Ⅲ類水合物藏水平井降壓開采產氣動態及影響因素分析*

陸 努 張 波 張 正 范恒杰 苗文成 姜瑞景

(1. 中國石油勘探開發研究院 北京 100083； 2. 中國石油集團安全環保技術研究有限公司 北京 102206；3. 中國石油國際勘探開發有限公司 北京 100034； 4. 中海石油(中國)東海西湖石油天然氣作業公司 上海 200335；5. 中國石油勘探與生產分公司 北京 100007)

天然氣水合物儲量豐富[1]，已被視為繼深海/深層油氣[2-4]和非常規[5]之后又一極具潛力的天然氣來源，廣泛分布于中國祁連山和南海海域。其中，中國南海神狐海域的部分水合物藏上下存在滲透性較差的蓋層，可歸屬于Ⅲ類水合物藏，即水合物藏由水合物層和上下強封閉性蓋層組成[6]。然而，Ⅲ類水合物藏儲層內流動性差、壓力波傳遞速度慢，導致水合物分解速度低，產氣速度低于Ⅰ類和Ⅱ類水合物[7]。

Ⅲ類水合物藏的開采涉及到了水合物的分解生成以及上下蓋層的熱量傳遞，能量變化和生產動態較為復雜。陸努 等[8-9]研究了Ⅲ類水合物藏直井降壓開采的生產動態和產能預測方法，發現開采過程中的產水問題及水合物飽和度和生產參數的影響不容忽視；陳朝陽 等[10]研究了垂直井網對南海北部Ⅲ類水合物藏的開采效果，指出井網中的單口直井產量下降但總產能上升，需要根據產水產氣特征、生產周期和飽和度參數優化井距離。張潘潘 等[11]基于HydrateResSim對比了徑向井與直井降壓開采Ⅲ類水合物的效果，發現徑向井增加了儲層泄流面積，加速了壓力波的傳遞和水合物的分解；樊栓獅 等[12]模擬水平井加熱降壓聯合開采Ⅲ類水合物的能量消耗情況，指出加熱只分解了5.28%的水合物，大部分水合物由降壓驅動。李淑霞 等[13]以神狐水合物藏為研究對象對比了Ⅲ類水合物藏不同開發方式的生產效果，認為最佳的開采方式是水平井降壓。卓魯斌 等[14]的實驗結果表明，水平井長度越長，Ⅲ類水合物藏的產氣峰值出現越早且累產氣量較高，但模型尺度和時間跨度受到了實驗裝置的限制。葉建良 等[15]撰文指出，水平井的應用使中國南海水合物二次試采的日產提升到了28.7萬m3。

上述研究表明，Ⅲ類水合物藏的高效開發是亟需解決的關鍵問題，而水平井降壓開采是實現Ⅲ類水合物藏經濟高效開發的有效手段。但相對于直井降壓，水平井降壓開采Ⅲ類水合物藏的生產動態，以及不同因素影響下的產氣變化規律仍需進一步分析，從而為Ⅲ類水合物藏水平井降壓開采的產能優化提供理論依據。因此，本文建立了基于Tough+Hydrate的水平井降壓開采Ⅲ類水合物藏數值模型，研究了Ⅲ類水合物藏開采過程中的水氣產出動態，分析了飽和度、生產壓力和水平段長度等因素對生產動態的影響規律，提出了相應的建議措施。

1 Ⅲ類水合物藏水平井降壓開采模型

參考日本海槽的天然氣水合物藏地質數據[16]建立了Ⅲ類水合物藏水平井降壓開采模型。水合物藏為立方體(圖1)，沿z-y軸對稱分布，長×寬×高為800 m×500 m×80 m。井筒水平段位于儲層中部，沿x軸方向延伸，井眼半徑為0.1 m，長度為500 m。采用定壓生產的方式，為避免生產過程中井周產生冰堵塞井筒降低生產效率，基礎方案的生產壓力設置為3 MPa(略高于四相點壓力，避免發生冰堵)，生產時間設為10年。水合物層底部處于相態平衡臨界狀態，初始僅含有水合物和水兩相，含氣飽和度為零，低于水合物藏中束縛氣飽和度。

圖1 Ⅲ類天然氣水合物藏地質模型

網格劃分方面，在模型x方向上劃分成尺寸為12.5 m的網格共64個；在y方向上，井筒所在網格尺寸為20 m，其余為30 m/格；z方向上，井筒所在網格尺寸為1.5 m，水合物層網格尺寸均設為1.85 m/格。儲層初始平均溫度為14 ℃，地熱梯度為0.03 ℃/m。其他儲層參數見表1。

表1 Ⅲ類天然氣水合物藏基礎模型參數Table 1 Calculation parameters of Class Ⅲ hydrate deposit model

利用水合物開采模擬軟件Tough+Hydrate模擬Ⅲ類水合物藏水平井降壓開采的過程。根據Ⅲ類水合物藏的地質結構特征和已有研究結果，認為模型中：①儲層為均一多孔介質，只有氣液兩相發生流動且遵循達西定律；②水合物為單組分水合物，滿足相平衡反應；③忽略影響較小的機械彌散作用；④當儲層內溫度低于冰點時，忽略冰的生成導致的儲層形態變化，儲層壓力變化主要通過巖石的壓縮系數體現；⑤考慮水合物分解及合成過程涉及的熱量變化和儲層及圍巖熱傳導作用對水合物分解的影響；⑥相滲曲線采用改進的Stone經驗模型[17]，認為水合物藏中巖石孔隙中的流體始終滿足水合物、水和氣的飽和度之和為1，并將水合物的相對滲透率始終設置為0來體現其不可流動的特性，水合物飽和度變化則通過改變其他相的飽和度來反映;⑥采用綜合導熱系數[18]來表征上下蓋層巖石導熱對體系能量守恒的影響。

2 生產動態分析

產氣和產水是表征Ⅲ類水合物藏生產動態的重要指標，通過求解上述模型即可獲取Ⅲ類水合物藏水平井降壓開采的產氣和產水狀況。如圖2所示，產氣速度曲線總體上呈現先上升后下降的趨勢，具有明顯的峰值和階段性，可分為波動上升階段、快速下降階段和緩慢下降階段。產氣速度峰值為81.3×104m3/d，出現在第113天，對應累產氣量為2.76×107m3。需要注意的是，該產氣峰值是在儲層參數和生產條件均較為理想的條件下獲得的。隨著時間的進行，產氣速度與分解氣速度的相對關系逐步發生了變化，這是因為初期產生的分解氣缺乏產出通道，難以轉化為產量。水合物分解提高了儲層的滲透率，因此前期積累的分解氣也轉化成產出氣，表現為產氣速度高于分解氣速度。隨著儲層能量衰竭和積累的分解氣全部產出，產氣速度與分解氣速度相同。

如圖3所示，產水速度則隨生產時間的增加而逐漸下降，最終在較小數值趨于平緩。其中最大產水速度在降壓開采的生產初期獲得，產水速度的峰值超過3.00×104t/d，當生產時間為136天時產水速度降至8.46×103t/d，累產水量21.32×104t。由此可以發現，早期的較大壓差會造成開采初期大量產水，應合理配置產出水處理措施來保障正常生產，并利用分階段降壓等方式降低早期的產水量。

圖2 Ⅲ類天然氣水合物藏基礎模型產氣速度和累產氣曲線

圖3 Ⅲ類天然氣水合物藏基礎模型產水速度和累產水曲線

3 敏感性分析

3.1 水合物飽和度

分別選取水合物飽和度為0.3、0.4、0.5、0.6和0.7，對水合物飽和度進行敏感性分析。結果表明，產氣速度峰值隨水合物飽和度增加逐漸降低，出現時間延后；但在緩慢下降階段，高水合物飽和度情況下的產氣速度高于其他曲線(圖4)。這是因為，水合物以固體形態存在于多孔介質中，因此飽和度的增加會降低儲層流體的有效滲透率，導致儲層內的壓力傳播速度下降，產氣速度降低且各生產階段間的時間節點后移。在生產末期，受到儲層內剩余天然氣水合物總量的影響，表現出產氣速度較高的現象。因此，對于高天然氣水合物飽和度儲層，可采取壓裂等措施來提高水合物藏的滲流能力[19]，從而釋放產能。

圖4 水合物飽和度對產氣速度的影響

3.2 殘余氣飽和度

分別選取殘余氣飽和度為0、0.05、0.10、0.15和0.20，對殘余氣飽和度進行敏感性分析，結果表明，不同殘余氣飽和度條件下產氣速度曲線形態具有相似性，且殘余氣飽和度越高，產氣速度的峰值越低且延后，后期產氣速度趨同(圖5)。這是因為殘余氣飽和度增加會降低氣相滲透率，導致壓力傳播速度減慢，進而水合物分解產氣效應不足以克服生產壓差下降導致的產氣速度降低，最終產氣速度下降且生產進程延后。這說明，殘余氣飽和度過高不利于Ⅲ類天然氣水合物藏的經濟高效開采。

圖5 殘余氣飽和度對產氣速度的影響

3.3 生產壓力

分別選取生產壓力為3、4、5、6和7 MPa，對生產壓力進行敏感性分析，結果表明，隨著生產壓力的增加，產氣峰值降低且延后外，產氣速度在整個生產階段內均減少(圖6)。這是因為水合物開采可能利用的儲層能量與生產壓力相關，生產壓力降低能夠提高生產壓差。因此，降低生產壓力是提高Ⅲ類水合物藏降壓開采效益的有效方法。因此在生產條件和儲層環境允許條件下，應盡可能增大生產壓差，但是需要考慮儲層出砂和變形等帶來的不利影響[20-21]。

圖6 生產壓力對產氣速度的影響

3.4 水平段長度

分別選取直井及水平井長度為100、200、300、400和500 m，對水平井長度進行敏感性分析。結果表明，相對于直井，水平段顯著提高了產氣速度。然而，水平段長度的改變并未改變產氣速度的整體變化趨勢，仍呈現先增后減的變化規律，但產氣速度曲線峰值增加且出現時間提前(圖7)。這是因為，水合物儲層與井筒的接觸面積隨著水平段的增加而增加，壓力傳播至儲層邊界的時間也相應縮短，從而增加了水合物儲層的控制面積和分解速度，因此產氣峰值與水平段長度并非嚴格的線性關系。除增加水平段長度外，還可以通過多分支水平井等技術來提高產氣速度。

圖7 水平井長度對產氣速度的影響

4 結論

1) 水平降壓開采Ⅲ類水合物藏，產氣曲線具有顯著的峰值和階段性，可分為波動上升階段、快速下降階段和緩慢下降段。產水速度隨生產時間的增加而逐漸下降，最終趨于平緩。因此在生產初期要合理配置產出水處理裝置。

2) 產氣速度峰值隨水合物飽和度增加而降低，出現時間延后。高天然氣水合物飽和度儲層，可采取壓裂等措施來釋放產能。殘余氣飽和度的增加會導致產氣速度的峰值降低且延后，不利于Ⅲ類天然氣水合物藏的經濟高效開采。

3) 生產壓力的降低能夠提高產氣峰值且加快整個生產進程，在生產條件和儲層環境允許條件下，應調整生產壓差合理配產。隨著水平段長度的增加，產氣速度曲線峰值增加且出現時間提前，但產氣峰值與水平段長度并非嚴格的線性關系。