天然气水合物开采套管柱技术状态研究

在天然气水合物开采过程中,由于天然气水合物的分解,会引起井周地层物理力学性质和压力的变化,从而产生扩径、井场地基失稳(钻井平台失稳)、注水泥工作质量低下(套管失稳)、套管柱挤压、钻杆和套管卡夹、天然气泄漏等一系列复杂情况,会严重影响固完井质量、生产和环境。因此,高效、先进的完井固井质量,特别是套管技术状态的检测技术是开采天然气水合物的关键技术之一。俄罗斯井中地球物理研究所研制的小口径电磁探伤仪ЭМДС-ТМ-42TC可以准确地检测出套管柱的技术状态,已经在许多国家使用,取得了较好的应用效果。介绍了在套管柱损伤情况研究方面的进展以及ЭМДС-ТМ-42TC小口径电磁探伤仪的技术特性和应用情况。     

钻井液侵入时水合物近井壁地层物性响应特征

目前,国内外学者对钻井液侵入水合物地层的室内实验模拟研究停留在较小尺度上且可靠性难以验证,尚需利用与实际地层物性参数较为贴近的沉积物模型, 开展大尺度的实验模拟,为改善水合物地层钻井过程中钻井液工艺和测井准确识别与评价水合物储层提供依据.根据墨西哥湾水合物地层主要物性参数指标压制了相应的人造岩心,进行了人造岩心钻井液侵入实验.结果表明:水合物在加热分解过程中,温度与压力呈上升趋势,而电阻率先升高后下降,水合物相平衡条件不仅与温压条件有关,还受孔隙水盐度不断变化的影响。钻井液侵入岩心过程中,压力的传递速率快于热量的传递,易使原始岩心孔隙中的水、气在压力升高而温度尚未改变的情况下生成二次水合物.钻井液温度是水合物分解的主要因素,而压差有利于提高孔隙水压力,保持水合物的稳定.高密度钻井液虽有利于形成高压差和抑制水合物在钻井液中形成,但也会导致钻井液低侵并使井周水合物更易分解.因此,在实际水合物地层钻井中,为了减少钻井安全事故,应在安全密度窗口范围内尽可能提高钻井液密度,选用温度较低的钻井液并加入一定量的动力学抑制剂或防漏失剂.电阻率测井应该选用随钻测井方式或者深侧向测井值,从而避免因水合物分解导致的测井失真.      

水合物储层伺服降压开采模型试验研究

深海水合物赋存于一定的温度和压力环境下,降压开采时降压速率对分解产气速率和储层变形特性影响显著。利用浙江大学自主研发的水合物降压开采试验装置,通过伺服控制降压速率,初步开展了水合物储层模型降压开采试验,研究了储层温度场、孔压场、产气量等的响应特性,探讨了降压速率对产气效率和储层变形特性的影响规律。试验表明：水合物竖井降压开采时,开采井周围储层温度率先下降,分解域由井周逐步向周围发展。适当提高降压速率能够提高储层开采效率,但降压速率过快时易导致水合物重生成,反而不利于水合物高效持续稳定开采,开采时应选择合理的降压速率以达到最优产气效率。开采过程中根据储层孔隙与外界连通程度,储层孔隙状态可分为完全封闭型、局部封闭型和开放型3种类型。储层开采试验完成后,浅层土体出现 3 种不同变形特征的区域：I 区为井周土层,呈漏斗型下陷;II 区土层平坦,无明显扰动痕迹;III 区为边界土层,该处水气产出受阻导致部分气体向上迁移引起土丘状隆起带出现。这些变形特征与气体在储层中的迁移路径和运移模式相关。通过相似性分析,给出了模型与原型分解时间和产气量等的对应关系。     

低孔渗储层井周油藏侵入模拟及阵列感应电阻率校正方法

泥浆滤液侵入渗透性地层会改变井周地层流体的原始分布状态,使井周地层电阻率发生变化、储集层电测井响应失真。本文基于油水两相渗流理论和水对流扩散理论,应用数值模拟方法构建地层模型,研究低渗储层泥浆侵入过程中井周地层矿化度、含水饱和度、电阻率变化特征及井周油藏分布特征。对不同渗透率地层泥浆侵入的数值模拟结果表明:在低渗透储层,相同侵入时间内,随着地层渗透率的增加,泥浆侵入深度增加,且同一侵入深度的含油饱和度减小;随着侵入时间的增加,井周地层水矿化度、含水饱和度和地层电阻率的侵入剖面前缘均发生明显的变化。结合3口井的泥浆侵入数值模拟分析,发现阵列感应测井响应特征及其电阻率的幅度差异受泥浆侵入时间和侵入深度影响。不同流体性质层段的井周油藏动态演化规律模拟结果表明,井周油藏的变化情况与储层流体性质有明显关系。利用实例井侵入模拟结果与阵列感应测井响应的相关性,构建了侵入深度的计算公式;根据侵入阶跃剖面,利用几何因子理论构建了原始地层电阻率计算公式,用以辅助储层电阻率校正。正确认识井周地层泥浆侵入特征及井周油藏的分布情况有助于提高阵列感应测井评价储层的准确性。     

海底水合物矿藏降压开采与甲烷气体扩散过程的数值模拟

在深海条件下采用单井降压法开采的天然气水合物矿藏中,利用TOUGH+HYDRATE软件对其开采过程和甲烷气体扩散过程进行数值模拟。物理模型由上至下依次为上盖层、水合物沉积层和下盖层。将上、下盖层外边界的温度设为恒定,与含水合物沉积层之间有热量和质量交换,数值模型采用二维圆柱坐标网格。模拟结果表明开采过程中井口产气速率是一个升高—降低—波动升高的过程,水合物分解产生的气体有一部分通过上盖层溢出,能在一定程度上增加大气中温室气体的量。开采初期水合物分解速率降低的主要原因是水合物分解产生的甲烷气体在地层中大量累积,开采后期水合物分解速率产生波动的主要原因是发生"气穴现象"。井口附近由于压力变化较快水合物分解最为剧烈,其附近有个低温区存在。上、下盖层附近水合物分解速率也较快。     

近井储层改造对天然气水合物藏降压开采特性影响的数值模拟研究

本文基于我国第一轮海域天然气水合物试采地质模型,利用Tough+Hydrate对近井储层改造后的水合物藏进行降压开采模拟研究。探究了多孔骨架渗流通道对气/水输送、压降传播、水合物分解等的影响机制,评估了近井储层改造在不同开采层位和整个开采过程中对产能提高的贡献大小。模拟结果表明：多孔骨架渗流通道内气/水流速高,可以起到导流、防砂的作用;近井储层改造可促进压降传播,加快水合物分解,但骨架通道的增产作用随开采时间增加逐渐减弱;近井储层改造在不同开采层位起到的增产效果不同,三相层中的增产效果最明显,但由于模拟改造范围较小、形成的多孔骨架渗流通道渗透性较低,增产效果不明显,多孔骨架渗流通道高度为50 cm时,2年产气量仅提高11.7%。     

深水油气固井水合物储层物性响应与高压气水反侵研究

固井作业是能源开采过程中的一道重要工序,当深水油气固井遇到水合物地层时,固井水泥浆水化放热会引起近井壁储层中水合物分解和产生高压气水反侵,从而严重影响固井质量,甚至导致固井报废和井壁失稳,为减小和避免水合物分解的不利影响,明确不同固井工艺条件下水合物储层的物性响应和高压气水反侵规律是关键。以南海神狐海域水合物钻探工程GMGS-1中SH2站位勘探井为研究对象,建立固井二维数值模型,采用TOUGH+HYDRATE数值模拟软件再现固井水泥浆侵入和水化过程,分析过程中近井壁储层物性响应规律,得出南海水合物储层不同固井压差与水泥浆放热速率条件下高压气水反侵的临界条件判别曲线,并创新性地采用“连续分段模拟”思路解决水泥浆的动态放热问题。结果表明:水泥浆初凝之前主要可分为诱导、分解和二次水合物生成3个阶段;侵入行为主要发生在保压时期,当压力卸去后侵入深度基本不再增加;水化放热造成的温度升高导致水合物大量分解,产生的高压气水向四周运移,而压力卸去之后,高压气水向环空方向反侵的趋势更加明显;水化放热速率越大,固井压差越小,气水反侵发生的可能性越大,发生时间越早。对于浅部水合物储层,降低固井水泥浆水化热可有效减少反侵现象的发生,提高固井质量,而对于埋藏较深的储层可在破裂压力范围内同时使用较高的固井压差。本研究对水合物地层固井工艺参数优选具有良好的指导和借鉴作用。      

水合物分解对钻井液侵入影响的一维数值模拟研究

海洋含水合物地层往往是具有渗透性的多孔介质体,钻井过程中钻井液不可避免地会与它发生能量和物质交换,水基钻井液驱替侵入水合物地层和温差下热传导导致的水合物分解这二者是耦合在一起的,其侵入可描述为一个包含相变的非等温非稳态渗流扩散过程。在综合分析钻井液侵入含水合物地层特性的基础上,结合水合物开采数值模拟以及常规油气藏钻井液侵入模型,建立了一维径向钻井液侵入含水合物地层的侵入模型。利用编程,分析了钻井液侵入水合物地层时地层压力、各相饱和度和温度的分布规律。     

注蒸汽开采冻土区天然气水合物数值计算与野外应用

试开采研究是天然气水合物从理论研究走向商业化开采的必经之路。提出的注蒸汽开采是一种综合开采方法,是在降压开采的基础上,往孔内注入热蒸汽对水合物目标开采层进行激振往复式热激发。注蒸汽开采能够避免“自保护效应”,促进水合物进一步分解,理论上能够扩大开采范围、提高产气量。利用FLUENT数值模拟软件对蒸汽加热水合物层动态过程进行数值计算,通过模拟计算结果对比分析,在满足开采要求的前提下确定最佳的注蒸汽功率为20 kW,注热时长为38 h。在青海木里盆地天然气水合物试采项目中,注蒸汽开采进行了5.2 h开采试验,产气量为3.25 m3。     

天然气水合物地层渗透率研究进展

天然气水合物开采涉及传热、水合物分解相变、多相渗流和地层变形4个物理过程。多相渗流过程伴随着对流传热,影响传热效率;多相渗流过程影响孔隙压力的消散速率,引起有效应力改变而影响地层变形;多相渗流过程影响传热的效率和孔隙压力的消散速率,使温度和压力条件发生变化,影响水合物的分解。多相渗流过程中,某相流体的有效渗透率不仅与该相流体的饱和度有关,还与地层绝对渗透率有关。地层绝对渗透率是多相渗流过程的关键参数之一。概述不同贮存状态水合物、地层孔隙率、水合物饱和度和地层有效应力对地层绝对渗透率影响的研究内容。以国内外天然气水合物地层绝对渗透率研究成果为基础,将来的研究重点主要包括粉细砂、黏土类地层和各向异性地层多相渗流研究,以及地层有效应力对绝对渗透率影响研究。     

Experimental study on characteristics of pore water conversion during methane hydrates formation in unsaturated sand

Understanding the pore water conversion characteristics during hydrate formation in porous media is important to study the accumulation mechanism of marine gas hydrate. In this study, low-field NMR was used to study the pore water conversion characteristics during methane hydrate formation in unsaturated sand samples. Results show that the signal intensity of T₂ distribution isn’t affected by sediment type and pore pressure, but is affected by temperature. The increase in the pressure of hydrogen-containing gas can cause the increase in the signal intensity of T₂ distribution. The heterogeneity of pore structure is aggravated due to the hydrate formation in porous media. The water conversion rate fluctuates during the hydrate formation. The sand size affects the water conversion ratio and rate by affecting the specific surface of sand in unsaturated porous media. For the fine sand sample, the large specific surface causes a large gas-water contact area resulting in a higher water conversion rate, but causes a large water-sand contact area resulting in a low water conversion ratio (C_w=96.2%). The clay can reduce the water conversion rate and ratio, especially montmorillonite (C_w=95.8%). The crystal layer of montmorillonite affects the pore water conversion characteristics by hindering the conversion of interlayer water.©2022 China Geology Editorial Office.     

含天然气水合物沉积物分解过程的有限元模拟

温度和压力的变化会引起含天然气水合物沉积物的分解,其过程伴随着相态转换、孔隙水压力和气压力耗散、热传导、骨架变形等过程的相互耦合作用。基于多孔介质理论建立了描述含天然气水合物沉积物分解过程的数学模型,考虑了水合物分解产生的水、气流动、水合物相变和分解动力学过程、热传导、骨架变形等过程的耦合作用。基于有限元法,建立了模拟水合物分解过程的数值模型,并编制了计算机分析程序。通过对降压法和升温法开采过程的数值模拟,揭示了在水合物分解过程中沉积物储层的变形、压力、温度等因素的变化规律。结果表明：降压法和升温法都会导致储层变形以及产生超孔隙压力,但两种方法作用效果不同;同时,水合物分解过程包含渗流及热传导作用。     

LG地区雷口坡组风化壳储层气水分布规律与测井识别

LG地区雷口坡组风化壳储层气水关系复杂,常规测井识别气、水层可靠性差,一定程度上影响了该区的勘探开发工作。为此,对气水组分特征、气水分布规律与气水测井识别方法等进行了系统研究。结果表明:天然气以甲烷为主,不含或微含H2S,气源来自上覆须家河组;地层水矿化度较高、变化范围较大,为封闭条件下与外界隔绝的残余水;气水关系复杂,无统一的气水界面;纵向上气水关系与所处地腹构造部位有关;气水分布规律受储层残余厚度与地腹构造的双重影响;常规电阻率绝对值法、三孔隙度交会法识别流体性质存在局限性,采用纵横波速度比值法、判别分析方法能有效识别气、水层,新的气、水层识别技术基本可以满足生产需要。     

Numerical Simulation Study on the Effect of Horizontal Well Reservoir Stimulation for Gas Hydrate Production

A new gas hydrate reservoir stimulation method of in-situ fracturing with transient heating is proposed, in line with analysis of the technological bottlenecks faced by marine gas hydrate production. This method injects the developed chemical reagents into a hydrate reservoir through hydraulic fracturing, releasing heat during the chemical reaction to increase the hydrate decomposition rate. The chemical reaction product furthermore has a honeycomb structure to support fractures and increase reservoir permeability. Based on the geological model of natural gas hydrate in the South China Sea, three development methods are simulated to evaluate hydrate production capacity, consisting of horizontal well, fractured horizontal well and in-situ fracturing with transient heating well. Compared with the horizontal well, the simulation results show that the cumulative gas production of the fractured horizontal well in one year is 7 times that of the horizontal well, while the cumulative gas production of in-situ fracturing with transient heating well is 12 times that of the horizontal well, which significantly improves daily efficiency and cumulative gas production. In addition, the variation patterns of hydrate saturation and temperature-pressure fields with production time for the three exploitation plans are presented, it being found that three sensitive parameters of fracture conductivity, fracture half-length and fracture number are positively correlated with hydrate production enhancement. Through the simulations, basic data and theoretical support for the optimization of gas hydrate reservoir stimulation scheme has been provided.     

土壤水分特征曲线在天然气水合物开采数值模拟中的应用探讨

在使用TOUGH+HYDRATE程序进行水合物开采数值模拟时常用van Genuchten模型计算毛管力,而毛管力大小直接影响水合物开采过程中的产气和产水,因此在数值模拟过程中正确选用模型参数尤为必要。我国某海域天然气水合物储层为未胶结泥质粉砂储层,常规的毛管力测定方法如压汞法、离心法等对该类岩心并不适用,如何测定该类岩心的毛管力并将其应用于van Genuchten模型参数选取具有重要意义。本文探讨了如何应用土壤水分特征曲线测定实验间接获取该类岩心的毛管力数据,为验证该方法的可行性,本文对参考文献[7]中公开的粉砂土壤水分特征曲线测定实验数据进行换算和拟合后得到T+H程序所需的van Genuchten模型参数,结果可为泥质粉砂储层水合物产能研究工作提供参考。     

三维实验模拟双水平井联合法开采天然气水合物

为研究联合法开采天然气水合物,在水合物三维实验开采模拟平台中利用双水平井进行降压联合注温水开采水合物实验,得到温度和压力分布、产气、产水、三相饱和度变化与开采方法的传热特性。整个开采过程可以分为自由气释放阶段、静置阶段、降压开采阶段和注热开采阶段。研究结果表明在自由气释放阶段和静置阶段有二次水合物生成。在注热阶段,水合物在降压和注热的协同作用下进行分解。反应釜中的水合物最终被完全分解,并且本研究的能效比高于前人利用垂直井进行降压联合热吞吐分解水合物的能效比,表明利用双水平井进行降压联合注温水是一种有效的分解水合物的方法。     

水井反冲洗地层三维弹塑性固结分析

注水井反冲洗工艺是抽油机井维持正常生产的重要措施之一,反冲洗压力是决定反冲洗效率的主要因素。反冲洗过程涉及到地层与套管在水压作用下的相互耦合作用,鉴于目前对洗井压力的制定以套管抗挤压强度为依据,运用ABAQUS-6.5软件,对油藏岩石-套管进行了三维弹塑性固结有限元分析,建立了流-固耦合数学模型,研究了注水井反冲洗过程中套管、地层和流体的瞬态响应,实现了套管、地层和流体间的耦合作用,得到了套管应力随洗井时间的变化规律。计算结果表明,洗井地层的地应力分布状态和地层性质对洗井压力影响较大,主要受到地层弹性模量、渗透性能和地层水平地应力的影响。洗井压力的制定应综合考虑套管和地层状况,与单纯考虑套管的承载能力相比,其研究结果可为洗井工艺的制定提供更为准确的理论基础。     

不同边界条件对油页岩原位转化开采的影响及启示

借助于烃源岩生排烃模拟技术,开展了加热温度、加热速率、恒温时间、水质量分数等不同边界条件对油页岩原位转化开采影响的模拟实验。结果表明:升高转化温度、降低升温速率、延长恒温时间均有利于提高原位转化出油率和改善油品;流体压力过度升高对油品稍有改善,但出油率有所降低,且过高的流体压力(如超过开采层上覆岩层压力)会对地面工程产生破坏影响;高温地层水可能作为催化剂、反应物和溶剂参加反应,促进非共价键的断裂,提高出油率。在此基础上,提出了在干馏转化过程中加入额外的供氢物质或高温水中加入适量的水溶性催化剂提高油页岩原位转化开采出油率的方法。