分支參數對天然氣水合物羽狀多分支井降壓開采產能的影響規律

王靜麗，萬庭輝*，李占釗，沙志彬，于彥江，梁前勇

(1.中國地質調查局廣州海洋地質調查局，廣州 510760；2.自然資源部海底礦產資源重點實驗室，廣州海洋地質調查局，廣州 510075)

在天然氣水合物研究過程中，基于成本等因素考慮，很多情況下無法開展實驗模擬研究，例如，場地尺度的天然氣水合物開采實驗；而數值模擬方法則是很好的補充，是研究水合物開采方案的重要手段，其可充分利用野外或實驗獲取的數據，定量計算壓力、溫度和天然氣水合物化學的動力學轉換關系，評價天然氣水合物的開采潛力，對于認識開發過程中各因素的敏感性、環境影響、水合物藏的產氣量進行初步估計等方面都具有重要意義。

美國勞倫斯伯克利國家實驗室開發的水合物模擬器TOUGH+HYDRATE是業界應用最為廣泛的模擬器，其可以模擬多組分多相態，模擬的組分包括水合物、H2O、CH4、鹽、添加抑制劑、熱等。該模擬器既可以模擬平衡或動態分解過程，也可以模擬可能的降壓、熱、添加抑制劑及混合情況的分解過程[1]。近年來相關研究人員利用TOUGH+HYDRATE水合物模擬器進行了大量的天然氣水合物開采數值模擬研究工作，而中國公開發表研究論文涉及開采井型大多為垂直井或水平井等簡單井型[2-6]，前人研究結果表明單一垂直井或單一水平井的產能表現很難滿足工業化開采。

提高原位水合物分解速率和擴大水合物分解面積是提高單井產能的兩種基本方法。理論上增加井底壓降可以達到提高水合物分解速率的目的。但水合物儲層強度較低，片面增大生產壓差不能有效地提高生產效率，甚至有可能導致井眼塌陷、儲層破壞等問題。因此增大分解面積是提高產能，減輕因壓降過大而引起儲層破壞問題的有效途徑。其中多分支井技術能最大限度地增加天然氣水合物藏的裸露面積和深度[7-8]。

分支井技術在陸地頁巖氣和海洋深水油氣等領域已經得到了很好的運用，充分證明了多分支井這種工程技術的成熟可行。而且2020年中國第二輪海域天然氣水合物試采已實現深水淺軟地層水平井開采[9]，因此多分支井技術在天然氣水合物開采中具有巨大的潛力，是實現天然氣水合物高效開采，提升水合物產能量級的一項關鍵技術[10]。

目前中國關于天然氣水合物多分支井產能預測和井型優化方面的研究并不多。羽狀水平井是在常規水平井與分支井基礎上發展起來的一種新井型，其井型優化是多分支井成功開發天然氣水合物的關鍵。為此本文以中國地質調查局2017年神狐海域SHSC-4井測井曲線數據為基礎[11]，建立理想水合物藏分層地質模型，開展分支長度、分支數目、分支角度和分支間距等參數對羽狀多分支井布設在水合物Ⅱ層中部降壓開采產能的影響研究。

1 數值模型

南海神狐海域天然氣水合物礦藏位于南海北部陸坡中段神狐暗沙東南海域附近，西沙海槽與東沙群島之間的珠江口盆地珠二坳陷，該坳陷自中新世以來處于構造沉降階段，沉積速率高，為該區天然氣水合物發育創造了良好地質條件[12]。

自2003年以來，中國地質調查局對神狐海域的天然氣水合物資源進行評估，開展了天然氣水合物地質、地球物理和鉆探調查。自2007年起，中國地質調查局在南海先后完成了4次水合物鉆探航次(圖1)[13]。分別為GMGS1(2007)、GMGS2(2013)、GMGS3(2015)和GMGS4(2016)，取得了豐富的水合物儲層特征數據，并獲取了大量原位水合物實物樣品[14]。

2017年7月，中國地質調查局在GMGS3航次鉆探的W17站位組織實施了中國南海海域天然氣水合物首次試采并取得了圓滿成功。SHSC-4試采井自5月10日試氣點火以來，連續試開采60 d，累計產氣超過30萬m3，實現了中國天然氣水合物勘探開發的歷史性突破[11]。

SHSC4試采井是在W17站位完成的，現以SHSC4試采井測井曲線數據為基礎，并參考W17站位數據進行模擬[11]。W17站位海水深度1 266 m，水合物儲層屬于泥質粉砂型，沉積物平均粒徑約12 μm，主要包含石英和長石(53%)、碳酸鹽(16%)、蒙脫石和伊利石組成的黏土礦物(26%～30%)。按照Moridis等[15]提出水合物藏分類方法，W17站位天然氣水合物系統屬于Ⅰ類水合藏，具體可細分為三層，包括水合物Ⅰ層(201～236 mbsf，bsf指海底以下深度)，其孔隙空間充滿固態水合物和液態水，水合物Ⅱ層(236～251 mbsf)，其孔隙空間填充了三個相態:固態水合物，游離氣和液態水和水合物Ⅲ層(251～278 mbsf)，其孔隙空間充滿兩個相態:游離氣和液態水；水合物Ⅰ層，水合物Ⅱ層和水合物Ⅲ層的孔隙度分別為35%、33%和32%，平均滲透率分別為2.9、1.5和7.4 mD。水合物Ⅰ層和水合物Ⅱ層的平均水合物飽和度分別為0.34和0.31，水合物Ⅲ層的平均氣體飽和度為7.8%。

1.1 模型網格和離散

地質模型大小為510 m×630 m×137 m，天然氣水合物儲層由水合物Ⅰ層、水合物Ⅱ層和水合物Ⅲ層組成，厚度分別為35、15、27 m。受限于單機版TOUGH+HYDRATE最高支持50 000個網格，建立的數值模型重點考慮水合物藏的層間非均質性，因此z方向網格剖分較為精細，其中x、y、z三個方向上的最小網格尺寸為Δx=0.25 m、Δy=20.0 m、Δz=1.0 m，上覆層和下伏層厚度為30 m。整個數值模型離散為48 114個網格(x方向為22個網格，y方向為27個網格，z方向為81個網格)，數值模型網格剖分如圖2所示。

圖2 模型示意圖[11]

1.2 初始和邊界條件

根據生產測試井SHSC-4的測井曲線，提取每層(每層0.5 m)的地質數據，如孔隙度、水合物飽和度、氣體飽和度和水飽和度，建立數值模型。上覆層和下伏層的孔隙度均設置為30%。水合物Ⅰ層、水合物Ⅱ層和水合物Ⅲ層的平均滲透率分別設置為2.9、1.5、7.9 mD[11,14,16]。上覆層和下伏層的平均滲透率設置為2.0 mD。在這項研究中，沒有考慮滲透率各向異性對水合物生產的影響[17-18]。因此將水合物儲層，上覆層和下伏層在x、y和z方向的滲透率設置為相等。由于覆蓋層是可滲透的，因此天然氣水合物儲層中的孔隙水可以與海水交換，這意味著孔隙水壓力是靜水壓力[19]。模擬的天然氣水合物藏壓力[20]計算公式為

Ppw=Patm+ρgH×10-6

(1)

式(1)中：Ppw和Patm為孔隙水的壓力和標準大氣壓，MPa；ρ為海水密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2；H為到海平面的距離，m。此外，可以基于靜壓公式和地熱梯度來計算模型頂部和底部的溫度和壓力。整個模擬天然氣水合物儲層溫度和壓力可以通過軟件的自平衡功能獲得。在數值模擬過程中，上下邊界的溫度和壓力設置為恒定值[21]。天然氣水合物藏主要性質詳見表1和表2。

表1 儲層特征參數

表2 模擬型計算參數

1.3 生產井設計、降壓情況和開采方式

按照黏性流體方程(Navier-Stokes equation)理論，模型井筒被看作“似孔隙”介質，井筒內部流體為達西流[22]。早期研究已經證實了這種近似的正確性[23-24]。這種“似孔隙介質”的孔隙度為1，在模型里面將井筒的等效成孔隙度為1，滲透率為10 000 D，毛細管力為0的偽多孔介質，相對滲透率是各相飽和度的線形函數，具有非常低的氣體殘余飽和度[22]。

天然氣水合物降壓開采期間，由于氣體節流膨脹效應和水合物分解吸熱，井筒內部會生成二次水合物；實際施工過程中，可通過在井筒內部加熱或注入抑制劑等流動保障技術，抑制井筒內部二次水合物生成，因此模擬假定井筒內部不生成二次水合物并對數值模型井筒網格狀態進行固定。本文涉及所有模擬算例均采用全井筒裸眼完井后降壓1 MPa持續開采60 d，生產井設計詳見表3。

表3 生產井設計

涉及開采模型羽狀多分支井井筒半徑均為0.1 m，主井眼位于水合物Ⅱ層中部(x=255 m，z=-72.5 m)，起點位于y=165 m，終點位于y=465 m，分支井眼均沿主井眼對稱等間距分布，如圖3生產井設計示意圖所示。

圖3 生產井設計示意圖

2 模擬結果與討論

2.1 分支長度對產能的影響

給定相同的主井眼長度(300 m)、分支間距(60 m)、分支數目(8個)和分支角度(45°)；分支長度分別為50、100、150、200、250 m，研究不同分支長度對產氣量的影響。表4為不同分支長度方案累積產氣統計。

表4 不同分支長度累積產氣統計

從圖4不同分支長度降壓開采60 d后的水合物儲層溫壓等參數分布特征可以看出，隨著分支長度的增加，其壓力傳導范圍也不斷增大；大量氣體由主井眼跟部產出，由于氣體節流膨脹效應，主井眼跟部溫度明顯較低；主井眼跟部、主井眼與分支井眼交匯點的井筒周圍氣體飽和度最低；小壓差1 MPa開采60 d后，分支井井周未生成二次水合物。

圖4 不同分支長度開采60 d后的水合物儲層溫壓等參數分布特征

圖5展示了不同分支長度降壓開采60 d后，產氣速率和累積產氣量隨時間的變化關系，隨著分支長度的增加，分支井的產氣速率和累積產氣都在不斷增加，尤其是分支長度由從50 m增至150 m時，其產氣速率和累積產氣量都有較大的提升；而由150 m增至250 m時，產氣速率和累積產氣量雖有所增加，但總體產能增幅逐步減小，這是由于隨著分支長度增加，井間干擾也不斷增強，同時考慮到供給邊界的影響，所以分支長度由150 m增至250 m時增產效果較弱。根據產能模擬結果可知，分支長度是影響羽狀分支井產能的重要參數，在指定供給邊界條件下，分支井產能隨分支長度的增加而增加，當分支長度較短時，增加分支長度對應的產能增幅較大，而當分支長度增加到一定的程度時，分支長度的增加對應的產能增幅并沒有明顯變化，即并不是分支長度越長越好。在本文討論的模型地質條件下，分支長度為100～150 m時為宜。

圖5 不同分支長度的產氣速率和累積產氣量

2.2 分支數目對產能的影響

給定相同的主井眼長度(300 m)、分支間距(60 m)、分支長度(100 m)和分支角度(45°)；分支數目分別為2、4、6、8、10個，研究不同分支數目對產氣量的影響。表5為不同分支數目方案累積產氣統計。

表5 不同分支數目累積產氣統計

不同分支數目降壓開采60 d后的水合物儲層溫壓等參數分布特征的情況如圖6所示，隨著分支數目的增加，其壓力傳導范圍也相應增大。當分支數較少時，主井眼跟部和趾部溫度較低，這一現象和常規水平井類似；隨著分支井數的增加，主井眼沿跟部至趾部井周氣體飽和度呈逐漸減弱趨勢。

由圖7產氣速率和累積產氣量隨時間的變化關系可知，隨著分支數目的增加，羽狀分支井的產氣速率和累積產氣也相應地增加；相較于增加分支長度的增產效果，分支數目增加所產生的產能增幅變化較為平穩，隨著分支數目的增加，井間干擾也逐步加強。隨著分支數的大幅度增加，鉆井成本必然大幅度增加，因此分支數也不是越多越好，存在一個經濟合理值，在本文討論的模型地質條件下，分支數為6～8個是比較好的選擇。

圖7 不同分支數目的產氣速率和累積產氣量

2.3 分支角度對產能的影響

給定相同的主井眼長度(300 m)、分支間距(60 m)、分支長度(100 m)和分支數目(8個)；分支角度分別為15°、30°、45°、60°和75°，研究不同分支角度對產氣量的影響。表6為不同分支角度方案累積產氣統計。

表6 不同分支角度累積產氣統計

從圖8不同分支角度降壓開采60 d后的水合物儲層溫壓等參數分布特征可以看出，分支角度由15°增至45°時，其壓力傳導范圍不斷增大，而分支角度由45°增至75°時，其壓力傳導范圍反而減小。

圖8 不同分支角度開采60 d后的水合物儲層溫壓等參數分布特征

由圖9產氣速率和累積產氣量隨時間的變化關系可知，分支角度由15°增至45°時，增產效果明顯，而當分支角度由45°增至75°時，產氣速率和累積產氣量均有所下降。由產能模擬結果可知，當分支井角度較小時，井間干擾較嚴重，隨著分支角度增大，井間干擾逐漸減弱，增產效果非常明顯；而當分支角度大于45°時，井間干擾已不明顯，但分支角度增加使得壓力傳導范圍減小，水合物藏儲量動用程度減少的情況下，產能也變小。

圖9 不同分支角度的產氣速率和累積產氣量

因此分支角度的影響主要體現在井間干擾上。在本文討論的模型地質條件下，分支角度為45°時，羽狀分支井的儲量動用程度最高，對增產最為有利，實際設計過程中還需要考慮鉆井、完井工具最小許可彎曲半徑的影響。

2.4 分支間距對產能的影響

給定相同的主井眼長度(300 m)、分支角度(45°)、分支長度(100 m)和分支數目(8個)；分支間距分別為30、45、60、70、90 m，研究不同分支間距對產氣量的影響。表7為不同分支間距方案累積產氣統計。

表7 不同分支間距累積產氣統計

從圖10不同分支間距降壓開采60 d后的水合物儲層物性分布特征可以看出，隨著分支間距的增大，其壓力傳導范圍也不斷增大。

圖10 不同分支間距開采60 d后的水合物儲層溫壓等參數分布特征

由圖11產氣速率和累積產氣量隨時間的變化關系可知，相較于增加分支長度，增加分支間距的增產效果較弱。隨著分支間距的增加，壓力波及范圍隨之增大，儲量動用程度提高，分支井的產氣速率和累積產氣量也逐步增加，可獲得較高的采收率。當分支間距足夠大時，單個分支變成單個井筒控制滲流，達到最大有效控制面積時，產氣速率和產氣量也達到峰值，再增加間距已經不能增加有效控制面積。因此對于給定的主井眼長度或天然氣水合物藏，分支井存在最優分支間距，在保證較大控制面積和鉆井成本的前提下，分支井間距越大越好。在本文討論的模型地質條件下，分支間距為90 m時，增產效果最好。

圖11 不同分支間距的產氣速率和累積產氣量

3 結論

(1)在進行羽狀多分支井參數優化時，首先應考慮分支長度；分支長度是影響產能的關鍵參數，尤其是當分支長度較短時，分支長度增加的增產效果最強；隨著分支長度增加到一定長度，繼續增加分支長度的產能增幅逐漸減弱，因此分支長度不應過長。

(2)其次應考慮分支數目和分支角度；相較于增加分支長度，增加分支數目和分支角度對產能影響較弱且效果相近；增加分支數目能平穩提高產能，基于鉆井成本考慮，分支數目不宜過多；分支角度由15°增至45°時，增產效果非常明顯，但角度一旦大于45°，產能增幅度呈下降趨勢，因此分支角度應小于45°。

(3)在充分考慮上述分支參數的基礎上，可適當考慮分支間距。相較于其他分支參數，增加分支間距對產能影響最弱，對于給定的主井眼長度或天然氣水合物藏，分支井存在最優分支間距，在保證較大控制面積和充分考慮鉆井成本的前提下，分支井間距越大越好。