海洋天然氣水合物開發(fā)產(chǎn)能及出砂研究*

盧靜生，李棟梁，何 勇，史伶俐，梁德青?，熊友明

（1.中國科學(xué)院廣州能源研究所，廣州 510640；2.自然資源部海底礦產(chǎn)資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510075；3.中國科學(xué)院天然氣水合物重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510640；4.廣東省新能源和可再生能源研究開發(fā)與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510640；5.中國科學(xué)院廣州天然氣水合物研究中心，廣州 510640；6.天然氣水合物國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100028；7.西南石油大學(xué)，油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610500）

0 引 言

天然氣水合物是一種由天然氣與水在高壓低溫條件下形成的冰狀固體，俗稱可燃冰，廣泛分布于凍土帶地表以下和大陸邊緣海底之下的沉積物中，全球天然氣水合物儲(chǔ)量巨大，是全球常規(guī)燃料總碳量的兩倍[1]。我國在南海和青藏高原發(fā)現(xiàn)較大儲(chǔ)量的水合物礦藏，2017 年5 月在南海開展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(gè)月產(chǎn)氣總量86.14×104m3、日均產(chǎn)氣量2.87×104m3，成功實(shí)現(xiàn)從“探索性試采”向“試驗(yàn)性試采”的階段性跨越[4]。目前，廣東省、自然資源部和油公司等以2030 年進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化開發(fā)為目標(biāo)開展水合物相關(guān)工作，服務(wù)“海洋強(qiáng)國”戰(zhàn)略，助力“粵港澳大灣區(qū)”建設(shè)。

天然氣水合物開發(fā)過程中，由于固態(tài)水合物分解為氣態(tài)甲烷和液態(tài)水導(dǎo)致井壁和儲(chǔ)層的力學(xué)穩(wěn)定性發(fā)生變化[5]，目前遇到的最大問題之一就是出砂導(dǎo)致生產(chǎn)不能長期進(jìn)行[6]。日本兩次海洋天然氣水合物試采（2013 年和2017 年）都受制于出砂問題，我國南海天然氣水合物試采（2017 年）也有砂產(chǎn)出的情況[2,7]，與常規(guī)油氣相比，對(duì)于產(chǎn)業(yè)化開發(fā)非成巖水合物儲(chǔ)層，其開采過程中出砂問題難以避免[8-10]。因此，出砂條件下的天然氣水合物產(chǎn)能情況是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵問題，針對(duì)天然氣水合物產(chǎn)能問題，國內(nèi)外學(xué)者開展了大量的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，YOUSIF 等[11]采用降壓分解過程研究天然氣水合物的產(chǎn)能情況，隨后許多學(xué)者也開展了大量的拓展研究[12-15]。例如，ZHOU 等[16]、孫建業(yè)等[17-18]和ZHAO 等[19]開展了二氧化碳置換甲烷水合物的產(chǎn)能實(shí)驗(yàn)，F(xiàn)ALSER 等[20]、SONG等[21]和WANG等[22-23]開展熱激法提高天然氣水合物產(chǎn)能的實(shí)驗(yàn)。同時(shí)，國內(nèi)外也開展了大量天然氣水合物產(chǎn)能的數(shù)值模擬研究[24-28]。

以上的水合物產(chǎn)能實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬都鮮有考慮出砂對(duì)產(chǎn)能的影響，以及深水覆壓對(duì)儲(chǔ)層出砂的影響。盡管余路等[29]通過數(shù)值模擬開展了泥質(zhì)粉砂型水合物藏適度出砂開采產(chǎn)能評(píng)價(jià)，提出了適度出砂方法提高產(chǎn)能，產(chǎn)量可提高至23×106sm3，將防砂精度推薦值為3～4 μm，防砂精度超出常規(guī)油氣工業(yè)防砂規(guī)范，產(chǎn)能估算偏差可能較大。袁益龍[30]通過數(shù)值模擬對(duì)我國南海富泥質(zhì)水合物儲(chǔ)層進(jìn)行系統(tǒng)的水平井降壓開采方案優(yōu)化與產(chǎn)能評(píng)價(jià)，揭示了水合物儲(chǔ)層在水平井開采條件下的地層變形程度與范圍、地層優(yōu)勢出砂位置、海底面沉降趨勢等，提出固結(jié)井周地層骨架和預(yù)防地層出砂的工程措施。孫嘉鑫[31]采用數(shù)值模擬較為全面地評(píng)價(jià)了鉆進(jìn)及降壓開采過程中的水合物潛能、地層沉降乃至井內(nèi)出砂等情況，并開展了敏感性分析。謝曉光等[32]采用劍橋模型對(duì)水合物開采過程中的產(chǎn)能和出砂進(jìn)行模擬，通過逐步逆分析進(jìn)行細(xì)化，采用確定性或概率性的方式進(jìn)行正向預(yù)測，將改進(jìn)后的模型和框架應(yīng)用于日本南海海槽的水合物現(xiàn)場試采，并進(jìn)行了實(shí)例研究和歷史擬合。劉昌嶺等[33]研發(fā)了天然氣水合物鉆采一體化模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，開展了降壓法開采氣飽和CO2水合物儲(chǔ)層，獲得了氣飽和CO2水合物儲(chǔ)層的產(chǎn)能出砂規(guī)律。

考慮出砂條件下的產(chǎn)能與假設(shè)完全不出砂的產(chǎn)能是天然氣水合物開采實(shí)際產(chǎn)能的上下邊界數(shù)值，現(xiàn)有的模擬大多針對(duì)防砂方式下的產(chǎn)能進(jìn)行預(yù)測，在出砂條件下的產(chǎn)能預(yù)測和潛力預(yù)判方面研究較少。本文基于室內(nèi)覆壓下海洋天然氣水合物產(chǎn)能出砂實(shí)驗(yàn)，首次對(duì)近似于不防砂（出砂）條件下的海洋甲烷水合物產(chǎn)能進(jìn)行現(xiàn)場尺度推算，以期為天然氣水合物產(chǎn)能的合理估算提供支撐。

1 實(shí)驗(yàn)介紹

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

本文的產(chǎn)能出砂實(shí)驗(yàn)采用中國科學(xué)院廣州能源研究所搭建的天然氣水合物開采過程中出砂及防砂測試系統(tǒng)[34-36]，如圖1 所示，溫控范圍為 ?253.15～313.15 K，系統(tǒng)最大可提供30 MPa 的孔隙氣液壓力和覆壓。樣品室可徑向環(huán)繞和頂部同時(shí)進(jìn)氣液，提高水合物生成效率；可實(shí)時(shí)監(jiān)測并采集分層溫度場、分層壓力場、儲(chǔ)層應(yīng)變、覆壓、產(chǎn)氣速率和累計(jì)產(chǎn)氣量，實(shí)現(xiàn)對(duì)儲(chǔ)層中水合物生成、儲(chǔ)層水驅(qū)和儲(chǔ)層開采的實(shí)時(shí)監(jiān)測，對(duì)最高產(chǎn)氣速率可控；通過分時(shí)段采集水砂產(chǎn)量實(shí)現(xiàn)產(chǎn)水?dāng)y砂的監(jiān)測。

圖1 水合物開采出砂及防砂實(shí)驗(yàn)裝置圖[34-36]Fig.1 Diagram of an experimental device for sand production and sand control during hydrate exploitation

1.2 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)使用的南海沉積物由廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局提供，實(shí)驗(yàn)分別采用兩種類型沉積物，細(xì)砂沉積物粒度中值d50為225.67 μm，泥質(zhì)粉砂沉積物粒度中值d50為14.18 μm（8.14～18.98 μm,取平均值）。垂直井井筒采用外徑32 mm 和25.6 mm 的兩根篩管（36°角、10 mm 層距布孔，孔徑3 mm），將無篩管視為水平井單個(gè)半徑12 mm 射孔，內(nèi)夾一層12 目不銹鋼濾網(wǎng)，不僅能夠?yàn)榱黧w提供有效通道，而且為受壓下的儲(chǔ)層提供支撐，降低水合物生成和水驅(qū)過程中的井壁和儲(chǔ)層的失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)。

1.3 實(shí)驗(yàn)條件及方法

文獻(xiàn)[34-36]詳細(xì)敘述了實(shí)驗(yàn)過程，本實(shí)驗(yàn)過程中恒定12 MPa 覆壓，相當(dāng)于1 200 m 水深的靜水壓力，為避免冰的生成，水合物合成溫度為275.15 K（甲烷相平衡壓力 3.22 MPa）。氣飽條件下定初始水量合成水合物，采用11 MPa 甲烷為初始孔隙壓力。隨后用11 MPa 低溫水驅(qū)替游離氣模擬海洋飽水環(huán)境，經(jīng)過72 h 氣飽和合成和24 h 以上的緩慢水驅(qū)后，采用降壓法開采水合物儲(chǔ)層，通過攝像系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測錄制氣液固分離器的產(chǎn)水、產(chǎn)砂、產(chǎn)氣情況，通過氣體流量計(jì)控制并記錄最大產(chǎn)氣速率，實(shí)時(shí)采集累計(jì)產(chǎn)氣量；通過分段截取水砂產(chǎn)量并稱量，烘干后稱量出砂量，并記錄累計(jì)產(chǎn)水量和產(chǎn)砂量。

1.4 算例描述

根據(jù)相似原理和經(jīng)驗(yàn)公式[37]，室內(nèi)天然氣水合物降壓開采的出砂實(shí)驗(yàn)[34-36]推導(dǎo)現(xiàn)場尺度產(chǎn)能及綜合出砂率，基于常規(guī)油氣及天然氣水合物特征進(jìn)行現(xiàn)場井設(shè)置（表1）。

表1 基于室內(nèi)實(shí)驗(yàn)的天然氣水合物現(xiàn)場尺度產(chǎn)能計(jì)算條件[2,7]Table 1 Calculation conditions for field-scale production capacity of natural gas hydrates based on the indoor experiments[2,7]

采用泄流面積換算到實(shí)際地層的流量：

其中：A為泄流面積；rw為井筒半徑；H為泄流（儲(chǔ)層）高度或長度；1q為室內(nèi)實(shí)驗(yàn)1a泄流面積的實(shí)測流速；2Q為現(xiàn)場2A泄流面積下井底的流速；3Q為現(xiàn)場井口的流速；2T和3T分別為井底和井口溫度。按照1 000 m3氣折算為1 m3的水來評(píng)價(jià)氣井防砂的效果[38]，對(duì)水合物室內(nèi)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)氣換算水的產(chǎn)量并疊加實(shí)際水砂產(chǎn)量，換算為現(xiàn)場的綜合出砂率。參考日本南海海槽和中國南海神狐海域公開參數(shù)（表1），將細(xì)砂垂直井開采厚度設(shè)置為30.5 m。將泥質(zhì)垂直井儲(chǔ)層的厚度設(shè)置為20 m，泥質(zhì)水平井室內(nèi)開采孔視為現(xiàn)場射孔，孔半徑均為0.012 m。在室內(nèi)實(shí)驗(yàn)中存在冰堵和二次生成的情況，因此實(shí)際實(shí)驗(yàn)產(chǎn)氣換算中也包含冰堵和二次生成的影響。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

基于室內(nèi)天然氣水合物開采產(chǎn)能出砂實(shí)驗(yàn)[34-36]推導(dǎo)現(xiàn)場尺度產(chǎn)氣速率和綜合出砂率，在垂直7 寸井和儲(chǔ)層厚度30.5 m 不防砂的情況下（表2 和圖2），含細(xì)砂儲(chǔ)層最大產(chǎn)氣速率為4.63～14.1 m3/s，折合40.01×104～121.84×104m3/d，高于已有防砂水合物試采井的產(chǎn)氣速率。推導(dǎo)的現(xiàn)場尺度的累積氣體產(chǎn)能36 449.81～319 174.84 m3/d，與現(xiàn)場的產(chǎn)能相近。推導(dǎo)的現(xiàn)場尺度水合物細(xì)砂儲(chǔ)層綜合出砂率為15.97～107.38 t/(104m3)（即0.16%～10.74%），遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[38]的出砂率0.03%。實(shí)驗(yàn)5 的綜合出砂率最大10.74%，但是其產(chǎn)氣速率和產(chǎn)能都不是最大，但實(shí)驗(yàn)2 一樣進(jìn)行了提產(chǎn)作業(yè)，實(shí)驗(yàn)2 的綜合出砂率也很大，因此推測提產(chǎn)作業(yè)增大了綜合出砂率。產(chǎn)氣速率最大和產(chǎn)能最大的實(shí)驗(yàn)3 綜合出砂率為7.17%，推測是其穩(wěn)產(chǎn)階段的高速產(chǎn)氣（產(chǎn)氣速率76 200 m3/d）對(duì)出砂的影響較小。因此，降壓生產(chǎn)過程中保持流體穩(wěn)定能獲得較高的產(chǎn)能和較低的綜合出砂率。

泥質(zhì)儲(chǔ)層在垂直7 寸井和儲(chǔ)層厚度30.5 m 不防砂情況下，如圖3 所示，其產(chǎn)氣速率也可以達(dá)到79.95×104m3/d，而水平井半徑0.012 m 的單個(gè)射孔不防砂最大產(chǎn)氣速率可達(dá)到170 m3/d，泥質(zhì)儲(chǔ)層的產(chǎn)氣能力有望達(dá)到產(chǎn)業(yè)化標(biāo)準(zhǔn)。然而，泥質(zhì)儲(chǔ)層在現(xiàn)場尺度下的綜合出砂率為13.4%～57.61%，即1 336.98～5 761.37 t/(104m3)。

表2 基于室內(nèi)實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)場產(chǎn)能出砂換算結(jié)果Table 2 Conversion results of field production capacity with sand production based on the indoor experiments

圖2 細(xì)砂儲(chǔ)層現(xiàn)場尺度產(chǎn)氣速率Fig.2 Field scale gas production rate in fine sand reservoir

圖3 泥質(zhì)粉砂儲(chǔ)層現(xiàn)場尺度產(chǎn)氣速率Fig.3 Field scale gas production rate of argillaceous silty reservoir

3 討 論

海洋天然氣水合物多賦存在非成巖儲(chǔ)層，從已有的海洋水合物開采實(shí)驗(yàn)和海洋水合物現(xiàn)場開采的經(jīng)驗(yàn)，出砂率都高于常規(guī)油氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)以上基于真實(shí)實(shí)驗(yàn)的估算中，產(chǎn)氣速率都高于已知的水合物試采速率，部分實(shí)驗(yàn)達(dá)到了產(chǎn)業(yè)化開采速率。然而，本實(shí)驗(yàn)未考慮開采過程中儲(chǔ)層的氣液恢復(fù)及自由氣的產(chǎn)能，因此實(shí)際現(xiàn)場產(chǎn)能可能高于該范圍。

（1）對(duì)于垂直井的實(shí)驗(yàn)1，氣體產(chǎn)能36 449.81 m3/d，最大產(chǎn)氣速率45.52×104m3/d，其不防砂的情況下出砂率為0.16%，若采用控砂措施平衡出砂率（控砂精度）和產(chǎn)氣效率（產(chǎn)能）的關(guān)系，在適度出砂條件下可能有望達(dá)到產(chǎn)業(yè)化開發(fā)的產(chǎn)能需求。

（2）對(duì)于水平井的實(shí)驗(yàn)7，在半徑0.012 m 的單個(gè)射孔最大產(chǎn)氣速率可達(dá)到170 m3/d，在水平井長管段、多個(gè)射孔疊加的情況下，降低每一個(gè)射孔的出砂臨界壓力和臨界流速，泥質(zhì)粉砂儲(chǔ)層的產(chǎn)氣能力和出砂率有望達(dá)到產(chǎn)業(yè)化標(biāo)準(zhǔn)。從我國2020 年第二次海域泥質(zhì)粉砂層天然氣水合物水平井試采的公開數(shù)據(jù)可以看出[4]，其中12 天日均產(chǎn)量已達(dá)5.31×104m3/d。2 月17 日試采點(diǎn)火成功，持續(xù)至3 月18 日完成預(yù)定目標(biāo)任務(wù)，創(chuàng)造了“產(chǎn)氣總量86.14×104m3，日均產(chǎn)氣量2.87×104m3”兩項(xiàng)新的世界紀(jì)錄；從2 月17 日至3 月30 日，這次試采已持續(xù)產(chǎn)氣42 d，累計(jì)產(chǎn)氣總量149.86×104m3、日均產(chǎn)氣量3.57×104m3，創(chuàng)造了產(chǎn)氣總量、日均產(chǎn)氣量兩項(xiàng)世界紀(jì)錄。綜上，水平井在平衡產(chǎn)氣能力和出砂率的條件下，產(chǎn)業(yè)化可行性較高。

值得注意的是，控砂措施對(duì)于水合物井可能伴生以下問題：

（1）對(duì)于氣（天然氣）液（水）固（泥沙和水合物）共生的水合物井筒和儲(chǔ)層，控砂措施勢必增加表皮系數(shù)，導(dǎo)致產(chǎn)能降低，流體溫度彌補(bǔ)減緩；而在焦耳?湯姆遜效應(yīng)下可能導(dǎo)致井筒溫度進(jìn)一步降低，容易在井筒和儲(chǔ)層中出現(xiàn)水合物二次生成和冰堵。在泥砂和生成水合物共同作用下，可能出現(xiàn)水合物和泥砂共堵的情況，解堵更加困難。

（2）對(duì)于非成巖儲(chǔ)層（松散儲(chǔ)層），尤其是泥質(zhì)粉砂儲(chǔ)層，在開采過程中可能存在臨界壓差增大、流體速度大，易導(dǎo)致儲(chǔ)層整體滑移出砂。相較于常規(guī)氣井，水合物儲(chǔ)層的含水率較高且存在邊底水情況，同時(shí)由于水平井承壓較大，降壓開采的生產(chǎn)壓差較大，易導(dǎo)致井筒沉陷或者上覆儲(chǔ)層沉陷以及底水脊進(jìn)等問題而出砂。因此，需要考慮儲(chǔ)層改造、儲(chǔ)層保護(hù)、分階段分級(jí)分層防砂、水平井均衡排液、洞穴完井等技術(shù)，結(jié)合水合物泥質(zhì)粉砂儲(chǔ)層“失水造壁性能”[34-36]等特性降低儲(chǔ)層損害、工程地質(zhì)災(zāi)害及環(huán)境破壞等風(fēng)險(xiǎn)。

（3）基于常規(guī)油氣的防砂設(shè)計(jì)，防砂精度不小于40 μm，主要是基于小的防砂精度會(huì)造成較大的產(chǎn)能損失；由于天然氣水合物多賦存在非成巖泥質(zhì)粉砂儲(chǔ)層，其中值粒徑都小于40 μm，因此在未來產(chǎn)業(yè)開采過程中，需要進(jìn)一步驗(yàn)證低于40 μm 的防砂精度是否可行。相較于垂直井，水平井長管段、多射孔的特征可以減弱每個(gè)井孔的防砂壓力，但是40 μm 的防砂精度是否可行仍然需要進(jìn)一步驗(yàn)證。

4 結(jié) 論

目前海洋水合物開采過程中出砂是難以避免的。因此，合理估算出砂條件下海洋天然氣水合物產(chǎn)能是產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵，也是制定天然氣水合物開采方案的關(guān)鍵?；诟矇合绿烊粴馑衔镩_采的室內(nèi)出砂實(shí)驗(yàn)首次推導(dǎo)了出砂條件下現(xiàn)場尺度的產(chǎn)能情況，以期為出砂條件下海洋天然氣水合物產(chǎn)能邊界的合理估算提供支撐，主要結(jié)論如下：

（1）在1 200 m 水深下，30.5 m 厚的天然氣水合物儲(chǔ)層在7 寸垂直井不防砂的情況下，得到最大產(chǎn)氣速率為4.63～14.1 m3/s，折合40.01×104～121.84×104m3/d，綜合出砂率15.97～107.38 t/(104m3)，即0.16%～10.74%。

（2）推導(dǎo)的現(xiàn)場尺度產(chǎn)氣速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于現(xiàn)場已有水合物防砂試采井產(chǎn)氣速率。由于時(shí)空限制，在實(shí)際開采中的產(chǎn)氣速率、綜合產(chǎn)能和防砂率仍有提升空間?；谑覂?nèi)試驗(yàn)結(jié)果的推導(dǎo)，合理控制綜合出砂率（控砂精度）和產(chǎn)氣效率（產(chǎn)能）的關(guān)系，海洋天然氣水合物產(chǎn)能有望達(dá)到產(chǎn)業(yè)化規(guī)模，水平井產(chǎn)業(yè)化開發(fā)的可行性較高。

（3）海洋天然氣水合物所賦存的非成巖泥質(zhì)粉砂儲(chǔ)層，是常規(guī)油氣防砂設(shè)計(jì)的極限，因此對(duì)于突破常規(guī)油氣防砂極限的防砂精度設(shè)計(jì)應(yīng)該進(jìn)一步驗(yàn)證。