水合物儲層層內加固改造模擬試驗裝置研制及可行性驗證

摘要：為開展水合物鉆采過程中儲層穩(wěn)定性研究，研制水合物儲層層內加固改造模擬試驗裝置，包括儲層模擬系統(tǒng)、拔管系統(tǒng)、壓裂注漿模擬系統(tǒng)、固化改造評價系統(tǒng)以及試驗氣體回收系統(tǒng)。為驗證試驗系統(tǒng)性能，利用石英砂和甲烷氣模擬水合物儲層，開展水合物儲層層內加固改造模擬試驗。結果表明：試驗系統(tǒng)能夠穩(wěn)定地模擬水合物儲層，層內加固改造試驗驗證了水合物儲層壓裂-注漿固化改造的可行性；利用該設備可以開展水合物開發(fā)過程中的壓裂、層內加固改造、不同溫壓條件下的水合物試采或鉆遇性水合物層固井過程中的水合物穩(wěn)定性等模擬研究。

關鍵詞：水合物儲層； 壓裂注漿； 固化改造； 超聲波響應

中圖分類號： TE 38"" 文獻標志碼：A

引用格式：林棟，步玉環(huán)，柳華杰，等.水合物儲層層內加固改造模擬試驗裝置研制及可行性驗證［J］.中國石油大學學報（自然科學版），2024，48（4）：115-122.

LIN Dong， BU Yuhuan， LIU Huajie， et al. Development and feasibility verification of a device for simulation experiment of reinforcement and reconstruction in hydrate-bearing formation［J］. Journal of China University of Petroleum（Edition of Natural Science），2024，48（4）：115-122.

Development and feasibility verification of a device for simulation

experiment of reinforcement and reconstruction in hydrate-bearing formation

LIN Dong1，2， BU Yuhuan1，2， LIU Huajie1，2， GUO Shenglai1，2， LU Chang3， XU Hongzhi4

（1.School of Petroleum Engineering in China University of Petroleum

（East China）， Qingdao 266580， China;

2.Key Laboratory of Unconventional Oil and Gas Development（China University of Petroleum（East China））， Ministry of Education， Qingdao 266580， China;

3.New Energy College in China University of Petroleum（East China）， Qingdao 266580， China;

4.CNPC Engineering Technology Research Company Limited， Tianjin 300450， China）

Abstract：In order to carry out research on reservoir stability during hydrate drilling and production， an experimental device for reinforcement and reconstruction of hydrate-bearing formation was developed， including a reservoir simulation system， a tubing pulling system， a fracturing and grouting simulation system， a solidification and reconstruction evaluation system， and an experimental gas recovery system. To verify the performance of the device， a simulation experiment was conducted using quartz sands and methane gas to simulate the hydrate-bearing formation. The feasibility of fracturing and grouting solidification transformation of hydrate layers was verified by the experiments of reinforcement and transformation within the layers. The results show that the device can be used to conduct simulation studies of different process during hydrate drilling and production， such as fracturing， formation reinforcement and reconstruction， hydrate production test under different temperature and pressure conditions， and hydrate stability in cementing， which can provide important guidelines for long-term and safe production of hydrate reservoirs， as well as safe cementing construction in drilling through hydrate layers.

Keywords： hydrate reservoir; fracturing grouting; solidification transformation; ultrasonic response

隨著天然氣水合物全球性的關注和研究，開采工程方面取得了階段性的突破，據(jù)已有水合物試采試驗可知［1-3］，對于深水海洋的水合物層的開采特別是降壓開采，開采過程中的水合物分解會導致井壁失穩(wěn)、海底滑坡以及出砂等一系列問題［4-10］。針對這一問題，孫友宏等［11-12］研發(fā)了一種以聚氨酯材料為基質的雙增改造漿液，并測試了漿液的黏度及其固結體的固化時間、滲透性、強度和導流能力等性能。楊林［13］利用水力壓裂和高壓水射流對水合物儲層進行改造，有效地減少了降壓開采對儲層穩(wěn)定性的影響。步玉環(huán)等［14］研發(fā)了一種應用于深水弱膠結地層的固井-地層固化一體液，并提供了一種用于深水弱膠結地層固井強度的梯度層模擬的裝置［15］。Du等［16-20］提出了“梯度固化”概念，研發(fā)了一種粒徑遠小于地層顆粒粒徑的梯度強化固井液，使深水弱膠結地層近井地帶形成強度漸變的結構體系，對水泥環(huán)產(chǎn)生支撐作用。前人有關儲層穩(wěn)定性研究主要集中于近井地帶，通過固化液自身向周圍滲透，以達到固化地層的目的，而水合物層結構復雜，滲透率相對較小，依靠固化液自身滲透無法進行大范圍的固化作業(yè)，因此亟需一種可以實現(xiàn)大范圍固化改造的方法。筆者在天然氣水合物地層層內加固防塌、防砂理論及實現(xiàn)方法［21］基礎上，研發(fā)一種適用于深水弱膠結地層層內固化改造的模擬試驗裝置，模擬水合物生成與分解過程，并采用壓裂注漿-固化的方式對水合物儲層層內進行加固改造，解決儲層垮塌、出砂等問題。

1 水合物儲層層內固化改造模擬試驗裝置研制

針對水合物開發(fā)過程中出現(xiàn)的儲層塌陷、出砂問題，結合儲層弱膠結或未膠結特性，設計一種室內水合物層層內固化改造模擬試驗裝置。

1.1 模擬試驗裝置設計

水合物開發(fā)過程中，水合物分解導致水合物儲層空隙增大，極易造成地層垮塌即出砂問題。針對這一問題，結合“天然氣水合物地層層內加固防塌、防砂理論及實現(xiàn)方法［21］”，即通過壓裂注漿的方式向儲層內部注入固化液，固化液滯留于裂縫中并凝固形成具有一定長度、寬度的加固體。加固體具有一定的強度和滲透特性，在有效支撐地層的同時，避免造成水合物開發(fā)過程氣體流通的堵塞。為實現(xiàn)這一理論，試驗裝置應滿足以下要求及控制：①能夠進行水合物儲層的生產(chǎn)模擬；②能夠進行壓裂井筒的模擬；③可進行壓裂注漿工作；④能夠對水合物儲層固化改造前后的效果進行評價；⑤試驗氣體安全、有效的回收。為此，設計水合物儲層層內固化改造模擬試驗裝置，如圖1所示。

1.2 功能模塊設計

水合物儲層層內固化改造模擬試驗裝置主要包括水合物儲層模擬系統(tǒng)、拔管系統(tǒng)、壓裂注漿模擬系統(tǒng)、儲層固化改造評價系統(tǒng)和試驗氣體回收系統(tǒng)。

1.2.1 水合物儲層模擬系統(tǒng)

水合物儲層模擬系統(tǒng)主要由試驗釜體、氣體注入模塊、液體注入模塊、低溫循環(huán)水浴以及檢測模塊組成。

（1）試驗釜體。試驗釜體為圓柱形模型，尺寸為內徑700 mm×高度1000 mm，可耐壓50 MPa。上釜蓋設置為偏心釜蓋，且開有用于放置壓裂管的下放孔（水合物生成過程中放置等尺寸盲管），偏心的目的在于使制備的水合物模擬地層具有一定的徑向長度，從而實現(xiàn)定向壓裂注入層內加固液時有一定的擴展空間，減小邊壁效應的影響，如圖2所示。

（2）氣體注入模塊。氣體注入模塊主要由氣瓶、空壓機、氣體增壓泵、高壓儲罐以及氣體質量流量計組成，可實現(xiàn)將氣瓶中釋放的甲烷氣經(jīng)過氣體增壓泵進行增壓后泵入到高壓儲罐。待高壓儲罐內的壓力較高時，利用壓差將甲烷氣泵入試驗釜體內，空壓機可為氣體增壓泵提供動力，氣體質量流量計可計算泵入試驗釜體內的甲烷氣總量。

（3）流體注入模塊。流體注入模塊的主要作用是為水合物儲層模擬提供所需的液體，主要儀器包括液體存儲器、恒速恒壓泵和預熱器。液體存儲器可暫存試驗流體，傳熱系數(shù)小，保證存儲液體溫度變化較小；恒速恒壓泵，可將液體存儲器內的液體吸收，并在恒定速度和壓力模式下進行流體的泵入；預熱器可將液體進行預熱處理，達到設計溫度。

（4）低溫循環(huán)水浴模塊。低溫循環(huán)水浴模塊用于調控試驗釜體內的溫度，形成水合物生成所需的溫度條件，主要由制冷機組、循環(huán)水泵以及保溫層組成。冷卻水經(jīng)制冷機組進行降溫，經(jīng)循環(huán)水泵泵入保溫層，采用冷熱交換的方式進行釜內降溫，直至達到試驗設計溫度，控溫誤差為±0.5 ℃。

（5）數(shù)據(jù)檢測部分。數(shù)據(jù)檢測部分主要用于水合物生成過程溫度、壓力的實時檢測，并以此判斷水合物生成是否達到穩(wěn)定狀態(tài)。壓力、溫度和電阻率測點模型軸向布置為3層，距離底部分別為150、350、550 mm，每層設有測點18個，共計測點數(shù)量為54個，電阻每層測點數(shù)量32個，間距100～120 mm，如圖3所示。

1.2.2 模擬井筒及拔管系統(tǒng)

試驗釜體中上釜蓋為偏心釜蓋，用于放置壓裂管，以此可實現(xiàn)井筒的模擬。在水合物儲層模擬生成過程中，用一根無射孔管（稱為盲管）代替壓裂管放置在釜體偏心法蘭的開孔處，待水合物生成穩(wěn)定后，將無射孔管拔出，并替換為射孔壓裂管進行壓裂注漿工作。在壓裂管替換無射孔管的過程中，需保持水合物不分解或盡量少分解，而要將無射孔管拔出，也就意味著釜體內只能進行泄壓，而溫度需維持不變（水合物分解過多時可進行適量降溫）。

1.2.3 壓裂注漿模擬系統(tǒng)

為有效地將固化液泵入至水合物儲層內，實現(xiàn)水合物儲層層內固化改造模擬研究，設計壓裂注漿模擬系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠以注漿參數(shù)可控、射孔參數(shù)可控的方式進行壓裂注漿工作。為實現(xiàn)模擬試驗泵注參數(shù)可控，設計中間容器（ZR-3型），在泵注流量較高時可采用雙中間容器交替工作，避免泵注時間過長導致液體存儲器內的固化液凝固。

壓裂管與上述盲管外徑尺寸保持完全一致，帶有同樣大小的傾角，并設有預置射孔組，如圖4所示。在圓形射孔可進行封堵的條件下，可開展不同形狀的射孔（方型、圓形、三角形以及十字架型）、不同尺寸射孔、不同射孔數(shù)量以及射孔間夾角對固化改造的影響研究。

1.2.4 儲層固化改造評價系統(tǒng)

儲層固化改造評價系統(tǒng)主要用于對比水合物儲層固化前后超聲波響應，建立超聲波速度與地層物性變化之間的關聯(lián)關系，評價固化效果。該模塊超聲波探頭選用PS波探頭，設計探頭直徑為30 mm，考慮到壓裂注漿過程固化液沿射孔方向的延伸以及固化液在水合物層內的滲透擴散，設計布置超聲波探頭數(shù)量為10對，布置方式為3+3+3+1布置，間距約100 mm，測點編號如圖5所示。

1.2.5 試驗氣體回收系統(tǒng)

試驗氣體回收系統(tǒng)（圖6）主要是將試驗后的氣體回收，避免氣體釋放到空氣中，造成人員和財產(chǎn)損失，同時將天然氣及攜帶的水、固體沉積物等進行分離并計量，另外回收的氣體可循環(huán)再利用，節(jié)約研究成本。

1.3 試驗方法

水合物儲層固化改造模擬試驗系統(tǒng)安裝及試驗步驟如下：

（1）安裝帶有偏置法蘭的釜體上蓋及盲管、超聲波發(fā)射探頭和溫度、壓力探頭等在內的數(shù)據(jù)監(jiān)測線組，安裝完成后檢查是否正常工作;

（2）釜體倒轉，按照分層分次方式進行電阻率線組和物料填充，直至模擬地層物料達到設計要求；

（3）安裝釜體下釜蓋及聲波接收探頭，釜體翻轉為正，連接溫度、壓力傳感器和聲波測試儀，打開計算機數(shù)據(jù)采集及控制系統(tǒng)，檢查是否正常工作；

（4）連接流體注入部分，自釜體下端恒速注水，控制設計用水總量；

（5）連接氣體注入部分，通過釜體上蓋注氣口進行注氣增壓，直至設計壓力并穩(wěn)定后，關閉系統(tǒng)注氣進口閥門，注氣過程中需定時檢查試驗系統(tǒng)氣密性；

（6）開啟低溫恒溫水浴設備，設置水浴溫度，對釜體進行降溫處理，穩(wěn)定至試驗方案設定溫度，實時監(jiān)測溫度、壓力、電阻率和聲波響應規(guī)律變化，判斷水合物的生成；

（7）水合物生成后，維持恒溫水浴溫度不變降低釜內壓力，待釜內壓力降低為0 MPa，將盲管拔出，必須在盡量短的時間內下放壓裂管到設計位置，并注意射孔方向對應試驗區(qū)域；

（8）打開注氣閥，通過增壓泵再次向釜體內注氣加壓，直至試驗方案設定壓力后關閉注氣閥，拔管過程中分解水可再次生成的水合物用于充填拔管與水合物層間的縫隙；

（9）配置固化液，可根據(jù)泵注速度，分次配置；

（10）連接固化液泵注模塊，通過恒速恒壓注液泵設定泵注壓力、泵注流量，向帶孔套管內注入固化液，注液工作完成后，關閉注液進口閥門；

（11）注液工作完成后，拆卸固化液泵注系統(tǒng)模塊的儀器，在固化液凝固前及時清理并進行防銹處理；

（12）固化液侯凝過程中實時采集溫度、壓力、電阻率和聲波響應規(guī)律變化數(shù)據(jù)，與固化前數(shù)據(jù)對比，評價固化改造效果；

（13）試驗結束后關閉低溫恒溫水浴系統(tǒng)，將水合物分解的氣體進行回收，水合物完全分解后氣體回收結束后，拆卸溫度、壓力、電阻率和聲波測試模塊，擦拭并合理安置；

（14）釜體翻轉，打開釜體下蓋，清理釜體內弱膠結水合物沉積物模擬物，記錄固結體形態(tài)和尺寸；

（15）整理試驗的原始數(shù)據(jù)和記錄，復核原始數(shù)據(jù)。

2 水合物生成及層內加固模擬試驗的可行性

2.1 試驗方案

2.1.1 試驗材料

模擬試驗主要包含水合物儲層模擬試驗和儲層壓裂注漿模擬試驗。水合物儲層模擬試驗主要材料包括石英砂（粒徑0.150 mm）、水和甲烷氣。壓裂注漿模擬試驗中固化液主要用于壓裂水合物儲層的同時有效支撐儲層，避免儲層塌陷，主要成分的質量比為m（超細水泥）∶m（煤油）∶m（水）=10∶1∶6，及外加劑的質量比為m（OP-10乳化劑）∶m（分散SGJZ）∶m（氯化鈣）∶m（降失水劑）=1∶1.5∶4∶12。

2.1.2 試驗設計

（1）水合物儲層模擬試驗。模擬試驗采用“水定量、氣過量”的方式設定水合物飽和度，并根據(jù)加砂量計算用水量，試驗向釜內分層分步加砂350 kg，設計水合物飽和度為60%，計算用水量公式為

mw=0.6（Vf-msρs）/ρw.（1）

式中，ms為實際用砂質量，kg；Vf為試驗釜體內容積，m3；ρs為石英砂密度，kg/m3；ρw為水密度，kg/m3；mw為計算用水量，kg。計算得出的用水量為74.7 kg，可依據(jù)此方法模擬不同水合物飽和度的水合物儲層。

（2）壓裂注漿模擬試驗。在水合物生成穩(wěn)定后，在拔管、換管、補壓后進行壓裂注漿模擬試驗。驗證試驗主要采用上述固化液，注漿壓力設定為4 MPa，注漿流速為200 mL/min，共計注漿流量為6 L，并采用含有圖4（a）射孔組的壓裂管，將圓形射孔進行封堵，只留方形射孔，其射孔截面積為100 mm2。

2.2 試驗結果分析

2.2.1 水合物儲層模擬

圖7為水合物生成過程釜內溫度變化，可劃分為3個階段：初期（0～30 h），釜內溫度下降較快，水合物生成放熱量遠小于冷卻水吸收的熱量，可認為此時水合物生成速度較慢；中期（30～75 h），水合物快速生成，放熱量明顯增大，釜內溫度下降速度明顯降低；后期（75～90 h），冷卻水與釜內熱量交換逐漸達到平衡，水合物生成速度有所下降，釜內溫度逐漸趨于穩(wěn)定。

圖8為水合物生成過程釜內20個測點的壓力變化，壓力變化同樣具有顯著的3個階段：初期，水合物生成速度較慢，壓力降低緩慢，壓力減少量為溫度降低所導致；中期，水合物生成速度增快，吸收釜內氣體速度增快，導致壓力迅速降低；后期，釜內剩余氣體含量較少，水合物生成速度降低，伴隨冷卻水循環(huán)的作用降低，釜內壓力降低緩慢，并逐漸趨于穩(wěn)定。

2.2.2 儲層固化改造模擬

釜內溫度、壓力在較長時間內保持穩(wěn)定，水合物生成過程結束，采用上述步驟進行水合物儲層固化改造模擬試驗，首先進行單圓形預置孔壓裂注漿過程，射孔方向為沿超聲波測點1-2-3-4。

（1）超聲波響應。圖9為不同測點水合物儲層超聲波速度變化趨勢，反映了水合物儲層泵注固化液前后的超聲波響應，結果表明：①水合物儲層泵注固化液前，各測點超聲波速度保持穩(wěn)定，但各測點超聲波速度存在差異，這是因為水合物生成后各測點處的孔隙度不同，超聲波速度測試值存在差異；②水合物儲層泵注固化液后，距離射孔點最近的測試點1最先出現(xiàn)聲速波動，隨后測試點2、5和8也出現(xiàn)了聲速波動，反映了泵注過程固化液在水合物儲層內的延伸軌跡，同時測試點3、4、6處未出現(xiàn)聲速波動，意味著固化液未延伸至此，反映了6 L固化液所延伸的范圍；③測點處聲速波動較大，且整體呈現(xiàn)增大的趨勢，原因是隨著固化液的不斷泵入，測點處出現(xiàn)流體擾動，致使聲波出現(xiàn)顯著波動，同時，水合物儲層內的孔隙逐漸被填充，聲波傳播的過程能量損失降低，表現(xiàn)為聲速呈現(xiàn)波動上升的趨勢。最后隨著固化液凝結，聲速波動逐漸降低，并趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

（2）加固體形態(tài)及尺寸。在固化液完全凝固后固化區(qū)域形成加固體，此后關停低溫循環(huán)水浴，并通過氣體回收系統(tǒng)降低釜體內壓力，使水合物分解，將脫落石英砂進行清除，只留下加固體，對加固體形態(tài)進行記錄，如圖10（a）所示，并按照加固體徑向分布繪制示意圖，如圖10（b）所示。結合超聲波響應，對比加固體形態(tài)及尺寸可知：固化液沿射孔方向延伸最深，并且向兩側擴展，驗證了在測點1、5、8處都存在超聲波響應；實測加固體沿射孔水平方向長度約為185 mm，并沒有達到超聲測試點2處，認為此處固化液含量較少，并沒有形成穩(wěn)固的加固體，在水合物分解后隨石英砂脫落，由加固體沿射孔方向厚度變薄可證明；此外固化液在縱向上同樣存在較大范圍的擴展，尤其是向下擴展，原因是壓裂注漿過程破壞了水合物與壓裂管之間的膠結，固化液出現(xiàn)了爬壁現(xiàn)象。

（3）氣體回收量。經(jīng)過統(tǒng)計整個試驗過程甲烷氣的注入總量以及氣體回收總量，回收率可達97.6%，充分證實了該試驗裝置的安全可靠性。

通過水合物儲層壓裂注漿模擬試驗，驗證了層內固化改造的可行性，同時通過超聲波響應與加固體形態(tài)及分布對比分析，充分證明了采用超聲波響應評價水合物儲層固化改造方法的可靠性。

2.3 研制裝置的試驗功能及拓展開發(fā)

該裝置以水合物開發(fā)過程中儲層穩(wěn)定為目標，可進行水合物儲層固化改造模擬試驗，結合水合物生產(chǎn)過程，將固化改造與水合物壓裂增產(chǎn)過程相結合，固化液在壓裂裂縫中形成加固體，在保證加固體有效支撐地層的同時，提高加固體滲透特性，可有效提高儲層滲透率的同時實現(xiàn)維持地層穩(wěn)定的目的。此外結合該裝置結構特點，可實現(xiàn)多功能的拓展開發(fā)。

（1）水合物儲層層內固化改造模擬。通過上述水合物儲層模擬以及固化改造模擬試驗，驗證了試驗裝置的可靠性，在后續(xù)的試驗中可通過改變固化液性能、注漿參數(shù)（注漿流量和注漿速度）、射孔參數(shù)（射孔形狀、射孔大小、射孔數(shù)量以及射孔間夾角）等調控對水合物層固化改造的效果。

（2）水合物儲層防砂模擬。水合物鉆采開發(fā)過程中水合物分解會致使結合砂脫落，導致出砂等問題。結合儲層的固相顆粒特點，可以在井筒或近井帶進行不同防砂方案的試驗，從而優(yōu)選出適合不同類型水合物層的防砂方案，避免地層大量出砂造成儲層坍塌。

（3）水合物儲層壓裂增產(chǎn)模擬。可采用合適的壓裂液以及支撐劑，結合該試驗裝置的壓裂注漿模擬系統(tǒng)以及氣體回收系統(tǒng)，進行水合物儲層壓裂增產(chǎn)開采模擬研究，分析不同壓裂參數(shù)條件下氣體的回收率、單位時間的回收量，建立水合物儲層壓裂增產(chǎn)調控方法。

（4）水合物儲層固井模擬。水合物儲層固化改造模擬試驗裝置另配有中心釜蓋，可將模擬井筒置于釜蓋中心，通過注入固井水泥漿在模擬井筒外周形成固井水泥環(huán)，在不同溫度、壓力條件下模擬水合物儲層固井過程，分析近井壁區(qū)域水合物儲層的穩(wěn)定性及水泥環(huán)與水合物層之間膠結強度，評價水合物層固井質量，建立固井水泥漿性能調控方法。

3 結 論

（1）水合物儲層固化改造模擬試驗裝置能夠穩(wěn)定地模擬水合物儲層；儲層固化改造模擬試驗驗證了水合物儲層壓裂注漿-固化改造的可行性；試驗氣體回收率證明試驗裝置安全可靠。

（2）試驗設備可以開展水合物開發(fā)過程中的壓裂、層內加固改造、不同溫壓條件下的水合物試采或鉆遇性水合物層固井過程中水合物穩(wěn)定性等模擬研究，對水合物儲層長效、安全生產(chǎn)以及鉆遇性水合物層安全固井施工具有指導意義。

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［15］ 杜嘉培，步玉環(huán)，柳華杰，等.一種用于深水弱膠結地層固井強度的梯度層模擬的裝置：201610808893.1［P］.2016-09-08.

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（編輯 李志芬）

收稿日期：2023-10-21

基金項目：中國石油天然氣集團重大科技項目（ZD2019-184-003）；中國石油集團科技項目（2021DJ4902）

第一作者：林棟（1992-），男，博士研究生，研究方向為油氣井工程。E-mail：b19020009@s.upc.edu.cn。

通信作者：步玉環(huán)（1966- ），女，教授，博士，博士生導師，研究方向為固完井。E-mail：buyuhuan@163.com。

文章編號：1673-5005（2024）04-0115-08"" doi：10.3969/j.issn.1673-5005.2024.04.012