1、202311基础研究42Modern Chemical Research当代化工研究祁连山冻土区水合物多井系统降压联合热盐水增产数值模拟张婷婷1,2 李波1,2*韦文娜1,2（1.重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室 重庆 4000442.重庆大学资源与安全学院 重庆 400044）摘要：基于模拟软件TOUGH+HYDRATE对祁连山冻土区水合物藏的产气行为进行数值研究，采用五点水平井降压联合热盐水注入开采水合物藏，分析了储层关键物性参数的空间演化规律和产气产水以及能量效率等的变化规律。结果表明，生产前期热盐水的注入加快了产气速率。但后期热盐水可流经储层从生产井产出，限制了抑制剂在储层中
2、的作用范围，使得水合物主要在降压和热刺激的作用下分解，产气速率也随之降低。此外，热盐水的注入可有效避免因二次水合物和冰的生成而抑制产气的现象。关键词：天然气水合物；数值模拟；热盐水增产；降压；水平井中图分类号：TE 文献标识码：ADOI：10.20087/ki.1672-8114.2023.11.013Numerical Study on Hot Brine Stimulation Combined Depressurization of Hydrate Reservoirs in a Multi-Well System in Permafrost Area of Qilian Mountai
3、nZhang Tingting1,2,Li Bo1,2*,Wei Wenna1,2(1.State Key Laboratory of Coal Mine Disaster Dynamics and Control,Chongqing University,Chongqing,4000442.School of Resources and Safety Engineering,Chongqing University,Chongqing,400044)Abstract：Based on the simulation software TOUGH+HYDRATE,the gas producti
4、on behavior of hydrate reservoirs in the Qilian Mountain permafrost region was numerically studied.The five-point horizontal well depressurization combined with hot brine injection was used to exploit hydrate deposits.The spatial evolution law of key physical parameters of reservoir and the variatio
5、n law of gas,water production and energy efficiency are analyzed.The results show that the injection of hot brine in the early stage accelerates the gas production rate.However,the hot brine can flow directly through the reservoir and be produced from production wells in the later stage,which limits
6、 the diffusion range of inhibitors in reservoir.The hydrate is mainly decomposed under the action of depressurization and thermal stimulation,and the gas production rate is also reduced.Meanwhile,the inhibition of gas production due to the formation of secondary hydrate and ice could be avoided by t
7、he hot brine injection.Key words：natural gas hydrate；numerical simulation；hot brine stimulation；depressurization；horizontal well1.引言天然气水合物是由水分子和轻质天然气在低温高压下形成的冰状结晶化合物。深海海底和永久冻土区的水合物中蕴含着丰富的甲烷气体，其碳含量约是化石燃料的两倍1。作为最具潜力的非常规能源之一，水合物的开发对能源短缺、气候变化及自然灾害防治等问题有着重要影响2。目前，水合物的开采方法主要有降压、热激法、抑制剂注入及气体置换法3。降压过程中因储层显热
8、的限制易有冰和二次水合物的生成。热注入可以克服解离吸热所带来的问题，但需消耗大量能量4。热力学抑制剂能够通过氢键或静电作用降低液态水的活性，将水合物相平衡条件转移到低温高压区域，降低水合物分解所需热量5。以往的研究表明盐水的注入可提高水合物生产的热效率和能量比6-7。但到目前为止，还尚不清楚祁连山冻土区水合物藏在五点水平井降压联合热盐水注入下的生产机制。此外，实验模拟由于封闭和尺寸的限制使得其在模拟水合物开采过程中具有一定的局限性。而矿场尺度的现场试验成本较高不利于大规模开展。因此，通过数值模拟对水合物藏的产气行为等进行预测是一种不可或缺的重要手段。本研究的主要目的是通过引入五点水平井系统，模
9、拟评估祁连山冻土区水合物藏在降压和热盐水同时作用下的开采效果。通过分析产气产水规律以及关键物性参数的空间演变特征，评估降压联合注热盐水开采方法的增产效果；分析能量效率对该开采方法进行商业可行性评价。2.数值模型的建立(1)数值模拟代码本研究采用由劳伦斯伯克利国家实验室开发的TOUGH+HYDRATE进行数值模拟，包含水合物形成与分解202311基础研究43Modern Chemical Research当代化工研究的动力学和相平衡模型。Li等8对上述两个模型进行验证和对比，认为相平衡模型能够更好地预测水合物分解过程中相关的物理化学特征。因此，本次模拟采用相平衡模型描述水合物藏的生产过程。此外，
10、本次模拟过程中所采用的数学模型详见参考文献8。(2)物理参数、网格划分与初始化模型中所使用的物理参数是根据祁连山冻土区DK-2站位的现场测量数据和一些公开结果确定的9。在模型中，假设甲烷是唯一形成水合物的气体。其中水合物储层在地面以下235m，位于与其具有相同流动性的两个厚度为21.5m的边界层中间。储层的渗透率和孔隙度分别为1mD和0.30。图1（a）显示了水合物矿床中五点水平井的分布位置及其整体结构。如图1（b）所示，五口井因对称性只有一半生产井起到生产流体的作用。假设水平井沿y轴的性质一致，只需模拟y=1m的水合物储层。图1（b）中的二维混合网格由上述区域离散所得，包含13540个单元格
11、。其上下层均是具有恒定热力学性质的非活动边界。水合物储层整个区域的压力和温度及其具体求解方法详见参考文献10。图1(a)水合物矿床中五点井系统的配置；(b)相应的二维离散混合网格3.结果与讨论(1)生产方案在五点水平井的配置下，采用降压联合热盐水注入，从水合物储层中开采天然气。Feng等人7的实验结果表明水合物解离的最佳注入盐度为10%，因此本研究主要对XS=0、3.5%、5.5%和10%这四种不同盐度热盐水的注入情况进行对比分析。(2)产气与产水情况图2显示了累积产气量VP和总产水量MW在不同注入盐度下的变化规律。如图2a显示，VP在整个生产期间持续增加，且前期的增长速率明显高于后续阶段。在
12、早期阶段，由于水合物主要是由降压的作用下分解，因此四条曲线间的差异并不显著。不同盐度下VP的差异是在热盐水开始注入后出现的，随着注入盐度的增加而增加。但随着注入井与生产井间水合物的分解，这四种情况下的差异就会逐渐变小。这是因为注入的热盐水在生产后期能够直接渗流到生产井，降低了抑制剂对远离中心井水合物区域的影响。此外，热盐水在注入过程中，储层中的游离水和水合物分解释放的自由水对盐水有一定的稀释作用（图4），也会降低其增产效用。而MW在整个生产期间几乎随时间呈线性增加，这说明MW对盐度的变化并不敏感。从图中可以看出，当XS=5.5%时与XS=10%时的最终累积产气量和产气在整个生产过程中的变化规律
13、均差异较小，而当盐度较小时更具经济性。因此以XS=5.5%为参考案例进行以下储层关键物性参数的空间演变分析。图2(a)CH4累积产气量VP和(b)累积产水量MW在不同注入盐度下的演变规律(3)水合物饱和度SH的空间分布图3 整个生产过程中SH的空间分布演变（参考组）图3显示了SH空间分布随时间的演变。水平井周围的水合物首先解离，分解反应主要发生在五个圆柱形界面上。四口生产井周围水合物的解离速度相较于注入井更快，这说明降压对水合物分解的影响更大。此外，注入井周围存在大量二次水合物的生成，主要是因为该区域游离气聚集，局部压力和温度满足水合物的形成条件。这也是产气速率在该期间下降的主要原因（图2a）
14、。随着注入井与生产井周围水合物分解直至贯通，热盐水可直接流经储层从生产井中产出，使得其增产效果减弱。本次注热盐水与之前注热水的研究10存在一定的不同，注热水由于压力的升高抑制了注入井周围水合物的分解，而在热盐水注入过程中虽202311基础研究44Modern Chemical Research当代化工研究有二次水合物的生成但并不存在抑制水合物分解的现象，这说明抑制剂的注入使得水合物在高压下也能有效分解。(4)盐度XS的空间分布图4显示了XS空间分布随时间的演变过程。在图4（a）中，注入井周围的盐度呈现阶梯式的递减，这可归因于水合物分解释放的游离水和储层中自由水的稀释作用。随着热盐水的持续性注入
15、，盐度所覆盖的范围逐渐扩大，但最终所覆盖的区域主要位于四口生产井中间的位置。这是因为注入井与生产井之间水合物的解离，使得热盐水能够直接从生产井中产出，减小了热盐水在储层中的扩散范围。意味着后期大部分未离解水合物主要是在降压和热刺激的作用下分解，抑制剂发挥的效用并不大。图4 整个生产过程中XS的空间分布演变（参考组）(5)冰SI的空间分布演变图5显示了SI空间分布随时间的演变过程。在整个生产过程中，只有生产初期的四口生产井周围有冰的形成。这主要是因为开采初期急剧降压下水合物分解消耗了大量的储层显热。随着热盐水的注入，水合物逐渐分解使得热盐水能够有效的转移到冰生成的区域，使得在生产后期储层中都未有
16、冰的形成。因此热盐水的注入可以有效避免冻土区水合物开采过程中冰的形成可能造成储层渗透率下降或开采井堵塞等问题。图5 整个生产过程中SI的空间分布演变（参考组）4.结论（1）热盐水的注入可加快水合物的分解速率。但随着注入井与生产井之间水合物阻碍作用的减弱，热盐水在水合物储层中的增产效用逐渐减小，使得产气速率在生产后期逐渐降低。一般来说，当注入盐度越大，对提升产气性能更有利；但由于热盐水在储层中的扩散范围有限以及自由水对盐水的稀释作用，使得这一优势在后期逐渐变弱。产水量对盐度的变化则不敏感。（2）在生产过程中虽有二次水合物生成但并不存在抑制水合物解离的现象，这说明抑制剂能够降低水合物相平衡条件。此外，热盐水的注入还可以有效避免冰的形成。本次模拟结果说明热盐水的注入可有效开采冻土区水合物藏，且盐水在储层中的扩散范围有限可有效避免其对地质环境的影响，为日后的商业化开采提供参考。【参考文献】1DEMIRBAS A,REHAN M,AL-SASI B O,et al.Evaluation of natural gas hydrates as a future methane sourceJ.Pet
