盧靜生，吳思婷,6，李棟梁,6，梁德青,6?，魏 偉，何 勇，史伶俐，鄧福成，熊友明

（1.中國科學院廣州能源研究所，廣州 510640；2.中國石油勘探開發(fā)研究院新能源研究所，河北 廊坊 065007；3.中國科學院天然氣水合物重點實驗室，廣州 510640；4.廣東省新能源和可再生能源研究開發(fā)與應用重點實驗室，廣州 510640；5.天然氣水合物國家重點實驗室，北京 100028；6.中國科學院大學，北京 100049；7.西南石油大學，油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室，成都 610500）

0 引 言

天然氣水合物是一種水和氣體在高壓低溫環(huán)境下形成的似冰狀晶體物質(zhì)，我國將其納入了中長期科技發(fā)展規(guī)劃，已被確立為第173 個礦種[1]。2017 年我國在南海成功實施了海洋天然氣水合物試采[2-3]，2020 年南海水合物第二次試采1 個月產(chǎn)氣總量86.14 萬m3、日均產(chǎn)氣量2.87 萬m3，實現(xiàn)了從“探索性試采”向“試驗性試采”的階段性跨越，向商業(yè)開發(fā)更進一步[4]。然而現(xiàn)有凍土區(qū)和海域天然氣水合物試采多受制于出砂情況（表1），特別是我國海洋水合物多賦存在“三淺”災害多發(fā)的未固結(jié)、弱固結(jié)或裂隙發(fā)育的泥質(zhì)粉砂儲層中[5-6]，是常規(guī)油氣防砂技術的極限[6]，出砂現(xiàn)象在水合物開采過程中難以避免[7-8]，是無法長期商業(yè)開發(fā)的瓶頸問題之一[9-10]，需考慮天然氣水合物開采過程中相態(tài)變化、儲層應力應變等對水合物儲層出砂的影響，并采用相對應的防砂技術[10]，是保證水合物商業(yè)開發(fā)的前提。

表1 水合物開采方法與防砂技術（補充修改自文獻[2-4,11-12]）Table 1 Hydrate exploitation method and sand control technology (supplement and modified from literature [2-4,11-12])

日本2017 年海洋水合物試采采用貝克休斯公司的Geoform 防砂技術[13-14]，從圖1 可以看出Geoform 防砂實質(zhì)是復合防砂技術，即化學充填防砂（類似樹脂涂抹預充填篩管，替代礫石充填）+管類機械防砂的組合。

圖1 Geoform 防砂示意圖（形狀記憶材料和內(nèi)部控制管段）[18]Fig.1 Geoform sand control schematic (shape memory material and internal control pipe sections) [18]

我國2017 年神狐海域水合物試采采用防砂篩管、套管外繞礫石等管類機械防砂組合[15-16]，經(jīng)過60 d 連續(xù)試采，驗證其防砂思路的科學性和防砂工藝的有效性。我國2020 年神狐海域第二次水合物[4]試采應用“粗+細”粒礫石充填+高精度預充填篩管的三級復合防砂，并使用超輕質(zhì)陶粒充填進入篩管外環(huán)空；但是產(chǎn)出水中有砂，中值粒徑平均值為12.84 μm。然而，泥質(zhì)粉砂水合物儲層的控砂精度高導致阻力增大（表皮系數(shù)增加）、井筒中流體流速降低和攜砂能力下降，在水合物井及儲層中的復雜氣液組分下易導致水合物二次生成，并與泥砂共同堵塞井筒和儲層，導致產(chǎn)能降低。

日本2017 年海洋水合物試采的先期防砂井防砂失效，而后期防砂井防砂有效卻井筒出現(xiàn)了嚴重的水合物二次生成。另外，針對水合物防砂難題，周守為等[17]提出了固態(tài)流化法開采水合物，但破碎流化的水合物和沉積物也需要進一步篩分（固相控制），避免大顆粒固相進入流化管路或極細的顆粒黏附在流化管路壁面積聚后堵塞。

綜上所述，固相（砂和水合物）控制是海洋水合物開發(fā)的關鍵問題。本文根據(jù)水合物自身、水合物儲層及其開采出砂與防砂特征，結(jié)合海洋水合物開發(fā)分級提出了開采的固相控制方法，針對南海水合物儲層特征開展了水合物固相控制設計。

1 海洋水合物儲層特征及其開發(fā)出砂和防砂研究

1.1 南海天然氣水合物儲層特征

我國海洋天然氣水合物主要在南海的神狐和荔灣海域。

神狐海域W18 站位[19]儲層水合物飽和度最大為64%，中值粒徑為14.5～ 35 μm。儲層泥質(zhì)含量在24.6%～ 35.1%，其中蒙脫石相對含量約為38%，伊利石相對含量約32%，屬黏土質(zhì)粉砂。基于臨近的GMGS3 區(qū)域在W19 井取樣情況[20]，其水合物表征為脈狀和粥狀等，水合物顆粒尺寸可能大于泥砂顆粒尺寸，也可能小于泥砂顆粒尺寸。根據(jù)測井解釋[21]，水合物層厚度17.59 m，平均有效孔隙度30.0%，平均含水合物飽和度46.2%，平均滲透率5.50 × 10-3μm2；含氣層厚度35.90 m，平均有效孔隙度42.4%，平均含氣飽和度19.4%，平均滲透率1.16 × 10-3μm2。

荔灣海域水合物層[2]位于粵海組或韓江組上段，水合物層埋深在泥線以下117～ 196 m，層厚為60 m，地層平均孔隙度43%，平均含水合物飽和度40%。儲層沉積物以粉砂質(zhì)泥巖、泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖為主，其中粉砂巖極細，以泥質(zhì)粉砂為主（粒度分布小于40 μm 為83.25%，其中小于10 μm的為40%）。

前期研究發(fā)現(xiàn)海底天然氣水合物粒徑的算數(shù)平均值從200～ 600 μm（圖2），遠遠高于南海沉積物的中值粒徑[22-23]；通過研究南海沉積物中水合物微觀特征及其分解的微觀過程[23-24]（圖3），發(fā)現(xiàn)南海沉積物中存在水合物顆粒尺寸大于沉積物顆粒尺寸的情況，且水合物顆粒的自身分解對沉積物的作用較大，驗證了天然氣水合物顆粒尺寸大于泥砂顆粒而可能充當“礫石”角色具有擋泥砂作用，因此在出砂預測和防砂設計時不能忽略水合物自身顆粒的影響及水合物自身顆粒分解過程的影響。

圖2 水合物粒徑的算數(shù)平均數(shù)及偏差（數(shù)據(jù)補充來自文獻[22]）Fig.2 Arithmetic mean and deviation of hydrate particle size (data supplement from reference [22])

圖3 南海沉積物中水合物分解的SEM 圖像[24]：（a）初始階段；（b）3 min 后；（c）8 min 后；（d）23 min 后Fig.3 SEM images of hydrate decomposition in sediments from the South China Sea[24]:(a) the initial stage;(b) after 3 min;(c) after 8 min;(d) after 23 min

1.2 海洋水合物開發(fā)的出砂及防砂研究

通過實驗，OYAMA 等[25]發(fā)現(xiàn)水合物不穩(wěn)定降壓過程中易誘發(fā)出砂，出砂驅(qū)動力主要是水流而非分解氣流，水流速度是出砂強度的主要影響因素。JUNG 等[26-27]闡釋了印度洋水合物儲層中不同粒度細粉砂對多孔介質(zhì)的運移和堵塞機理（不含水合物），明確提出細粉砂對水合物開采影響較大。MURPHY 等[28-29]基于實驗提出日本2013 年水合物試采儲層的松散砂表現(xiàn)為整體出砂，而非局部出砂。但SUZUKI 等[30]室內(nèi)模擬日本2013 年水合物試采過程時未出現(xiàn)嚴重的出砂，與現(xiàn)場開采結(jié)果不一致。

通過數(shù)值模擬，MORIDIS 等[31]發(fā)現(xiàn)水合物儲層降壓開采的剪切破壞誘發(fā)地層沉降而存在出砂風險。UCHIDA 課題組通過水合物地層出砂理論模型預測日本和印度水合物試采過程中出砂運移過程及發(fā)生位置，該模型也經(jīng)過日本中粗砂層水合物試采歷史數(shù)據(jù)擬合[32-33]。針對南海水合物開采，YAN 等[34]發(fā)現(xiàn)初期出砂與初始水合物飽和度無關，但高初始水合物飽和度儲層后期出砂受水合物飽和度下降影響大，張懷文等[35]還發(fā)現(xiàn)開采過程中儲層最大等效塑性應變增大導致出砂增多，并細分出4 個出砂階段。NING 等[36]對高井底壓差的低滲儲層研究發(fā)現(xiàn)，剪切破壞出砂多，氣水運移少。劉浩伽等[37]計算了水合物分解區(qū)地層砂粒啟動運移臨界流速。

借鑒常規(guī)油氣開采防砂經(jīng)驗，董長銀等[38-39]通過南海高泥質(zhì)細粉砂（不含水合物）對篩管擋砂機制及控砂可行性評價實驗，基于泥餅的輔助擋砂和低滲流阻力特性，揭示篩管介質(zhì)擋砂的4種機制，水合物儲層的高泥質(zhì)含量細粉砂具有控砂的可行性。李彥龍等[19-20]探討出砂預測及防砂技術對水合物井的啟示，基于南海神狐X 站位黏土質(zhì)粉砂型水合物儲層，提出了“防粗疏細”分層式防砂：依據(jù)儲層泥砂粒度采用Tausch &Corley法和Karpoff 法結(jié)合兼顧上下兩層充填層礫石防砂尺寸為143～ 215 μm，篩網(wǎng)防砂尺寸在下層為30～ 35 μm、上層為40～ 45 μm。YU 等[40]評估水合物高泥質(zhì)粉砂儲層防砂方法對產(chǎn)氣效率和出砂的影響，適當防砂能提升開采效率。ZHU 等[41]發(fā)現(xiàn)固相的分離和運移主要發(fā)生在井筒附近且出現(xiàn)堵塞區(qū)，降低降壓速率可緩解出砂，且抑制產(chǎn)氣不明顯，防砂裝置雖抑制出砂但易堵塞導致產(chǎn)氣量下降。寧伏龍等[42]分析總結(jié)了水合物儲層出砂影響因素及出砂機理，闡釋了出砂研究存在的問題和挑戰(zhàn)，提出了從單純的“防與擋”轉(zhuǎn)變?yōu)椤案呐c固”的控制思維轉(zhuǎn)變，變被動為主動。

綜上，水合物儲層開采過程中的出砂預測和防砂設計不僅要考慮儲層泥砂特性，還需要考慮固相水合物顆粒本身及其分解特征對控制過程的影響，從而開展具有針對性的固相控制設計。

2 海洋水合物開采固相控制方法

由于已發(fā)現(xiàn)的水合物儲層泥質(zhì)含量遠遠高于常規(guī)油氣井，簡單套用常規(guī)油氣防砂設計難以滿足水合物開采固相控制的需要，此處提出考慮水合物顆粒尺寸加權的水合物儲層固相顆粒粒度中值計算方法：

式中：dg50為加權后的固相粒度中值，μm；dh50為水合物的粒度中值，μm；ds50為泥砂的粒度中值，μm；Sh為水合物在儲層體積中的比例，%；Ss為泥砂在儲層體積中的比例，%。

海洋天然氣水合物的三個生產(chǎn)階段及其出砂方式：排水降壓產(chǎn)氣階段以細顆粒砂整體出砂為主，高速產(chǎn)氣攜液階段以大顆粒砂出砂為主，低速產(chǎn)氣階段未見明顯的出砂；產(chǎn)水含砂率和出砂粒徑隨著開采過程而逐漸增大；中后期提產(chǎn)容易加劇近井壁出砂和沉降[23,43-45]。含水合物高泥質(zhì)粉砂儲層和含水合物細砂儲層在開采過程中出砂和沉降的差異較大：含水合物高泥質(zhì)粉砂儲層低滲呈現(xiàn)非均勻溫壓分布，水合物分解對細顆粒運移和流體擾動的影響更加明顯，其出砂特征是排水降壓產(chǎn)氣階段泥流出砂和高產(chǎn)氣攜液階段儲層整體滑移出砂；開采過程中儲層變形明顯，水平井呈現(xiàn)出井眼處整體凹陷滑移，垂直井表征為較大的儲層沉降[23,43-45]。有研究發(fā)現(xiàn)“高泥質(zhì)粉砂儲層失水造壁”性能，形成具有裂縫的“泥餅”。推測并驗證天然氣水合物不同飽和度（顆粒尺寸）在儲層開采過程中具有擋泥砂作用[23]。針對水合物儲層提出了“分階段分級分層”防砂概念[45]，借鑒可滲透泥皮輔助控砂[38-39,42]，提出通過改造水合物儲層“泥質(zhì)粉砂儲層失水造壁性”的泥餅作為防砂介質(zhì)的設想[44]。

綜上，根據(jù)天然氣水合物開采出砂特征和天然氣水合物開發(fā)分級，提出了天然氣水合物開發(fā)分級的固相控制，見表2。

所謂“分級分層分階段”，即天然氣水合物儲層各層固相粒徑差異較大，但在天然氣水合物儲層開發(fā)的三個生產(chǎn)階段固相粒徑變化不大，因此根據(jù)水合物儲層開發(fā)特征對各層（分層）在不同生產(chǎn)階段（分階段）的固相顆粒采用多級的固相控制精度（分級）。針對天然氣水合物儲層多層級、多種開采方式、多個生產(chǎn)階段和考慮儲層固相顆粒粒度中值（圖4），根據(jù)各層（分層）在不同生產(chǎn)階段（分階段）固相粒徑中值特征，進行不同固相控制精度（分級）的設計。同時，對于高泥質(zhì)含量的儲層采用礫石和篩管防砂等結(jié)合的復合防砂方式實現(xiàn)多級固相控制（分級）。符合水合物開采過程中出砂粒徑隨開采由小到大（前期出砂顆粒粒徑小，后期出砂顆粒粒徑大），水合物粒徑由大到小的變化規(guī)律，兩個固相加權后dg50維持一個相對穩(wěn)定粒徑。

圖4 固相控制示意圖：（a）基于常規(guī)油氣技術；（b）固態(tài)流化技術Fig.4 Schematic diagram of solid phase control:(a) based on conventional oil and gas technology;(b) solid-state fluidization technology

根據(jù)現(xiàn)有水合物開采方法提出以下三種方式。

（1）基于常規(guī)油氣技術開采水合物的控制方式（圖4a）

生產(chǎn)的第一階段：借鑒Saucier 方法，根據(jù)地層固相顆粒（包含泥砂和水合物）的粒度中值dg50進行初篩。在井壁穩(wěn)定的條件下“防粗疏細”，確定第一級控制的精度范圍，盡量在第一階段產(chǎn)出部分小顆粒固相（小顆粒水合物和泥），防住部分大顆粒固相（大顆粒水合物和砂）；對于高泥質(zhì)含量的儲層，在以上控制方式的基礎上，采用Geoform 防砂方式、Tausch &Corley 法、Karpoff 法和儲層改造等技術確定控制精度范圍。

生產(chǎn)的第二階段：隨著水合物的分解，dg50中水合物的權重降低，地層中被防住的較大固相顆粒是該階段固相控制主體（以泥砂為主），因此需要結(jié)合儲層探井獲得的泥砂粒徑，確定其管類控制精度的第二級控制的精度范圍；對于高泥質(zhì)含量的儲層，盡管有第一級控制措施，仍需要考慮第一級控制失效后，利用第二級措施進行補救。此時由于儲層含水率比生產(chǎn)第一階段低、固相水合物權重降低，但氣體流速較高，可以考慮高產(chǎn)氣井的管類防砂方式，并在“泥餅”的配合下進行控制。

生產(chǎn)的第三階段：由于dg50中水合物權重進一步降低，需要避免近井壁水合物分解的不穩(wěn)定儲層或“泥餅”整體被遠端氣液推動滑移出砂，因此依靠前兩級控制措施的作用，也需要考慮在前兩級控制失效后的第三級控制措施。此階段重點對近井壁水合物分解后儲層的整體滑移進行控制，需要開發(fā)一些全新的技術。

（2）固態(tài)流化法的控制方式（圖4b）

固態(tài)流化法開采水合物通過管類進行機械控制，需要對流化液體中粉碎的固相顆粒進行控制，避免未粉碎的大顆粒固相被吸入導致堵塞，以及細顆粒固相的黏附堵塞。根據(jù)水合物的分解周期，在流化管內(nèi)進行多級控制，實現(xiàn)翻排砂的分離。

（3）三氣合采。

“三氣合采”（水合物、淺層氣、常規(guī)氣）可能是早期實現(xiàn)商業(yè)性開發(fā)的有效途徑[46]，對于分層氣的合采就各自進行防砂和固相控制。而針對常規(guī)氣田伴生有水合物藏進行合采，采用常規(guī)氣田防砂方法對氣田進行控制，如需開采水合物藏則采用（1）方法進行控制。淺層氣（自由氣）伴生水合物藏的具體控制方法需要結(jié)合淺層氣和水合物各自儲層的固相粒度進行控制，或者考慮井筒均衡排液的情況進行“分級分階段分層”設計。

3 南海水合物開采固相控制研究

結(jié)合南海水合物儲層公開的資料、日本水合物防砂設計思路和水合物出砂特征，開展南海水合物固相控制設計。根據(jù)前文所述，荔灣海域沉積物中值粒度與神狐海域相近，南海水合物儲層的沉積物中值粒度ds50介于6～ 40 μm 之間，平均地層孔隙度為30%～ 46%（取40%），平均水合物飽和度為40%～ 46.2%（取43%）。因此，水合物在儲層中占比為17.2%，泥砂占比為60%，孔隙占比22.8%。根據(jù)圖2，水合物的平均顆粒尺寸dh50取200 μm。儲層的固相中值粒度為二者加權后的平均粒度，經(jīng)過計算儲層固相的中值粒度dg50為38～ 58.4 μm，固相控制的礫石粒度中值Dg50為5～ 6 倍dg50，即190～350.4 μm，約42～ 80 目，經(jīng)過比對[47]，高級優(yōu)質(zhì)篩管可取60 μm 作為控制精度，而割縫襯管可能無法適用。因此在第一級控制可采用190～ 350.4 μm 粒度中值的礫石，與李彥龍等[20]的設計相近（215～360 μm），第二級控制精度的高級優(yōu)質(zhì)篩管可取60 μm 作為控制精度。

然而該第一級控制精度的礫石極小，近乎中砂，而非礫石，可能導致第二級控制精度被浪費去阻擋第一級控制的中砂，未達到多級控制的設想。因此，第一級控制精度的中砂對于泥質(zhì)粉砂的儲層進行控制，無論是考慮還是不考慮水合物顆粒尺寸可能都難以實現(xiàn)。值得注意的是，無論礫石控制還是管類控制，其核心還是物理擋砂的過程，礫石控制比管類控制更厚而獲得更大容砂空間，而非割縫襯管、繞絲篩管和高級優(yōu)質(zhì)金屬篩管等通過單一尺寸的縫隙形成砂橋來防砂。

因此，對于泥質(zhì)粉砂這種小顆粒沉積物在第一級控制建議采用可拓展的膨脹篩管、MeshRite 篩管、Geoform 等多層控制介質(zhì)進行控制，并配合儲層改造后的泥餅，以及有第二級高級優(yōu)質(zhì)篩管控制作為保障。這樣多層控制介質(zhì)布設比礫石充填分布更加可控，可以提高第一級控制的精度和穩(wěn)定性。第一級控制的多層控制介質(zhì)精度應該比第二級控制精度適當放大，保證生產(chǎn)第一階段的流體和小顆粒固相通過，同時也能使生產(chǎn)第二和第三階段的大顆粒砂被有效控住。基于上面的設計，建議第一級采用7～8 倍的dg50，即266～ 467.2 μm，對應60～ 105 μm 的高級優(yōu)質(zhì)篩管控制精度。第二級防砂可以再放大到10～ 15 倍的dg50，即304～ 876 μm，對應380～ 149 μm的高級優(yōu)質(zhì)篩管控制精度。

另外，多級防砂勢必會帶來儲層損害等不利因素，實驗中10 cm 厚南海泥質(zhì)粉砂水合物儲層能夠產(chǎn)生8.6 MPa 的層間壓差（附加阻力）[44]，導致表皮系數(shù)增大，因此在實際地層開采過程中，其井筒周圍的附加阻力可能嚴重影響產(chǎn)能效率。同時，在水合物井中固相控制后流速降低會增加井筒內(nèi)水合物二次生成風險，與泥砂共同堵塞井筒。隨著油氣工業(yè)和裝備的進步，未來可能實現(xiàn)防砂精度隨著dg50在開采周期中變化而不斷智能修正，降低多級固相控制帶來的劣勢。隨著天然氣水合物開發(fā)固相（水合物和砂）控制研究的不斷深入，最終形成出砂/防砂/井筒攜砂/二次生成預防為一體的固相控制體系，突破天然氣水合物商業(yè)開發(fā)的瓶頸。

4 結(jié)論與展望

基于國內(nèi)外常規(guī)油氣控砂經(jīng)驗和水合物開采過程中的出砂宏微觀機制，依據(jù)水合物開發(fā)分級情況細分了基于常規(guī)油氣技術開采水合物、固態(tài)流化法和三氣合采的固相控制策略。根據(jù)海洋天然氣水合物開發(fā)分級提出考慮水合物顆粒尺寸的儲層固相加權平均中值粒度的分級分層分階段控制方案。

根據(jù)南海水合物儲層的公開資料，提出了儲層中固相加權的粒度中值dg50，給出了在第一級控砂可采用190～ 350.4 μm 粒度中值的礫石，對應60～ 105 μm 的高級優(yōu)質(zhì)篩管控砂精度，并配合儲層改造后的泥餅，以及有第二級控制精度對應380～149 μm 的高級優(yōu)質(zhì)篩管作為保障。

下一步將進一步揭示南海泥質(zhì)粉砂儲層的內(nèi)涵，從而優(yōu)化固相（水合物和砂）控制，形成出砂/防砂/井筒攜砂/二次生成為一體的固相控制體系，同時探索開發(fā)保持水合物儲層整體穩(wěn)定技術，尤其是近井筒地帶穩(wěn)定控制技術。根據(jù)該固相控制設計，需要通過實驗、數(shù)值模擬和現(xiàn)場測試進一步平衡出砂、產(chǎn)能和二次生成之間的關系，驗證其可靠性。

由于現(xiàn)階段海洋現(xiàn)場控砂精度驗證的成本極高，因此在現(xiàn)場適用前需要開展實驗驗證，從而在產(chǎn)能與固相控制之間選取最優(yōu)精度范圍，以期為早日實現(xiàn)南海天然氣水合物商業(yè)開發(fā)提供支撐。