一種采用直井井組細分層壓裂注熱水開采天然氣水合物的工藝方案

羅天雨

（廣東石油化工學院，廣東 茂名 525000）

南海海域是我國可燃冰最主要的分布區。2017年5月18日，我國試采南海神狐海域天然氣水合物，實現連續187 h的穩定產氣，平均日產1.6×104m3/d。但是，神狐海域天然氣水合物儲層為低滲透泥質粉砂巖，屬于難于開采、易于出砂的類型，當前的產量仍然達不到工業產量。世界范圍內，在天然氣水合物的開采方面，嘗試了降壓法[1-2]、熱激法[3]、化學劑法[4]、二氧化碳置換法[5-6]。但是由于開采對象的復雜性，開采技術整體上尚無成熟配套，單井產量低，連續時間短，經濟效益差。如采用單一的降壓法開采，生產效率低下[7]；壓降與熱激法聯合在一起能夠收到較好的開采效果[8]；二氧化碳置換法效率低、產量低[5,9]；微波加熱技術在固體儲層中的穿透距離有限[10]；壓裂技術能夠顯著提高儲層的生產能力，但是沒有得到充分應用；防砂技術僅僅采用篩管，屬于治標不治本的方法。因此，需要研究天然氣水合物儲層的配套高效開采工藝方法。

為了克服現有技術的不足，本文研究提供了一種采用直井井組注熱水開發可燃冰的工藝技術方案。采用熱激法與降壓法聯合工藝，避免單一采用降壓法開采帶來的天然氣水合物的二次固化，及降壓效率的低下導致的產量低下。對目標儲層布置直井井網，進行套管射孔完井作業，完井后對所有直井進行分層壓裂作業；壓裂作業完畢后下入篩管及電潛泵。然后，對所有井實施降壓開采直至無經濟效益，隨后在注水井布置地面熱水供給系統，通過注水井對天然氣水合物儲層高壓注入熱水，悶井，從生產井對天然氣及采出水進行收集處理。在生產進行一段時間后，對生產井注入固化劑固結儲層防砂。技術系列包括直井井組的布置、海水源熱泵技術、直井細分層壓裂改造、完井及井下工具、高壓注水及悶井技術、系統防砂技術等。

該工藝適合于不存在自由氣體、臨界溫度較高、連通性差、儲層厚度大、飽和度低、膠結疏松容易出砂的天然氣水合物儲層，能夠提高儲層的加熱效率與受熱體積，減少出砂的可能性，大幅提高儲層生產天然氣的產量與持續時間，提高經濟效益。

1 直井井組注熱水開發可燃冰的工藝技術方案

1.1 直井井組布置

蔣貝貝等[11]提出了水平井注熱海水開發天然氣水合物的工藝方法，但沒有論述具體的完井方式，也沒有論及儲層改造、防砂措施等。天然氣水合物儲層膠結疏松，當天然氣水合物分解后，生成水與天然氣，巖體破壞，出現泥沙，儲層強度降低，結構破壞，儲層坍塌。上述情況不僅發生在生產過程中的儲層中，也發生在鉆井過程中的井筒附近，導致鉆井過程中井壁不穩、坍塌、變形，因此長鉆井段與大斜度井、水平井鉆井工藝技術選擇困難，尤其是水平井建井困難。目前，國內外已經進行過試采的天然氣水合物的井型均為直井井型，還沒有出現水平井井型，這從側面反映了水平井井型在天然氣水合物儲層中的建井比較困難的問題。因此，直井井型還是目前階段切實可行的井型。

結合地質資料，對目標儲藏布置直井井網，直井井網包括直線式、反五點式（圖1）、反七點式、反九點式等，注水井與采氣井按照一定的比例安排。注水井段與生產井段位于同一生產層段；各井之間的距離根據儲藏條件及壓裂裂縫長度，在一定范圍內變化。井間距離150～400 m。

鉆井完畢后進行配套完井作業，完井后對所有直井實行分層壓裂作業；隨后注入防砂支撐劑，在近井地帶形成固結層；對所有井實施降壓開采直至無經濟效益，隨后在注水井布置海水源熱泵系統、地面供給系統，通過注水井對天然氣水合物儲藏注入熱水，并從生產井生產天然氣，對采出水進行收集。

圖1 反五點井網壓裂后裂縫形態俯視圖

1.2 海水源熱泵技術

采用海水源熱泵技術提供熱水作為熱激熱源。熱泵實質上是一種熱量提升裝置，工作時它本身消耗很少一部分電能，卻能從環境介質（水、空氣、土壤等）中提取4～7倍電能的裝置，提升溫度進行利用。

Xiaosen Li等[12]建立了水合物開采數學模型。在初期先進行降壓，待儲層溫度下降后再注入熱鹽水。結果表明：在注熱階段，注入井附近分解反應強烈，產氣速率加快。Yasuhiko H Mori[13]提出了采用水下熱泵加熱水合物儲層進行生產的工藝方法。Jing-Chun Feng等[14]利用雙水平井對水合物降壓與注熱分解進行研究。在熱水注入期，水合物飽和度越高，產氣量越大。與降壓期產氣量相比，注入期產氣量是實驗中影響整個產氣量的主要因素之一。

地源熱泵[15]已成功利用地下水、江河湖水、海水、城市中水、工業尾水等各類水資源以及土壤源，作為地源熱泵的冷、熱源。它不受地域、資源等限制，均可制取高溫熱源（50～85℃以上，熱風或熱水）。

經直接觀測表明：海水溫度日變化很小，南海海水表層水溫高（25～28℃），年溫差小（3～4℃）。海水源熱泵熱水生產具有電能效率高、經濟實惠、可重復使用、儲層加熱效率高、穿透深度大、能力強等特點。該技術能夠提供70℃以上的熱水。

具體操作過程如下（圖2）：帶有海水過濾裝置的海水循環泵吸入海水，海水在蒸發器中與工質1（乙二醇等）進行熱量交換，工質1吸收熱量。海水溫度降低后，經過海水流出線排入大海。然后，工質1與蒸發器內的工質2（R32/R134a或R407C或R22）進行熱量交換，工質2吸熱量蒸發。由蒸發器出來的工質2蒸氣被吸入壓縮機，壓縮機將工質壓縮成過熱蒸氣，進入冷凝器并在定壓下放熱給工質3（即注入水），工質2凝結成飽和液體，經膨脹閥減壓降溫，進入蒸發器，開始下一個循環。工質3吸收熱量后溫度升高，循環進入注入水循環罐中，并經由注入水循環管線，注入水循環泵，連續進行循環加熱。

圖2 海水源熱泵系統和地面供給系統示意圖

注入水循環罐中的注入水包括海水、地層采出水等，由水處理裝置處理后方可使用。水處理裝置包括具有過濾、分解水中溶解氣體功能的常規水處理設備。待注入水循環罐中的溫度升高到一定程度，由注入泵泵注到注入水罐中儲存，并由注入泵打到注水井中。

1.3 直井細分層壓裂改造

新方案為了提高天然氣的產量，實現天然氣水合物的商業開采，對注水井進行壓裂改造，在儲層中壓開多條人工裂縫。

在我國的油田類型中，低滲透和致密砂巖性質的油氣田數量非常多[16-17]。在這些低滲透的油氣田中，巖石致密、滲透率低等因素都會嚴重影響油氣田的開采效率，增加開采的難度。而水力壓裂技術作為一種必要的投產措施，不僅能夠提高產量，而且能夠降低開采難度。有研究人員提出了水力壓裂改造的工藝技術在開發天然氣水合物儲層中的應用[18]。2017年5月10日，在中國南海神狐海域，從水深1 266 m的海底以下203～277 m的天然氣水合物礦藏中開采出天然氣，此次“試采”采用了水力割縫的方法進行儲層改造。測試表明，割縫效果良好，大大提高了地層滲透性。

由于儲層比較淺，根據地應力的大小關系，一般產生水平裂縫，這也是采用直井注采井組的理論依據。人工裂縫，尤其是細分層裂縫的存在，將大大提高儲層受熱面積，提高熱交換的效率，從而提高天然氣的產量；同時，裂縫的存在，改變滲流模式為雙線性流，降低滲流阻力，顯著提高泵注熱水的能力，降低泵注壓力。同時更為重要的是，由于在儲層中制造出人工裂縫，能夠顯著提高生產面積，提高降壓生產效果，迅速擴展降壓范圍，提高儲層的生產能力。在生產過程中，同樣由于降低了生產阻力，減小了壓力降低的程度，也就減小了儲層中砂粒的受力程度，減小了儲層出砂的可能性及出砂量。

本方案中，注水直井進行壓裂改造，采氣井不進行壓裂改造；采用化學暫堵轉向分層壓裂或多級封隔器分層水力壓裂。

在分層壓裂工藝中，根據射孔段長設置壓裂級數，設置每層厚度2～6 m，將儲層細分割，密集造縫，提高注入熱水與儲層的接觸面積。每層的壓裂規模根據井網及井間的距離設置，注水井壓裂裂縫與采氣井之間保留一定距離，造縫長度80～200 m，液體規模 150～400 m3，壓裂排量 2～4 m3/min，壓裂液粘度控制在 10～30 mPa·s。

化學暫堵轉向分層壓裂技術[19]（圖3）是針對籠統射孔地層的。在第一次壓裂完畢后，從暫堵劑投送裝置投入3～7 mm化學暫堵球，暫堵球為水溶性骨膠類或纖維類或樹脂類化學物質，能夠起到暫堵裂縫縫口、射孔孔眼[20]的作用，提供2～8 MPa的暫堵壓力，使得新裂縫開啟，并在壓裂施工后1.5～2.5 h后溶解部分或大部分，并且不污染儲層。暫堵球的用量根據射孔孔眼的數量配置；投送排量低于壓裂排量；分層數量為3～8層。

圖3 暫堵分層壓裂

多級封隔器分層水力壓裂[21-22（]圖4）是指采用井下分層壓裂工具實現細分層，分層數量為3～5層。采用多個液壓封隔器，并組合投球滑套裝置。可組合封隔器滑套分層工藝與化學暫堵分層進行分層，使用封隔器滑套粗分層，每一層中多次投入暫堵劑（2～3次），進行細分層。結合工具與化學暫堵分層，分層數量可以達到10～15層。

圖4 機械分層壓裂

1.4 完井及井下工具

本方案的完井方式為套管固井射孔完井，套管內下入防砂篩管及電潛泵進行生產。

當套管固井射孔完成后，進行壓裂施工，排液后，再下入防砂篩管[23]（圖5）。篩管防砂粒徑可以根據需要調整，能夠防住顆粒較小的地層砂。因此，本方案的完井方式是套管內嵌套篩管。這樣的好處是：采用套管固井完井，井壁比較穩固，強度高，抵抗儲層塑形變形的能力強[24]，且能夠進行壓裂施工。套管內再下入防砂篩管，則具備完善的防砂功能。單純采用篩管完井，不能進行壓裂施工與注固化劑施工，也難以抵抗井壁的塑形變形，井筒存在坍塌變形的可能性增加。

完井作業的直井段口袋深度20～50 m，以實現氣水分采，減少采出氣含水量。在注水井及生產井直井段中下入電潛泵[25]，下入至直井段底部口袋。由于采用注熱水開發，為提高注熱效率，減小熱量損失，注水井的油管要采用隔熱功能設計。

圖5 直井完井示意圖

1.5 高壓注水及悶井技術

采用高壓注熱水技術加熱激發儲層，波及范圍廣，天然氣水合物分解快；采用悶井技術充分進行熱交換。

由于儲層有一定的滲透性，采用高壓方式向儲層中注入高溫度的熱水，在天然氣水合物沒有徹底分解之前，預先在儲層孔隙中灌注具有一定溫度的熱水，促進天然氣水合物分解；而且采用高壓灌注工藝，灌注速度高，與分級壓裂裂縫結合起來，受效面積大，穿透能力強，滲透時間短。注入熱水一段時間后，開始悶井，悶井時間要保證儲層中熱水沁潤的體積中的天然氣水合物徹底分解。悶井過程中由于重力作用，氣體上升，造成“氣頂”儲層。

1.6 系統防砂技術

本方案的防砂技術為系統防砂技術[26]，包括采用分層壓裂技術、小壓差生產技術、儲層固結技術、篩管防砂技術等。分層壓裂技術為小壓差生產技術提供了可能性，此時生產壓差下降，出砂的動力減小，降低了儲層出砂的可能性。

在生產過程中，隨著天然氣水合物分解為水與天然氣，水合物冰體消失，儲層中水分增多，膠結疏松的砂粒在氣流與水流的沖擊下，容易剝落，流向井筒，導致出砂。

由于儲層容易出砂，加上出砂成份的復雜性，雖然篩管防砂效果較好，能夠阻擋砂子不進入井筒或少量進入井筒，但隨著篩管外面的砂子越積越多，篩管有全部堵死的風險；或者篩管經受的磨蝕時間越來越長，存在篩管失效的風險，因此防砂問題要從系統的角度來考慮。

采用儲層固結技術[27]，注入特殊化學劑，固結井筒周圍疏松的砂巖，提高儲層骨架強度，減少出砂的幾率，減小儲層出砂量。固結劑要優選，固結后仍要保留較高的滲流能力。注入化學劑作業針對生產井進行，且在生產進行一段時間后，近井周圍的儲層中的水合物已經分解。利用生產管柱，注入一定量的低溫固結支撐劑，按照每條裂縫用3～10 m3固結劑的用量，關井1～3 h。篩管選擇方面，選擇厚壁基管，優選篩網材料，提高抗磨蝕能力及防砂精度，提高篩管的防砂效果、防砂壽命。

2 理論模擬

2.1 溫壓模型

根據研究，當模擬的溫度在273.15 K之上時，采用如下的平衡壓力方程[28]：

以神狐海域的天然氣水合物的儲層參數為例進行計算[29]，其原始溫度取為15.4℃,壓力取15.55 MPa。假設注熱水后溫度升高為30℃，則平衡壓力為83.5 MPa；注熱水后溫度升高為22℃，則平衡壓力為35.8 MPa。假設天然氣分解界面溫度為10℃，則平衡壓力為9.2 MPa。

2.2 反應速度的變化

2.2.1 不存在分層壓裂，不注入熱流體時的降壓生產產量 假設儲層的厚度為h（m），儲層孔隙度為φ（無因次），水合物飽和度為SH（無因次），As表示天然氣水合物的分解面積中天然氣水合物所占的面積（m2），Peq表示儲層對應條件下的氣固相平衡壓力（MPa），Peq1表示自然降壓生產條件下儲層氣-固相平衡壓力（MPa），PD表示儲層分解壓力（MPa），nL表示天然氣的產出量，Q0表示自然壓降天然氣產量（m3/s），t表示時間（s），RD表示天然氣水合物分解半徑（m），n為比例常數，小于1。

由于自然降壓生產，天然氣水合物分解吸收熱量，儲層的溫度逐漸降低，假設降低為10℃，則相平衡壓力變為Peq1=9.2 MPa。假設井底流動壓力為5 MPa。

根據Bin Dou[30]的推導，在一定時間后，當分解邊界達到RD時，天然氣的產量為：

為保持因次的完整性，本文研究后認為，公式右邊缺少一個分解常數C0（m/（MPa）n/s），

則天然氣產量為：

2.2.2 分層壓裂，注入熱流體時生產產量 假設儲層中存在m條均勻分布的裂縫，裂縫長度為L（m），仍然對比徑向分解半徑達到RD時的產量（見圖6）。

圖6 直井加熱面積變化示意圖

由于多條裂縫的存在，當注入熱水進行分解生產時，分解面面積大大增加，每一條裂縫對應兩個呈圓盤狀的分解面，每一個分解面的面積為：

假設當徑向分解半徑達到RD時，裂縫面上下的分解距離為hD（m）,則徑向分解的面積AF（m2）為：

則考慮徑向分解的面積后，總的分解面積AsF（m2）為：

由于注入熱水，不僅補償了熱量的損失，而且能夠提高儲層的溫度。以Peq2（MPa）表示自然降壓生產條件下儲層氣-固相平衡壓力，假設儲層溫度提高為22℃，則平衡壓力Peq2為35.8 MPa。

此時產量QF為：

則生產產量比i為：

下面考察兩種情況下的生產產量比。假設h=30 m，m=5，φ=0.3，SH=0.2，RD=15 m，L=50 m，Peq2=35.8 MPa，n=0.02，Peq1=9.2 MPa，PD=5 MPa，則生產產量比為i=13，說明分層壓裂制造多條裂縫，注熱水提高儲層溫度能夠大幅提高生產產量。

3 結論

文中提出采用直井井組壓裂注熱水開采天然氣水合物。與現有技術相比，本方案的有益效果是：采用目前階段切實可行的直井井型，并形成一注多采井網；采用分層壓裂技術，注水及降壓生產受效面積大；采用海水源熱泵技術，儲層溫度提高，天然氣水合物分解速度增加，同時做到低成本開發天然氣水合物；同時采用套管固井完井與篩管完井，有效保護了篩管，滿足了壓裂工序的要求；采用系統防砂工藝，出砂量少，防砂效果好。計算模型模擬結果表明，采用該套工藝能大幅提高生產產量。