南海固态流化开采天然气水合物设计参数优化

2020-12-28蔡明杰毛良杰周守为何玉发

科学技术与工程 2020年33期

黄鑫，蔡明杰，毛良杰，周守为，何玉发

(1.中国海洋石油总公司，北京 100027； 2.西南石油大学，油气藏地质及开发工程国家重点实验室，成都 610500； 3.中海石油(中国)有限公司北京研究中心，北京 100027)

天然气水合物因其清洁、储量大、分布广而被认为是未来最有前途的替代能源。天然气水合物的开发方法主要有减压法、热注入法、化学剂注入法和CO2置换法[1-4]。这些开发方法的基本思想是通过改变水合物的周围温度和压力来分解水合物，适用于强胶结致密水合物储层的开采。然而，对于海底表层弱胶结非成岩天然气水合物储层来说，水合物的长期开采会影响储层的压力和温度场，造成地质灾害(如海底沉降和海底滑坡)、全球变暖和储层污染[5]。

2013年3月，日本成功通过降压法从南开海槽东部海底开采出甲烷气体。然而，在开采的第6天，由于地层压力下降引起的井下大量出砂，水合物的试采被迫停止。与日本水合物开采相比，南海“神狐”海域的水合物水深更深、埋深更浅，其开采面临着更为严峻的挑战[6]。固态流化方法是中国海洋石油总公司针对此类水合物开采提出的一种创新方法。固态流化的核心思想是先通过机械射流破碎的方法粉碎非成岩的水合物储层，然后通过立管系统将水合物泥浆从海底输送至钻井船。这样就不会影响天然气水合物储层的温度场和压力场，实现了天然气水合物的可控开采。在实验验证该方法的可行性后，中国海洋石油总公司于2017年5月成功实施了全球首次海洋非成岩水合物固流化试采，试井水深1 310 m，水合物沉积层深度117～196 m。此次试采产气81 m3，气体中甲烷含量高达99.8%，未发现地质灾害和甲烷泄漏[7]。

然而，现场观察和试采数据表明，试采过程中仍然存在钻井液漏失、产量下降等现象。海洋天然气水合物固流化开采过程如下：首先，在水合物储层上方钻领眼；然后，天然气水合物经喷嘴破碎流化；最后，将流化的水合物浆体相上输送。当水合物颗粒从环空返回钻井船时，固体水合物颗粒会因为压力的降低和温度的升高而分解成为甲烷气体和水，形成复杂的气液固三相流动。环空多相流动对井筒压力影响很大，无序的水合物分解有可能对钻井安全构成威胁(如钻井液漏失、地层坍塌、地层破裂等)。Wang等[8]在考虑气侵的情况下，研究了深水钻井过程中水合物的多相流行为及水合物相变的影响，结果表明泥浆池增量随井筒内气体体积的减少而降低。Gao等[9]提出了水合物钻井的井筒-地层耦合模型，分析了水合物-地层可能的分解区域，提出了控制水合物分解的有效方法。由此可见，现有研究对水合物分解引起的环空多相流动行为已经进行了广泛分析。然而，很少有研究系统分析水合物分解引发的多相流行为对工程安全的影响。随着能源需求的不断增长，在大规模商业化固态流化开采海洋天然气水合物之前，确保工程安全具有重要意义。

通过建立考虑水合物热分解的井筒多相流动模型，系统地研究固态流化开采天然气水合物过程中的井筒多相流行为。在此基础上，分析钻井参数对工程安全的影响，提出确保固态流化开采天然气水合物工程安全的具体参数。研究成果可为中国南海固态流化商业化开采天然气水合物提供理论指导和技术支持。

1 数学模型

1.1 多相流模型

在天然气水合物开采过程中，固相水合物颗粒会随着钻井液在环空中向上运移。在海水段，随着环空温度和压力的降低，水合物颗粒会分解成气体从而在环空内形成气液固三相流动。假设水合物分解产生的水忽略不计，建立如下多项流动模型[10]：

气相连续性方程：

(1)

液相连续性方程:

(2)

固相连续性方程:

(3)

根据动量守恒定律，可以得到气液固三相混合动量方程为[11]

(4)

式中：t为时间，s；z为单元体长度，m；ρ为某相密度，kg/m3；v为某相速度，m/s；E为某相体积分数；下标g、l、S分别表示气相、液相和固相；A为环空截面积，m2；xg为水合物中天然气的质量分数；rH为水合物分解速率，m3/s；g为重力加速度，kg/m3；P为压力，Pa。

1.2 能量守恒方程

由于水合物的分解是一个吸热的过程，而井筒温度分布又对水合物分解速率有着不可忽略的影响。因此，考虑水合物的吸热分解来计算井筒温度。

环空温度计算模型[12]:

(5)

钻柱内温度计算模型:

(6)

1.3 水合物分解速率

采用Kim等[13]提出的经典模型来计算水合物分解速率：

(7)

式(7)中：k为水合物分解速率常数；As为水合物总分解面积，m2；Pg为气相压力，Pa；ΔE为水合物热分解活化能, J；Peq为水合物相平衡压力，可以用Dzyuba等[14]提出的经验模型计算：

(8)

其余辅助方程如流态判别准则、漂移流动模型以及摩阻压降模型采用Hasan等[15-16]提出的在石油工业中广泛应用的经典数学模型计算。

2 模型求解

2.1 网格划分

采用有限差分法求解耦合的数学模型。在模拟中，时间域表示天然气水合物从井底到井口运移的全部时间过程，空间域表示从井底到井口的所有空间节点。图1为井筒网格划分与网格集成区域示意图。

图1 井筒网格划分Fig.1 Diagram of the grid diagram and cell grid integration area of the wellbore

2.2 方程离散

数学模型中的偏微分方程可以写为

(9)

然后，根据格林公式可以得到沿L边界的曲线积分为

(10)

通过化简，式(10)可以写为

(11)

(1)气相差分方程：

(12)

(2)液相差分方程:

(13)

(3)固相差分方程:

(14)

(4)混合动量差分方程:

(15)

(5)环空能量守恒差分方程:

(16)

(6)钻柱内能量守恒差分方程：

(17)

3 工程应用分析

在中国南海，天然气水合物埋深浅、胶结弱、储层疏松，压力窗口很窄。在水合物固态流化开采过程中，井筒内的多相流动行为会对井筒内温度和压力场造成较大的影响，可能引发井下事故，如图2所示。针对天然气水合物大规模商业开采，采用数值模拟的方法，对南海“神狐”海域某井海洋天然气水合物固流化开采中的多相流行为进行了研究。在此基础上，分析了多相流特性对工程安全的影响。该井的主要计算参数如表1所示。

3.1 排量的影响

图3为不同排量下环空含气率、井筒温度、地层段环空压力和井底压力变化规律。由图3(a)可知，水合物颗粒在500～900 m位置开始分解，分解气体积随着井深的降低而增加。这是由于随着井深的降低，环空内钻井液温度和压力降低，水合物分解速率增加。此外，排量越大，初始分解位置越接近海面。这是由于，排量越大，钻井液在环空中流动的时间越少，从地层吸收的热量越少[17]，钻井液温度越低[图3(b)]。因此，水合物分解分解速率越低。因此，由于在高排量下井筒内气体体积更小，环空压力和井底压力更高，如图3(c)、图3(d)所示。此时，采用的排量如果低于40 L/s，井底压力将低于地层坍塌压力，极有可能造成地层坍塌。此外，排量也不应该过大，由图3(c)可知，过大的排量可能压裂水合物储层上部地层，造成储层污染。因此，为保证工程安全，建议在海洋天然气水合物开采中采用排量为40～50 L/s。

P为井底压力，MPa；PL为漏失压力，MPa；PP为地层压力，MPa; PC为坍塌压力，MPa；PF为破裂压力，MPa图2 井筒多相流与工程安全关系示意图Fig.2 Diagram of the relationship between multiphase flow behavior and engineering safety

表1 “神狐”海域某井主要参数Table 1 The main parameters of the well in “Shenhu”

图3 不同排量下含气率、井筒温度、地层段环空压力和井底压力变化Fig.3 Variations of gas content, wellbore temperature, formation section annular pressure and bottom hole pressure under different displacements

3.2 地温梯度的影响

图4为不同地温梯度下环空含气率、井筒温度、地层段环空压力和井底压力变化规律。由图4(a)可知，随着地温梯度的增加，水合物分解速率加快，井内气体体积增加。这是因为，地温梯度越大，钻井液从底层获得热量越多[18]，钻井液温度越高[图4(b)]，因此，水合物分解速率越高。因此，由于在高地温梯度下井筒内气体体积更大，环空压力和井底压力更低，如图4(c)、图4(d)所示。此时，如果地温梯度高于0.04 ℃/m，井底压力将低于地层坍塌压力，极有可能造成地层坍塌。此外，地层段环空压力也有可能低于地层压力，造成地层流体进一步侵入井筒。因此，如果地温梯度高于0.04 ℃/m，钻井时有必要提前冷却钻井液，确保工程安全。

图4 不同地温梯度下含气率、井筒温度、地层段环空压力和井底压力变化Fig.4 Variations of gas content, wellbore temperature, formation section annulus pressure and bottom hole pressure under different geothermal gradients

3.3 钻井液密度的影响

图5为不同钻井液密度下含气率、井筒温度、地层段环空压力和井底压力变化规律。由图5(a)可知，随着钻井液密度的降低，水合物分解速率加快，井筒内气体体积增加。这是因为，钻井液密度越大，钻井液液柱压力越大，温度越低[图5(b)]，水合物分解速率越低[19]。因此，由于在低钻井液密度下井筒内气体体积更大，环空压力和井底压力更低，如图5(c)、图5(d)所示。然而，钻井液密度如果低于1.20 g/cm3，储层段环空压力低于地层压力[图5(c)]，可能引发溢流事故；井底压力低于地层坍塌压力[图5(d)]，可能造成地层坍塌。同时，如果钻井液密度大于1.25 g/cm3，井底压力将大于地层漏失压力[图5(d)]，引发钻井液漏失。因此，为确保工程安全，钻井液密度应该控制在1.20～1.25 g/cm3。

图5 不同钻井液密度下含气率、井筒温度、地层段环空压力和井底压力变化Fig.5 Variations of gas content, wellbore temperature, annulus pressure and bottom hole pressure in different drilling fluid densities

图6 不同钻速下含气率、井筒温度、地层段环空压力和井底压力变化Fig.6 Variations of gas content, wellbore temperature, formation section annulus pressure and bottom hole pressure at different drilling rates

3.4 钻速的影响

图6为不同钻速下含气率、井筒温度、地层段环空压力和井底压力变化规律。由图6(a)可知，随着钻速的增加，水合物分解速率增加。这是由于在相同的时间内，高钻速下更多的水合物颗粒会携带热量进入到环空内[20]，提高了钻井液温度[图6(b)]，增加了水合物分解速率。由图6(c)可知，钻速对储层段环空压力的影响较小，钻速的变化引起地层破裂的可能性低。然而，当钻速高于20 m/h时，由于钻井液固相含量上升，初始井底压力大于地层漏失压力[图6(d)]，将造成钻井液漏失。在高钻速下，一方面由于含气率增加，井内环空压力和井底压力会降低；另一方面由于钻井液固相含量增加环空压力和井底压力会增加。在二者共同作用下，环空压力和最终井底压力随钻速变化不明显。因此，在保证工程安全的前提下，为提高水合物开采效率，开采水合物的钻速应该保持在20 m/h左右。