天然氣水合物開(kāi)采井防砂充填層礫石尺寸設(shè)計(jì)方法

李彥龍，胡高偉，劉昌嶺，吳能友，陳強(qiáng)，劉樂(lè)樂(lè)，李承峰

（1. 青島海洋地質(zhì)研究所 國(guó)土資源部天然氣水合物重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東青島 266071；2. 青島海洋科學(xué)與技術(shù)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室海洋礦產(chǎn)資源評(píng)價(jià)與探測(cè)技術(shù)功能實(shí)驗(yàn)室，山東青島 266071）

天然氣水合物開(kāi)采井防砂充填層礫石尺寸設(shè)計(jì)方法

李彥龍1,2，胡高偉1,2，劉昌嶺1,2，吳能友1,2，陳強(qiáng)1,2，劉樂(lè)樂(lè)1,2，李承峰1,2

（1. 青島海洋地質(zhì)研究所 國(guó)土資源部天然氣水合物重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東青島 266071；2. 青島海洋科學(xué)與技術(shù)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室海洋礦產(chǎn)資源評(píng)價(jià)與探測(cè)技術(shù)功能實(shí)驗(yàn)室，山東青島 266071）

針對(duì)水合物儲(chǔ)集層流體抽取法開(kāi)采過(guò)程中面臨的出砂問(wèn)題，提出了針對(duì)黏土質(zhì)粉砂型水合物儲(chǔ)集層的“防粗疏細(xì)”式防砂充填層礫石尺寸設(shè)計(jì)方法，并以中國(guó)南海神狐海域X站位為例進(jìn)行了具體分析。以X站位為例，分析了水合物儲(chǔ)集層地層砂基本特性，對(duì)地層砂粗、細(xì)組分進(jìn)行劃分，并分別計(jì)算了疏通細(xì)組分和阻擋粗組分所需的防砂充填層礫石尺寸范圍，通過(guò)求解兩者的交集來(lái)確定最佳礫石尺寸。研究表明，X站位水合物儲(chǔ)集層為分選性、均勻性極差且黏土含量較高的粉砂質(zhì)儲(chǔ)集層，上、下部?jī)?chǔ)集層防砂充填層最佳礫石尺寸設(shè)計(jì)結(jié)果分別為 143～215 μm和 240～360 μm。在現(xiàn)場(chǎng)施工無(wú)法嚴(yán)格滿足分層防砂要求的情況下，為了兼顧上、下部?jī)?chǔ)集層，在滿足充填強(qiáng)度的前提下，推薦X站位防砂充填層礫石尺寸為215～360 μm。圖3表2參22

天然氣水合物；試采；出砂管理；防砂充填礫石；中國(guó)南海；神狐海域

0 引言

中國(guó)南海海域蘊(yùn)藏大量的天然氣水合物（簡(jiǎn)稱(chēng)水合物）資源[1-2]，2017年由中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局主持在中國(guó)南海神狐海域開(kāi)展中國(guó)首次水合物試開(kāi)采。從2017年5月10日成功產(chǎn)氣點(diǎn)火至5月18日國(guó)土資源部宣布試采成功，累計(jì)產(chǎn)出超過(guò)12×104m3天然氣，測(cè)試甲烷含量高達(dá)99.5%，在此期間平均日產(chǎn)超過(guò)1.6×104m3，使中國(guó)成為全球首個(gè)實(shí)現(xiàn)在海域粉砂質(zhì)儲(chǔ)集層水合物開(kāi)采中獲得連續(xù)穩(wěn)定產(chǎn)氣的國(guó)家[3]；至7月9日順利關(guān)井，總產(chǎn)氣量達(dá) 30.9×104m3，綜合平均日產(chǎn)超過(guò) 5 000 m3[4]。獲得的大量測(cè)試數(shù)據(jù)為下一步研究工作奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。由于水合物儲(chǔ)集層通常屬于未固結(jié)、弱固結(jié)或裂隙發(fā)育地層，水合物分解產(chǎn)出過(guò)程中儲(chǔ)集層出砂現(xiàn)象不可避免[5-6]。特別是中國(guó)南海水合物儲(chǔ)集層為未固結(jié)超細(xì)粉砂儲(chǔ)集層，出砂問(wèn)題成為制約水合物資源有效開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵因素[7-8]，合理有效的防砂方案設(shè)計(jì)是保證水合物成功開(kāi)采的關(guān)鍵之一。

中國(guó)南海北部神狐海域水合物儲(chǔ)集層具有埋藏淺、膠結(jié)差、泥質(zhì)含量高等特點(diǎn)[9]，屬于未固結(jié)超細(xì)粉砂儲(chǔ)集層，充填型防砂工藝（包括常規(guī)管內(nèi)/管外礫石充填防砂和陶粒/石英砂預(yù)充填防砂篩管防砂等）是此類(lèi)儲(chǔ)集層最有效的防砂工藝之一[10-11]。防砂充填層既是擋砂屏障又是地層流體的入井通道，較大的礫石尺寸有利于盡可能降低防砂附加表皮，釋放水合物儲(chǔ)集層產(chǎn)能，但同時(shí)可能導(dǎo)致地層砂大量產(chǎn)出，造成砂埋、地層虧空加劇等工程風(fēng)險(xiǎn)；較小的礫石尺寸雖然擋砂效果好，但極易發(fā)生細(xì)質(zhì)或泥質(zhì)顆粒堵塞，對(duì)水合物井的產(chǎn)能產(chǎn)生嚴(yán)重影響。因此，防砂充填層礫石尺寸的設(shè)計(jì)應(yīng)該從防止擋砂層堵塞和適度阻擋地層砂兩方面考慮。

目前，針對(duì)常規(guī)油氣井的充填型防砂礫石尺寸設(shè)計(jì)主要有以下兩種基本思路：①完全擋砂，要求井口產(chǎn)出液中固相含量小于0.3‰；②適度防砂，要求井口產(chǎn)出液中固相含量小于0.5‰[12]。然而，對(duì)于黏土質(zhì)粉砂型水合物儲(chǔ)集層而言，僅泥質(zhì)含量就高達(dá)30%以上，而泥質(zhì)、細(xì)顆粒是造成防砂充填層堵塞的主要堵塞物[13-14]，因此設(shè)計(jì)防砂充填層礫石尺寸時(shí)必須首先保證這部分堵塞物能夠順利排出擋砂層。由于堵塞物含量較大，產(chǎn)出液中的固相含量勢(shì)必遠(yuǎn)超過(guò)針對(duì)常規(guī)油氣井規(guī)定的固相含量上限。因此，以上兩種設(shè)計(jì)思路均不適用于黏土質(zhì)粉砂型水合物儲(chǔ)集層。

本文提出針對(duì)黏土質(zhì)粉砂型水合物儲(chǔ)集層的防砂充填層礫石尺寸設(shè)計(jì)方法，以中國(guó)南海神狐海域X站位為例說(shuō)明該設(shè)計(jì)方法的具體實(shí)現(xiàn)步驟，并針對(duì)X站位提出防砂充填層礫石尺寸設(shè)計(jì)建議。

1 防砂充填層礫石尺寸設(shè)計(jì)方法

考慮水合物儲(chǔ)集層特性，水合物生產(chǎn)井防砂充填層礫石尺寸設(shè)計(jì)的目標(biāo)是：既保證地層堵塞物順利排出，又防止地層大顆粒大面積產(chǎn)出。為此，本文提出“防粗疏細(xì)”的礫石尺寸設(shè)計(jì)思路，即：使地層砂細(xì)組分完全通過(guò)防砂充填層從而防止堵塞，同時(shí)保證地層砂粗組分被擋在防砂充填層外圍，從而既疏通近井地層、保證產(chǎn)能，又防止地層大量出砂造成垮塌。

“防粗疏細(xì)”式防砂充填層礫石尺寸設(shè)計(jì)的具體步驟是：①獲取原始地層砂粒徑分布特征參數(shù)，分析地層砂均勻性和分選性，初步設(shè)定充填層礫石尺寸設(shè)計(jì)要求；②利用原始地層砂粒徑分布曲線，經(jīng)過(guò)一定的數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)化，將地層砂劃分為細(xì)組分和粗組分兩種組分，并找到細(xì)組分與粗組分的分界點(diǎn)粒徑值，粗組分、細(xì)組分分界點(diǎn)粒徑值即為細(xì)組分最大粒徑值，根據(jù)該粒徑值確定使防砂充填層不發(fā)生細(xì)組分堵塞的最小礫石尺寸；③從原始地層砂粒徑分布曲線中去除細(xì)組分，重新繪制粗組分粒徑分布曲線，并分析地層砂粗組分的粒徑分布特性；④基于完全擋砂思路的防砂充填層擋砂精度設(shè)計(jì)模型，計(jì)算完全阻擋粗組分所需的礫石尺寸范圍；⑤求解疏通細(xì)組分所需的防砂充填層礫石尺寸范圍與阻擋粗組分所需的防砂充填層礫石尺寸范圍的交集，確定對(duì)應(yīng)層位的最佳礫石尺寸。

該設(shè)計(jì)方法還需要考慮分層防砂、泥質(zhì)含量等因素的影響，其設(shè)計(jì)結(jié)果也需要與現(xiàn)有工業(yè)礫石尺寸進(jìn)行匹配，才能滿足施工要求。

2 原始地層砂特性分析

生產(chǎn)層位地層砂粒徑分布規(guī)律是防砂充填層礫石尺寸設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。中國(guó)南海神狐海域水合物儲(chǔ)集層具有埋藏淺、滲透率低、膠結(jié)程度差、泥質(zhì)含量高等基本特性。圖1為神狐海域X站位儲(chǔ)集層粒徑分布范圍，可見(jiàn)中值粒徑在 6.0～15.9 μm。儲(chǔ)集層泥質(zhì)含量在25%～36%，其中蒙脫石相對(duì)含量約為38%，伊利石相對(duì)含量約為 32%，屬黏土質(zhì)粉砂[15]。根據(jù)實(shí)際工程地質(zhì)資料，X站位地層砂粒徑隨著深度的增大而逐漸增大。圖1中粒徑分布范圍的左邊界代表X站位下部?jī)?chǔ)集層的典型地層砂粒徑分布曲線，右邊界代表X站位上部?jī)?chǔ)集層的典型地層砂粒徑分布曲線，X站位儲(chǔ)集層整體粒徑分布曲線介于兩者之間。

圖1 X站位水合物儲(chǔ)集層地層砂粒徑分布范圍

防砂充填層礫石尺寸設(shè)計(jì)除了需要考慮地層砂中值粒徑的影響，還需要考慮地層砂分選系數(shù)、均勻系數(shù)等參數(shù)的影響[16]。典型的地層砂分選系數(shù)計(jì)算公式有沉積學(xué)公式（見(jiàn)（1）式）、Berg公式（見(jiàn)（2）式）等[17]。

基于（1）式、（2）式的地層砂分選性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為：F≤0.5，分選性良好；0.5＜F≤1.0，分選性中等；1.0＜F≤2.0，分選性差；F＞2.0，分選性極差[17]。基于沉積學(xué)公式和Berg公式計(jì)算的X站位地層砂分選系數(shù)分別為 1.85～2.30和 2.35～2.95。總體而言，Berg公式的計(jì)算結(jié)果略大于沉積學(xué)公式的計(jì)算結(jié)果，但綜合考慮兩者的計(jì)算結(jié)果可以認(rèn)為，X站位地層砂分選性極差。地層砂分選性越差，防砂充填層擋砂越困難，所需的防砂充填層有效擋砂介質(zhì)粒徑范圍越寬，防砂效果和抗堵塞效果都會(huì)變差。

地層砂均勻系數(shù)的計(jì)算公式[18]為：

基于（3）式的地層砂均勻性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為：C≤5，均勻；5＜C≤8，不均勻；C＞8，極不均勻。X站位地層砂均勻系數(shù)計(jì)算結(jié)果為8.4～12.3，為極不均勻砂[18]。

因此，X站位水合物儲(chǔ)集層地層砂為分選性極差、不均勻性極強(qiáng)且泥質(zhì)含量很高的黏土質(zhì)粉砂。這給防砂充填層礫石尺寸的設(shè)計(jì)帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)。

3 地層砂粗、細(xì)組分特性分析

3.1 地層砂粗、細(xì)組分劃分

Markestad等[19]研究地層砂向井筒的侵入過(guò)程時(shí)發(fā)現(xiàn)，一個(gè)地層砂樣總能分成粗、細(xì)兩個(gè)組分。對(duì)于中國(guó)南海神狐海域的未固結(jié)黏土質(zhì)粉砂儲(chǔ)集層，當(dāng)水合物完全分解后，可以認(rèn)為地層砂細(xì)組分和黏土礦物主要以游離狀態(tài)存留于粗組分所形成的孔隙中。在井底生產(chǎn)壓差條件下，水合物分解產(chǎn)生的氣、水將攜帶細(xì)組分向防砂充填層流動(dòng)并侵入防砂充填層。為了兼顧產(chǎn)能和儲(chǔ)集層整體穩(wěn)定性，一方面要疏通細(xì)組分，降低近井地帶污染程度，促進(jìn)水合物分解，提高流體抽取法開(kāi)采井的產(chǎn)能；另一方面必須防止粗組分的產(chǎn)出，從而維持地層的基本構(gòu)架，防止地層大面積虧空。地層砂粗組分、細(xì)組分劃分的基本方法如下。

①為了得到粗、細(xì)組分的分界點(diǎn)粒徑，需要按照顆粒數(shù)量而不是質(zhì)量分?jǐn)?shù)來(lái)進(jìn)行粒徑分析。根據(jù)原始地層砂粒徑分布曲線，按照對(duì)應(yīng)的粒徑及顆粒密度將質(zhì)量分?jǐn)?shù)換算成顆粒數(shù)量，換算公式[18]為：

②對(duì)顆粒數(shù)量N取常用對(duì)數(shù)，繪制d-lgN關(guān)系曲線。X站位上、下部?jī)?chǔ)集層地層砂典型d-lgN關(guān)系如圖2所示。

③得到d-lgN關(guān)系曲線后可以發(fā)現(xiàn)，隨著d的增大lgN逐漸減小且存在某個(gè)臨界點(diǎn)，該臨界點(diǎn)之前l(fā)gN隨著d的增大迅速減小，臨界點(diǎn)之后lgN隨著d的增大變化幅度較小。本文定義該臨界點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的粒徑即為地層砂粗、細(xì)組分的分界點(diǎn)粒徑。由圖2可知，X站位上、下部?jī)?chǔ)集層地層砂粗、細(xì)組分分界點(diǎn)粒徑分別為 5.3 μm 和 7.2 μm。

圖2 X站位地層砂粗、細(xì)組分劃分圖

3.2 地層砂粗組分特性分析

在對(duì)地層砂粗、細(xì)組分進(jìn)行劃分后，需要重新對(duì)去除細(xì)組分的地層砂進(jìn)行粒徑分布規(guī)律分析，找出地層砂粗組分的特征粒徑值，從而為礫石尺寸設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

根據(jù)圖 2的地層砂粗、細(xì)組分劃分結(jié)果，從圖 1的上、下部?jī)?chǔ)集層地層砂粒徑分布曲線中分別去除粒徑小于5.3 μm和7.2 μm的細(xì)組分，然后重新繪制地層砂粗組分粒徑分布曲線（見(jiàn)圖3）。

圖3 X站位地層砂粗組分粒徑分布曲線

基于圖3計(jì)算得到X站位地層砂粗組分粒徑分布規(guī)律特征參數(shù)：中值粒徑為15.9～24.4 μm，利用沉積學(xué)公式和Berg公式計(jì)算的分選系數(shù)分別為0.9～1.2和1.1～1.5，均勻系數(shù)為1.98～2.98?？梢钥闯觯コ?xì)組分后，X站位地層砂分選系數(shù)降低，表明地層砂分選性變好；均勻系數(shù)顯著降低，地層砂由極不均勻砂變?yōu)榫鶆蛏?。分選性良好的均勻砂與分選性極差的極不均勻砂相比防砂難度顯著降低，因此疏通地層細(xì)組分的礫石尺寸設(shè)計(jì)思路有利于延長(zhǎng)防砂有效期和試采周期。

4 防砂充填層礫石尺寸設(shè)計(jì)

4.1 疏通細(xì)組分所需的最小礫石尺寸

Saucier等[20]通過(guò)驅(qū)替實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)地研究了驅(qū)替后礫石層、地層砂中值粒徑之比與礫石層滲透率的關(guān)系后發(fā)現(xiàn)：不考慮泥質(zhì)含量影響的前提下，當(dāng)?shù)[石層、地層砂中值粒徑之比大于14時(shí)，地層砂可自由通過(guò)礫石層。因此，水合物儲(chǔ)集層流體產(chǎn)出過(guò)程中，為了盡可能防止細(xì)組分堵塞，最小礫石尺寸應(yīng)為：

對(duì)于X站位上部?jī)?chǔ)集層：

對(duì)于X站位下部?jī)?chǔ)集層：

除了地層砂細(xì)組分，水合物儲(chǔ)集層中含有大量的蒙脫石等黏土礦物，這些泥質(zhì)成分是影響擋砂介質(zhì)堵塞程度的主要因素之一[21]。泥質(zhì)含量越高，地層產(chǎn)出物對(duì)擋砂介質(zhì)的堵塞速度及最終堵塞程度越大。馬帥等[22]通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明：隨著泥質(zhì)含量的增大，相同中值粒徑、相同均勻系數(shù)的地層砂所需的最佳礫石尺寸增大，當(dāng)泥質(zhì)含量達(dá)到21.36%時(shí)，完全擋砂條件下的最佳礫石尺寸為不含泥質(zhì)時(shí)最佳礫石尺寸的1.54倍。因此，本文提出礫石層擋砂精度損失率的概念，即泥質(zhì)含量增大造成的防砂充填層礫石尺寸的增大程度，用Rm表示。

考慮泥質(zhì)含量的影響，為了盡可能防止細(xì)組分及泥質(zhì)堵塞，最小礫石尺寸應(yīng)為：

因此，對(duì)于X站位上、下部?jī)?chǔ)集層，疏通細(xì)組分所需的最小礫石尺寸分別為118.7 μm和161.3 μm。

4.2 阻擋粗組分所需的礫石尺寸范圍

在滿足完全疏通細(xì)組分的前提下，可以按照常規(guī)防砂充填層礫石尺寸設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)完全阻擋粗組分所需的礫石尺寸。

目前常用的防砂充填層礫石尺寸設(shè)計(jì)方法包括Karpoff法、Tausch & Corley法、Saucier法等。其中，Saucier法和Tausch & Corley法分別以地層砂d50、d10值作為防砂充填層礫石尺寸設(shè)計(jì)點(diǎn)，具體礫石尺寸范圍分別如（9）式、（10）式所示。

Karpoff法根據(jù)地層砂均勻系數(shù)和中值粒徑確定礫石尺寸范圍：

結(jié)合圖3及（9）—（11）式可得到阻擋地層砂粗組分所需的防砂充填層礫石尺寸范圍，如表1所示。

表1 阻擋地層砂粗組分所需的防砂充填層礫石尺寸范圍

4.3 X站位防砂充填層最佳礫石尺寸

水合物開(kāi)采井防砂充填層礫石尺寸的設(shè)計(jì)應(yīng)該同時(shí)滿足完全疏通細(xì)組分和阻擋粗組分的要求。因此，應(yīng)該求解疏通細(xì)組分所需的防砂充填層礫石尺寸范圍與阻擋粗組分所需的防砂充填層礫石尺寸范圍的交集（見(jiàn)表2），以確定最佳礫石尺寸。若兩者的交集為空集，說(shuō)明該礫石尺寸設(shè)計(jì)方法不適用于黏土質(zhì)粉砂型水合物儲(chǔ)集層；反之，則兩者的交集即為防砂充填層最佳礫石尺寸。

表2 X站位防砂充填層礫石尺寸設(shè)計(jì)結(jié)果

由表2可知，Saucier法不適用于黏土質(zhì)粉砂型水合物儲(chǔ)集層，基于Karpoff法的礫石尺寸設(shè)計(jì)結(jié)果偏保守，而基于Tausch & Corley法的設(shè)計(jì)結(jié)果則相對(duì)冒險(xiǎn)。這就需要在防砂效果和產(chǎn)能要求之間尋求平衡。在井筒攜砂條件苛刻且沉砂口袋不足的情況下，可犧牲部分產(chǎn)能，選擇基于Karpoff法的設(shè)計(jì)結(jié)果；在井筒攜砂條件相對(duì)寬松且有液流注入管線防止砂沉的情況下，可選擇基于Tausch & Corley法的設(shè)計(jì)結(jié)果。需要注意的是，無(wú)論是Tausch & Corley法還是Karpoff法，都是基于礫石層完全阻擋地層砂粗組分這一假設(shè)的設(shè)計(jì)結(jié)果。理論上講，在井底能夠形成穩(wěn)定砂橋的條件下，基于Tausch & Corley法的設(shè)計(jì)結(jié)果即可以實(shí)現(xiàn)完全阻擋地層砂粗組分。因此，為了進(jìn)一步釋放水合物儲(chǔ)集層產(chǎn)能，本文推薦以Tausch & Corley法的設(shè)計(jì)結(jié)果作為中國(guó)南海黏土質(zhì)粉砂型水合物儲(chǔ)集層開(kāi)采井防砂充填層礫石尺寸選擇的依據(jù)。則X站位上部?jī)?chǔ)集層防砂充填層最佳礫石尺寸為143～215 μm（約65～90目），下部?jī)?chǔ)集層防砂充填層最佳礫石尺寸為 240～360 μm（約 45～62目）。但是在海上平臺(tái)施工過(guò)程中，分層防砂難度大，施工程序復(fù)雜，無(wú)法嚴(yán)格按照上述設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行防砂充填層設(shè)計(jì)。因此，為了兼顧上、下部?jī)?chǔ)集層，在滿足充填強(qiáng)度的情況下，推薦X站位防砂充填層礫石尺寸為215～360 μm，實(shí)際施工中可根據(jù)此設(shè)計(jì)值與工業(yè)礫石尺寸進(jìn)行匹配。

需要特別強(qiáng)調(diào)的是，本文設(shè)計(jì)方法及設(shè)計(jì)結(jié)果適用于能夠保證充填強(qiáng)度并防止顆粒蠕動(dòng)虧空的管內(nèi)礫石充填防砂和預(yù)充填篩管防砂作業(yè)，對(duì)于管外礫石充填防砂作業(yè)，其防砂充填層礫石尺寸應(yīng)在此基礎(chǔ)上降低1級(jí)。

5 結(jié)論

本文提出了針對(duì)水合物儲(chǔ)集層的“防粗疏細(xì)”式防砂充填層礫石尺寸設(shè)計(jì)方法。首先基于能夠疏通地層砂細(xì)組分的要求確定防砂充填層礫石尺寸的下限，然后求解完全阻擋地層砂粗組分所需的礫石尺寸范圍，兩者的交集即為流體抽取法水合物開(kāi)采井的防砂充填層最佳礫石尺寸。此外，還考慮了分層防砂、泥質(zhì)含量等因素的影響，并將設(shè)計(jì)結(jié)果與現(xiàn)有工業(yè)礫石尺寸進(jìn)行匹配，以滿足施工要求。

采用本文方法對(duì)中國(guó)南海神狐海域X站位防砂充填層礫石尺寸進(jìn)行了設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)結(jié)果為215～360 μm。

由于“防粗疏細(xì)”式防砂充填層礫石尺寸設(shè)計(jì)方法要求完全排除地層砂細(xì)組分，因此礫石尺寸設(shè)計(jì)必須與恰當(dāng)?shù)木惭a(bǔ)液、攜砂工作制度設(shè)計(jì)配合，達(dá)到氣、液、固三相流動(dòng)的精細(xì)控制，才能有效延長(zhǎng)試采周期。

符號(hào)注釋?zhuān)?/p>

C——地層砂均勻系數(shù)，無(wú)因次；d——地層砂粒徑，m；d5，d10，d16，d40，d84，d90，d95——地層砂粒徑分布曲線上累計(jì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%、10%、16%、40%、84%、90%和95%對(duì)應(yīng)的粒徑，μm；d50——地層砂中值粒徑，μm；dfmax——地層砂細(xì)組分的最大粒徑，μm；Dcmax，Dcmin——阻擋粗組分所需的防砂充填層最大、最小礫石尺寸，μm；Dfmin——考慮泥質(zhì)含量影響時(shí)疏通細(xì)組分所需的防砂充填層最小礫石尺寸，μm；Df′min——不考慮泥質(zhì)含量影響前提下疏通細(xì)組分所需的防砂充填層最小礫石尺寸，μm；F——地層砂分選系數(shù)，無(wú)因次；M——篩析的地層砂樣總質(zhì)量，kg；N——地層砂的顆粒數(shù)量；Rm——泥質(zhì)含量增大造成的擋砂精度損失率，本文取160%；W——某一粒徑地層砂的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；ρ——地層砂密度，kg/m3。

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Gravel sizing method for sand control packing in hydrate production test wells

LI Yanlong1,2, HU Gaowei1,2, LIU Changling1,2, WU Nengyou1,2, CHEN Qiang1,2, LIU Lele1,2, LI Chengfeng1,2
(1.Key Laboratory of Gas Hydrate,Ministry of Land and Resources,Qingdao Institute of Marine Geology,Qingdao266071,China;2.Laboratory for Marine Mineral Resources,Qingdao National Laboratory for Marine Science and Technology,Qingdao266071,China)

To deal with sand production problems during the process of producing natural gas from hydrate-bearing sediments (HBS)using reservoir-fluid extraction method, a new gravel sizing method for sand control packing named “Hold coarse while eliminate fine particle (HC & EF method)” was developed for the clayey hydrate-bearing formations. Site X, in Shenhu area, South China Sea was taken as an example to describe detailed gravel sizing procedure. On the basis of analyzing basic particle size distribution (PSD)characteristics of HBS at Site X, the formation sand was divided into two components, which are coarse component and fine component.The gravel sizes for retaining coarse component and eliminate fine component were calculated, respectively. Finally, intersection of these two gravel sizes was taken as the proper gravel size for Site X. The research results show that the formation at Site X is clayey sand with poor sorting and uniformity, proper gravel size for upper segment packing is 143-215 μm, while that for lower segment packing is 240-360 μm. In consideration of the difficulty of layered sand control operation on offshore platform, proper gravel packing size for Site X is recommended as 215-360 μm.

gas hydrate; production test; sand management; sand control gravel; South China Sea; Shenhu area

國(guó)家自然科學(xué)基金（41606078）；國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃深海專(zhuān)項(xiàng)（2017YFC0307600）；青島海洋科學(xué)與技術(shù)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金（QNLM2016ORP0203，QNLM2016ORP0207）

TE358.1

A

1000-0747(2017)06-0961-06

10.11698/PED.2017.06.14

李彥龍, 胡高偉, 劉昌嶺, 等. 天然氣水合物開(kāi)采井防砂充填層礫石尺寸設(shè)計(jì)方法[J]. 石油勘探與開(kāi)發(fā), 2017,44(6): 961-966.

LI Yanlong, HU Gaowei, LIU Changling, et al. Gravel sizing method for sand control packing in hydrate production test wells[J].Petroleum Exploration and Development, 2017, 44(6): 961-966.

李彥龍（1989-），男，甘肅定西人，碩士，中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局青島海洋地質(zhì)研究所研究實(shí)習(xí)員，主要從事海域天然氣水合物開(kāi)采相關(guān)的力學(xué)及出砂-防砂問(wèn)題研究。地址：山東省青島市市南區(qū)福州南路 62號(hào)，青島海洋地質(zhì)研究所，郵政編碼：266071。E-mail：liyanlongupc@163.com

聯(lián)系作者簡(jiǎn)介：胡高偉（1982-），男，湖北仙桃人，博士，中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局青島海洋地質(zhì)研究所副研究員，主要從事海域天然氣水合物地球物理與試采工程準(zhǔn)備相關(guān)的研究。地址：山東省青島市市南區(qū)福州南路62號(hào)，青島海洋地質(zhì)研究所，郵政編碼：266071。E-mail：hgw-623@163.com

2017-06-20

2017-08-31

（編輯 胡葦瑋）