天然气水合物极具潜力,其总有机碳储量约为石油、天然气和煤炭总和的两倍。据统计,全球有约97%的天然气水合物分布于海洋中,其中南海神狐海域水合物资源量巨大,是我国海洋水合物勘探开发的重点靶区。两次成功试采标志着我国天然气水合物开采技术从“探索性试采”迈向“试验性试采”,为商业化开采奠定了坚实基础。 我国在2017年和2020年分别进行了两次海域天然气水合物试采工程,均采用降压法。降压法被认为是技术层面和经济层面上最有望实现天然气水合物商业化开采的一种方式。然而,在降压法开采水合物过程中(尤其是开采初期),降压幅度对储层产能及地层稳定性有着不可忽视的影响,降压幅度过大,会引起海底面沉降、滑坡问题;降压幅度过小,储层产量较低,无法达到预期水平。同时,水合物试采工程压力曲线波动特征明显,因此将开采过程划分为多个阶段,控制各阶段降压幅度,寻求最优阶段性降压方案对高效安全开采天然气水合物尤为重要。此外,开采到一定程度后,降压幅度的增加所带来的产气量增长无法弥补因降压操作而额外消耗的能量以及其他相关成本,反而会使经济效益下滑,因此研究不同开采时长下水合物开采经济效益最大化的降压幅度具有重要意义。 水合物开采在实际操作中面临高额投入和存在不可预知风险的巨大挑战。数值模拟对于开采前的先期评估而言,是一种经济高效的技术手段。机器学习算法通过学习模拟行为建立其替代模型从而大幅提高求解效率,已经逐渐深入到非常规油气资源开发领域。本文以GMGS3航次W11站位为研究对象,构建能够近似刻画天然气水合物储层的三维非均质地质模型;将机器学习算法与数值模拟方法相结合,综合考虑饱和度、渗透率和孔隙度的非均质特征,优化布井方案;针对复杂的阶段性降压开采过程进行反演模拟,实现降压开采方案的优化设计,选择出能够同时保证甲烷气产出和地层稳定的阶段性降压开采方案;分析了各开采时长下最经济的降压方案,为实际试采工程进行实时压降幅度控制及改变提供依据。研究结果表明:(1)储层饱和度、孔隙度和渗透率数值越大,水合物分解程度越高,但各参数最大值分布层位不同,导致饱和度最高层位并非生产性能最佳层位,水平井最优布井方案为:垂直方向Z=-97 m,井长度L=400 m。(2)划分开采阶段,根据各阶段储层响应情况,适时调整降压幅度,优化结果为:开采时段内,初期降压阶段降压6.95 MPa,定压稳产阶段降压0.38 MPa,降压稳产阶段降压1.56 MPa,产量递减阶段降压0.24 MPa。(3)当开采时长不足270天时,较高的降压幅度可有效促使水合物分解,经济效益显著提升。当开采时长超过270天时,较小的降压幅度能够保证相对较高的经济效益。