孫華忠 李忠慧 熊青山 唐川富 王曉燕 李玉波

1.油氣鉆采工程湖北省重點(diǎn)實(shí)驗室(長江大學(xué)) 2.長江大學(xué)石油工程學(xué)院油氣鉆完井技術(shù)國家工程研究中心

天然氣水合物在我國南海神狐海域地區(qū)水合物儲層以細(xì)粒黏土和粉砂為主,具有高密度、高穩(wěn)定性、高儲量等特點(diǎn)[1],因此被視為一種潛在的能源資源。由于其在大氣壓下的穩(wěn)定性較差,同時在常溫常壓下易分解,開采難度較大[2]。分解促進(jìn)劑可以降低開采難度和增強(qiáng)水合物的穩(wěn)定性[3],因此,研究分解促進(jìn)劑對于水合物的開采具有重要意義。

注化學(xué)藥劑法是向地層中注入某種化學(xué)試劑,以降低水分子活度,將天然氣水合物的相平衡向更高的壓力和更低的溫度方向移動,使得水合物藏發(fā)生分解[4]。分解促進(jìn)劑可以提高水合物的可采性、產(chǎn)量和采收率,減少安全風(fēng)險[5]。Fan 等[6]研究了乙二醇對水合物分解熱的影響,發(fā)現(xiàn)注入乙二醇能夠明顯降低水合物分解需要的熱量,提高分解速率。孫漪霏[7]通過開展雙井注乙二醇溶液結(jié)合降壓開采甲烷水合物實(shí)驗研究,結(jié)果表明:與常規(guī)降壓法相比,采用注乙二醇+降壓聯(lián)合法能夠提高水合物開采效率2倍以上。Sun等[8]利用分子動力學(xué)模擬的方法研究了甲烷水合物在純水和醇類分解促進(jìn)劑(甲醇)的分解過程,發(fā)現(xiàn)甲醇的存在會提高分解速率,降低水合物穩(wěn)定性。王樹立等[9]和Yagasaki等[10]研究了甲烷水合物在純水和鹽類分解促進(jìn)劑(NaCl)的分解過程,發(fā)現(xiàn)分解促進(jìn)劑的存在會提高水合物分解速率,分解速率先減小后增大,降低了水合物的穩(wěn)定性。

國內(nèi)外學(xué)者[11-12]廣泛研究了分解促進(jìn)劑對水合物穩(wěn)定性的影響。然而,關(guān)于不同類型的促進(jìn)劑對水合物穩(wěn)定性影響的研究非常有限,不同類型的促進(jìn)劑對水合物穩(wěn)定性的作用也不太明確。因此,本研究模擬我國南海海域天然氣水合物成藏的溫壓條件,生成含一定飽和度的甲烷水合物沉積物的樣品,通過注入不同類型的分解促進(jìn)劑(乙二醇、CaCl2)聯(lián)合多級降壓開采水合物過程中,研究甲烷水合物沉積物的抗剪強(qiáng)度、彈性模量、泊松比、應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系等力學(xué)參數(shù)對儲層性能的影響。

1 水合物降壓開采力學(xué)試驗

1.1 水合物制備

1.1.1實(shí)驗材料與裝置

實(shí)驗材料:去離子水(實(shí)驗室自制);石英砂(直徑為0.82 mm,孔隙度為45%)、黏土(直徑為0.18 mm);高壓絕緣熱縮套(直徑≥50 mm);熱縮槍;甲烷氣體(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99.99%);乙二醇(質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥99.50%);乙醇(質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥95.00%)。

實(shí)驗裝置:實(shí)驗采用ROC-100型天然氣水合物物理力學(xué)模擬實(shí)驗系統(tǒng),TAW-100微機(jī)控制天然氣水合物低溫三軸試驗機(jī)。

圖1為自主研制的水合物沉積物合成分解及力學(xué)性質(zhì)試驗一體化裝置的實(shí)驗裝置簡圖,將水合物的反應(yīng)室與低溫高壓三軸儀合二為一。利用高低溫恒溫液浴循環(huán)裝置,在該裝置浴箱裝滿防凍液,通過內(nèi)外循環(huán)的作用將水合物反應(yīng)室的溫度制冷到生成天然氣水合物的低溫條件。溫度范圍為-50～90 ℃;最大氣壓為15 MPa,試驗時提供的氣壓要小于圍壓,一般氣壓比圍壓低2～3 MPa[13],滿足所需的壓力條件;增設(shè)緩沖罐對氣體進(jìn)行混合物增壓,保證氣體的平穩(wěn)流動;在降壓分解時,通過氣體流量計的讀數(shù)反映出分解的氣體量,流量計的最大允許流量為500 mL/min;利用低溫高壓工況的貼片測量變形傳感器,可準(zhǔn)確測量巖樣徑向、軸向變形。

1.1.2水合物骨架基本性質(zhì)

膨潤土和石英砂在天然氣水合物沉積物中普遍存在,具有代表性[14]。膨潤土通過吸附和包裹氣體分子的方式促進(jìn)天然氣水合物的形成。同時,膨潤土在水合物沉積物中具有一定的物理和化學(xué)作用。石英砂則主要是由石英顆粒組成的礦物質(zhì),在水合物沉積物中主要起填隙和增加孔隙度的作用。因此,采用膨潤土和石英砂可以更加真實(shí)地模擬天然氣水合物沉積物中的物理和化學(xué)環(huán)境,有助于研究天然氣水合物的形成、穩(wěn)定性以及開采等方面的問題。試驗巖樣基質(zhì)采用粉細(xì)砂土,粒徑在0.01～0.20 mm的占80%,粒度中值為112 μm,顆粒比重為2.4[15]。膨潤土的主要成分為蒙脫石,石英砂的粒徑有3種,分別為2.22～4.44 mm、5.56～11.11 mm和16.67～22.22 mm,在模擬成巖過程中起膠結(jié)作用。制作的巖樣尺寸(直徑×高度)=50 mm×100 mm,采用分層壓實(shí)成樣。粒度分布曲線如圖2所示。

1.1.3水合物巖心制備

采用自主研發(fā)設(shè)計的巖心模具,筒體由兩瓣式頂、底環(huán)套實(shí)現(xiàn)固定,頂、底環(huán)套通過八根螺絲鎖緊,中心采用雙向活塞加壓。 為保證骨架顆粒的均勻分布,采用分層壓實(shí)法,分層依次在模具中放入樣品壓實(shí)。巖心制備實(shí)驗步驟為:①將烘干冷卻的儲層砂樣與定量的去離子水混合,攪拌并密閉混合 24 h;②用藥匙分層向膠套中加入混合好的砂樣,裝填過程分10層,逐層壓實(shí),制樣完成后取出巖樣如圖3所示。由于石英砂主要起填隙和增加孔隙度的作用,應(yīng)控制石英砂在混合砂樣中的質(zhì)量比,從而保證樣品骨架孔隙度為40%。

1.2 水合物力學(xué)試驗

1.2.1天然氣水合物合成

天然氣水合物合成步驟為:

(1) 將巖樣綁在反應(yīng)釜內(nèi)并套上熱縮套收緊,固定好變形位移監(jiān)測傳感器。

(2) 打開進(jìn)氣線路管線,排除管線中的殘余空氣。

(3) 對系統(tǒng)沖圍壓液,關(guān)閉閥門,用加載系統(tǒng)逐步升高試樣圍壓,如10.0 MPa。

(4) 打開氣源,通過調(diào)壓閥對進(jìn)入定量泵的甲烷氣體增壓至12.73 MPa,然后打開上下進(jìn)氣閥門同時進(jìn)氣24 h,保證圍壓至少高于試樣孔隙壓力為2.0 MPa,如試樣孔隙壓力達(dá)到8.0 MPa。

(5) 試樣進(jìn)氣充分之后,關(guān)閉閥門,采用平流泵以10 mL/min的恒定流量注水,待管線流出水之后,接上管線將平流泵改為定量模式,注入20 mL水。

(6) 注水注氣充分飽和后,開啟高低溫恒溫液浴循環(huán)裝置,通過冷卻液降低環(huán)境溫度至-9 ℃,逐漸增加圍壓加載的界面至預(yù)定壓力,保持一段時間,反應(yīng)釜開始自動合成水合物。

根據(jù)王淑云等[16]對水合物生成的溫度壓力進(jìn)行研究得到的甲烷水合物相平衡數(shù)據(jù)(見表1),本次實(shí)驗合成溫度控制為2 ℃,壓力大于3.18 MPa,以確保水合物的生成。

表1 甲烷水合物相平衡數(shù)據(jù)溫度/℃壓力/MPa溫度/℃壓力/MPa02.55106.9523.18128.5543.851410.6164.671613.2785.681816.75

1.2.2天然氣水合物分解

在反應(yīng)釜內(nèi)生成天然氣水合物后,采用一級三軸壓縮降壓分解和多級三軸壓縮降壓分解的方式[17]。

(1) 分解劑的注入。水合物生成后,通過平流泵以恒定流量1 mL/min注入分解劑。根據(jù)燜井時間,靜置待水合物分解。燜井結(jié)束后,軸向加載直至水合物發(fā)生剪切破壞。

(2) 一級三軸壓縮降壓分解。注入分解劑后,調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制方式為負(fù)荷控制,加載速率為50 N/s。在孔隙壓力為10.0 MPa時,設(shè)定剪切至軸向應(yīng)變?yōu)?.5%時停止第1次軸向加載,然后保持軸向位移,開啟孔隙壓力的卸壓閥門,通過出口調(diào)壓閥,將孔隙壓力卸載至2.0 MPa后停止卸壓;試樣中的甲烷水合物開始分解,并收集卸壓過程中水合物分解氣體;然后關(guān)閉卸壓閥門,進(jìn)行第2次剪切實(shí)驗,保持三軸剪切狀態(tài)直至試樣被剪切至剪切量超過試樣長度的15%,停止應(yīng)力加載。

(3) 實(shí)驗結(jié)束后,卸載應(yīng)力,升高試樣水浴溫度,利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄實(shí)驗過程中收集到的甲烷氣量、試樣剪切的變形量、試樣的物理參數(shù)等力學(xué)特征變化。

2 實(shí)驗結(jié)果與討論

2.1 卸壓加載過程中的水合物力學(xué)特性

單級降壓與多級降壓加載水合物力學(xué)響應(yīng)對比如圖4所示。從圖4可看出,隨著試樣孔隙壓力不斷卸載,曲線呈階梯式爬升,試樣在0～3%的應(yīng)變范圍內(nèi),軸向變形較大,應(yīng)力上升不明顯,因為試樣較為疏松,表現(xiàn)為典型的試樣壓實(shí)階段。第二階段孔隙壓力由8.0 MPa降為4.0 MPa,降壓分解之后繼續(xù)三軸加載,該階段試樣表現(xiàn)出明顯的硬化,該階段應(yīng)變?yōu)?.18%,應(yīng)力增大2.47 MPa(從圖4(a)和圖4(b)來看,孔隙壓力由8.0 MPa降為4.0 MPa時,孔隙壓力8.0 MPa將要卸壓時對應(yīng)的軸向應(yīng)變數(shù)值為0.042 83、應(yīng)力值為10.22 MPa,孔隙壓力在4.0 MPa將要卸壓時對應(yīng)的應(yīng)變數(shù)值為0.054 63、應(yīng)力值為12.69 MPa,故該階段應(yīng)變了0.011 80(1.18%)、應(yīng)力增大2.47 MPa)。主要原因是持續(xù)降壓,水合物大量分解,試樣中水合物與基質(zhì)的填充與膠結(jié)發(fā)生破壞,水合物對整體結(jié)構(gòu)的支撐能力下降。最后階段,待水合物分解后,試樣發(fā)生明顯軟化,使整體強(qiáng)度降低,應(yīng)力應(yīng)變曲線表現(xiàn)為逐漸平緩,應(yīng)變變大。

不同圍壓卸壓加載水合物力學(xué)響應(yīng)對比如圖5所示。從圖5對降壓的各階段取相同應(yīng)變時的強(qiáng)度值進(jìn)行對比分析發(fā)現(xiàn),每增加2.0 MPa圍壓,水合物強(qiáng)度(強(qiáng)度用主應(yīng)力差來表征。主應(yīng)力差越大,水合物強(qiáng)度越高,穩(wěn)定性越好)平均增大2.30%,其中第1階段受圍壓的影響最大,每增加2.0 MPa圍壓,水合物強(qiáng)度增大3.03%。綜合來看,與單級降壓相比,多級降壓幅度小,試樣更難提前軟化。在降壓初期,少量水合物分解對儲層強(qiáng)度的影響較小,隨著降壓分解的進(jìn)行,應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系由應(yīng)力硬化向應(yīng)變硬化-軟化轉(zhuǎn)變,水合物對整體結(jié)構(gòu)的支撐能力顯著降低。圍壓越大,水合物試樣的承壓能力越強(qiáng),水合物儲層越穩(wěn)定。在實(shí)際生產(chǎn)中,可采用多級降壓的方式,以減小水合物的強(qiáng)度變化幅度,降低對儲層的影響,可以考慮增加圍壓以提高水合物試樣的承壓能力,從而提高水合物儲層的穩(wěn)定性。

2.2 不同分解劑對水合物力學(xué)特性的影響

選擇適合的分解促進(jìn)劑,可以加速天然氣水合物的分解速率,降低分解溫度,提高水合物的穩(wěn)定性和力學(xué)性能,從而實(shí)現(xiàn)對天然氣水合物的高效開采。醇類分解促進(jìn)劑作為水合物的穩(wěn)定劑,能夠增強(qiáng)水合物的穩(wěn)定性,從而提高開采效率;鹽類分解促進(jìn)劑可以促進(jìn)水合物顆粒的結(jié)晶,增強(qiáng)水合物的強(qiáng)度。故選用醇類分解促進(jìn)劑(乙二醇)和鹽類分解促進(jìn)劑(CaCl2)。注入不同分解劑水合物多級降壓加載應(yīng)力曲線如圖6所示。從圖6可以看出,Ⅱ型分解劑(乙二醇)在相同圍壓下,試樣各階段表現(xiàn)出來的抗壓強(qiáng)度更低。從圖6(a)可看出,在分解劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為20%、圍壓為8 MPa的情況下,Ⅰ型分解劑(CaCl2)和Ⅱ型分解劑(乙二醇)以及無分解劑情況下對比不同階段強(qiáng)度值發(fā)現(xiàn),相比于無分解劑情況,Ⅰ型分解劑平均強(qiáng)度降低了1.77%,Ⅱ型分解劑平均強(qiáng)度降低了6.18%,Ⅰ型最大降低3.43%,Ⅱ型最大降低了8.45%。這主要是因為在降壓過程中,Ⅱ型分解劑在第1階段分解水合物的量大,試樣中的水合物分解后,對試樣內(nèi)部孔隙的支持能力減弱,導(dǎo)致強(qiáng)度變小。通過與圖6(b)的對比來看,在10 MPa圍壓下,對比無分解劑,Ⅰ型分解劑強(qiáng)度平均降低了0.35%,Ⅱ型分解劑比Ⅰ型分解劑強(qiáng)度平均降低了2.03%,說明分解劑在10 MPa條件下對水合物強(qiáng)度的影響較小,在圍壓為8 MPa時,對試樣強(qiáng)度的影響更大?？梢钥闯?在相同的圍壓條件下,醇類分解劑(乙二醇)對水合物的強(qiáng)度影響更大,而鹽類分解劑(CaCl2)對水合物的強(qiáng)度影響相對較小,尤其在高圍壓條件下,需要控制醇類分解劑的含量和用量,避免過度降低水合物的強(qiáng)度,從而影響生產(chǎn)效益。在實(shí)際生產(chǎn)過程中,需要根據(jù)具體情況選擇合適的分解劑,及時調(diào)整工藝參數(shù),達(dá)到最佳的降壓分解效果和經(jīng)濟(jì)效益。

2.3 分解劑含量對水合物力學(xué)特性的影響

不同注入含量的多級卸壓加載水合物力學(xué)響應(yīng)情況如圖7所示。從圖7可看出,對于不同的分解促進(jìn)劑,分解劑含量越大,在卸壓加載的第1、第2階段對水合物的力學(xué)影響越顯著。其中,注入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的乙二醇分解劑時,在降壓的第1階段,試樣強(qiáng)度明顯減弱。對比注入分解劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%和30%以及無分解劑條件下不同階段的強(qiáng)度值發(fā)現(xiàn),注入質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大,強(qiáng)度越低。對比無分解劑,注入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%時強(qiáng)度平均降低2.20%,注入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%時強(qiáng)度平均降低6.22%。從注入不同含量的CaCl2分解劑對強(qiáng)度的影響發(fā)現(xiàn),相比于無分解劑,注入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%時強(qiáng)度平均降低0.35%,注入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%時強(qiáng)度平均降低2.59%。其主要原因是注入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%時比注入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%時的分解劑試樣分解的氣量更多,水合物含量降低更多,從而導(dǎo)致試樣強(qiáng)度減弱。從曲線上來看,在相同應(yīng)變的情況下,應(yīng)力值基本相同,即此時主要受試樣本身的影響。因此,在環(huán)境壓力一致的情況下,降壓的最后階段受不同分解劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響程度變?nèi)?。隨著水合物分解,注入分解促進(jìn)劑(乙二醇和CaCl2)可以有效提高水合物的分解反應(yīng)速率,分解劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高,分解反應(yīng)速率越快,但提升效果會逐漸減弱。注入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%～30%的乙二醇可獲得良好的分解加速效果。

3 多因素水合物穩(wěn)定性綜合分析

邱鵬等[18]沒有考慮到不同分解劑、注入含量、燜井時間和主應(yīng)力差等因素,對天然氣水合物分解過程中穩(wěn)定性的影響進(jìn)行了研究。本研究采用了多因素分析方法,對天然氣水合物分解過程中的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。選取不同的分解劑,并在不同的注入含量、不同燜井時間和主應(yīng)力差下進(jìn)行實(shí)驗,測量水合物分解過程中力學(xué)參數(shù)的變化,并建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行預(yù)測和分析,分析其對水合物穩(wěn)定性的影響。采用由多項式函數(shù)組成的Poly2D模型,該模型適合于高精度二維形狀的擬合。通過該模型擬合得到的水合物強(qiáng)度預(yù)測值與實(shí)驗結(jié)果的水合物強(qiáng)度值之間的相關(guān)系數(shù)R2為0.99,誤差值為1%～2%,故Poly2D模型適用于水合物強(qiáng)度模型擬合。見式(1)。

Z=ax2+by2+cxy+dx+ey+z0

(1)

式中:Z為水合物強(qiáng)度,MPa;x為注入質(zhì)量分?jǐn)?shù),%;y為燜井時間,min;z0為無分解劑時的峰值強(qiáng)度,MPa;a、b、c、d、e為模型回歸系數(shù),常數(shù)。

表2為Ⅰ型分解劑(CaCl2)和Ⅱ型分解劑(乙二醇)在不同含量和燜井時間處理方式下,卸壓加載最后階段的最大主應(yīng)力差。該值可以反映卸壓開采后的水合物強(qiáng)度,從而評價開采之后儲層的穩(wěn)定性。通過表2實(shí)驗數(shù)據(jù)中的水合物強(qiáng)度(主應(yīng)力差)、注入質(zhì)量分?jǐn)?shù)和燜井時間三者之間的關(guān)系,選擇Poly2D模型,進(jìn)行曲線回歸,得到不同注入質(zhì)量分?jǐn)?shù)以及燜井時間對水合物穩(wěn)定性影響的規(guī)律。式(2)和式(3)分別為Ⅰ型和Ⅱ型分解劑實(shí)驗數(shù)據(jù)采用多元擬合方法得到的水合物強(qiáng)度模型。

表2 不同注入質(zhì)量分?jǐn)?shù)及燜井時間的最大主應(yīng)力差編號圍壓/MPa質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%燜井時間/min強(qiáng)度/MPa穩(wěn)定性/%強(qiáng)度預(yù)測值/MPa誤差/%N-2100014.68100.0014.690.03N-Ⅰ-210204014.5097.5314.33-1.23N-Ⅰ-310304014.2696.7714.21-0.31N-Ⅰ-410202014.2498.3214.441.40N-Ⅰ-510206014.0195.8614.080.52N-Ⅱ-210204014.1996.6614.53-1.02N-Ⅱ-310304013.9995.1414.15-0.26N-Ⅱ-410202014.3097.2813.85-0.97N-Ⅱ-510206013.8894.4114.26-0.29

Z=-0.000 265x2-0.000 162y2+

0.000 247xy-0.007 761x-

0.001 014y+14.688 772

(2)

Z=-0.000 753x2-0.000 322y2+

0.000 348xy-0.006 143x+

0.007 133y+14.529 904

(3)

圖8和圖9分別為利用式(2) 和式(3) 得到的Ⅰ型分解劑、Ⅱ型分解劑的燜井時間、注入質(zhì)量分?jǐn)?shù)與水合物強(qiáng)度之間的關(guān)系圖。從圖8(a)和圖9(a)可看出,注入質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大以及燜井時間越長,水合物強(qiáng)度越低。圖8(b)注入質(zhì)量分?jǐn)?shù)較小(約50%)、燜井時間較短(75 min)之前,圖9(b)注入質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為45%、燜井時間約為90 min是一個臨界點(diǎn),均對水合物強(qiáng)度減弱的效果不明顯(強(qiáng)度減小約15%)。此時該分解劑對水合物強(qiáng)度的敏感性較差,若燜井時間繼續(xù)變長,注入質(zhì)量分?jǐn)?shù)加大,等值線越密集,對水合物強(qiáng)度的減弱效果更明顯,此時分解劑對水合物強(qiáng)度的敏感性開始提高。對比Ⅰ型和Ⅱ型分解劑水合物強(qiáng)度的關(guān)系圖版,也印證了Ⅱ型分解劑分解效果更好,在相同的處理方式下,以較低質(zhì)量分?jǐn)?shù)注入即可降低強(qiáng)度值。

4 結(jié)論

(1) 從純卸壓加載過程中,隨著水合物含量的降低,彈性模量呈現(xiàn)降低趨勢,泊松比存在增大趨勢,表現(xiàn)為水合物試樣的塑型變強(qiáng),容易發(fā)生塑性流動,而無明顯峰值,水合物儲層穩(wěn)定性逐漸變?nèi)酢?/p>

(2) 在分解劑含量對水合物力學(xué)特性的模式下,分解劑含量越高,對水合物的力學(xué)影響也越大,但分解劑主要是影響降壓開采前期水合物的力學(xué)特性,在水合物含量較低的情況下,水合物儲層穩(wěn)定性主要受自身物性的影響。

(3) 醇類分解促進(jìn)劑(乙二醇)和鹽類分解促進(jìn)劑(CaCl2)通過加速天然氣水合物的分解速率,從而降低水合物試樣內(nèi)部孔隙的支撐能力,減弱水合物試樣的強(qiáng)度,降低儲層穩(wěn)定性。

(4) 水合物強(qiáng)度減弱15%時對應(yīng)的處理方式為一個臨界狀態(tài),即在保證水合物開采穩(wěn)定性的同時,建議Ⅰ型分解劑的燜井時間小于75 min,注入質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于50%,Ⅱ型分解劑的燜井時間小于90 min,注入質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于45%。