不同井型下的天然氣水合物降壓開采產氣產水規律

毛佩筱 吳能友 寧伏龍 胡高偉 孫嘉鑫陳 強 郭 洋 卜慶濤 萬義釗

1.中國地質科學院 2.青島海洋科學與技術試點國家實驗室海洋礦產資源評價與探測技術功能實驗室3.自然資源部天然氣水合物重點實驗室·青島海洋地質研究所 4.中國地質大學（武漢）工程學院

0 引言

目前，國際上提出的天然氣水合物（以下簡稱水合物）開采方法主要有傳統的降壓法、注熱法和CO2置換法，以及降壓—熱激聯合作用、水力壓裂聯合降壓法等新型開采方法[1-4]。目前的研究成果表明，降壓法及基于其的改良方案可能是實現海域水合物高效開采的最佳途徑[5-9]，但現有降壓條件下的產氣能力距離商業開發需求仍存在著一定的距離[7-8,10]。因此，提高水合物藏分解效率、提升儲層氣液運移產出能力，進而形成安全、高效的水合物開采新方法，是水合物資源開發中迫切需要解決的瓶頸問題，對于推動水合物商業化開發至關重要。

與其他油氣儲層不同，含水合物沉積物包含固、液、氣三相物質，并且開采中存在著水合物的相變分解與再形成。上述相變又與應力場、流場、溫度場等物理場耦合在一起，使得水合物的儲層物性特別是滲流和力學特性更為復雜，產能偏低且難于維持，因而對水合物新型開采方式提出了迫切的要求。2020 年3 月，我國成功實施的水合物水平井試采結果證實，擴大生產井與儲層間的泄流面積，能夠顯著提高水合物開采產能[7]。因此，以水平井、多分支井為代表的復雜結構井在水合物開采中具有巨大的應用潛力。其中，多分支井是一種從主井眼（直井、水平井或定向井）中鉆出若干個分支井筒進入油氣藏的復雜結構井[11]。按井眼軌跡，可劃分為主井分別是垂直井和水平井的兩種類型[12-13]，具有擴大泄流面積、實現立體式開發的特征，在降低開采成本、提高單井產量、提高最終采收率及油氣開發的綜合經濟效益方面具有顯著的優越性[14]。因此多分支井在多種復雜油氣藏以及深水油氣藏中得到了廣泛應用，對地熱、煤層氣和頁巖氣等非常規能源的開采效果也較好[15-17]。

近年來，國內外相繼開展了多分支井開采水合物的研究：阿拉斯加北坡水合物儲層開采研究發現，在傳統垂直開采井的基礎上構建多分支井，有利于提高水合物開采后期的產能[18]；Yamakawa 等[19]基于實驗模擬和數值模擬研究結果，證實了采用多分支井進行降壓—熱激聯合開采水合物的優越性；多分支井通過擴大水合物分解面積、增加井眼壓力傳遞效率等途徑可以促進水合物產氣，李文龍等[20]指出在海域水合物開采研究中應考慮大位移水平井、多分支井等復雜結構井的應用。

2019 年，自然資源部中國地質調查局青島海洋地質研究所水合物研究團隊（以下簡稱研究團隊）率先開展了海域天然氣水合物多分支井開采模擬研究，以我國南海水合物藏物性參數建模，評價了大直徑水平多分支井降壓開采過程的產氣、產水規律[21]。然而想要將多分支井技術大規模應用于水合物開采，還需要對不同開采條件下的多分支井產能進行準確預測與評價，并制訂合理的開發方案。因此，量化分析多分支井不同布設條件下的儲層開采響應特征及增產效果，是將多分支井技術應用于水合物開采的前提。

物理模擬實驗是解決上述預測與評價難題的重要技術手段之一[22]。目前國內外用于水合物開采的模擬試驗裝置較多，但大多數都是小型一維、三維裝置[23]。即使是在大型三維反應釜中進行的開采相關研究[22]，也尚未見到采用垂直布設的水平分支井進行水合物開采的研究報道。為此，筆者基于研究團隊自主研制的水合物復雜結構井開采模擬實驗裝置，分別開展了垂直井、水平二分支井（夾角90°）降壓開采甲烷水合物的模擬實驗，獲得了不同開采條件、不同井型對水合物開采的影響規律，以期為多分支井在水合物開采中的廣泛應用提供試驗數據和工程依據。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗裝置

水合物復雜結構井開采模擬實驗裝置和實驗流程如圖1 所示。該裝置主要由模型系統（反應釜）、溫度控制系統、氣體注入系統、液體注入系統、水合物開采系統（復雜結構井開發系統和降壓開采系統）和數據采集及處理系統六部分組成。

反應釜是該套裝置的核心組成部分，由316 L 不銹鋼制成，有效容積約135 L，耐壓約15 MPa。實驗過程中的溫度主要由恒溫水浴來控制，其控溫范圍為－15～120 ℃。復雜結構井開發系統包括中間主井眼以及與主井眼軸向垂直設置的多排分支水平井。實驗時，可通過自由組合分支井網的布井位置、射孔位置、射孔間距、射孔類型等進行水合物降壓開采模擬。反應釜內等距布設上、下兩排傳感器，每排布設24組測試點，共計144 個測試點（圖2），可實時采集水合物生成、分解過程中儲層內的壓力、溫度和電阻率數據。同時，數據采集控制軟件可實時采集反應釜入口和出口壓力、氣體注入與采出的瞬時流量速度、氣體累計注入量和采出量等參數。

圖1 水合物復雜結構井模擬實驗系統裝置照片與流程示意圖

圖2 反應釜及其內部測試點采集系統示意圖

1.2 實驗材料

本實驗所用材料主要有甲烷氣體、去離子水和天然海砂，相關指標如表1 所示。

表1 實驗材料及相關指標表

1.3 實驗過程

1.3.1 水合物生成實驗過程

水合物生成的實驗步驟如下：

1）將天然海砂裝入反應釜作為多孔介質，加入一定量的去離子水后，密封反應釜。

2）通過真空泵對系統抽真空。

3）將恒溫水浴的溫度設置為2 ℃（±0.2 ℃），然后注入甲烷氣至8 MPa，關閉反應釜進口與出口閥門，使系統保持定容狀態，待水合物生成。

4）當反應釜內壓力降至2 ℃對應的相平衡壓力后，打開進口閥門，再次向反應釜內注氣，加壓至8 MPa 后關閉進口閥門，待水合物生成。

5）當反應釜內壓力再次降至2 ℃對應的相平衡壓力后，打開進口閥門，再次向反應釜內注氣，加壓至8 MPa 后關閉進口閥門，同時設置水浴溫度至8℃，待釜內溫度壓力穩定。

甲烷水合物生成過程如圖3 所示。

水合物生成期間，每60 s 記錄一次儲層各個位置的溫度、壓力、電阻率等數據。本文一共涉及三組實驗（CASE 1 為垂直井，CASE 2 為垂直井，CASE 3 為水平二分支井），均采用相同的水合物生成方式，進氣量基本一致，故假定生成的水合物量和分布情況基本一致。水合物生成實驗涉及的溫壓參數如表2所示。

圖3 甲烷水合物生成過程示意圖

1.3.2 水合物開采實驗過程

本文三組實驗的開采方案和具體操作步驟如表3所示。水合物生成后，反應釜內溫度在7.88 ℃左右，通過計算[24]可得，該溫度下的相平衡壓力約為5.66 MPa，故設定的開采值低于相平衡壓力值。開采過程中循環水浴保持恒定溫度。反應釜內布設的垂直井高為154 mm，內徑為20 mm，位于儲層中部。水平二分支井（夾角90°）的兩分支井規格相同，每一分支井的長度為250 mm，內徑為18 mm（圖4-a），布設位置與5 號、15 號、21 號和23 號測點的位置相對應（圖4-b）。由于井型是影響水合物開采效率的主要因素之一[5]，因而在本次研究中垂直井和水平二分支井（夾角90°）兩者具有相同的射孔面積。在降壓開采過程中，每10 s 記錄一次實時產氣速率和累計產氣量，反應釜內溫度、壓力和電阻數據，每隔一段時間記錄一次累計產水量。

表2 水合物生成前、后反應釜內的溫壓情況統計表

表3 三組實驗的水合物開采方案及其具體操作步驟表

圖4 實驗中的井眼尺寸和布設情況示意圖

2 實驗結果與討論

2.1 不同降壓幅度對水合物開采的影響

2.1.1 產氣產水情況

水合物開采過程中的產氣速率受控于降壓幅度。利用垂直井進行甲烷水合物開采時，無論采用3.0 MPa 還是4.0 MPa 進行降壓開采，初始階段，產氣速率都呈現出先增大后減小的現象（圖5），產氣量的增加幅度也呈現出相同的變化規律。這主要是由于降壓初期，反應釜內剩余游離氣較多；同時，儲層壓力與開采井內壓力的差值較大，加快了水合物的分解。基于上述兩個因素的共同作用，初始產氣速率得以提高。隨著氣體不斷被采出，反應釜內的壓力逐漸下降（圖6），并且水合物在分解產氣過程中不僅彌補了反應釜內的壓降損失，而且還吸收了部分沉積物中的熱量，故而對剩余水合物的分解產生了一定的抑制作用。因此，開采一段時間后，產氣速率降低，并且在一定范圍內波動（圖5）。觀察CASE 1 的產氣情況還可以發現，開采幾小時后，設置更低的壓力值（如3.0 MPa 和2.5 MPa）進行水合物降壓開采，產氣速率變化也會呈現出相同的規律。但隨著分解的持續進行，反應釜內水合物飽和度逐漸減少，即使設置了更低的井壓，最大產氣速率也會比前一次降壓后的最大產氣速率要低。此外，對比CASE 1 和CASE 2 開采前期的產氣情況可知，垂直井開采條件下，降壓幅度越大，水合物開采效果和產氣情況越好。

圖5 垂直井開采水合物時，CASE 1 和CASE 2 的產氣量、產氣速率和開采壓力隨時間變化圖

圖6 垂直井開采水合物時，CASE 1 和CASE 2 儲層溫度和壓力隨時間變化圖

開采后期（如CASE 1 中的第6.5 h 左右和CASE 2 中的第4.5 h 左右），反應釜內外側沉積物內水合物幾乎分解完畢，受水浴恒定溫度的影響，儲層外側溫度明顯升高（圖6）。設置更低的開采壓力后，在溫度升高、壓力降低的雙重刺激下，產氣速率達到較大值（CASE 1 在10 h 左右達到最大，CASE 2 在8 h 左右達到最大），并且可以持續較長的一段時間。隨后，產氣速率穩定下降，其值基本位于一條光滑曲線上。這一現象表明采用降壓—熱激聯合開采的方式更有利于水合物分解和穩定產氣。此外，CASE 1 中，水合物開采9 h 后的產氣情況表明，在聯合作用下，當某一開采壓力下的產氣速率較低時，設置更低的開采壓力值具有一定的增產作用。在實際水合物儲層中進行水合物開采時，開采井井周的水合物儲層也時刻受到環境溫度的影響。因此，本文室內實驗模擬的結果對于實際水合物開采具有一定的參考價值及指導意義。

實驗結束后測得，CASE 1 累計產水量為9.4 kg，CASE 2 累計產水量為9.3 kg。從產水情況可知，不管采用何種降壓方式，垂直井開采的產水量差異并不明顯。

2.1.2 溫壓變化情況

水合物生成結束后，反應釜內的壓力約為5.8 MPa，略高于水合物藏7.88 ℃時對應的相平衡壓力（5.66 MPa）。開采過程中，無論采用何種降壓方式，釜內壓力均隨著開采壓力的設定先快速下降后趨于平穩。這主要是由于砂質儲層滲透率高，壓力傳遞快，故壓力快速從5.8 MPa 降至設置的開采壓力附近，而后因水合物不斷分解產出甲烷氣，釜內壓力趨于平穩。CASE 1 中，采用4.0 MPa 降壓開采水合物后，前4 h反應釜內溫度始終高于相平衡溫度（4.37 ℃），水合物持續分解產氣（圖6-a）。同樣，CASE 2 中，采用3.0 MPa 降壓開采水合物后，前7 h 反應釜內溫度始終高于相平衡溫度（1.51 ℃），水合物不斷分解產氣（圖6-b）。對比CASE 1 和CASE 2 開采前期的情況可得，降壓幅度越大，反應釜內壓力下降越明顯，產氣情況越好。

圖7 垂直井開采水合物時，CASE 1 和CASE 2 儲層溫度分布隨時間變化圖

在降壓開采過程中，由于水合物分解吸熱和節流效應，反應釜內溫度整體下降（圖6）（背景值受環境變化存在著微小波動）。尤其是在反應釜內的壓力值與井底壓力差異較大的情況下，CASE 2 的水合物分解更多，溫度下降更為顯著。如圖7 所示，開采3 h 后，CASE 2 儲層的溫度整體低于CASE 1 儲層的溫度。開采4 h 后，CASE 2 中，反應釜內外側沉積物內水合物幾乎分解完畢，由于水浴熱量傳遞，儲層外側溫度逐漸升高（圖6、7）。而CASE 1 中，待水合物開采6 h 左右后，儲層外側溫度才開始升高。這也說明較之于4.0 MPa，采用3.0 MPa 更利于水合物分解產氣。開采7 h 左右，CASE 1 的反應釜內溫度降低到冰點后，可能由于有冰形成，阻礙了水合物的繼續分解。之后，在環境溫度的影響下，反應釜外側儲層的溫度上升。當開采壓力設置為1.0 MPa 后，在降壓—熱激聯合作用下，水合物繼續分解，儲層溫度再次下降（第9.5～10.5 h 內）。同時，壓力存在著先上升后下降的現象，該現象在CASE 2 中開采7.5 h 左右時也可見。發生這一現象的原因主要是：在聯合開采作用下，水合物分解加快，所產出的氣體未能及時被采出，從而導致反應釜內壓力上升；隨后，隨著氣體不斷被采出，反應釜內的壓力發生下降，與此同時，前期反應釜內壓力上升對水合物分解產氣也起到了一定的抑制作用。上述現象在一定程度上呈現了垂直井開采的劣勢。開采第12 h 或開采第21 h，CASE 1 和CASE 2 儲層外側的溫度下降分布情況較一致（圖7）。在降壓—熱激聯合作用下，CASE 1 中7 號、29 號等測點的溫度值和CASE 2 中11 號、19號等測點的溫度值均因水合物的分解吸熱而下降，水合物分解完全后，吸熱作用終止，這些測點的溫度因環境溫度的影響而再次上升。相比較而言，CASE 2水合物儲層外圍溫度更高，水合物分解完全時間更短。

總體來說，采用垂直井進行降壓開采時，開采前期，水合物分解主要受降壓幅度的影響，并且降壓幅度越大，水合物分解越多、產氣情況越好。開采后期，水合物分解易受到環境溫度的影響。在降壓—熱激聯合作用下，水合物更易分解產氣，整體分解程度外側高、內側低。

2.2 不同井型對水合物開采的影響

2.2.1 產氣產水情況

圖8 水平二分支井（夾角90°）進行水合物開采時，產氣量、產氣速率和開采值隨時間變化圖

利用水平二分支井（夾角90°）進行水合物開采時，產氣速率隨著開采值的設置先明顯增大后逐漸減小。開采進行6.5 h 左右，開采值設置成0 MPa 后，在溫度升高、壓力降低的雙重作用下，產氣速率明顯增大（圖8）。開采值設置為0 MPa 之前，產氣速率為27.6 mL/min；開采值設置為0 MPa 之后，產氣速率最高達162.4 mL/min。與垂直井開采水合物不同，在聯合作用下，利用水平二分支井（夾角90°）開采水合物，產氣速率會出現增大—降低—增大的現象；開采12 h 后，呈現較長時間的穩定低速產氣的現象。這可能是由于采用水平二分支井（夾角90°）進行水合物開采時，儲層受壓降影響的范圍不同，不同位置的水合物存在先后分解關系，分解時的溫度分布模式也不同（圖9）。而且不同井眼與外側水浴的距離不同，受恒溫水浴的影響也存在著差異。在聯合作用下，靠近井眼處的水合物儲層產氣貢獻率相對較高，遠離井眼處的水合物儲層產氣貢獻率相對較低，開采一段時間后，近井處的水合物因飽和度減少和儲層溫度降低，產氣貢獻率逐漸降低，而遠井處的水合物儲層產氣貢獻率則逐漸增加。在貢獻率變化過程中，存在著貢獻率都比較低的情況，從而使得某一時間段內產氣速率較低。此外，在開采過程中，水平二分支井（夾角90°）井周水合物分解更劇烈，吸熱更為明顯（圖7、10），而外部的熱量未能快速傳遞到井周，從而在一定程度上延緩了水合物的分解產氣過程。這些現象在一定程度上體現了開采井型對產能的影響。

圖9 水平二分支井（夾角90°）進行水合物開采時，儲層溫度和壓力隨時間變化圖

與垂直井開采的產氣情況相比，水平二分支井（夾角90°）進行水合物開采時的產氣情況更好（表4）。例如，采用垂直井進行水合物開采1 h 后，產氣速率為140.80 mL/min；采用水平二分支井（夾角90°）進行水合物開采1 h 后，產氣速率為142.20 mL/min。開采6 h 后，CASE 2 的產氣速率為 20.2 mL/min 左右，CASE 3 的產氣速率約為27.20 mL/min。開采12 h 后，CASE 2 的產氣量為56 635.35 mL，CASE 3 的產氣量為77 868.54 mL。對比不同CASE 的產氣情況可得，在降壓開采范疇內，采用水平二分支井（夾角90°）開采水合物更有利于穩定產氣（圖8）。在降壓—熱激聯合作用下，水平二分支井（夾角90°）也表現出了更有利于長期穩產的優勢。

圖10 水平二分支井（夾角90°）開采5 h 和21 h 儲層溫度變化分布圖

表4 不同井型開采條件下的產氣情況表

采用水平二分支井（夾角90°）降壓開采水合物時，初始階段產水速率非常大，20 分鐘內累計產水量即可達5.8 kg 左右，之后產水速率非常低，第二次明顯產水發生在開采值設置為0 MPa 時。開采結束后，CASE 3 的累計產水量比CASE 2 的累計產水量多5.1 kg。垂直井開采時，儲層產水率為19.64 %；水平二分支井（夾角90°）開采水合物時，儲層產水率為34.12 %。因此，采用水平二分支井（夾角90°）進行水合物開采雖然有利于產氣，但在降壓開采開始階段產水量明顯增加，需做好防水應對措施。

2.2.2 溫壓變化情況

采用水平二分支井（夾角90°）進行3 MPa 降壓開采過程中，反應釜內溫壓隨著開采值的設定先快速下降，而后趨于平穩（圖9），與垂直井進行降壓開采時的情況相似。但采用水平二分支井（夾角90°）進行降壓開采，井周水合物分解更多，儲層的溫度較其他位置的溫度相對更低（圖10）。開采值設置為0 MPa 后，水合物分解發生吸熱作用，儲層溫度再次降低。而后，1 號、2 號、39 號、40 號等測點的水合物分解完全，吸熱作用終止，在環境溫度的影響下，這些測點的溫度逐漸上升。這一現象也與垂直井進行水合物開采時的情況相似。而與垂直井開采不同的則是，在CASE 3 中，當溫度降低到冰點后再進行壓降時，反應釜內壓力不存在先上升后下降的現象。這表明水平二分支井（夾角90°）比垂直井更有利于產氣。

3 結論

基于水合物復雜結構井模擬實驗裝置，分析了不同開采條件下各井型產氣產水規律及儲層響應特征，并得出如下結論。

1）垂直井與分支井在多種降壓開采方式下的實驗結果表明，開采前期，水合物分解主要受降壓幅度的影響。降壓開采過程中，反應釜內溫壓隨壓降先快速下降，后趨于平穩。產氣速率隨著壓降先明顯增大而后降低，產氣速率較低段存在著明顯的波動。開采后期，水合物分解易受環境溫度的影響。

2）井型對水合物開采產能具有明顯的控制作用——垂直井降壓開采甲烷水合物時，降壓幅度越大，水合物分解越多，產氣情況越好、產氣時間更久，但實驗尺度下累計產水量相差不大。利用與垂直井射孔面積相同的水平二分支井（夾角90°）進行水合物開采，產氣速率和產氣量增加，并且產氣速率更為穩定，但開采初始階段產水量較多，需做好防水應對措施。

3）各井型開采條件下，較之于單一降壓法，降壓—熱激聯合作用更有利于水合物分解和穩定產氣。在其聯合作用下，水平二分支井（夾角90°）比垂直井更有利于水合物的長期穩產。