天然气水合物试采监测井技术研究进展

＊冯明 李淑霞 郭洋 赵凤锐

（1.中海石油（中国）有限公司海南分公司 海南 570311 2.中国石油大学（华东）石油工程学院 山东 266580）

引言

天然气水合物（Natural Gas Hydrate，NGH）被认为是优质、洁净的接替能源[1]。水合物储层生产特征复杂，受相变、渗流、传热等多物理现象相互耦合作用，水合物开采过程中储层压力、温度的时空演化规律复杂。

合理的监测井井位设计不仅能够有效监测水合物储层的压力、温度传播规律，还能够对水合物分解过程中储层及海底环境的变化进行评估，对水合物试采生产动态的分析具有十分重要的指导意义。自2002年以来，加拿大[2-4]、美国、日本[5-6]及中国[7-9]先后进行了水合物的试采工作。但总的来说，目前全球的水合物开采研究处于试采研究阶段，远未达到商业化开采的水平，尤其是对水合物试采过程监测井的部署还没有形成相关的设计原则和指导方法。因此，本文在调研国内外水合物试采案例的基础上，总结监测井的部署方案及监测参数，以期能为今后水合物试采监测井的部署提供指导。

1.全球水合物试采的监测井情况

目前全球在天然气水合物试采中实施监测井部署的案例非常有限，下面对仅有的几次水合物试采中监测井的井位部署情况进行分析。

(1)加拿大Mallik地区水合物试采监测井的部署

加拿大Mallik地区于2002年、2007—2008年分别进行了两次陆域冻土的水合物试采，其中2002年采用加热法试采，5L-38井为生产井，3L-38井和4L-38井为监测井，3口井位于一条直线上，井间距为40m[2]。2007—2008年采用降压法试采，2L-38井为生产井，L-38井为监测井。监测参数主要采用一系列温度传感器，在生产开始后很快监测到温度的显著下降趋势[10]。

(2)日本南海海槽水合物试采监测井情况

2013年日本在南海海槽进行了全球首次海域水合物降压试采，试开采场地共钻探了四口井，其中AT1-P作为降压开采井，监测井AT1-MC与其相距18m，监测井AT1-MT1与其相距21m，取芯井AT1-C与其相距约40m[5]。根据三维地震数据，MC、P、MT1井沿河道水流轴线（东北至西南）排列。监测井AT1-MC、AT1-MT1同时采用分布式温度传感器（DTS）和电阻式温度传感器（RTD），针对水合物生产过程中温度演化及水合物分解半径进行瞬时监测。

2017年日本在第一次测试点以南约75m处进行了第2次降压试采，部署了1口调查井AT1-UD，2口监测井AT1-MT2、AT1-MT3，2口生产井AT1-P3、AT1-P2[6]。在每个监测孔中，安装的分布式温度传感器（DTS）和电阻式温度检测器（RTD）几乎覆盖了水合物富集带的整个部分。在每口井的两个不同层段（地质单元IV-b和V）安装了两个压力计，以观察不同地质环境下压力响应的差异。

(3)中国2017年、2020年水合物试采监测井情况

2017年，中国在神狐海域进行了首次水合物试采工作，采用近海面大气、海水、海底和井眼环境“四位一体”的监测[8]。2020年中国首次采用水平井进行水合物降压试采，监测井距离水平生产井段10.77m，得到了大量水合物储层温压、海底沉积物孔压参数、海底甲烷泄漏及海底地层稳定性数据[9]。

2.主要监测参数

现有水合物试采过程中监测的主要参数包括：温度和压力、流动电位、井口流出物及海床扰动等[7-8]。

(1)温度监测

根据开采时期的不同，温度监测的环节主要包括几个阶段，主要用于分析固井效果、水合物分解情况及地层温度变化对比等。目前水合物温度监测系统主要分为以下几种：

分布式温度传感器（DTS）与电阻温度传感器（RTD）[10]。其中DTS传感器的测温精度为±0.5℃。为进一步提高温度监测精度，且为了避免单独采用DTS监测存在的仪器失效风险，可同时采用RTD对监测井水合物层段进行温度监测，在水合物层段套管外侧等间距布设阵列式高精度RTD传感器，精度可达±0.1℃，以精确获取水合物层段温度监测数据。

(2)压力监测

水合物压力监测系统[11]主要分为两种。其中石英晶体压力传感器最显著的特点是动态范围宽，具有高分辨率、高稳定性、独特的防污端口、低功耗的特点。另一种是光纤光栅渗压传感器，为保证监测数值的准确性，渗压传感器内同时集成应变光栅与温度光栅，可同时对水合物储层生产环境的压力和温度进行监测。

(3)井口流出物测试

井口产出物测试主要包括产出泥沙粒径、固相成分、气体组分、产出液矿化度等内容，产出物测试结果可以作为水合物分解情况、井筒完整性判断的基本依据[12]。

(4)海床扰动监测

海床扰动监测主要针对水合物开采过程中引起的储层变形情况，是水合物分解过程中，由于应力变化导致储层变形及地层沉降等相关数据的重要来源。可以采用三分量加速度传感器或海床式压力传感器针对储层变形情况进行监测。

3.监测井设计及监测参数总结

(1)监测井设计原则

在整个水合物储层监测的过程中，水合物监测井的布井方案设计非常重要，决定着整个试采监测过程的监测效果。通过对国内外水合物试采过程中监测井的部署进行总结，见表1，可以看出：监测井井位布置的参考依据既可以考虑便于井间层析成像调查的工程因素，将生产井与监测井设置于一条直线上，也可以考虑地质因素将监测井与生产井沿河道水流轴线的方向进行井位部署，以便于试采中扩大温压的传播范围。

表1 水合物历次试采井数与井位信息Tab.1 Number and location information of hydrate production test wells

监测井能够获得水合物分解相关的温度、压力等参数的动态变化的同时，也应该能够尽可能地获取储层物性参数分布及井间连通信息。

依据此前世界范围内多国试采经验，监测井的数量一般为1～2口，且尽量保证监测井与生产井共面。在保证监测井监测效果的同时，还可以对监测结果进行对比分析。

(2)监测参数总结

对国内外水合物试采中主要监测参数信息进行整理，如表2所示。

表2 水合物历次试采情况监测参数Tab.2 Monitoring parameters of previous hydrate production test

从表2可以看出，随着技术的发展进步，通过监测井所得到的参数越来越详细，但如何合理的设计监测点及监测参数，目前仍无定论。为了更好地了解和认识开采过程中天然气水合物储层的各项参数的变化情况，需要进一步研究和探索监测井的相关技术。

4.结论

通过对加拿大Mallik地区、日本南开海槽以及中国南海神狐海域的水合物试采监测井的相关案例进行调研，总结了监测井的布井设计原则，以及水合物试采过程中需要监测的相关参数。主要认识如下：

（1）目前水合物试采中进行监测的主要参数包括：温度和压力监测、流动电位监测、井口流出物测试及海床扰动监测等。通过对这些参数的综合分析，可以较好反映水合物储层水合物的分解、流体运移等情况。

（2）监测井方向设计需要依据实际的储层环境（如主河道流方向），位置设计需结合储层的流动参数、传热参数及试采时间，能够对储层压力、温度等主要参数变化做出及时响应。

（3）目前根据试采经验，监测井的数量一般为一口或两口。