Ⅲ類水合物藏水平井降壓開(kāi)采產(chǎn)氣動(dòng)態(tài)及影響因素分析*

陸 努 張 波 張 正 范恒杰 苗文成 姜瑞景

(1. 中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院 北京 100083； 2. 中國(guó)石油集團(tuán)安全環(huán)保技術(shù)研究有限公司 北京 102206；3. 中國(guó)石油國(guó)際勘探開(kāi)發(fā)有限公司 北京 100034； 4. 中海石油(中國(guó))東海西湖石油天然氣作業(yè)公司 上海 200335；5. 中國(guó)石油勘探與生產(chǎn)分公司 北京 100007)

天然氣水合物儲(chǔ)量豐富[1]，已被視為繼深海/深層油氣[2-4]和非常規(guī)[5]之后又一極具潛力的天然氣來(lái)源，廣泛分布于中國(guó)祁連山和南海海域。其中，中國(guó)南海神狐海域的部分水合物藏上下存在滲透性較差的蓋層，可歸屬于Ⅲ類水合物藏，即水合物藏由水合物層和上下強(qiáng)封閉性蓋層組成[6]。然而，Ⅲ類水合物藏儲(chǔ)層內(nèi)流動(dòng)性差、壓力波傳遞速度慢，導(dǎo)致水合物分解速度低，產(chǎn)氣速度低于Ⅰ類和Ⅱ類水合物[7]。

Ⅲ類水合物藏的開(kāi)采涉及到了水合物的分解生成以及上下蓋層的熱量傳遞，能量變化和生產(chǎn)動(dòng)態(tài)較為復(fù)雜。陸努 等[8-9]研究了Ⅲ類水合物藏直井降壓開(kāi)采的生產(chǎn)動(dòng)態(tài)和產(chǎn)能預(yù)測(cè)方法，發(fā)現(xiàn)開(kāi)采過(guò)程中的產(chǎn)水問(wèn)題及水合物飽和度和生產(chǎn)參數(shù)的影響不容忽視；陳朝陽(yáng) 等[10]研究了垂直井網(wǎng)對(duì)南海北部Ⅲ類水合物藏的開(kāi)采效果，指出井網(wǎng)中的單口直井產(chǎn)量下降但總產(chǎn)能上升，需要根據(jù)產(chǎn)水產(chǎn)氣特征、生產(chǎn)周期和飽和度參數(shù)優(yōu)化井距離。張潘潘 等[11]基于HydrateResSim對(duì)比了徑向井與直井降壓開(kāi)采Ⅲ類水合物的效果，發(fā)現(xiàn)徑向井增加了儲(chǔ)層泄流面積，加速了壓力波的傳遞和水合物的分解；樊栓獅 等[12]模擬水平井加熱降壓聯(lián)合開(kāi)采Ⅲ類水合物的能量消耗情況，指出加熱只分解了5.28%的水合物，大部分水合物由降壓驅(qū)動(dòng)。李淑霞 等[13]以神狐水合物藏為研究對(duì)象對(duì)比了Ⅲ類水合物藏不同開(kāi)發(fā)方式的生產(chǎn)效果，認(rèn)為最佳的開(kāi)采方式是水平井降壓。卓魯斌 等[14]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，水平井長(zhǎng)度越長(zhǎng)，Ⅲ類水合物藏的產(chǎn)氣峰值出現(xiàn)越早且累產(chǎn)氣量較高，但模型尺度和時(shí)間跨度受到了實(shí)驗(yàn)裝置的限制。葉建良 等[15]撰文指出，水平井的應(yīng)用使中國(guó)南海水合物二次試采的日產(chǎn)提升到了28.7萬(wàn)m3。

上述研究表明，Ⅲ類水合物藏的高效開(kāi)發(fā)是亟需解決的關(guān)鍵問(wèn)題，而水平井降壓開(kāi)采是實(shí)現(xiàn)Ⅲ類水合物藏經(jīng)濟(jì)高效開(kāi)發(fā)的有效手段。但相對(duì)于直井降壓，水平井降壓開(kāi)采Ⅲ類水合物藏的生產(chǎn)動(dòng)態(tài)，以及不同因素影響下的產(chǎn)氣變化規(guī)律仍需進(jìn)一步分析，從而為Ⅲ類水合物藏水平井降壓開(kāi)采的產(chǎn)能優(yōu)化提供理論依據(jù)。因此，本文建立了基于Tough+Hydrate的水平井降壓開(kāi)采Ⅲ類水合物藏?cái)?shù)值模型，研究了Ⅲ類水合物藏開(kāi)采過(guò)程中的水氣產(chǎn)出動(dòng)態(tài)，分析了飽和度、生產(chǎn)壓力和水平段長(zhǎng)度等因素對(duì)生產(chǎn)動(dòng)態(tài)的影響規(guī)律，提出了相應(yīng)的建議措施。

1 Ⅲ類水合物藏水平井降壓開(kāi)采模型

參考日本海槽的天然氣水合物藏地質(zhì)數(shù)據(jù)[16]建立了Ⅲ類水合物藏水平井降壓開(kāi)采模型。水合物藏為立方體(圖1)，沿z-y軸對(duì)稱分布，長(zhǎng)×寬×高為800 m×500 m×80 m。井筒水平段位于儲(chǔ)層中部，沿x軸方向延伸，井眼半徑為0.1 m，長(zhǎng)度為500 m。采用定壓生產(chǎn)的方式，為避免生產(chǎn)過(guò)程中井周產(chǎn)生冰堵塞井筒降低生產(chǎn)效率，基礎(chǔ)方案的生產(chǎn)壓力設(shè)置為3 MPa(略高于四相點(diǎn)壓力，避免發(fā)生冰堵)，生產(chǎn)時(shí)間設(shè)為10年。水合物層底部處于相態(tài)平衡臨界狀態(tài)，初始僅含有水合物和水兩相，含氣飽和度為零，低于水合物藏中束縛氣飽和度。

圖1 Ⅲ類天然氣水合物藏地質(zhì)模型

網(wǎng)格劃分方面，在模型x方向上劃分成尺寸為12.5 m的網(wǎng)格共64個(gè)；在y方向上，井筒所在網(wǎng)格尺寸為20 m，其余為30 m/格；z方向上，井筒所在網(wǎng)格尺寸為1.5 m，水合物層網(wǎng)格尺寸均設(shè)為1.85 m/格。儲(chǔ)層初始平均溫度為14 ℃，地?zé)崽荻葹?.03 ℃/m。其他儲(chǔ)層參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 Ⅲ類天然氣水合物藏基礎(chǔ)模型參數(shù)Table 1 Calculation parameters of Class Ⅲ hydrate deposit model

利用水合物開(kāi)采模擬軟件Tough+Hydrate模擬Ⅲ類水合物藏水平井降壓開(kāi)采的過(guò)程。根據(jù)Ⅲ類水合物藏的地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征和已有研究結(jié)果，認(rèn)為模型中：①儲(chǔ)層為均一多孔介質(zhì)，只有氣液兩相發(fā)生流動(dòng)且遵循達(dá)西定律；②水合物為單組分水合物，滿足相平衡反應(yīng)；③忽略影響較小的機(jī)械彌散作用；④當(dāng)儲(chǔ)層內(nèi)溫度低于冰點(diǎn)時(shí)，忽略冰的生成導(dǎo)致的儲(chǔ)層形態(tài)變化，儲(chǔ)層壓力變化主要通過(guò)巖石的壓縮系數(shù)體現(xiàn)；⑤考慮水合物分解及合成過(guò)程涉及的熱量變化和儲(chǔ)層及圍巖熱傳導(dǎo)作用對(duì)水合物分解的影響；⑥相滲曲線采用改進(jìn)的Stone經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚚17]，認(rèn)為水合物藏中巖石孔隙中的流體始終滿足水合物、水和氣的飽和度之和為1，并將水合物的相對(duì)滲透率始終設(shè)置為0來(lái)體現(xiàn)其不可流動(dòng)的特性，水合物飽和度變化則通過(guò)改變其他相的飽和度來(lái)反映;⑥采用綜合導(dǎo)熱系數(shù)[18]來(lái)表征上下蓋層巖石導(dǎo)熱對(duì)體系能量守恒的影響。

2 生產(chǎn)動(dòng)態(tài)分析

產(chǎn)氣和產(chǎn)水是表征Ⅲ類水合物藏生產(chǎn)動(dòng)態(tài)的重要指標(biāo)，通過(guò)求解上述模型即可獲取Ⅲ類水合物藏水平井降壓開(kāi)采的產(chǎn)氣和產(chǎn)水狀況。如圖2所示，產(chǎn)氣速度曲線總體上呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，具有明顯的峰值和階段性，可分為波動(dòng)上升階段、快速下降階段和緩慢下降階段。產(chǎn)氣速度峰值為81.3×104m3/d，出現(xiàn)在第113天，對(duì)應(yīng)累產(chǎn)氣量為2.76×107m3。需要注意的是，該產(chǎn)氣峰值是在儲(chǔ)層參數(shù)和生產(chǎn)條件均較為理想的條件下獲得的。隨著時(shí)間的進(jìn)行，產(chǎn)氣速度與分解氣速度的相對(duì)關(guān)系逐步發(fā)生了變化，這是因?yàn)槌跗诋a(chǎn)生的分解氣缺乏產(chǎn)出通道，難以轉(zhuǎn)化為產(chǎn)量。水合物分解提高了儲(chǔ)層的滲透率，因此前期積累的分解氣也轉(zhuǎn)化成產(chǎn)出氣，表現(xiàn)為產(chǎn)氣速度高于分解氣速度。隨著儲(chǔ)層能量衰竭和積累的分解氣全部產(chǎn)出，產(chǎn)氣速度與分解氣速度相同。

如圖3所示，產(chǎn)水速度則隨生產(chǎn)時(shí)間的增加而逐漸下降，最終在較小數(shù)值趨于平緩。其中最大產(chǎn)水速度在降壓開(kāi)采的生產(chǎn)初期獲得，產(chǎn)水速度的峰值超過(guò)3.00×104t/d，當(dāng)生產(chǎn)時(shí)間為136天時(shí)產(chǎn)水速度降至8.46×103t/d，累產(chǎn)水量21.32×104t。由此可以發(fā)現(xiàn)，早期的較大壓差會(huì)造成開(kāi)采初期大量產(chǎn)水，應(yīng)合理配置產(chǎn)出水處理措施來(lái)保障正常生產(chǎn)，并利用分階段降壓等方式降低早期的產(chǎn)水量。

圖2 Ⅲ類天然氣水合物藏基礎(chǔ)模型產(chǎn)氣速度和累產(chǎn)氣曲線

圖3 Ⅲ類天然氣水合物藏基礎(chǔ)模型產(chǎn)水速度和累產(chǎn)水曲線

3 敏感性分析

3.1 水合物飽和度

分別選取水合物飽和度為0.3、0.4、0.5、0.6和0.7，對(duì)水合物飽和度進(jìn)行敏感性分析。結(jié)果表明，產(chǎn)氣速度峰值隨水合物飽和度增加逐漸降低，出現(xiàn)時(shí)間延后；但在緩慢下降階段，高水合物飽和度情況下的產(chǎn)氣速度高于其他曲線(圖4)。這是因?yàn)?，水合物以固體形態(tài)存在于多孔介質(zhì)中，因此飽和度的增加會(huì)降低儲(chǔ)層流體的有效滲透率，導(dǎo)致儲(chǔ)層內(nèi)的壓力傳播速度下降，產(chǎn)氣速度降低且各生產(chǎn)階段間的時(shí)間節(jié)點(diǎn)后移。在生產(chǎn)末期，受到儲(chǔ)層內(nèi)剩余天然氣水合物總量的影響，表現(xiàn)出產(chǎn)氣速度較高的現(xiàn)象。因此，對(duì)于高天然氣水合物飽和度儲(chǔ)層，可采取壓裂等措施來(lái)提高水合物藏的滲流能力[19]，從而釋放產(chǎn)能。

圖4 水合物飽和度對(duì)產(chǎn)氣速度的影響

3.2 殘余氣飽和度

分別選取殘余氣飽和度為0、0.05、0.10、0.15和0.20，對(duì)殘余氣飽和度進(jìn)行敏感性分析，結(jié)果表明，不同殘余氣飽和度條件下產(chǎn)氣速度曲線形態(tài)具有相似性，且殘余氣飽和度越高，產(chǎn)氣速度的峰值越低且延后，后期產(chǎn)氣速度趨同(圖5)。這是因?yàn)闅堄鄽怙柡投仍黾訒?huì)降低氣相滲透率，導(dǎo)致壓力傳播速度減慢，進(jìn)而水合物分解產(chǎn)氣效應(yīng)不足以克服生產(chǎn)壓差下降導(dǎo)致的產(chǎn)氣速度降低，最終產(chǎn)氣速度下降且生產(chǎn)進(jìn)程延后。這說(shuō)明，殘余氣飽和度過(guò)高不利于Ⅲ類天然氣水合物藏的經(jīng)濟(jì)高效開(kāi)采。

圖5 殘余氣飽和度對(duì)產(chǎn)氣速度的影響

3.3 生產(chǎn)壓力

分別選取生產(chǎn)壓力為3、4、5、6和7 MPa，對(duì)生產(chǎn)壓力進(jìn)行敏感性分析，結(jié)果表明，隨著生產(chǎn)壓力的增加，產(chǎn)氣峰值降低且延后外，產(chǎn)氣速度在整個(gè)生產(chǎn)階段內(nèi)均減少(圖6)。這是因?yàn)樗衔镩_(kāi)采可能利用的儲(chǔ)層能量與生產(chǎn)壓力相關(guān)，生產(chǎn)壓力降低能夠提高生產(chǎn)壓差。因此，降低生產(chǎn)壓力是提高Ⅲ類水合物藏降壓開(kāi)采效益的有效方法。因此在生產(chǎn)條件和儲(chǔ)層環(huán)境允許條件下，應(yīng)盡可能增大生產(chǎn)壓差，但是需要考慮儲(chǔ)層出砂和變形等帶來(lái)的不利影響[20-21]。

圖6 生產(chǎn)壓力對(duì)產(chǎn)氣速度的影響

3.4 水平段長(zhǎng)度

分別選取直井及水平井長(zhǎng)度為100、200、300、400和500 m，對(duì)水平井長(zhǎng)度進(jìn)行敏感性分析。結(jié)果表明，相對(duì)于直井，水平段顯著提高了產(chǎn)氣速度。然而，水平段長(zhǎng)度的改變并未改變產(chǎn)氣速度的整體變化趨勢(shì)，仍呈現(xiàn)先增后減的變化規(guī)律，但產(chǎn)氣速度曲線峰值增加且出現(xiàn)時(shí)間提前(圖7)。這是因?yàn)?，水合物?chǔ)層與井筒的接觸面積隨著水平段的增加而增加，壓力傳播至儲(chǔ)層邊界的時(shí)間也相應(yīng)縮短，從而增加了水合物儲(chǔ)層的控制面積和分解速度，因此產(chǎn)氣峰值與水平段長(zhǎng)度并非嚴(yán)格的線性關(guān)系。除增加水平段長(zhǎng)度外，還可以通過(guò)多分支水平井等技術(shù)來(lái)提高產(chǎn)氣速度。

圖7 水平井長(zhǎng)度對(duì)產(chǎn)氣速度的影響

4 結(jié)論

1) 水平降壓開(kāi)采Ⅲ類水合物藏，產(chǎn)氣曲線具有顯著的峰值和階段性，可分為波動(dòng)上升階段、快速下降階段和緩慢下降段。產(chǎn)水速度隨生產(chǎn)時(shí)間的增加而逐漸下降，最終趨于平緩。因此在生產(chǎn)初期要合理配置產(chǎn)出水處理裝置。

2) 產(chǎn)氣速度峰值隨水合物飽和度增加而降低，出現(xiàn)時(shí)間延后。高天然氣水合物飽和度儲(chǔ)層，可采取壓裂等措施來(lái)釋放產(chǎn)能。殘余氣飽和度的增加會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)氣速度的峰值降低且延后，不利于Ⅲ類天然氣水合物藏的經(jīng)濟(jì)高效開(kāi)采。

3) 生產(chǎn)壓力的降低能夠提高產(chǎn)氣峰值且加快整個(gè)生產(chǎn)進(jìn)程，在生產(chǎn)條件和儲(chǔ)層環(huán)境允許條件下，應(yīng)調(diào)整生產(chǎn)壓差合理配產(chǎn)。隨著水平段長(zhǎng)度的增加，產(chǎn)氣速度曲線峰值增加且出現(xiàn)時(shí)間提前，但產(chǎn)氣峰值與水平段長(zhǎng)度并非嚴(yán)格的線性關(guān)系。