我实验室曹鑫鑫博士，孙嘉鑫副教授与宁伏龙教授在Energy期刊上发表了题为Numerical analysis on gas production performance by using a multilateral well system at the first offshore hydrate production test site in the Shenhu area的文章。

1、文章概述

我国海域拥有丰富的天然气水合物和游离气资源，仅南海北部陆坡其远景资源量就达到上百亿油当量。自2017年和2020年在南海神狐海域成功进行两次试采后，水合物产业化之路加速。然而，目前现场试验的日产气量仍远远低于商业标准，需要采用新型开发方式。前期研究表明，南海水合物和下伏游离气储层具有渗透率低与非均质分布等特点，虽然先后组织的两次井筒降压开采均取得了成功，但是传统直井开采受到水合物储层厚度的制约，以及储层压降传递效率低，难以实现数量级上的突破。水平井虽然能够大幅度地扩大储层泄流面积，但是受到储层钻完井成本高、技术难度大等限制。因此，为了充分利用直井和水平井开采时的各自优势，同时避免在浅部弱固结地层中构建超长水平井所带来的技术难题，水平多分支井开发方式优势明显，且对非均质分布储层具有更好的适用性，是一种极具潜力的提产井型（图1）。

然而，目前关于多分支井合采布设方案优化分析方面的研究鲜有报道。据此，笔者建立了场地尺度的三维数值模型，采用不同多分支井布设方案，对南海首次水合物试采储层进行了详细的产气性能数值模拟和部署策略优化分析。本研究为南海粉砂质水合物储层（上部为水合物层，下部为三相层和游离气层）提产增效研究提供了一种新思路。

图1 神狐海域首次水合物试采储层多分支井系统生产示意图

2、研究方法

本研究采用并行版本的TOUGH+HYDRATE软件（pT+H V1.0）进行了数值模拟分析，研究了超低渗水合物储层的生产过程。该软件可以模拟复杂储层介质中的非等温气体释放、相变行为、流体流动和热交换，包含水合物形成和分解的平衡或动力学模型。本研究根据SHSC-4站位现场的实际地质参数，建立了如图2所示的三维开采预测模型，采用平衡分解反应模型研究了储层的长期产气行为。模型尺寸是200m×200m×138m，网格总数是712096个。考虑多分支井的对称部署，假设顶部和底部边界均为Dirichlet边界，没有外部流体或热源可以越过模拟域的侧向边界。此外，分支井部署策略采用正交试验设计思路，建立了四因素三水平的正交表，用于分支井部署结构的优化分析。

图2 三维地质模型和网格划分

3、研究结果

（1）不同布设方案下的分支井生产行为预测

图3描述了不同布设方案下分支井产气模拟预测结果。当单分支井部署在三相层和游离气层界面处时，其生产效率相对较高，这种部署方式更有利于上部水合物和下部游离气的高效合采。不同双分支井布设方案可能对水合物分解产生相同的影响，模拟发现在一年的生产周期内，产气量最高可达4.37×10⁶m³，且保持较低的产水量，这说明合理布设双分支井具有很好的增产潜力。此外，随着分支井数目的增加，水合物分解量明显增大，但总的气体回收率却并未呈现量级尺度的提升，这可能和井间干扰有关。

图3 不同方案下的分支井生产行为预测结果

（2）分支井最优部署位置研究

本文采用极差分析法，通过排序来确定不同的几何因素：相位角、长度、间距、位置的敏感程度。如图4（a）所示，就总产气量指标而言，在一年的生产周期内，双分支井的不同几何布设参数的重要性排序如下：部署位置>间距>相位角>长度。同样基于综合平衡法，可以得到一年开采周期内的两分支井最佳几何部署方案：分支井部署在三相层内，相位角为0°，分支井间距为5米，分支井长度为10米。同理，可以得到四分支井布设几何参数的敏感性顺序与最佳部署位置（图4（b））。

（a）两分支井

（b）四分支井

图4 两分支井和四分支井正交模拟试验结果对比

（3）不同分支井之间的增产效果对比

图5分别对比了单一分支井、双分支井和四分支井相较于垂直井开采时的增产效果，评价指标包括平均日产气量、日产水量、气水产出比以及比生产指数。经过综合分析，特定结构的双分支水平井增产效果最好。关键评价指标可分别增加123%和81%。因此，在南海粉砂质低渗水合物储层降压开采时，建议采用双分支井方案，而不是螺旋式四分支井方案。此外，通过云图分析可知，这可能与水平两分支井之间的协同降压效应有关（图6a），并且这种效应会随分支井数量的增加而增强。与此同时，发现四分支水平井之间会存在明显的井间干扰（图6b），越靠近分支井的交叉处，分支之间的干扰越强烈。

图5 不同多分支井增产效果对比

(a)  井间干扰

(b)  协同降压

图6 多分支井井间协同降压和井间干扰效应

4、结论

本文通过正交模拟试验，系统研究了不同几何布设参数下的多分支井降压开采潜力。主要取得如下结论和认识：

①验证了南海首次试采站位的短期开采结果，证实了三维非均质热流耦合预测模型的可靠性。

②当考虑直井+单分支井部署方案时，分支井布设在三相层和游离气层界面处时生产井开采性能最佳，可以实现两气高效合采。

③当考虑直井+两分支井部署方案时，布设位置是影响水合物生产效率的主要因素。而对于四分支井（螺旋）而言，分支井布设垂深是主控因素。

④和单一直井开采相比，直井+两分支井在短期和长期内的增产效果最佳，平均日产气量和比产指数可分别提高123%和81%。

⑤分支井之间形成的协同降压，能够显著地扩大压降传递区域并促进水合物的分解，从而提高气体采收率。

⑥分支井井间干扰会阻碍气体顺利流向井筒，离分支井的交汇点越近，分支井间的干扰越强烈。