毛佩筱 吳能友 寧伏龍 胡高偉 孫嘉鑫陳 強(qiáng) 郭 洋 卜慶濤 萬(wàn)義釗

1.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院 2.青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室海洋礦產(chǎn)資源評(píng)價(jià)與探測(cè)技術(shù)功能實(shí)驗(yàn)室3.自然資源部天然氣水合物重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·青島海洋地質(zhì)研究所 4.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院

0 引言

目前，國(guó)際上提出的天然氣水合物（以下簡(jiǎn)稱水合物）開(kāi)采方法主要有傳統(tǒng)的降壓法、注熱法和CO2置換法，以及降壓—熱激聯(lián)合作用、水力壓裂聯(lián)合降壓法等新型開(kāi)采方法[1-4]。目前的研究成果表明，降壓法及基于其的改良方案可能是實(shí)現(xiàn)海域水合物高效開(kāi)采的最佳途徑[5-9]，但現(xiàn)有降壓條件下的產(chǎn)氣能力距離商業(yè)開(kāi)發(fā)需求仍存在著一定的距離[7-8,10]。因此，提高水合物藏分解效率、提升儲(chǔ)層氣液運(yùn)移產(chǎn)出能力，進(jìn)而形成安全、高效的水合物開(kāi)采新方法，是水合物資源開(kāi)發(fā)中迫切需要解決的瓶頸問(wèn)題，對(duì)于推動(dòng)水合物商業(yè)化開(kāi)發(fā)至關(guān)重要。

與其他油氣儲(chǔ)層不同，含水合物沉積物包含固、液、氣三相物質(zhì)，并且開(kāi)采中存在著水合物的相變分解與再形成。上述相變又與應(yīng)力場(chǎng)、流場(chǎng)、溫度場(chǎng)等物理場(chǎng)耦合在一起，使得水合物的儲(chǔ)層物性特別是滲流和力學(xué)特性更為復(fù)雜，產(chǎn)能偏低且難于維持，因而對(duì)水合物新型開(kāi)采方式提出了迫切的要求。2020 年3 月，我國(guó)成功實(shí)施的水合物水平井試采結(jié)果證實(shí)，擴(kuò)大生產(chǎn)井與儲(chǔ)層間的泄流面積，能夠顯著提高水合物開(kāi)采產(chǎn)能[7]。因此，以水平井、多分支井為代表的復(fù)雜結(jié)構(gòu)井在水合物開(kāi)采中具有巨大的應(yīng)用潛力。其中，多分支井是一種從主井眼（直井、水平井或定向井）中鉆出若干個(gè)分支井筒進(jìn)入油氣藏的復(fù)雜結(jié)構(gòu)井[11]。按井眼軌跡，可劃分為主井分別是垂直井和水平井的兩種類型[12-13]，具有擴(kuò)大泄流面積、實(shí)現(xiàn)立體式開(kāi)發(fā)的特征，在降低開(kāi)采成本、提高單井產(chǎn)量、提高最終采收率及油氣開(kāi)發(fā)的綜合經(jīng)濟(jì)效益方面具有顯著的優(yōu)越性[14]。因此多分支井在多種復(fù)雜油氣藏以及深水油氣藏中得到了廣泛應(yīng)用，對(duì)地?zé)?、煤層氣和?yè)巖氣等非常規(guī)能源的開(kāi)采效果也較好[15-17]。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外相繼開(kāi)展了多分支井開(kāi)采水合物的研究：阿拉斯加北坡水合物儲(chǔ)層開(kāi)采研究發(fā)現(xiàn)，在傳統(tǒng)垂直開(kāi)采井的基礎(chǔ)上構(gòu)建多分支井，有利于提高水合物開(kāi)采后期的產(chǎn)能[18]；Yamakawa 等[19]基于實(shí)驗(yàn)?zāi)M和數(shù)值模擬研究結(jié)果，證實(shí)了采用多分支井進(jìn)行降壓—熱激聯(lián)合開(kāi)采水合物的優(yōu)越性；多分支井通過(guò)擴(kuò)大水合物分解面積、增加井眼壓力傳遞效率等途徑可以促進(jìn)水合物產(chǎn)氣，李文龍等[20]指出在海域水合物開(kāi)采研究中應(yīng)考慮大位移水平井、多分支井等復(fù)雜結(jié)構(gòu)井的應(yīng)用。

2019 年，自然資源部中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局青島海洋地質(zhì)研究所水合物研究團(tuán)隊(duì)（以下簡(jiǎn)稱研究團(tuán)隊(duì)）率先開(kāi)展了海域天然氣水合物多分支井開(kāi)采模擬研究，以我國(guó)南海水合物藏物性參數(shù)建模，評(píng)價(jià)了大直徑水平多分支井降壓開(kāi)采過(guò)程的產(chǎn)氣、產(chǎn)水規(guī)律[21]。然而想要將多分支井技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用于水合物開(kāi)采，還需要對(duì)不同開(kāi)采條件下的多分支井產(chǎn)能進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)與評(píng)價(jià)，并制訂合理的開(kāi)發(fā)方案。因此，量化分析多分支井不同布設(shè)條件下的儲(chǔ)層開(kāi)采響應(yīng)特征及增產(chǎn)效果，是將多分支井技術(shù)應(yīng)用于水合物開(kāi)采的前提。

物理模擬實(shí)驗(yàn)是解決上述預(yù)測(cè)與評(píng)價(jià)難題的重要技術(shù)手段之一[22]。目前國(guó)內(nèi)外用于水合物開(kāi)采的模擬試驗(yàn)裝置較多，但大多數(shù)都是小型一維、三維裝置[23]。即使是在大型三維反應(yīng)釜中進(jìn)行的開(kāi)采相關(guān)研究[22]，也尚未見(jiàn)到采用垂直布設(shè)的水平分支井進(jìn)行水合物開(kāi)采的研究報(bào)道。為此，筆者基于研究團(tuán)隊(duì)自主研制的水合物復(fù)雜結(jié)構(gòu)井開(kāi)采模擬實(shí)驗(yàn)裝置，分別開(kāi)展了垂直井、水平二分支井（夾角90°）降壓開(kāi)采甲烷水合物的模擬實(shí)驗(yàn)，獲得了不同開(kāi)采條件、不同井型對(duì)水合物開(kāi)采的影響規(guī)律，以期為多分支井在水合物開(kāi)采中的廣泛應(yīng)用提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)和工程依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

水合物復(fù)雜結(jié)構(gòu)井開(kāi)采模擬實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)流程如圖1 所示。該裝置主要由模型系統(tǒng)（反應(yīng)釜）、溫度控制系統(tǒng)、氣體注入系統(tǒng)、液體注入系統(tǒng)、水合物開(kāi)采系統(tǒng)（復(fù)雜結(jié)構(gòu)井開(kāi)發(fā)系統(tǒng)和降壓開(kāi)采系統(tǒng)）和數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)六部分組成。

反應(yīng)釜是該套裝置的核心組成部分，由316 L 不銹鋼制成，有效容積約135 L，耐壓約15 MPa。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的溫度主要由恒溫水浴來(lái)控制，其控溫范圍為－15～120 ℃。復(fù)雜結(jié)構(gòu)井開(kāi)發(fā)系統(tǒng)包括中間主井眼以及與主井眼軸向垂直設(shè)置的多排分支水平井。實(shí)驗(yàn)時(shí)，可通過(guò)自由組合分支井網(wǎng)的布井位置、射孔位置、射孔間距、射孔類型等進(jìn)行水合物降壓開(kāi)采模擬。反應(yīng)釜內(nèi)等距布設(shè)上、下兩排傳感器，每排布設(shè)24組測(cè)試點(diǎn)，共計(jì)144 個(gè)測(cè)試點(diǎn)（圖2），可實(shí)時(shí)采集水合物生成、分解過(guò)程中儲(chǔ)層內(nèi)的壓力、溫度和電阻率數(shù)據(jù)。同時(shí)，數(shù)據(jù)采集控制軟件可實(shí)時(shí)采集反應(yīng)釜入口和出口壓力、氣體注入與采出的瞬時(shí)流量速度、氣體累計(jì)注入量和采出量等參數(shù)。

圖1 水合物復(fù)雜結(jié)構(gòu)井模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)裝置照片與流程示意圖

圖2 反應(yīng)釜及其內(nèi)部測(cè)試點(diǎn)采集系統(tǒng)示意圖

1.2 實(shí)驗(yàn)材料

本實(shí)驗(yàn)所用材料主要有甲烷氣體、去離子水和天然海砂，相關(guān)指標(biāo)如表1 所示。

表1 實(shí)驗(yàn)材料及相關(guān)指標(biāo)表

1.3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

1.3.1 水合物生成實(shí)驗(yàn)過(guò)程

水合物生成的實(shí)驗(yàn)步驟如下：

1）將天然海砂裝入反應(yīng)釜作為多孔介質(zhì)，加入一定量的去離子水后，密封反應(yīng)釜。

2）通過(guò)真空泵對(duì)系統(tǒng)抽真空。

3）將恒溫水浴的溫度設(shè)置為2 ℃（±0.2 ℃），然后注入甲烷氣至8 MPa，關(guān)閉反應(yīng)釜進(jìn)口與出口閥門，使系統(tǒng)保持定容狀態(tài)，待水合物生成。

4）當(dāng)反應(yīng)釜內(nèi)壓力降至2 ℃對(duì)應(yīng)的相平衡壓力后，打開(kāi)進(jìn)口閥門，再次向反應(yīng)釜內(nèi)注氣，加壓至8 MPa 后關(guān)閉進(jìn)口閥門，待水合物生成。

5）當(dāng)反應(yīng)釜內(nèi)壓力再次降至2 ℃對(duì)應(yīng)的相平衡壓力后，打開(kāi)進(jìn)口閥門，再次向反應(yīng)釜內(nèi)注氣，加壓至8 MPa 后關(guān)閉進(jìn)口閥門，同時(shí)設(shè)置水浴溫度至8℃，待釜內(nèi)溫度壓力穩(wěn)定。

甲烷水合物生成過(guò)程如圖3 所示。

水合物生成期間，每60 s 記錄一次儲(chǔ)層各個(gè)位置的溫度、壓力、電阻率等數(shù)據(jù)。本文一共涉及三組實(shí)驗(yàn)（CASE 1 為垂直井，CASE 2 為垂直井，CASE 3 為水平二分支井），均采用相同的水合物生成方式，進(jìn)氣量基本一致，故假定生成的水合物量和分布情況基本一致。水合物生成實(shí)驗(yàn)涉及的溫壓參數(shù)如表2所示。

圖3 甲烷水合物生成過(guò)程示意圖

1.3.2 水合物開(kāi)采實(shí)驗(yàn)過(guò)程

本文三組實(shí)驗(yàn)的開(kāi)采方案和具體操作步驟如表3所示。水合物生成后，反應(yīng)釜內(nèi)溫度在7.88 ℃左右，通過(guò)計(jì)算[24]可得，該溫度下的相平衡壓力約為5.66 MPa，故設(shè)定的開(kāi)采值低于相平衡壓力值。開(kāi)采過(guò)程中循環(huán)水浴保持恒定溫度。反應(yīng)釜內(nèi)布設(shè)的垂直井高為154 mm，內(nèi)徑為20 mm，位于儲(chǔ)層中部。水平二分支井（夾角90°）的兩分支井規(guī)格相同，每一分支井的長(zhǎng)度為250 mm，內(nèi)徑為18 mm（圖4-a），布設(shè)位置與5 號(hào)、15 號(hào)、21 號(hào)和23 號(hào)測(cè)點(diǎn)的位置相對(duì)應(yīng)（圖4-b）。由于井型是影響水合物開(kāi)采效率的主要因素之一[5]，因而在本次研究中垂直井和水平二分支井（夾角90°）兩者具有相同的射孔面積。在降壓開(kāi)采過(guò)程中，每10 s 記錄一次實(shí)時(shí)產(chǎn)氣速率和累計(jì)產(chǎn)氣量，反應(yīng)釜內(nèi)溫度、壓力和電阻數(shù)據(jù)，每隔一段時(shí)間記錄一次累計(jì)產(chǎn)水量。

表2 水合物生成前、后反應(yīng)釜內(nèi)的溫壓情況統(tǒng)計(jì)表

表3 三組實(shí)驗(yàn)的水合物開(kāi)采方案及其具體操作步驟表

圖4 實(shí)驗(yàn)中的井眼尺寸和布設(shè)情況示意圖

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 不同降壓幅度對(duì)水合物開(kāi)采的影響

2.1.1 產(chǎn)氣產(chǎn)水情況

水合物開(kāi)采過(guò)程中的產(chǎn)氣速率受控于降壓幅度。利用垂直井進(jìn)行甲烷水合物開(kāi)采時(shí)，無(wú)論采用3.0 MPa 還是4.0 MPa 進(jìn)行降壓開(kāi)采，初始階段，產(chǎn)氣速率都呈現(xiàn)出先增大后減小的現(xiàn)象（圖5），產(chǎn)氣量的增加幅度也呈現(xiàn)出相同的變化規(guī)律。這主要是由于降壓初期，反應(yīng)釜內(nèi)剩余游離氣較多；同時(shí)，儲(chǔ)層壓力與開(kāi)采井內(nèi)壓力的差值較大，加快了水合物的分解?；谏鲜鰞蓚€(gè)因素的共同作用，初始產(chǎn)氣速率得以提高。隨著氣體不斷被采出，反應(yīng)釜內(nèi)的壓力逐漸下降（圖6），并且水合物在分解產(chǎn)氣過(guò)程中不僅彌補(bǔ)了反應(yīng)釜內(nèi)的壓降損失，而且還吸收了部分沉積物中的熱量，故而對(duì)剩余水合物的分解產(chǎn)生了一定的抑制作用。因此，開(kāi)采一段時(shí)間后，產(chǎn)氣速率降低，并且在一定范圍內(nèi)波動(dòng)（圖5）。觀察CASE 1 的產(chǎn)氣情況還可以發(fā)現(xiàn)，開(kāi)采幾小時(shí)后，設(shè)置更低的壓力值（如3.0 MPa 和2.5 MPa）進(jìn)行水合物降壓開(kāi)采，產(chǎn)氣速率變化也會(huì)呈現(xiàn)出相同的規(guī)律。但隨著分解的持續(xù)進(jìn)行，反應(yīng)釜內(nèi)水合物飽和度逐漸減少，即使設(shè)置了更低的井壓，最大產(chǎn)氣速率也會(huì)比前一次降壓后的最大產(chǎn)氣速率要低。此外，對(duì)比CASE 1 和CASE 2 開(kāi)采前期的產(chǎn)氣情況可知，垂直井開(kāi)采條件下，降壓幅度越大，水合物開(kāi)采效果和產(chǎn)氣情況越好。

圖5 垂直井開(kāi)采水合物時(shí)，CASE 1 和CASE 2 的產(chǎn)氣量、產(chǎn)氣速率和開(kāi)采壓力隨時(shí)間變化圖

圖6 垂直井開(kāi)采水合物時(shí)，CASE 1 和CASE 2 儲(chǔ)層溫度和壓力隨時(shí)間變化圖

開(kāi)采后期（如CASE 1 中的第6.5 h 左右和CASE 2 中的第4.5 h 左右），反應(yīng)釜內(nèi)外側(cè)沉積物內(nèi)水合物幾乎分解完畢，受水浴恒定溫度的影響，儲(chǔ)層外側(cè)溫度明顯升高（圖6）。設(shè)置更低的開(kāi)采壓力后，在溫度升高、壓力降低的雙重刺激下，產(chǎn)氣速率達(dá)到較大值（CASE 1 在10 h 左右達(dá)到最大，CASE 2 在8 h 左右達(dá)到最大），并且可以持續(xù)較長(zhǎng)的一段時(shí)間。隨后，產(chǎn)氣速率穩(wěn)定下降，其值基本位于一條光滑曲線上。這一現(xiàn)象表明采用降壓—熱激聯(lián)合開(kāi)采的方式更有利于水合物分解和穩(wěn)定產(chǎn)氣。此外，CASE 1 中，水合物開(kāi)采9 h 后的產(chǎn)氣情況表明，在聯(lián)合作用下，當(dāng)某一開(kāi)采壓力下的產(chǎn)氣速率較低時(shí)，設(shè)置更低的開(kāi)采壓力值具有一定的增產(chǎn)作用。在實(shí)際水合物儲(chǔ)層中進(jìn)行水合物開(kāi)采時(shí)，開(kāi)采井井周的水合物儲(chǔ)層也時(shí)刻受到環(huán)境溫度的影響。因此，本文室內(nèi)實(shí)驗(yàn)?zāi)M的結(jié)果對(duì)于實(shí)際水合物開(kāi)采具有一定的參考價(jià)值及指導(dǎo)意義。

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后測(cè)得，CASE 1 累計(jì)產(chǎn)水量為9.4 kg，CASE 2 累計(jì)產(chǎn)水量為9.3 kg。從產(chǎn)水情況可知，不管采用何種降壓方式，垂直井開(kāi)采的產(chǎn)水量差異并不明顯。

2.1.2 溫壓變化情況

水合物生成結(jié)束后，反應(yīng)釜內(nèi)的壓力約為5.8 MPa，略高于水合物藏7.88 ℃時(shí)對(duì)應(yīng)的相平衡壓力（5.66 MPa）。開(kāi)采過(guò)程中，無(wú)論采用何種降壓方式，釜內(nèi)壓力均隨著開(kāi)采壓力的設(shè)定先快速下降后趨于平穩(wěn)。這主要是由于砂質(zhì)儲(chǔ)層滲透率高，壓力傳遞快，故壓力快速?gòu)?.8 MPa 降至設(shè)置的開(kāi)采壓力附近，而后因水合物不斷分解產(chǎn)出甲烷氣，釜內(nèi)壓力趨于平穩(wěn)。CASE 1 中，采用4.0 MPa 降壓開(kāi)采水合物后，前4 h反應(yīng)釜內(nèi)溫度始終高于相平衡溫度（4.37 ℃），水合物持續(xù)分解產(chǎn)氣（圖6-a）。同樣，CASE 2 中，采用3.0 MPa 降壓開(kāi)采水合物后，前7 h 反應(yīng)釜內(nèi)溫度始終高于相平衡溫度（1.51 ℃），水合物不斷分解產(chǎn)氣（圖6-b）。對(duì)比CASE 1 和CASE 2 開(kāi)采前期的情況可得，降壓幅度越大，反應(yīng)釜內(nèi)壓力下降越明顯，產(chǎn)氣情況越好。

圖7 垂直井開(kāi)采水合物時(shí)，CASE 1 和CASE 2 儲(chǔ)層溫度分布隨時(shí)間變化圖

在降壓開(kāi)采過(guò)程中，由于水合物分解吸熱和節(jié)流效應(yīng)，反應(yīng)釜內(nèi)溫度整體下降（圖6）（背景值受環(huán)境變化存在著微小波動(dòng)）。尤其是在反應(yīng)釜內(nèi)的壓力值與井底壓力差異較大的情況下，CASE 2 的水合物分解更多，溫度下降更為顯著。如圖7 所示，開(kāi)采3 h 后，CASE 2 儲(chǔ)層的溫度整體低于CASE 1 儲(chǔ)層的溫度。開(kāi)采4 h 后，CASE 2 中，反應(yīng)釜內(nèi)外側(cè)沉積物內(nèi)水合物幾乎分解完畢，由于水浴熱量傳遞，儲(chǔ)層外側(cè)溫度逐漸升高（圖6、7）。而CASE 1 中，待水合物開(kāi)采6 h 左右后，儲(chǔ)層外側(cè)溫度才開(kāi)始升高。這也說(shuō)明較之于4.0 MPa，采用3.0 MPa 更利于水合物分解產(chǎn)氣。開(kāi)采7 h 左右，CASE 1 的反應(yīng)釜內(nèi)溫度降低到冰點(diǎn)后，可能由于有冰形成，阻礙了水合物的繼續(xù)分解。之后，在環(huán)境溫度的影響下，反應(yīng)釜外側(cè)儲(chǔ)層的溫度上升。當(dāng)開(kāi)采壓力設(shè)置為1.0 MPa 后，在降壓—熱激聯(lián)合作用下，水合物繼續(xù)分解，儲(chǔ)層溫度再次下降（第9.5～10.5 h 內(nèi)）。同時(shí)，壓力存在著先上升后下降的現(xiàn)象，該現(xiàn)象在CASE 2 中開(kāi)采7.5 h 左右時(shí)也可見(jiàn)。發(fā)生這一現(xiàn)象的原因主要是：在聯(lián)合開(kāi)采作用下，水合物分解加快，所產(chǎn)出的氣體未能及時(shí)被采出，從而導(dǎo)致反應(yīng)釜內(nèi)壓力上升；隨后，隨著氣體不斷被采出，反應(yīng)釜內(nèi)的壓力發(fā)生下降，與此同時(shí)，前期反應(yīng)釜內(nèi)壓力上升對(duì)水合物分解產(chǎn)氣也起到了一定的抑制作用。上述現(xiàn)象在一定程度上呈現(xiàn)了垂直井開(kāi)采的劣勢(shì)。開(kāi)采第12 h 或開(kāi)采第21 h，CASE 1 和CASE 2 儲(chǔ)層外側(cè)的溫度下降分布情況較一致（圖7）。在降壓—熱激聯(lián)合作用下，CASE 1 中7 號(hào)、29 號(hào)等測(cè)點(diǎn)的溫度值和CASE 2 中11 號(hào)、19號(hào)等測(cè)點(diǎn)的溫度值均因水合物的分解吸熱而下降，水合物分解完全后，吸熱作用終止，這些測(cè)點(diǎn)的溫度因環(huán)境溫度的影響而再次上升。相比較而言，CASE 2水合物儲(chǔ)層外圍溫度更高，水合物分解完全時(shí)間更短。

總體來(lái)說(shuō)，采用垂直井進(jìn)行降壓開(kāi)采時(shí)，開(kāi)采前期，水合物分解主要受降壓幅度的影響，并且降壓幅度越大，水合物分解越多、產(chǎn)氣情況越好。開(kāi)采后期，水合物分解易受到環(huán)境溫度的影響。在降壓—熱激聯(lián)合作用下，水合物更易分解產(chǎn)氣，整體分解程度外側(cè)高、內(nèi)側(cè)低。

2.2 不同井型對(duì)水合物開(kāi)采的影響

2.2.1 產(chǎn)氣產(chǎn)水情況

圖8 水平二分支井（夾角90°）進(jìn)行水合物開(kāi)采時(shí)，產(chǎn)氣量、產(chǎn)氣速率和開(kāi)采值隨時(shí)間變化圖

利用水平二分支井（夾角90°）進(jìn)行水合物開(kāi)采時(shí)，產(chǎn)氣速率隨著開(kāi)采值的設(shè)置先明顯增大后逐漸減小。開(kāi)采進(jìn)行6.5 h 左右，開(kāi)采值設(shè)置成0 MPa 后，在溫度升高、壓力降低的雙重作用下，產(chǎn)氣速率明顯增大（圖8）。開(kāi)采值設(shè)置為0 MPa 之前，產(chǎn)氣速率為27.6 mL/min；開(kāi)采值設(shè)置為0 MPa 之后，產(chǎn)氣速率最高達(dá)162.4 mL/min。與垂直井開(kāi)采水合物不同，在聯(lián)合作用下，利用水平二分支井（夾角90°）開(kāi)采水合物，產(chǎn)氣速率會(huì)出現(xiàn)增大—降低—增大的現(xiàn)象；開(kāi)采12 h 后，呈現(xiàn)較長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定低速產(chǎn)氣的現(xiàn)象。這可能是由于采用水平二分支井（夾角90°）進(jìn)行水合物開(kāi)采時(shí)，儲(chǔ)層受壓降影響的范圍不同，不同位置的水合物存在先后分解關(guān)系，分解時(shí)的溫度分布模式也不同（圖9）。而且不同井眼與外側(cè)水浴的距離不同，受恒溫水浴的影響也存在著差異。在聯(lián)合作用下，靠近井眼處的水合物儲(chǔ)層產(chǎn)氣貢獻(xiàn)率相對(duì)較高，遠(yuǎn)離井眼處的水合物儲(chǔ)層產(chǎn)氣貢獻(xiàn)率相對(duì)較低，開(kāi)采一段時(shí)間后，近井處的水合物因飽和度減少和儲(chǔ)層溫度降低，產(chǎn)氣貢獻(xiàn)率逐漸降低，而遠(yuǎn)井處的水合物儲(chǔ)層產(chǎn)氣貢獻(xiàn)率則逐漸增加。在貢獻(xiàn)率變化過(guò)程中，存在著貢獻(xiàn)率都比較低的情況，從而使得某一時(shí)間段內(nèi)產(chǎn)氣速率較低。此外，在開(kāi)采過(guò)程中，水平二分支井（夾角90°）井周水合物分解更劇烈，吸熱更為明顯（圖7、10），而外部的熱量未能快速傳遞到井周，從而在一定程度上延緩了水合物的分解產(chǎn)氣過(guò)程。這些現(xiàn)象在一定程度上體現(xiàn)了開(kāi)采井型對(duì)產(chǎn)能的影響。

圖9 水平二分支井（夾角90°）進(jìn)行水合物開(kāi)采時(shí)，儲(chǔ)層溫度和壓力隨時(shí)間變化圖

與垂直井開(kāi)采的產(chǎn)氣情況相比，水平二分支井（夾角90°）進(jìn)行水合物開(kāi)采時(shí)的產(chǎn)氣情況更好（表4）。例如，采用垂直井進(jìn)行水合物開(kāi)采1 h 后，產(chǎn)氣速率為140.80 mL/min；采用水平二分支井（夾角90°）進(jìn)行水合物開(kāi)采1 h 后，產(chǎn)氣速率為142.20 mL/min。開(kāi)采6 h 后，CASE 2 的產(chǎn)氣速率為 20.2 mL/min 左右，CASE 3 的產(chǎn)氣速率約為27.20 mL/min。開(kāi)采12 h 后，CASE 2 的產(chǎn)氣量為56 635.35 mL，CASE 3 的產(chǎn)氣量為77 868.54 mL。對(duì)比不同CASE 的產(chǎn)氣情況可得，在降壓開(kāi)采范疇內(nèi)，采用水平二分支井（夾角90°）開(kāi)采水合物更有利于穩(wěn)定產(chǎn)氣（圖8）。在降壓—熱激聯(lián)合作用下，水平二分支井（夾角90°）也表現(xiàn)出了更有利于長(zhǎng)期穩(wěn)產(chǎn)的優(yōu)勢(shì)。

圖10 水平二分支井（夾角90°）開(kāi)采5 h 和21 h 儲(chǔ)層溫度變化分布圖

表4 不同井型開(kāi)采條件下的產(chǎn)氣情況表

采用水平二分支井（夾角90°）降壓開(kāi)采水合物時(shí)，初始階段產(chǎn)水速率非常大，20 分鐘內(nèi)累計(jì)產(chǎn)水量即可達(dá)5.8 kg 左右，之后產(chǎn)水速率非常低，第二次明顯產(chǎn)水發(fā)生在開(kāi)采值設(shè)置為0 MPa 時(shí)。開(kāi)采結(jié)束后，CASE 3 的累計(jì)產(chǎn)水量比CASE 2 的累計(jì)產(chǎn)水量多5.1 kg。垂直井開(kāi)采時(shí)，儲(chǔ)層產(chǎn)水率為19.64 %；水平二分支井（夾角90°）開(kāi)采水合物時(shí)，儲(chǔ)層產(chǎn)水率為34.12 %。因此，采用水平二分支井（夾角90°）進(jìn)行水合物開(kāi)采雖然有利于產(chǎn)氣，但在降壓開(kāi)采開(kāi)始階段產(chǎn)水量明顯增加，需做好防水應(yīng)對(duì)措施。

2.2.2 溫壓變化情況

采用水平二分支井（夾角90°）進(jìn)行3 MPa 降壓開(kāi)采過(guò)程中，反應(yīng)釜內(nèi)溫壓隨著開(kāi)采值的設(shè)定先快速下降，而后趨于平穩(wěn)（圖9），與垂直井進(jìn)行降壓開(kāi)采時(shí)的情況相似。但采用水平二分支井（夾角90°）進(jìn)行降壓開(kāi)采，井周水合物分解更多，儲(chǔ)層的溫度較其他位置的溫度相對(duì)更低（圖10）。開(kāi)采值設(shè)置為0 MPa 后，水合物分解發(fā)生吸熱作用，儲(chǔ)層溫度再次降低。而后，1 號(hào)、2 號(hào)、39 號(hào)、40 號(hào)等測(cè)點(diǎn)的水合物分解完全，吸熱作用終止，在環(huán)境溫度的影響下，這些測(cè)點(diǎn)的溫度逐漸上升。這一現(xiàn)象也與垂直井進(jìn)行水合物開(kāi)采時(shí)的情況相似。而與垂直井開(kāi)采不同的則是，在CASE 3 中，當(dāng)溫度降低到冰點(diǎn)后再進(jìn)行壓降時(shí)，反應(yīng)釜內(nèi)壓力不存在先上升后下降的現(xiàn)象。這表明水平二分支井（夾角90°）比垂直井更有利于產(chǎn)氣。

3 結(jié)論

基于水合物復(fù)雜結(jié)構(gòu)井模擬實(shí)驗(yàn)裝置，分析了不同開(kāi)采條件下各井型產(chǎn)氣產(chǎn)水規(guī)律及儲(chǔ)層響應(yīng)特征，并得出如下結(jié)論。

1）垂直井與分支井在多種降壓開(kāi)采方式下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，開(kāi)采前期，水合物分解主要受降壓幅度的影響。降壓開(kāi)采過(guò)程中，反應(yīng)釜內(nèi)溫壓隨壓降先快速下降，后趨于平穩(wěn)。產(chǎn)氣速率隨著壓降先明顯增大而后降低，產(chǎn)氣速率較低段存在著明顯的波動(dòng)。開(kāi)采后期，水合物分解易受環(huán)境溫度的影響。

2）井型對(duì)水合物開(kāi)采產(chǎn)能具有明顯的控制作用——垂直井降壓開(kāi)采甲烷水合物時(shí)，降壓幅度越大，水合物分解越多，產(chǎn)氣情況越好、產(chǎn)氣時(shí)間更久，但實(shí)驗(yàn)尺度下累計(jì)產(chǎn)水量相差不大。利用與垂直井射孔面積相同的水平二分支井（夾角90°）進(jìn)行水合物開(kāi)采，產(chǎn)氣速率和產(chǎn)氣量增加，并且產(chǎn)氣速率更為穩(wěn)定，但開(kāi)采初始階段產(chǎn)水量較多，需做好防水應(yīng)對(duì)措施。

3）各井型開(kāi)采條件下，較之于單一降壓法，降壓—熱激聯(lián)合作用更有利于水合物分解和穩(wěn)定產(chǎn)氣。在其聯(lián)合作用下，水平二分支井（夾角90°）比垂直井更有利于水合物的長(zhǎng)期穩(wěn)產(chǎn)。