松散沉积物中降压幅度和饱和度对天然气水合物分解过程的影响

为了弄清楚降压幅度和饱和度对于天然气水合物(以下简称水合物)分解过程的影响规律这一事关水合物工业开采的核心问题,基于我国南海北部神狐海域沉积物粒径特征配置出多孔介质样品,在实验室模拟试采区现场钻孔压力、温度、盐度、饱和度条件,开展了松散沉积物中两种饱和度范围(S_(h,Ⅰ)=23%～26%,以下简称体系Ⅰ;S_(h,Ⅱ)=46%～50%,以下简称体系Ⅱ)和4种降压幅度(12 MPa、9 MPa、6 MPa、3 MPa)条件下水合物降压分解实验。研究结果表明:①降压幅度为12 MPa条件下产气集中于分解前期,分解前期产气量随饱和度增大占产气总量比例升高;②分解时间(开发期)随降压幅度的增大呈线性减小趋势,降压幅度增加9 MPa,体系Ⅰ与体系Ⅱ的分解时间分别缩短为原来的28.39%和44.97%;③高饱和度体系水合物瞬时产气速率波动较为剧烈,其在降压幅度12 MPa条件下瞬时产气速率峰值、阶段产气速率峰值为最大,降压开采效果较好。结论认为:①所做实验和南海试采结果均表明,产气速率峰值在降压开采前期出现,可能引发储层和井筒失稳,需在水合物降压开采进一步试验和现场工程中加强关注;②后续研究需借助较大尺度水合物降压开采模拟装置,明确尺寸效应对水合物降压开采产气规律的影响。     

松散沉积物中降压幅度和饱和度对天然气水合物分解过程的影响

为了弄清楚降压幅度和饱和度对于天然气水合物（以下简称水合物）分解过程的影响规律这一事关水合物工业开采的核心问题，基于我国南海北部神狐海域沉积物粒径特征配置出多孔介质样品，在实验室模拟试采区现场钻孔压力、温度、盐度、饱和度条件，开展了松散沉积物中两种饱和度范围（Sh,Ⅰ=23%～26%，以下简称体系Ⅰ；Sh,Ⅱ=46%～50%，以下简称体系Ⅱ）和4种降压幅度（12 MPa、9 MPa、6 MPa、3 MPa）条件下水合物降压分解实验。研究结果表明：①降压幅度为12 MPa条件下产气集中于分解前期，分解前期产气量随饱和度增大占产气总量比例升高；②分解时间（开发期）随降压幅度的增大呈线性减小趋势，降压幅度增加9 MPa，体系Ⅰ与体系Ⅱ的分解时间分别缩短为原来的28.39%和44.97%；③高饱和度体系水合物瞬时产气速率波动较为剧烈，其在降压幅度12 MPa条件下瞬时产气速率峰值、阶段产气速率峰值为最大，降压开采效果较好。结论认为：①所做实验和南海试采结果均表明，产气速率峰值在降压开采前期出现，可能引发储层和井筒失稳，需在水合物降压开采进一步试验和现场工程中加强关注；②后续研究需借助较大尺度水合物降压开采模拟装置，明确尺寸效应对水合物降压开采产气规律的影响。     

不同井型下的天然气水合物降压开采产气产水规律

目前的研究成果表明，降压法及其改良方案可能是实现海域天然气水合物（以下简称水合物）高效开采的最佳途径，但现有降压条件下的产气能力距离水合物商业开发需求仍存在着不小的差距，因而提高水合物藏分解效率、提升储层气液运移产出能力，进而形成安全高效的水合物开采新方法，是水合物开发过程中急需解决的瓶颈问题。为此，利用自制的水合物复杂结构井模拟实验装置，分别开展了垂直井、水平二分支井（夹角90°）开采水合物的实验室模拟实验，据此分析不同开采条件下各井型的产气、产水规律。研究结果表明：①垂直井与分支井开采中，降压幅度是控制前期产气速率的主要因素，而后期环境温度对水合物分解量的影响则逐渐加强；②井型对水合物开采产能具有明显的控制作用——垂直井开采降压幅度越大，产气情况越好，但实验尺度下累计产水量则相差不大，水平二分支井（夹角90°）开采过程中，产气速率比射孔面积相同的垂直井更高，波动较小，但初始阶段产水明显；③降压—热激联合作用更有利于水合物的分解和稳定产气，在其联合作用下，水平二分支井（夹角90°）比垂直井更有利于水合物的长期稳产。     

神狐水合物藏降压开采产气量预测及增产措施研究北大核心CSCD

南海神狐海域是我国最具天然气水合物开发潜力的区域之一,但目前尚未达到商业化开采的产气量水平。采用水合物开采模拟软件TOUGH+HYDRATE,建立了神狐水合物藏的储层地质模型,并在此基础上开展降压法试开采产量历史拟合及长期开采的产量预测,对比分析了直井降压、水平井降压、直井降压联合压裂、直井降压联合注热和直井降压联合井壁加热等增产措施的效果。研究结果表明,神狐水合物藏基于直井降压试采预测的长期开采日均产气量低于商业开采要求,须借助增产措施;神狐水合物藏开采最佳增产措施为水平井降压,其次为直井降压联合压裂。本文研究结果可为神狐水合物藏的开采提供一定借鉴。     

天然气水合物水平井降压开采多相渗流—传热—力学耦合数值模拟：方法和南海场地应用

为安全高效开采天然气水合物,研究开采过程中水合物储层的稳定性至关重要,THM 耦合数值模拟能清晰认识水平井开采水合物过程中的力学响应规律,但由于模型常被简化为垂直于生产井的剖面来进行模拟,对真实地层变形空间的演化特征刻画不足。为此,基于水合物开采程序 TOUGH + HYDRATE,引入对 FLAC 力学程序的交互接口,构建了适用于水平井大规模开采的多相渗流—传热—力学(THM)耦合模拟程序,并基于我国第二次水合物试采场地资料,在以水平井试采实际产气量约束 THM 耦合模型的基础上,研究了水平井中长期开发条件下的气水产出与地层变形规律。研究结果表明 ：(1)在 7 MPa 生产压力、300 m 井长条件下,水平井开采 1 年的产气量可达 1 190×10⁴ m~3,压降在游离气层中的影响范围较大,产气来源于游离气层和水合物层,水合物分解范围不大 ;(2)预测试采60 天时的海底沉降约为 0.16 m,开采 1 年后可达 0.52 m。结论认为 ：(1)水平井开采水合物会引起较大范围的海底沉降,海底面呈线性持续下沉,空间上的沉降呈椭圆形分布 ;(2)水平井及其上...     

南海北部天然气水合物藏垂直井网降压开采数值模拟

为了提高南海北部低渗透率、泥质粉砂型天然气水合物（以下简称水合物）储层降压开采的气产量和采收率，基于我国2017年水合物试采W17站位水合物层含有少量游离气且下伏泥层的条件，根据实际试采数据，针对单垂直井和垂直井网两种布井方式，利用TOUGH+HYDRATE软件进行了水合物层降压开采数值模拟，研究了开采井产气/产水特征及开采区温度场、压力场、水合物饱和度场的变化特征，进而分析了渗透率、井间干扰对压力场、温度场及流场变化的影响机制。研究结果表明：①低渗透率泥质粉砂型水合物层在降压开采过程中，水合物的分解使水合物沉积层渗透率增大，从而使气、水产量增加；②在降压开采初始阶段，开采井的气、水产量短时达到峰值后急剧减小，水合物迅速分解、吸热及游离气的涌入使得井筒附近温度降低，而后随着开采时间的延续，气、水渗流阻力增加，压降传播速率降低，水合物分解气产量和井口气产量不断降低，水产量则缓慢上升；③水合物的分解由压降和周边流体渗流、传热联合控制，井筒附近及水合物层上下界面处的水合物优先分解，井口产出的天然气有较大部分来自于周边水合物层中的游离气和孔隙水溶解气；④采用垂直井网进行水合物开采，每口井的控制面积减少，单井的产气/产水速率及累计产气/产水量均明显低于单垂直井，但垂直井网开采总的气产量更大、水合物采收率更高；⑤井距决定了每口井的控制面积和最终累计产气量，井间压降叠加效应加速了水合物的分解，井间区域的压力及温度显著低于单井，但井间对称流场的干扰会阻碍气液流动，在井间中心区域将形成“静止区”。结论认为，多井联合开采可以提高井场总的气产量，但需要根据钻井成本、水合物层渗透率、预计生产周期、井场总气产量和水合物采收率等指标来综合确定合理井距。     

南海北部天然气水合物藏垂直井网降压开采数值模拟

为了提高南海北部低渗透率、泥质粉砂型天然气水合物(以下简称水合物)储层降压开采的气产量和采收率,基于我国2017年水合物试采W17站位水合物层含有少量游离气且下伏泥层的条件,根据实际试采数据,针对单垂直井和垂直井网两种布井方式,利用TOUGH+HYDRATE软件进行了水合物层降压开采数值模拟,研究了开采井产气/产水特征及开采区温度场、压力场、水合物饱和度场的变化特征,进而分析了渗透率、井间干扰对压力场、温度场及流场变化的影响机制。研究结果表明:①低渗透率泥质粉砂型水合物层在降压开采过程中,水合物的分解使水合物沉积层渗透率增大,从而使气、水产量增加;②在降压开采初始阶段,开采井的气、水产量短时达到峰值后急剧减小,水合物迅速分解、吸热及游离气的涌入使得井筒附近温度降低,而后随着开采时间的延续,气、水渗流阻力增加,压降传播速率降低,水合物分解气产量和井口气产量不断降低,水产量则缓慢上升;③水合物的分解由压降和周边流体渗流、传热联合控制,井筒附近及水合物层上下界面处的水合物优先分解,井口产出的天然气有较大部分来自于周边水合物层中的游离气和孔隙水溶解气;④采用垂直井网进行水合物开采,每口井的控制面积减少,单井的产气/产水速率及累计产气/产水量均明显低于单垂直井,但垂直井网开采总的气产量更大、水合物采收率更高;⑤井距决定了每口井的控制面积和最终累计产气量,井间压降叠加效应加速了水合物的分解,井间区域的压力及温度显著低于单井,但井间对称流场的干扰会阻碍气液流动,在井间中心区域将形成"静止区"。结论认为,多井联合开采可以提高井场总的气产量,但需要根据钻井成本、水合物层渗透率、预计生产周期、井场总气产量和水合物采收率等指标来综合确定合理井距。     

天然气水合物藏和天然气藏开采规律对比分析

以考虑了气-水-水合物-冰相多相渗流过程、水合物分解动力学过程、水合物相变过程、冰-水相变过程、热传导、热对流等因素的天然气水合物藏降压开采模型为基础,对水合物藏和天然气藏的产气速度、产水速度、累计产气量及地层压力等参数的变化规律进行了对比分析。气藏的产气速度高于水合物藏,但气藏的产气期要短;随着初始压力的增加,气藏的产气速度增加而水合物藏的产气速度降低;水合物藏的产水速度高于气藏,且水合物藏最大产水速度随着初始压力的升高而降低;在一定的初始压力范围内,水合物藏的累计产气量高于气藏,且水合物藏和气藏累计产气量的差别随着初始压力的增加而逐渐缩小,但当初始压力达到某值时,气藏的累计产气量将超过水合物藏。     

多孔介质中甲烷水合物形成与分解实验研究

基于实际海洋水合物资源的赋存状态及温度、压力条件,在人工多孔介质中物理模拟海底水合物稳定带的水合物藏进行了水合物的形成与分解的实验研究。分析甲烷水合物在多孔介质中的形成与降压开采过程,揭示了其温度、压力和产气速率的变化规律。采用逐步降压的方法测定了多孔介质中水合物在特定温度下最小分解推动力,比较了不同降压模式下的累计产气量。结果表明,水合物形成过程中通过不断注水保持系统压力,甲烷可完全生成水合物,最终水合物藏中仅有水和水合物两相;实验条件下水合物的分解主要受压差影响,压差越大,分解速率越大,累计产气量越高;在一定温度下水合物的分解需有一个最小推动力。比较不同降压模式发现,累计产气量只与压差有关,而与降压模式无关。     

置换减压法开发天然气水合物工艺及数值模拟

天然气水合物是能源领域尚未开发的领域之一,有巨大的潜力来满足未来的能源需求,降压、热刺激、碳交换和抑制剂注入是其生产过程中涉及的四种开采方法。文章提出了采用双水平井降压 ＋二氧化碳置换法开采天然气水合物,应用油藏模拟器 ＣＭＧ对矿藏条件下水合物进行数值模拟分析,模拟了多组分、多相流体和热流在地下的流动和传输,以及甲烷饱和度和温度分布,估算了水合物解离产气量和出砂量。模拟结果表明,随着开采的进行,甲烷饱和度降低,顶部的水合物优先开始分解,二氧化碳置换区域地层温度提高 ２～５℃,温度升高促进甲烷持续解离,形成了一个连续交换和生产的循环过程;同时随着甲烷产量的增加,生产井出砂量也随之增加。采用双水平井开采技术,扩大了水合物储层的波及面积,有效增加了产气量,达到商业开采价值规模。研究结果为科学评价天然气水合物开采技术的可行性、经济性提供了理论依据。     

海洋天然气水合物开采潜力地质评价指标研究：理论与方法

中国南海北部大陆坡具有良好的天然气水合物（以下简称水合物）资源前景,但目前还没有针对海洋水合物藏开采潜力的地质评价指标,无法对水合物藏进行简单高效的开采潜力评价预测。为此,重点分析了与产气潜力密切相关的地质参数（水合物层的孔隙度,水合物初始饱和度,储层渗透率,导热系数,储层上、下盖层的渗透性,储层的初始温度和初始压力）对产气潜力的影响情况。结果发现,在其他条件和参数不变的情况下：①水合物储层孔隙度越大,水合物分解产气速率越快;②水合物饱和度越高,初始产气效率较低,但总体产气开发效益较高;③水合物储层绝对渗透率越大,水合物分解和产气效率越高;④水合物储层导热系数对水合物分解产气效率影响不大;⑤盖层的存在有利于提高水合物的分解效率和气体的长期稳定生产;⑥水合物储层初始温度越高越有利于水合物快速分解;⑦当地层初始压力越高且离水合物相平衡边界越近时,水合物藏产气开发效率也越高。在此基础上,提出了水合物开采潜力地质评价指标研究的目标、内容、技术路线和方法。     

天然气水合物降压开采储层出砂数值模拟

储层出砂是天然气水合物藏降压开采过程中所面临的主要问题。基于常规疏松砂岩储层出砂计算模型,综合考虑水合物分解规律、储层稳定性变化及岩石颗粒受力,建立了降压开采天然气水合物藏动态出砂量预测模型,并对储层出砂规律进行了分析。研究表明:越靠近井口处,水合物分解速率越快,内聚力减小幅度越快,储层稳定性越差;水合物储层开采较常规砂岩储层开采更容易出砂;水合物开采初期的出砂速率迅速增大,但出砂速率达到峰值后就会随着时间迅速减小,并最终趋于稳定;生产压差越大,水合物储层开采出砂也越严重。本文研究成果可为天然气水合物降压开采储层防砂提供借鉴。     

煤层气藏顶板水平井排水采气数值模拟

为解决沁水盆地15号煤层气开采排水周期长,产气效果差的问题,避免顶板K2灰岩层对煤层气开发的影响,对煤层气藏顶板地层水采用水平井排水采气工艺提高煤层气开采效率,通过数值模拟方法建立流动机理模型,研究排水采气对15号煤层和顶板K2灰岩层合层开采的效果及其影响因素。结果表明:水平井排水采气可明显缩短排水降压时间,增加累积产气量。产气量与水平井在顶板中的位置、水平井与直井压裂缝的角度、水平段长度等有关;见气时间与水平井排采强度有关。水平段越长,产气量越高;水平井位于K2灰岩层中部时产气效果好于位于K2灰岩层底部;当水平井与直井压裂缝呈45°夹角时,产气效果最好。水平井排水强度对见气时间影响较大,对累积产气量影响较小。     

天然气水合物二次生成及渗透率变化对降压开采的影响

在 考虑天然气水合物二次生成及渗透率变化的基础上,建立了实验室尺度下的天然气水合物降压开采数学模型。利用该数学模型,对天然气水合物降压开采过程中的水合物二次生成进行了模拟,并分析评价了水合物二次生成及渗透率变化对水合物分解产气的影响。模拟结果表明:水合物二次生成主要局限于降压产气出口附近,二次水合物现象会引起局部水合物饱和度及温度、压力等发生明显变化;同时,水合物二次生成会导致产气速率大幅降低、产气持续时间延长和系统压力急剧增加,但累积产气量不受其影响。研究发现,不同于纯降压产气过程,在水合物二次生成的情形下,产气受出口压力的影响较大,而初始温度对产气的影 响较小。     

天然气水合物藏注热开采敏感参数分析

天然气水合物作为一种潜在的未来能源,其开采已经成为天然气工业新的研究热点。基于水合物藏热力开采的机理,建立了数学模型并编制了软件,对影响水合物藏注热开采效果的参数进行了敏感性分析。结果表明,分解前缘移动速度和累积产气量主要受孔隙度、注热温度、初始水合物饱和度、水合物藏初始温度、分解区导热系数和热扩散系数的影响,而未分解区的热力学参数对注热开采影响不大,该研究对今后水合物藏的注热开采具有一定的指导意义。     

基于机器学习方法的海洋天然气水合物水平井降压开采模拟—优化耦合模型

由天然气水合物（以下简称水合物）开采引起的含水合物沉积层力学变形问题不能被忽视，因其直接威胁到海域水合物的安全开采。为了找到甲烷累计产气量最优值与地层稳定性的关系，基于机器学习方法形成模拟—优化耦合技术，构建起水合物降压开采传热—流动—力学数值模拟模型、可以替代数值模拟模型的机器学习模型和以甲烷累计产气量最优为目标的混合整数非线性规划优化模型；在此基础上，选取南海北部神狐海域厚层Ⅱ类水合物藏W11站位为研究对象，获得了海底面沉降量约束下的水合物储层甲烷累计产气量及相对应的最优开采方案参数。研究结果表明：①模拟—优化耦合技术的关键是机器学习方法的运用，基于径向基函数人工神经网络方法而建立的替代模型计算精度较高，可以替代模拟模型来确定输入输出变量的关系，从而摆脱既定方案的限制，找到全局最优解；②模拟—优化耦合技术可以解决受含水合物沉积层力学响应特征影响的水合物开采方案优选问题，根据试采工程安全要求改变海底面沉降量最大允许值，可以计算得到相应的甲烷累计产气量，以及降压幅度、开采时间、井位布置、水平井段长度等最优开采方案参数；③随着最大允许沉降量增大，甲烷累计产气量增大，二者满足正相关关系；④海底面沉降量随着开采时间增长而增大，也随降压幅度增大而增大；⑤水合物开采引起海底面沉降主要发生在开采初期，为了获得较高甲烷累计产气量及较小海底面沉降量最大允许值，在开采初期必须减小降压幅度。结论认为，所形成的模拟—优化耦合技术适用性强，可以为水合物安全、高效规模化开采方案的制订提供支撑。     

天然气水合物藏降压开采近井储层稳定性数值模拟

天然气水合物藏降压开采是一个含相态变化的非等温物理化学流固耦合渗流过程。目前有关天然气水合物藏开采的研究集中于产能模拟,且没有考虑流固耦合作用影响,有关水合物分解形成的弱胶结、低强度、高孔高渗近井储层的稳定性研究尚未开展。为此,将水合物分解效应融合到渗流场与岩土变形场的耦合作用中,建立了天然气水合物藏气、水两相非等温流固耦合数学模型,引入出砂判别准则,开发了天然气水合物藏降压开采流固耦合储层稳定性分析软件,利用该软件对天然气水合物藏降压开采近井储层稳定性的一般规律进行了分析,并建立了井壁不出砂的临界生产压差分析方法。研究表明:水合物分解效应是影响水合物分解区储层稳定性的主要因素,流固耦合作用的影响较小;近井水合物分解区储层稳定性较差,其中井壁最小水平地应力方向储层稳定性最差,是出砂的优先位置;过渡区储层稳定性介于水合物分解区与原状储层之间。      

基于机器学习方法的海洋天然气水合物水平井降压开采模拟—优化耦合模型

由天然气水合物(以下简称水合物)开采引起的含水合物沉积层力学变形问题不能被忽视,因其直接威胁到海域水合物的安全开采。为了找到甲烷累计产气量最优值与地层稳定性的关系,基于机器学习方法形成模拟—优化耦合技术,构建起水合物降压开采传热—流动—力学数值模拟模型、可以替代数值模拟模型的机器学习模型和以甲烷累计产气量最优为目标的混合整数非线性规划优化模型;在此基础上,选取南海北部神狐海域厚层Ⅱ类水合物藏W11站位为研究对象,获得了海底面沉降量约束下的水合物储层甲烷累计产气量及相对应的最优开采方案参数。研究结果表明:①模拟—优化耦合技术的关键是机器学习方法的运用,基于径向基函数人工神经网络方法而建立的替代模型计算精度较高,可以替代模拟模型来确定输入输出变量的关系,从而摆脱既定方案的限制,找到全局最优解;②模拟—优化耦合技术可以解决受含水合物沉积层力学响应特征影响的水合物开采方案优选问题,根据试采工程安全要求改变海底面沉降量最大允许值,可以计算得到相应的甲烷累计产气量,以及降压幅度、开采时间、井位布置、水平井段长度等最优开采方案参数;③随着最大允许沉降量增大,甲烷累计产气量增大,二者满足正相关关系;④海底面沉降量随着开采时间增长而增大,也随降压幅度增大而增大;⑤水合物开采引起海底面沉降主要发生在开采初期,为了获得较高甲烷累计产气量及较小海底面沉降量最大允许值,在开采初期必须减小降压幅度。结论认为,所形成的模拟—优化耦合技术适用性强,可以为水合物安全、高效规模化开采方案的制订提供支撑。     

天然气水合物降压开采出砂定量预测新模型

国内外天然气水合物试采经验表明，出砂问题是制约水合物资源有效开发的关键因素。从地层流体渗流角度出发，结合岩石力学理论，通过在出砂半径内对出砂量与产气量关系的推导，建立了天然气水合物降压开采出砂定量预测新模型。模型在确定地层和流体等参数情况下，得出地层出砂 量与产气量呈正相关关系，因此确定水合物降压开采产气量就可以定量预测对应的出砂量。结合岩石颗粒出砂模拟，描述了不同时期水合物分解过程颗粒出砂动态演化特征，并验证了模型预测的精度。从研究结果可以看出，水合物降压法开采过程中产气量、出砂量与地层压差关系密切。该研究成果对天然气水合物出砂预测具有一定启示作用，对后续水合物规模矿场试采也具有重要的意义。     

径向井降压开采天然气水合物产能模拟

天然气水合物是一种清洁高效的潜在替代能源,提高开采效率对促进其产业化发展具有重要意义.本文借助开源程序HydrateResSim,针对具有强封闭性边界的第三类水合物藏薄层进行了直井和径向井降压开采天然气水合物产能模拟,对比了直井和径向井降压开采过程中温度场、压力场、水合物饱和度及产能变化规律,分析了径向井降压开采增产机...