天然氣水合物試采監(jiān)測井技術研究進展

＊馮明 李淑霞 郭洋 趙鳳銳

（1.中海石油（中國）有限公司海南分公司 海南 570311 2.中國石油大學（華東）石油工程學院 山東 266580）

引言

天然氣水合物（Natural Gas Hydrate，NGH）被認為是優(yōu)質、潔凈的接替能源[1]。水合物儲層生產(chǎn)特征復雜，受相變、滲流、傳熱等多物理現(xiàn)象相互耦合作用，水合物開采過程中儲層壓力、溫度的時空演化規(guī)律復雜。

合理的監(jiān)測井井位設計不僅能夠有效監(jiān)測水合物儲層的壓力、溫度傳播規(guī)律，還能夠對水合物分解過程中儲層及海底環(huán)境的變化進行評估，對水合物試采生產(chǎn)動態(tài)的分析具有十分重要的指導意義。自2002年以來，加拿大[2-4]、美國、日本[5-6]及中國[7-9]先后進行了水合物的試采工作。但總的來說，目前全球的水合物開采研究處于試采研究階段，遠未達到商業(yè)化開采的水平，尤其是對水合物試采過程監(jiān)測井的部署還沒有形成相關的設計原則和指導方法。因此，本文在調(diào)研國內(nèi)外水合物試采案例的基礎上，總結監(jiān)測井的部署方案及監(jiān)測參數(shù)，以期能為今后水合物試采監(jiān)測井的部署提供指導。

1.全球水合物試采的監(jiān)測井情況

目前全球在天然氣水合物試采中實施監(jiān)測井部署的案例非常有限，下面對僅有的幾次水合物試采中監(jiān)測井的井位部署情況進行分析。

(1)加拿大Mallik地區(qū)水合物試采監(jiān)測井的部署

加拿大Mallik地區(qū)于2002年、2007—2008年分別進行了兩次陸域凍土的水合物試采，其中2002年采用加熱法試采，5L-38井為生產(chǎn)井，3L-38井和4L-38井為監(jiān)測井，3口井位于一條直線上，井間距為40m[2]。2007—2008年采用降壓法試采，2L-38井為生產(chǎn)井，L-38井為監(jiān)測井。監(jiān)測參數(shù)主要采用一系列溫度傳感器，在生產(chǎn)開始后很快監(jiān)測到溫度的顯著下降趨勢[10]。

(2)日本南海海槽水合物試采監(jiān)測井情況

2013年日本在南海海槽進行了全球首次海域水合物降壓試采，試開采場地共鉆探了四口井，其中AT1-P作為降壓開采井，監(jiān)測井AT1-MC與其相距18m，監(jiān)測井AT1-MT1與其相距21m，取芯井AT1-C與其相距約40m[5]。根據(jù)三維地震數(shù)據(jù)，MC、P、MT1井沿河道水流軸線（東北至西南）排列。監(jiān)測井AT1-MC、AT1-MT1同時采用分布式溫度傳感器（DTS）和電阻式溫度傳感器（RTD），針對水合物生產(chǎn)過程中溫度演化及水合物分解半徑進行瞬時監(jiān)測。

2017年日本在第一次測試點以南約75m處進行了第2次降壓試采，部署了1口調(diào)查井AT1-UD，2口監(jiān)測井AT1-MT2、AT1-MT3，2口生產(chǎn)井AT1-P3、AT1-P2[6]。在每個監(jiān)測孔中，安裝的分布式溫度傳感器（DTS）和電阻式溫度檢測器（RTD）幾乎覆蓋了水合物富集帶的整個部分。在每口井的兩個不同層段（地質單元IV-b和V）安裝了兩個壓力計，以觀察不同地質環(huán)境下壓力響應的差異。

(3)中國2017年、2020年水合物試采監(jiān)測井情況

2017年，中國在神狐海域進行了首次水合物試采工作，采用近海面大氣、海水、海底和井眼環(huán)境“四位一體”的監(jiān)測[8]。2020年中國首次采用水平井進行水合物降壓試采，監(jiān)測井距離水平生產(chǎn)井段10.77m，得到了大量水合物儲層溫壓、海底沉積物孔壓參數(shù)、海底甲烷泄漏及海底地層穩(wěn)定性數(shù)據(jù)[9]。

2.主要監(jiān)測參數(shù)

現(xiàn)有水合物試采過程中監(jiān)測的主要參數(shù)包括：溫度和壓力、流動電位、井口流出物及海床擾動等[7-8]。

(1)溫度監(jiān)測

根據(jù)開采時期的不同，溫度監(jiān)測的環(huán)節(jié)主要包括幾個階段，主要用于分析固井效果、水合物分解情況及地層溫度變化對比等。目前水合物溫度監(jiān)測系統(tǒng)主要分為以下幾種：

分布式溫度傳感器（DTS）與電阻溫度傳感器（RTD）[10]。其中DTS傳感器的測溫精度為±0.5℃。為進一步提高溫度監(jiān)測精度，且為了避免單獨采用DTS監(jiān)測存在的儀器失效風險，可同時采用RTD對監(jiān)測井水合物層段進行溫度監(jiān)測，在水合物層段套管外側等間距布設陣列式高精度RTD傳感器，精度可達±0.1℃，以精確獲取水合物層段溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)。

(2)壓力監(jiān)測

水合物壓力監(jiān)測系統(tǒng)[11]主要分為兩種。其中石英晶體壓力傳感器最顯著的特點是動態(tài)范圍寬，具有高分辨率、高穩(wěn)定性、獨特的防污端口、低功耗的特點。另一種是光纖光柵滲壓傳感器，為保證監(jiān)測數(shù)值的準確性，滲壓傳感器內(nèi)同時集成應變光柵與溫度光柵，可同時對水合物儲層生產(chǎn)環(huán)境的壓力和溫度進行監(jiān)測。

(3)井口流出物測試

井口產(chǎn)出物測試主要包括產(chǎn)出泥沙粒徑、固相成分、氣體組分、產(chǎn)出液礦化度等內(nèi)容，產(chǎn)出物測試結果可以作為水合物分解情況、井筒完整性判斷的基本依據(jù)[12]。

(4)海床擾動監(jiān)測

海床擾動監(jiān)測主要針對水合物開采過程中引起的儲層變形情況，是水合物分解過程中，由于應力變化導致儲層變形及地層沉降等相關數(shù)據(jù)的重要來源?？梢圆捎萌至考铀俣葌鞲衅骰蚝４彩綁毫鞲衅麽槍幼冃吻闆r進行監(jiān)測。

3.監(jiān)測井設計及監(jiān)測參數(shù)總結

(1)監(jiān)測井設計原則

在整個水合物儲層監(jiān)測的過程中，水合物監(jiān)測井的布井方案設計非常重要，決定著整個試采監(jiān)測過程的監(jiān)測效果。通過對國內(nèi)外水合物試采過程中監(jiān)測井的部署進行總結，見表1，可以看出：監(jiān)測井井位布置的參考依據(jù)既可以考慮便于井間層析成像調(diào)查的工程因素，將生產(chǎn)井與監(jiān)測井設置于一條直線上，也可以考慮地質因素將監(jiān)測井與生產(chǎn)井沿河道水流軸線的方向進行井位部署，以便于試采中擴大溫壓的傳播范圍。

表1 水合物歷次試采井數(shù)與井位信息Tab.1 Number and location information of hydrate production test wells

監(jiān)測井能夠獲得水合物分解相關的溫度、壓力等參數(shù)的動態(tài)變化的同時，也應該能夠盡可能地獲取儲層物性參數(shù)分布及井間連通信息。

依據(jù)此前世界范圍內(nèi)多國試采經(jīng)驗，監(jiān)測井的數(shù)量一般為1～2口，且盡量保證監(jiān)測井與生產(chǎn)井共面。在保證監(jiān)測井監(jiān)測效果的同時，還可以對監(jiān)測結果進行對比分析。

(2)監(jiān)測參數(shù)總結

對國內(nèi)外水合物試采中主要監(jiān)測參數(shù)信息進行整理，如表2所示。

表2 水合物歷次試采情況監(jiān)測參數(shù)Tab.2 Monitoring parameters of previous hydrate production test

從表2可以看出，隨著技術的發(fā)展進步，通過監(jiān)測井所得到的參數(shù)越來越詳細，但如何合理的設計監(jiān)測點及監(jiān)測參數(shù)，目前仍無定論。為了更好地了解和認識開采過程中天然氣水合物儲層的各項參數(shù)的變化情況，需要進一步研究和探索監(jiān)測井的相關技術。

4.結論

通過對加拿大Mallik地區(qū)、日本南開海槽以及中國南海神狐海域的水合物試采監(jiān)測井的相關案例進行調(diào)研，總結了監(jiān)測井的布井設計原則，以及水合物試采過程中需要監(jiān)測的相關參數(shù)。主要認識如下：

（1）目前水合物試采中進行監(jiān)測的主要參數(shù)包括：溫度和壓力監(jiān)測、流動電位監(jiān)測、井口流出物測試及海床擾動監(jiān)測等。通過對這些參數(shù)的綜合分析，可以較好反映水合物儲層水合物的分解、流體運移等情況。

（2）監(jiān)測井方向設計需要依據(jù)實際的儲層環(huán)境（如主河道流方向），位置設計需結合儲層的流動參數(shù)、傳熱參數(shù)及試采時間，能夠對儲層壓力、溫度等主要參數(shù)變化做出及時響應。

（3）目前根據(jù)試采經(jīng)驗，監(jiān)測井的數(shù)量一般為一口或兩口。