李淑霞 于 笑 李 爽 李清平 龐維新

(1. 中國石油大學(華東)石油工程學院 山東青島 266580； 2. 天然氣水合物國家重點實驗室 北京 100028；3. 中海油研究總院有限責任公司 北京 100028)

天然氣水合物廣泛分布于陸地上的永久凍土及大陸邊緣的海底[1]。據(jù)估計，天然氣水合物中的總碳含量約為其他化石燃料的2倍[2]。神狐海域是我國最具天然氣水合物開發(fā)潛力的區(qū)域之一[3]。2017年我國采用降壓法在神狐海域進行了首次試開采，然而由于地質條件和開采技術的限制，試采的平均日產氣量僅為5 151 m3。2020 年3 月，神狐海域進行了第二次水合物試采，實現(xiàn)了從“探索性試采”向“試驗性試采”的重大突破。

目前已有的幾種天然氣水合物的開采方法包括降壓法[4-5]、熱刺激法[6]、注抑制劑法[7-8]、二氧化碳置換法[9]、固態(tài)流化開采法[10-11]等。這些方法大部分是通過改變天然氣水合物的溫度、壓力條件來達到開采的目的[12-13]。其中,降壓法由于其經濟、高效而成為目前最有吸引力的水合物藏開采方法。水合物藏增產措施主要有水平井、水力壓裂和注熱開采等。Feng 等[14]認為壓裂可以有效提高天然氣產量，但其效果主要體現(xiàn)在開采前期，且裂縫邊界區(qū)會有二次水合物生成；Chen 等[15]發(fā)現(xiàn)，壓裂后水合物藏的產氣速度和累積產氣量都得到明顯提高；Yu 等[16]使用pT+H模擬了雙水平井降壓和注熱組合開采日本南開海槽水合物藏的效果，結果表明降壓和注熱相結合的方法更有利于水合物的分解；馮景春 等[17]通過實驗研究了雙水平井降壓聯(lián)合注熱開采水合物的效果，結果表明雙水平井降壓聯(lián)合注熱開采的能效比高于直井開采的能效比，使用雙水平井進行降壓注熱聯(lián)合開采可以有效地分解水合物；Jiang等[18]模擬了降壓聯(lián)合注熱開采的效果，發(fā)現(xiàn)影響開采的主要因素是儲層內壓力傳播的速率而不是熱傳遞，降壓在水合物分解中起著更重要的作用；阮徐可 等[19]研究了降壓聯(lián)合井壁加熱開采的效果，認為降壓聯(lián)合井壁加熱開采的產氣效果比單獨降壓好，但由于傳熱效率有限，井壁加熱的作用只在開采井附近區(qū)域且對產氣量的提升幅度有限。

上述文獻對水合物藏的增產措施進行了初步研究，但缺少對同一水合物藏多種增產措施開發(fā)效果的對比研究。本文基于神狐水合物藏首次試采的基本數(shù)據(jù)，對直井優(yōu)化參數(shù)降壓、水平井降壓、直井降壓聯(lián)合壓裂、直井降壓聯(lián)合注熱，以及直井降壓聯(lián)合井壁加熱等增產措施進行研究并優(yōu)選最佳方案，為神狐水合物藏的開采提供借鑒。

1 神狐水合物藏直井降壓開采模擬分析

2017年，神狐海域進行了第一次水合物藏試采產氣(表1)[20]。試采區(qū)域位于水下1 266 m，水合物藏位于泥線以下201 m，儲層主要由泥質粉砂巖構成。試采穩(wěn)定產氣持續(xù)60 d，累積產氣量30.9×104m3，日均產氣量5 151 m3，產氣速率峰值3.5×104m3/d。

表1 神狐水合物藏2017年試采產氣情況[20]

1.1 儲層參數(shù)及其地質模型

根據(jù)南海神狐水合物藏的地質數(shù)據(jù)，采用水合物開采模擬軟件TOUGH+HYDRATE建立其儲層地質模型，如圖1所示。該儲層地質模型尺寸500 m×500 m×317 m，垂向包括上蓋層(厚度200 m)、下蓋層(厚度40 m)和水合物層(厚度77 m)。其中，水合物層又劃分為A、B、C層3個小層，具體的地質和物性參數(shù)見表2。根據(jù)開采區(qū)域的水深和上覆巖層厚度，通過靜水壓力、地溫梯度，即可計算水合物A、B、C層的壓力和溫度(表2)。模型中心為1口直井，采用直井降壓的開采方式，射孔生產層為水合物B層。

圖1 神狐水合物藏模擬儲層地質模型示意圖

表2 水合物各層基本地質參數(shù)

1.2 模擬分析

1) 試采產氣量歷史擬合。采用神狐水合物藏儲層地質模型，將生產壓力設定為4 MPa，模擬計算產氣速率、累積產氣量,并與實際開采結果相比較，如圖2所示?？梢钥闯觯瑪M合的產氣速率、累積產氣量與試采數(shù)據(jù)的吻合度較好，因此該儲層地質模型可以作為長期開采產氣量預測模擬的基礎。

圖2 神狐水合物藏試采產氣量歷史擬合

2) 長期開采產氣量預測。在神狐水合物藏試采產氣量歷史擬合的基礎上，模擬預測開采2 000 d的產氣速率和累積產氣量，如圖3所示?？梢钥闯?，神狐水合物藏開采早期由于有自由氣的產出，所以產氣速率在達到峰值后快速下降，到755 d時產氣速率已降至2 000 m3/d。開采2 000 d的累積產氣量為6.8×106m3，日均產氣量為3 400 m3，遠低于商業(yè)開采要求。因此，神狐水合物藏的有效開采必須借助合理的增產措施。

圖3 神狐水合物藏模擬產氣預測曲線

2 神狐水合物藏降壓法開采增產措施

2.1 直井優(yōu)化參數(shù)降壓開采

1) 生產壓力優(yōu)化。生產壓力對水合物藏直井降壓開采的效果影響很大。以神狐水合物藏儲層地質模型為基礎，將井底壓力分別設定為1、2、3和4 MPa進行生產，模擬得到開采2 000 d的累積產氣量，如圖4所示。可以看出，生產壓力為3 MPa時的累積產氣量最高，這是因為生產壓力越低，水合物分解的驅動力越大，產氣量越高；而當生產壓力低于一定值時，水合物分解速度加快，周圍環(huán)境傳遞的熱量小于水合物分解所吸收的熱量，儲層溫度降低過多可能導致水合物的二次生成，從而影響水合物的降壓開采[21-24]。

圖4 神狐水合物藏不同生產壓力對累積產氣量影響預測曲線

2) 射孔位置優(yōu)化。在水合物A、B、C層分別射孔及同時射孔，生產壓力均設定為3 MPa，模擬得到開采2 000 d射孔位置對累積產氣量的影響，如圖5所示。可以看出，水合物A、B、C層同時射孔的累積產氣量大于單層射孔，2 000 d累積產氣量為6.23×107m3，日均產氣量為31 150 m3。單層射孔中C層射孔的開采效果較好，這是因為C層的絕對滲透率遠高于A、B層，壓降傳播速度快，更有利于水合物的分解。因此建議神狐水合物藏對全部儲層同時射孔開采。

圖5 神狐水合物藏不同射孔位置對累積產氣量影響預測曲線

2.2 水平井降壓開采

由直井降壓開采的射孔層位優(yōu)化可知，單層開采C層的效果最好，因此在水合物C層布置水平井，水平段長度400 m。生產壓力設置為3 MPa，模擬得到開采2 000 d水平井降壓產氣速率和累積產氣量，并將該結果與直井降壓開采儲層同時射孔的產量進行對比，如圖6所示。可以看出，水平井降壓開采呈現(xiàn)初期產氣速率高、之后逐漸降低的趨勢，在開采1 000 d之前，水平井的產氣速率均遠高于直井降壓開采。這是由于水平井與儲層接觸面積大，有利于壓力傳播和水合物分解。當開采時間達到2 000 d時，水平井降壓開采的累積產氣量為1.24×108m3，日均產氣量為62 200 m3，是直井降壓日均產氣量的2倍。

圖6 神狐水合物藏水平井降壓開采與直井降壓開采產氣量對比曲線

2.3 直井降壓聯(lián)合壓裂開采

采用直井降壓開采，水合物A、B、C層同時射孔，并在A、B層進行壓裂。假設裂縫半長150 m，裂縫區(qū)滲透率1 D，生產壓力3 MPa，模擬得到開采2 000 d直井降壓聯(lián)合壓裂開采的產氣速率和累積產氣量，并將該結果與直井降壓開采的產量進行對比，如圖7所示?？梢钥闯觯本祲郝?lián)合壓裂開采早期的產氣速度高達3.7×105m3/d，之后產氣速率迅速降低，150 d以后產氣速率開始緩慢降低，但總體產氣速率高于直井降壓開采。開采2 000 d的累積產氣量為1.16×108m3，日均產氣量為58 000 m3，直井降壓聯(lián)合壓裂開采的增產效果非常明顯。

圖7 神狐水合物藏直井降壓聯(lián)合壓裂與直井降壓開采產氣量對比曲線

2.4 直井降壓聯(lián)合注熱開采

采用四注一采的五點法井網進行開采，生產井位于模型中央，水合物A、B、C層同時射孔。注入井位于儲層地質模型的4個角，在水合物A層注入。設定生產壓力3 MPa，注水井的注入溫度50 ℃，注入速度50 m3/d，模擬得到開采2 000 d直井降壓聯(lián)合注熱開采的產氣速率和累積產氣量，并將該結果與直井降壓開采的產量進行對比，如圖8所示?？梢钥闯觯谡麄€開采過程中，直井降壓聯(lián)合注熱開采的產氣速率均低于直井降壓開采的產氣速率。這是由于神狐水合物藏滲透率低，注入熱水后導致地層憋壓，不利于水合物的分解。開采2 000 d時直井降壓聯(lián)合注熱開采的累積產氣量為5.31×107m3，日均產氣量為26 550 m3，低于直井降壓開采。因此，神狐水合物藏不推薦直井降壓聯(lián)合注熱開采。

圖8 神狐水合物藏直井降壓聯(lián)合注熱與直井降壓開采產氣量對比曲線

2.5 直井降壓聯(lián)合井壁加熱開采

直井降壓聯(lián)合井壁加熱開采的地質模型與直井降壓開采的地質模型相同，生產井位于模型中心，水合物A、B、C層同時射孔，并在水合物A、B層進行井壁加熱。設定生產壓力3 MPa，井壁加熱功率2 kW，模擬得到開采2 000 d直井降壓聯(lián)合井壁加熱開采的產氣速率和累積產氣量，并將該結果與直井降壓開采的產量進行對比，如圖9所示?？梢钥闯觯本祲郝?lián)合井壁加熱開采早期的產氣速率很高，達到了1.0×105m3/d,這是由于井壁加熱使開采井附近的水合物快速分解。但直井降壓聯(lián)合井壁加熱開采產氣速率峰值之后，2種開采方式的產氣速率基本一致，說明井壁加熱作用范圍有限，只能促進井周圍的水合物分解。開采2 000 d時直井降壓聯(lián)合井壁加熱的累積產氣量為6.4×107m3，日均產氣量為32 000 m3，僅比直井降壓高2.7%，說明井壁加熱對水合物產氣量的提升幅度很小。因此，神狐水合物藏不推薦直井降壓聯(lián)合井壁加熱開采。

圖9 神狐水合物藏直井降壓聯(lián)合井壁加熱與直井降壓開采產氣量對比曲線

3 結論

1) 神狐水合物藏采用直井降壓的開采方式，模擬預測的長期開采日均產氣速率較低，因此實現(xiàn)其有效開發(fā)必須借助合理的增產措施。

2) 對比直井優(yōu)化參數(shù)降壓、水平井降壓、直井降壓聯(lián)合壓裂、直井降壓聯(lián)合注熱和直井降壓聯(lián)合井壁加熱等5種增產措施的開采效果，認為最佳的增產措施是水平井降壓，其次為直井降壓聯(lián)合壓裂，直井降壓聯(lián)合注熱、直井降壓聯(lián)合井壁加熱效果一般。