水平井长度对天然气水合物藏降压开采效果的影响

2021-06-13卓鲁斌张宏源周翠平

天然气工业 2021年5期

卓鲁斌于璟张宏源周翠平

中国石油集团工程技术研究院有限公司

0 引言

目前天然气水合物（以下简称水合物）藏的开发方法大致可以分为降压法、热刺激法、注化学剂法以及CO2置换法，其中降压法投入最低，是目前最有可能实现商业化的开发方法[1-4]。我国在南海北部神狐海域先后成功实施两次试采工作，实现了从“探索性试采”向“试验性试采”的重大跨越，也验证了降压法开发南海水合物藏的技术可行性[5-6]。

水平井可以有效扩大井筒与水合物藏的接触长度，加速气和水的产出从而更快地实现降压，我国第二次试采采用水平井降压开采，获得2.87×104m3的日产气量，证明了水平井降压开采水合物藏的有效性。此外，国内外学者针对水平井降压开采水合物藏也开展了部分研究工作，Moridis等[7]采用TOUGH＋HYDRATE软件对阿拉斯加北坡水合物藏水平井降压开发的效果进行了数值模拟研究，结果表明水平井相对于直井可获得更高的产气速率，但由于水平井的钻井和操作费用高于直井，因而其适应性有待进一步评估；Li等[8]针对祁连山冻土区水合物藏进行了水平井降压开发的数值模拟研究，结果表明降压前期的产气量明显高于降压后期，由于冻土区水合物藏的温度较低，可用于分解的热能较少，因而总体而言产气能力较低；Yu等[9]针对日本南开海槽水合物藏开展了水平井降压和注热数值模拟研究，结果表明单一水平井降压开发时，水平井位于储层上部有利于利用底盖层中流体的热能促进水合物分解，且降压和注热相结合可以更好地提高水合物藏的开发效果；李刚等[10]以南海北部神狐海域水合物藏的地质参数为基准，建立了数值模拟模型并对水平井降压开发的效果进行了模拟，发现水合物的分解区域主要为井周附近且产气量在降压约1年后可达最大值；申志聪等[11]建立了含有游离气层的Ⅰ类水合物藏数值模拟模型，并采用TOUGH＋HYDRATE模拟器对比了水平井和直井的开发效果，结果表明采用水平井开发时，游离气的向上运移不仅可以提高产气速率，同时气体中蕴含的热能可有效促进水合物的分解，提高水合物藏的开发效果。虽然上述理论研究均表明水平井在水合物藏开发中具有很大的潜力，但目前的研究主要集中在生产动态的变化规律分析等方面，水平井长度对水合物降压开发效果的影响尚缺少系统的实验和理论研究。为此，笔者采用自行设计的水合物开采模拟实验装置，对比了不同长度水平井降压开发水合物藏过程中，产气产水和温度压力的变化规律，在此基础上采用TOUGH＋HYDRATE软件对实验动态进行了拟合，进而分析了水合物的分解规律，研究内容旨在为我国水合物藏的合理开发提供技术和理论支撑。

1 实验设备及方法

1.1 实验设备

图1为自行设计的实验装置流程图。该装置主要包括注入系统、恒温系统、采集系统、水合物藏模拟系统等，其中注入系统主要包括ISCO驱替泵和装有水、高压甲烷的中间容器，其作用为向水合物藏模拟系统中注入水合物生成所需的甲烷气和水。恒温系统采用高低温恒温箱，恒温精度为±0.5 ℃。采集系统主要包括与水合物藏模拟系统底部相连的测温和测压探头、可实时测量烧杯中产出液质量的高精度天平、信号收集箱以及计算机等。

图1 实验装置流程图

水合物藏模拟系统是该系统的核心装置，图2为水合物藏和水平井模型的实物图以及水合物藏模型底部的孔眼分布。水合物藏模型内槽尺寸为20 cm×20 cm×6 cm，由于模型的材质为不锈钢，其热传导率较大，前期探索性实验结果表明实验过程中沿模型顶底的热能传递对开发效果的影响较大。在进行稠油热采实验时陶泥常被作为顶底盖层的模拟材料并表现出了良好的隔热效果[12-13]，为此本模型在顶底各铺制一层厚度约为1 cm的不渗透陶泥，模型的实际可填砂厚度约为4 cm。此外，为了降低四周壁面的传热并防止气水沿光滑壁面窜流，模型四周采用玻璃胶进行了粗糙化处理。

图2 模型实物图及孔眼分布图

水合物藏模型底部的孔眼可作为温压测点和注采点（图2-b），其中2号、4号和5号孔眼为温度测点，6号、7号和9号孔眼为压力测点，其余孔眼为注采孔眼。测温和测压探头通过信号收集器与计算机相连，用来记录各测点在降压开发过程中的温度和压力变化。水平井模型为外径6 mm的不锈钢管柱（图2-a），通过打孔模拟井筒射孔，水平井段距离与其平行的模型侧边的距离为10 cm，即水平井位于水合物藏模型的中心位置处。为了对比水平井长度对开发效果的影响，制作了6 cm、10 cm、14 cm三种不同射孔长度的水平井模型。可定义无因次水平井长度为：

式中LD表示无因次水平井长度，为水平井射孔段长度占单井控制区域沿水平井方向长度的百分比，由于水合物藏模型沿水平井方向的长度为20 cm，因而6 cm、10 cm、14 cm三种射孔段长度水平井模型所对应的无因次水平井长度分别为0.3、0.5和0.7；Lw表示水平井射孔段长度，cm；Lm表示水合物藏模型长度，cm。

1.2 实验材料及步骤

实验用水为去离子水，实验用气为纯度99.9%的甲烷气，水合物藏模型采用140目石英砂填制。实验具体操作步骤如下：

1）采用石英砂进行模型充填，采用多点轮换注入的方式对水合物藏模型饱和水，根据进水量计算模型孔隙度，其中多点轮换注入方式的具体做法为：首先采用图2-b中的孔眼1作为注入点，孔眼10为产出点，当孔眼10无气体产出时，关闭孔眼10并打开孔眼3继续驱替，当孔眼3无气体产出时关闭孔眼3并打开孔眼8继续驱替，当孔眼8无气体产出时将注入点变换至孔眼8、孔眼10或孔眼3并参照上述方法继续进行驱替，当4个注采孔眼均轮换完成后饱和结束。

2）采用多点轮换注入的方式注入甲烷气并驱替出部分水，然后封闭出口端注入高压气将模型压力上升至13 MPa。

3）关闭入口端并将恒温箱温度设定为8 ℃进行水合物生成，通过温度和压力数据变化监测水合物的生成状况。

4）当系统压力不再变化时认为水合物已经生成完毕，回压阀设置为13 MPa，注水驱替模型中剩余的自由气，当多点轮换注入均无气产出时可认为模型中的自由气已被完全采出，关闭注入端静置24 h并按照本文参考文献[2]中的方法计算模型中水合物和水的饱和度。

5）调节回压阀的压力值为3 MPa，打开位于水合物藏中部的模拟井进行水合物分解实验，其中模拟井为图2-a中所展示的外径为6 mm的钢制打孔管柱。实验过程中模拟井缠绕铁砂网进行防砂。

6）当产气和产水速率较低时实验停止，降压升温使得水合物全部分解并排出模型中的剩余气体。

2 实验结果分析

实验采用3种射孔段长度的水平井模型成功开展降压开发实验3组，各组实验所对应的水合物模型基本物性参数如表1所示。从表1可以看出，各组填砂模型的孔隙度和水合物饱和度较为接近，具有良好的可对比性。水合物藏模型的绝对渗透率无法直接进行测量，因而采用水合物藏模型所采用的140目石英砂对一维填砂管进行填砂，并尽量保证填砂管与水合物藏模型具有相似的石英砂压实程度，通过水驱实验测得渗透率约为0.34 μm2。

表1 降压开采实验基本物性参数表

2.1 产气动态对比

图3和图4分别为3组实验的产气速率和累计产气量对比，图5和图6分别为产水速率和累计产水量对比。从图3、5可以看出，产量的剧烈变化主要发生在实验前期，为了更加直观地展示产气和产水速率在实验前期的变化规律，图3和图5中对15 min内的产气和产水曲线进行了局部放大。从局部放大图中可以看出，3组实验均表现为产气速率快速上升，到达峰值后震荡式下降的趋势，而产水量则是在降压初期获得峰值后快速下降，当产水量较低时保持不规律的上下波动。这主要是因为模型的初始压力较高，可动水处于高压状态，当实验开始后，可动水首先呈喷涌状产出，同时伴随着模型压力的快速下降，近井地带水合物大量分解，分解后孔隙度和渗透率的上升则可进一步促进分解气的产出。此外水合物的分解是一个吸热反应，由于没有稳定的热源供给，水合物分解速度快速降低，因而产气量到达峰值后也快速下降。

图3 产气速率对比图

图4 累计产气量对比图

图5 产水速率对比图

图6 累计产水量对比图

无因次水平井长度LD为0.7、0.5和0.3时所对应的峰值产气速率分别为3 122 mL/min、2 640 mL/min和2 300 mL/min，到达产气峰值的时间分别为2分40秒、4分50秒以及6分20秒。这说明水平井长度越大，其产气峰值越高，到达产气峰值所需要的时间也越短。这主要是由于水平井可以有效增大泄水和泄气面积，因而降压开始后水平井长度最大的方案可以获得最高的初始产水速率（图5），对应的模型降压速度和水合物的分解速度也最大，同时分解气需运移至射孔段并被采出，水平井长度越长，其泄气面积越大，分解气的产出速率也越快。然而，从图3所示的局部放大图可以看出，LD为0.7的方案其产气速率在达到峰值后快速降低，且在6～12 min时其产气速率低于其他方案，而与之相反，LD为0.3的方案虽然在开发初期产气速率上升较慢，但在该阶段其产气速率最高。这说明较长的水平段虽然可以获得较高的初期产气速度，但在无持续热能供应的情况下，可分解的水合物总量是有限的，因而较高的峰值产量往往对应着更快的产量递减速度。

从图4和图6可以看出，水平井段越长累计产气量和累计产水量也越高，实验结束时LD为0.7、0.5和0.3所对应的累产气量分别为20 749 mL、19 865 mL和17 221 mL，对应的累产水量分别为201 mL、194 mL和178 mL。假设实验结束时整个模型内的压力均已降至3 MPa，则根据表1中各组实验的基本参数以及图3至图6中的产量数据，采用体积守恒方法[14]可计算得到LD为0.7、0.5和0.3所对应的水合物分解率（分解的水合物量与初始水合物量之比）分别为0.67、0.63和0.58。

2.2 温度和压力变化规律

图7为3组实验的温度和压力变化规律的对比。由于模型尺度较小，温度和压力传播速度较快，因而与水平井较为接近的各测点的温压变化差异较小。为了体现出温度和压力的变化过程，选取位于水合物藏模型侧边附近的温度测点2和压力测点数据9进行不同方案的温度和压力数据对比。同时，温度和压力变化数据在实验开始15 min后趋同，压力均降至回压阀设定压力3 MPa左右，而温度则降至3 MPa所对应的平衡温度1.5 ℃附近，因而图7中仅展示了降压开始后15 min内的测点温度和压力对比。从图7可以看出，压力曲线表现为明显的三段式特征，即快速下降段、缓慢下降段和平稳段。降压开始后由于自由水的大量产出压力快速降低至5 MPa左右，同时水平井长度越大，降压速度越快。随着自由水产出速度的降低和水合物的快速分解，测点压力下降速度变缓并最终降至设定压力左右。相比于压力的急剧变化，温度的变化则相对平缓，测点温度从初始环境温度8 ℃逐渐降低到1.5 ℃左右。水平井长度越大，降压速度越快，因而水合物的分解速度和温度的下降速度也越快。

图7 温度和压力变化规律对比图

3 基于数值模拟的水合物分解规律分析

3.1 数值模拟模型的建立及历史拟合

室内实验虽然可以更加真实地反映水合物的分解规律和气水产出规律，但由于监测手段和实验误差的限制，物理场的时变特征尤其是水合物饱和度的变化规律难以准确获得。而数值模拟技术具有费用低、速度快、模拟结果直观等特点，可一定程度上弥补室内实验的缺陷[15-16]。TOUGH＋HYDRATE是美国劳伦兹伯克利国家实验室推出的一款水合物藏开发数值模拟器，目前已被广泛应用于水合物藏的开发机理分析、优化方案制订等方面[17-18]。为了进一步研究水平井长度对降压开发过程中水合物饱和度变化规律的影响，笔者首先建立实验室尺度数值模拟模型，然后在产气量拟合的基础上分析不同长度水平井降压开发时水合物的分解规律。

模型采用21×21×21的网格体系，平面上采用等间距网格，单个网格步长为0.95 cm，垂向上第一层和最后一层的厚度均为1 cm，用于模拟顶底盖层，水合物藏部分细分为19个垂向网格，单个网格厚度为0.21 cm。顶底盖层的孔隙度设定为0.01，渗透率为0，考虑到三次实验中模型的孔隙度和水合物饱和度差异较小，为了使得后续的机理分析更具对比性，数值模拟模型中水合物层的孔隙度及水合物饱和度按照室内实验实测参数的平均值进行初始化。采用动力学模型精细模拟水合物的分解动态，相对渗透率模型采用修正的Stone模型[19]，即：

式中krw表示水相相对渗透率，无量纲；krg表示气相相对渗透率，无量纲；Sw表示含水饱和度，无量纲；Sg表示含气饱和度，无量纲；Sirw表示束缚水饱和度，无量纲；Sirg表示束缚气饱和度，无量纲；nw表示水相相渗指数，无量纲；ng表示气相相渗指数，无量纲。

毛细管力模型采用van Genuchten模型[20]，其表达式为：

式中pcap表示毛细管力，Pa；pco表示毛细管力基准值，Pa；λ表示毛细管力指数。

采用EPM（Evolving Porous Medium）模型表征水合物生成和分解对渗透率所造成的影响，其表达式为：

式中k表示含水合物时多孔介质的绝对渗透率，μm2；k0表示水合物完全分解后多孔介质的绝对渗透率，μm2；表示含水合物时多孔介质的孔隙度，无量纲；c表示临界孔隙度，即多孔介质渗透率降低为0时的孔隙度，无量纲；0表示水合物完全分解后多孔介质的孔隙度，无量纲；n表示绝对渗透率指数，无量纲，其表征水合物分解对渗透率的影响程度，n值越大，则绝对渗透率随水合物饱和度增加而降低的速度越快。参照Ji等[21]和Phirani等[22]的研究结果，本文中c取值0.1，n取值3。

主要通过调整相对渗透率曲线、毛细管力曲线的参数值以及小幅调整热物性参数的方式对实验得到的产气量进行历史拟合，表2为TOUGH＋HYDRATE软件中的主要参数取值，图8为产气量的历史拟合结果。从图8可以看出，虽然局部实验数据存在偏差，但实验的整体趋势拟合较好，模型可用来进行后续的机理分析。

表2 数值模拟模型主要参数表

图8 产气速率拟合结果图

3.2 水合物分解规律分析

由于模型尺度较小，压力和温度的变化规律较为简单，即模型的压力在短时间内降低至设定压力附近，而温度则在较短的时间内降低至设定压力所对应的平衡温度附近（图7），因而本部分主要在历史拟合的基础上对饱和度场进行分析。图9为不同水平井长度时水合物饱和度的分布对比，其中5 min代表降压开发前期，而60 min代表降压开发后期，水平井在图中用黑色线条表示。从图9可以看出，各方案的水合物饱和度场的分布规律较接近，即水平井处水合物饱和度最低，其次为顶底盖层处，其余位置水合物饱和度则较高。这主要是因为水平井处压力最低，因而水合物分解速度最快，而接近上下顶底盖层处的水合物则可以吸收顶底盖层中的热能用于水合物分解。从图9-a中可以看出，水平井长度越大，低水合物饱和度的区域也越大，这说明较长的水平段有利于扩大水合物的分解区域。但同时从图9-b中可以看出，由于没有热能供给，降压开发后期水合物藏中仍然有大量的剩余水合物未被分解，因而有必要转变开发方式，进一步促进水合物分解，提高开发效果。图10为不同水平井长度时的含气饱和度分布对比，可以看出，水平井长度越大，降压开发前期的含气饱和度也越高，这说明长水平段所导致的快速降压可以大大加速水合物的分解速度。同时从图10-b中可以看出，降压开发后期水合物藏顶部的含气饱和度仍然较高，这说明由于盖层传热和气水重力差的影响，水合物藏降压开发容易产生次生气顶，因而水平井钻井位置位于水合物藏上部时有利于降低分解气的超覆，提高分解气产量。