夏志增，任曉云，王厲強，王學武，馬向東

（1. 中國石油大學勝利學院，山東 東營 257061；2. 中鹽金壇鹽化有限責任公司，江蘇 常州 231200；3. 中國石化勝利石油工程公司，井下作業(yè)公司培訓中心，山東 東營 257100）

0 前 言

天然氣水合物是在低溫、高壓條件下由烴類分子與水分子作用形成的籠形晶體化合物[1]，具有分布廣、儲量大、能量密度高[2]的特點，是重要的戰(zhàn)略后備能源。根據(jù)地質(zhì)構(gòu)造和儲層條件，水合物藏可分為三種類型[1]，如圖1所示。

與傳統(tǒng)的煤炭、石油等化石能源不同，水合物在開采過程中會發(fā)生相變，開發(fā)利用難度更大。目前，注熱法[4]、降壓法[5]、注化學劑法[6]、氣體置換法[7]等是水合物資源開采的主要方法。其中，降壓法具有簡單、經(jīng)濟、有效等特點，是實現(xiàn)水合物資源商業(yè)開采最具潛力的方法[8]。降壓法是通過降低儲層壓力至相平衡壓力之下，破壞原始條件下水合物的穩(wěn)定狀態(tài)，使其分解為氣體和水而實現(xiàn)開發(fā)利用。對于具有下伏氣層的 I類水合物藏或具有下伏水層的II類水合物藏可通過下伏流體的抽取，實現(xiàn)水合物藏的有效降壓開采[9-10]。我國首次海域水合物試采采用的“地層流體抽取法”[11]本質(zhì)上就是降壓法。

圖1 水合物藏分類示意圖Fig. 1 Sketch of the classification of hydrate reservoirs

目前關于降壓開采模式的研究，多以定井底流壓生產(chǎn)為主[12-15]，即將井底流壓設置為一恒定值進行模擬研究，此時儲層與井底之間的壓差能夠引發(fā)水合物的持續(xù)分解。在這種生產(chǎn)制度下，通過設置合理的井底流壓值（大于2.75 MPa），可以防止冰和水合物的二次形成，但在某些儲層條件下，開發(fā)早期容易產(chǎn)生過高的流體產(chǎn)出速率（如II類水合物藏降壓開采時早期產(chǎn)水速率過大[16]），不利于生產(chǎn)控制。定質(zhì)量流量生產(chǎn)是實現(xiàn)降壓的另一種方式[17-18]，即將井口產(chǎn)出流體的質(zhì)量流量設置為一恒定值進行模擬研究，流體的定質(zhì)量流量產(chǎn)出能夠有效降低儲層壓力，引發(fā)水合物的持續(xù)分解。此種生產(chǎn)制度能夠?qū)崿F(xiàn)流體的可控產(chǎn)出，但長期生產(chǎn)容易造成井底流壓過低，致使近井地帶溫度下降過快而形成冰或二次水合物，嚴重影響流體的流動。

為結(jié)合上述兩種降壓開采模式的優(yōu)點，本文提出了先定質(zhì)量流量生產(chǎn)，后轉(zhuǎn)定井底流壓生產(chǎn)的降壓開采模式。考慮到目前III類水合物藏的降壓開采研究較少，本文以III類水合物藏為例，采用數(shù)值模擬方法，探討該降壓模式下水合物藏的氣水生產(chǎn)動態(tài)及物理場的變化規(guī)律，以加強對水合物資源開發(fā)規(guī)律的認識。

1 數(shù)值模擬模型

1.1 基礎模型建立

本文使用HydrateResSim（HRS）模擬器[19]進行模擬研究。HRS是專門用于水合物藏開采模擬的開源學術(shù)代碼，能夠很好地表征開采過程中的相變、傳熱、多相滲流等過程，在國內(nèi)外應用廣泛[20-22]。本文在適當修改HRS代碼的基礎上，開展模擬研究。

圖2為建立的降壓開采III類水合物藏的數(shù)值模擬模型，模型大小為290 m × 290 m × 82 m，劃分網(wǎng)格數(shù)共計14 297個（29 × 29 × 17）。模型由中間水合物層和頂?shù)追菨B透層組成，一口生產(chǎn)井位于模型中央。其中，水合物層的參數(shù)主要參考我國神狐海域鉆探取芯點SH7的水合物層數(shù)據(jù)[23-24]；頂?shù)追菨B透層厚度設為30 m[25]，以充分表征水合物藏開采過程中的熱效應。模型參數(shù)取值如表1所示。

圖2 基礎模型示意圖Fig. 2 Sketch of the hydrate reservoir development model

表1 基礎模型參數(shù)（水合物層）Table 1 Basic parameters of the hydrate-bearing layer of the model

模擬研究時，考慮體系中可能存在的相態(tài)有水合物相、水相、氣相和冰相。其中水合物相和冰相不可流動，水相和氣相的流動遵循達西定律，采用的相對滲透率模型和毛管力模型分別如式（1）和式（2）所示，模型參數(shù)取值見表1。

式中，krA、krG分別為水相、氣相相對滲透率；SA、SG分別為水相、氣相飽和度；SirA和SirG分別為束縛水和束縛氣飽和度；nA、nG為模型參數(shù)。

式中，pc為氣相和水相間的毛管力，Pa；pc0和λ為模型參數(shù)。

1.2 生產(chǎn)制度

生產(chǎn)井的射孔位置在水合物層中部，射孔長度為10 m。開采模擬時，先以定質(zhì)量流量30 t/d進行生產(chǎn)，隨著生產(chǎn)的進行，井底流壓逐漸降低，當井底流壓平均值降至6 MPa時，以恒定的井底流壓值6 MPa進行生產(chǎn)，模擬生產(chǎn)時間為1年。

2 生產(chǎn)動態(tài)規(guī)律

2.1 產(chǎn)氣動態(tài)

生產(chǎn)過程中，產(chǎn)氣速率、分解氣速率和井底流壓的變化曲線如圖3所示。可以看出，生產(chǎn)過程可分為兩個階段：①定質(zhì)量流量生產(chǎn)階段，0 ～ 40 d；②定井底流壓生產(chǎn)階段，41 ～ 365 d。

在定質(zhì)量流量生產(chǎn)階段（階段①），由于流體的定質(zhì)量流量產(chǎn)出，對儲層產(chǎn)生較為強烈的降壓效果，引起水合物快速分解。產(chǎn)氣速率和分解氣速率較為穩(wěn)定，平均分解氣速率和平均產(chǎn)氣速率分別為1 600 m3/d和650 m3/d。

在定井底流壓生產(chǎn)階段（階段②），井底流壓保持6 MPa的水平進行生產(chǎn)，儲層流體在壓差作用下流入井底，造成儲層壓力繼續(xù)下降，低壓范圍不斷擴大，水合物持續(xù)分解。分解氣速率隨生產(chǎn)時間逐漸增加，前期呈緩慢增長趨勢，后期由于水合物分解量增加而上升明顯（與階段②開始時刻相比，增幅近200%），整個階段的平均分解氣速率為1 750 m3/d；產(chǎn)氣速率在生產(chǎn)后期有一定程度的上升，此階段的產(chǎn)氣速率較階段①低，平均值為200 m3/d。

截至模擬結(jié)束，累產(chǎn)氣量1.06 × 105m3，累分解氣量 7.42 × 105m3。

圖3 產(chǎn)氣速率、分解氣速率及井底流壓的變化Fig. 3 Variation of the gas production rate, the gas dissociation rate and the bottom-hole pressure

2.2 產(chǎn)水動態(tài)

圖4為產(chǎn)水速率和氣水比的變化曲線?？梢钥闯?，產(chǎn)水速率與產(chǎn)氣速率類似，也分為兩個階段，各階段的產(chǎn)水速率整體穩(wěn)定，在階段②后期，由于水合物分解量增加，產(chǎn)水速率有所上升。氣水比在階段②的平均值約為階段①的2倍，變化規(guī)律與產(chǎn)氣速率曲線（圖 3）基本一致，這主要是由于不論在階段①還是在階段②，產(chǎn)水速率變化不大，因此氣水比的變化主要受產(chǎn)氣速率的控制。其中，氣水比為產(chǎn)氣速率與產(chǎn)水速率之比，能夠反映氣水生產(chǎn)速率的相對大小。

圖4 產(chǎn)水速率及氣水比變化Fig. 4 Variation of the water production rate and gas-water ratio

3 物理場變化

由于模型為均質(zhì)模型且僅有一口生產(chǎn)井位于模型中央，因此二維剖面圖可以反映模型物理場在三維空間的變化。過生產(chǎn)井井筒軸線，作與模型側(cè)面平行的垂直剖面圖，選取模擬開始時刻1 d、定質(zhì)量流量生產(chǎn)階段結(jié)束時刻40 d、生產(chǎn)中期0.5 a、結(jié)束時刻1a，4個時間點，分析生產(chǎn)過程中儲層壓力場、溫度場和水合物飽和度場的變化。

3.1 壓力場

儲層壓力場的變化如圖5。隨生產(chǎn)時間的增加，以井筒為中心，儲層壓降范圍不斷擴大。由于儲層流體持續(xù)產(chǎn)出，40 d時，井所在網(wǎng)格的壓力逐漸降低至平均壓力小于6 MPa；之后，井底壓力保持恒定，在儲層壓力與井底壓差的作用下，流體持續(xù)流入井底，低壓范圍不斷擴大。此外，由于氣水的重力分異，導致水合物層上部壓力的擴展速度比水合物層下部快。至模擬結(jié)束，水合物層平均壓力降至13 MPa。

圖5 壓力場變化（沿井筒的垂直剖面）Fig. 5 Variation of pressure field (the vertical profile from the wellbore)

3.2 溫度場

儲層溫度場與壓力場的變化規(guī)律類似，如圖6所示，低溫范圍以井筒為中心不斷擴大。水合物的分解和形成伴隨著溫度的變化，而分解是一個吸熱過程。水合物由于儲層壓力的降低發(fā)生分解，分解區(qū)域內(nèi)的溫度不斷降低，井筒附近的溫度降低程度最大。

圖6 溫度場變化（沿井筒的垂直剖面）Fig. 6 Variation of temperature field (the vertical profile from the wellbore)

3.3 水合物飽和度場

水合物飽和度場的變化如圖7所示。水合物的分解受儲層壓力下降的控制，隨時間增加，水合物不斷分解，井筒附近水合物飽和度逐漸下降；生產(chǎn)后期，在低壓環(huán)境影響下，水合物層底部出現(xiàn)了低水合物飽和度帶。模擬結(jié)束時，井筒所在網(wǎng)格區(qū)域的水合物已分解完全，距離井筒越遠，水合物分解程度越低。的定質(zhì)量流量生產(chǎn)和定井底流壓生產(chǎn)之間，能夠在一定程度上避免定質(zhì)量流量壓力保持水平偏低及產(chǎn)水量過高和定井底流壓生產(chǎn)時產(chǎn)量過低的問題，具有較高的產(chǎn)量，能夠較好地保持地層能量。

圖7 水合物飽和度場變化（沿井筒的垂直剖面）Fig. 7 Variation of the gas hydrate saturation field (the vertical profile from the wellbore)

4 開發(fā)效果對比

為探討本文提出的定質(zhì)量流量轉(zhuǎn)定井底流壓生產(chǎn)的效果，在前文模型（基礎模型）基礎上，分別建立了兩種模擬模型：對比模型1、對比模型2。在對比模型1中，只以定質(zhì)量流量30 t/d的生產(chǎn)制度進行模擬開采；在對比模型2中，只以定井底流壓6 MPa的生產(chǎn)制度進行模擬開采。兩種對比模型除生產(chǎn)制度不同，其余參數(shù)條件均與基礎模型相同。圖8和圖9為模擬結(jié)束時三種模型的各項指標情況。其中，累氣水比為累產(chǎn)氣量與累產(chǎn)水量的比值，能夠反映生產(chǎn)期間累計產(chǎn)氣量和累計產(chǎn)水量的相對大小。

可以看出，截至模擬結(jié)束，對比模型 1（定質(zhì)量流量生產(chǎn)）具有最大的累產(chǎn)氣、累分解氣量，同時累產(chǎn)水量也最高；對比模型2（定井底流壓生產(chǎn)）具有最高的壓力保持水平，表明地層能量得到了有效保持；而基礎模型有最大的累氣水比，其他各項指標均介于兩種模型之間。這表明，在定質(zhì)量流量轉(zhuǎn)定井底流壓生產(chǎn)模式下，總體開發(fā)效果介于單純

圖8 模擬結(jié)束時的累產(chǎn)氣、累分解氣和累產(chǎn)水Fig. 8 Cumulative produced gas, cumulative dissociated gas and cumulative produced water at the end of the production

圖9 模擬結(jié)束時的水合物層平均壓力和累氣水比Fig. 9 Average pressure of the gas hydrate layer and the gaswater ratio

5 結(jié) 論

（1）采用數(shù)值模擬法研究了定質(zhì)量流量轉(zhuǎn)定井底流壓開采水合物藏的氣水生產(chǎn)動態(tài)，并對壓力場、溫度場和水合物飽和度場的變化規(guī)律進行了研究。

（2）在本文研究條件下，生產(chǎn)過程可分為定質(zhì)量流量生產(chǎn)和定井底流壓生產(chǎn)兩個階段。定質(zhì)量流量生產(chǎn)階段的產(chǎn)氣速率要高于定井底流壓生產(chǎn)階段，前者約為后者的3倍；定質(zhì)量流量生產(chǎn)階段的分解氣速率與定井底流壓生產(chǎn)階段相當，但在定井底流壓生產(chǎn)階段后期分解氣速率上升明顯，較階段開始時刻增加近200%；兩個階段的產(chǎn)水速率較穩(wěn)定。

（3）儲層壓力場、溫度場和水合物飽和度場的變化有相似的規(guī)律，隨生產(chǎn)時間增加，低壓、低溫和低水合物飽和度范圍均以井筒為中心不斷擴大。

（4）定質(zhì)量流量轉(zhuǎn)定井底流壓開采水合物藏時，累氣水比最高，能一定程度上克服單一定質(zhì)量流量生產(chǎn)和定井底流壓生產(chǎn)的問題，產(chǎn)量較高且能較好地保持地層能量。實際生產(chǎn)中，應結(jié)合實際儲層條件，優(yōu)化生產(chǎn)參數(shù)以達到該生產(chǎn)模式下的最佳效果。

參考文獻：

[1]SLOAN E D, KOH C. Clathrate hydrates of natural gases[M]. 3rd ed. Boca Raton: CRC Press, 2007.

[2]王屹, 李小森. 天然氣水合物開采技術(shù)研究進展[J].新能源進展, 2013, 1(1): 69-79. DOI: 10.3969/j.issn.2095-560X.2013.01.007.

[3]MORIDIS G J, COLLETT T S. Strategies for gas production from hydrate accumulations under various geologic conditions[C]//Proceedings, TOUGH Symposium 2003. Berkeley, CA: Lawrence Berkeley National Laboratory, 2003.

[4]MCGUIRE P L. Methane hydrate gas production by thermal stimulation[C]//Proceedings of the Fourth Canadian Permafrost Conference. Calgary, Alberta,Canada: Los Alamos Scientific Laboratory, 1981.

[5]HOLDER G D, ANGERT P F. Simulation of gas production from a reservoir containing both gas hydrates and free natural gas[C]//SPE Annual Technical Conference and Exhibition. New Orleans, Louisiana: Society of Petroleum Engineers, 1982. DOI: 10.2118/11105-MS.

[6]KAMATH V A, GODBOLE S P. Evaluation of hot-brine stimulation technique for gas production from natural gas hydrates[J]. Journal of petroleum technology, 1987,39(11): 1379-1388. DOI: 10.2118/13596-PA.

[7]OHGAKI K, TAKANO K, SANGAWA H, et al. Methane exploitation by carbon dioxide from gas hydrates-phase equilibria for CO2-CH4mixed hydrate system[J]. Journal of chemical engineering of Japan, 1996, 29(3): 478-483.DOI: 10.1252/jcej.29.478.

[8]MORIDIS G J, REAGAN M T. Gas production from oceanic Class 2 hydrate accumulations[C]//Offshore Technology Conference. Houston, Texas, USA: Ernest Orlando Lawrence Berkeley National Laboratory, 2007.

[9]MORIDIS G J, KOWALSKY M T. Depressurizationinduced gas production from Class 1 and Class 2 hydrate deposits[C]//TOUGH Symposium. Berkeley, California,USA: Ernest Orlando Lawrence Berkeley National Laboratory, 2006.

[10]MORIDIS G J, REAGAN M T. Gas production from Class 2 hydrate accumulations in the permafrost[C]//SPE Annual Technical Conference and Exhibition. Anaheim,California, USA: Society of Petroleum Engineers, 2007.DOI: 10.2118/110858-MS.

[11]黃曉芳. 中國領跑可燃冰開采2030年左右實現(xiàn)商業(yè)化開發(fā)[J]. 資源與產(chǎn)業(yè), 2017, 19(3): 105-106.

[12]MYSHAKIN E M, GADDIPATI M, ROSE K, et al.Numerical simulations of depressurization-induced gas production from gas hydrate reservoirs at the Walker Ridge 313 site, northern Gulf of Mexico[J]. Marine and petroleum geology, 2012, 34(1): 169-185. DOI: 10.1016/j.marpetgeo.2011.09.001.

[13]RUAN X K, YANG M J, SONG Y C, et al. Numerical studies of hydrate dissociation and gas production behavior in porous media during depressurization process[J]. Journal of natural gas chemistry, 2012, 21(4):381-392. DOI: 10.1016/S1003-9953(11)60380-0.

[14]ZHAO J F, YU T, SONG Y C, et al. Numerical simulation of gas production from hydrate deposits using a single vertical well by depressurization in the Qilian Mountain permafrost, Qinghai-Tibet Plateau, China[J]. Energy,2013, 52: 308-319. DOI: 10.1016/j.energy.2013. 01.066.

[15]JIANG X X, LI S X, ZHANG L N. Sensitivity analysis of gas production from Class I hydrate reservoir by depressurization[J]. Energy, 2012, 39(1): 281-285. DOI:10.1016/j.energy.2012.01.016.

[16]MORIDIS G J, REAGAN M T. Strategies for gas production from oceanic Class 3 hydrate accumulations[C]//Offshore Technology Conference. Houston, Texas, USA:Ernest Orlando Lawrence Berkeley National Laboratory, 2007.

[17]ALP D, PARLAKTUNA M, MORIDIS G J. Gas production by depressurization from hypothetical Class 1G and Class 1W hydrate reservoirs[J]. Energy conversion and management, 2007, 48(6): 1864-1879.DOI: 10.1016/j.enconman.2007.01.009.

[18]DOU B, JIANG G, QIN M, et al. Numerical simulation studies of gas production from natural hydrate accumulations using depressurize technology[C]//CPS/SPE International Oil & Gas Conference and Exhibition.Beijing, China: SPE, 2010.

[19]MORIDIS G J, KOWALSKY M B, PRUESS K.HydrateRessim user’s manual: a numerical simulator for modeling the behavior of hydrates in geologic media[R].Berkeley, CA: Lawrence Berkeley National Laboratory, 2005.

[20]GAMWO I K, LIU Y. Mathematical modeling and numerical simulation of methane production in a hydrate reservoir[J]. Industrial & engineering chemistry research,2010, 49(11): 5231-5245. DOI: 10.1021/ie901452v.

[21]樊栓獅, 楊圣文, 溫永剛, 等. 水平井高效開采Class 3天然氣水合物研究[J]. 天然氣工業(yè), 2013, 33(7):36-42. DOI: 10.3787/j.issn.1000-0976.2013.07.006.

[22]MEREY S, SINAYUC C. Numerical simulations for short-term depressurization production test of two gas hydrate sections in the Black Sea[J]. Journal of natural gas science and engineering, 2017, 44: 77-95. DOI:10.1016/j.jngse.2017.04.011.

[23]WU N Y, YANG S X, ZHANG H Q, et al. Gas Hydrate system of Shenhu area, northern South China Sea:wire-line logging, geochemical results and preliminary resources estimates[C]//Offshore Technology Conference.Houston, Texas, USA: OTC, 2010. DOI: 10.4043/20485-MS.

[24]LI G, MORIDIS G J, ZHANG K N, et al. The use of huff and puff method in a single horizontal well in gas production from marine gas hydrate deposits in the Shenhu area of South China Sea[J]. Journal of petroleum science and engineering, 2011, 77(1): 49-68. DOI:10.1016/j.petrol.2011.02.009.

[25]MORIDIS G J, KOWALSKY M B, PRUESS K.Depressurization-induced gas production from class-1 hydrate deposits[J]. SPE reservoir evaluation & engineering,2007, 10(5): 458-481. DOI: 10.2118/97266-PA.

[26]MORIDIS G J, REAGAN M T, KIM S J, et al. Evaluation of the gas production potential of marine hydrate deposits in the Ulleung Basin of the Korean East Sea[J]. SPE journal, 2009, 14(4): 759-781. DOI: 10.2118/110859-PA.