天然氣水合物試采監測井技術研究進展

＊馮明 李淑霞 郭洋 趙鳳銳

（1.中海石油（中國）有限公司海南分公司 海南 570311 2.中國石油大學（華東）石油工程學院 山東 266580）

引言

天然氣水合物（Natural Gas Hydrate，NGH）被認為是優質、潔凈的接替能源[1]。水合物儲層生產特征復雜，受相變、滲流、傳熱等多物理現象相互耦合作用，水合物開采過程中儲層壓力、溫度的時空演化規律復雜。

合理的監測井井位設計不僅能夠有效監測水合物儲層的壓力、溫度傳播規律，還能夠對水合物分解過程中儲層及海底環境的變化進行評估，對水合物試采生產動態的分析具有十分重要的指導意義。自2002年以來，加拿大[2-4]、美國、日本[5-6]及中國[7-9]先后進行了水合物的試采工作。但總的來說，目前全球的水合物開采研究處于試采研究階段，遠未達到商業化開采的水平，尤其是對水合物試采過程監測井的部署還沒有形成相關的設計原則和指導方法。因此，本文在調研國內外水合物試采案例的基礎上，總結監測井的部署方案及監測參數，以期能為今后水合物試采監測井的部署提供指導。

1.全球水合物試采的監測井情況

目前全球在天然氣水合物試采中實施監測井部署的案例非常有限，下面對僅有的幾次水合物試采中監測井的井位部署情況進行分析。

(1)加拿大Mallik地區水合物試采監測井的部署

加拿大Mallik地區于2002年、2007—2008年分別進行了兩次陸域凍土的水合物試采，其中2002年采用加熱法試采，5L-38井為生產井，3L-38井和4L-38井為監測井，3口井位于一條直線上，井間距為40m[2]。2007—2008年采用降壓法試采，2L-38井為生產井，L-38井為監測井。監測參數主要采用一系列溫度傳感器，在生產開始后很快監測到溫度的顯著下降趨勢[10]。

(2)日本南海海槽水合物試采監測井情況

2013年日本在南海海槽進行了全球首次海域水合物降壓試采，試開采場地共鉆探了四口井，其中AT1-P作為降壓開采井，監測井AT1-MC與其相距18m，監測井AT1-MT1與其相距21m，取芯井AT1-C與其相距約40m[5]。根據三維地震數據，MC、P、MT1井沿河道水流軸線（東北至西南）排列。監測井AT1-MC、AT1-MT1同時采用分布式溫度傳感器（DTS）和電阻式溫度傳感器（RTD），針對水合物生產過程中溫度演化及水合物分解半徑進行瞬時監測。

2017年日本在第一次測試點以南約75m處進行了第2次降壓試采，部署了1口調查井AT1-UD，2口監測井AT1-MT2、AT1-MT3，2口生產井AT1-P3、AT1-P2[6]。在每個監測孔中，安裝的分布式溫度傳感器（DTS）和電阻式溫度檢測器（RTD）幾乎覆蓋了水合物富集帶的整個部分。在每口井的兩個不同層段（地質單元IV-b和V）安裝了兩個壓力計，以觀察不同地質環境下壓力響應的差異。

(3)中國2017年、2020年水合物試采監測井情況

2017年，中國在神狐海域進行了首次水合物試采工作，采用近海面大氣、海水、海底和井眼環境“四位一體”的監測[8]。2020年中國首次采用水平井進行水合物降壓試采，監測井距離水平生產井段10.77m，得到了大量水合物儲層溫壓、海底沉積物孔壓參數、海底甲烷泄漏及海底地層穩定性數據[9]。

2.主要監測參數

現有水合物試采過程中監測的主要參數包括：溫度和壓力、流動電位、井口流出物及海床擾動等[7-8]。

(1)溫度監測

根據開采時期的不同，溫度監測的環節主要包括幾個階段，主要用于分析固井效果、水合物分解情況及地層溫度變化對比等。目前水合物溫度監測系統主要分為以下幾種：

分布式溫度傳感器（DTS）與電阻溫度傳感器（RTD）[10]。其中DTS傳感器的測溫精度為±0.5℃。為進一步提高溫度監測精度，且為了避免單獨采用DTS監測存在的儀器失效風險，可同時采用RTD對監測井水合物層段進行溫度監測，在水合物層段套管外側等間距布設陣列式高精度RTD傳感器，精度可達±0.1℃，以精確獲取水合物層段溫度監測數據。

(2)壓力監測

水合物壓力監測系統[11]主要分為兩種。其中石英晶體壓力傳感器最顯著的特點是動態范圍寬，具有高分辨率、高穩定性、獨特的防污端口、低功耗的特點。另一種是光纖光柵滲壓傳感器，為保證監測數值的準確性，滲壓傳感器內同時集成應變光柵與溫度光柵，可同時對水合物儲層生產環境的壓力和溫度進行監測。

(3)井口流出物測試

井口產出物測試主要包括產出泥沙粒徑、固相成分、氣體組分、產出液礦化度等內容，產出物測試結果可以作為水合物分解情況、井筒完整性判斷的基本依據[12]。

(4)海床擾動監測

海床擾動監測主要針對水合物開采過程中引起的儲層變形情況，是水合物分解過程中，由于應力變化導致儲層變形及地層沉降等相關數據的重要來源。可以采用三分量加速度傳感器或海床式壓力傳感器針對儲層變形情況進行監測。

3.監測井設計及監測參數總結

(1)監測井設計原則

在整個水合物儲層監測的過程中，水合物監測井的布井方案設計非常重要，決定著整個試采監測過程的監測效果。通過對國內外水合物試采過程中監測井的部署進行總結，見表1，可以看出：監測井井位布置的參考依據既可以考慮便于井間層析成像調查的工程因素，將生產井與監測井設置于一條直線上，也可以考慮地質因素將監測井與生產井沿河道水流軸線的方向進行井位部署，以便于試采中擴大溫壓的傳播范圍。

表1 水合物歷次試采井數與井位信息Tab.1 Number and location information of hydrate production test wells

監測井能夠獲得水合物分解相關的溫度、壓力等參數的動態變化的同時，也應該能夠盡可能地獲取儲層物性參數分布及井間連通信息。

依據此前世界范圍內多國試采經驗，監測井的數量一般為1～2口，且盡量保證監測井與生產井共面。在保證監測井監測效果的同時，還可以對監測結果進行對比分析。

(2)監測參數總結

對國內外水合物試采中主要監測參數信息進行整理，如表2所示。

表2 水合物歷次試采情況監測參數Tab.2 Monitoring parameters of previous hydrate production test

從表2可以看出，隨著技術的發展進步，通過監測井所得到的參數越來越詳細，但如何合理的設計監測點及監測參數，目前仍無定論。為了更好地了解和認識開采過程中天然氣水合物儲層的各項參數的變化情況，需要進一步研究和探索監測井的相關技術。

4.結論

通過對加拿大Mallik地區、日本南開海槽以及中國南海神狐海域的水合物試采監測井的相關案例進行調研，總結了監測井的布井設計原則，以及水合物試采過程中需要監測的相關參數。主要認識如下：

（1）目前水合物試采中進行監測的主要參數包括：溫度和壓力監測、流動電位監測、井口流出物測試及海床擾動監測等。通過對這些參數的綜合分析，可以較好反映水合物儲層水合物的分解、流體運移等情況。

（2）監測井方向設計需要依據實際的儲層環境（如主河道流方向），位置設計需結合儲層的流動參數、傳熱參數及試采時間，能夠對儲層壓力、溫度等主要參數變化做出及時響應。

（3）目前根據試采經驗，監測井的數量一般為一口或兩口。