水合物藏定質量流量轉定井底流壓開采規律研究*

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，是重要的戰略后備能源。根據地質構造和儲層條件，水合物藏可分為三種類型[1]，如圖1所示。

與傳統的煤炭、石油等化石能源不同，水合物在開采過程中會發生相變，開發利用難度更大。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、經濟、有效等特點，是實現水合物資源商業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定狀態，使其分解為氣體和水而實現開發利用。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水合物的持續分解。在這種生產制度下，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，開發早期容易產生過高的流體產出速率（如II類水合物藏降壓開采時早期產水速率過大[16]），不利于生產控制。定質量流量生產是實現降壓的另一種方式[17-18]，即將井口產出流體的質量流量設置為一恒定值進行模擬研究，流體的定質量流量產出能夠有效降低儲層壓力，引發水合物的持續分解。此種生產制度能夠實現流體的可控產出，但長期生產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。

為結合上述兩種降壓開采模式的優點，本文提出了先定質量流量生產，后轉定井底流壓生產的降壓開采模式?？紤]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，采用數值模擬方法，探討該降壓模式下水合物藏的氣水生產動態及物理場的變化規律，以加強對水合物資源開發規律的認識。

1 數值模擬模型

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類水合物藏的數值模擬模型，模型大小為290 m × 290 m × 82 m，劃分網格數共計14 297個（29 × 29 × 17）。模型由中間水合物層和頂底非滲透層組成，一口生產井位于模型中央。其中，水合物層的參數主要參考我國神狐海域鉆探取芯點SH7的水合物層數據[23-24]；頂底非滲透層厚度設為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（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。

式中，pc為氣相和水相間的毛管力，Pa；pc0和λ為模型參數。

1.2 生產制度

生產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，先以定質量流量30 t/d進行生產，隨著生產的進行，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，模擬生產時間為1年。

2 生產動態規律

2.1 產氣動態

生產過程中，產氣速率、分解氣速率和井底流壓的變化曲線如圖3所示?？梢钥闯?，生產過程可分為兩個階段：①定質量流量生產階段，0 ～ 40 d；②定井底流壓生產階段，41 ～ 365 d。

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

在定井底流壓生產階段（階段②），井底流壓保持6 MPa的水平進行生產，儲層流體在壓差作用下流入井底，造成儲層壓力繼續下降，低壓范圍不斷擴大，水合物持續分解。分解氣速率隨生產時間逐漸增加，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；產氣速率在生產后期有一定程度的上升，此階段的產氣速率較階段①低，平均值為200 m3/d。

截至模擬結束，累產氣量1.06 × 105m3，累分解氣量 7.42 × 105m3。

圖3 產氣速率、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 產水動態

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

圖4 產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

由于模型為均質模型且僅有一口生產井位于模型中央，因此二維剖面圖可以反映模型物理場在三維空間的變化。過生產井井筒軸線，作與模型側面平行的垂直剖面圖，選取模擬開始時刻1 d、定質量流量生產階段結束時刻40 d、生產中期0.5 a、結束時刻1a，4個時間點，分析生產過程中儲層壓力場、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。由于儲層流體持續產出，40 d時，井所在網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生分解，分解區域內的溫度不斷降低，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；生產后期，在低壓環境影響下，水合物層底部出現了低水合物飽和度帶。模擬結束時，井筒所在網格區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。的定質量流量生產和定井底流壓生產之間，能夠在一定程度上避免定質量流量壓力保持水平偏低及產水量過高和定井底流壓生產時產量過低的問題，具有較高的產量，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 開發效果對比

為探討本文提出的定質量流量轉定井底流壓生產的效果，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，只以定質量流量30 t/d的生產制度進行模擬開采；在對比模型2中，只以定井底流壓6 MPa的生產制度進行模擬開采。兩種對比模型除生產制度不同，其余參數條件均與基礎模型相同。圖8和圖9為模擬結束時三種模型的各項指標情況。其中，累氣水比為累產氣量與累產水量的比值，能夠反映生產期間累計產氣量和累計產水量的相對大小。

可以看出，截至模擬結束，對比模型 1（定質量流量生產）具有最大的累產氣、累分解氣量，同時累產水量也最高；對比模型2（定井底流壓生產）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，在定質量流量轉定井底流壓生產模式下，總體開發效果介于單純

圖8 模擬結束時的累產氣、累分解氣和累產水Fig. 8 Cumulative produced gas, cumulative dissociated gas and cumulative produced water at the end of the production

圖9 模擬結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 論

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

（2）在本文研究條件下，生產過程可分為定質量流量生產和定井底流壓生產兩個階段。定質量流量生產階段的產氣速率要高于定井底流壓生產階段，前者約為后者的3倍；定質量流量生產階段的分解氣速率與定井底流壓生產階段相當，但在定井底流壓生產階段后期分解氣速率上升明顯，較階段開始時刻增加近200%；兩個階段的產水速率較穩定。

（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律，隨生產時間增加，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）定質量流量轉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量流量生產和定井底流壓生產的問題，產量較高且能較好地保持地層能量。實際生產中，應結合實際儲層條件，優化生產參數以達到該生產模式下的最佳效果。

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