基于數(shù)值模擬的天然氣水合物和淺層氣合采產(chǎn)能影響因素研究

溫慧蕓

（1.天然氣水合物國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102209；2.中海油研究總院有限責(zé)任公司，北京 100028）

0 引言

天然氣水合物（以下簡稱水合物）作為21世紀(jì)新型的潔凈能源資源，被認(rèn)為是未來最具商業(yè)開發(fā)前景的戰(zhàn)略資源之一［1］。中國水合物分布廣泛，作為獨(dú)立礦種，已成為煤層氣、頁巖氣、水合物三大非常規(guī)天然氣資源的典型代表［2-3］。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［4-6］。截止到目前，在俄羅斯西伯利亞平原、加拿大北部麥肯齊三角洲、阿拉斯加州埃爾伯特山北坡、日本南海海槽和中國南海神狐海域相繼進(jìn)行了水合物現(xiàn)場測試開采［7-10］，然而，迄今為止，僅有俄羅斯西伯利亞的麥索亞哈氣田水合物藏是世界唯一獲得商業(yè)開采的水合物藏［11-13］，該水合物藏連續(xù)生產(chǎn)40余年，約累計(jì)生產(chǎn)游離氣8×109m3，水合物分解氣3×109m3，而其他現(xiàn)場測試開采點(diǎn)均由于產(chǎn)能效率較低（小于2×104m3／d）而被迫中止。所以，無論是我國還是國外水合物試采，與商業(yè)性開采氣田的距離還很遠(yuǎn)，還有很多關(guān)鍵技術(shù)問題需要解決［14］。而水合物能否滿足產(chǎn)業(yè)化開采的標(biāo)準(zhǔn)，最主要的一方面就是天然氣的產(chǎn)能。為此，聯(lián)合水合物藏下覆淺層氣進(jìn)行試采研究，采用數(shù)值模擬對合采時(shí)參數(shù)的敏感性進(jìn)行分析，以期能夠有效指導(dǎo)后期水合物和淺層氣開采方案設(shè)計(jì)。

1 降壓合采數(shù)值模擬模型

針對水合物開采數(shù)值模擬，常用Tough-Hydrate［15-17］和CMG軟件開展。CMG油藏?cái)?shù)值模擬軟件是目前較為成熟的大型商業(yè)數(shù)值模擬軟件，適用于油氣田開發(fā)全三維模擬。其中，CMG-STARS模塊為組分模擬器，可利用阿爾紐斯反應(yīng)動力學(xué)方程，自定義添加物理化學(xué)反應(yīng)，以動力學(xué)模型模擬天然氣水合物降壓、注熱等開采方法。此外，CMG軟件擁有較為靈活的復(fù)雜結(jié)構(gòu)井處理模塊，可模擬定向井、水平井、水平分支井等多種井型。因此，采用CMG-STARS模塊開展開采模擬研究。

1.1 模型建立條件

水合物和淺層氣合采開采數(shù)值模擬條件如下：（1）定義水合物藏包含氣、液、固相的三相三組分體系。水合物為固相，賦存于巖石孔隙中，但水合物不能以流體飽和度形式進(jìn)行初始化，需要將其飽和度轉(zhuǎn)化為固相濃度，同時(shí)，設(shè)定的含水飽和度與含氣飽和度滿足關(guān)系式Sw＋Sg＝1；（2）水合物分解過程中流體滲透率依賴于儲層孔隙度的變化，滿足Kozeny-Carman方程［18］；（3）水合物為純的甲烷水合物，水合物生產(chǎn)或分解滿足相平衡反應(yīng)方程。

1.2 模型的建立

選定M油田H1井作為試采模擬井，儲層物性參數(shù)和地層溫壓參數(shù)分別見附表1和附表2。采用直角網(wǎng)格建立水合物藏模型，如圖1所示，模型從上至下分別蓋層、水合物藏（58 m）、隔層、淺層氣（24 m）、蓋層。

圖1 水合物和淺層氣理論模型圖

表1 試采模擬儲層物性參數(shù)表

表2 試采模擬儲層溫壓條件表

根據(jù)H1鉆井設(shè)計(jì)方案，基礎(chǔ)井網(wǎng)設(shè)計(jì)：在水合物層，水平分支有效長度（有效長度指井在水合物層中鉆遇有效含水合物儲層的井長度，NTG＝1，水合物飽和度0.40）為343 m，其中2分支各100 m，主井眼143 m；在淺層氣層水平分支有效長度（有效長度指井在淺層氣層中鉆遇有效含氣儲層的井長度，NTG＝1，含氣飽和度0.31）為652 m，其中主井眼水平段300 m，2分支各100 m，如圖2所示。

圖2 水合物層和淺層氣分支井軌跡示意圖

模擬試采過程中，水相相對滲透率（Krw）、氣相相對滲透率（Krg）［19］和毛細(xì)管壓力（Pc）［20］的計(jì)算式分別為：

其中，

式中，Swr為束縛水飽和度，Sgr為殘余氣飽和度，krw0和krg0是滲透率端點(diǎn)值，是毛管壓力端點(diǎn)值，m為van Genuchten參數(shù)。

氣液相對滲透率曲線及毛管壓力、相平衡曲線分別如圖3、圖4所示：

圖3 氣液相對滲透率曲線圖

圖4 相平衡曲線圖

2 模擬指標(biāo)分析

本次數(shù)模試采采用降壓開采，劃分為兩個(gè)階段：第一階段，單采水合物藏7天；第二階段，水合物藏與淺層氣聯(lián)合開采，模擬時(shí)設(shè)置井底流壓為3 MPa和5 MPa，考慮生產(chǎn)實(shí)際，分析儲層物性、井型和水平段有效長度時(shí)采用井底流壓5 MPa。

2.1 最小井底流壓敏感性分析

根據(jù)目前探測水合物礦的儲層特征，本次設(shè)計(jì)8組模型，天然氣水合物滲透率與淺層氣滲透率比值為1∶8，每組滲透率比值下分別設(shè)置井底流壓為3 MPa和5 MPa，模擬結(jié)果如表3所示，結(jié)果表明，相同滲透率條件下，井底最小流壓越小，累產(chǎn)氣越高，不同滲透率比值條件下，隨著井底流壓變大，不同階段的高峰日產(chǎn)氣量和平均日產(chǎn)氣量是減小的。這主要是因?yàn)樵诮祲洪_采過程中，井底流壓越低，近井筒周圍形成的壓力梯度越大，水合物分解的降壓驅(qū)動力越大。

表3 不同最小井底流壓下產(chǎn)氣指標(biāo)對比表

2.2 滲透率敏感性分析

水合物滲透率和淺層氣滲透率不同。水合物滲透率為2.5 mD，淺層氣滲透率分別設(shè)置為2.5 mD、5.0 mD、8.0 mD、10.0 mD、15.0 mD、20.0 mD、25.0 mD，同時(shí)考慮最小井底流壓為5MPa。由表4中可以得出：①隨著淺層氣儲層滲透率的增加，不同階段下高峰日產(chǎn)氣和平均日產(chǎn)氣隨滲透率的增加非線性增加。以淺層氣滲透率10.0 mD為分界線，淺層氣滲透率小于10.0 mD，平均日產(chǎn)氣量增加速度快，淺層氣滲透率大于10.0 mD，平均日產(chǎn)氣量增加速度較緩，如圖5；②當(dāng)水合物藏儲層滲透率為2.5 mD時(shí)，淺層氣儲層滲透率小于15 mD，試采期儲層平均日產(chǎn)氣量無法達(dá)到日均5×104m3的產(chǎn)能。

圖5 不同滲透率下平均日產(chǎn)氣速率圖

表4 水合物和淺層氣不同的儲層滲透率下產(chǎn)氣指標(biāo)對比表

水合物滲透率和淺層氣滲透率相同時(shí)。水合物滲透率、淺層氣滲透率分別設(shè)置為0.1 mD、1.0 mD、2.0 mD、4.0 mD、5.0 mD、6.0 mD、8.0 mD、15.0 mD、20.0 mD，同時(shí)考慮最小井底流壓為5 MPa。①隨著儲層滲透率的增加，不同階段下高峰日產(chǎn)氣和平均日產(chǎn)氣隨滲透率的增加呈非線性增加的（圖6）；②當(dāng)水合物藏儲層滲透率小于8.0 mD時(shí)，試采期儲層平均日產(chǎn)氣量無法達(dá)到日均5×104m3的產(chǎn)能（表5）。

表5 水合物和淺層氣相同的儲層滲透率下產(chǎn)氣指標(biāo)對比表

圖6 相同滲透率下平均日產(chǎn)氣速率圖

滲透率是評價(jià)天然氣水合物產(chǎn)能的重要參數(shù)，其反映了水合物儲層的滲流能力。根據(jù)模擬結(jié)果我們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)V藏的儲層滲透率較低時(shí)，會影響儲層壓降傳播速度，導(dǎo)致壓降在儲層中不能有效傳播，整個(gè)礦藏儲層的壓力不能明顯下降，水合物的分解主要集中在分解前緣，水合物分解效率較低，不僅如此，水合物藏滲透率低，還會影響天然氣的滲透速度，從而影響天然氣的產(chǎn)量。同時(shí)說明，圖5和圖6同時(shí)說明了滲透率對分解后的天然氣滲流運(yùn)移也有著很大的關(guān)系。

2.3 淺層氣開采井型分析

水合物儲層和淺層氣儲層滲透率均為5.0 mD，且設(shè)計(jì)最小井底流壓為5 MPa。淺層氣基礎(chǔ)井型為分支井，與淺層氣儲層設(shè)計(jì)為水平井（L＝300 m）開采和定向井開采的指標(biāo)進(jìn)行對比。從表6的指標(biāo)可以看出，分支井開采指標(biāo)優(yōu)于水平井和定向井，分支井開采條件下，平均日產(chǎn)氣量和累產(chǎn)氣量為定向井開采時(shí)的1.6倍。分支井能顯著提高水合物產(chǎn)能。

表6 不同井型開采產(chǎn)氣指標(biāo)對比表

這是因?yàn)?，與垂直井相比，分支井具有協(xié)同降壓作用，且比水平井還更明顯，協(xié)同降壓作用可以加快天然氣水合物的分解，從而提高天然氣的采收率。然而，在井周水合物完全分解后，協(xié)同降壓效果的增強(qiáng)作用會逐漸減弱，若不結(jié)合其他儲層改造措施，分支井開采低滲水合物和淺層氣層僅在短期內(nèi)對采收率提升有所幫助。

3 結(jié)論

（1）同等儲層條件下，最小井底流壓對開采效果影響并不是明顯，但在儲層條件和開采條件允許的情況下，降低最小井底流壓，能改善天然氣采收率。

（2）滲透率不僅影響天然氣水合物分解速度，而且對儲層流體的滲流作用也影響很大，所以滲透率對天然氣水合物的產(chǎn)能影響很大。根據(jù)常規(guī)氣田開發(fā)規(guī)律，儲層物性顯著影響產(chǎn)氣目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，因此，建議上游相關(guān)專業(yè)進(jìn)一步梳理取樣及測試數(shù)據(jù)，明確水合物層和淺層氣層有效滲透率。

（3）在不考慮考慮鉆井成本的情況下，采用分支井開采水合物和淺層氣具有較好的開發(fā)效果，但是針對低滲水合物和淺層氣層，分支井開采在短期內(nèi)對采收率提升有效果，若要長期穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)建議結(jié)合其他增產(chǎn)措施。