注熱水吞吐聯(lián)合水平井壓裂開(kāi)采水合物數(shù)值模擬研究

朱旭晨 ZHU Xu-chen；楊旭剛 YANG Xu-gang；胡杰 HU Jie；孟凡嵩 MENG Fan-song；朱鈺青 ZHU Yu-qing；劉歡 LIU Huan；凌童 LING Tong；梁永星 LIANG Yong-xing；王志猛 WANG Zhi-meng

（①中海油田服務(wù)股份有限公司，天津 300450；②中海油研究總院有限責(zé)任公司，北京 100028）

0 引言

天然氣水合物是由天然氣和水在低溫高壓條件下形成的一種類冰狀化合物，其具有儲(chǔ)量大、能量密度高等特點(diǎn)，在可持續(xù)發(fā)展中發(fā)揮著重要作用[1]。中國(guó)南海神狐海域賦存泥質(zhì)孔隙型水合物，儲(chǔ)層物性較差，開(kāi)采過(guò)程中壓力和熱量傳播速度緩慢，并且分解生成的水合物缺少運(yùn)移通道導(dǎo)致開(kāi)采效率降低[2]。為了能夠持續(xù)穩(wěn)定的開(kāi)采水合物，本文提出了一種注熱水吞吐聯(lián)合水平井壓裂開(kāi)采水合物的方法，通過(guò)數(shù)值模擬方法建立注熱水吞吐聯(lián)合水平井壓裂開(kāi)采水合物計(jì)算模型，對(duì)該方法可行性進(jìn)行探究。

1 注熱水吞吐聯(lián)合水平井壓裂數(shù)學(xué)模型建立

本次研究利用CMG-STARS模擬器建立了三相四組分注熱水吞吐聯(lián)合水平井壓裂模型。水合物開(kāi)采過(guò)程中主要涉及到H2O（氣相）、H2O（液相）、CH4（氣相）、CH4水合物（固體）四個(gè)組分，水合物生成及分解可以用以下兩種化學(xué)反應(yīng)（1）來(lái)表征，分解動(dòng)力學(xué)方程為公式（2）[3]，形成動(dòng)力學(xué)方程為公式（3）[4]。孔隙度與滲透率關(guān)系采用Carman-Kozeny公式計(jì)算。

符號(hào)說(shuō)明：vd——水合物分解速率；Kd0——水合物分解速率常數(shù)，gmol/（s·Pa·m2）；Adec——單位體積內(nèi)反應(yīng)面積，m2/m3；Pe——?dú)庀嗥胶鈮毫Γ琍a；Pg——?dú)庀喾謮毫Γ琍a；ΔE——水合物反應(yīng)活化能，J/mol；R——?dú)怏w常數(shù)，J/（mol·K）；T——溫度，K；vf——水合物形成速率；Kf0——水合物分解速率常數(shù)，gmol/（s·Pa·m2）。

2 注熱水吞吐聯(lián)合水平井壓裂可行性研究

基于中國(guó)南海海域的地質(zhì)特征建立數(shù)值模型，水合物層位距離海平面1000m，水合物層初始溫度為12℃，儲(chǔ)層初始?jí)毫?0MPa，儲(chǔ)層孔隙度為0.3，儲(chǔ)層滲透率為10mD，水合物層垂直厚度為10m，水合物飽和度為0.26。注熱水吞吐聯(lián)合水平井壓裂三維模型如圖1所示，三維模型被劃分為41×41×10=16810個(gè)網(wǎng)格，平面網(wǎng)格尺寸為25m×25m，將井筒局部網(wǎng)格加密成5×5個(gè)網(wǎng)格。在同一位置設(shè)置兩口水平井，一口為生產(chǎn)井，一口為注入井，交替開(kāi)關(guān)井實(shí)現(xiàn)注熱吞吐，生產(chǎn)時(shí)井底壓力保持2.5MPa，模擬時(shí)間為3年。

注熱水吞吐聯(lián)合水平井壓裂（以下稱聯(lián)合法）與降壓法和壓裂降壓法進(jìn)行對(duì)比。由圖2可以看出，初期階段主要通過(guò)降壓的方式使水合物分解，三種方法初期產(chǎn)氣速度較慢，聯(lián)合法和壓裂降壓法初期日產(chǎn)氣量達(dá)能到7300m3/d，而降壓法初期日產(chǎn)氣量只能達(dá)到3500m3/d。隨著水合物持續(xù)分解，壓裂降壓法和降壓法的日產(chǎn)氣量逐步下降。聯(lián)合法開(kāi)始持續(xù)注入80℃熱水90天，并燜井10天進(jìn)行吞吐，燜井結(jié)束時(shí)，日產(chǎn)氣量大幅度增大，最大產(chǎn)氣量達(dá)到100000m3/d，隨后逐步降低至15000m3/d。經(jīng)過(guò)注熱吞吐后日產(chǎn)氣量持續(xù)降壓開(kāi)采，但多輪次吞吐也呈現(xiàn)了效果遞減問(wèn)題，最后一個(gè)輪次結(jié)束后日產(chǎn)氣量仍能保持13000m3/d。從累積產(chǎn)氣量曲線可以看出，模擬時(shí)間內(nèi)，聯(lián)合法累積產(chǎn)氣量為7.06×106m3/d，壓裂降壓法累積產(chǎn)氣量為3.15×106m3/d，降壓法累積產(chǎn)氣量為2.11×106m3/d，聯(lián)合法相比于降壓法大幅度提高了產(chǎn)氣量。

圖2 累積產(chǎn)氣量和日產(chǎn)速度

通過(guò)圖3生產(chǎn)3年時(shí)儲(chǔ)層溫度、儲(chǔ)層壓力和水合物飽和度場(chǎng)的分布進(jìn)行分析。生產(chǎn)3年時(shí)，聯(lián)合法近井周圍的地層壓力保持約為6MPa，而壓裂降壓法和降壓法近井周圍的地層壓力保持約為3MPa，可以看出聯(lián)合法和壓裂降壓法的壓力傳播范圍明顯大于降壓法。聯(lián)合法近井周圍地層溫度保持在30℃左右，壓裂降壓法和降壓法近井周圍儲(chǔ)層溫度保持在3-5℃。從水合物飽和度分布圖上可以看出，聯(lián)合法近井周圍水合物已經(jīng)全部分解，并沿著裂縫方向進(jìn)一步分解，擴(kuò)大了水合物的分解范圍。壓裂降壓法裂縫周圍水合物也在分解，但由于沒(méi)有熱量補(bǔ)充，分解量較少。而降壓法只有井周圍的水合物進(jìn)行了部分分解。

圖3 生產(chǎn)3年時(shí)不同開(kāi)采方式水合物物理場(chǎng)變化

3 敏感性分析

3.1 導(dǎo)流能力探究了20D·cm、30D·cm、40D·cm、50D·cm和60D·cm五種不同導(dǎo)流能力對(duì)聯(lián)合法開(kāi)發(fā)水合物效果的影響。從圖4分析，導(dǎo)流能力為20D·cm時(shí)，累積產(chǎn)氣量為6.29×106m3，導(dǎo)流能力為60D·cm時(shí)是前者的1.2倍，這似乎表明導(dǎo)流能力對(duì)累積產(chǎn)氣量的影響相對(duì)較小，壓裂形成的高滲通道足以滿足熱水向儲(chǔ)層遠(yuǎn)端擴(kuò)散以及氣體向井底運(yùn)移的需求。

圖4 不同導(dǎo)流能力累積產(chǎn)氣量變化

3.2 裂縫半長(zhǎng)探究了100m、125m、150m、175m和200m五種不同裂縫半長(zhǎng)對(duì)聯(lián)合法開(kāi)采的影響。如圖5所示，累積產(chǎn)氣量隨著裂縫半長(zhǎng)的增大而增大。裂縫半長(zhǎng)為100m時(shí)，累積產(chǎn)氣量為7.07×106m，裂縫半長(zhǎng)為200m時(shí)是前者的1.3倍。對(duì)于低滲儲(chǔ)層而言，增加裂縫半長(zhǎng)要比增加導(dǎo)流能力更重要。

圖5 不同裂縫半長(zhǎng)累積產(chǎn)氣量變化

3.3 注入溫度探究了20℃、40℃、60℃、80℃和100℃五種注熱水溫度對(duì)聯(lián)合法開(kāi)采效果的影響，從圖6可以看出，隨著注入溫度的升高，累積產(chǎn)氣量大幅度提高，注入溫度越高，儲(chǔ)層補(bǔ)充的熱量越多，可以為水合物的分解提供大量熱。注入溫度為20℃的條件下，累積產(chǎn)氣量為3.74×106m3，注入溫度為100℃時(shí)是前者2.1倍，這表明注入溫度對(duì)聯(lián)合法開(kāi)采水合物具有重要影響，通過(guò)壓裂增大滲流面積的同時(shí)，需要保證儲(chǔ)層的熱量供給。

3.4 日注入量探究了100m3/d、200m3/d、500m3/d、800m3/d和1000m3/d五種日注入量對(duì)水合物開(kāi)采的影響，由圖7可知，累積產(chǎn)氣量隨著注入量的增大而增大。但隨著日注入量的增加，逐步恢復(fù)了儲(chǔ)層壓力，反而不利于水合物分解，累積產(chǎn)氣量的增加幅度變緩。日注入量為100m3/d時(shí)累積產(chǎn)氣量為4.40×106m3，日注入量為1000m3/d時(shí)是前者的1.9倍。

圖7 不同日注入量累積產(chǎn)氣量變化

4 結(jié)論

本文提出了一種注熱水吞吐聯(lián)合水平井壓裂開(kāi)采水合物的方法，通過(guò)CMG-STARS模擬器建立了三相四組分注熱水吞吐聯(lián)合水平井壓裂模型，通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)其可行性進(jìn)行驗(yàn)證以及敏感性分析。模擬結(jié)果表明：①注熱水吞吐聯(lián)合水平井壓裂開(kāi)采水合物方法能夠提高水合物分解的波及面積，同時(shí)為儲(chǔ)層提供大量熱，保證水合物高效持續(xù)的分解，具有良好的可行性。②導(dǎo)流能力和裂縫半長(zhǎng)對(duì)聯(lián)合法開(kāi)采的影響相對(duì)較小，最大導(dǎo)流能力60D·cm時(shí)，累積產(chǎn)氣量為7.64×106m3，是20D·cm的1.2倍。最大裂縫半長(zhǎng)200m時(shí)，累積產(chǎn)氣量為9.00×106m3，是裂縫半長(zhǎng)100m的1.3倍。③注入溫度和日注入量是影響聯(lián)合法開(kāi)采效果的重要因素，注入溫度為100℃時(shí)的累積產(chǎn)氣量是20℃時(shí)的2.1倍，日注入量為1000m3/d時(shí)的累積產(chǎn)氣量是100m3/d時(shí)的1.9倍。