海域天然气水合物降压联合注热及边界封堵开采模拟研究.pdf
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1、第 69 卷增刊 1Vol.69Supp.12023 年6 月Jun.,2023地质论评GEOLOGICALREVIEW535海域天然气水合物降压联合注热及边界封堵开采模拟研究一潘栋彬1),马晓龙2),陈晨3),钟秀平3)1)江西理工大学,资源与环境工程学院,江西省矿业工程重点实验室,江西赣州,341000;2)中国科学院岩土力学研究所,武汉,430071;3)吉林大学,自然资源部复杂条件钻采技术重点实验室,长春,130000注:本文为江西省自然科学基金资助项目(编号:20224BAB213044)与江西省教育厅科学技术项目(编号:GJJ210863)的成果。收稿日期:2023-04-10;改
2、回日期:2023-04-30;责任编辑:潘静。DOI:10.16509/j.georeview.2023.s1.237作者简介:潘栋彬,男,1994 年生,博士,讲师,地质工程专业;Email:。关键词:关键词:天然气水合物;边界封堵;数值模拟;降压联合注热天然气水合物是 21 世纪继页岩气之后最具潜力的替代能源(Boswell et al.,2011),已成为地球科学和能源领域的研究热点(李彦龙等,2020)。目前,天然气水合物技术包含相平衡破坏法(降压、热激法和注化学试剂)、固体开采、CO2置换与联合开采法(Pan Dongbin et al.,2022,2023)。降压联合注热是实现水合
3、物高效开发的一项极具前景的方法。一方面,在注入压力的驱动下,热流体会逐渐扩散到水合物储层中,从而解决了长期单一降压导致的储层温度下降和水合物分解效率低下的问题(Zhong Xiuping,2022)。另一方面,与单一原位热激法相比,降压联合注热可提高热能利用效率。然而,海域天然气水合物藏的上下盖层多为可渗边界,在长期的降压联合注热生产过程中,可渗边界的海水会源源不断地侵入水合物储层,流入降压井,同时注热井的热流体会大范围泄露至可渗边界,严重抑制水合物分解效率与产气效率。因此,在水合物开发过程中,对可渗边界进行封堵是亟需的一项增产措施。目前已有学者研究了单一降压法开采水合物过程中边界封堵对水合物
4、分解效率与产气效率的影响,但降压联合注热开采过程中边界封堵对水合物分解行为与产气行为等的影响尚未明确。据此,本文开展海域天然气水合物降压联合注热及边界封堵开采模拟研究,以期揭示边界封堵对降压联合注热开采行为(水合物分解行为、产气行为、能量效率等)的影响规律。1地质模型与模拟方案1.1地质模型选取南海神狐海域 SH7 站位的测井资料建立地质模型。如图 1 所示,模型在 X 方向的长度为 200m,水合物储层(HBL)内均匀分布三口直径为 20cm 的水平井,相邻两口井间距为 100 m,中部模拟井用于注热水,其余用于降压。在本研究中,假设整个储层在 Y 方向上是均质的,因此,采用二维模型以提高数
5、值计算效率,Y 方向厚度取值 1 m。HBL底部原始温度和原始压力分别为 14.15和 13.83MPa。地温梯度为 4.33/100 m。水合物层、上下盖灿的孔隙度都为 0.41,渗透率为 7510-3m2。上下边界中封堵层的渗透率为 0。此外,天然气水合物在储层中视为均匀分布,其分解不会导致沉积物骨架变形。图1地质模型示意图地质论评 2023 年 69 卷 增刊 15361.2模拟方案本研究采用 TOUGH+hydrate 程序进行数值模拟。根据封堵层的分布,模拟算例总共包括 4 种:不进行边界封堵的水合物储层(Run 1,Op+Up),上边界封堵水合物储层(Run 2,Oimp+Up),
6、下边界封堵的水合物储层(Run 3,Op+Uimp),上下边界皆封堵的水合物储层(Run 4,Oimp+Uimp)。2结果与讨论2.1水合物分解行为图 2 所示为算例 Run 1Run 4 中水合物分解速率(Qd)和分解总量(Vd)的演化过程。Run 1 中Qd在 015 d 迅速增加,达到 630 m3/d 的峰值,然后迅速减少。Run 2 与 Run 3 中 Qd的演化过程与Run 1 的基本一致。Qd的降低可能是由两个原因引起的:水合物分解需要吸收大量的热量,然而,由于生产井附近区域缺乏大量的热量补充,水合物分解受到抑制。开采初期,注入井附近的水合物在注入热流体的刺激下迅速分解,但随后热
7、流体进入渗透边界,从而降低了热流体作用于注入井周围水合物分解前缘的压力。此外,Qd的波动归因于热流体向生产井的扩散。以 Run 3 的储层温度演化为例(图 3),可以看出,从 120 d 到 360 d(Qd出现波动的时期),上覆层中的部分热流体逐渐向生产井运移。途中的热流体可以促进上覆层附近水合物的分解,从而扩大上部水合物分解前沿,增大Qd。然而,在生产后期,随着大量热流体进入生产井,Qd在 275 d 开始下降。在 Run 4 中,Qd 的演化过程显著区别于Run1Run 3。其变化过程可以分为三个阶段:在图 2水合物分解速率与分解总量的演化过程图 3Run 3 中储层温度分布演化第一阶段
8、(030 d),由于热量补充不足,生产井附近的水合物分解受到抑制,Qd迅速下降。在第二阶段(30360 d),Qd逐渐增加,并在 360 d 达到峰值,为 390 m3/d。这是因为上下边界封堵确保了热流体携带的热量不被浪费,热流体的持续注入可以补充降压引起的水合物分解所需的热量,从而增大 Qd。在第三阶段(360420 d),Qd逐渐减小。这是由于大量水合物(占 HBL 中总水合物的 64%)在 360 d 时已经分解。对于图 4 中 Vd的演变,可以发现 Run 1Run 4 中 Vd的都呈现逐渐增长的趋势。当 HBL 中分解水合物的比例达到总比例的 60%时Run 4 中 平 均 Qd比
9、 Run 1Run 3 的 值 高17.4%19.7%。上述结果表明,未进行边界封堵的储层与单侧封堵储层中水合物分解潜力相似,上下边界皆封堵的储层中水合物分解潜力最大。2.2水合物储层产气行为图 4 所示为 Run 1Run 4 中产气速率(Qp)与产气总量(Vp)的演化过程。Run 1Run 3 中 Qp的变化相似。以 Run 3 为例,由于生产井附近的热量补充不足,Qp在 140 d 内下降。随后,由于注入的地质论评 2023 年 69 卷 增刊 1537图 4天然气水合物生产期间产气速率(Qp)与产气总量(Vp)的演化过程热流体的扩散,Qp在 140240 d 逐渐增加。当热分解气大量运
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