海洋天然氣水合物開(kāi)采的固相控制策略*

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(guó)科學(xué)院廣州能源研究所，廣州 510640；2.中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院新能源研究所，河北 廊坊 065007；3.中國(guó)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(kāi)發(fā)與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510640；5.天然氣水合物國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100028；6.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；7.西南石油大學(xué)，油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(guó)將其納入了中長(zhǎng)期科技發(fā)展規(guī)劃，已被確立為第173 個(gè)礦種[1]。2017 年我國(guó)在南海成功實(shí)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(gè)月產(chǎn)氣總量86.14 萬(wàn)m3、日均產(chǎn)氣量2.87 萬(wàn)m3，實(shí)現(xiàn)了從“探索性試采”向“試驗(yàn)性試采”的階段性跨越，向商業(yè)開(kāi)發(fā)更進(jìn)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(guó)海洋水合物多賦存在“三淺”災(zāi)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(chǔ)層中[5-6]，是常規(guī)油氣防砂技術(shù)的極限[6]，出砂現(xiàn)象在水合物開(kāi)采過(guò)程中難以避免[7-8]，是無(wú)法長(zhǎng)期商業(yè)開(kāi)發(fā)的瓶頸問(wèn)題之一[9-10]，需考慮天然氣水合物開(kāi)采過(guò)程中相態(tài)變化、儲(chǔ)層應(yīng)力應(yīng)變等對(duì)水合物儲(chǔ)層出砂的影響，并采用相對(duì)應(yīng)的防砂技術(shù)[10]，是保證水合物商業(yè)開(kāi)發(fā)的前提。

表1 水合物開(kāi)采方法與防砂技術(shù)（補(bǔ)充修改自文獻(xiàn)[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(shù)[13-14]，從圖1 可以看出Geoform 防砂實(shí)質(zhì)是復(fù)合防砂技術(shù)，即化學(xué)充填防砂（類似樹(shù)脂涂抹預(yù)充填篩管，替代礫石充填）+管類機(jī)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(guó)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(jī)械防砂組合[15-16]，經(jīng)過(guò)60 d 連續(xù)試采，驗(yàn)證其防砂思路的科學(xué)性和防砂工藝的有效性。我國(guó)2020 年神狐海域第二次水合物[4]試采應(yīng)用“粗+細(xì)”粒礫石充填+高精度預(yù)充填篩管的三級(jí)復(fù)合防砂，并使用超輕質(zhì)陶粒充填進(jìn)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(chǔ)層的控砂精度高導(dǎo)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(chǔ)層中的復(fù)雜氣液組分下易導(dǎo)致水合物二次生成，并與泥砂共同堵塞井筒和儲(chǔ)層，導(dǎo)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(yán)重的水合物二次生成。另外，針對(duì)水合物防砂難題，周守為等[17]提出了固態(tài)流化法開(kāi)采水合物，但破碎流化的水合物和沉積物也需要進(jìn)一步篩分（固相控制），避免大顆粒固相進(jìn)入流化管路或極細(xì)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(kāi)發(fā)的關(guān)鍵問(wèn)題。本文根據(jù)水合物自身、水合物儲(chǔ)層及其開(kāi)采出砂與防砂特征，結(jié)合海洋水合物開(kāi)發(fā)分級(jí)提出了開(kāi)采的固相控制方法，針對(duì)南海水合物儲(chǔ)層特征開(kāi)展了水合物固相控制設(shè)計(jì)。

1 海洋水合物儲(chǔ)層特征及其開(kāi)發(fā)出砂和防砂研究

1.1 南海天然氣水合物儲(chǔ)層特征

我國(guó)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(chǔ)層水合物飽和度最大為64%，中值粒徑為14.5～ 35 μm。儲(chǔ)層泥質(zhì)含量在24.6%～ 35.1%，其中蒙脫石相對(duì)含量約為38%，伊利石相對(duì)含量約32%，屬黏土質(zhì)粉砂?；谂R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(cè)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(chǔ)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(xì)，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(yuǎn)遠(yuǎn)高于南海沉積物的中值粒徑[22-23]；通過(guò)研究南海沉積物中水合物微觀特征及其分解的微觀過(guò)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(duì)沉積物的作用較大，驗(yàn)證了天然氣水合物顆粒尺寸大于泥砂顆粒而可能充當(dāng)“礫石”角色具有擋泥砂作用，因此在出砂預(yù)測(cè)和防砂設(shè)計(jì)時(shí)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(guò)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(bǔ)充來(lái)自文獻(xiàn)[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(kāi)發(fā)的出砂及防砂研究

通過(guò)實(shí)驗(yàn)，OYAMA 等[25]發(fā)現(xiàn)水合物不穩(wěn)定降壓過(guò)程中易誘發(fā)出砂，出砂驅(qū)動(dòng)力主要是水流而非分解氣流，水流速度是出砂強(qiáng)度的主要影響因素。JUNG 等[26-27]闡釋了印度洋水合物儲(chǔ)層中不同粒度細(xì)粉砂對(duì)多孔介質(zhì)的運(yùn)移和堵塞機(jī)理（不含水合物），明確提出細(xì)粉砂對(duì)水合物開(kāi)采影響較大。MURPHY 等[28-29]基于實(shí)驗(yàn)提出日本2013 年水合物試采儲(chǔ)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(guò)程時(shí)未出現(xiàn)嚴(yán)重的出砂，與現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)采結(jié)果不一致。

通過(guò)數(shù)值模擬，MORIDIS 等[31]發(fā)現(xiàn)水合物儲(chǔ)層降壓開(kāi)采的剪切破壞誘發(fā)地層沉降而存在出砂風(fēng)險(xiǎn)。UCHIDA 課題組通過(guò)水合物地層出砂理論模型預(yù)測(cè)日本和印度水合物試采過(guò)程中出砂運(yùn)移過(guò)程及發(fā)生位置，該模型也經(jīng)過(guò)日本中粗砂層水合物試采歷史數(shù)據(jù)擬合[32-33]。針對(duì)南海水合物開(kāi)采，YAN 等[34]發(fā)現(xiàn)初期出砂與初始水合物飽和度無(wú)關(guān)，但高初始水合物飽和度儲(chǔ)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(kāi)采過(guò)程中儲(chǔ)層最大等效塑性應(yīng)變?cè)龃髮?dǎo)致出砂增多，并細(xì)分出4 個(gè)出砂階段。NING 等[36]對(duì)高井底壓差的低滲儲(chǔ)層研究發(fā)現(xiàn)，剪切破壞出砂多，氣水運(yùn)移少。劉浩伽等[37]計(jì)算了水合物分解區(qū)地層砂粒啟動(dòng)運(yùn)移臨界流速。

借鑒常規(guī)油氣開(kāi)采防砂經(jīng)驗(yàn)，董長(zhǎng)銀等[38-39]通過(guò)南海高泥質(zhì)細(xì)粉砂（不含水合物）對(duì)篩管擋砂機(jī)制及控砂可行性評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)，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(jī)制，水合物儲(chǔ)層的高泥質(zhì)含量細(xì)粉砂具有控砂的可行性。李彥龍等[19-20]探討出砂預(yù)測(cè)及防砂技術(shù)對(duì)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(chǔ)層，提出了“防粗疏細(xì)”分層式防砂：依據(jù)儲(chǔ)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(píng)估水合物高泥質(zhì)粉砂儲(chǔ)層防砂方法對(duì)產(chǎn)氣效率和出砂的影響，適當(dāng)防砂能提升開(kāi)采效率。ZHU 等[41]發(fā)現(xiàn)固相的分離和運(yùn)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(dǎo)致產(chǎn)氣量下降。寧伏龍等[42]分析總結(jié)了水合物儲(chǔ)層出砂影響因素及出砂機(jī)理，闡釋了出砂研究存在的問(wèn)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(dòng)為主動(dòng)。

綜上，水合物儲(chǔ)層開(kāi)采過(guò)程中的出砂預(yù)測(cè)和防砂設(shè)計(jì)不僅要考慮儲(chǔ)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(duì)控制過(guò)程的影響，從而開(kāi)展具有針對(duì)性的固相控制設(shè)計(jì)。

2 海洋水合物開(kāi)采固相控制方法

由于已發(fā)現(xiàn)的水合物儲(chǔ)層泥質(zhì)含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于常規(guī)油氣井，簡(jiǎn)單套用常規(guī)油氣防砂設(shè)計(jì)難以滿足水合物開(kāi)采固相控制的需要，此處提出考慮水合物顆粒尺寸加權(quán)的水合物儲(chǔ)層固相顆粒粒度中值計(jì)算方法：

式中：dg50為加權(quán)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(chǔ)層體積中的比例，%；Ss為泥砂在儲(chǔ)層體積中的比例，%。

海洋天然氣水合物的三個(gè)生產(chǎn)階段及其出砂方式：排水降壓產(chǎn)氣階段以細(xì)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(jiàn)明顯的出砂；產(chǎn)水含砂率和出砂粒徑隨著開(kāi)采過(guò)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(chǔ)層和含水合物細(xì)砂儲(chǔ)層在開(kāi)采過(guò)程中出砂和沉降的差異較大：含水合物高泥質(zhì)粉砂儲(chǔ)層低滲呈現(xiàn)非均勻溫壓分布，水合物分解對(duì)細(xì)顆粒運(yùn)移和流體擾動(dòng)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(chǔ)層整體滑移出砂；開(kāi)采過(guò)程中儲(chǔ)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(chǔ)層沉降[23,43-45]。有研究發(fā)現(xiàn)“高泥質(zhì)粉砂儲(chǔ)層失水造壁”性能，形成具有裂縫的“泥餅”。推測(cè)并驗(yàn)證天然氣水合物不同飽和度（顆粒尺寸）在儲(chǔ)層開(kāi)采過(guò)程中具有擋泥砂作用[23]。針對(duì)水合物儲(chǔ)層提出了“分階段分級(jí)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(guò)改造水合物儲(chǔ)層“泥質(zhì)粉砂儲(chǔ)層失水造壁性”的泥餅作為防砂介質(zhì)的設(shè)想[44]。

綜上，根據(jù)天然氣水合物開(kāi)采出砂特征和天然氣水合物開(kāi)發(fā)分級(jí)，提出了天然氣水合物開(kāi)發(fā)分級(jí)的固相控制，見(jiàn)表2。

所謂“分級(jí)分層分階段”，即天然氣水合物儲(chǔ)層各層固相粒徑差異較大，但在天然氣水合物儲(chǔ)層開(kāi)發(fā)的三個(gè)生產(chǎn)階段固相粒徑變化不大，因此根據(jù)水合物儲(chǔ)層開(kāi)發(fā)特征對(duì)各層（分層）在不同生產(chǎn)階段（分階段）的固相顆粒采用多級(jí)的固相控制精度（分級(jí)）。針對(duì)天然氣水合物儲(chǔ)層多層級(jí)、多種開(kāi)采方式、多個(gè)生產(chǎn)階段和考慮儲(chǔ)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(jìn)行不同固相控制精度（分級(jí)）的設(shè)計(jì)。同時(shí)，對(duì)于高泥質(zhì)含量的儲(chǔ)層采用礫石和篩管防砂等結(jié)合的復(fù)合防砂方式實(shí)現(xiàn)多級(jí)固相控制（分級(jí)）。符合水合物開(kāi)采過(guò)程中出砂粒徑隨開(kāi)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(gè)固相加權(quán)后dg50維持一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定粒徑。

圖4 固相控制示意圖：（a）基于常規(guī)油氣技術(shù)；（b）固態(tài)流化技術(shù)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(kāi)采方法提出以下三種方式。

（1）基于常規(guī)油氣技術(shù)開(kāi)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(jìn)行初篩。在井壁穩(wěn)定的條件下“防粗疏細(xì)”，確定第一級(jí)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(duì)于高泥質(zhì)含量的儲(chǔ)層，在以上控制方式的基礎(chǔ)上，采用Geoform 防砂方式、Tausch &Corley 法、Karpoff 法和儲(chǔ)層改造等技術(shù)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(quán)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(chǔ)層探井獲得的泥砂粒徑，確定其管類控制精度的第二級(jí)控制的精度范圍；對(duì)于高泥質(zhì)含量的儲(chǔ)層，盡管有第一級(jí)控制措施，仍需要考慮第一級(jí)控制失效后，利用第二級(jí)措施進(jìn)行補(bǔ)救。此時(shí)由于儲(chǔ)層含水率比生產(chǎn)第一階段低、固相水合物權(quán)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(jìn)行控制。

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

（2）固態(tài)流化法的控制方式（圖4b）

固態(tài)流化法開(kāi)采水合物通過(guò)管類進(jìn)行機(jī)械控制，需要對(duì)流化液體中粉碎的固相顆粒進(jìn)行控制，避免未粉碎的大顆粒固相被吸入導(dǎo)致堵塞，以及細(xì)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(jìn)行多級(jí)控制，實(shí)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(shí)現(xiàn)商業(yè)性開(kāi)發(fā)的有效途徑[46]，對(duì)于分層氣的合采就各自進(jìn)行防砂和固相控制。而針對(duì)常規(guī)氣田伴生有水合物藏進(jìn)行合采，采用常規(guī)氣田防砂方法對(duì)氣田進(jìn)行控制，如需開(kāi)采水合物藏則采用（1）方法進(jìn)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(chǔ)層的固相粒度進(jìn)行控制，或者考慮井筒均衡排液的情況進(jìn)行“分級(jí)分階段分層”設(shè)計(jì)。

3 南海水合物開(kāi)采固相控制研究

結(jié)合南海水合物儲(chǔ)層公開(kāi)的資料、日本水合物防砂設(shè)計(jì)思路和水合物出砂特征，開(kāi)展南海水合物固相控制設(shè)計(jì)。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(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)層的固相中值粒度為二者加權(quán)后的平均粒度，經(jīng)過(guò)計(jì)算儲(chǔ)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(guò)比對(duì)[47]，高級(jí)優(yōu)質(zhì)篩管可取60 μm 作為控制精度，而割縫襯管可能無(wú)法適用。因此在第一級(jí)控制可采用190～ 350.4 μm 粒度中值的礫石，與李彥龍等[20]的設(shè)計(jì)相近（215～360 μm），第二級(jí)控制精度的高級(jí)優(yōu)質(zhì)篩管可取60 μm 作為控制精度。

然而該第一級(jí)控制精度的礫石極小，近乎中砂，而非礫石，可能導(dǎo)致第二級(jí)控制精度被浪費(fèi)去阻擋第一級(jí)控制的中砂，未達(dá)到多級(jí)控制的設(shè)想。因此，第一級(jí)控制精度的中砂對(duì)于泥質(zhì)粉砂的儲(chǔ)層進(jìn)行控制，無(wú)論是考慮還是不考慮水合物顆粒尺寸可能都難以實(shí)現(xiàn)。值得注意的是，無(wú)論礫石控制還是管類控制，其核心還是物理?yè)跎暗倪^(guò)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(jí)優(yōu)質(zhì)金屬篩管等通過(guò)單一尺寸的縫隙形成砂橋來(lái)防砂。

因此，對(duì)于泥質(zhì)粉砂這種小顆粒沉積物在第一級(jí)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(jìn)行控制，并配合儲(chǔ)層改造后的泥餅，以及有第二級(jí)高級(jí)優(yōu)質(zhì)篩管控制作為保障。這樣多層控制介質(zhì)布設(shè)比礫石充填分布更加可控，可以提高第一級(jí)控制的精度和穩(wěn)定性。第一級(jí)控制的多層控制介質(zhì)精度應(yīng)該比第二級(jí)控制精度適當(dāng)放大，保證生產(chǎn)第一階段的流體和小顆粒固相通過(guò)，同時(shí)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(shè)計(jì)，建議第一級(jí)采用7～8 倍的dg50，即266～ 467.2 μm，對(duì)應(yīng)60～ 105 μm 的高級(jí)優(yōu)質(zhì)篩管控制精度。第二級(jí)防砂可以再放大到10～ 15 倍的dg50，即304～ 876 μm，對(duì)應(yīng)380～ 149 μm的高級(jí)優(yōu)質(zhì)篩管控制精度。

另外，多級(jí)防砂勢(shì)必會(huì)帶來(lái)儲(chǔ)層損害等不利因素，實(shí)驗(yàn)中10 cm 厚南海泥質(zhì)粉砂水合物儲(chǔ)層能夠產(chǎn)生8.6 MPa 的層間壓差（附加阻力）[44]，導(dǎo)致表皮系數(shù)增大，因此在實(shí)際地層開(kāi)采過(guò)程中，其井筒周圍的附加阻力可能嚴(yán)重影響產(chǎn)能效率。同時(shí)，在水合物井中固相控制后流速降低會(huì)增加井筒內(nèi)水合物二次生成風(fēng)險(xiǎn)，與泥砂共同堵塞井筒。隨著油氣工業(yè)和裝備的進(jìn)步，未來(lái)可能實(shí)現(xiàn)防砂精度隨著dg50在開(kāi)采周期中變化而不斷智能修正，降低多級(jí)固相控制帶來(lái)的劣勢(shì)。隨著天然氣水合物開(kāi)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(yù)防為一體的固相控制體系，突破天然氣水合物商業(yè)開(kāi)發(fā)的瓶頸。

4 結(jié)論與展望

基于國(guó)內(nèi)外常規(guī)油氣控砂經(jīng)驗(yàn)和水合物開(kāi)采過(guò)程中的出砂宏微觀機(jī)制，依據(jù)水合物開(kāi)發(fā)分級(jí)情況細(xì)分了基于常規(guī)油氣技術(shù)開(kāi)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(kāi)發(fā)分級(jí)提出考慮水合物顆粒尺寸的儲(chǔ)層固相加權(quán)平均中值粒度的分級(jí)分層分階段控制方案。

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

下一步將進(jìn)一步揭示南海泥質(zhì)粉砂儲(chǔ)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(shí)探索開(kāi)發(fā)保持水合物儲(chǔ)層整體穩(wěn)定技術(shù)，尤其是近井筒地帶穩(wěn)定控制技術(shù)。根據(jù)該固相控制設(shè)計(jì)，需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)、數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試進(jìn)一步平衡出砂、產(chǎn)能和二次生成之間的關(guān)系，驗(yàn)證其可靠性。

由于現(xiàn)階段海洋現(xiàn)場(chǎng)控砂精度驗(yàn)證的成本極高，因此在現(xiàn)場(chǎng)適用前需要開(kāi)展實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)南海天然氣水合物商業(yè)開(kāi)發(fā)提供支撐。