擊能量對(duì)裝置產(chǎn)生影響，不過(guò)由于內(nèi)置設(shè)備處于鋼殼體內(nèi)部，受到?jīng)_擊力較小，可設(shè)置緩沖防沖擊裝置，以及通過(guò)特殊加固提高抗沖擊能力。

3)沖擊過(guò)程導(dǎo)致儲(chǔ)層失穩(wěn)。在新型開(kāi)采裝置沖擊進(jìn)入儲(chǔ)層過(guò)程中，地層壓力增加不利于水合物分解，沖擊過(guò)程中在海底產(chǎn)生的熱量也有限，而水合物分解需要降壓或者持續(xù)性熱量輸入，因此，預(yù)計(jì)沖擊過(guò)程不會(huì)誘發(fā)天然氣水合物大規(guī)模分解。

4)開(kāi)采裝置貫入和回收過(guò)程對(duì)環(huán)境的影響。水合物儲(chǔ)層及其上覆沉積物受裝置貫入和拔出影響，其物理、化學(xué)和生物性質(zhì)會(huì)發(fā)生改變。與現(xiàn)有方法一樣，在施工作業(yè)中都會(huì)引發(fā)地層應(yīng)力變化、誘發(fā)水合物局部分解以及可能破壞海底環(huán)境等問(wèn)題，這有待進(jìn)一步研究。

5 結(jié)論

1)提出了自入式開(kāi)采裝置，并對(duì)其工藝原理、開(kāi)采步驟和有益效果進(jìn)行了闡述。其主要工作流程是：在開(kāi)采區(qū)域海床上側(cè)釋放自入結(jié)構(gòu)體沖擊貫入天然氣水合物儲(chǔ)層；然后通過(guò)氣液舉升系統(tǒng)，將空腔中的液體舉升，引起周圍地層壓力降低，促使天然氣水合物分解；分解形成的水和天然氣在壓差作用下通過(guò)防砂裝置進(jìn)入空腔后，舉升至海上處理平臺(tái)，完成開(kāi)采作業(yè)；根據(jù)需要可將自入結(jié)構(gòu)體拉出回收再利用。

2)采用ABAQUS 軟件建立三維沉貫?zāi)Ｐ停阅虾Ｉ窈Ｓ虻刭|(zhì)情況為例，模擬不同規(guī)格的自入式結(jié)構(gòu)體的沉貫特性，證實(shí)貫入海床深度隨開(kāi)采裝置的長(zhǎng)度和直徑增加而增大，最大貫入深度達(dá)370 m，與大部分海域儲(chǔ)層埋深相符。

3)通過(guò)CMG-STARS 軟件建立三維開(kāi)采模型，與日本Nankai 海槽水合物試采的傳統(tǒng)方式相比，在實(shí)現(xiàn)大幅度降壓的情況下，新型開(kāi)采裝置的開(kāi)采效率提升了6～14倍。

4)新型自入式開(kāi)采裝置具有結(jié)構(gòu)強(qiáng)度大、開(kāi)采效率高、適用范圍廣及作業(yè)成本低等優(yōu)點(diǎn)，可顯著降低天然氣水合物開(kāi)采成本，提升開(kāi)采效益。此外，本文提出的新方法也帶來(lái)了諸多問(wèn)題，如新型裝置貫入過(guò)程及采空后可能引發(fā)的環(huán)境問(wèn)題、貫入引發(fā)的沖擊能量對(duì)內(nèi)部裝置和儲(chǔ)層的影響問(wèn)題、特殊情況下裝置未達(dá)到預(yù)期位置的后續(xù)人工調(diào)整問(wèn)題等，這有待進(jìn)一步研究。