李一铭，郭威，王元，贾瑞，张鹏宇

(1. 吉林大学 建设工程学院，吉林 长春，130021；2. 吉林大学 自然资源部复杂条件钻采技术重点实验室，吉林 长春，130021)

天然气水合物作为一种储量大、能量密度高的新型替代能源[1]，具有巨大的开采前景，其广泛分布于陆地永久冻土区和水深大于300 m的海底沉积物中，其中，超过90%水合物赋存于海底淤泥质沉积物中[2-3]。我国南海海域蕴含约800亿t油当量的水合物资源[4]，目前已在南海神狐海域成功开展2次水合物试采工程。

2020 年采用单水平井降压法试采的日产量是2017 年采用单垂直井降压法试采的5.57 倍[5-6]，试采的连续成功表明降压法开采可以通过增产手段提高产量，因此，基于降压法增产的数值模拟研究从未停止，但以往的研究多是针对具有不渗透边界的封闭性水合物藏[7-11]。而我国已在南海开展多轮水合物勘探项目，钻孔资料和测井结果显示南海水合物多赋存于低渗弱固结的泥质粉砂沉积物中[12-14]，水合物储层的上覆层和下伏层均为透水层，单水平井降压法在开采这种非封闭性水合物藏时，随着水合物的分解，大量海水会通过渗透性地层进入水合物层，造成产水量高和产气量低，LI 等[15]采用单水平井降压法开采南海渗透性水合物藏时发现降压效果并不明显，认为没有经济效益；SU 等[16]研究表明非封闭性水合物藏开采潜力远低于封闭性水合物藏开采潜力。为了消除透水层的负面影响，降低产水量，ZHAO等[17]提出在透水的上下地层中注入凝胶形成人工不渗透屏障的方法，通过数值模拟证实了该方法可提升降压效果，促进水合物的分解和产气；LI 等[18]针对水合物储层渗透率低以及存在透水层的问题，提出水力压裂辅助密封降压的开采方法，认为密封长度应大于裂缝长度，此时总产气量可提高93.25%，总产水量可减少62.99%；SUN 等[19]提出了一种新的“储层改造”概念，通过向透水层中注入CO2乳液形成CO2水合物分隔层来达到止水效果，该方法的可行性已在实验室尺度下得到证实。上述方法均是通过储层改造的方式形成止水屏障，而对于松散未成岩的泥质粉砂水合物沉积物，水合物饱和度影响其渗流和力学性质，储层渗透率和强度变化范围大，难以控制止水屏障的扩展半径和覆盖面积，甚至出现压实而非压裂的现象[20]。

为了提升南海非封闭性水合物藏的开采效率，本文作者提出抽水井辅助水平井降压开采的方法，以南海神狐海域GMGS1航次SH7站位储层条件为研究对象，采用Tough+Hydrate进行单水平井和抽水井辅助水平井降压开采水合物的模拟分析，确定抽水井的最优布设位置和最佳抽水速率，验证了该开采方法的可行性。

1 水合物开采模型建立

1.1 地质条件

2007 年，广州海洋地质调查局在南海北部神狐海域执行第一次水合物钻探航次GMGS1，分别在SH2、SH3和SH7站点钻取水合物样品[21]。本次模拟工区选取SH7 站位，该站位水深约1 108 m，海底温度6.44 ℃，水合物储层埋深为海底以下155～177 m，地温梯度为0.043～0.068 ℃/m[22-23]，水合物赋存地带温度为13.0～18.5 ℃，地层压力为11～21 MPa，可满足水合物稳定存在条件，水合物饱和度为25%～46%，水合物气体组分中甲烷体积分数占99.3%以上，属于Ⅰ型结构水合物[24]。含水合物层沉积物主要以细粒的粉砂和黏土为主，孔隙度介于0.33～0.42 之间，渗透率约为75×10-3μm2，属于松散弱固结、弱透水性的泥质粉砂储层[25-26]。

1.2 模型区域划分及离散化

SH7站位水合物藏可划分水合物层、可渗透的上覆层和下伏层。其中水合物层厚度为22 m，上覆层和下伏层厚度均为30 m，普遍认为30 m 的厚度足以满足10 年开采周期下储层间的热量交换和压力传递[27]。在直角坐标系下，三维长方体模型在x、y、z方向上的延伸长度分别为100、100、82 m，如图1所示，水平井沿y轴方向布置在水合物层中心位置，假设沿水平井方向储层的物性特征和气水运移动态分布均匀，可将模型在y轴方向上的厚度设定为1 m，同时，由于对称性，只需研究0

图1 单水平井开采模型Fig. 1 Single horizontal well production model

1.3 模型参数和初始条件

根据SH7 站位的测井资料可知，水合物层的孔隙度φ为0.41，渗透率k为75×10-3μm2，导热系数kwet为3.1 W/(m∙K)[17,23]，上覆层和下伏层与水合物层的基本物性参数相同。水合物层的初始状态为水合物+水两相稳定共存状态，其中，水合物饱和度SH为44%，水饱和度SA为56%，上覆层和下伏层初始状态均为单相水饱和状态。

水合物层底部初始温度和压力分别为14.15 ℃和13.83 MPa，在海水盐度为3.05%的条件下可稳定存在。上覆层的透水性保证了储层内的孔隙水可与海水进行交换，故模型的初始压力场分布可按照静水压力梯度公式进行计算[29]，即

式中：Pz为储层深度z处的静水压力，MPa；PB为水合物层底部的压力，13.83 MPa；ρsw为海水密度，取1 050 kg/m3；g为重力加速度，取9.806 0 m/s2；Δz为储层中某位置距水合物层底部的距离，m。

初始温度场分布可按照地温梯度0.043 3 ℃/m进行计算。根据静水压力梯度公式和地温梯度计算出模型各区域温压条件，在不开采的情况下，通过Tough+Hydrate软件的自平衡功能可得到整个模型的压力和温度场。模型具体参数见表1。

表1 SH7站位水合物储层模型的主要物性参数Table 1 Main physical parameters of hydrate reservoir model at SH7 site

在模拟计算过程中，储层水相相对渗透率krA和气相相对渗透率krG采用Stone模型计算[30]，即

式中：SirA为残余水饱和度，取0.30；SirG为残余气饱和度，取0.05；nA和nG分别为水和气相衰减指数，均取3.572。

储层孔隙毛细管压力Pcap采用Van Genuchten模型计算[31]，即

式中：P0为初始毛细管压力，取1×105Pa；SmxA为最大水饱和度，取1；λ为孔隙分布指数，取0.45。

1.4 开采井设计及生产方案

模型中开采井可视为伪多孔介质，为了更好地模拟井筒内流体的运移，设定其孔隙度φ为1，渗透率k为1×103μm2[15,32]，毛细管压力Pcap=0 Pa，具有非常小的残余水饱和度SirA=0.002 和残余气饱和度SirG=0.001。降压开采井底压力设定为3 MPa，开采周期为10 a。

模拟单水平井降压法开采3 种类型水合物藏，分别为：A型水合物藏：上覆层和下伏层均渗透(原始储层，kOB=kUB=75×10-3μm2)；B型水合物藏：上覆层渗透、下伏层不渗透(kOB=75×10-3μm2，kUB=0 μm2)；C型水合物藏：下伏层渗透、上覆层不渗透(kOB=0 μm2，kUB=75×10-3μm2)。其中A型水合物藏近似于SH7站位的水合物藏类型，B、C型水合物藏均为假设的水合物藏类型。在开采过程中实时监测生产井产气速率QG、产气量VG、产水速率QW、产水量VW等关键动态参数以及储层物理性质的空间分布，分析评价不同类型水合物藏的开采潜力，初步确定抽水井钻孔布设位置。

2 模拟结果与分析

2.1 单水平井降压开采水合物动态演化特征

2.1.1 产气、产水行为

图2 所示为生产井产气速率QG、产气量VG、产水速率QW和产水量VW随时间的演化特征。开采3 种类型水合物藏时QG均表现出先急剧上升→快速下降→下降趋势逐渐减缓并趋于稳定的变化趋势，这是因为：1) 开采初期生产井与周围地层存在较大压差，导致井筒周围水合物快速分解；2) 水合物分解为吸热反应在分解前缘形成低温区，导致分解速率快速下降；3) 随着开采的进行，分解前缘向外扩展，孔隙水突破水合物阻碍涌入水合物层，生产井和水合物储层间的压差逐渐减小，导致开采后期产气速率逐渐降低并趋于平缓。C型水合物藏的产气速率和产气量最高，水合物在3 024 d 分解完全，产气量不再增加，产气速率降至为0 m3/d；A 型水合物藏的产气速率和产气量最低。

图2 A、B、C型水合物藏开采过程中产气速率QG、产气量VG、产水速率QW和产水量VW变化曲线Fig 2 Variation curves of gas production rate, gas production, water production rate and water production during the exploitation of type A, B and C hydrate reservoirs

A、B、C 型水合物藏的产水速率表现出相同的变化趋势，开采初期，产水速率急剧增加；随着开采的进行，最终分别稳定在29、25 和23 t/d。这是因为：

1) 开采初期水合物快速分解，产生大量分解水，同时，水合物分解使盖层孔隙水突破固体水合物的阻碍，生产井附近水合物分解区域储层有效渗透率增大，导致产水速率急速上升。

2) 随着开采进行，孔隙水流入水合物层阻碍低压区扩展，水合物分解前缘移动缓慢，产水速率增加缓慢。由于恒压生产边界的存在，最终产水速率趋于稳定。A型水合物藏上覆层和下伏层均为透水层，故其有最高的产水速率和产水量，不利于产气；B、C 型水合物藏均具有单一透水层，B型水合物藏中上覆层孔隙水是在重力和压差共同驱动作用下侵入水合物层的，故其产水速率和产水量均略高于C型水合物藏；C型水合物藏的产水速率和产水量最低，最有利于产气。

2.1.2 储层物性参数空间分布特征

图3和图4所示分别为开采三种类型水合物藏时储层压力P和水合物饱和度SH的空间分布特征，图中白色直线代表水合物层的顶界和底界。

图3 A、B、C型水合物藏压力P空间分布特征Fig. 3 Spatial distribution characteristics of pressure of type A, B and C hydrate reservoirs

图4 A、B、C型水合物藏水合物饱和度SH空间分布特征Fig. 4 Spatial distribution characteristics of hydrate saturation of type A, B and C hydrate reservoirs

从图3 可知：3 种水合物藏储层压力分布的共同特征是：1) 开采初期压降传递迅速；2) 低压区随着时间增加区域不断扩大，但扩展速度变缓，由于水合物层的低渗透性，其最大压降范围会逐渐稳定；3) 等压界面的锯齿形状是由于分解前缘的气-水流动造成的。由图3(a)可见：A 型水合物藏开采时低压区向上、下两个方向扩展，开采初期低压区(小于12 MPa)扩展迅速，扩展半径可达15 m 左右，随着开采的进行，低压区的扩展速度变缓，甚至开始向井筒方向回缩，开采5 a时，低压区扩展到距井筒25 m 左右，但开采10 a 时，低压区又回缩到20 m 处。这是因为水合物分解前缘逐渐远离井筒，上下地层孔隙水侵入区域增加，导致低压区收缩。由图3(b)可见：开采B型水合物藏时，压降在水合物层下部的扩展速度大于其在水合物层上部的扩展速度，这是因为上覆层孔隙水的侵入阻碍了低压区的传播，开采10 a 时，小于12 MPa 的低压区已扩展至整个水合物层，小于11.5 MPa 的低压区扩展到距井筒40 m 左右，低压区并没有出现回缩现象。由图3(c)可见：C型水合物藏与B型水合物藏表现出相反的分布特征，水合物层上部的压降扩展速度更快，由于水合物分解率高，水合物层的相对渗透率增大，小于11.5 MPa的低压区已扩展至整个水合物层，小于11.0 MPa的低压区扩展到距井筒32.5 m 左右。从压力的分布特征可以看出开采C 型水合物藏时压降传播范围更大。

图4 所示为A、B、C 型水合物藏水合物饱和度SH空间分布特征。从图4(a)可知A型水合物藏水合物饱和度在开采过程中的分布特点：1) 生产井恒压开采，开采60 d 时在井筒周围形成圆柱形分解界面，同时水合物层上、下位置开始出现分解界面；2) 开采1 a时，上、下分解界面与井筒周围的圆柱形分解界面融合；3) 由于透水层的存在，下部热水上涌进入水合物层，对水合物分解有促进作用，故下分解界面水合物分解量更大；4) 水合物分解的气体通过扩展或对流的作用进入未分解区域，形成二次水合物，出现高水合物饱和度区域。从图4(b)和4(c)可知：B、C 型水合物藏开采1 a 时，水合物层分别在底部和顶部存在开采“盲区”，底部和顶部分解界面几乎没有形成，未能与井筒周围的圆柱形分解界面融合。从水合物饱和度的分布特征可以看到，A、B型水合物藏分解最前缘位置距井筒分别为15.0 m和32.5 m，而C型水合物藏已分解完全，这说明C型水合物藏具有更大的开采潜力。

2.2 抽水井辅助水平井降压开采水合物动态演化特征

单水平井降压开采A、B、C 型水合物藏的模拟结果表明，开采南海非封闭性水合物藏时孔隙水侵入会导致低产气量和高产水量，严重影响开采效率。同时发现下伏层渗透性高、上覆层封闭性强的水合物藏更有利于水合物开采。因此，本文初步确定抽水井钻孔位置位于上覆层，即在开采井垂直方向上布设一口抽水井，抽取流经上覆层的孔隙水，以此来大大减小流入水合物层的水量，形成抽水井辅助水平井降压开采水合物的新型开采模式，如图5所示。

图5 抽水井辅助水平井降压开采模型Fig. 5 Pumping well assisted horizontal well exploitation model by depressurization method

井距和抽水速率是抽水井辅助水平井降压开采模式下的2个重要工艺参数，设定4种井距，如图6所示。从图6可知：抽水井布设在距水合物层顶部0、5、10 和15 m 处，两井的井距依次为11、16、21 和26 m。为了减少孔隙水流入水合物层的量，不能盲目地增加抽水速率，过大的抽水速率会在井口形成过度低压区，使部分分解气聚集在井筒周围，同时，孔隙压力消散使有效应力增加，导致近井地层发生大面积沉降[33]，因此，不同井距下存在一个临界抽水速率以达到最佳开采效果。

图6 抽水井钻孔位置示意图Fig. 6 Schematic diagrams of pumping well borehole location

2.2.1 不同井距下抽水井的临界抽水速率

以0.05 kg/s的梯度增加抽水井抽水速率，获取不同抽水速率下生产井产气量VG和抽水井井口压力P。图7所示为不同井距下产气量VG和抽水井井口压力P随抽水速率演化特征。从图7(a)、(b)、(c)可知：当井距为11、16和21 m时，抽水井井口压力随着抽水速率的增加呈线性下降，抽水速率每增加0.05 kg/s，井口压力分别下降1.58、1.53 和1.50 MPa 左右，而产气量提升幅度逐渐变缓，甚至出现下降趋势，这是因为随着抽水速率增加，抽水井井口压力减小，部分水合物分解气体会在压差和孔隙水流动作用下聚集在抽水井井筒附近，导致产气量增长缓慢甚至出现下降趋势。因此，可以将产气量最大值所对应的抽水速率作为临界抽水速率，则井距11、16 和21 m 这3 种模式下的临界抽水速率分别为0.18、0.27 和0.35 kg/s，对应抽水井井口压力分别为5.33、3.34和1.50 MPa。在井距26 m 模式下，产气量和抽水井的井口压力呈对称分布，井口压力下降趋势与产气量上升趋势一致，这是因为井距较大时，抽水井抽取孔隙水造成的低压环境对分解气的聚集作用不明显，但该模式下仍存在临界抽水速率。图8所示为开采初期高于临界抽水速率抽水井井口压力和产气量变化情况。从图8可知：高于临界抽水速率开采时井周地层压力快速消散，水相消失，分解气聚集在井筒周围，由有效应力原理可知，该区域有效应力过大，沉积物容易发生变形，导致井周地层出现大幅度沉降[34]，故井距26 m 时的临界抽水速率为0.42 kg/s，抽水井井口稳定压力仅为0.14 MPa。

图7 不同井距下产气量VG和抽水井井口压力P随抽水速率演化特征Fig. 7 Evolution of gas production and wellhead pressure with pumping rate at different well spacings

图8 井距26 m高于临界抽水速率抽水井井口压力和产气量变化曲线Fig. 8 Variation curves of wellhead pressure and gas production of pumping well above critical pumping rate at 26 m well spacing

4种模式下抽水井临界抽水速率、临界井口压力和生产井产气量如表2 和图9 所示。从图9 可以看到：井距越大，抽水井临界抽水速率越大，相应的临界井口压力越小；随着井距的增大，在临界抽水速率下生产井的总产气量提升幅度变缓；case3 和case4 生产模式下产气量基本一致，但case4 模式下井口压力过小，仅为0.14 MPa。为了确保开采系统安全，最优抽水井辅助水平井降压开采生产模式应为case3模式。

表2 不同井距下的抽水井临界抽水速率、临界井口压力和生产井产气量Table 2 Critical pumping rate, critical wellhead pressure and gas production of producing well at different well spacing

图9 4种生产模式下生产井产气量、抽水井临界抽水速率和临界井口压力Fig. 9 Gas production, critical pumping rate and critical wellhead pressure in four production modes

2.2.2 最优抽水井辅助水平井降压模式开采水合物演化特征

1) 产气、产水行为。图10 所示为单井和最优模式下生产井产气速率QG、产气量VG、产水速率QW、产水量VW随时间演化特征。从图10可知：开采前2 500 d 内最优模式下产气速率始终大于单水平井模式下产气速率，但两者之间的差值逐渐减小，开采后期产气速率趋于一致。这是因为最优模式下水合物分解前缘移动更快，在同一时间点下，分解前缘距离井筒更远，分解前缘压力带和单水平井分解前缘压力场相近，故表现出相近的产气速率。单水平井产气量为2.48×104m3，最优模式下产气量为3.45×106m3，产气量提高了39.1%。最优模式下生产井的产水速率始终低于单水平井模式下生产井的产水速率，产水速率最终稳定在0.3 kg/s，较单水平井模式下降低了11.8%，产水量为8.77×104t，较单水平井模式下降低了17.4%。

图10 单井和最优模式下产气速率QG、产气量VG、产水速率QW、产水量VW变化曲线Fig. 10 Variation curves of gas production rate, gas production, water production rate and water production in single well and double well

2) 储层物性参数空间分布特征。图11～13所示分别为在最优模式下开采时储层压力P、水合物饱和度SH以及气体饱和度SG的空间分布特征。从图11 可知：开采初期低压区(小于12 MPa)在生产井和抽水井周围迅速扩展，开采60 d 时最大扩展半径已达25 m，而单水平井开采10 a 时低压区的扩展半径仅为20 m。这是因为抽水井抽取井筒周围孔隙水，与生产井达到联合降压的效果，使低压区迅速外扩。抽水井布设在上覆层，水合物层中上部低压区界面扩展速度明显比下部的快，这与C型水合物藏低压区的扩展形式相似。随着开采的进行，水合物分解前缘逐渐远离井筒，抽水井的抽水范围有限，导致开采后期低压区扩展半径增长缓慢，下部低压区界面与上部界面逐渐重合，最终稳定在35 m 左右，较单水平井模式下提高了15 m左右。

图11 最优模式下开采时压力P空间分布特征Fig. 11 Spatial distribution characteristics of pressure in optimal production mode

从图12和图13可知：开采初期水合物层下分解面大量水合物分解，上分解界面没有形成。这是因为生产井和抽水井井口均为低压区，在压差作用下，大量分解气聚集在水合物层上部，形成二次水合物，水合物层上部出现“开采盲区”。随着开采的进行，上分解界面逐渐形成并融合，下分解面分解量始终大于上分解面分解量。开采后期分解面距井筒较远，抽水井作用范围有限，分解气被不断压缩，仅存在于下分解面。分解最前缘最终距井筒37.5 m，较单水平井模式下提高了22.5 m。

图12 最优模式下开采时水合物饱和度SH空间分布特征Fig. 12 Spatial distribution characteristics of hydrate saturation in optimal production mode

图13 最优模式下开采时气体饱和度SG空间分布特征Fig. 13 Spatial distribution characteristics of gas saturation in optimal production mode

单水平井开采南海非封闭性水合物藏时，大量地层孔隙水会在压差驱动下侵入水合物层，孔隙流体的进入会加速地层压力达到新的平衡状态，使低压区很难向远离井筒方向扩展，导致产气量低和产水量高，严重影响开采效率。而采用抽水井辅助水平井降压开采时可缓解这一问题，提升开采效率，其具体作用原理如图14 所示。抽水井的存在改变了孔隙水流动路径，减少了流入水合物层的水量。2种生产模式下气相相对渗透率krG空间分布特征如图15所示。从图15可知：与单水平井模式相比，最优开采模式下近井区域气体分布范围更广，气相相对渗透率更大，单水平井最大气相相对渗透率仅为3.44×10-4，而最优开采模式下可达1.37×10-3，气水两相流动时利于气体流向井筒。水合物层中心位置沿远离井筒方向压力变化曲线如图16所示。从图16可知：开采初期最优模式下两井创造的低压区在近井区域快速融合，低压区扩展迅速，开采60 d 时扩展效果与单水平井10 a 开采周期基本一致，以小于12 MPa 压力区域为例，最优模式下低压区扩展范围更广，提高了水合物分解率和产气量。

图14 抽水井辅助水平井降压开采增产机理示意图Fig. 14 Schematic diagram of stimulation mechanism of pumping well assisted horizontal well depressurization exploitation

图15 开采至60 d和1 a时气相相对渗透率krG空间分布特征Fig. 15 Spatial distribution characteristics of gas relative permeability at 60 d and 1 a after exploitation

图16 开采至60 d和10 a时水合物层中心位置沿远离井筒方向压力变化曲线Fig. 16 Pressure change curve of center of hydrate layer along direction away from wellbore at 60 d and 10 a after exploitation

3 结论

1) 针对单水平井降压开采非封闭性水合物藏时孔隙水侵入限制低压区向远离井筒方向扩展的问题，提出了抽水井辅助水平井降压开采方法，该方法通过改变孔隙水流动路径，扩大了水合物层低压区传播范围，提高了水合物开采效率。

2) 上覆层和下伏层渗透性影响水合物开采效率，其中下伏层渗透性高、上覆层封闭性强的储层更有利于水合物开采，故将抽水井布设在上覆层，抽取流经上覆层孔隙水，减少流入水合物层的水量。

3) 抽水井的临界抽水速率和井口压力受井距控制，随着井距增大，临界抽水速率呈线性增加，最快可达0.42 kg/s，临界井口压力呈线性减小，最低仅为0.14 MPa。

4) 抽水井布设在距水合物层顶部10 m 处，两井井距为21 m，抽水速率为0.35 kg/s下的抽水井辅助水平井降压开采模式可达到最佳开采效果。与单水平井相比，生产井的产气量从2.48×104m3增加到3.45×104m3，提高了39.1%；产水量从1.03×105t减少到8.77×104t，降低了17.4%；低压区和分解最前缘扩展半径分别提高了15.0 m和22.5 m左右。