基于徑向井壓裂復(fù)合降壓法的天然氣水合物開(kāi)采產(chǎn)能數(shù)值模擬

惠程玉 張逸群 張潘潘 武曉亞 李根生 黃浩宸

“油氣資源與探測(cè)”國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·中國(guó)石油大學(xué)（北京）

0 引言

天然氣水合物（以下簡(jiǎn)稱水合物）是一種賦存于低溫、高壓環(huán)境的籠狀結(jié)晶化合物[1]，主要分布于凍土帶及深海大陸架沉積物中[2-3]，儲(chǔ)量可觀[4-5]。作為清潔無(wú)污染的潛在能源，水合物的開(kāi)發(fā)利用對(duì)優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，改善氣候環(huán)境具有重要意義[6-8]，常規(guī)開(kāi)采方式包括降壓法[9]、注熱法[10]、置換法[11]及注抑制劑法[12]。我國(guó)曾兩次在南海應(yīng)用降壓法開(kāi)展試采工作，其中2020年試采持續(xù)產(chǎn)氣30 d，創(chuàng)造了“累計(jì)產(chǎn)氣量 86.14×104m3，日均產(chǎn)氣量 2.87×104m3”兩項(xiàng)世界紀(jì)錄[13-15]，但產(chǎn)氣量距離水合物商業(yè)化開(kāi)發(fā)門(mén)檻仍有差距[16]，提高開(kāi)采效率成為開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵所在[17]。

前人研究結(jié)果表明，水合物沉積物具備可壓性，壓裂裂縫可以促進(jìn)壓力降傳播，壓裂是提高水合物開(kāi)采效率的潛在方法之一[18]。前人已對(duì)水合物儲(chǔ)層水力壓裂可行性及增產(chǎn)能力開(kāi)展了部分研究，Konno等[19]通過(guò)CT掃描發(fā)現(xiàn)水合物沉積物中可以產(chǎn)生高導(dǎo)流裂縫，且在壓力作用下裂縫閉合后，滲透率仍有所提高。楊柳等[20]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)粉質(zhì)黏土沉積物骨架可以產(chǎn)生垂直裂縫及水平裂縫。Chen等[21]研究發(fā)現(xiàn)，相鄰裂縫可促進(jìn)縫間水合物的分解，且增產(chǎn)效率隨間距增加先增大后減小。Feng等[22]研究發(fā)現(xiàn)，壓裂與降壓法聯(lián)合開(kāi)采可以提高儲(chǔ)層中分解氣進(jìn)入井筒的比例，從而提高生產(chǎn)氣水比。Sun等[23]在二維模型中比較了水平裂縫與豎直裂縫的增產(chǎn)效果，豎直縫較早打開(kāi)邊界層，減弱了壓力降傳播，長(zhǎng)期開(kāi)采中水平縫效果更好。

針對(duì)我國(guó)南海水合物泥質(zhì)粉砂儲(chǔ)層低滲弱膠結(jié)的特點(diǎn)，李根生等[24-26]提出了空化射流鉆徑向水平井+篩管完井一體化防砂開(kāi)采水合物新方法，但當(dāng)前徑向井分支數(shù)與裂縫參數(shù)對(duì)產(chǎn)能的影響規(guī)律研究仍相對(duì)較少，水合物增產(chǎn)缺乏理論基礎(chǔ)。為此，本文提出了徑向井復(fù)合壓裂降壓法開(kāi)采水合物新思路。針對(duì)徑向井壓裂開(kāi)采水合物藏，建立了三維數(shù)值模型，設(shè)置了不同參數(shù)的徑向井及壓裂裂縫，對(duì)比開(kāi)采過(guò)程中儲(chǔ)層的壓力溫度響應(yīng)、產(chǎn)氣產(chǎn)水特征以及水合物、甲烷的飽和度變化規(guī)律，進(jìn)一步分析了徑向井分支數(shù)及裂縫參數(shù)對(duì)于水合物開(kāi)采的影響規(guī)律，以期促進(jìn)我國(guó)南海水合物早日實(shí)現(xiàn)商業(yè)化開(kāi)采。

1 數(shù)值模型

1.1 水合物儲(chǔ)層產(chǎn)能模擬工具

隨著對(duì)水合物研究的逐漸深入，當(dāng)前全球范圍內(nèi)已經(jīng)形成多種水合物數(shù)值模擬方法，可分為研究型程序和商業(yè)化軟件。其中主要包括：美國(guó)勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的HydrateResSim (HRS)和TOUGH+HYDRATE，日本東京大學(xué)研發(fā)的MH21-HYDRES，加拿大卡爾加里大學(xué)基于GPRS模擬器開(kāi)發(fā)的GPRS-Hydrate模塊以及CMG公司開(kāi)發(fā)的CMG STARS模擬器[27]。

本文研究使用HRS作為數(shù)值模擬工具，這是目前學(xué)者們唯一能夠免費(fèi)獲取源代碼的模擬程序[28]。該程序包含兩種描述水合物合成與分解的模型，分別為相平衡模型與動(dòng)力學(xué)模型。模擬中可以包含4種相態(tài)：液相、氣相、水合物固相以及冰固相。HRS采用達(dá)西定律描述含水合物沉積物中甲烷和水的滲流行為，可以模擬熱量的流動(dòng)、傳輸和交換（水合物合成及分解），還考慮了儲(chǔ)層壓縮性的影響（溫度壓力變化對(duì)儲(chǔ)層孔隙度的影響），能夠?qū)崿F(xiàn)不同尺度下水合物降壓法及注熱開(kāi)采產(chǎn)能模擬。

1.2 相平衡模型中的數(shù)學(xué)方程

前人研究結(jié)果表明，在模型為礦藏尺度且開(kāi)采時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，HRS提供的相平衡模型與動(dòng)力學(xué)模型所取得的結(jié)果相似[29]?？紤]到運(yùn)算效率，本文研究選用相平衡模型，該模型中，水合物相不作為獨(dú)立組分參與運(yùn)算，初始儲(chǔ)層中水合物為固態(tài)，壓力溫度條件達(dá)到相變反應(yīng)要求時(shí)發(fā)生水合物相變過(guò)程，這一過(guò)程由反應(yīng)中傳質(zhì)傳熱決定。

本文研究中，假設(shè)儲(chǔ)層中水合物類型為單一甲烷水合物，基于熱動(dòng)力學(xué)原理，反應(yīng)過(guò)程中甲烷水合物生成及分解如式（1）：

式中Nm表示反應(yīng)水化數(shù)，下標(biāo)m代表甲烷。

HRS使用積分有限差分法對(duì)模擬域進(jìn)行離散，離散后單個(gè)控制體單元內(nèi)，不同組分的質(zhì)量/能量守恒方程如式（2）：

式中Vn表示控制體單元體積，m3；M K表示組分K的質(zhì)量密度，kg/m3，表示組分K的能量密度時(shí)，為 J/m3；Гn表示控制體單元表面積，m2；F K表示組分K的達(dá)西質(zhì)量通量， kg/(m2·s)，表示組分K的達(dá)西能量通量時(shí)，為J/(m2·s)；n表示單位法向量，無(wú)量綱；qK表示源匯項(xiàng)，表示注入或產(chǎn)出的質(zhì)量通量，kg/(m3·s)，表示組分K的能量通量時(shí)，為 J/(m3·s)。

相平衡反應(yīng)方程運(yùn)算中，組分K的質(zhì)量累計(jì)項(xiàng)M K如式（3）所示：

式中φ表示孔隙度，無(wú)量綱；β表示組分K的相態(tài)，包括氣、液兩相；Sβ表示β相態(tài)在儲(chǔ)層孔隙中的飽和度，無(wú)量綱；ρβ表示β相態(tài)的密度，kg/m3；表示組分K在β相態(tài)中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，無(wú)量綱。

組分K在不同相態(tài)中的質(zhì)量流量通量符合達(dá)西定理，其表達(dá)如式（4）：

式中K0表示儲(chǔ)層的原始滲透率，m2；Krβ表示β相在孔隙中的相對(duì)滲透率，無(wú)量綱；μβ表示β相的黏度，Pa·s；g表示重力加速度，m/s2。

對(duì)于組分K源匯項(xiàng)的處理如式（5）：

式中qβ表示組分K為β相態(tài)時(shí)的質(zhì)量流量，kg/(m3·s)。

溫度壓力變化影響下儲(chǔ)層的孔隙度變化如式（6）：

式中φ'表示溫壓作用影響下的孔隙度，m2；Cp表示巖石的壓力壓縮因子，Pa-1；Δp表示儲(chǔ)層壓力變化，Pa；CT表示巖石的溫度壓縮因子，K-1；ΔT表示儲(chǔ)層溫度變化，K。

1.3 模型描述

本模型的建立基于Moridis[30]劃分的第3類水合物藏，即地層中只包含單一的水合物儲(chǔ)層，不存在游離氣層或混合層，模型參數(shù)選擇基于我國(guó)南海神狐海域水合物測(cè)井資料[31-32]。

筆者提出的徑向井復(fù)合壓裂降壓法開(kāi)采水合物思路如圖1所示。選用雙分支與四分支徑向井開(kāi)展壓裂增產(chǎn)研究，考慮到數(shù)值模擬對(duì)稱的特點(diǎn)，建立礦藏尺度 1/4 模型，模型大小為 100 m×100 m×100 m。模型頂部深度為1 285 m，水合物儲(chǔ)層位于模型中部，厚度為40 m，上覆層和下伏層為滲透性蓋層，厚度為30 m，儲(chǔ)層與蓋層傳熱以熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流方式進(jìn)行。主井筒和徑向井筒水力半徑均設(shè)置為0.1 m，徑向井分支長(zhǎng)度為20 m，位置設(shè)置于水合物儲(chǔ)層中間，雙分支井模型如圖2所示。距離主井筒7.5 m和14 m處分別預(yù)置壓裂裂縫網(wǎng)格，設(shè)置每個(gè)徑向井分支裂縫總長(zhǎng)度為40 m，裂縫寬度為0.005 m[33]，忽略地應(yīng)力的影響，裂縫形態(tài)在開(kāi)采過(guò)程中保持不變。分別設(shè)置7個(gè)算例，具體算例設(shè)計(jì)如表1所示。

圖1 徑向井+篩管完井一體化復(fù)合壓裂開(kāi)采方法示意圖

圖2 模型設(shè)置示意圖

表1 算例設(shè)計(jì)方案表

1.4 網(wǎng)格劃分與初始化

考慮到降壓法所引起的水合物相變與傳質(zhì)傳熱主要發(fā)生在井筒及裂縫區(qū)域附近，對(duì)此區(qū)域網(wǎng)格使用等比方式進(jìn)行加密，x與y方向加密方式相同。本文所建立的三維模型網(wǎng)格劃分方式如圖3所示。考慮到優(yōu)化網(wǎng)格數(shù)量與運(yùn)算效率，對(duì)模型做網(wǎng)格無(wú)關(guān)性分析，結(jié)果如圖4所示，可見(jiàn)網(wǎng)格數(shù)量超過(guò)3.5×104時(shí)水合物產(chǎn)能基本相同。本研究中選用數(shù)量為4.0×104的網(wǎng)格模型，加入裂縫網(wǎng)格后整個(gè)模擬區(qū)域共有網(wǎng)格43 953個(gè)。主井筒壓力設(shè)置為3 MPa模擬降壓開(kāi)采方法，開(kāi)采過(guò)程中保持不變。為模擬真實(shí)井筒環(huán)境并減少運(yùn)算時(shí)長(zhǎng)，本文借鑒前人模型設(shè)置方式[34]，將井筒網(wǎng)格軸向與徑向滲透率分別設(shè)為 5×10-9m2、1×10-11m2，孔隙度設(shè)置為1，相對(duì)滲透率等于絕對(duì)滲透率，且不存在毛細(xì)管力。裂縫區(qū)域網(wǎng)格滲透率設(shè)為 1×10-10m2[21-22]，孔隙度為 0.5，假定此區(qū)域水合物在壓裂過(guò)程中已完全分解，水合物飽和度設(shè)置為0。模型頂部和底部邊界處的溫度與壓力條件恒定，從而模擬邊界處滲流與傳熱的影響[35]，模型初始溫壓條件如圖5所示，關(guān)于模型更多參數(shù)設(shè)置如表2所示。

圖3 模型網(wǎng)格劃分示意圖

圖4 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性分析產(chǎn)氣量圖

圖5 模型初始溫壓條件示意圖

表2 模型中應(yīng)用的水合物藏參數(shù)表

2 結(jié)果與討論

2.1 儲(chǔ)層壓力變化

降壓法通過(guò)降低儲(chǔ)層壓力至水合物平衡態(tài)壓力之下，促使水合物發(fā)生分解。圖6分別繪制了算例1～4在x-y平面降壓開(kāi)采不同時(shí)長(zhǎng)儲(chǔ)層壓力分布云圖。降壓開(kāi)采10 d時(shí)，算例1壓力降由徑向井向儲(chǔ)層內(nèi)部傳播，低壓區(qū)域（儲(chǔ)層壓力＜6 MPa）沿x軸呈梭形分布，壓力降傳播前緣呈不規(guī)則半圓形。由于徑向井軸向滲透率較高，開(kāi)采初期（前100 d），壓力降沿x方向傳播距離更遠(yuǎn)，傳播至儲(chǔ)層內(nèi)50 m處。隨著開(kāi)采的進(jìn)行，壓力降逐漸傳播至儲(chǔ)層內(nèi)部，水合物分解區(qū)域逐漸擴(kuò)大。由于儲(chǔ)層初始滲透率較低，生產(chǎn)壓差主要用于克服近井周圍滲透阻力，近井區(qū)域降壓效果優(yōu)于遠(yuǎn)井區(qū)域。

圖6 x-y平面算例1～4開(kāi)采不同時(shí)長(zhǎng)下儲(chǔ)層壓力分布云圖

對(duì)比算例2～4儲(chǔ)層壓力分布云圖（圖6）發(fā)現(xiàn)，壓裂裂縫在整個(gè)開(kāi)采周期均有效提升了y方向壓力降傳播距離。開(kāi)采第10 d，算例2、3中y方向壓力降前緣分別傳播至48 m、45 m處，可見(jiàn)裂縫半長(zhǎng)相等時(shí)，距離主井筒越近，開(kāi)采初期克服近井地帶滲流阻力表現(xiàn)越好，越有利于壓力降傳播至儲(chǔ)層內(nèi)部。同時(shí)期算例4壓力降沿y方向僅傳播至41 m處，即開(kāi)采初期單條長(zhǎng)裂縫構(gòu)建的高導(dǎo)流通道達(dá)到儲(chǔ)層更遠(yuǎn)處，促使壓力降早期快速傳播。對(duì)比不同開(kāi)采時(shí)長(zhǎng)壓力云圖發(fā)現(xiàn)，壓力降傳播主要發(fā)生在前100 d。對(duì)比第600 d與第800 d壓力分布云圖，壓力降傳播前緣位置變化不明顯，且低壓區(qū)域相較于前100 d范圍變小，說(shuō)明儲(chǔ)層壓力發(fā)生恢復(fù)。開(kāi)采進(jìn)行到第800 d時(shí)，對(duì)比不同算例壓力分布云圖發(fā)現(xiàn)，算例4低壓區(qū)域分布最廣。綜上所述，單條長(zhǎng)裂縫在開(kāi)采前期有利于壓力降快速傳播，增加裂縫數(shù)量在開(kāi)采后期降壓表現(xiàn)更好。

2.2 儲(chǔ)層溫度響應(yīng)

水合物分解反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，降壓開(kāi)采過(guò)程中儲(chǔ)層溫度場(chǎng)會(huì)發(fā)生變化。圖7分別繪制了算例1、4在x-y平面降壓開(kāi)采不同時(shí)長(zhǎng)儲(chǔ)層溫度分布云圖。比較不同開(kāi)采時(shí)長(zhǎng)溫度分布云圖發(fā)現(xiàn)，開(kāi)采初期低溫區(qū)域主要圍繞主井筒附近，隨著開(kāi)采的進(jìn)行，低溫區(qū)域呈梭形向儲(chǔ)層內(nèi)部逐漸擴(kuò)展。對(duì)比2個(gè)算例前100 d內(nèi)溫度分布圖發(fā)現(xiàn)，算例4低溫區(qū)域范圍更廣，壓裂裂縫提高了水合物分解效率。結(jié)合相同開(kāi)采時(shí)長(zhǎng)壓力分布圖發(fā)現(xiàn)，低溫區(qū)域面積小于壓力降傳播范圍，即水合物分解速度落后于壓力降傳播速度。

圖7 x-y平面算例1、4開(kāi)采不同時(shí)長(zhǎng)下儲(chǔ)層溫度分布云圖

前人研究表明，水合物開(kāi)采過(guò)程中存在自鎖效應(yīng)[4]：分解反應(yīng)會(huì)吸收儲(chǔ)層內(nèi)部熱量導(dǎo)致溫度降低，同時(shí)分解氣會(huì)導(dǎo)致儲(chǔ)層內(nèi)壓力升高，由于儲(chǔ)層滲透率較低，壓力與熱量無(wú)法快速傳遞及補(bǔ)充，在高壓低溫條件下會(huì)發(fā)生水合物二次生成。觀察儲(chǔ)層溫度分布云圖，發(fā)現(xiàn)在低溫區(qū)域外圍，水合物二次生成釋放熱量導(dǎo)致存在部分區(qū)域溫度高于儲(chǔ)層初始溫度。開(kāi)采進(jìn)行到第100 d，算例4二次生成高溫區(qū)域范圍最廣，即有最多的分解氣參與了水合物二次生成。圖8分別繪制了算例1～4在x-z平面降壓開(kāi)采不同時(shí)長(zhǎng)儲(chǔ)層溫度分布云圖。對(duì)比x-z方向溫度分布云圖，開(kāi)采進(jìn)行到第100 d，邊界層溫度出現(xiàn)明顯擾動(dòng)，結(jié)合壓力分布圖發(fā)現(xiàn)，此時(shí)壓力降已傳播到邊界層，上覆層及下伏層兩個(gè)滲透性邊界開(kāi)始對(duì)儲(chǔ)層進(jìn)行熱量補(bǔ)充。開(kāi)采進(jìn)行到第600 d時(shí)，受下伏層熱量補(bǔ)充影響，近井地帶低溫區(qū)域完全消失。開(kāi)采進(jìn)行到第800天時(shí)，觀察到算例1仍存在水合物二次合成所產(chǎn)生的高溫區(qū)域，其余3組算例中下伏層熱量均補(bǔ)充至水合物層中部，熱量補(bǔ)充范圍：算例4＞算例2＞算例3。研究表明壓裂裂縫加速了下伏層熱量補(bǔ)給，總縫長(zhǎng)相同時(shí)增加裂縫數(shù)量可以提高補(bǔ)充效率。

圖8 x-z平面算例1～4開(kāi)采不同時(shí)長(zhǎng)下儲(chǔ)層溫度分布云圖

2.3 水合物飽和度變化

基于前述分析可知壓裂裂縫有效提高了壓力降傳播范圍，促進(jìn)了水合物分解。圖9分別繪制了算例1～4在x-y平面降壓開(kāi)采不同時(shí)長(zhǎng)水合物飽和度分布云圖。觀察水合物飽和度分布圖發(fā)現(xiàn)，水合物分解并非從主井筒均勻向儲(chǔ)層推進(jìn)，壓力降傳播速度高于水合物分解速度，水合物分解僅發(fā)生在滿足低于平衡態(tài)壓力的儲(chǔ)層區(qū)域。開(kāi)采初期，水合物分解主要圍繞徑向井井筒及壓裂裂縫區(qū)域發(fā)生。隨著水合物開(kāi)采進(jìn)行，有無(wú)裂縫存在的情況下，水合物分解前緣沿x方向變化較小，沿y方向變化較為明顯，這與壓力降傳播方式相對(duì)應(yīng)。在算例 1中，水合物分解區(qū)域呈矩形從徑向井筒逐漸向儲(chǔ)層內(nèi)部推進(jìn)，在算例2～4中，水合物分解區(qū)域以徑向井和裂縫兩者為起點(diǎn)，呈不規(guī)則形狀向儲(chǔ)層內(nèi)部推進(jìn)。水合物開(kāi)采進(jìn)行到第600 d時(shí)，算例2、3中水合物分解區(qū)域并未完全覆蓋裂縫區(qū)域，且在開(kāi)采進(jìn)行到第800 d時(shí)，分解區(qū)域幾乎沒(méi)有變化。對(duì)比算例4，在第600 d時(shí)，完全分解區(qū)域已經(jīng)達(dá)到裂縫前端，形狀近似呈矩形，與算例1相似，但是范圍更廣。由此說(shuō)明，壓裂裂縫所構(gòu)建的高導(dǎo)流通道在近井區(qū)域可有效克服滲流阻力，促進(jìn)壓力降傳播，但在遠(yuǎn)井裂縫存在區(qū)域，壓力降作用大大降低，不足以滿足水合物分解要求。

圖9 x-y平面算例1～4開(kāi)采不同時(shí)長(zhǎng)下水合物飽和度分布云圖

圖10分別繪制了算例1、4在x-z平面降壓開(kāi)采不同時(shí)長(zhǎng)儲(chǔ)層水合物飽和度分布云圖。對(duì)比算例1、4在x-z平面水合物飽和度分布圖，發(fā)現(xiàn)不考慮縫高影響時(shí)，壓裂裂縫對(duì)于x-z方向水合物分解模式影響較小，水合物分解模式基本一致，均是從分支井筒開(kāi)始逐漸向儲(chǔ)層內(nèi)部分解。開(kāi)采前100 d，可以觀察到在分解區(qū)域外圍有高于初始飽和度的水合物二次生成區(qū)域，在壓力降傳播到邊界層后，受擾動(dòng)的影響，邊界層開(kāi)始向水合物層補(bǔ)充熱量。開(kāi)采進(jìn)行到第600 d時(shí)，下伏層與水合物層之間的屏障并未完全分解，可觀察到二次生成水合物已經(jīng)逐漸分解。開(kāi)采進(jìn)行到第800 d時(shí)，分支井筒與下伏層間的通道均已打開(kāi)，更利于下伏層熱量對(duì)水合物層進(jìn)行補(bǔ)充。這一結(jié)果與溫度分布圖相對(duì)應(yīng)，即算例4更有利于開(kāi)采后期下伏層對(duì)水合物層的熱量補(bǔ)充。在水合物開(kāi)采前期，降壓法對(duì)水合物分解影響較大，在水合物開(kāi)采后期，地層熱量補(bǔ)充為主要影響因素。

圖10 x-z平面算例1、4開(kāi)采不同時(shí)長(zhǎng)下水合物飽和度分布云圖

2.4 甲烷飽和度變化

圖11分別繪制了算例1、4在x-y及x-z平面降壓開(kāi)采不同時(shí)長(zhǎng)甲烷飽和度分布云圖。開(kāi)采進(jìn)行到第10 d時(shí)，高甲烷飽和度區(qū)域（＞0.12）出現(xiàn)在分支井近井區(qū)域。開(kāi)采進(jìn)行到第50 d時(shí)，算例4中近井端裂縫區(qū)域甲烷氣體飽和度高于遠(yuǎn)井端裂縫，這一現(xiàn)象符合壓力降傳播規(guī)律，近井裂縫更有利于開(kāi)采初期壓力降傳播，提高水合物分解效率。由于儲(chǔ)層初始滲透率較低，前期壓力降迅速傳播，水合物大量分解產(chǎn)生甲烷氣體無(wú)法及時(shí)進(jìn)入井筒采出，導(dǎo)致儲(chǔ)層內(nèi)部甲烷飽和度升高。隨著開(kāi)采的進(jìn)行，壓力降傳播速度逐漸降低，分解氣量逐漸減少，且前期分解氣逐漸采出，甲烷氣體飽和度降低。開(kāi)采進(jìn)行到第600 d時(shí)，水合物分解區(qū)域甲烷飽和度已經(jīng)降至0.1已下。開(kāi)采進(jìn)行到第800 d時(shí)，分解區(qū)域與下伏層的屏障已經(jīng)被破壞，邊界層能量對(duì)壓降區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)充，此時(shí)甲烷氣體飽和度并未有明顯升高，即二次生成水合物分解所產(chǎn)生甲烷對(duì)飽和度影響較小。

圖11 x-y及x-z平面算例1、4開(kāi)采不同時(shí)長(zhǎng)下甲烷飽和度分布云圖

前述內(nèi)容中，為了便于解釋徑向井壓裂復(fù)合降壓法開(kāi)采的增產(chǎn)規(guī)律，筆者討論了壓力場(chǎng)、溫度場(chǎng)、水合物飽和度以及甲烷飽和度的變化趨勢(shì)，但實(shí)際開(kāi)采過(guò)程中，不同物理場(chǎng)之間相互影響，并無(wú)絕對(duì)的先后關(guān)系[34]。開(kāi)采過(guò)程中，儲(chǔ)層中壓力的變化會(huì)引起水合物的分解與二次生成，反應(yīng)中發(fā)生的熱力學(xué)變化又會(huì)導(dǎo)致溫度場(chǎng)的改變。上述物理量在不同開(kāi)采時(shí)間的分布云圖說(shuō)明壓裂裂縫提高了壓力降在儲(chǔ)層中的傳播范圍，有效降低了開(kāi)采過(guò)程中滲流阻力，有助于提高水合物開(kāi)采效率。

2.5 產(chǎn)能分析

為了得到關(guān)于徑向井壓裂復(fù)合降壓法開(kāi)采增產(chǎn)效果定量認(rèn)識(shí)，筆者對(duì)比分析了不同徑向井分支數(shù)及壓裂裂縫在開(kāi)采過(guò)程中的產(chǎn)氣產(chǎn)水特征、甲烷采收率以及水合物分解率的變化。定義甲烷采收率為生產(chǎn)井采出的甲烷量與水合物儲(chǔ)層中甲烷原始儲(chǔ)量之比，模型設(shè)置中不存在游離氣層及混合層，產(chǎn)出的甲烷均來(lái)源于水合物分解，甲烷采收率也代表了儲(chǔ)層中水合物的采出程度。定義水合物分解率為已經(jīng)發(fā)生分解的水合物與儲(chǔ)層中初始水合物儲(chǔ)量之比，代表了水合物的分解程度。開(kāi)采過(guò)程中只有部分水合物分解后產(chǎn)生的甲烷氣體可以通過(guò)生產(chǎn)井產(chǎn)出，因此水合物分解率總是大于甲烷采收率。

圖12-a為算例1～4開(kāi)采過(guò)程中累計(jì)產(chǎn)氣量及產(chǎn)氣速率變化曲線。開(kāi)采第900 d時(shí)，算例1天然氣累計(jì)產(chǎn)量約為68×104m3，算例2與算例3累計(jì)產(chǎn)氣量均超過(guò)了75×104m3，算例4累計(jì)產(chǎn)氣量最高，超過(guò)80×104m3，即壓裂裂縫有效提高了水合物產(chǎn)氣量。開(kāi)采周期中，甲烷產(chǎn)氣速率分為3個(gè)階段：①迅速下降階段，以降壓法開(kāi)采為起點(diǎn)，持續(xù)時(shí)間較短；②持續(xù)產(chǎn)氣階段，產(chǎn)氣速率波動(dòng)下降，此階段直至水合物分解區(qū)域底部屏障破壞時(shí)結(jié)束；③熱量補(bǔ)充階段，下伏層流體的熱量補(bǔ)充限制了壓力降傳播，儲(chǔ)層內(nèi)水合物分解速率降低，且二次生成水合物分解產(chǎn)氣量較少，最終產(chǎn)氣速率呈線性下降。在前350 d內(nèi)，算例4產(chǎn)氣速率始終最高，然而波動(dòng)下降幅度最為劇烈。在第350～600 d，算例4的產(chǎn)氣速率出現(xiàn)明顯地下降而后恢復(fù)的現(xiàn)象，這是由于水合物大量分解后無(wú)法及時(shí)補(bǔ)充熱量，發(fā)生“自鎖”效應(yīng)，導(dǎo)致產(chǎn)氣速率下降，熱量補(bǔ)充后，水合物分解產(chǎn)氣逐漸恢復(fù)。

圖12 算例1～4產(chǎn)能變化曲線圖

圖12-b為算例1～4開(kāi)采過(guò)程中生產(chǎn)氣水比及產(chǎn)水速率變化曲線。定義生產(chǎn)氣水比為開(kāi)采過(guò)程中采出甲烷氣的體積與采出水的體積之比，無(wú)量綱。開(kāi)采初期，生產(chǎn)氣水比達(dá)到最大值，然后在前100天內(nèi)快速下降。在此期間，算例1生產(chǎn)氣水比在前50 d高于其余3組算例，結(jié)合其產(chǎn)氣速率始終保持較低值，故裂縫在開(kāi)采初期，同時(shí)提高了產(chǎn)氣和產(chǎn)水速率，且對(duì)產(chǎn)水速率增幅高于產(chǎn)氣速率，導(dǎo)致生產(chǎn)氣水比降低。開(kāi)采50～500 d內(nèi)，算例4的生產(chǎn)氣水比始終高于其他3組算例，即在持續(xù)產(chǎn)氣階段，增加裂縫數(shù)量可以取得更好的生產(chǎn)氣水比，開(kāi)采表現(xiàn)更優(yōu)。開(kāi)采前700 d內(nèi)，產(chǎn)水速率穩(wěn)定增長(zhǎng)，700 d后，產(chǎn)水速率增幅發(fā)生變化，且不同算例突變時(shí)間點(diǎn)不一致，即水合物分解區(qū)域屏障被破壞，發(fā)生了下伏層對(duì)水合物層的流體補(bǔ)充，導(dǎo)致產(chǎn)水速率快速增加。

圖13-a為算例5～7開(kāi)采過(guò)程中產(chǎn)氣速率及累計(jì)產(chǎn)氣量變化曲線。對(duì)比圖12與圖14可以發(fā)現(xiàn)，隨著徑向井分支數(shù)目增加，全生產(chǎn)周期產(chǎn)氣速率均有較大提升，這與Zhang等[25]的研究結(jié)果相匹配。開(kāi)采過(guò)程中，算例6相較于算例5與算例7產(chǎn)氣速率波動(dòng)較大，在前200 d內(nèi)，算例6產(chǎn)氣速率最高，200 d后出現(xiàn)顯著降低，原因是裂縫距離主井筒距離較近，前期壓力降傳播速度快，水合物大量分解。開(kāi)采200 d后由于邊界層熱量無(wú)法及時(shí)補(bǔ)充，產(chǎn)量出現(xiàn)下降。對(duì)比圖12可以發(fā)現(xiàn)，徑向井分支數(shù)增加，開(kāi)采過(guò)程中需要更高效的邊界層熱量供給來(lái)促進(jìn)水合物分解。開(kāi)采進(jìn)行前500 d內(nèi)，算例5～7產(chǎn)氣速率相差顯著，開(kāi)采進(jìn)行到第650 d之后，算例5～7產(chǎn)氣速率相近，即裂縫對(duì)于開(kāi)采水合物的增產(chǎn)效果主要集中在開(kāi)采前中期。對(duì)比開(kāi)采期間累計(jì)產(chǎn)量，400 d之前，算例6累計(jì)產(chǎn)量高于算例7，400 d后，結(jié)果相反。伴隨徑向井分支數(shù)目的增加，可以提高較遠(yuǎn)位置壓裂裂縫對(duì)水合物開(kāi)采的增產(chǎn)效果。

圖13 水合物分解率及甲烷采收率變化曲線圖

圖14 算例5～7產(chǎn)能變化曲線圖

圖13-b為算例5～7開(kāi)采過(guò)程中生產(chǎn)氣水比及產(chǎn)水速率變化曲線。觀察圖13-b發(fā)現(xiàn)，開(kāi)采前中期算例6、7產(chǎn)水速率相近，均高于算例5產(chǎn)水速率，約500 d，2個(gè)算例產(chǎn)水速率幾乎同時(shí)提高，即邊界層屏障被破壞，水合物開(kāi)采區(qū)域能量得到補(bǔ)充，相較于雙分支井壓裂開(kāi)采，邊界層打開(kāi)時(shí)間提前。對(duì)比圖12-b發(fā)現(xiàn)，四分支井壓裂在開(kāi)采前期顯著提高了生產(chǎn)氣水比，更有利于水合物高效開(kāi)采，在50～400 d，算例6生產(chǎn)氣水比最高，即徑向井分支數(shù)目增加，近井裂縫更有利于甲烷氣體進(jìn)入井筒采出。開(kāi)采進(jìn)行到400 d后，算例5～7生產(chǎn)氣水比近似相同，此時(shí)壓裂裂縫對(duì)生產(chǎn)氣水比影響較小。

圖14為不同算例水合物分解率及甲烷采收率變化曲線。觀察圖14發(fā)現(xiàn)，相較于徑向井復(fù)合降壓法開(kāi)采水合物，壓裂增產(chǎn)改造方式同時(shí)提高了水合物分解率以及甲烷采收率。對(duì)比雙分支與四分支徑向井，壓裂相較于非壓裂條件產(chǎn)能平均增加18%與15%。即隨著徑向井分支數(shù)數(shù)量的增加，水合物增產(chǎn)效果提升，但是甲烷采收率與水合物分解率差值增加，即有更多的甲烷留存在儲(chǔ)層中無(wú)法采出。

綜上所述，運(yùn)用徑向井壓裂復(fù)合降壓法開(kāi)采水合物時(shí)，壓裂裂縫在井筒附近構(gòu)建了高導(dǎo)流通道，有效提升了開(kāi)采過(guò)程中的泄流面積。在壓力降傳播過(guò)程中，壓裂裂縫有效克服了近井地帶滲流阻力，提高了壓力降的傳播速度與傳播范圍，促進(jìn)了儲(chǔ)層中水合物的分解，在相同生產(chǎn)壓差下可以獲得更高的甲烷產(chǎn)氣量。同時(shí)，壓裂裂縫也存在一定的負(fù)面效應(yīng)，由于水合物分解產(chǎn)生了更多的甲烷氣體，在熱量供應(yīng)不足的條件下會(huì)發(fā)生更為嚴(yán)重的“自鎖效應(yīng)”，這在一定程度上限制了水合物的開(kāi)采。徑向井分支數(shù)增加，有效提高了產(chǎn)氣速率與生產(chǎn)氣水比，同時(shí)也有更多的甲烷無(wú)法采出留存在儲(chǔ)層中。

本文通過(guò)設(shè)置具有滲透邊界的第三類水合物藏，得到了關(guān)于徑向井壓裂復(fù)合降壓法開(kāi)采水合物的增產(chǎn)規(guī)律初步認(rèn)識(shí)?？紤]到真實(shí)儲(chǔ)層中，水合物藏中或許包含混合層、自由氣層，本研究在模型構(gòu)建方面仍有值得改進(jìn)的地方。后期工作中，仍需進(jìn)一步結(jié)合我國(guó)南海水合物真實(shí)儲(chǔ)層環(huán)境，建立更加完善的三維模型，開(kāi)展徑向井壓裂參數(shù)對(duì)產(chǎn)能的影響規(guī)律研究，以期促進(jìn)我國(guó)南海水合物早日實(shí)現(xiàn)商業(yè)化開(kāi)采。

3 結(jié)論

1）徑向井壓裂裂縫在近井地帶構(gòu)建了高導(dǎo)流通道，提升了開(kāi)采過(guò)程中泄流區(qū)域面積。壓裂裂縫有效克服了井筒周圍滲流阻力，促使壓力降可以更高效地傳播到儲(chǔ)層內(nèi)部。

2）單雙裂縫開(kāi)采時(shí)，裂縫與主井筒間的距離影響開(kāi)采初期水合物分解速度，裂縫距離主井筒較近時(shí)，更利于壓力降早期傳播，提高水合物分解速度。

3）裂縫總縫長(zhǎng)相等時(shí)，相較于單一裂縫，雙裂縫開(kāi)采初期更有效地利用了構(gòu)建的高導(dǎo)流通道，后期強(qiáng)化了邊界層熱量補(bǔ)充，增產(chǎn)效果更好。

4）徑向井分支數(shù)增加，有效提升了水合物分解率與產(chǎn)氣速率，生產(chǎn)周期中氣水比顯著增大，增產(chǎn)效果優(yōu)異。