神狐水合物藏降壓開采產(chǎn)氣量預(yù)測(cè)及增產(chǎn)措施研究*

李淑霞 于 笑 李 爽 李清平 龐維新

(1. 中國石油大學(xué)(華東)石油工程學(xué)院 山東青島 266580； 2. 天然氣水合物國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100028；3. 中海油研究總院有限責(zé)任公司 北京 100028)

天然氣水合物廣泛分布于陸地上的永久凍土及大陸邊緣的海底[1]。據(jù)估計(jì)，天然氣水合物中的總碳含量約為其他化石燃料的2倍[2]。神狐海域是我國最具天然氣水合物開發(fā)潛力的區(qū)域之一[3]。2017年我國采用降壓法在神狐海域進(jìn)行了首次試開采，然而由于地質(zhì)條件和開采技術(shù)的限制，試采的平均日產(chǎn)氣量?jī)H為5 151 m3。2020 年3 月，神狐海域進(jìn)行了第二次水合物試采，實(shí)現(xiàn)了從“探索性試采”向“試驗(yàn)性試采”的重大突破。

目前已有的幾種天然氣水合物的開采方法包括降壓法[4-5]、熱刺激法[6]、注抑制劑法[7-8]、二氧化碳置換法[9]、固態(tài)流化開采法[10-11]等。這些方法大部分是通過改變天然氣水合物的溫度、壓力條件來達(dá)到開采的目的[12-13]。其中,降壓法由于其經(jīng)濟(jì)、高效而成為目前最有吸引力的水合物藏開采方法。水合物藏增產(chǎn)措施主要有水平井、水力壓裂和注熱開采等。Feng 等[14]認(rèn)為壓裂可以有效提高天然氣產(chǎn)量，但其效果主要體現(xiàn)在開采前期，且裂縫邊界區(qū)會(huì)有二次水合物生成；Chen 等[15]發(fā)現(xiàn)，壓裂后水合物藏的產(chǎn)氣速度和累積產(chǎn)氣量都得到明顯提高；Yu 等[16]使用pT+H模擬了雙水平井降壓和注熱組合開采日本南開海槽水合物藏的效果，結(jié)果表明降壓和注熱相結(jié)合的方法更有利于水合物的分解；馮景春 等[17]通過實(shí)驗(yàn)研究了雙水平井降壓聯(lián)合注熱開采水合物的效果，結(jié)果表明雙水平井降壓聯(lián)合注熱開采的能效比高于直井開采的能效比，使用雙水平井進(jìn)行降壓注熱聯(lián)合開采可以有效地分解水合物；Jiang等[18]模擬了降壓聯(lián)合注熱開采的效果，發(fā)現(xiàn)影響開采的主要因素是儲(chǔ)層內(nèi)壓力傳播的速率而不是熱傳遞，降壓在水合物分解中起著更重要的作用；阮徐可 等[19]研究了降壓聯(lián)合井壁加熱開采的效果，認(rèn)為降壓聯(lián)合井壁加熱開采的產(chǎn)氣效果比單獨(dú)降壓好，但由于傳熱效率有限，井壁加熱的作用只在開采井附近區(qū)域且對(duì)產(chǎn)氣量的提升幅度有限。

上述文獻(xiàn)對(duì)水合物藏的增產(chǎn)措施進(jìn)行了初步研究，但缺少對(duì)同一水合物藏多種增產(chǎn)措施開發(fā)效果的對(duì)比研究。本文基于神狐水合物藏首次試采的基本數(shù)據(jù)，對(duì)直井優(yōu)化參數(shù)降壓、水平井降壓、直井降壓聯(lián)合壓裂、直井降壓聯(lián)合注熱，以及直井降壓聯(lián)合井壁加熱等增產(chǎn)措施進(jìn)行研究并優(yōu)選最佳方案，為神狐水合物藏的開采提供借鑒。

1 神狐水合物藏直井降壓開采模擬分析

2017年，神狐海域進(jìn)行了第一次水合物藏試采產(chǎn)氣(表1)[20]。試采區(qū)域位于水下1 266 m，水合物藏位于泥線以下201 m，儲(chǔ)層主要由泥質(zhì)粉砂巖構(gòu)成。試采穩(wěn)定產(chǎn)氣持續(xù)60 d，累積產(chǎn)氣量30.9×104m3，日均產(chǎn)氣量5 151 m3，產(chǎn)氣速率峰值3.5×104m3/d。

表1 神狐水合物藏2017年試采產(chǎn)氣情況[20]

1.1 儲(chǔ)層參數(shù)及其地質(zhì)模型

根據(jù)南海神狐水合物藏的地質(zhì)數(shù)據(jù)，采用水合物開采模擬軟件TOUGH+HYDRATE建立其儲(chǔ)層地質(zhì)模型，如圖1所示。該儲(chǔ)層地質(zhì)模型尺寸500 m×500 m×317 m，垂向包括上蓋層(厚度200 m)、下蓋層(厚度40 m)和水合物層(厚度77 m)。其中，水合物層又劃分為A、B、C層3個(gè)小層，具體的地質(zhì)和物性參數(shù)見表2。根據(jù)開采區(qū)域的水深和上覆巖層厚度，通過靜水壓力、地溫梯度，即可計(jì)算水合物A、B、C層的壓力和溫度(表2)。模型中心為1口直井，采用直井降壓的開采方式，射孔生產(chǎn)層為水合物B層。

圖1 神狐水合物藏模擬儲(chǔ)層地質(zhì)模型示意圖

表2 水合物各層基本地質(zhì)參數(shù)

1.2 模擬分析

1) 試采產(chǎn)氣量歷史擬合。采用神狐水合物藏儲(chǔ)層地質(zhì)模型，將生產(chǎn)壓力設(shè)定為4 MPa，模擬計(jì)算產(chǎn)氣速率、累積產(chǎn)氣量,并與實(shí)際開采結(jié)果相比較，如圖2所示。可以看出，擬合的產(chǎn)氣速率、累積產(chǎn)氣量與試采數(shù)據(jù)的吻合度較好，因此該儲(chǔ)層地質(zhì)模型可以作為長期開采產(chǎn)氣量預(yù)測(cè)模擬的基礎(chǔ)。

圖2 神狐水合物藏試采產(chǎn)氣量歷史擬合

2) 長期開采產(chǎn)氣量預(yù)測(cè)。在神狐水合物藏試采產(chǎn)氣量歷史擬合的基礎(chǔ)上，模擬預(yù)測(cè)開采2 000 d的產(chǎn)氣速率和累積產(chǎn)氣量，如圖3所示。可以看出，神狐水合物藏開采早期由于有自由氣的產(chǎn)出，所以產(chǎn)氣速率在達(dá)到峰值后快速下降，到755 d時(shí)產(chǎn)氣速率已降至2 000 m3/d。開采2 000 d的累積產(chǎn)氣量為6.8×106m3，日均產(chǎn)氣量為3 400 m3，遠(yuǎn)低于商業(yè)開采要求。因此，神狐水合物藏的有效開采必須借助合理的增產(chǎn)措施。

圖3 神狐水合物藏模擬產(chǎn)氣預(yù)測(cè)曲線

2 神狐水合物藏降壓法開采增產(chǎn)措施

2.1 直井優(yōu)化參數(shù)降壓開采

1) 生產(chǎn)壓力優(yōu)化。生產(chǎn)壓力對(duì)水合物藏直井降壓開采的效果影響很大。以神狐水合物藏儲(chǔ)層地質(zhì)模型為基礎(chǔ)，將井底壓力分別設(shè)定為1、2、3和4 MPa進(jìn)行生產(chǎn)，模擬得到開采2 000 d的累積產(chǎn)氣量，如圖4所示。可以看出，生產(chǎn)壓力為3 MPa時(shí)的累積產(chǎn)氣量最高，這是因?yàn)樯a(chǎn)壓力越低，水合物分解的驅(qū)動(dòng)力越大，產(chǎn)氣量越高；而當(dāng)生產(chǎn)壓力低于一定值時(shí)，水合物分解速度加快，周圍環(huán)境傳遞的熱量小于水合物分解所吸收的熱量，儲(chǔ)層溫度降低過多可能導(dǎo)致水合物的二次生成，從而影響水合物的降壓開采[21-24]。

圖4 神狐水合物藏不同生產(chǎn)壓力對(duì)累積產(chǎn)氣量影響預(yù)測(cè)曲線

2) 射孔位置優(yōu)化。在水合物A、B、C層分別射孔及同時(shí)射孔，生產(chǎn)壓力均設(shè)定為3 MPa，模擬得到開采2 000 d射孔位置對(duì)累積產(chǎn)氣量的影響，如圖5所示。可以看出，水合物A、B、C層同時(shí)射孔的累積產(chǎn)氣量大于單層射孔，2 000 d累積產(chǎn)氣量為6.23×107m3，日均產(chǎn)氣量為31 150 m3。單層射孔中C層射孔的開采效果較好，這是因?yàn)镃層的絕對(duì)滲透率遠(yuǎn)高于A、B層，壓降傳播速度快，更有利于水合物的分解。因此建議神狐水合物藏對(duì)全部?jī)?chǔ)層同時(shí)射孔開采。

圖5 神狐水合物藏不同射孔位置對(duì)累積產(chǎn)氣量影響預(yù)測(cè)曲線

2.2 水平井降壓開采

由直井降壓開采的射孔層位優(yōu)化可知，單層開采C層的效果最好，因此在水合物C層布置水平井，水平段長度400 m。生產(chǎn)壓力設(shè)置為3 MPa，模擬得到開采2 000 d水平井降壓產(chǎn)氣速率和累積產(chǎn)氣量，并將該結(jié)果與直井降壓開采儲(chǔ)層同時(shí)射孔的產(chǎn)量進(jìn)行對(duì)比，如圖6所示。可以看出，水平井降壓開采呈現(xiàn)初期產(chǎn)氣速率高、之后逐漸降低的趨勢(shì)，在開采1 000 d之前，水平井的產(chǎn)氣速率均遠(yuǎn)高于直井降壓開采。這是由于水平井與儲(chǔ)層接觸面積大，有利于壓力傳播和水合物分解。當(dāng)開采時(shí)間達(dá)到2 000 d時(shí)，水平井降壓開采的累積產(chǎn)氣量為1.24×108m3，日均產(chǎn)氣量為62 200 m3，是直井降壓日均產(chǎn)氣量的2倍。

圖6 神狐水合物藏水平井降壓開采與直井降壓開采產(chǎn)氣量對(duì)比曲線

2.3 直井降壓聯(lián)合壓裂開采

采用直井降壓開采，水合物A、B、C層同時(shí)射孔，并在A、B層進(jìn)行壓裂。假設(shè)裂縫半長150 m，裂縫區(qū)滲透率1 D，生產(chǎn)壓力3 MPa，模擬得到開采2 000 d直井降壓聯(lián)合壓裂開采的產(chǎn)氣速率和累積產(chǎn)氣量，并將該結(jié)果與直井降壓開采的產(chǎn)量進(jìn)行對(duì)比，如圖7所示。可以看出，直井降壓聯(lián)合壓裂開采早期的產(chǎn)氣速度高達(dá)3.7×105m3/d，之后產(chǎn)氣速率迅速降低，150 d以后產(chǎn)氣速率開始緩慢降低，但總體產(chǎn)氣速率高于直井降壓開采。開采2 000 d的累積產(chǎn)氣量為1.16×108m3，日均產(chǎn)氣量為58 000 m3，直井降壓聯(lián)合壓裂開采的增產(chǎn)效果非常明顯。

圖7 神狐水合物藏直井降壓聯(lián)合壓裂與直井降壓開采產(chǎn)氣量對(duì)比曲線

2.4 直井降壓聯(lián)合注熱開采

采用四注一采的五點(diǎn)法井網(wǎng)進(jìn)行開采，生產(chǎn)井位于模型中央，水合物A、B、C層同時(shí)射孔。注入井位于儲(chǔ)層地質(zhì)模型的4個(gè)角，在水合物A層注入。設(shè)定生產(chǎn)壓力3 MPa，注水井的注入溫度50 ℃，注入速度50 m3/d，模擬得到開采2 000 d直井降壓聯(lián)合注熱開采的產(chǎn)氣速率和累積產(chǎn)氣量，并將該結(jié)果與直井降壓開采的產(chǎn)量進(jìn)行對(duì)比，如圖8所示。可以看出，在整個(gè)開采過程中，直井降壓聯(lián)合注熱開采的產(chǎn)氣速率均低于直井降壓開采的產(chǎn)氣速率。這是由于神狐水合物藏滲透率低，注入熱水后導(dǎo)致地層憋壓，不利于水合物的分解。開采2 000 d時(shí)直井降壓聯(lián)合注熱開采的累積產(chǎn)氣量為5.31×107m3，日均產(chǎn)氣量為26 550 m3，低于直井降壓開采。因此，神狐水合物藏不推薦直井降壓聯(lián)合注熱開采。

圖8 神狐水合物藏直井降壓聯(lián)合注熱與直井降壓開采產(chǎn)氣量對(duì)比曲線

2.5 直井降壓聯(lián)合井壁加熱開采

直井降壓聯(lián)合井壁加熱開采的地質(zhì)模型與直井降壓開采的地質(zhì)模型相同，生產(chǎn)井位于模型中心，水合物A、B、C層同時(shí)射孔，并在水合物A、B層進(jìn)行井壁加熱。設(shè)定生產(chǎn)壓力3 MPa，井壁加熱功率2 kW，模擬得到開采2 000 d直井降壓聯(lián)合井壁加熱開采的產(chǎn)氣速率和累積產(chǎn)氣量，并將該結(jié)果與直井降壓開采的產(chǎn)量進(jìn)行對(duì)比，如圖9所示。可以看出，直井降壓聯(lián)合井壁加熱開采早期的產(chǎn)氣速率很高，達(dá)到了1.0×105m3/d,這是由于井壁加熱使開采井附近的水合物快速分解。但直井降壓聯(lián)合井壁加熱開采產(chǎn)氣速率峰值之后，2種開采方式的產(chǎn)氣速率基本一致，說明井壁加熱作用范圍有限，只能促進(jìn)井周圍的水合物分解。開采2 000 d時(shí)直井降壓聯(lián)合井壁加熱的累積產(chǎn)氣量為6.4×107m3，日均產(chǎn)氣量為32 000 m3，僅比直井降壓高2.7%，說明井壁加熱對(duì)水合物產(chǎn)氣量的提升幅度很小。因此，神狐水合物藏不推薦直井降壓聯(lián)合井壁加熱開采。

圖9 神狐水合物藏直井降壓聯(lián)合井壁加熱與直井降壓開采產(chǎn)氣量對(duì)比曲線

3 結(jié)論

1) 神狐水合物藏采用直井降壓的開采方式，模擬預(yù)測(cè)的長期開采日均產(chǎn)氣速率較低，因此實(shí)現(xiàn)其有效開發(fā)必須借助合理的增產(chǎn)措施。

2) 對(duì)比直井優(yōu)化參數(shù)降壓、水平井降壓、直井降壓聯(lián)合壓裂、直井降壓聯(lián)合注熱和直井降壓聯(lián)合井壁加熱等5種增產(chǎn)措施的開采效果，認(rèn)為最佳的增產(chǎn)措施是水平井降壓，其次為直井降壓聯(lián)合壓裂，直井降壓聯(lián)合注熱、直井降壓聯(lián)合井壁加熱效果一般。