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【前沿論壇】許天福:海洋天然氣水合物優化開采及儲層力學穩定性評價
2019-10-12 | 作者: | 【 】【打印】【關閉

報告人:許天福 | 整理:劉麗楠(頁巖氣室)    

  一、天然氣水合物資源潛力及開采前景 

  天然氣水合物,也稱“可燃冰”,是在低溫高壓條件下,由甲烷和水結合而成的似冰狀化合物,主要分布在海洋大陸架邊緣和陸地凍土區。1778年,英國化學家在實驗室合成了二氧化硫的水合物;1811年,Davey合成了含氯氣的水合物;1934年美國科學家首次在輸氣管道中發現天然氣水合物,它堵塞了管道,影響天然氣輸送;直到20世紀80年代,水合物被視作能源以來,水合物調查研究才得以快速發展,美、日、俄、加、英、德等國以及歐盟均投入巨資進行水合物調查研究,印度、韓國等也奮起直追。全球在淺海沉積物區和陸域凍土區均已獲取水合物實物樣品,國際深海鉆探包括DSDPODPIODPICDP等。全球已獲取水合物實物樣品和推測存在水合物的區域分布如圖1所示。通過研究樣品發現,自然界中的天然氣水合物可以分為塊狀水合物、分散狀水合物、結核狀水合物和脈狀水合物(圖2)。天然氣水合物資源金字塔模型定性揭示了各種類型水合物儲層的資源潛力和開采難度之間的關系,并在一定程度上為今后水合物試采靶區的選擇指明了方向。 

1  全球已獲取水合物實物樣品和推測存在水合物的區域分布圖 

2  天然氣水合物樣品    

  天然氣水合物的儲量巨大,初步預測碳含量是煤、石油、天然氣等常規化石能源的2倍,將改變現有的能源市場。我國海域陸域均有天然氣水合物發育,初步評價我國海域水合物資源量約為800億噸當量。通過GMGS1-GMGS3航次調查,在南海圈定了6個成礦遠景區、25個有利區塊和24個鉆探目標區。通過鉆探調查,鎖定兩個超千億方水合物礦藏。 

  天然氣水合物資源量巨大,但受不同礦藏和儲存形式的限制,開采具有很多挑戰。全球諸多國家都進行天然氣水合物的試驗性開采,主要包括加拿大的凍土區、美國的阿拉斯加、墨西哥灣、日本、印度和中國等。天然氣水合物原位開采的思路是原位打破相平衡使其發生分解,從而回收可流動甲烷氣體,主要方法包括降壓法、加熱法、注抑制劑和置換等方法,其中降壓法是目前的主流方法,例如日本Nankai海槽的天然氣水合物降壓開采,降壓開采持續時間6天,日均產氣率20000ST m3,日均產水率200m3,累計產氣量為120000ST m3,因地層出砂而停產。 

  我國天然氣水合物主要分布在南海,水合物下伏地層分布有天然氣,GMGS(2007)航次成功取得天然氣水合物樣品。中國南海的天然氣水合物開采是目前時間最長的一次開采。南海神狐海域為主要開采試驗區,持續60天,最高日產量35000STm3,累計產氣量為300000STm3地質條件主要為泥質粉砂,進行流體開采。中國神狐海域2017年試采“四維一體”環境綜合監測系統,持續產氣時間最長,累計產氣量最大,氣流穩定,環境安全(圖3,圖4)。 

3 中國南海神狐海域2017年水合物試采區域位置

4 中國南海神狐海域2017年試采四維一體”環境綜合監測系統    

  中國祁連山地區分布有陸域水合物,但資源分布有限,只分布在裂隙中,最高日產量約136STm3。祁連山凍土區2011年(圖5)用單直徑降壓聯合注熱法進行水合物試采,降壓開采階段持續84小時,累計產氣量為82STm3,降壓和注熱開采階段持續9天,累計產氣101小時,累計產氣量為95STm32016年(圖6)進行“山字型”水平對接井水合物試采,SK-0井為排水降壓主井,累計產氣量23天,最高日產氣量136.6 ST m3,累計產氣量為1078.4STm3 

5 祁連山凍土區2011年單直徑降壓聯合注熱法水合物試采原理示意圖 

6 祁連山凍土區2016 山字型水平對接井水合物試采原理示意圖    

  天然氣水合物的開采涉及到鉆采工程技術、產能潛力評價、開采方案設計、環境影響效應和地質災害風險等諸多問題,研究的前提是多相滲流理論,研究的關鍵是對地質力學特性的研究。其中,鉆采工程技術包括鉆井完井技術、儲層改造技術、人工舉升技術、管道流動保障、降壓聯合注熱技術;產能潛力評價包括開采潛力分析、長期產能預測;生產井設計、監測井設計、射孔位置設計、降壓方案設計;環境影響效應包括海洋生態環境、大氣環境影響;地質災害風險包括海底滑坡、地層沉降變形和地層產砂堵塞。 

  水合物的孔隙度的動態變化會導致滲透率的動態變化,是一個復雜的動態系統,產能預測具有諸多挑戰。可以通過機理分析、數學表達、模擬技術和現場應用對天然氣水合物的多相滲流進行研究和驗證。開采理論包括開采過程儲層多相滲流機理和開采過程地層力學行為機理。水合物開采數值模擬技術包括水-(TH)耦合模擬、水--(THM)耦合模擬、水--化學(THC)耦合模擬、井筒-儲層耦合模擬和大型并行計算方法。數值模擬參數根據室內滲流試驗、壓差試驗、巖石力學實驗和場地試驗獲取。最后,將理論基礎和數值模擬的研究應用日本NanKai海槽和中國南海神狐海域。 

  天然氣水合物開采涉及到井儲層改造、壁穩定性問題、海底面沉降和海底滑坡等多方面的地質力學問題。     

  二、天然氣水合物多相滲流基礎理論及水合物開采地質力學行為 

  1.天然氣水合物多相滲流基礎理論 

  天然氣水合物系統包括液相、冰相、氣相和水合物相。水合物分解涉及到孔滲條件和滲流場。孔滲條件包括孔隙度(有效應力增加、熱膨脹特性)、絕對滲透率(顆粒表面、孔隙中心、膠結于孔喉、大顆粒)、相對滲透率(相飽和度)和毛細壓力(臨界液體飽和度、毛細負壓)。滲流場包括溫度場、壓力場和應力場。 

  (1)水合物地層孔隙度演化:水合物分解過程會產生自由氣體造成孔壓變化,伴隨的吸熱反映會產生溫度變化。通過水合物分解和有效應力變化綜合反映水合物儲層開采過程中,相態變化、巖石骨架變形和儲層應力狀態變化及對孔隙度的影響。 

  (2)水合物地層滲透率演化:水合物相、冰相演化對多孔滲流通道有改造,采用含水合物沉積物多孔基質平行毛管滲流模型進行研究。 

  (3)水合物地層多相流-相對滲流 

  (4)水合物地層多相流-毛細壓力 

  (5)水合物地層有效多相滲流參數獲取:室內巖心試驗→場地滲流試驗→實驗數據獲取→數值試驗→模型選擇→多相滲流參數校正。     

  2.水合物開采地質力學行為 

  水合物分解包括力學場參數演化(剪切模量、體積模量、泊松比和彈性模量)、應力應變關系(彈性本構模型、彈塑性本構模型)、沉降變形機制(巖土體壓密、剪切破壞)、儲層產砂機理(顆粒脫離骨架、顆粒遷移過程)。 

  (1)含水合物地層力學特征影響因素包括水合物飽和度、水合物賦存模式、地層圍壓、地層溫度和加載速率等。 

  (2)水合物地層會引發海底面塌陷、斜坡失穩、大規模氣體泄漏和井壁失穩破壞等地質災害。 

  (3)水合物開采受到海平面升降、全球溫度升高、地震、海嘯、海底基礎設施、鉆井擾動和海洋資源開采等多方面的天然/工業活動誘發因素。

  (4)水合物開采地層井壁穩定性問題。

  水合物分解井周有效應力變化、力學性質減弱、剪應力增強、套管破壞變形。 

  (5)水合物開采誘發海底面沉降、滑坡問題:水合物分解誘發海底滑坡、造成大規模甲烷氣體泄漏,并進一步誘發海嘯。

  三、天然氣水合物數值模擬技術開發及應用 

  數值模擬分析過程涉及采用傳熱-流動過程全耦合數學模型 (TOUGH+Hydrate),巖土力學過程數學模型 (3D Biot),井筒應力狀態計算、含水合物沉積層力學性質刻畫、巖體破壞準則和時空數值離散等多方面的分析計算。其中,(1)傳熱-流動過程全耦合數學模型包括質量能量守恒控制方程、質量積累項、質量流動項,相組成包括液相、氣相、水合物相和冰相,組分包括水、甲烷、水合物、鹽和熱;(2) 巖土力學過程數學模型包括應力平衡控制方程、幾何方程、本構方程;(3) 井筒應力狀態計算分析了徑向應力、切向應力和垂向應力;(4) 含水合物沉積層力學性質刻畫考慮了含水合物沉積層的粘彈性、彈性模量、內聚力、泊松比和內摩擦角。 

  經驗證,程序的數值解與解析解吻合度很高,將研究結果應用到了日本NanKai海槽(7)和中國南海富泥質儲層水平井優化開采(8) 

  

7  日本NanKai海槽應用 

8  中國南海富泥質儲層應用

  通過數值模擬技術,研究了地層的沉降特征發現:海底面形成漏斗狀沉降區域,降壓開采1年最大沉降量0.28m,射孔段下伏地層出現微小隆升現象。降壓初期為快速沉降階段,前67天海底面沉降量占1年開采累計沉降量的50%。降壓初期是預防破壞的關鍵時期,試采期間應采用逐步緩慢降壓方案。 

  (1)溫度場時空演化對比結果表明由于局部低滲泥質層阻水作用,富水合物層形成有效降壓。 

  (2)壓力場時空演化結果表明受泥質力限制,砂質層內形成有效降壓。 

  (3)傳熱作用對比表明泥質層具有有效的傳熱作用,相對于單一厚層水合物藏,成層非均質水合物儲層更有利于降壓開采。 

  (4)井周地層應力狀態及破壞潛力分析,井筒降壓引起地層有效應力快速增加、井周地層應力集中并迅速出現剪切應力、應力路徑顯示井周地層破壞潛力增加 

  (5)水平井降壓地層沉降特征:水平井群降壓開采,后期海底面顯示整體下沉趨勢。水平井下部地層出現局部隆升,局部不規則變形應注意套管穩定。 

  緊密圍繞水合物開采特征,開發耦合巖土力學分析模塊的數值模擬程序HydrateBiot,為我國海洋水合物開采產能評價和地層力學穩定性分析提供改進的工具和方法。 

  基于現場水合物試采過程模擬,發現成層非均質水合物儲層相對于單一厚層水合物儲層更有利于降壓開采,為今后我國海洋水合物試采靶區選擇和射孔方案設計提供了理論基礎, 

  首次對南海泥質粉砂型水合物儲層進行系統的水平井降壓開采方案優化與產能評價,基于井周剪應力分析,揭示水平開采地層優勢出砂位置,提出固結井周地層骨架和預防地層出砂的工程措施。     

  四、前景展望 

  在報告的最后,許教授總結了水合物開采的數值模擬研究可以用于儲層非均質性刻畫、儲層參數反演識別、三維地質模型構建、生產設計、監測井布井方案設計、射孔位置、長度設計、水平井開采潛力評價和水合物開采相關地質力學行為預測等多方面,并指出在并行井筒-儲層熱流固耦合數值模擬程序開發、水合物開采地層出砂-井筒防砂分析方面具有很好的前景,積極探索不同的水合物增產機制與增產方法,為實現水合物的安全高效開采奠定基礎。 

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