天然氣水合物藏長效防砂完井探索研究

魏 偉， 張國強(qiáng)， 楊乾隆， 蔣貝貝， 岳廣韜， 毛曉楠

1中石化勝利油田分公司石油工程技術(shù)研究院 2西南石油大學(xué) 3油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室 4中國石油長慶油田分公司第十采油廠

0 引言

天然氣水合物藏(簡稱水合物藏)儲量雖然巨大[1]，但鑒于全球超90%的資源分布于海洋底部且多以固態(tài)形式分布于弱膠結(jié)泥質(zhì)粉砂巖儲層中[2- 3]，這就使得水合物藏的開采技術(shù)壁壘極高，目前全世界范圍內(nèi)，水合物藏開采方法也僅有注熱法、降壓開采法、化學(xué)抑制劑法、CO2置換法、地面分解法5類[4]。

除地面分解法外，其它所有方法都面臨著儲層出砂和砂堵問題[5]。其中，CO2置換法和化學(xué)抑制劑法由于高昂成本投入及工程技術(shù)限制，目前仍僅停留在理論評價階段，唯有降壓開采法和基于降壓開采法的混合開采法(見表1)有采油實踐應(yīng)用；從開采現(xiàn)狀看，現(xiàn)有技術(shù)條件下的水合物開采時效性問題異常突出，防砂完井時效性無法保障，截止目前，國內(nèi)外尚未見有效生產(chǎn)周期超60 d的水合物藏采氣井報道[6- 8]，見表1。

表1 國內(nèi)外天然氣水合物藏試采情況統(tǒng)計對比分析

從神狐海域兩次水合物試采實踐可知，完井段砂堵是水合物采氣井低時效的主要原因，造成砂堵的原因歸為兩類：①天然氣水合物藏儲層固有開采屬性所致[9]；②現(xiàn)有天然氣水合物藏工程開采技術(shù)手段不成熟所致。

應(yīng)對天然氣水合物開采時效低的難題，一方面可考慮利用分支水平分井、魚骨狀水平井并配合多井網(wǎng)開發(fā)，擴(kuò)大單井泄流面積，可有效提高天然氣水合物藏單井控制儲量；另一方面，開發(fā)新型防砂堵篩管可有效應(yīng)對長效防砂完井難題，二者有機(jī)結(jié)合可有效改善水合物低時效開采難題。本文提出了一種新型自清潔砂篩管，并對其結(jié)構(gòu)設(shè)計、功能原理以及應(yīng)用前景進(jìn)行了深入研究，旨在推動天然氣水合物藏商業(yè)化開采進(jìn)程。

1 天然氣水合物藏儲層完井段砂堵問題解決思路

中國在天然氣水合物2次試采中投入了巨量資金、人力及物力，但產(chǎn)出與投入完全不成比例，這一試采現(xiàn)狀，一方面極大制約著水合物藏開采進(jìn)程，另一方面必須引入疏松砂巖多年的防砂實踐成果，方可實現(xiàn)降低技術(shù)開發(fā)成本的同時加快開發(fā)進(jìn)度，這在業(yè)界也基本達(dá)成共識。

鑒于此，本文對完井段砂堵機(jī)理研究，基礎(chǔ)立足于2017和2020年神狐海域兩次試采水合物藏儲層特征分析、水合物藏開采出砂機(jī)理探討、疏松砂巖防砂實踐借鑒和兩次試采經(jīng)驗總結(jié)，重點深入評價現(xiàn)有防砂篩管完井技術(shù)在淺層泥質(zhì)粉砂巖儲層中的應(yīng)用限制并找到技術(shù)突破口，核心及關(guān)鍵在于提出適合水合物藏長效開采的新思路和新手段，特別是完井工具的新突破。

2 水合物藏儲層特征分析及出砂機(jī)理分析

2.1 儲層靜態(tài)特征分析

神狐海域水合物儲層砂粒度中值在16.0～25.0 μm之間，而常規(guī)油氣儲層地層砂粒度中值多在50.0～300.0 μm之間，二者相差近1個數(shù)量級，儲層粒度現(xiàn)狀使得水合物藏防砂難度增加的同時，防砂篩管更易堵塞；此外，高泥質(zhì)含量進(jìn)一步加劇完井篩管堵塞，以神狐海域GMGS6-SH02井為例，泥質(zhì)含量為47.2%、砂質(zhì)含量為36.4%、鈣質(zhì)含量為10.2%[10]。

2.2 儲層開采出砂機(jī)理分析

天然氣水合物藏儲層出砂根源在于儲層的弱固結(jié)性，同時受地質(zhì)及工程因素影響(例如水合物藏分布模式、儲層孔隙流壓以及開采方式[11]等)。鑒于高昂開采投入和極少數(shù)試采實踐，水合物藏儲層開采出砂機(jī)理研究目前較少，當(dāng)前，業(yè)界更多共識是以下三方面機(jī)理認(rèn)識[12]：①Biot三維固結(jié)理論；②門限出砂壓差和臨界出砂壓差理論；③砂粒脫離細(xì)觀模型理論。三方面出砂機(jī)理研究都有一個共同指向，即降壓開采時，水合物井周儲層垮塌及出砂是必然結(jié)果，不可避免。

3 疏松砂巖防砂實踐成果借鑒

疏松砂巖防砂完井成果借鑒有防砂完井工藝優(yōu)選借鑒、防砂篩管擋砂精度設(shè)計借鑒。

3.1 疏松砂巖防砂完井工藝優(yōu)選借鑒

疏松砂巖防砂完井工藝優(yōu)選借鑒，主要包括理論借鑒、實驗?zāi)M借鑒及礦場實踐認(rèn)知借鑒，通過大量對比分析,本文推薦兩種方法重點參考：第一，考慮包括泥質(zhì)含量、黏土礦物含量對篩管工藝優(yōu)選影響的防砂設(shè)計方法[13]；第二，基于大量室內(nèi)實驗及礦場實踐得到的完井工藝優(yōu)選方法?；谝陨蟽煞N方法成果實踐可知：礫石充填完井工藝和優(yōu)質(zhì)金屬精密復(fù)合篩管完井工藝適應(yīng)儲層范圍最廣，面對多類型儲層，二者均有較好適應(yīng)；考慮到水合物藏儲層高泥質(zhì)及細(xì)粉砂含量特性，綜合考慮，推薦精密復(fù)合防砂篩管完井為天然氣水合物藏首選防砂工藝，并建議減少礫石充填工藝使用，規(guī)避泥質(zhì)砂堵風(fēng)險。

3.2 疏松砂巖防砂篩管擋砂精度設(shè)計借鑒

疏松砂巖擋砂精度設(shè)計準(zhǔn)則獲取途徑主要有理論研究和實驗測試兩種。目前常見的擋砂精度計算方法包括[14]：①王毅等提出的精密復(fù)合濾砂管擋砂精度計算方法；②傳統(tǒng)的擋砂精度設(shè)計方法；③董長銀等基于實驗數(shù)據(jù)擬合得出的擋砂精度計算公式；④常規(guī)高級篩管擋砂精度設(shè)計；王紅林通過實驗?zāi)M得出海上氣田精細(xì)防砂設(shè)計準(zhǔn)則。

通過對比分析以上多種擋砂精度設(shè)計方法知，不同學(xué)者獲得的機(jī)械篩管擋砂精度設(shè)計準(zhǔn)則雖各有所長，但尤以董長銀等基于大量實驗結(jié)果擬合得到的經(jīng)驗?zāi)Ｐ瓦m用范圍廣、擋砂精度高且礦場應(yīng)用效果好，可重點參考借鑒。

4 水合物藏兩次試采防砂實踐評價

2017年及2020年神狐海域水合物藏兩次試采防砂實踐得到以下啟示：

(1)當(dāng)直井轉(zhuǎn)變?yōu)樗骄彝昃L度增加3.3倍后，水平井累產(chǎn)氣量較直井開采增加約3倍左右，驗證提高單井控制儲量提升累產(chǎn)氣量認(rèn)識正確性。

(2)單一預(yù)充填礫石防砂完井提升到最高級別三級復(fù)合防砂完井后，防砂完井時效性大幅度下降，說明單方面提升擋砂精度會加劇儲層砂堵。

兩次試采實踐借鑒：

(1)防砂完井工藝優(yōu)選時，需充分考慮防砂工藝自身抗砂堵性能。

(2)提高擋砂精度的同時要兼顧疏砂需求，要允許泥質(zhì)粉砂產(chǎn)出。

(3)現(xiàn)有金屬篩管結(jié)構(gòu)需具備較強(qiáng)排砂能力，篩管結(jié)構(gòu)必須改進(jìn)。

鑒于理論研究及實踐借鑒，本文設(shè)計了一種具有“自清潔”功能的精密復(fù)合防砂篩管，旨在解決水合物藏長效防砂完井技術(shù)難題。

5 “自清潔”精密復(fù)合防砂篩管設(shè)計

“自清潔”精密復(fù)合防砂篩管是基于原有精密復(fù)合篩管結(jié)構(gòu)上優(yōu)化改進(jìn)而來，通過在篩網(wǎng)層中增加沖砂管部件，并基于井口高壓注水，借此實現(xiàn)沖砂解堵。

5.1 結(jié)構(gòu)組成

“自清潔”精密復(fù)合防砂篩管從里到外的組成為基管、內(nèi)保護(hù)套、扁平狀沖砂管(6個，周向分布在內(nèi)保護(hù)套與過濾層之間)、多層防砂過濾層和外保護(hù)套(見圖1)。采用優(yōu)質(zhì)不銹鋼材料，各個部件通過焊接方式連為一體，在具備高滲透性和抗變形能力的同時兼顧抗腐蝕性功能。

圖1 “自清潔”精密復(fù)合金屬篩管三維結(jié)構(gòu)模型

5.2 結(jié)構(gòu)特點

(1)“自清潔”篩管中沖砂管結(jié)構(gòu)設(shè)計為扁平狀，相較于圓形管道，其在節(jié)約篩管空間的同時還能夠?qū)崿F(xiàn)周向均勻沖砂；其次，考慮到水平井跟端到趾端管道中流體密度、壓力以及流量的差異影響，沖砂管采用變密度交錯割縫方式，確保完井段在縱橫方向沖砂液的均衡射出，提升沖砂效果。

(2)沖砂管選用316L型不銹鋼材料，具有耐熱、抗腐蝕的性能，能夠適應(yīng)多種復(fù)雜出砂環(huán)境；沖砂管呈60°角周向分布于內(nèi)護(hù)管與過濾層之間(見圖2)，實現(xiàn)均勻沖砂效果。

(3)沖砂管割縫方式優(yōu)化設(shè)計：借鑒割縫襯管不同割縫方式下優(yōu)缺點分析，優(yōu)化沖砂管割縫形式；考慮到?jīng)_砂管外形類似長方體，在沖砂管寬面采用軸向交錯割縫方式，在沖砂管窄面采用垂向平行割縫方式(見圖2)，割縫密度及寬度以割縫后沖砂管強(qiáng)度降低10%以內(nèi)為準(zhǔn)進(jìn)行優(yōu)化，在保證沖砂管強(qiáng)度的同時達(dá)到均衡沖洗效果。

圖2 扁平狀沖砂管平面圖

5.3 “自清潔”功能實現(xiàn)原理

由于實驗測試和模擬分析內(nèi)容多且實現(xiàn)過程資金投入巨大，在有限經(jīng)費支持下，目前文章僅從理論上對“自清潔”功能實現(xiàn)加以說明。自清潔防砂篩管完井裝置示意圖見圖3，具體實施步驟為首先在井口裝有液體箱，用于儲存打壓或清洗管道的液體；其次在井口安裝加壓泵，其入口通過管線與液體箱排液管相接，出口通過管線與沖砂管管道入口相接；同時裝有循環(huán)泵，其連接原理與加壓泵相似，主要向沖砂管中循環(huán)泵入液體。投產(chǎn)后，考慮到通過理論推導(dǎo)或數(shù)值模擬的方法來準(zhǔn)確預(yù)測水合物儲層出砂程度，進(jìn)而來確定合理的沖砂周期具有極大難度，本文提出了基于采氣量半衰期的沖砂周期確定法：即從采氣井平穩(wěn)投產(chǎn)后開始計算，當(dāng)產(chǎn)氣量逐漸遞減到初始產(chǎn)量一半時開始打壓沖砂，所經(jīng)過的時間定為沖砂周期，以此循環(huán)進(jìn)行打壓沖砂，實現(xiàn)有效解堵的同時延長有效開采周期，該方法將具有較強(qiáng)礦場適應(yīng)性。

圖3 自清潔防砂篩管完井裝置示意圖

“自清潔”防砂篩管研究成果為水合物藏完井段砂堵導(dǎo)致的低時效開采難題提出一種全新解決方法，不再受限于單純的防砂精度提高(擋砂精度越高堵塞越快)，而是推薦“防粗疏細(xì)”，實現(xiàn)防砂與解堵有效結(jié)合，最大程度實現(xiàn)長時效防砂完井，提高單井累產(chǎn)氣量。

5.4 優(yōu)化設(shè)計

5.4.1 擋砂精度設(shè)計

“自清潔”防砂篩管擋砂精度計算模型，參考董長銀等[15]基于大量實驗結(jié)果擬合得到的經(jīng)驗?zāi)Ｐ停?/p>

wf=Rs(0.333d50+0.387d70+0.510d90)×

(Cs/3)0.151

(1)

式中：wf—擋砂精度，μm；Rs—不同生產(chǎn)條件下的修正系數(shù)，此處Rs=1.2；d50—粒徑中值，μm；d70—累計粒度分布百分?jǐn)?shù)達(dá)到70%時對應(yīng)粒徑，μm；d90—累計粒度分布百分?jǐn)?shù)達(dá)到90%時對應(yīng)粒徑，μm；Cs—分選系數(shù)。

根據(jù)神狐海域水合物儲層特征，由式(1)計算得到擋砂精度wf介于19～29 μm之間，結(jié)合儲層靜態(tài)特征分析對比發(fā)現(xiàn)儲層粒度中值范圍與該模型下的擋砂精度范圍十分接近，進(jìn)一步驗證了該模型在泥質(zhì)粉砂巖水合物藏儲層中的適應(yīng)性?？紤]到新型篩管必須具備的排砂性，本文選取粒度中值上限作為擋砂精度下限優(yōu)化篩管尺寸，以實現(xiàn)“防粗疏細(xì)”目的。

5.4.2 篩網(wǎng)尺寸優(yōu)化

本文設(shè)計的“自清潔”防砂篩管擁有三層金屬篩網(wǎng)，能夠確保高擋砂精度的同時降低單層篩網(wǎng)尺寸，進(jìn)而降低篩管加工難度及成本。因此，以25 μm作為擋砂精度優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)，利用防砂完井軟件計算不同層篩網(wǎng)尺寸大小(見表2)。

表2 “自清潔”精密復(fù)合防砂篩管參數(shù)設(shè)計

5.5 應(yīng)用前景

“自清潔”精密復(fù)合防砂篩管設(shè)計遵循“防粗疏細(xì)”原則，最大特點是具有“自清潔”功能；相較于神狐海域前兩次防砂完井，其降低了篩管高精度設(shè)計要求，實現(xiàn)了防砂完井工藝質(zhì)的飛躍，具備長效防砂完井先天優(yōu)勢；該篩管的提出不僅是長效防砂完井的一次創(chuàng)新探索，同時對未來天然氣水合物開采提供了一種新思路。

“自清潔”精密復(fù)合防砂篩管的提出，旨在解決現(xiàn)有技術(shù)條件下天然氣水合物藏開采面臨的高投入低回報開發(fā)難題，根治低時效防砂完井痼疾，推動和加快天然氣水合物藏商業(yè)化開發(fā)步伐。當(dāng)前“自清潔”防砂篩管已完成了結(jié)構(gòu)及功能設(shè)計，研究成果亦申請了國家發(fā)明專利，但由于水合物藏試采的種種限制，暫時還無法實現(xiàn)該新型篩管的礦場應(yīng)用及防砂效果評價，后續(xù)條件滿足時會有進(jìn)一步的研究成果展示。盡管如此，筆者相信“自清潔”防砂篩管在天然氣水合物藏中的防砂應(yīng)用是大勢所趨，是實現(xiàn)天然氣水合物藏長效防砂完井的不二選擇，該新型篩管的實踐應(yīng)用未來可期。

6 結(jié)論

(1)弱膠結(jié)泥質(zhì)粉砂巖為水合物藏儲層最大特點，這一固有屬性使得水合物藏的開采技術(shù)壁壘極高，采氣井長效防砂完井技術(shù)面臨巨大挑戰(zhàn)。

(2)神狐海域水合物藏兩次試采經(jīng)驗表明，僅從單方面提高擋砂精度無法根治砂堵頑疾，還必須突破固有防砂思維，實現(xiàn)防砂工藝質(zhì)的飛躍。

(3)本文提出的“自清潔”精密復(fù)合防砂篩管，可以有效解決完井段砂堵難題，充分發(fā)揮“防、擋、疏”一體防砂功能；文章對其結(jié)構(gòu)及功能進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。

(4)“自清潔”精密復(fù)合防砂篩管的研究，既是對當(dāng)下水合物開采技術(shù)挑戰(zhàn)的回應(yīng)，又是泥質(zhì)粉砂巖儲層中長效防砂完井的一次創(chuàng)新探索，同時水力噴射解堵還可降低因焦耳—湯姆遜效應(yīng)所導(dǎo)致的水合物冰堵影響，相信該篩管未來的投入使用將加快我國天然氣水合物藏的開發(fā)進(jìn)程。