羅 強(qiáng)，劉志輝，寧伏龍*，2，竇曉峰，劉志超，2

（1.中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.科技部地球深部鉆探與深地資源開發(fā)國際聯(lián)合研究中心，湖北 武漢 430074）

0 引言

天然氣水合物是由小分子天然氣和水在特定溫度壓力條件下形成的一種固體非化學(xué)計(jì)量的化合物［1-2］，天然氣水合物具有分布范圍廣、清潔低碳、資源量大的特點(diǎn)，是一種潛在的戰(zhàn)略能源［3-6］。21 世紀(jì)初，在世界范圍內(nèi)開展了多次天然氣水合物試采［7-8］，其中海域作為天然氣水合物賦存最廣泛的區(qū)域，先后有日本、中國開展了試采［9］。2017 年在南海神狐海域?qū)嵤┝诉B續(xù)產(chǎn)氣60 d 的我國首次天然氣水合物試采工程，采氣30.9 萬m3，平均日產(chǎn)氣5151m3，測試期間最高日產(chǎn)量達(dá)3.5 萬m3［10］。同年11月，天然氣水合物被列為我國第173 個礦種。隨后我國于2020 年在該海域利用水平井技術(shù)進(jìn)行了第二輪天然氣水合物試采，連續(xù)產(chǎn)氣30 d，總產(chǎn)氣量86.14 萬m3，日均產(chǎn)氣2.87萬m3，是首次試采日均產(chǎn)氣量的5.57 倍，大大提高了日產(chǎn)氣量和產(chǎn)氣總量［11］。

然而，上述試采產(chǎn)氣量離商業(yè)開采還有一段不小距離。究其原因，主要是相比于常規(guī)油氣儲層，天然氣水合物儲層具有淺埋藏、弱固結(jié)、低滲透、高泥質(zhì)、非均質(zhì)等特點(diǎn)［3，12-13］，易造成鉆采過程中井壁和儲層失穩(wěn)、產(chǎn)量低、出砂等工程問題［9，13-15］。其中出砂是制約水合物安全高效開采的“瓶頸”之一［14，16］?，F(xiàn)有的天然氣水合物儲層防砂措施主要來源于常規(guī)石油開采中常用的防砂方法［17］，例如礫石充填防砂、篩管防砂等。我國典型的水合物儲層泥質(zhì)含量高達(dá)25%以上，且以中值粒徑達(dá)10～15 μm 的泥質(zhì)細(xì)粉砂為主［18］。由于砂粒較細(xì)，這就對防砂提出了極高的精度要求，而防砂精度提高之后會造成完井段滲透率嚴(yán)重降低。研究表明，在40 μm 防砂精度下，防砂介質(zhì)滲透率下降幅度高達(dá)90%，在20 μm 防砂精度時防砂介質(zhì)的堵塞滲透率不足0.12 D，流動性很差［18-20］。此外儲層中水合物分解會產(chǎn)生水，1 m3的天然氣水合物分解會產(chǎn)生約0.8 m3的水和最高168 m3的天然氣［21］。因此，隨著開采進(jìn)行，儲層水含量會逐漸增加，如果水不能有效排出，會嚴(yán)重影響產(chǎn)氣以及降壓效果，并導(dǎo)致有效應(yīng)力降低，加之水?dāng)y砂能力強(qiáng)，誘發(fā)大規(guī)模出砂。

目前針對水合物儲層的防砂方法存在以下問題：（1）防砂精度不易確定，無法達(dá)到有效防砂的效果；（2）在防砂的同時制約了排水產(chǎn)氣。基于上述問題，本文提出了一種水合物儲層超聲霧化防砂提產(chǎn)方法。配合擋砂介質(zhì)在有效防住10 μm 以上砂的同時，將水霧化成5 μm 左右的小水滴產(chǎn)出，降低水?dāng)y砂能力的同時增強(qiáng)排水降壓效果，實(shí)現(xiàn)連續(xù)排水產(chǎn)氣?；谠摲椒?，搭建了實(shí)驗(yàn)?zāi)M評價(jià)裝置，并進(jìn)行了初步的模擬實(shí)驗(yàn)。

1 實(shí)驗(yàn)方法及材料

搭建的實(shí)驗(yàn)?zāi)M裝置主要由快拆透明反應(yīng)釜、霧化裝置、水氣收集釜、壓力傳感器、可燃?xì)怏w檢測儀組成，見圖1。其中霧化裝置由霧化片和電源電路組成，本次初步實(shí)驗(yàn)選用了普通加濕器霧化片單元，諧振頻率約為113 kHz，見圖2。霧化片用環(huán)氧樹脂膠固定在快拆透明反應(yīng)釜下部的出口。甲烷水合物分解產(chǎn)生的水氣可通過擋砂介質(zhì)（用濾紙模擬，為103 慢速定量濾紙，最大孔徑10～15 μm，見圖3a）和霧化片錐孔后通往水氣收集釜。2 個壓力傳感器分別檢測甲烷水合物分解和產(chǎn)出的氣體壓力?？扇?xì)怏w檢測儀用來檢測出口處是否有甲烷氣體產(chǎn)出。

圖1 水合物儲層超聲霧化防砂評價(jià)裝置示意Fig.1 Schematic diagram of the ultrasonic atomization sand control evaluation device

圖2 霧化片及電源電路示意Fig.2 Atomization unit and power supply circuit

其中在擋砂介質(zhì)上部鋪墊一層約5 mm 厚度的砂粒（見圖3b），然后快速轉(zhuǎn)移預(yù)先形成好的甲烷水合物樣品（實(shí)驗(yàn)中使用的甲烷水合物由另一個實(shí)驗(yàn)裝置在壓力約6 MPa 和溫度約3 ℃條件下形成，詳情可以參考水合物生成實(shí)驗(yàn)裝置介紹［22-23］）放置在快拆透明反應(yīng)釜中砂粒上部（見圖3c），用來模擬含甲烷水合物沉積物的分解和水氣在儲層砂中的單向滲流過程。砂粒選用南海神狐海域地層樣品，中值粒徑在10 μm。蓋上反應(yīng)釜蓋體，由于上下夾持和密封圈作用，快拆反應(yīng)釜的氣密性將得到保證。此外由于環(huán)境溫度高于相平衡溫度，甲烷水合物樣品將在反應(yīng)釜內(nèi)分解（見圖3d）。

圖3 實(shí)驗(yàn)流程Fig.3 Experimental flow chart

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 甲烷水合物分解

當(dāng)快拆反應(yīng)釜內(nèi)并未放置擋砂介質(zhì)和砂粒樣品時，甲烷水合物樣品分解，將存在分解水，甲烷氣和未分解水合物固體三相。當(dāng)霧化裝置未開啟時，無水氣從霧化片錐孔產(chǎn)出。這是由于分解水在霧化片的錐孔處形成了流動阻力，氣體無法穿過水從錐孔排出。并且此時甲烷水合物分解產(chǎn)生的氣體壓力較小，這部分壓差無法有效驅(qū)替出水。當(dāng)霧化裝置開啟后，霧化片底部出現(xiàn)明顯的氣流產(chǎn)出（圖4）。通過可燃?xì)怏w檢測儀對氣流進(jìn)行檢測，發(fā)現(xiàn)含有甲烷氣體成分。由于氣體穿過分解水到達(dá)錐孔產(chǎn)出的阻力較大，因此我們推測，甲烷水合物分解時，有一部分甲烷氣會以較小氣泡形式分散在分解水中，和霧化的小水滴一起從錐孔產(chǎn)出。有學(xué)者通過分子模擬的研究指出，甲烷水合物加熱分解時，釋放的甲烷分子有一部分會以納米氣泡的形式在水相存在［24］。因此我們認(rèn)為，霧化片產(chǎn)出的水氣中的甲烷氣體成分，很大的可能是來自這些水相中的納米甲烷氣泡?？觳鸱磻?yīng)釜上部的氣體壓力則來自分解氣中逃逸到釜中空氣中的部分。

圖4 甲烷水合物霧化排水產(chǎn)氣實(shí)驗(yàn)Fig.4 Experiment of methane hydrate atomization for water drainage and gas recovery

2.2 甲烷水合物與沉積物共存分解

在甲烷水合物分解實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，我們將砂粒敷設(shè)在擋砂介質(zhì)上部，然后再在砂粒層的上部快速放置形成好的甲烷水合物。甲烷水合物由于處于室溫，溫度升高分解形成的分解水滲流到砂粒層，再到達(dá)擋砂介質(zhì)下部霧化片中的錐孔中。此時快拆反應(yīng)釜內(nèi)，除了分解水、氣、未分解甲烷水合物外，還有砂粒（圖5）。分解水會迅速將砂粒層潤濕，此時在產(chǎn)出通道有流體和固體混合在一起，比上節(jié)中純甲烷水合物分解實(shí)驗(yàn)中的流體更加復(fù)雜。此時開啟霧化裝置，看不到明顯的霧氣產(chǎn)出，但開啟收集氣出口閥門會有微弱的壓力釋放，而且通過可燃?xì)怏w檢測儀也檢測到甲烷氣成分。通過收集氣壓力表可以發(fā)現(xiàn)，在初期表現(xiàn)出明顯的峰值（圖6），在1 h 后壓力值趨于穩(wěn)定。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，發(fā)現(xiàn)霧化片上有少量泥砂痕跡，這可能是由于比霧化片錐孔直徑更細(xì)的泥質(zhì)成分，通過錐孔后導(dǎo)致的。而且這些泥質(zhì)成分堵塞在了霧化片錐孔附近，降低了霧化片的振蕩頻率，影響了分解水的霧化，進(jìn)而導(dǎo)致霧化產(chǎn)氣速率較慢。

圖5 甲烷水合物霧化防砂排水產(chǎn)氣實(shí)驗(yàn)Fig.5 Experiment of methane hydrate atomization for sand control,and water drainage and gas recovery

圖6 收集氣壓力Fig.6 Pressure of the collected gas

3 結(jié)果討論

3.1 水合物儲層霧化防砂排水產(chǎn)氣微觀機(jī)理

上述測試初步表明，超聲霧化在水合物儲層的防砂排水采氣應(yīng)用中具有一定可行性。其防砂的主要原理是通過擋砂介質(zhì)在精細(xì)防砂的同時，通過霧化片的高頻振動，對水產(chǎn)生振動、變形、泵效、漸縮/漸擴(kuò)運(yùn)動，形成單獨(dú)的小水滴產(chǎn)出［25］。該過程分解水對砂粒的拖拽得到有效抑制，儲層砂并未產(chǎn)生移動，出砂得到防止。其產(chǎn)氣的主要原理是，一方面產(chǎn)出的分解水中，包含甲烷水合物分解產(chǎn)生的納米氣泡，分解和霧化同時進(jìn)行，這些納米氣泡會源源不斷地從霧化片錐孔被產(chǎn)出，另一方面，隨著分解水的不斷產(chǎn)出，儲層孔隙中的分解水減少，壓差增大，氣體流動驅(qū)動力增大而阻力持續(xù)減小，進(jìn)而形成優(yōu)勢氣體產(chǎn)出通道。其機(jī)理如圖7 所示。

圖7 霧化防砂排水產(chǎn)氣機(jī)理Fig.7 Mechanism of sand control,and water drainage and gas recovery by atomization

3.2 產(chǎn)氣速度差異的原因

通過甲烷水合物及組合沉積物的霧化實(shí)驗(yàn)對比，可以發(fā)現(xiàn)，純甲烷水合物的霧化排水產(chǎn)氣速度明顯高于后者。這是由于一部分較細(xì)的泥質(zhì)成分穿過擋砂介質(zhì)后到達(dá)錐孔附近形成堵塞造成的。圖8 為霧化片的錐孔微觀圖，錐孔背面的孔徑較大（圖8a），約為80～150 μm，泥質(zhì)成分到達(dá)正面前，容易在孔區(qū)域堆積，這些泥質(zhì)成分在錐孔附近的堵塞降低了霧化片的工作頻率，進(jìn)而影響了分解水霧化成水滴從霧化片正面的小孔（圖8b）排出。對此，可以采用多層結(jié)構(gòu)的擋砂介質(zhì)，將泥質(zhì)成分在擋砂介質(zhì)處進(jìn)行阻擋。此外，也可以對霧化片的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改善，比如增大錐孔直徑，讓這部分泥質(zhì)成分從錐孔和水氣一起產(chǎn)出。

圖8 霧化片錐孔微觀示意（根據(jù)朱庭旺等重繪）[26]Fig.8 Micro view of the conical holes in the atomizing plate

4 結(jié)論

本文提出了一種水合物儲層超聲霧化防砂排水采氣方法，并基于提出的方法搭建了簡易模擬實(shí)驗(yàn)裝置。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，超聲霧化對于水合物儲層防砂排水采氣具有一定的可行性。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)水合物分解水中溶解有甲烷氣體，可以隨著霧化形成的小水滴一起產(chǎn)出。后續(xù)通過改善擋砂介質(zhì)和霧化片結(jié)構(gòu)，增大振蕩頻率會對含水合物沉積物的霧化排水產(chǎn)氣以及潛在的泥砂解堵產(chǎn)生有利的效果。