天然氣水合物藏開采數(shù)值模擬技術(shù)研究進(jìn)展

張 樂， 賀甲元， 王海波， 岑學(xué)齊， 陳旭東

(1.中國(guó)石化石油勘探開發(fā)研究院， 北京 102206； 2.頁巖油氣富集機(jī)理與有效開發(fā)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 102206)

隨著中國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)和藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)的環(huán)保要求，中國(guó)對(duì)天然氣的需求急劇增長(zhǎng)，同時(shí)天然氣產(chǎn)量缺口不斷增大，2017年中國(guó)天然氣對(duì)外依存度高達(dá)40%，能源安全面臨新的挑戰(zhàn)，需要加快頁巖氣、天然氣水合物等非常規(guī)天然氣資源的勘探與開發(fā)。天然氣水合物是CH4等分子與水分子在一定溫度和壓力(低溫高壓)的環(huán)境下形成的籠型固體化合物。1 m3的天然氣水合物分解后可生成164～180 m3的天然氣，因此天然氣水合物是一種高效清潔能源，被譽(yù)為21世紀(jì)的綠色能源。全球天然氣水合物資源豐富，有機(jī)碳含量約占全球有機(jī)碳含量的53%，為現(xiàn)有石油、天然氣和煤炭資源總量的2倍以上[1-2]。經(jīng)預(yù)測(cè)，水合物資源量相當(dāng)于1.8×1016～2.1×1016m3標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下天然氣，其中97%資源量位于海域，只有3%埋藏于陸地[3-4]。天然氣水合物資源主要分布于南海、東海海域，青藏高原凍土區(qū)等[5-6]。據(jù)初步預(yù)測(cè)中國(guó)海域與陸地凍土區(qū)天然氣水合物資源潛力達(dá)1 000億t油當(dāng)量，其中海域資源量800億t油當(dāng)量。因此，國(guó)務(wù)院已于2017年11月3日正式批準(zhǔn)將天然氣水合物列為新礦種，成為中國(guó)第173個(gè)礦種，此項(xiàng)政策必將促進(jìn)中國(guó)天然氣水合物勘探開發(fā)進(jìn)程，早日實(shí)現(xiàn)天然氣水合物安全有效開采突破，對(duì)于緩解中國(guó)能源短缺壓力、促進(jìn)能源結(jié)構(gòu)調(diào)整和經(jīng)濟(jì)綠色可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

1 天然氣水合物開采現(xiàn)狀

水合物開采主要有降壓法、加熱法、抑制劑法、CO2置換法、固體開采法等[7]。降壓法、加熱法和降壓-加熱聯(lián)合法的基本原理是改變水合物所處環(huán)境的溫度和壓力，破壞水合物相平衡狀態(tài)，促使水合物分解為天然氣和水，如圖1所示。抑制劑法通過添加抑制劑(如鹽水、甲醇或乙醇等)，改變水合物相平衡曲線，促使水合物在所處溫度和壓力條件下進(jìn)行分解。CO2置換開采法是基于客體分子置換原理，向水合物藏中注入CO2，CO2分子和水分子形成更為穩(wěn)定的籠型化合物，從而置換出CH4，如圖1所示相同溫度下CH4水合物的相平衡壓力大于CO2水合物的相平衡壓力。固體開采法是將水合物作為一種固體礦，采用機(jī)械手段開采、輸送，氣液固分離后獲取天然氣。不同開采方法的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比分析如表1[8]所示。

表1 水合物開采方法優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比[8]Table 1 Comparison of advantages and disadvantages of gas hydrate mining methods[8]

圖1 水合物開采方法相平衡曲線示意圖Fig.1 Schematic diagram of phase equilibrium curve under gas hydrate mining methods

水合物藏降壓開采法能量效率較高，而且易于實(shí)施，是目前水合物開采室內(nèi)實(shí)驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)試采的常用方法。尤其是當(dāng)水合物層有下伏游離氣層時(shí)，例如蘇聯(lián)西西伯利亞麥索亞哈氣田的水合物藏的下方為常規(guī)天然氣藏，通過下方游離氣層的開采，有效降低了水合物藏的壓力，促使水合物不斷分解出甲烷氣體，獲得很好的開采效果，麥索亞哈氣田水合物藏也成為迄今世界唯一獲得商業(yè)開采的水合物藏[9]。降壓幅度、降壓速率等是降壓開采方法的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，如若工藝參數(shù)選取不當(dāng)，會(huì)造成水合物藏開采過程中井底坍塌、儲(chǔ)層大量出砂、儲(chǔ)層沉降明顯等不利狀況[10]。2013年，日本在南海海槽海域采用降壓法進(jìn)行水合物試采，6 d后出現(xiàn)了嚴(yán)重的產(chǎn)砂現(xiàn)象，開采被迫中止[11]。針對(duì)海域水合物開采面臨的儲(chǔ)層沉積物易出砂等問題，2017年，中國(guó)在南海神狐海域的水合物試采試驗(yàn)創(chuàng)造性地采用地層流體抽取法，即在儲(chǔ)層和井壁穩(wěn)定允許的降壓幅度下，通過定向井、儲(chǔ)層改造等方法加大儲(chǔ)層流體抽取量，從而達(dá)到長(zhǎng)期、高效、安全生產(chǎn)天然氣的方法，有效解決了儲(chǔ)層流體控制與天然氣水合物穩(wěn)定持續(xù)分解的難題[12-13]。2020年2月17日，第二輪試采在水深1 225 m的海域，試采1個(gè)月產(chǎn)氣總量86.14×104m3、日均產(chǎn)氣量2.87×104m3，是第一輪60 d產(chǎn)氣總量的2.8倍，使中國(guó)成為全球首個(gè)采用水平井鉆采技術(shù)試采海域天然氣水合物的國(guó)家[14]。

加熱法是向水合物藏內(nèi)注入熱水、熱蒸汽或熱空氣等，水合物地層溫度升高，從而水合物分解。2005年，加拿大馬更些凍土區(qū)水合物層中注入80 ℃的KCl鉆井液，高溫鉆井液進(jìn)入并加熱水合物層促使水合物分解[15]。高溫流體在注入井內(nèi)與周圍地層之間存在大量熱損失，特別是針對(duì)永久凍土區(qū)的水合物藏，永凍區(qū)會(huì)降低水合物儲(chǔ)層吸熱效率，導(dǎo)致開采效率和能量利用率低。降壓-加熱聯(lián)合技術(shù)充分利用了降壓法和加熱法的優(yōu)勢(shì)，首先高溫流體加熱水合物藏，促使井筒局部水合物分解，而后抽取水合物分解產(chǎn)生的氣、水等實(shí)現(xiàn)降壓，從而誘發(fā)更大范圍水合物的分解[16]。

CO2置換開采法采用注入CO2到水合物儲(chǔ)層置換開采天然氣，形成CO2水合物，實(shí)現(xiàn)CO2封存，同時(shí)能夠有效避免水合物分解引起的儲(chǔ)層骨架坍塌、儲(chǔ)層沉降等問題。CO2置換技術(shù)曾被認(rèn)為是很有前景的方式。目前該方法已在熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)上均被證明是可行的，同時(shí)已進(jìn)行試采試驗(yàn)。2011年，美國(guó)與日本合作的ConocoPhillips 項(xiàng)目在阿斯拉加州北坡的普拉德霍灣操作區(qū)鉆探Ignik Sikumi1號(hào)井，向目標(biāo)水合物所在的實(shí)驗(yàn)井注入約21×104ft3(1 ft3=2.831 685×10-2m3)的CO2/N2混合物，井中產(chǎn)生穩(wěn)定持續(xù)6周的氣體，但日均產(chǎn)量較低[17]。CO2置換水合物方法較低的置換速率和置換效率仍使得該技術(shù)的大規(guī)模推廣應(yīng)用受到了阻滯。

固體開采法是將水合物作為一種固體礦藏，在海底進(jìn)行挖掘、采集以及顆?；幚恚ㄟ^泵送系統(tǒng)將固體混合物輸送到海洋工作平臺(tái)，通過攪拌等手段對(duì)其進(jìn)行控制性分解。2017年5月，中國(guó)海洋石油集團(tuán)有限公司在南海北部荔灣3站位水深1 310 m、埋深117～196 m處，成功實(shí)施海洋淺層非成巖天然氣水合物固態(tài)流化試采作業(yè)[18]。淺層水合物通過機(jī)械破碎流化，在密閉舉升管道內(nèi)由于溫度升高、壓力降低使水合物逐步氣化，使得水合物分解過程的不可控變?yōu)榭煽兀瑢?shí)現(xiàn)深水淺層水合物安全試采[19]。

近年來，美國(guó)、日本、中國(guó)、韓國(guó)等繼續(xù)開展天然氣水合物勘探和現(xiàn)場(chǎng)試采[20]。表2總結(jié)了中外水合物試采項(xiàng)目的具體實(shí)施情況，可以看出，目前還無法實(shí)現(xiàn)水合物的大規(guī)模長(zhǎng)期穩(wěn)定開采，仍然存在開采難度大、成本高、環(huán)境隱患等難題，需要通過持續(xù)的基礎(chǔ)研發(fā)和技術(shù)創(chuàng)新。數(shù)值模擬是指導(dǎo)天然氣水合物藏有效安全開采的重要技術(shù)手段。通過對(duì)水合物藏產(chǎn)能預(yù)測(cè)與動(dòng)態(tài)分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)開采方法的優(yōu)選評(píng)價(jià)、開發(fā)技術(shù)政策與方案優(yōu)化以及動(dòng)態(tài)可采資源評(píng)價(jià)。天然氣水合物數(shù)值模擬的研究主要集中于數(shù)學(xué)模型優(yōu)化和模擬應(yīng)用兩個(gè)方面。

表2 天然氣水合物試采項(xiàng)目情況Table 2 Trial production projects of natural gas hydrate

(1)水合物開采數(shù)值模型在于水合物的分解和再形成，水合物分解和產(chǎn)物運(yùn)移受溫度、壓力、組分、儲(chǔ)層物性等眾多因素控制和影響，同時(shí)也會(huì)引起地層孔隙率、滲透率等參數(shù)的動(dòng)態(tài)變化。水合物開采數(shù)學(xué)模型的研究關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)水合物的分解多相多組分在微納多孔介質(zhì)內(nèi)流動(dòng)傳熱與相態(tài)變化規(guī)律的精準(zhǔn)數(shù)學(xué)描述。

(2)對(duì)目標(biāo)區(qū)塊水合物藏建立數(shù)值模型，開展不同開采方式(如降壓、注熱、抑制劑法、組合方法等)的水合物藏開采的數(shù)值模擬，通過井型、井網(wǎng)、井距、降壓幅度、加熱功率等開采方式和工藝參數(shù)的調(diào)整優(yōu)化，形成優(yōu)化的目標(biāo)水合物藏開采方案，支撐試采項(xiàng)目。

從天然氣水合物開采數(shù)學(xué)模型和數(shù)值模擬應(yīng)用兩個(gè)方面，對(duì)現(xiàn)階段天然氣水合物藏開采數(shù)值模擬技術(shù)的研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述和展望。

2 水合物藏?cái)?shù)值模擬技術(shù)研究現(xiàn)狀

采用降壓法、加熱法等方法開采天然氣水合物藏過程涉及水合物分解與氣水在地層內(nèi)滲流傳熱傳質(zhì)等多個(gè)物理化學(xué)過程。水合物分解反應(yīng)模型、系統(tǒng)質(zhì)量守恒方程、能量守恒方程是水合物藏?cái)?shù)值模擬技術(shù)的基礎(chǔ)。

2.1 水合物藏開采過程的數(shù)學(xué)描述方法

2.1.1 天然氣水合物分解模型

采用降壓法或加熱法改變水合物所處環(huán)境的溫度和壓力，破壞水合物相平衡狀態(tài)，促使水合物分解為甲烷和水，分解過程吸收一定的熱量ΔHh。天然氣水合物分解速率mg通常采用Kim-Bishnoi模型[21]計(jì)算，計(jì)算公式為

(1)

mg=kdAd(Peq-Pg)

(2)

式中：ΔHh為水合物分解熱，J/kg；Ad為反應(yīng)比面，m-1；kd為反應(yīng)速度常數(shù)，kg/m2/ Pa/s；Peq和Pg分別為反應(yīng)臨界壓力和氣體壓力，Pa；nh為水合指數(shù)。

2.1.2 水合物分解的質(zhì)量守恒方程

從水合物分解化學(xué)式(1)可知，1 mol水合物分解后可生成1 mol甲烷和nh摩爾的水，由于水合物分解反應(yīng)減少的水合物質(zhì)量和產(chǎn)生的水的質(zhì)量作為水合物和水質(zhì)量守恒方程的源項(xiàng)，單位時(shí)間單位體積的水合物質(zhì)量以及分解產(chǎn)生的水可分別表示為

(3)

(4)

式中：mh、mw分別為單位時(shí)間單位體積分解的水合物的質(zhì)量以及分解產(chǎn)生的水，kg/m3/s；Mg和Mw分別為氣和水的摩爾質(zhì)量，g/mol。

因此，在氣水兩相流動(dòng)滿足達(dá)西定律的基本假設(shè)下，考慮水合物分解反應(yīng)對(duì)質(zhì)量和能量方程的影響，氣、水和水合物的質(zhì)量守恒方程分別表示為

(5)

(6)

(7)

式中：?為梯度算子(在空間各方向上的全微分)；φ為孔隙率；k為相對(duì)滲透率；ρ為密度，kg/m3；p為壓力，Pa；μ為黏度，Pa·s；S為飽和度；m為單位時(shí)間單位體積水合物藏分解產(chǎn)生的水、氣和分解掉的水合物，kg/m3/s；下標(biāo)w表示水；下標(biāo)g表示氣，下標(biāo)h表示水合物。

2.1.3 水合物分解的能量守恒方程

采用體積平均方法和局部熱平衡模型建立水合物藏能量守恒方程，即認(rèn)為水合物多孔介質(zhì)內(nèi)每一個(gè)表征單元內(nèi)巖石骨架、水合物、水和氣處于同一溫度，表征單位內(nèi)流體和固體之間不存在熱量交換，在此假設(shè)下建立的能量守恒方程表示為式(8)。方程等號(hào)左邊為系統(tǒng)各組分(巖石、水、氣體、水合物)的熱量瞬態(tài)變化項(xiàng)和由于水和氣的流動(dòng)引起的熱量變化(對(duì)流項(xiàng))。等號(hào)右側(cè)為由于系統(tǒng)各組分的熱傳導(dǎo)而引起的熱量變化(擴(kuò)散項(xiàng))，第二項(xiàng)和第三項(xiàng)分別代表水合物分解熱和外部供應(yīng)熱量。

φShρhch]T}+?[(vwρwcw+vgρgcg)T]=

?{[(1-φ)λr+φSwλw+φSgλg+

φShλh]?T}-mhΔHh+Qin

(8)

式(8)中：v為達(dá)西速度，m/s；c為比熱容，J/kg/K；λ為導(dǎo)熱系數(shù)，W/m/K；T為溫度，K；Qin為外部注熱量，W/m3；t為時(shí)間，s；下標(biāo)w表示水；下標(biāo)g表示氣，下標(biāo)h表示水合物。

2.2 水合物藏開采數(shù)學(xué)模型優(yōu)化研究

水合物開采過程是一個(gè)多相多組分、多尺度(納米、孔隙及場(chǎng)地尺度)、多物理場(chǎng)耦合(熱-流-力-分解反應(yīng))的復(fù)雜物理過程，影響因素眾多，影響機(jī)理復(fù)雜。例如鹽分、抑制劑、氣體(甲烷、N2、H2S、CO2)以及冰相，這些因素影響水合物分解反應(yīng)和流動(dòng)傳熱過程，鹽分、抑制劑改變水合物相平衡曲線，鹽分、抑制劑、氣體在水中的溶解擴(kuò)散作用，抑制劑和鹽分對(duì)水的熱物性和冰形成的影響以及冰相形成對(duì)儲(chǔ)層滲透率的影響等。另外巖石、水合物、冰的可壓縮性，巖石性質(zhì)的均勻性和各向異性，均對(duì)儲(chǔ)層開采過程中儲(chǔ)層變形和力學(xué)沉降產(chǎn)生影響[22]。

水合物開采數(shù)值模型經(jīng)歷了30多年的發(fā)展，包括最初的降壓開采模型、加熱開采模型到后來的抑制劑開采等多種開采方法的數(shù)學(xué)模型。Holder[23]提出最早的單相氣體降壓模型，模擬有下伏氣層的水合物藏開采過程溫度和壓力三維分布，Burshears[24]進(jìn)一步提出了三維氣水兩相模型。Yousif[25]建立了三相(氣、水、水合物)一維解析數(shù)學(xué)模型，模型中考慮了分解動(dòng)力學(xué)以及分解水對(duì)相對(duì)滲透率變化的影響。Sun等[26]進(jìn)一步考慮水合物降壓分解過程中地層絕對(duì)滲透率變化，并考慮到鹽相和冰相對(duì)分解過程的影響。加熱開采模型最為重要的是多相流體的熱傳遞過程的數(shù)學(xué)描述。McGuire[27]基于熱傳導(dǎo)提出一維注熱開采模型的解析解，計(jì)算不同的熱流體注入溫度、孔隙度、滲透率和生產(chǎn)壓差以及裂縫長(zhǎng)度對(duì)水合物藏產(chǎn)氣量的影響。Selim[28]在此基礎(chǔ)上考慮氣體流動(dòng)和熱傳導(dǎo)過程得到加熱開采解析解。Moridis等[29]采用數(shù)值方法對(duì)水合物分解過程中的三維氣水兩相對(duì)流傳熱過程進(jìn)行了研究。Moridis等[30-31]在TOUGH2非等溫多相多組分滲流傳熱模擬器中加入了水合物分解模塊，并進(jìn)一步完善數(shù)學(xué)模型，可以對(duì)水合物藏在降壓法、加熱法、注化學(xué)劑等各種開采方式下的生產(chǎn)動(dòng)態(tài)進(jìn)行模擬。

中國(guó)對(duì)水合物開采數(shù)學(xué)模型的研究起步較晚，喻西崇等[32]獲得了降壓法開采水合物地層中壓力和溫度的分布方程和天然氣產(chǎn)量方程。李淑霞等[33]模型考慮氣、水、水合物三種組分和氣水兩相滲流過程，建立水合物開采的一維降壓數(shù)學(xué)模型。2009年，白玉湖等[34]進(jìn)行了降壓法開采海洋水合物藏的數(shù)值模擬，模型中考慮了氣-水-水合物-冰相多相滲流，水合物分解動(dòng)力學(xué)、水合物相變，熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流等的影響。加熱開采水合物的數(shù)值模擬研究方面，唐良廣等[35]將水合物在加熱狀態(tài)下的分解過程看作一個(gè)移動(dòng)界面問題，分別建立了分解區(qū)和水合物區(qū)的傳熱模型，提出了加熱開采水合物的一維解析數(shù)學(xué)模型。杜慶軍等[36]在考慮水合物分解動(dòng)力學(xué)機(jī)理和儲(chǔ)層滲透率變化的基礎(chǔ)上，建立了水合物加熱開采的三維氣水兩相滲流傳熱過程的數(shù)學(xué)模型包括物質(zhì)守恒方程、能量守恒方程、分解動(dòng)力學(xué)方程及輔助方程的水合物注熱開采數(shù)學(xué)模型。王麗娜[37]、李淑霞等[38]進(jìn)一步考慮了加熱開采過程中滲流過程中水的流動(dòng)和水合物二次生成的影響以及水合物儲(chǔ)層與上下圍巖的能量交換。

目前國(guó)際上比較知名的天然氣水合物模擬器，包括美國(guó)勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的TOUGH+HYDRATE[39]和HydrateResSim[40]，可對(duì)降壓法、注熱法、注抑制劑法進(jìn)行模擬，并采用Mallik試采數(shù)據(jù)進(jìn)行了模型的驗(yàn)證和校準(zhǔn)。日本石油工程公司、國(guó)家先進(jìn)工業(yè)科學(xué)技術(shù)研究所和東京大學(xué)共同開發(fā)的MH21-HYDRES，為日本水合物研究項(xiàng)目MH21研發(fā)的模擬器，其數(shù)學(xué)模型包含四相(氣相、水相、冰相、水合物相)五組分(甲烷、N2、水、甲醇、鹽)，已應(yīng)用于日本南海海槽水合物藏開采模擬與分析[41]。美國(guó)西北太平洋國(guó)家實(shí)驗(yàn)室在水合物軟件STOMP-HYD中添加了CO2組分并考慮了CO2水合物生成和分解動(dòng)力學(xué)，因而多被用于阿拉斯加北坡天然氣水合物藏CO2置換開發(fā)的模擬研究中[42]。加拿大卡爾加里大學(xué)Hydrsim Simulator模擬水合物儲(chǔ)藏的模型包括氣水兩相流方程、導(dǎo)熱、對(duì)流傳熱以及水合物的動(dòng)力學(xué)分解模型，可用于模擬下覆有自由氣的水合物藏[43]。中外一些學(xué)者也曾基于油氣模擬軟件CMG-STARS[44]、計(jì)算流體力學(xué)軟件Fluent[45]拓展適用于水合物開采的數(shù)值模型。Uddin等[44]采用CMG軟件STARS模塊對(duì)Mallik 2007—2008年試采項(xiàng)目中獲得的井底壓力、產(chǎn)氣速度和產(chǎn)水速度進(jìn)行了擬合并對(duì)長(zhǎng)期開發(fā)的產(chǎn)能進(jìn)行了預(yù)測(cè)。

中國(guó)天然氣水合物藏開發(fā)數(shù)值模擬研究工作起步較晚，但隨著近年來天然氣水合物研究工作的持續(xù)推進(jìn)，模擬器的研發(fā)也有了一些進(jìn)展。吉林大學(xué)借鑒其改進(jìn)的模擬器TOUGH2Biot，在TOUGH+HYDRATE模擬器的基礎(chǔ)上結(jié)合Biot固結(jié)模型，建立了適用于天然氣水合物開采模擬的熱-流-力(THM)模擬器，并研究了南海神狐地區(qū)水合物沉積物采氣過程中的地質(zhì)力學(xué)響應(yīng)[46]。青島海洋地質(zhì)研究所開發(fā)的QIMG-THMC模擬器等[47]，基于非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，采用有限元求解熱-流-固-化(THMC)四場(chǎng)耦合數(shù)學(xué)模型，研究南海天然氣水合物開采過程地層應(yīng)力分布和沉降特征。

綜述以上中外水合物開采過程數(shù)學(xué)模型優(yōu)化及模擬器研發(fā)可知，現(xiàn)有水合物開采數(shù)學(xué)模型已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)降壓、注熱、抑制劑等多種開采方法和復(fù)雜影響因素作用下水合物藏開采過程的準(zhǔn)確描述，但在以下方面的研究還較少。

(1)現(xiàn)有研究中水合物藏常用儲(chǔ)層為均質(zhì)模型，對(duì)孔隙裂隙型以及非均質(zhì)水合物儲(chǔ)層研究較少，對(duì)于非均質(zhì)性較強(qiáng)的較大尺度范圍內(nèi)的水合物藏適用性較差，尤其是針對(duì)水合物三維地質(zhì)模型的網(wǎng)格兼容、計(jì)算收斂性和速度需要進(jìn)一步優(yōu)化。

(2)現(xiàn)有的熱-流-力-分解反應(yīng)全耦合模型模擬器，但其模擬結(jié)果的可靠性以及算法的魯棒性等方面還有待驗(yàn)證。對(duì)于大幅度降壓帶來的儲(chǔ)層應(yīng)力場(chǎng)變化，進(jìn)而導(dǎo)致大量出砂[48]以及儲(chǔ)層不穩(wěn)定導(dǎo)致海底滑坡、氣體泄漏等安全問題[49]研究不足。

(3)缺乏水合物儲(chǔ)層與井筒耦合數(shù)學(xué)模型相關(guān)研究，無法實(shí)現(xiàn)水合物藏開采過程中井筒與管道內(nèi)多相流狀態(tài)下的水合物再生成風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)一體化分析。

2.3 基于數(shù)值模擬的水合物開采規(guī)律研究

現(xiàn)階段天然氣水合物數(shù)值模擬技術(shù)進(jìn)展來看，一方面天然氣水合物分解相變與多場(chǎng)耦合的數(shù)學(xué)模型和新的模擬器仍在深入研究；另一方面TOUGH+HYDRATE由于其模型考慮因素全面，計(jì)算魯棒性較好，已經(jīng)成為目前中外科學(xué)研究和工程應(yīng)用最為常用的水合物數(shù)值模擬器，用于世界各地天然氣水合物藏目標(biāo)研究區(qū)塊的開采效果模擬和產(chǎn)能預(yù)測(cè)。

在水合物降壓開發(fā)方面，Moridis等[50-53]利用TOUGH+HYDRATE模擬器對(duì)加拿大Mallik凍土區(qū)、韓國(guó)東部海域郁陵盆地、美國(guó)阿拉斯加北坡、印度克利須那河-哥達(dá)瓦里河盆地(K-G盆地)等地區(qū)的天然氣水合物藏開采潛力進(jìn)行了數(shù)值模擬，評(píng)價(jià)目標(biāo)區(qū)天然氣水合物藏降壓法開采的技術(shù)可行性和預(yù)測(cè)產(chǎn)氣產(chǎn)水量。Yu等[54]、Feng等[55]基于TOUGH+HYDRATE模擬器對(duì)日本南海海槽天然氣水合物藏降壓開發(fā)的效果進(jìn)行了模擬研究并探討了滲透率各向異性、雙直井、水平井開發(fā)對(duì)產(chǎn)氣規(guī)律的影響。中科院廣州能源所采用TOUGH+HYDRATE模擬器對(duì)南海神狐海域天然氣水合物藏直井、水平井降壓開采進(jìn)行了數(shù)值模擬，并開展了關(guān)鍵參數(shù)的敏感性分析[56-58]。孫嘉鑫[59]、袁益龍[60]基于TOUGH+HYDRATE模擬器評(píng)價(jià)了中國(guó)南海神狐海域水合物藏的降壓開發(fā)潛力、力學(xué)響應(yīng)特性和出砂風(fēng)險(xiǎn)。針對(duì)中國(guó)陸地凍土區(qū)天然氣水合物藏，李冰[61]采用TOUGH+HYDRATE對(duì)祁連山凍土區(qū)天然氣降壓試采進(jìn)行了數(shù)值模擬。上述研究均表明雖然降壓法投入最少，是目前最有可能實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的開發(fā)方式，但單一降壓法產(chǎn)能較低，難以達(dá)到商業(yè)化開采所需的產(chǎn)能要求，因而大量學(xué)者基于TOUGH+HYDRATE模擬器，對(duì)加熱法提高天然氣水合物藏產(chǎn)能的技術(shù)可行性進(jìn)行了模擬分析。Moridis[62]開展了加拿大Mallik地區(qū)水合物藏?zé)崴?qū)開發(fā)的數(shù)值模擬，結(jié)果表明隨著注入水溫和注入速率的增加，可供地層中水合物分解的熱量增加，產(chǎn)氣量也隨之增加。Liu等[63]對(duì)天然氣水合物直井注熱、分段水平井開采的開發(fā)模式進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，并開展了降壓轉(zhuǎn)注熱的時(shí)機(jī)以及注熱參數(shù)等的優(yōu)化，結(jié)果表明采用分段水平井進(jìn)行熱激法開發(fā)的產(chǎn)能明顯高于常規(guī)水平井的產(chǎn)能。夏志增等[64-65]采用HydrateResSim針對(duì)不同類型天然氣水合物藏降壓和注熱結(jié)合開發(fā)的效果開展了數(shù)值模擬研究，結(jié)果表明含有下伏氣層的Ⅰ類水合物藏采用加熱法開發(fā)的能效高于Ⅱ類和Ⅲ類水合物藏。金光榮等[66]對(duì)一口注熱水平井和兩口降壓水平井組合開發(fā)天然氣水合物藏的效果進(jìn)行了模擬研究，結(jié)果表明注熱后的產(chǎn)能約為單一降壓開發(fā)的2倍。

除了常規(guī)的降壓法和加熱法開發(fā)天然氣水合物藏的數(shù)值模擬研究外，眾多學(xué)者通過對(duì)TOUGH+HYDRATE軟件代碼的二次開發(fā)或與其他軟件的耦合實(shí)現(xiàn)了對(duì)特定問題的模擬。Liu等[67-68]將TOUGH+HYDRATE與井筒傳熱模型進(jìn)行了耦合，研究了利用水平井換熱法以及自流注水法獲取地?zé)崮芴岣咛烊粴馑衔锊禺a(chǎn)能的技術(shù)可行性。此外，該團(tuán)隊(duì)還將TOUGH+HYDRATE與粒子群優(yōu)化算法進(jìn)行了耦合，對(duì)五點(diǎn)法井網(wǎng)開發(fā)含底水的II類水合物藏的轉(zhuǎn)注時(shí)機(jī)、注熱溫度、注熱量等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化研究[63]。張懷文等[48]將分別將TOUGH2模擬器、TOUGH+HYDRATE模擬器與Biot地質(zhì)力學(xué)計(jì)算模塊進(jìn)行了耦合，用于研究天然氣水合物藏開發(fā)過程中的地質(zhì)力學(xué)變化。

3 水合物藏開采數(shù)值模擬發(fā)展趨勢(shì)

從全球來說，保持井底和儲(chǔ)層穩(wěn)定，加強(qiáng)環(huán)境監(jiān)測(cè)和風(fēng)險(xiǎn)控制的前提下，提高天然氣水合物產(chǎn)能，探索安全、有效、經(jīng)濟(jì)、可持續(xù)的水合物增產(chǎn)技術(shù)是天然氣水合物開發(fā)的前沿創(chuàng)新技術(shù)方向。中國(guó)南海水合物儲(chǔ)層膠結(jié)性差、地層強(qiáng)度弱、滲透率低，因此水合物開采日均產(chǎn)量低，分解后大多沒有巖石骨架支撐，開采過程中容易出現(xiàn)井壁不穩(wěn)定、井內(nèi)出砂乃至地層沉降等狀況。水合物分解和產(chǎn)物運(yùn)移受溫度、壓力、組分、儲(chǔ)層物性等眾多因素控制和影響，在開采中必須精準(zhǔn)、實(shí)時(shí)對(duì)水合物分解和產(chǎn)物運(yùn)移進(jìn)行調(diào)控，才能實(shí)現(xiàn)有效安全地開采。

以數(shù)值模擬、室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)與野外試采實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的研究手段，圍繞多相多組分、多尺度(納米、孔隙及場(chǎng)地尺度)、多物理場(chǎng)耦合(熱-流-力-分解反應(yīng))的科學(xué)問題，探究天然氣水合物分解規(guī)律、多相多組分流動(dòng)傳熱傳質(zhì)及力學(xué)不穩(wěn)定性機(jī)理，進(jìn)一步完善多物理場(chǎng)全耦合數(shù)學(xué)模型和高效求解方法，研發(fā)天然氣水合物地層變形模塊、儲(chǔ)層改造模塊、出砂預(yù)測(cè)模塊等，形成適用于大尺度、非均質(zhì)、支持復(fù)雜三維地質(zhì)模型和井型開采的天然氣水合物動(dòng)態(tài)開發(fā)數(shù)值模擬軟件技術(shù)，為今后試采工程方案設(shè)計(jì)優(yōu)化提供技術(shù)手段。

天然氣水合物藏開發(fā)過程中近井地帶壓力快速降低，水合物分解大量吸熱導(dǎo)致井筒附近儲(chǔ)層和井筒內(nèi)的溫度接近水合物的相平衡溫度，生產(chǎn)過程中若臨時(shí)關(guān)?；蛲蝗粶p小生產(chǎn)壓差則井筒內(nèi)壓力可在短時(shí)間內(nèi)上升至相平衡壓力之上進(jìn)而發(fā)生井筒內(nèi)水合物的二次生成，尤其采用水平井開發(fā)時(shí)當(dāng)水合物生成速率較大時(shí)易發(fā)生井筒堵塞進(jìn)而影響開發(fā)安全。因此，需要在水合物分解相變與沉積機(jī)理的基礎(chǔ)上，耦合井筒與管道多相流模型，實(shí)現(xiàn)水平井筒和管道內(nèi)水合物二次生成區(qū)域和速率的實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)，一方面為井筒舉升工藝優(yōu)化提供技術(shù)支撐，另一方面為抑制劑的注入工藝提供基礎(chǔ)參數(shù)，保障天然氣水合物藏的安全可持續(xù)開發(fā)。開發(fā)儲(chǔ)層水合物分解反應(yīng)-熱-流-力多場(chǎng)與井筒全耦合數(shù)值模型，實(shí)現(xiàn)天然氣水合物試開采一體化數(shù)值模擬技術(shù)。在此基礎(chǔ)上發(fā)展天然氣水合物開發(fā)輸送系統(tǒng)耦合機(jī)制與集成方法，形成開發(fā)輸送一體化精細(xì)評(píng)價(jià)、系統(tǒng)化優(yōu)化設(shè)計(jì)、規(guī)?；咝О踩_發(fā)利用平臺(tái)，為未來發(fā)展高效安全水合物藏開發(fā)系統(tǒng)和實(shí)現(xiàn)商業(yè)化開發(fā)提供基礎(chǔ)。

4 結(jié)論

詳細(xì)介紹了中外天然氣水合物藏開采現(xiàn)狀、水合物藏開采數(shù)學(xué)模型優(yōu)化研究、天然氣水合物開采數(shù)值模擬應(yīng)用進(jìn)展，分析了數(shù)值模擬研究的核心問題、取得的進(jìn)展以及當(dāng)前亟需解決的瓶頸問題，并指出水合物藏開采數(shù)值模擬發(fā)展趨勢(shì)，得到以下結(jié)論。

(1) 明確復(fù)雜因素耦合作用下水合物分解動(dòng)力學(xué)機(jī)理，建立多尺度下多相多組分的熱-流-力-分解反應(yīng)全耦合數(shù)學(xué)模型，加強(qiáng)對(duì)水合物開采過程中分解相變與儲(chǔ)層不穩(wěn)定性分析，對(duì)于實(shí)現(xiàn)水合物安全有效開采具有重要作用。

(2) 基于精細(xì)三維地質(zhì)模型的大尺度、非均質(zhì)的天然氣水合物動(dòng)態(tài)開發(fā)數(shù)值模型和高效求解技術(shù)的研究至關(guān)重要，目前天然氣水合物數(shù)值模擬器尚不能滿足大規(guī)模工程需求。

(3)開發(fā)儲(chǔ)層水合物儲(chǔ)層、井筒和管道全流程數(shù)值模擬技術(shù)，實(shí)現(xiàn)天然氣水合物試開采一體化方案優(yōu)化，是未來天然氣水合物中長(zhǎng)期試采乃至商業(yè)化開采的基礎(chǔ)。