寫在前面：本文為陽光石油論壇admin的關於深層地熱甲烷水合物聯合開採著作，誠邀行業專業人士共研討！文末閱讀原文可下載pdf文件
[摘要]隨著全球能源消耗不斷增加，天然氣水合物和地熱資源具有儲量豐富、清潔高效等優勢成為世界研究的熱點，中國南海海域同時具有豐富的水合物資源和地熱資源。由此，提出了聯合深層地熱資源開採淺部水合物的方法，通過向深層地熱儲層注入海水，海水在深層地熱中吸收熱量後循環至淺部水合物儲層，結合降壓法和注熱法促使水合物分解。利用數值模擬對聯合法的可行性進行評估，並對地層熱物性、開採參數等儲層敏感性進行分析。模擬結果表明：聯合法能夠有效地利用深層地熱將海水加熱，海水進入水合物層時的溫度保持約為50°C，與注熱法和降壓法相比具有更高的產氣量，具有良好的可行性；注入速度、井底壓力、地層導熱係數和地溫梯度對聯合法開採效果具有顯著影響；注入速度和井底壓力對前期的產氣效果影響較大，而較大的地層導熱係數有利於海水與地層的換熱；地溫梯度小於0.025m/°C時，聯合方法的換熱性能極大減弱，甲烷累計產氣量大幅度降低，聯合方法的商業價值降低，可行性減弱。
天然氣水合物是一種儲量豐富的清潔能源，廣泛分布於深海沉積物和陸地的永久凍土層，其全球儲量相當於目前已探明常規能源的兩倍以上。目前開採水合物的方法主要包括熱激發法（或注熱法、熱激法）、降壓法、抑制劑注入法和置換法。注熱法、降壓法和抑制劑注入法通過破壞水合物平衡條件或者改變水合物儲層的環境，使水合物處於熱力學不穩定狀態發生分解。降壓法在開採過程中不需向水合物儲層注入熱量，是一種經濟環保的開採方法。但隨水合物不斷分解吸收熱量，引起儲層溫度降低導致水合物的二次生成，並且固體水合物的分解破壞了水合物儲層的地層結構，容易引起沉降坍塌等地質問題。相比於降壓法，注熱法通過向水合物儲層注入熱流體加熱儲層，熱流體為水合物分解提供了足夠的熱量，保證水合物能夠持續分解，是一種較為理想的水合物開採方式。但是注熱法存在能源消耗大、經濟效益不佳和熱效率低等問題。Wang建立了多孔介質水合物解離過程中傳質和傳熱的解析模型，分析了降壓法、注熱法和降壓法與注熱法相結合的三種開採方式傳質與傳熱機制，證實了降壓法與注熱法相結合的方式能夠提高水合物的離解速度。CO2置換法是向水合物儲層中注入CO2氣體，由於二氧化碳水合物比甲烷水合物穩定，二氧化碳分子會置換出甲烷分子。Ohgaki等人第一次通過實驗證實了CO2置換開採甲烷水合物的可行性。甲烷水合物和二氧化碳水合物的分解熱分別為54.49KJ/mol和57.98KJ/mol，根據熱力學理論CO2置換甲烷水合物的吉布斯自由能為負，化學反應能夠自發進行,但是CO2置換反應過程卻十分緩慢。地熱能是一種環境友好、資源豐富的可再生清潔能源。根據2010年世界地熱大會統計，截至到2009年，大約有70多個國家對地熱直接利用，年利用總量達72622GW。據2015年世界地熱大會報導，中國地熱發電的裝機容量達到27MW。我國南海珠江口盆地具有豐富的水合物資源和地熱資源，2013年，中國在珠江口盆地東部海域進行鑽探，成功獲得天然氣水合物樣品。2017年,中國在南海神狐海域成功實施天然氣水合物試採，試採穩步持續了60天,天然氣總產量達到30.9×104m3。珠江口盆地是典型的「熱」盆地，蘊藏著豐富的地熱資源，其地熱梯度範圍為24.7°C/km-60.8°C /km,平均值為37.9±7.4°C/km。在南海珠江口盆地利用深層地熱資源開採水合物似乎具有良好的可行性，目前，諸多學者提出了利用地熱資源開採水合物的方法。寧伏龍等人首先提出利用地熱開採海底天然氣水合物的設想，通過泵將海水從注入井壓入乾熱巖層，被加熱的海水沿注水管和套管的孔隙上返至水合物儲層。竇斌等人對利用海底地熱開採水合物的方法進行了可行性分析，通過塊裂介質模型模擬顯示出隨著地熱系統的運行越來越有利於水合物的開採。Liu提出了CO2置換法聯合地熱開採水合物的方法，將CO2從熱交換井井口注入地熱儲層，由地熱儲層加熱的CO2向上流入水合物儲層，以注熱法與CO2置換相結合的方式完成了天然氣水合物的開採，同時實現了CO2地質埋存。但是由於換熱井為垂直井，導致整個系統的換熱性能受到限制，同時CO2氣源也會限制該方法在實際過程中的實施。
目前，針對於利用地熱開採水合物的研究尚不完善，諸多研究只是提出利用地熱開採水合物的設想，開採過程中存在熱流體漏失和如何保證被加熱的流體回流至採出端等問題沒有給出詳細的解決方法，而對於利用地熱開採水合物的可行性評價以及影響因素分析尚不成熟。因此，本文提出一種聯合深層地熱利用注熱法和降壓法開採海域水合物的方法，系統地闡述了聯合深層地熱海域水合物開採的工藝設計，通過數值模擬方法對其可行性進行評估，並對聯合開採方法的敏感性進行分析。
1 聯合深層地熱海域甲烷水合物開採工藝設計中國南海區域擁有豐富地熱和天然氣水合物資源，諸多學者提出了利用深層地熱資源開採水合物的設想，基於現有地熱水合物聯合開採的基礎，設計了一套通過向換熱井注入海水經深層地熱儲層吸收熱量上返至水合物儲層的聯合開採方法。本文利用海水作為循環介質，海水來源廣、成本低，並且含有大量的鹽，滲入到水合物儲層中有利傳熱，加快水合物的分解。聯合開採方法系統示意如圖1所示，海水從換熱井注入，流經地熱儲層被加熱，上返至淺層採出井水平段進入水合物儲層，生產井的水平段與採出井的水平段位於同一水合物層位。圖1中紅色管柱代表換熱井，換熱井主要包括換熱井水平段和換熱井垂直段兩部分，換熱井水平段位於目標地熱儲層，是海水換熱的主要場所。藍色管柱代表採出井，採出井主要用於將加熱的海水收集並運送到水合物儲層，主要由水平段和垂直段組成，水平段進行射孔完井，垂直段底端與換熱水平段相連形成類似「U」型結構。經過地熱儲層加熱的海水直接進入採出井，由於整個循環過程都是在油管內進行，避免了海水漏失到地熱儲層的問題。海水在採出井井筒內上返時會與上覆巖層發生熱交換，上返井段內的油管使用絕熱材料以減緩海水上返時的熱損失，圖1中黑色管柱為使用絕熱材料井段。生產井保持較低的井底壓力從而實現降壓開採的效果，馮景春等通過室內物理實驗對雙水平井降壓與注溫水聯合開採法進行研究，研究結果表明水平井相比於垂直井開採水合物，雙水平井能效比更高，因此，生產井主要設置成水平井。
相比於常規水合物開採方法，本文提出的聯合開採方法結合了注熱法和降壓法兩種方法的優勢。李淑霞等利用實驗和仿真模擬探究了注熱法結合降壓法開採水合物，結果表明注熱法與降壓法結合具有更高的能量利用效率。聯合開採方法克服了降壓法因長期開採導致溫度降低生成二次水合物的問題，又避免了注熱法能源消耗嚴重等問題；由於利用深層地熱加熱海水，不需要地面的加熱設備，節省了地面設備的投入，節約了大量的化石能源，同時海水來源廣，產出水可以回注到地下重複利用；整個循環在油管內進行，避免了海水在儲層漏失的問題。綜上所述，本文提出的聯合開採方式是一種經濟環保、高效節能開採措施，具有良好的可行性。
2 水合物開採數值模擬分析
2.1數值模型描述本次研究利用CMG-STARS模擬器完成了聯合深層地熱開採海域甲烷水合物的數值模擬分析，數值模型考慮了3個組分，分別為液相水、氣相甲烷、固體甲烷水合物。由於利用注熱法開採物，模型忽略了開採水合物過程中冰的形成。化學反應(1)表示了水合物的形成和分解過程，本文採用Kim第一次定量研究的水合物分解動力學方程(2)，水合物的形成動力學方程採用了Vysniauskas-Bishinoi模型，表達式為方程式(3)，甲烷水合物分解熱為47.5~ 62.9 kJ/mol。
基於中國南海海域的地質特徵建立數值模型，數值模擬中為了便於模擬研究將換熱井和採出井用一口井等效井（INJ-1）替代，即用一口井（INJ-1）完成海水經地熱儲層加熱上返至水合物儲層的整個過程。圖2為數值模擬中井位設置，整個聯合開採方法的模擬系統由等效井（INJ-1）、和生產井(PRO,PRO-1)組成,生產井井底與等效井井底距離為54m。為了提高計算精度和計算速度，整個模型被剖分為41×41×40即67240個網格，平面單個網格尺寸為6×6m，水合物儲層縱向網格尺寸為3m，而下覆巖層縱向網格尺寸為120m，地熱儲層水平井換熱段縱向網格尺寸為50m。根據GMGS3-W19站位資料顯示海底水深為1273.9m，海底溫度為3.75°C，地溫梯度為0.045°C/m，水合物儲層主要賦存於海底以下135-170m，不含有自由氣，初始含氣飽和度為0，初始含水飽和度為0.6，非水合物儲層初始含水飽和度為1。模型沒有考慮水合物儲層上部的覆蓋層，模型頂部深度為1408m，地熱儲層底部深度為4388m，具體模型參數設置如表1。模型滲透率為40mD，孔隙度為0.3，模型外邊界為封閉邊界。
2.2可行性分析井網結構布置如圖2所示，兩口生產井水平段長度為246m，生產井井底壓力保持在2.5MPa，注入井保持注入速度為200m³/d，注入溫度為5°C。為了充分證明聯合開採方法有良好的可行性，與注熱法和降壓法進行對比。由於海水的初始溫度對注熱法開採水合物具有較大的影響，初始溫度越高注熱開採效果越佳，但過高的初始溫度需要消耗大量的能源。綜合考慮，本次模擬注熱法初始溫度為30°C。
圖3展示了換熱井水平段所在網格地層溫度的分布，對比原始地層溫度分布和開採1年、5年和10年時的地層溫度分布，海水剛進入水平段時溫差較大，根據傅立葉定律可知，在相同條件下溫差越大熱流密度越大，即單位時間內通過單位面積的熱量越多，這導致了水平段入口端地層溫度要比出口端地層溫度下降快。水平段入口端地層溫度在10年內下降了46°C，而隨著海水在水平段內不斷地吸熱升溫，與地熱儲層巖體的溫差逐漸變小，十年內地層溫度下降約為21°C。圖3可以看出在整個生產過程中地熱儲層的溫度能夠保持在100°C以上，海水進入採出井時的溫度達到100°C以上，深層地熱能夠為海水加熱提供穩定的熱源。圖4曲線展示了採出井在水合物儲層入口端的所在網格地層溫度變化，可以看出儘管海水在採出井內上返時發生熱損失，進入水合物層時的溫度仍保持在50°C左右，地層最高溫度達到55°C，能夠滿足注熱法開採水合物的要求。圖5表示了開發10年時換熱井水平段溫度的空間分布，從圖中可以看出隨著海水不斷與換熱井周圍巖體進行熱交換，換熱井兩側20m內巖體的溫度逐漸降低，形成了一個40m寬的溫度降低區域，井筒內的溫度穩定在111°C，20m外的巖體溫度仍能保持在原始狀態，這說明地熱儲層能夠穩定地為水合物開採提供熱量，不會因換熱而引起整個地熱儲層溫度的嚴重降低，地熱儲層蘊含的熱量遠遠高於海水換熱所需要的熱量，因此整個開採過程中擁有充足的能量補充。圖6表示了開發10年時水合物儲層的壓力空間分布，隨著氣體水合物和水的產出，整個水合物儲層的平均壓力由14MPa逐漸降低至約3.2MPa，由於氣體的產生和海水的補充，水合物儲層壓力沒有降低到生產井井底壓力，生產井井底周圍的壓力保持在2.7MPa，採出井井底周圍的壓力保持在3.8MPa，存在的壓力差有利於海水流向生產井。圖7、圖8和圖9分別表示開採10年時水合物儲層的溫度分布，溫度沿著採出井向生產井井底逐漸降低，生產井井底溫度達到33°C，注熱法開發10年時生產井井底的溫度只有10°C，降壓法井底周圍的溫度下降到1.5°C，海水流向生產井井底的過程中對水合物儲層進行加熱，為水合物開採提供熱量。圖10為甲烷累計產氣量和產氣速度曲線，生產初期甲烷累計產氣量曲線基本重合，水合物的分解主要通過降壓法，而隨著水合物的分解吸收了大量熱量，聯合開採方式能夠持續不斷地為水合物分解提供熱量，使水合物保持穩定的產氣速度，擁有較高的甲烷累計產量，而對比降壓法，隨著開採的進行地層溫度逐漸降低，產氣速度下降，導致最終的累計產氣量較低。
綜合而言，整個聯合開採過程中，地熱儲層為水合物開採提供一個穩定的熱源，保證了水合物分解所需要的熱量，具有較高的甲烷累計產量，同時聯合法不需要地面加熱設備，極大地降低了能源消耗，節省了開採成本，具有良好的可行性。
3 敏感性分析3.1 注入速度保持其餘參數不變，注入速度分別設置為200、300、400和500m3/d。圖11展示了生產10年時不同注入速度條件下沿著水平段的地層溫度分布。注入速度為200m3/d時，水平井入口端溫度下降至85°C，這說明地熱儲層與海水進行了充分換熱，由曲線可以看出海水經入口端流至採出井井底過程中不斷被加熱，水平段50m後的地層溫度基本維持不變，這說明海水的溫度經加熱基本與地層溫度持平，可以看出海水進入採出井井底的溫度大約113°C。注入速度為500m3/d時，水平段入口端溫度為76°C，海水進入採出井井底溫度大約110°C。這是因為海水在入口端溫度較低，海水與地熱儲層溫差較大，地熱儲層與海水換熱效果明顯，導致了入口端地層溫度較低。注入速度越大，入口端的地層溫度下降越大，但是不同速度條件下海水到達採出井井底時的溫度差異較小，這是因為水平井換熱段較長，海水能夠在地熱儲層進行充分換熱升溫。圖12所示為不同注入速度條件下水平段所在水合物儲層入口端的地層溫度變化，圖中可以明顯地看出注入速度越小，入口處的地層溫度越高，注入速度為200m3/d時，入口處地層溫度保持在48°C，而注入速度為500m3/d時，入口處地層溫度為39°C。圖13和圖14分別為甲烷的累計產氣量曲線和產氣速度曲線，由圖13可以看出，不同注入速度條件下的累計產氣量差距較小，注入速度為200m3/d和500m3/d所對應的甲烷累計產氣量分別為3.32×107和3.25×107m3/d。生產初期產氣速度急劇增大，達到峰值後迅速下降直到生產速度保持平穩。注入速度為200m3/d時的最大產氣速度高於500m3/d，而達到平衡時的產氣速度低於500m3/d，這是因為在生產初期主要靠降壓法生產，壓力差越大產氣速度越大，500m3/d補充地層能量充足導致初期生產效果不佳，而生產後期水合物的分解主要通過注熱法，因此產氣量效果優於200m3/d。由於本次的模擬區域較小，高的注入速度具有較大的波及區域的優勢沒有得到體現，而較低的注入速度就能提供水合物分解所需的熱量，並且低的注入速度加熱地層的效果優於高的注入速度，這導致了本次模擬中低的注入速度具有更大的累計產氣量。
3.2井底壓力本文探究了生產井井底壓力為2.5、3.5、4.5和5.5MPa對水合物開採的影響，圖15和圖16為甲烷累計產氣量和產氣速度曲線。在生產初期，生產井井底周圍的水合物受到生產井降壓的影響，水合物的相平衡狀態被破壞，分解成水和甲烷氣體，在壓差的作用下迅速的流入生產井，由圖15和圖16可以看出井底壓力越小，生產井的前期的產氣速度越快，井底壓力為2.5MPa時的最大產氣速度達到1.23×105m3/d，井底壓力為5.5MPa時的最大產氣速度僅僅為1.8×104m3/d，最大產氣速度隨井底壓力的減小而增大。井底壓力主要影響前期的產氣速度，產氣速度到達峰值之後急劇下降而趨於平穩，後期產氣速度趨於平緩時，不同井底壓力的產氣速度十分接近。這是因為前期海水的驅替前緣還未波及至生產井，生產井井底周圍水合物的分解主要通過降壓法，井底壓力越低水合物分解速度越快，進而產氣速度越大，但是水合物分解吸收了大量熱量，導致採出井井底地層溫度逐漸降低，產氣速度迅速下降，隨著海水驅替前緣向生產井井底擴散，及時補充了降壓法所消耗的地層熱量，但與此同時地層能量也得到了補充，降壓法的作用減弱，甲烷氣體主要通過海水加熱促使水合物分解產生，因此後期水合物產氣速度保持平穩且相接近。
3.3地層導熱係數維持其餘參數不變，地層的導熱係數設置為3、5、7和9W/m·K。圖17是開發10年時地層導熱係數對地熱儲層換熱的影響。由圖17可以看出，地層的導熱係數越大，開發10年時的地熱儲層溫度下降越快，這意味著海水進入採出井井底的溫度越低，這是因為較大的導熱係數有利於地熱儲層與海水之間的傳熱，在相同的開發時間內地熱儲層溫度下降較快。圖18水平段所在水合物儲層入口端的地層溫度變化，開發10年時3、5、7和9W/m·K時入口端的地層溫度分別為41°C、47°C、50°C和53°C，較大的導熱係數具有較好的換熱性能，海水流經地熱儲層時提取熱能能力強，同時上返至水合物儲層時也能更快的加熱水合物儲層。圖19顯示出3、5、7和9W/m·K時的累計產氣量分別為3.24×107、3.32×107、3.38×107和3.42×107m3。從圖19和圖20可以看出不同的導熱係數甲烷的累計產氣量和產氣速度較為接近,這說明地層的導熱係數為3W/m·K時，海水經加熱能夠為水合物的分解提供足夠的熱量，維持穩定的開採速度。
3.4地溫梯度
設置地溫梯度為0.025、0.035、0.045和0.050m/°C，其餘參數保持不變，探究地溫梯度對聯合開採性能的影響。圖21是開發10年時地溫梯度對地熱儲層換熱的影響。地溫梯度為0.025、0.035、0.045、0.050m/°C時，海水進入採出井井底的溫度分別為65°C、90°C、114°C和127°C，地溫梯度越大，海水升溫越高。這是因為隨著地溫梯度的增大，井筒中的海水與地熱儲層間的溫差增大，從而使海水從地熱儲層提取了更多的熱量。採出井水平段所在水合物儲層入口端的地層溫度變化圖22所示，地層溫度為0.05m/°C時，開發10年時，水平段入口端地層溫度被加熱至52°C，同樣情況地溫梯度為0.025m/°C時，水平段入口端地層溫度僅僅只有28°C。這是因為海水到達採出井井底的溫度過低，同時海水上返時與上覆地層發生熱損失，因此海水進入水合物層的溫度就會較低，對水合物儲層的熱量補充效果變差。這種影響可以從圖23和圖24看出，地溫梯度為0.05m/°C時，甲烷氣體的累計產量為3.46×107m3，而地溫梯度為0.025m/°C時，甲烷累計產氣量僅僅為2.54×107m3，地溫梯度對甲烷產氣量具有較大的影響，呈現地溫梯度越大，甲烷的累計產氣量越大和產氣速度越大的規律。在本次模擬中，地溫梯度對聯合開採方法的效果具有較大的影響，地溫梯度小於0.025m/°C時，聯合方法的換熱性能極大減弱，甲烷累計產氣量大幅度降低，進而導致聯合方法的商業價值降低，可行性減弱。因此，實施聯合開採方法需要充分考慮地溫梯度的影響。
4 結論：本文提出了一種聯合深層地熱海域甲烷水合物開採方法，以海水作為攜熱介質將地熱能輸送到水合物儲層，促進水合物的分解。相比於注熱法和降壓法，聯合法即不需要地面加熱，極大地降低了能源消耗，節省了開採成本，又能彌補降壓法開採導致生成二次水合物的問題。同時，通過建立三維數值模型對聯合法的可行性進行評價以及進行敏感性分析，模擬結果如下：
（1）聯合開採方式能夠有效地利用地熱資源將海水加熱，海水進入採出井時的溫度達到100°C以上，進入水合物層時的溫度仍保持50°C左右，使水合物保持穩定的產氣速度，與注熱法和降壓法相比具有更高的產氣量，聯合開採方式具有良好的可行性。
（2）注入速度主要影響水合物儲層壓力和溫度的變化，生產初期水合物的開採主要通過降壓法，生產後期主要通過注熱法。注入速度越大，初期的產氣速度越小，平穩時的產氣速度越大。注入速度為200和500m3/d所對應的甲烷累計產氣量分別為3.32×107和3.25×107m3/d，不同注入速度條件下的累計產氣量差距較小。
（3）井底壓力主要影響前期的產氣速度，產氣速度到達峰值之後急劇下降而趨於平穩。井底壓力越小，生產井的前期的產氣速度越快，井底壓力為2.5MPa時的最大產氣速度達到1.23×105m3/d，井底壓力為5.5MPa時的最大產氣速度僅僅為1.8×104m3/d，最大產氣速度隨井底壓力的減小而增大。後期產氣速度趨於平緩時，不同井底壓力的產氣速度十分接近。
（4）地層的導熱係數影響海水在地熱儲層和水合物儲層的換熱性能，導熱係數越大，海水與地層的換熱性能越好，地熱儲層溫度下降越快，海水對水合物層的加熱效果越佳。聯合開採方法對地層的導熱性沒有較高的要求，導熱係數為3W/m·K時，就能有較好的換熱效果。
（5）地溫梯度影響對聯合法開採具有較大的影響，地溫梯度小於0.025m/°C時，聯合方法的換熱性能極大減弱，甲烷累計產氣量大幅度降低，聯合方法的商業價值降低，可行性減弱。地溫梯度越大越有利於水合物的開採，呈現地溫梯度越大，甲烷的累計產氣量越大和產氣速度越大的規律。地溫梯度為0.05m/°C時，甲烷氣體的累計產量為3.46×107m3，而地溫梯度為0.025m/°C時，甲烷累計產氣量僅僅為2.54×107m3，相比於前者減少26.6%。