北京科技大学褚洪杨博士针对天然气水合物藏多分支井开采的情况，全面开展了该情况在物理建模、模型求解和不稳定分析方面的研究内容。相关成果以“Rate transient analysis for multilateral horizontal well in natural gas hydrate: superposition principle and reciprocity”为题发表在IJCST (International Journal of Coal Science & Technology，https://link.springer.com/article/10.1007/s40789-024-00720-x或点击文末“阅读原文”)。
封面基于本篇论文的学术思想，以天然气水合物藏多分支井开采作为主场景，辅以采用解析理论得到的不稳定压力与产量特征曲线，展示了实际中开采过程中的天然气水合物动态分解过程与多分支井的复杂几何结构，揭示了多分支井开采天然气水合物藏的典型渗流阶段。
天然气水合物具有能量密度高、燃烧产物清洁、资源丰富等特点，是一种重要的清洁能源，具有大规模开发利用的潜力。然而，对天然气水合物的先导性测试表明，其产量远远低于商业需求。多分支井技术可以显著扩大生产井的驱替面积，有望解决这一问题。本文介绍了一种天然气水合物藏中多分支水平井开采的产量不稳定分析方法。在求解天然气水合物多分支水平井扩散系数方程时，应用了叠加原理和互易原理。在柱坐标下建立了天然气水合物流动过程的控制方程。我们使用移动边界和解离系数来模拟水合物中固气转变过程。采用Laplace变换和Stehfest数值反演方法求解水合物渗流问题。应用叠加原理和高斯消去法对分支水平井进行求解。
图1 全球范围的天然气水合物藏降压生产先导试验区域位置
图2 水合物藏多分支水平井物理模型。DR是指分解区域
商业数值模拟器验证了所提出模型的产量预测结果。典型的生产行为表明，产量剖面可分为三个部分。初期表现为线性流动特征，在斜率为-1/2的对数-对数曲线上呈直线。中间阶段的生产曲线反映了天然气水合物解离带的物理性质。后期受原始储层物性的影响。使用传统模型预测的累积产量值仅占该模型预测值的47%。
分支井开采水合物的渗流阶段包括线性流动、过渡流动、解离流动和径向流动。线性流动时的产量归一化压力导数曲线表现为斜率为1/2的直线。在解离流动过程中，产量归一化压力导数曲线表现出与封闭边界效应相似的上凸特性。在最终的径向流中有一条斜率为0的水平线。
本文的局限性主要在于缺乏现场资料和忽略了水合物中的一些物理现象。已公布的水合物油气田数据均为直井数据。作为一项潜在的未来技术，目前已有多分支井开采水合物的现场报告，但尚未披露现场数据。此外，水合物解离过程中的多相流动和储层各向异性给建模过程带来了严峻的挑战。我们下一步将重点关注该模型在现场数据和多相流建模中的应用。储层各向异性的影响也应单独研究。
褚洪杨，土木与资源工程学院副教授，从事渗流力学反问题研究。渗流力学创新团队成员，任International Journal of Coal Science & Technology科学编辑，《工程科学学报》、Gas Science and Engineering等期刊青年编委。主持国家自然科学基金青年科学基金、中国博士后科学基金面上等项目。发表SCI/EI论文40余篇、申请发明专利10余项。获省部级自然科学一等奖。获北京科技大学优秀博士后、中国石油大学（北京）优秀毕业生、中国石油大学（北京）优秀博士学位论文等荣誉。
引用格式：Ma, T., Chu, H., Li, J. et al. Rate transient analysis for multilateral horizontal well in natural gas hydrate: superposition principle and reciprocity. Int J Coal Sci Technol 11, 70 (2024). https://doi.org/10.1007/s40789-024-00720-x
