天然氣水合物儲層改造研究進(jìn)展

黃 滿 吳亮虹 寧伏龍 王佳賢 竇曉峰 張 凌 劉天樂 蔣國盛

1. 中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院 2. 地球深部鉆探與深地資源開發(fā)國際聯(lián)合研究中心

0 引言

我國天然氣水合物（以下簡稱水合物）總儲量估算約為84×1012m3，僅南海北部陸坡水合物遠(yuǎn)景資源量就達(dá)上百億噸油當(dāng)量，其產(chǎn)業(yè)化開發(fā)對于改善我國能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)、保障國家能源安全和實(shí)現(xiàn)“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)等具有重要意義[1-4]。

近30年來水合物資源研究與開發(fā)領(lǐng)域取得了突出成績，但離商業(yè)化開發(fā)目標(biāo)仍有較長的距離。水合物開發(fā)，是打破原位穩(wěn)定條件促使水合物分解進(jìn)而排采出天然氣，由此產(chǎn)生了降壓、熱激、注抑制劑、CO2置換、固態(tài)流化法等多種生產(chǎn)方法。這些單一或聯(lián)合法開采過程中的水合物分解機(jī)制、氣水運(yùn)移規(guī)律以及參數(shù)敏感性相關(guān)的研究成果，構(gòu)成了較為扎實(shí)的水合物開發(fā)基礎(chǔ)理論[5-6]。在此基礎(chǔ)上，全球范圍內(nèi)已實(shí)施了11次水合物試采[6–14]，采用了7次降壓法、1次熱激法、1次降壓—熱激聯(lián)合法，1次降壓—CO2置換聯(lián)合法和1次固態(tài)流化法。2020年在中國南海神狐海域進(jìn)行了第二輪試采，采用水平井降壓開采法實(shí)現(xiàn)了連續(xù)產(chǎn)氣30天、總產(chǎn)氣量86×104m3、日均產(chǎn)氣量2.9×104m3的歷史突破[9]。然而，對于商業(yè)化開發(fā)，當(dāng)前水合物試采仍面臨開采效率低、安全風(fēng)險(xiǎn)高等瓶頸難題。

大量科學(xué)研究和工程實(shí)踐表明，儲層改造是提升非常規(guī)低滲透儲層生產(chǎn)性能的重要途徑。相對于生產(chǎn)井型設(shè)計(jì)、分解刺激強(qiáng)化、開發(fā)策略優(yōu)化等對原生水合物儲層的被動(dòng)優(yōu)化適應(yīng)，儲層改造則是對水合物儲層進(jìn)行主動(dòng)人為改造，以改善原生儲層孔滲（孔隙度、滲透率）和力學(xué)特性，為后續(xù)壓力傳遞和氣水滲流開采過程提供良好條件，從而實(shí)現(xiàn)提產(chǎn)增效[15-17]。此外，致密頁巖氣儲層水平井壓裂開發(fā)的成功模式，也為實(shí)現(xiàn)水合物儲層簡單可控、經(jīng)濟(jì)高效地改造增產(chǎn)提供了有益參考。據(jù)此，筆者在前人關(guān)于水合物儲層增產(chǎn)開采方法和井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究的基礎(chǔ)上[18]，分析了水合物儲層的基本特征，系統(tǒng)梳理了水合物儲層改造方面的研究資料，將其歸納為水力壓裂、近井改造和化學(xué)改造3個(gè)方向，總結(jié)了3個(gè)方向主要的研究成果，最后進(jìn)行了討論與展望，以期為后續(xù)研究和實(shí)踐提供重要參考，推動(dòng)水合物產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。

1 水合物儲層基本特征

如圖1所示，迄今自然界中發(fā)現(xiàn)的水合物晶體類型有Ⅰ、Ⅱ和H三種[22-23]。其中，Ⅰ型水合物主要是微生物成因，Ⅱ和H型水合物主要源于熱解成因與混合成因[19]。中國南海發(fā)現(xiàn)的水合物絕大多數(shù)屬于Ⅰ型，祁連山凍土區(qū)和木里地區(qū)則主要為Ⅱ、H型水合物[24]。根據(jù)顆粒間接觸關(guān)系，水合物微觀賦存模式可分為膠結(jié)型、孔隙填充型和顆粒承載型[25]。宏觀賦存狀態(tài)主要包括塊狀、層狀、結(jié)節(jié)狀、脈狀、片狀、分散狀、浸染狀和水合物丘等[19,26]。砂質(zhì)沉積物中水合物飽和度通常較高，可達(dá)90%[27]。泥質(zhì)粉砂沉積物中水合物通常呈分散狀，且飽和度一般較低，介于1%～12%，自然界中水合物多為此類賦存形式[28]。水合物成藏分為構(gòu)造聚集、地層聚集和兩者組合3種模式[29]，形成4種不同儲藏類型[30–32]。第1、2和3類水合物儲藏，具有上覆和下伏低滲透地層。其中，第1類存在含游離氣水層，第2類存在不含游離氣水層，第3類存在單一水合物沉積物層，中國南海水合物賦存區(qū)多屬第2類儲藏。第4類儲藏?zé)o上覆下伏低滲地層，通常為大面積低飽和度塊狀水合物沉積物，分布廣泛，其中一些具有良好的開發(fā)潛力[20]。

如表1所示，水合物儲層與頁巖氣儲層的基本特征存在差異[19,21,33-37]。相對于頁巖氣儲層，水合物資源儲量更大，儲層埋深更淺、厚度更厚、孔隙度更高，這些方面的優(yōu)勢有利于高效開發(fā)。然而，原位狀態(tài)下水合物儲層滲透率較低，與頁巖氣儲層相當(dāng)。而且，水合物在沉積物中的賦存形式復(fù)雜，開發(fā)過程中存在降壓刺激以及水合物分解、生成、運(yùn)移等演化過程，對孔滲特性也會(huì)產(chǎn)生影響：①降壓刺激會(huì)增加沉積物有效應(yīng)力，劣化孔滲特性；②水合物分解、生成會(huì)影響儲層孔隙度和沉積物骨架有效應(yīng)力；③運(yùn)移聚集可能會(huì)堵塞滲流通道。這些機(jī)制會(huì)導(dǎo)致水合物儲層孔滲特性在開發(fā)過程中動(dòng)態(tài)演變，有別于頁巖氣開發(fā)。此外，自然界中水合物多為飽和度較低的分散狀泥質(zhì)粉砂水合物沉積物，這些特征是水合物高效開發(fā)的不利因素。從水力壓裂改善頁巖氣儲層滲透性大幅提高產(chǎn)能的成功經(jīng)驗(yàn)來看，合適的儲層改造也是改善水合物儲層滲透性并提升產(chǎn)能的極具潛力的途徑。因此，研究人員開展了系列水合物儲層改造研究。

表1 水合物與頁巖氣儲層特征對比表[21,32-37]

2 水合物儲層水力壓裂改造

2.1 水力壓裂試驗(yàn)研究

迄今針對水合物儲層，已開展不含水合物沉積物骨架、含水合物砂質(zhì)沉積物、含水合物泥質(zhì)粉砂沉積物3類試樣壓裂試驗(yàn)（表2），這些試驗(yàn)的分析手段包括泵壓曲線、宏觀裂縫、CT掃描等。

表2 水合物沉積物壓裂試驗(yàn)條件表

2.1.1 不含水合物沉積物骨架壓裂試驗(yàn)

未固結(jié)砂層、泥沙隔層和泥質(zhì)粉砂層壓裂試驗(yàn)表明，流體注入過程中各試樣均可產(chǎn)生水力裂縫（圖2-a）。但是，不同于巖石裂隙尖端線彈性斷裂機(jī)制，未固結(jié)砂層裂隙尖端擴(kuò)展取決于前端過渡區(qū)內(nèi)的流體侵入和剪切失效[38]。泥隔層砂層水力裂縫并未沿最大水平主應(yīng)力方向擴(kuò)展，而是沿泥砂交界面擴(kuò)展延伸[39]。

圖2 水合物沉積物壓裂試驗(yàn)圖

這有別于巖石中裂縫擴(kuò)展規(guī)律，可能是由于泥砂交界面滲透性較好，便于流體侵入。在流體注入過程中，泥質(zhì)粉砂試樣會(huì)產(chǎn)生拉伸和剪切破壞，同時(shí)形成復(fù)雜的水平和垂直裂縫，裂縫擴(kuò)展方向未表現(xiàn)出受應(yīng)力狀態(tài)嚴(yán)格約束，圍壓的增加會(huì)增大起裂壓力和更易誘發(fā)微裂隙[40]。此外，未固結(jié)或弱固結(jié)介質(zhì)壓裂規(guī)律與壓裂液的造壁性能和濾失特性密切相關(guān)，交聯(lián)瓜爾膠注入砂層會(huì)形成濾餅帶、凝膠侵入帶和濾液侵入帶，添加降濾失劑可以降低凈起裂壓力，并有效抑制凝膠侵入[38]。

2.1.2 含水合物砂質(zhì)沉積物壓裂試驗(yàn)

針對含水合物砂質(zhì)沉積物，開展了不同側(cè)重的水力壓裂試驗(yàn)（圖2-b）。含甲烷水合物砂質(zhì)沉積物水力裂縫表現(xiàn)出拉伸破壞特征，擴(kuò)展方向垂直于最小主應(yīng)力方向，與完整固結(jié)巖石壓裂行為相似；裂縫在圍壓作用下閉合后，滲透率增益效果在1天間隔內(nèi)依然存在；試樣經(jīng)二次注入壓裂后滲透率可增加到4.6 mD，是降壓生產(chǎn)的良好條件[41]。壓裂液黏度和地應(yīng)力狀態(tài)均會(huì)影響含水合物砂質(zhì)沉積物壓裂行為，隨壓裂液黏度增加起裂壓力增大且裂縫復(fù)雜程度增加；對于大埋深高應(yīng)力狀態(tài)儲層，高黏壓裂液具有更好的造縫效果[42-43]。此外，Too等[44-45]采用預(yù)置幣型裂縫凍砂試樣驗(yàn)證了壓裂方法確定斷裂力學(xué)參數(shù)的有效性，并使用該方法測算了含水合物砂質(zhì)沉積物的表觀斷裂韌度、抗拉強(qiáng)度和特征長度，其中前二者隨著水合物飽和度的增加呈現(xiàn)增大趨勢。Liu等[46]使用層次分析—熵值法建立了水合物沉積物可壓性評價(jià)模型，并分析了模擬阿拉斯加凍土水合物沉積物試樣的壓裂結(jié)果，指出脆性是主要影響因素，其次是礦物組分、水合物飽和度、應(yīng)力各向異性，增加壓裂液黏度可提高可壓性指數(shù)，改善壓裂效果。

2.1.3 含水合物泥質(zhì)粉砂沉積物壓裂試驗(yàn)

針對含水合物泥質(zhì)粉砂沉積物，開展了壓裂試驗(yàn)（圖2-c）。在無圍壓試驗(yàn)條件下，泥質(zhì)粉砂和砂質(zhì)水合物沉積物產(chǎn)生的水力裂縫形態(tài)存在差異，前者形成水平裂縫，后者則產(chǎn)生縫網(wǎng)[47]。在圍壓條件下，冰飽和度、注入速率和壓裂液黏度的增加會(huì)增大含冰泥質(zhì)粉砂沉積物的起裂壓力，且裂縫擴(kuò)展方向主要受應(yīng)力條件差異控制；對于含水合物泥質(zhì)粉砂沉積物，壓裂液黏度增加會(huì)增大起裂壓力，飽和度增大使裂縫擴(kuò)展所需流體壓力增加[48]。另外，不同于固結(jié)巖石壓裂行為，含水合物泥質(zhì)粉砂沉積物水力壓裂過程可分為兩個(gè)階段：第一階段是初始拉伸破壞，第二階段是侵蝕破壞，可能導(dǎo)致穿孔現(xiàn)象和裂縫加寬[49]。

2.1.4 新型脹裂劑壓裂試驗(yàn)

為探索海域水合物儲層壓裂新方法，開展了一種第三代顛覆性采礦技術(shù)（A Third-Generation Disruptive Technology for Mining，縮寫為3G-DTM）試驗(yàn)[50]。3G-DTM技術(shù)的原理是利用氧化鈣基脹裂劑水化膨脹產(chǎn)生高壓壓裂圍巖。均質(zhì)粗粒膠結(jié)砂巖試驗(yàn)結(jié)果顯示，圍壓和孔隙流體鹽度增加有利于提升3G-DTM的壓裂效果，在一定程度上說明了對海底圍壓和鹽水環(huán)境的良好適用性（圖3）。但是，需要注意的是均質(zhì)硅酸鹽膠結(jié)砂巖與未固結(jié)或弱固結(jié)水合物沉積物在物質(zhì)組成、膠結(jié)特性、成巖環(huán)境、強(qiáng)度特征等方面存在差異，而且脹裂劑所能提供的壓裂能量有限，可能會(huì)限制壓裂改造效果和范圍。

圖3 新型脹裂劑砂巖壓裂試驗(yàn)圖[50]

2.2 水力壓裂數(shù)值模擬研究

根據(jù)水合物沉積物力學(xué)特征和斷裂理論，構(gòu)建裂縫起裂和擴(kuò)展模型開展壓裂過程數(shù)值模擬，是研究水合物儲層壓裂行為的重要手段。目前，針對水合物沉積物壓裂行為的數(shù)值模擬較少，主要有cohesive單元模型[48,51]和PFC2D模型[52]，另外建立了熱流體壓裂耦合溫度場模型[53]。

如圖4-a所示，利用cohesive單元模型構(gòu)建了水合物沉積物壓裂數(shù)值模型[48,51]，耦合了裂縫起裂擴(kuò)展、流體流動(dòng)、流體濾失以及多孔介質(zhì)變形等物理機(jī)制。使用2D模型分析了飽和度等地質(zhì)條件和注入速率等工藝參數(shù)對裂縫起裂、擴(kuò)展的影響。使用3D模型研究了神狐海域SH2站位儲層單簇壓裂、同步壓裂和順序壓裂的行為和規(guī)律，分析了壓裂液排量對單簇裂縫起裂和擴(kuò)展的影響，研究了同步壓裂和順序壓裂中多簇裂縫的起裂擴(kuò)展規(guī)律，闡釋了裂縫形態(tài)特征和裂縫間應(yīng)力干擾現(xiàn)象。

圖4 水合物沉積物壓裂過程數(shù)值模擬模型圖

根據(jù)顆粒直徑、孔隙度和飽和度等參數(shù)，使用顆粒流分析程序PFC2D構(gòu)建了水合物沉積物水力壓裂離散元模型[52]（圖4-b)。該模型由介質(zhì)顆粒和顆粒間接觸關(guān)系構(gòu)成，耦合了流體流動(dòng)機(jī)制，可描述剪切和拉伸破壞。模擬流體注入過程表明，飽和度低于30%的水合物沉積物試樣脆性較弱，較難有效壓裂；40%～60%飽和度的試樣可產(chǎn)生理想數(shù)量的主裂縫；水合物賦存模式對壓裂行為有顯著影響，顆粒膠結(jié)型的最小破裂壓力高于顆粒承載型；另外，水力裂縫和地層應(yīng)力難以引起天然裂縫的剪切滑移。

此外，考慮水合物分解焓和地層滲透率的變化對傳熱傳質(zhì)的影響，在常規(guī)熱流體壓裂溫度場模型基礎(chǔ)上構(gòu)建了耦合溫度場模型[53]。計(jì)算結(jié)果表明，熱流體壓裂過程中水合物分解區(qū)呈“狹長的子彈”狀，水合物分解、生成和裂縫溫度場對裂縫壁面溫度的影響依次減弱。該模型為水合物儲層熱流體壓裂數(shù)值模擬提供了更精確的溫度場計(jì)算方法。

2.3 儲層壓裂后生產(chǎn)性能評價(jià)研究

為評估水力壓裂改造水合物儲層效果，根據(jù)儲層地質(zhì)背景，利用Tough+Hydrate等工具構(gòu)建了壓裂后儲層產(chǎn)氣模型并開展了數(shù)值模擬，研究了水合物儲層垂直井、水平井和三井注采系統(tǒng)壓裂后的生產(chǎn)性能，并分析了實(shí)驗(yàn)室小尺度模型壓裂后的產(chǎn)氣規(guī)律（表3、圖5）?？傮w上，水力壓裂在儲層中構(gòu)建的高滲人工裂縫，可以改善降壓和注熱效果，有利于氣水滲流，并提升生產(chǎn)性能。

表3 水合物儲層壓裂后生產(chǎn)性能評價(jià)研究表

圖5 壓裂后水合物儲層生產(chǎn)模型圖

在垂直井壓裂方面，如圖一定條件下，產(chǎn)氣速率隨著裂縫數(shù)量的增加而增大[54]。裂縫半徑小幅增加可改善生產(chǎn)性能，持續(xù)增加則作用有限[55]。上覆、下伏地層密封改造可以顯著提升垂直井壓裂后的生產(chǎn)性能，可大幅提高產(chǎn)氣量并降低產(chǎn)水量[56]。此外，高滲裂縫區(qū)對高、低溫儲層產(chǎn)氣過程影響規(guī)律存在差異[57]。在水平井壓裂方面，研究了水平井位、裂縫方向、分支裂縫和裂縫環(huán)帶等對生產(chǎn)性能的影響。存在三相層和游離氣層的情況下，水平井位于三相層中部時(shí)裂縫對產(chǎn)氣性能的提升效果最佳[58]。但是，隨著水合物分解前緣遠(yuǎn)離裂縫，裂縫增益效果減弱[59]。在水平主裂縫和垂直分支裂縫構(gòu)成的系統(tǒng)中，水平主裂縫可明顯提升長期產(chǎn)量，垂直分支裂縫則主要對短期采收有貢獻(xiàn)[60]。井周環(huán)形高滲裂縫帶半徑增加，會(huì)顯著提升儲層生產(chǎn)性能，例如，在設(shè)定條件下裂縫帶半徑從0增加到4 m，30年產(chǎn)氣量增加2.1倍[61]。分段壓裂可增大儲層改造范圍（圖5-c）。水平井分段壓裂裂縫數(shù)量、滲透率和面積的增加，可提升生產(chǎn)性能[48]。井筒上、下部水合物分解同時(shí)進(jìn)行，不同于無裂縫井筒前期主要是井筒下部水合物分解[62]。此外，Tan等[63]分析了水平井分段壓裂裂縫參數(shù)敏感性。

三井注采系統(tǒng)，通常是1口井注熱另外2口井降壓生產(chǎn)。在井間構(gòu)建人工裂縫形成高滲通道，有利于壓力傳遞、熱量傳導(dǎo)和氣水滲流（圖5-d）。人工裂縫可提升三井注采系統(tǒng)的生產(chǎn)性能，生產(chǎn)過程可被熱突破分為相對短的突破前階段和突破后穩(wěn)定產(chǎn)氣階段，沿著裂縫和近裂縫區(qū)域的熱對流主導(dǎo)突破前階段，裂縫周圍區(qū)域的熱傳導(dǎo)決定突破后階段[64]。裂縫滲透率增大可增強(qiáng)產(chǎn)氣性能，在較大井間距下產(chǎn)氣效率提升更顯著，人工裂縫可以增大有效井間距[65]。網(wǎng)狀裂縫間距變化會(huì)導(dǎo)致水合物分解模式轉(zhuǎn)變，間距較大時(shí)表現(xiàn)為活塞狀分解模式，間距足夠小時(shí)會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)榉腔钊麪罘纸饽Ｊ剑疑a(chǎn)效率顯著提升[66]。此外，小尺度模型產(chǎn)氣模擬便于與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比驗(yàn)證。如圖6所示，F(xiàn)eng等[67]參照儲層模擬器HiGUMA構(gòu)建了產(chǎn)氣模型，利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了模型準(zhǔn)確性，并研究指出裂縫可顯著提升降壓初期氣體產(chǎn)出速率，對最終產(chǎn)量幾乎沒有影響，有助于提升注熱效果。Zhao等[68]研究了小尺度巖心模型在4種不同裂縫模式下的產(chǎn)氣規(guī)律，指出裂縫深度在提升產(chǎn)氣效率方面起到關(guān)鍵作用。

3 水合物儲層近井改造

除水力壓裂外，研究人員積極探索水合物儲層改造新方法，提出了水射流割縫、井周注漿柱、分層劈裂注漿等近井儲層改造思路（表4）。水射流割縫、井周注漿柱和分層劈裂注漿是將現(xiàn)有工程技術(shù)，應(yīng)用于未固結(jié)或弱固結(jié)水合物儲層改造。水射流割縫源于煤層割縫增滲增透，井周注漿柱源于薄弱地層旋噴樁加固，分層劈裂注漿源于土壩劈裂注漿防滲加固。在改造水合物儲層時(shí)，將普通砂漿替換為泡沫砂漿，固結(jié)后形成多孔高滲通道，起到改善近井儲層孔滲和力學(xué)特性的作用。

高壓水射流破碎水合物沉積物研究結(jié)果表明，水合物飽和度較低和較高時(shí)，沉積物破壞模式分別類似于砂土和巖石，前者主要為沖刷破壞，后者以拉伸剪切破壞為主；射流速度越大，沖擊破碎坑深度更深、直徑更寬、體積更大[69]（圖7-a）。在設(shè)定水合物儲層條件和割縫參數(shù)下，水射流割縫井筒相對裸眼完井可提高約3倍產(chǎn)能[70]。此外，高滲割縫縫槽通道內(nèi)氣水流速高，有利于導(dǎo)流防砂作用，促進(jìn)壓降傳播，效果隨時(shí)間逐漸減弱，縫槽位于三相層時(shí)增產(chǎn)效果最為顯著[71]。井周注漿柱是通過射流沖擊破碎井周儲層并構(gòu)建多孔高滲注漿柱改造近井儲層的方法[72]（圖7-c）。神狐海域水合物儲層井周注漿柱改造后生產(chǎn)模擬表明，半徑為0.5 m的注漿柱可分別提升水合物分解效率157%、累計(jì)產(chǎn)氣量110%以及平均氣水比31%，提效增產(chǎn)效果顯著；生產(chǎn)性能提升主要取決于注漿柱半徑和高度，注漿柱孔滲參數(shù)高于閾值后的增加對產(chǎn)氣性能提升不明顯。分層劈裂注漿是劈裂注漿和泡沫砂漿相結(jié)合的方法[73]（圖7-d）。劈裂注漿是注泥漿克服地層應(yīng)力和抗拉強(qiáng)度構(gòu)建劈裂裂縫；泡沫砂漿是固化后具有多孔高滲特性的砂漿。神狐海域SH2站點(diǎn)儲層分層劈裂注漿改造后生產(chǎn)模擬結(jié)果表明，泡沫砂漿層可促進(jìn)低壓區(qū)擴(kuò)張并提升產(chǎn)氣性能，其數(shù)量、厚度和滲透率存在最優(yōu)值，會(huì)影響儲層物理和力學(xué)參數(shù)空間演化，在改善生產(chǎn)性能的同時(shí)有利于儲層穩(wěn)定。

圖7 水合物儲層近井改造圖

4 水合物儲層化學(xué)改造

根據(jù)水合物儲藏特征，提出了甲醇吞吐、蓋層改造等化學(xué)改造方法（表5）。甲醇吞吐法，即降壓開采前利用甲醇吞吐促使近井區(qū)域水合物分解以改善儲層滲透性的方法。數(shù)值計(jì)算表明，甲醇吞吐在提高產(chǎn)量方面效果良好，吞吐期間地層溫度下降有助于周圍地層熱量流入，吞吐方案如吞吐時(shí)間比、甲醇濃度等會(huì)影響改造效果[74]。另外，針對水合物儲藏蓋層不成巖特點(diǎn)，李楠[75]提出了注二氧化碳生成水合物構(gòu)造低滲蓋層的改造方法（圖8）。試驗(yàn)結(jié)果表明：①二氧化碳水合物低滲蓋層可有效阻止上覆海水侵入，為后續(xù)降壓操作提供封閉環(huán)境，顯著提升產(chǎn)氣效率和降低產(chǎn)水量；②低滲水合物蓋層會(huì)經(jīng)歷增厚—退化—失穩(wěn)3個(gè)階段演化，可長時(shí)間維持力學(xué)穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)二氧化碳封存。二氧化碳乳液對蓋層的改造效果優(yōu)于液態(tài)二氧化碳[76]，添加十二烷基硫酸鈉可改善二氧化碳水合物蓋層密封效果[77]。

表5 水合物藏化學(xué)改造方法研究表

圖8 二氧化碳改造水合物藏蓋層圖[75]

5 討論與展望

5.1 問題與挑戰(zhàn)

5.1.1 現(xiàn)有水合物儲層壓裂試驗(yàn)研究存在一定局限性

一方面，雖然裂縫閉合后仍具有增滲效果，但Konno等[41]試驗(yàn)中裂縫閉合時(shí)間僅為1天，人工裂縫是否能長期保持穩(wěn)定的增滲效果還需研究，而且生產(chǎn)過程中氣水流動(dòng)和地層結(jié)構(gòu)演變對裂縫狀態(tài)的影響也不清楚。另一方面，Sun等[49]發(fā)現(xiàn)含水合物泥質(zhì)粉砂沉積物在圍壓下的壓裂裂縫形態(tài)與常規(guī)裂縫存在明顯差異，呈現(xiàn)穿孔形態(tài)（圖2-c）。這種現(xiàn)象在Too等[44]含水合物砂質(zhì)沉積物試驗(yàn)中也有出現(xiàn)（圖2-b）。Ito等[39]研究發(fā)現(xiàn)，泥砂隔層壓裂裂縫也具有一定穿孔趨勢（圖2-a）。這種壓裂穿孔現(xiàn)象，可能是高壓流體沿著試樣不均質(zhì)薄弱且滲透率相對較高的路徑滲流侵蝕形成，不同于常規(guī)巖石材料的張拉斷裂成縫模式，在巖石壓裂試驗(yàn)中也較少觀察到。在儲層尺度下，侵蝕穿孔的增滲作用和改造范圍，應(yīng)與大面積人工裂縫面存在較大差距。穿孔現(xiàn)象的產(chǎn)生機(jī)理還不清楚，其與試樣尺度、非均質(zhì)性、地應(yīng)力狀態(tài)、壓裂液性質(zhì)是否有關(guān)聯(lián)，還有待研究和揭示。

5.1.2 水合物沉積物壓裂過程數(shù)值模擬研究較為匱乏

目前只構(gòu)建了Abaqus程序cohesive單元壓裂模型和PFC2D程序離散元壓裂模型[48,51-52]。使用cohesive單元模型計(jì)算的起裂壓力接近實(shí)驗(yàn)值，在一定程度上驗(yàn)證了該方法的有效性，為壓裂機(jī)理分析和實(shí)際儲層裂縫擴(kuò)展分析提供了工具。但是，該模型需要預(yù)設(shè)裂縫擴(kuò)展路徑，沒有考慮壓裂過程中水合物分解與再形成的耦合影響，裂隙尖端設(shè)定為拉伸斷裂。而且，除了物理力學(xué)參數(shù)不同外，該模型中水合物沉積物與常規(guī)巖石材料壓裂設(shè)置無本質(zhì)區(qū)別。這些因素使得該模型描述的水合物沉積物壓裂過程與實(shí)際塑性地層情況存在差異。PFC2D水力壓裂模型考慮了顆粒間的剪切破壞和張拉斷裂，不需預(yù)置裂縫，更接近水合物沉積物壓裂微觀機(jī)制。但是該模型也沒有考慮水合物分解與生成的影響，而且離散元計(jì)算負(fù)載通常巨大，儲層規(guī)模的模擬對計(jì)算資源要求較高。水合物沉積物壓裂模型還需在明確壓裂機(jī)理的基礎(chǔ)上進(jìn)行精細(xì)和完善。

5.1.3 水合物儲層壓裂后生產(chǎn)性能評估研究方法相對單一

目前對該方向的研究幾乎均使用Tough+Hydrate等工具構(gòu)建儲層壓裂后產(chǎn)氣模型，將裂縫簡化為具有一定厚度的多孔高滲平面或者具有一定半徑的環(huán)帶區(qū)域，并研究分析多孔高滲平面或環(huán)帶對產(chǎn)氣過程的影響。研究中對裂縫進(jìn)行了理想和簡化，通過設(shè)置特定單元的孔隙度和滲透率來表征裂縫，并且未考慮裂縫在生產(chǎn)過程中可能產(chǎn)生的變化。這可能與實(shí)際情況存在差異，而且相應(yīng)的試驗(yàn)驗(yàn)證和參照較少。水射流割縫、井周注漿柱和分層劈裂注漿等近井儲層改造方法，目前多處于構(gòu)建改造后儲層產(chǎn)氣模型并通過數(shù)值計(jì)算研究改造效果的階段。然而，對于水合物儲層改造工程應(yīng)用，這些方法在注漿材料選配、注漿固化規(guī)律、注漿骨架孔滲特性、骨架通道構(gòu)建工藝以及海域施工方法、難度、風(fēng)險(xiǎn)等方面的研究尚屬空白，缺少相應(yīng)的試驗(yàn)研究和驗(yàn)證。

5.1.4 現(xiàn)有水合物儲層化學(xué)改造方法存在先天不足

甲醇吞吐法和二氧化碳水合物改造蓋層均具有良好的改造增產(chǎn)潛力。但是與改造效果相比，甲醇毒性、可燃性以及成本等不利因素也需要綜合考慮和評估。海域二氧化碳儲運(yùn)成本是限制二氧化碳水合物改造蓋層方法的重要因素，并且改造后蓋層的穩(wěn)定性可能需要進(jìn)一步評估，以避免造成二氧化碳泄露，不利于環(huán)境保護(hù)。

5.2 展望

展望未來，隨著研究的不斷深入和系統(tǒng)化，水合物儲層可壓性、裂縫起裂和擴(kuò)展、裂縫滲流特征、裂縫演變規(guī)律等基礎(chǔ)理論，壓裂過程建模與計(jì)算、壓裂儲層產(chǎn)氣模擬與評價(jià)等預(yù)測技術(shù)，風(fēng)險(xiǎn)和成本控制、方案設(shè)計(jì)和優(yōu)化、現(xiàn)場監(jiān)測與施工等生產(chǎn)工藝，將會(huì)不斷精細(xì)和完善，形成成套水合儲層壓裂理論、技術(shù)和工藝。同時(shí)，針對水射流割縫、井周注漿柱和分層劈裂注漿等近井儲層改造方法，在當(dāng)前良好的生產(chǎn)性能提升研究的基礎(chǔ)上，后續(xù)應(yīng)在注漿材料選配、固化規(guī)律、固化后孔滲特性、穩(wěn)定性、注漿骨架通道構(gòu)建過程及操作參數(shù)影響規(guī)律、改造后儲層產(chǎn)氣特性和出砂規(guī)律、海域近井儲層改造施工難度、風(fēng)險(xiǎn)以及成本評估等方面開展深入研究，并在試采工程中開展應(yīng)用測試，以形成可行有效的近井儲層改造技術(shù)。此外，在加強(qiáng)水合物儲層化學(xué)改造機(jī)理研究的同時(shí)，應(yīng)對安全性和經(jīng)濟(jì)性等方面進(jìn)行重點(diǎn)評估?？傮w上，通過理論分析、數(shù)值計(jì)算、室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場試驗(yàn)等不斷深入和系統(tǒng)地研究，構(gòu)建以水力壓裂為主、近井改造為輔、化學(xué)改造為補(bǔ)充的水合物儲層改造理論和技術(shù)體系，有助于加快推動(dòng)水合物資源開發(fā)產(chǎn)業(yè)化。

6 結(jié)束語

1）整體來看，當(dāng)前水合物儲層改造研究尚處于起始階段，主要有水力壓裂、近井改造和化學(xué)改造等3個(gè)方向。水力壓裂研究資料相對豐富、研究程度相對較深較廣，近井改造次之，化學(xué)改造較少。

2）水力壓裂方面，驗(yàn)證了水合物沉積物具有可壓性，揭示了水合物沉積物與巖石拉伸破壞相似的壓裂機(jī)理，發(fā)現(xiàn)裂縫在圍壓作用下閉合后仍具有增滲效果并有利于二次張開，分析了地應(yīng)力、壓裂液對水合物沉積物壓裂特性的影響；構(gòu)建了壓裂過程數(shù)值模型，模擬分析了水合物沉積物水力壓裂裂縫起裂和擴(kuò)展行為；闡釋了人工裂縫改善水合物儲層降壓和注熱效果的機(jī)制，明確了人工裂縫高滲通道對產(chǎn)氣速率等關(guān)鍵生產(chǎn)指標(biāo)的提升作用，分析了裂縫方向、滲透率、縫長、縫高、數(shù)量、間距等工藝參數(shù)的敏感性；為水合物儲層壓裂改造工程實(shí)際提供了理論指導(dǎo)。但是，壓裂機(jī)理和數(shù)值模型還有待進(jìn)一步精細(xì)和完善。

3）近井改造方面，揭示了高壓水射流沖蝕水合物沉積物的機(jī)制和規(guī)律，通過數(shù)值模擬驗(yàn)證了水射流割縫、井周注漿柱、分層劈裂注漿均可有效提升生產(chǎn)性能，并分析了改造工藝參數(shù)對生產(chǎn)性能的影響。后續(xù)應(yīng)在注漿材料選配、高滲骨架通道構(gòu)建以及實(shí)際工程施工評估等方面，開展深入研究以驗(yàn)證近井改造方法的可行性和有效性。

4）化學(xué)改造方面，探索了二氧化碳水合物改造蓋層和甲醇吞吐對水合物儲層生產(chǎn)性能的提升潛力，分析了二氧化碳改造蓋層實(shí)現(xiàn)二氧化碳埋存的可行性。然而，甲醇的毒性和可燃性以及海域二氧化碳儲運(yùn)成本和埋存泄露風(fēng)險(xiǎn)是明顯的局限，需要進(jìn)一步研究和評估。

5）針對當(dāng)前面臨的問題和挑戰(zhàn)，通過后續(xù)不斷深入和系統(tǒng)地研究，構(gòu)建以水力壓裂為主、近井改造為輔、化學(xué)改造為補(bǔ)充的水合物儲層改造理論和技術(shù)體系，有助于加快推動(dòng)天然氣水合物資源開發(fā)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。