课题组在Applied Energy期刊发表最新研究论文：五点井网法开采南海泥质粉砂型水合物储层增产性能评价

1、 设计了应用于我国泥质粉砂型水合物储层有效增产的五点井网法

2、 构建了评价五点井网法增产性能的热-流-化多场耦合数值模型

3、 对井底压力、渗透率、水合物饱和度进行了全因子敏感性分析

4、 五点井网法的产气量为单井的4.12倍，但存在井间干扰作用

      五点井网法是在南海低渗泥质粉砂型水合物储层增产的有效手段之一。然而，其生产表现和对关键地质-工程因素的响应尚不明晰，亟待深入研究。

       本研究基于南海SH2站位实际地质资料建立了三维五点井网法产能预测模型，系统地探究了五点井网法的增产性能和由长期降压导致了井间干扰作用。对井底压力、渗透率、水合物饱和度进行了全因子敏感性分析以揭示影响增产性能的关键主控因素。

      模拟结果表明，五点井网法能显著提高生产性能，其10年生产周期内的累积产气量为单井开采的4.12倍。井间干扰作用在生产早期并不明显，但随着降压的持续而逐渐加剧。由于中间井的压力传播受限，其产气贡献率随时间逐渐降低；而4个外部井的产气贡献率则随时间不断上升。敏感性分析显示，五点井网法的累积产气量随井底压力的降低、渗透率的升高以及水合物饱和度的降低而增加，其中井底压力与渗透率为增产主控因素。本研究可为南海下一轮海域水合物试采应用多井系统增产提供有益的设计依据。

关键词：天然气水合物；五点井网法；能源采收；降压法；增产；敏感性分析

图1 （a）南海神狐海域SH2站位位置；（b）SH2站位与第一次海域试采站位SHSC-4的距离；（c）SH2站位与SHSC-4站位地震剖面

        模拟靶区选为南海北部神狐海域的SH2站位，其与第一次海域试采站位距离19.6km。该站位水深约为1235m，水合物层埋深为185-299m，是典型的第三类水合物储层。储层渗透率为10mD，平均饱和度为0.4，水合物饱和度分布范围为0.02到0.47。海底泥线温度为4.0℃，地温梯度为46.9℃/km。

图2 五点井网法模型示意图：(a) 水合物层与上下盖层划分；(b) 五井布设位置

图3 五点井网法开采模型网格剖分示意图

       图2（a）展示了数值模型中水合物层与上下盖层的划分。为了消除边界效应，模型上下盖层厚度取为100m，X与Y方向边界长度设为1000m。图3（b）展示了五井布设位置，其中一口井位于模型正中心，其余四口井围绕中间井呈正方形布设，彼此井距为50m。五口井的完井段为44m，贯穿整个水合物层。开采压力为恒压4.5MPa，其与日本第一次海域试采的井底压力接近。

       图3是数值模型的网格剖分图。为了准确刻画开采过程的水合物相变与传热传质行为，对水合物层与井周进行了局部网格加密。模型总网格数为409446个，模拟过程每个迭代步需同时求解1637784个偏微分方程。

图4 五点井网法与单井开采流体产出行为：（a）产气速率与累计产气量；（b）气水产出比与累计产水量

图5 气体增产因子F_GE随时间演化

       图4对比了五点井网法与单井开采条件下流体产出行为。五点井网法能显著提升流体产出速率，10年生产周期内五井的累计产气量是单井的4.12倍，生产全过程两者的气水产出比基本一致。10年生产周期内，单井开采条件下的日均产气速率为516方/天，日均产水量为225方/天；五点井网法日均产气量为2126方/天，日均产水量为964方/天。为定量评价五点井网法的增产性能，本研究提出了气体增产因子F_GE，其为五井累计产气量与单井累积产气量的商。图5展示了F_GE随时间的演化。F_GE从生产初期的5.00按指数规律衰减并趋于稳定至生产结束的4.12，表明生产过程中存在井间干扰且干扰作用随降压的持续而不断加剧。长生产周期内趋于稳定且较高的F_GE证实了五点井网法在南海泥质粉砂储层进行提产增效的可行性。

图7 五点井网法开采过程P, T, S_H, S_G时空演化规律

       为了直观地观察生产过程中储层内部演化，为流体产出行为提供支撑，图7绘制了不同时间点的压力(P)、温度(T)、水合物饱和度(S_H)和自由气饱和度(S_G)。所有云图都是三维模型在Z = -122.0m处的剖面，尺寸为700m(X)×700m(Y)。在早期阶段（t = 0.5年），每个单井的温压影响区域相对较小[图7(a)和9(d)]，导致每个井周围的水合物分解区域非常有限[图7(g)]。这意味着每个井的生产处于相对独立状态，井间的生产干扰不强，这也证实了图5中早期较高的F_GE。

       由于泥质粉砂储层的低渗特性，水合物分解产生的自由气不能及时进入生产井，并在井周围滞留[图7(j)]。结合水合物分解的吸热特性，在相对低温下，可以明显观察到井周围发生二次水合物形成[图7(g)]。随着生产的进行，每个井的温压传播范围逐渐扩大，温度传播区域开始显著交汇[图7(e)和9(f)]，表明井间干扰显著增强。同时，井周围的水合物分解区域继续扩大，井间二次水合物形成量也增加[图7(h)和9(i)]。在生产结束时（t = 10年），低压传播区域的半径仅为约80米[图7(c)]，这比高渗透率砂质储层的低压传播范围要小得多。这表明可以通过储层改造技术（如水力压裂）来增强储层渗透率，以进一步激发储层生产潜力。

       为了厘清影响五点井网法气水产出与增产性能的主控因素，本研究对井底压力、渗透率、水合物饱和度进行了3 × 3全因子敏感性分析。如图8（a）与（c）所示，累计产气量随井底压力的降低、渗透率的升高、水合物饱和度的降低而升高。累计产气量的主效应有5种，影响排序为P_btm = k > S_H > P_btm + k > k + S_H。如图X（b）与（d）所示，气体增产因子随井底压力的升高先降低后升高，随着渗透率的升高和水合物饱和度的降低而降低。气体增产因子的主效应仅有k。

        (a) 井距为50m，生产压力为4.5MPa的五点井网法能显著提升南海泥质粉砂型水合物储层的累计产气量。五井的累计产气量为相同工况下单井开采的4.12倍，两者的气水产出比在10年生产周期内基本一致，均从9.5下降至2.2；

(b) 生产开始后，压力从五口子井向外传播，逐渐形成了圆柱状的低压区；井周温度随着水合物的分解逐渐降低，低温区分布与水合物分解区域一致；

        (c) 水合物饱和度的时空演化揭示了各子井井周水合物的分解行为和五点井网法促进水合物分解与产气的机理。然而，子井间适宜的温压条件会导致二次水合物的生成。气体饱和度的演化规律与水合物饱和度演化规律相反，其在生产井处最大，最大值随着流体产出而不断降低；

        (d) 通过气体增产因子F_GE的演化可以量化五点井网法的井间干扰作用。在不同工况下，F_GE从生产开始时的5.00降低至生产结束时趋于平稳的2.84-4.14。中间井的产气贡献随着生产的进行逐渐降低，而外部井则逐渐升高；

        (e) 敏感性分析表明，累计产气量随井底压力的降低、渗透率的升高、水合物饱和度的降低而升高。统计学分析表明，3个敏感性因素对累计产气量的影响排序为P_btm = k > S_H；

       本研究的模拟结果加深了对五点井网法应用于南海泥质粉砂储层的增产性能。为南海海域第三轮水合物试采应用多井系统的优化设计提供了重要参考。未来的研究将聚焦于开发全局优化算法以优化井距、完井段长度、降压方案以提高产气量。

通讯作者简介

       殷振元：清华大学深圳国际研究生院副教授、特别研究员、博士生导师，THU天然气水合物与储碳实验室PI，广东省“珠江计划”青年拔尖人才，I&EC Research 2023年最具影响力研究者、深圳市海外高层次人才。博士毕业于新加坡国立大学化学与分子生物工程系，长期从事气体水合物热动力学与多场耦合基础研究，应用于天然气水合物开采及水合物法应用技术（二氧化碳封存、LNG冷能输运与固化储氢等）。在能源领域权威期刊发表学术论文80余篇，论文被引用3100余次，H指数28，包括6篇ESI高被引论文与5篇期刊封面论文，2021-2022年连续两年入选斯坦福-Elsevier颁布的全球前2%顶尖科学家（年度影响力榜单），担任Gas Science and Engineering、Advances in Applied Energy、天然气工业等期刊和水合物专刊编委及青年编委。课题组主持国家自然科学基金、广东省科技厅风电重点专项基金、广东省科技厅面上项目、广东省六大产业专项、深圳科创委面上项目、国际合作项目等20余项纵向项目。

第一作者简介

       顾宇航：清华大学深圳国际研究生院23级博士生，环境科学与工程专业，研究方向为热-流-化多场耦合数值模拟方法与优化。已发表SCI论文14篇（第一作者4篇），申请发明专利2项。

       感谢本文合作者广州海洋地质调查局陆红锋教授级高工和许辰璐高工、广州能源所的李小森与王屹研究员、中国地质大学（武汉）的孙嘉鑫副教授、新加坡国立大学Praveen Linga教授。感谢匿名审稿人的建设性意见。本研究获得了广东省科技厅、广东省自然资源厅、深圳市科创委等项目基金的支持。