注热水吞吐联合水平井压裂开采水合物数值模拟研究

朱旭晨 ZHU Xu-chen；杨旭刚 YANG Xu-gang；胡杰 HU Jie；孟凡嵩 MENG Fan-song；朱钰青 ZHU Yu-qing；刘欢 LIU Huan；凌童 LING Tong；梁永星 LIANG Yong-xing；王志猛 WANG Zhi-meng

（①中海油田服务股份有限公司，天津 300450；②中海油研究总院有限责任公司，北京 100028）

0 引言

天然气水合物是由天然气和水在低温高压条件下形成的一种类冰状化合物，其具有储量大、能量密度高等特点，在可持续发展中发挥着重要作用[1]。中国南海神狐海域赋存泥质孔隙型水合物，储层物性较差，开采过程中压力和热量传播速度缓慢，并且分解生成的水合物缺少运移通道导致开采效率降低[2]。为了能够持续稳定的开采水合物，本文提出了一种注热水吞吐联合水平井压裂开采水合物的方法，通过数值模拟方法建立注热水吞吐联合水平井压裂开采水合物计算模型，对该方法可行性进行探究。

1 注热水吞吐联合水平井压裂数学模型建立

本次研究利用CMG-STARS模拟器建立了三相四组分注热水吞吐联合水平井压裂模型。水合物开采过程中主要涉及到H2O（气相）、H2O（液相）、CH4（气相）、CH4水合物（固体）四个组分，水合物生成及分解可以用以下两种化学反应（1）来表征，分解动力学方程为公式（2）[3]，形成动力学方程为公式（3）[4]。孔隙度与渗透率关系采用Carman-Kozeny公式计算。

符号说明：vd——水合物分解速率；Kd0——水合物分解速率常数，gmol/（s·Pa·m2）；Adec——单位体积内反应面积，m2/m3；Pe——气相平衡压力，Pa；Pg——气相分压力，Pa；ΔE——水合物反应活化能，J/mol；R——气体常数，J/（mol·K）；T——温度，K；vf——水合物形成速率；Kf0——水合物分解速率常数，gmol/（s·Pa·m2）。

2 注热水吞吐联合水平井压裂可行性研究

基于中国南海海域的地质特征建立数值模型，水合物层位距离海平面1000m，水合物层初始温度为12℃，储层初始压力为10MPa，储层孔隙度为0.3，储层渗透率为10mD，水合物层垂直厚度为10m，水合物饱和度为0.26。注热水吞吐联合水平井压裂三维模型如图1所示，三维模型被划分为41×41×10=16810个网格，平面网格尺寸为25m×25m，将井筒局部网格加密成5×5个网格。在同一位置设置两口水平井，一口为生产井，一口为注入井，交替开关井实现注热吞吐，生产时井底压力保持2.5MPa，模拟时间为3年。

注热水吞吐联合水平井压裂（以下称联合法）与降压法和压裂降压法进行对比。由图2可以看出，初期阶段主要通过降压的方式使水合物分解，三种方法初期产气速度较慢，联合法和压裂降压法初期日产气量达能到7300m3/d，而降压法初期日产气量只能达到3500m3/d。随着水合物持续分解，压裂降压法和降压法的日产气量逐步下降。联合法开始持续注入80℃热水90天，并焖井10天进行吞吐，焖井结束时，日产气量大幅度增大，最大产气量达到100000m3/d，随后逐步降低至15000m3/d。经过注热吞吐后日产气量持续降压开采，但多轮次吞吐也呈现了效果递减问题，最后一个轮次结束后日产气量仍能保持13000m3/d。从累积产气量曲线可以看出，模拟时间内，联合法累积产气量为7.06×106m3/d，压裂降压法累积产气量为3.15×106m3/d，降压法累积产气量为2.11×106m3/d，联合法相比于降压法大幅度提高了产气量。

图2 累积产气量和日产速度

通过图3生产3年时储层温度、储层压力和水合物饱和度场的分布进行分析。生产3年时，联合法近井周围的地层压力保持约为6MPa，而压裂降压法和降压法近井周围的地层压力保持约为3MPa，可以看出联合法和压裂降压法的压力传播范围明显大于降压法。联合法近井周围地层温度保持在30℃左右，压裂降压法和降压法近井周围储层温度保持在3-5℃。从水合物饱和度分布图上可以看出，联合法近井周围水合物已经全部分解，并沿着裂缝方向进一步分解，扩大了水合物的分解范围。压裂降压法裂缝周围水合物也在分解，但由于没有热量补充，分解量较少。而降压法只有井周围的水合物进行了部分分解。

图3 生产3年时不同开采方式水合物物理场变化

3 敏感性分析

3.1 导流能力探究了20D·cm、30D·cm、40D·cm、50D·cm和60D·cm五种不同导流能力对联合法开发水合物效果的影响。从图4分析，导流能力为20D·cm时，累积产气量为6.29×106m3，导流能力为60D·cm时是前者的1.2倍，这似乎表明导流能力对累积产气量的影响相对较小，压裂形成的高渗通道足以满足热水向储层远端扩散以及气体向井底运移的需求。

图4 不同导流能力累积产气量变化

3.2 裂缝半长探究了100m、125m、150m、175m和200m五种不同裂缝半长对联合法开采的影响。如图5所示，累积产气量随着裂缝半长的增大而增大。裂缝半长为100m时，累积产气量为7.07×106m，裂缝半长为200m时是前者的1.3倍。对于低渗储层而言，增加裂缝半长要比增加导流能力更重要。

图5 不同裂缝半长累积产气量变化

3.3 注入温度探究了20℃、40℃、60℃、80℃和100℃五种注热水温度对联合法开采效果的影响，从图6可以看出，随着注入温度的升高，累积产气量大幅度提高，注入温度越高，储层补充的热量越多，可以为水合物的分解提供大量热。注入温度为20℃的条件下，累积产气量为3.74×106m3，注入温度为100℃时是前者2.1倍，这表明注入温度对联合法开采水合物具有重要影响，通过压裂增大渗流面积的同时，需要保证储层的热量供给。

3.4 日注入量探究了100m3/d、200m3/d、500m3/d、800m3/d和1000m3/d五种日注入量对水合物开采的影响，由图7可知，累积产气量随着注入量的增大而增大。但随着日注入量的增加，逐步恢复了储层压力，反而不利于水合物分解，累积产气量的增加幅度变缓。日注入量为100m3/d时累积产气量为4.40×106m3，日注入量为1000m3/d时是前者的1.9倍。

图7 不同日注入量累积产气量变化

4 结论

本文提出了一种注热水吞吐联合水平井压裂开采水合物的方法，通过CMG-STARS模拟器建立了三相四组分注热水吞吐联合水平井压裂模型，通过数值模拟对其可行性进行验证以及敏感性分析。模拟结果表明：①注热水吞吐联合水平井压裂开采水合物方法能够提高水合物分解的波及面积，同时为储层提供大量热，保证水合物高效持续的分解，具有良好的可行性。②导流能力和裂缝半长对联合法开采的影响相对较小，最大导流能力60D·cm时，累积产气量为7.64×106m3，是20D·cm的1.2倍。最大裂缝半长200m时，累积产气量为9.00×106m3，是裂缝半长100m的1.3倍。③注入温度和日注入量是影响联合法开采效果的重要因素，注入温度为100℃时的累积产气量是20℃时的2.1倍，日注入量为1000m3/d时的累积产气量是100m3/d时的1.9倍。