第一類水合物藏降壓開采實驗模擬

黃婷，李清平，李銳，龐維新，陳光進

（1 天然氣水合物國家重點實驗室，北京 100028；2 中海油研究總院有限責任公司水合物和海洋資源戰(zhàn)略研究中心，北京 100028；3 中國石油大學（北京）化學工程與環(huán)境學院，北京 102249）

天然氣水合物因其儲量大、分布廣泛而被認為是21 世紀最重要的替代能源之一。據估計，全球天然氣水合物儲量約為2.5×10m，其中90%以上分布在海底沉積層中。世界各國相繼開展天然氣水合物資源勘探、開發(fā)和環(huán)境安全等相關研究。

Moridis 等將天然水合物藏分為四大類，目前大部分研究都基于該分類方式進行。如圖1 所示，第一類水合物藏（Class 1）由兩層組成，上層是水合物層，下層是含游離氣的兩相流動層，如阿拉斯加北坡的水合物藏。此外，根據水合物層的不同組成，又分為水飽和（Class 1W） 和氣飽和（Class 1G）兩種類型。第二類水合物藏（Class 2）也由兩層組成，上層是水合物層，下層是流動相水層，如日本南海海槽及馬里克水合物藏的一部分。第三類水合物藏（Class 3）不包含流動相，僅有單一的水合物層，如我國的祁連山凍土區(qū)及墨西哥灣的虎鯊區(qū)水合物藏。前三類水合物藏都含有上下兩層非滲透蓋層。而第四類水合物藏（Class 4）由低飽和度（小于10%）的水合物帶組成，且上下沒有非滲透蓋層，如印度哥達瓦爾盆地。其中，第一類水合物藏是目前進行水合物開采的首選目標，因為這類水合物藏的溫壓條件離相平衡線很近，只需要一個很小的分解驅動力就能導致水合物分解；并且這類水合物藏的優(yōu)點是即使水合物分解較少，由于下層游離氣的存在，開采時依然會有一定量的氣體采出。

圖1 不同類型水合物藏示意圖

但目前大多數水合物開采實驗研究都是針對第三類水合物藏即單一的水合物層進行的，單一水合物層在室內實驗中容易制備。關于第一類水合物藏的實驗研究較少，現有研究在儲層塑造方面都有一定的局限性。難以保證在不借助隔板或透氣阻水介質的前提下，使水合物層和下伏游離氣層穩(wěn)定共存，同時具有清晰可控的層界面。該局限性導致模擬的水合物開采產氣產水規(guī)律受到一定程度影響，實驗結果的可參考性降低。楊新等用300mm×100mm 的反應器模擬了第一類水合物藏降壓開采過程的特性，該反應器由一塊厚度為3mm 的多孔不銹鋼板分為上下兩部分。他們發(fā)現在水合物開采過程中，初期采用降壓法，后期采用熱激法可能更為合理。楊明軍等在背壓降至2.0MPa、2.3MPa、2.6MPa 和3.0MPa 的不同實驗工況下，研究了前三類水合物藏降壓分解過程中的溫度分布、產氣量和采收率的變化情況。通過數值模擬發(fā)現，從生產的觀點來看（天然氣采收率和水合物分解比率），第二類水合物藏更有優(yōu)勢，而從經濟觀點來看（能量比率），第一類水合物儲層是開采更好的選擇。總體來說，目前對含下伏游離氣的第一類水合物藏室內模擬實驗研究較少，開采規(guī)律尚未完全掌握，研究成果有待豐富。

為此，本文在現有研究基礎上，采用一個28.3L 的反應釜來模擬第一類水合物藏的降壓開采過程。在儲層塑造階段，增加自由氣層，將反應釜高度的一半（約200mm）設置為僅含甲烷氣體的石英砂層。同時采用了一種可靠的水合物層制備方法，保證了第一類水合物藏實驗室重塑的有效性。在此基礎上進行垂直井降壓開采模擬，研究了開采壓力和開采井位置對該類水合物藏產能的影響規(guī)律。為我國南海含下伏游離氣的天然氣水合物藏開采提供參考。

1 實驗裝置和方法

1.1 實驗材料

實驗材料包括石英砂（20～40目），由北京藍寧科貿有限公司提供；甲烷氣體（99.99%）和氮氣（99.99%），購買自北京海譜氣體有限公司。

1.2 實驗裝置

如圖2 所示，實驗裝置主要由高壓反應器系統(tǒng)、氣體收集系統(tǒng)和數據監(jiān)測記錄系統(tǒng)（MCGS）組成。高壓反應器系統(tǒng)主要由高壓氣瓶空氣浴及反應釜等組成，設計壓力0～25MPa。圖3為反應釜實物圖。位于空氣浴中的圓柱形不銹鋼反應釜體積為28.3L，其內徑為300mm，高度為410mm。反應器的中心放置有開孔長度為100mm 的生產井。氣體收集系統(tǒng)主要由一個5L的氣水分離器和兩個22.5L的氣體收集鋼瓶組成。實驗中所有的溫度壓力數據均由計算機每分鐘自動記錄。

圖2 實驗裝置示意圖

圖3 反應釜實物圖

反應釜中共放置有24 個溫度傳感器，平均分為六層，六層傳感器與反應釜底部的距離分別為20mm、 75mm、 130mm、 212.5mm、 275mm 和337.5mm。以最下層為第一層依次編排層號，每層的傳感器分布如圖4所示。可以看出，每層的4個傳感器距離反應器中心分別為12mm、56mm、100mm、144mm。反應釜內共裝有4 個壓力傳感器，分別裝在第2層、第4層、第6層及開采井處。實驗中所有溫度傳感器和壓力傳感器均由北京昆侖海岸傳感技術中心提供。

圖4 傳感器位置示意圖

1.3 實驗步驟

實驗可以分為兩部分：水合物樣品制備階段和降壓開采階段。

第一類水合物藏樣品可根據以下步驟制備。

首先，稱量一定量的干沙子放入反應釜下部，并將反應釜放入空氣浴冷卻至0℃以下。與此同時，另稱一定比例的沙子和水分別放入冰箱冷卻到258.2K 和274.15K。之后，將這部分沙子與水均勻混合繼續(xù)冷凍，使水轉變?yōu)楸鋬鲞^程中須經常攪拌。待上述工作完成后將制備好的冰沙混合物放入反應釜上層。接下來盡可能快地將反應釜蓋、生產井、傳感器等設施裝好以防止冰粒融化。然后向反應釜中注入氮氣試漏，若反應釜內壓力可以保持4h 不變，則認為反應釜不漏氣。試漏完成后排掉反應釜內氮氣，并抽真空10min以上。之后向反應釜中充入甲烷氣體至一定壓力。甲烷水合物生成過程開始進行，生成過程中須不斷計算水合物飽和度及剩余水量以指導升溫、補氣等操作。待水合物生成完成后，將水合物樣品升至實驗溫度，并在開采實驗前向反應釜補氣至實驗條件。用此方法便可制成上方為水合物層下方為自由氣層的第一類水合物藏樣品。

待水合物生成完畢后，開始進行水合物降壓開采實驗。首先提前調節(jié)背壓閥至開采壓力。待一切準備工作就緒后，打開開采井處的閥門，氣體就會沿管道流入氣水分離罐，經分離后的甲烷氣體流入氣體收集瓶。在采氣過程中須每過一段時間打開氣水分離罐底部閥門監(jiān)測是否有水產出。待收集瓶中氣體壓力不再增加時即可認為開采過程結束，此時關閉開采井，實驗完成。

2 結果與討論

本研究共進行了9組實驗，考察了不同開采壓力、開采井井孔位置及儲層類型對水合物降壓開采過程的影響，各組實驗的條件如表1所示。

表1 實驗條件匯總表

2.1 水合物生成過程溫壓變化

由于各組實驗生成及開采過程大體上類似，固選取實驗2 為例進行分析。圖5 為實驗2 生成過程溫度和壓力隨時間變化的曲線。其中溫度7位于高度75mm，半徑100mm，溫度15是相同半徑位于高度212.5mm處的測溫點。從圖5中可知，在甲烷注入時反應釜內溫度和壓力都迅速明顯升高，且溫度7比溫度15升溫快。這是由于甲烷鋼瓶放置于實驗室內處于室溫環(huán)境，較熱的甲烷氣體由反應釜底部注入后會加熱儲層，因此位置靠下的溫度7升溫更快。在注氣過程結束后，釜內壓力開始快速下降。

圖5 第一類水合物藏生成過程中溫度和壓力曲線

這是多種原因共同作用造成的。首先，反應釜內的溫度在注氣完成后受空氣浴傳熱的影響會逐漸下降，這進一步導致了壓力的下降。并且釜內甲烷的壓力達到8MPa 左右，遠遠大于儲層平均溫度-0.4℃所對應的甲烷水合物平衡壓力。較高的水合物生成推動力會導致誘導時間縮短，水合物迅速生成而進一步降低釜內壓力，且這是釜內壓力下降的主要因素。在溫度方面，注氣結束后位于反應釜下部干沙處的溫度7開始下降，但與之測溫半徑相同的位于反應釜上部濕沙處的溫度15 仍在上漲，并漲至2℃以上。兩處相反的溫度變化情況說明了水合物在反應釜上部形成并放出熱量導致溫度上升，而下方基本沒有水合物生成，隨著空氣浴傳熱而逐步下降。這也證明了采用第一類水合物藏樣品的生成方法是可行的。

由圖5可知，在約80min時，溫度15達到最高點后開始逐漸下降，此時壓力曲線的降低也逐漸放緩。水合物生成速率變慢導致放熱速率小于空氣浴傳熱速率進而引起溫度下降。接下來的六次溫度升高都是由于逐步升高空氣浴溫度造成的。可以看出，基本上每次升溫過程溫度15都比溫度7升高的更快，僅在1500～2000min 的第二次升溫過程（特殊點）溫度7 變化更快。這是由于在升溫過程中，水合物仍在生成放熱進而導致了上層的溫度15 升高較快，但第二次升溫過程中包含了冰向水轉化的吸熱相變過程，因而出現了溫度7上漲更快的特殊現象。并且每次升溫時，壓力曲線會出現一段平臺期，這是由于升溫導致的壓力上漲和水合物生成導致的壓力下降相互抵消造成的。最終在開采前將溫度調整至5.5℃左右，并向反應釜中補充甲烷氣體至7.0MPa左右。

圖6 為實驗7 生成過程的溫度和壓力曲線，實驗7生成的為第三類水合物藏樣品。該過程與實驗2大體上類似，但仍有些許區(qū)別。首先，在最初進氣過程結束后，溫度7和溫度15均未降低，并且在后續(xù)升溫過程中，溫度7與溫度15的變化較同步，這是由于第三類水合物藏為單一的水合物層，上下兩處均有水合物生成放熱，且上下兩處性質類似，因此升溫時溫度同步變化，而且在約3000min時壓力降低速率明顯升高，這是兩種原因共同作用的結果。該次升溫存在由冰向水的轉化過程，冰融化體積收縮會造成氣體空間增大而導致壓力降低；并且冰融化會破壞原先冰粒表面生成的水合物殼而增大氣水接觸面積，加快水合物生成過程。

圖6 第三類水合物藏生成過程中溫度和壓力曲線

2.2 水合物開采過程溫度壓力變化

圖7 為實驗2 開采過程溫度和壓力隨時間變化的曲線。其中溫度5 和溫度7 位于高度75mm，半徑分別為12mm 和100mm，而溫度17 和溫度19 位于高度275mm，半徑也是12mm 和100mm。從圖7中可以看出，水合物生產過程可以分為兩個階段，即快速產氣階段（約10min）和穩(wěn)定產氣階段。

圖7 第一類水合物藏開采過程中溫度和壓力曲線

在快速產氣階段，10min內反應釜壓力由最初的7.0MPa 降至開采壓力2.1MPa 左右，且由實驗數據可知，此階段產氣量占到總產氣量的70%以上。并且反應釜內溫度也大幅下降，位于反應釜上部水合物層的溫度17 和溫度19 降至零下，而位于自由氣層的溫度5和溫度7僅降至3℃左右。其中水合物層的溫度下降是水合物分解吸熱和產氣的焦湯效應共同作用的結果，而自由氣層基本無水合物，因此降溫幅度較小。

在穩(wěn)定產氣階段，反應釜內壓力一直保持在開采壓力2.1MPa 左右，四條溫度曲線都逐漸回升至初始溫度。可以看出，位于自由氣層的內外側溫度變化比較同步，而位于水合物層的內外溫度變化差異很大，并且同一層溫度，位于外側的溫度7和溫度19 均比內側的溫度5 和溫度17 回升快。這是由于反應釜下部儲層孔隙僅含有自由氣，因此溫度變化較同步，而上層含有大量水合物，且水合物分解會產生大量的冰，這些都會影響釜內溫度的變化。受空氣浴傳熱影響，靠近外側的溫度回升較快，而水合物層靠近反應釜中心的溫度回升最慢。在1100～1200min后，溫度17也由于冰轉化為水而升溫速率明顯加快，直至恢復初始溫度。

圖8 為實驗7 開采過程的溫度和壓力曲線，與實驗2相同，此過程也分為兩個階段，但實驗7反應釜上下部分溫度變化一致，均出現降至0℃以下并緩慢回升的現象，且靠近反應釜中心的區(qū)域溫度降低更多，回升更緩慢。

圖8 第三類水合物藏開采過程中溫度和壓力曲線

2.3 開采壓力的影響

圖9 和圖10 分別為實驗1 和實驗3 的甲烷采收率和每10min甲烷產出量隨時間的變化情況。實驗1 和實驗3 的開采壓力分別為2.95MPa 和2.14MPa。如圖9所示，從甲烷采收率曲線也可以看出產氣過程分為兩個階段。在快速產氣階段，甲烷采收率急劇升高，10min 內實驗1 和實驗3 的氣體采收率分別達到50%和60%以上。在穩(wěn)定產氣階段，兩組實驗的采收率持續(xù)緩慢升高，并隨著開采時長的增加采收率增速越來越小，直至降低為0，最終實驗1和實驗3的甲烷采收率分別達到73%和81%。

圖9 實驗1與實驗3的甲烷采收率曲線

圖10 實驗1與實驗3每10min甲烷產量曲線

圖9 中實驗1 曲線的幾處小波動是由于實驗過程中調節(jié)背壓閥導致的。并且相比于實驗3，實驗1的開采時間增加了約60%。由實驗結果可知，當開采壓力降低時，采收率也會增加，且開采時間會縮短。這是由于開采壓力高時，反應釜內剩余壓力也高，存留于反應釜內的氣體更多。并且開采壓力低時，水合物分解的推動力大，因此開采時間較短。

由圖10可以看出前450min實驗3比實驗1的甲烷開采速率快，此階段實驗3的氣體采出量已達到總產氣量的90%以上。這是多種因素共同作用的結果。首先，實驗3的開采壓力較低，較高的水合物分解推動力會加速產氣過程。而且甲烷水合物的四相點為2.56MPa 和273K，實驗3 的生產壓力是低于甲烷水合物四相點的。

據Wang 等的研究可知，當開采壓力處于水合物四相點以下時，儲層中存在的自由水及水合物分解產生的水會迅速轉化為冰，這一過程產生的相變熱會為水合物分解提供熱量進而加速水合物的分解過程。據Voronov 等研究可知，冰點以上水合物分解的吸熱量為(415±15)J/g，而冰點以下水合物分解的吸熱量僅為(143±10)J/g。圖11為實驗1和實驗3位于水合物層的溫度17隨時間的變化曲線。可以看出兩組實驗的溫度在開采初期分別降至約1℃和-0.5℃，這與Wang等的研究結果一致，因此實驗3由于存在水的相變過程而開采效率更高。

圖11 實驗1與實驗3水合物層溫度曲線

2.4 開采井位置的影響

實驗2的生產井井口位于反應釜下部的自由氣層，而實驗4和實驗5的生產井井口位于反應釜上部的水合物層，如圖12 所示。圖13 為實驗2、實驗4和實驗5的甲烷采收率曲線，圖14為實驗4每10min甲烷產出量隨時間的變化曲線。從甲烷采收率變化圖中可以看出，實驗剛開始的前幾分鐘三組實驗的產氣情況類似，即大量氣體迅速從反應釜中產出，氣體采收率迅速達到40%以上，但在約5min時實驗4的氣體采收率曲線斜率明顯降低，產氣速率變慢，隨后在開采時間約40min時采收率曲線斜率又重新變大，產氣速率升高。

圖12 兩個開采井位置示意圖

圖13 實驗2、實驗4和實驗5的甲烷采收率曲線

圖14 實驗4每10min甲烷產量曲線

從圖14也可以看出，實驗4的每10min產氣量在40～50min 有一次明顯的升高，從每10min 產氣2500mmol 漲至7000mmol。這是由于生產壓力較低，開采時釜內溫度急劇下降，當井孔位于水合物層時，水合物分解產生的自由水會與采出氣在井孔處發(fā)生水合物二次生成現象，或因溫度降至冰點以下，自由水會在井口處結冰，兩者均會堵塞井孔進而導致產氣速率降低，只有當二次生成的水合物分解或冰融化后，水合物生產過程才能恢復正常。而生產井同樣位于水合物層的實驗5卻沒有出現這種現象，反而以更快的速度產氣完成。這說明水合物二次生成現象并不是一定會發(fā)生的，可能與水合物藏的飽和度有關，飽和度較大時發(fā)生二次生成的概率更大。當井孔位于自由氣層時，自由水含量很低，水合物無法二次生成，儲層溫度也保持在較高的水平，因此整個產氣過程十分順暢。

另外，由圖13 可知，三組實驗的采收率在最終達到了基本相同的水平，但實驗4比實驗2生產時間多30%左右。因此，開采井位置對第一類水合物藏的總采收率影響較小。但是當開采井井孔位于水合物層時，有可能會發(fā)生水合物二次生成而堵塞開采井的情況，從而降低開采效率，且實驗室開采規(guī)模較小，堵塞現象影響也較小，在實際開采時儲層體積大、傳熱慢，因此水合物二次生成現象影響會更大。

2.5 第一、三類水合物藏降壓開采過程對比

圖15為實驗3與實驗6的甲烷采收率曲線，圖16為兩組實驗每10min甲烷產出量隨時間的變化曲線。實驗3模擬的是第一類水合物藏，實驗6樣品為第三類水合物藏。。

圖15 實驗3與實驗6的甲烷采收率曲線

圖16 實驗3和實驗6每10min甲烷產量曲線

在甲烷采收率變化曲線中，兩組實驗在快速產氣階段變化情況基本一致，但兩組實驗的快速產氣階段持續(xù)時間有明顯差別，在約10min 時實驗6 的快速產氣階段結束進入穩(wěn)定產氣階段，而實驗3的快速產氣階段則持續(xù)20min 左右，且實驗3 和實驗6在此階段的氣體采收率分別達到66%和56%。這是由于實驗3為第一類水合物藏，反應釜下部無水合物，反應釜內自由氣體占比較高，因此在快速產氣階段會比實驗6持續(xù)時間更長且采收率更高。

在穩(wěn)定產氣階段，實驗6后來居上，在470min左右超過實驗3，最終實驗3 和實驗6 的氣體采收率分別達到81.6%和87.7%。這是由于實驗6 水合物較多，水合物中的氣體量遠大于該壓力下相同體積的自由氣體中的氣體量，因此實驗6采出的氣體更多，采收率更高。在每10min產氣量中也可以看出，實驗6的每10min產氣量基本全程高于實驗3，僅在10～20min時（圖中圈出），實驗3的產氣量更高。這與之前的分析一致，10～20min 時實驗3 仍處于快速產氣階段，而實驗6 已進入穩(wěn)定產氣階段，因此產氣量明顯減少，其余時段因為實驗6含氣量更多因此產氣量也更大。

圖17 為實驗6～9 的采收率和產水量柱狀圖。可以看出四組實驗的采收率均比第一類水合物藏高，且實驗8和實驗9比實驗6和實驗7高出約7%，這與上面的結論相同，且由于實驗8與實驗9的水合物飽和度更高，因此采收率也更高，達到90%以上。

圖17 實驗6～9采收率及產水量圖

在產水量方面，所有的第一類水合物藏實驗均沒有產水，第三類水合物藏也僅有實驗8 產水354g。這是由于對于第一類水合物藏，僅有上半部分含有水合物且水飽和度很低，因此在開采過程中水合物分解產生的水在重力作用下向反應釜下部運移，且在運移過程中會不斷被下層的干砂吸附而流動水相變得更少，導致氣飽和的第一類水合物藏無產水。而對于第三類水合物藏，僅有水飽和度較高且開采井位于下部的實驗8有少量產水。因此對于第三類水合物藏當開采井位于反應釜上部時，可以減少產水量。

3 結論

本實驗利用自行設計的一套實驗裝置，采用合適的儲層重塑方法，對第一類水合物藏降壓開采過程進行了研究。通過本文研究得出以下結論。

（1）通過水合物生成及開采過程反應釜內溫度變化情況可知，本文提出的采用冰沙混合物填入反應釜上層生成第一類水合物儲層樣品方法是可靠的。

（2）當開采壓力從2.95MPa 降低到2.14MPa時，水合物總的開采時間從2650min 縮短到1700min，縮短了約38%，開采速率增加；快速產氣階段前10min 的氣體采收率從50%增加到60%，甲烷總采收率也從73%升高到81%。這與前人的研究結果一致，在甲烷水合物四相點以下的水合物分解過程由于水相變釋放的潛熱而增強。

（3）當開采井井口位于第一類水合物藏水合物層時，可能會在井孔處出現水合物二次生成現象，從而導致開采效率降低，相同累積產氣量的情況下生產時間延長30%左右，但是最終的甲烷采收率與井位置無關。

（4）第一類水合物藏降壓開采時快速產氣階段持續(xù)20min 以上，比第三類水合物藏延長一倍多，但總的甲烷采收率為81.6%，稍低于本文涉及的所有第三類水合物藏的采收率。

值得注意的是，本文僅制備了氣飽和的第一類水合物藏，且采用的砂粒徑與我國南海已取樣的泥質粉砂型水合物砂粒粒徑有所區(qū)別，因此實驗模擬結果具有一定的局限性，為我國實際海洋水合物藏開采提供初步的規(guī)律參考。今后研究還需從實驗裝置尺度、分區(qū)控溫方法、實驗介質篩選、儲層重塑穩(wěn)定性等方面著手，解決實際海洋第一類天然氣水合物儲層重塑關鍵技術瓶頸問題，提高海洋水合物開采室內實驗模擬參考價值。