天然氣水合物開(kāi)發(fā)的水平井控水控砂完井研究進(jìn)展*

盧靜生，林德才，李棟梁,7，梁德青,7?， 張逸群，吳思婷,7，何 勇，史伶俐,7

天然氣水合物開(kāi)發(fā)的水平井控水控砂完井研究進(jìn)展*

盧靜生1,4,5,6，林德才1,2,4,5,6，李棟梁1,2,4,5,6,7，梁德青1,2,4,5,6,7?， 張逸群3,4，吳思婷1,4,5,6,7，何 勇1,4,5,6，史伶俐1,2,4,5,6,7

（1. 中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所，廣州 510640；2. 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)能源科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，合肥 230026；3. 中國(guó)石油大學(xué)，北京 102249；4. 天然氣水合物國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100028；5. 中國(guó)科學(xué)院天然氣水合物重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510640；6. 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；7. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

2020年第二次南海水合物試采證明水平井是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的重要途徑，計(jì)劃在2030年南海天然氣水合物商業(yè)開(kāi)發(fā)中補(bǔ)齊粵港澳大灣區(qū)天然氣供給的短板。但我國(guó)海洋水合物甜點(diǎn)多賦存在高含水、邊底水豐富的非成巖泥質(zhì)粉砂儲(chǔ)層，水平井開(kāi)發(fā)過(guò)程中儲(chǔ)層水（排液）易攜泥砂（出砂）脊進(jìn)突入井筒導(dǎo)致產(chǎn)量降低，水平井控水控砂完井是產(chǎn)業(yè)化的瓶頸問(wèn)題之一。針對(duì)第二次水平井開(kāi)發(fā)水合物出現(xiàn)的新問(wèn)題，分析了海洋天然氣水合物儲(chǔ)層開(kāi)發(fā)過(guò)程中的水平井非均衡排液出砂情況，總結(jié)了國(guó)內(nèi)外水平井控水控砂實(shí)驗(yàn)、模擬和現(xiàn)場(chǎng)的進(jìn)展，提出了水平井開(kāi)采水合物控水控砂的難點(diǎn)及我國(guó)面臨的挑戰(zhàn)。分析結(jié)果表明，天然氣水合物儲(chǔ)層開(kāi)發(fā)的水平井控水控砂與常規(guī)油氣開(kāi)發(fā)存在共性問(wèn)題，也有其自身分解特點(diǎn)及其賦存的非成巖儲(chǔ)層有關(guān)的特性問(wèn)題。針對(duì)我國(guó)海域天然氣水合物儲(chǔ)層間各向異性明顯、潛在的“四氣合采”和“碳封存”，對(duì)水合物水平井控水控砂抽取和注入提出了具體的研究思路及建議，以期推動(dòng)海洋天然氣水合物產(chǎn)業(yè)化開(kāi)發(fā)進(jìn)程。

天然氣水合物；水平井；均衡排液；控水控砂；固相控制

0 前 言

國(guó)家能源發(fā)展中長(zhǎng)期規(guī)劃要求天然氣在一次能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中占比翻倍，向非常規(guī)天然氣要產(chǎn)能是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的必由之路[1]。天然氣水合物是潛在的非常規(guī)天然氣資源，是一種由氣體（或易揮發(fā)的液體）與水在一定溫度和壓力條件下形成的冰狀固體，俗稱(chēng)可燃冰，據(jù)估計(jì)其總量為全球常規(guī)化石能源（煤、石油、天然氣等）含碳量的2倍，具有儲(chǔ)量大、分布廣泛、污染小等特點(diǎn)，被各國(guó)列為潛在的戰(zhàn)略能源資源。我國(guó)在祁連山凍土區(qū)和南海海域都有豐富的水合物礦藏，2017年5月南海水合物首次試采取得重大突破[2-3]，2017年11月天然氣水合物被列為我國(guó)第173個(gè)新礦種[4]，大大加速了我國(guó)水合物產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。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，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[5]。廣東省政府、自然資源部和中國(guó)石油集團(tuán)以2030年進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化開(kāi)發(fā)為目標(biāo)開(kāi)展水合物相關(guān)工作，服務(wù)“海洋強(qiáng)國(guó)”戰(zhàn)略，助力“粵港澳大灣區(qū)”建設(shè)。

第二次南海水合物試采證明水平井是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的首選[5]，而水平井開(kāi)發(fā)邊底水油氣藏存在邊底水局部突入油氣井而導(dǎo)致產(chǎn)量降低或無(wú)法進(jìn)行工業(yè)性開(kāi)采，被稱(chēng)為“邊底水脊進(jìn)”[6]（圖1a）。根據(jù)“水合物資源金字塔”（the gas hydrates resource pyramid）模型[7]，約90%的水合物資源量在海域儲(chǔ)層，是開(kāi)采首選[8]。但其中85%的海域水合物資源為非成巖水合物儲(chǔ)層[4,8]，相比于深水氣井，海域水合物儲(chǔ)層含水率高且邊底水豐富。BOSWELL等[9]認(rèn)為流動(dòng)水廣泛存在于整個(gè)天然氣水合物儲(chǔ)層系統(tǒng)中，包括上覆和下覆邊界，這些邊界曾經(jīng)被認(rèn)為是不透水的。但是，在大部分的天然氣水合物儲(chǔ)層系統(tǒng)中，上覆和下覆邊界（無(wú)水合物或無(wú)水合物滲透性差）地層中也普遍存在過(guò)量的游離水，且可能具有一定的連通性。這種內(nèi)部水源的特征復(fù)雜，難以解釋?zhuān)赡芨叨犬愘|(zhì)性，并可能對(duì)降壓生產(chǎn)構(gòu)成重大挑戰(zhàn)。流體流動(dòng)的主要影響如下：（1）沉積物運(yùn)移，包括砂和細(xì)粒沉積物需要有效的工程控制和潛在的補(bǔ)救措施；（2）地質(zhì)力學(xué)響應(yīng)，包括局部壓實(shí)，這會(huì)降低儲(chǔ)層孔隙度和滲透率，并對(duì)井筒組成部分產(chǎn)生應(yīng)力和潛在沉降，尤其是在海洋系統(tǒng)中；（3）無(wú)法保持降壓，這是由于從儲(chǔ)層中抽取的水被一系列外部水源替代；（4）生產(chǎn)后勤和工藝方面的復(fù)雜性，比如大量產(chǎn)出水的管理，以及對(duì)人工舉升、流動(dòng)保障系統(tǒng)和地面處置的需求增加。因此，水平井開(kāi)發(fā)水合物易出現(xiàn)邊底水脊進(jìn)而導(dǎo)致產(chǎn)能降低，且水突入井筒是出砂的重要誘因；出砂是制約水合物長(zhǎng)期生產(chǎn)的瓶頸問(wèn)題[10]（圖1b）。防砂技術(shù)是關(guān)鍵中的關(guān)鍵，國(guó)外此前兩次海上試采都受制于這一環(huán)節(jié)，既要防止泥砂堵住井筒，又不能全部防死，否則可燃冰里的天然氣就難以開(kāi)采[11]。蘇聯(lián)麥索雅哈陸域水合物田（1967年）、加拿大麥肯齊陸域水合物試采（2007年, 2008年）、美國(guó)阿拉斯加北坡陸域水合物試采（2008年, 2012年）都有出砂情況[11-12]。日本海域水合物試采（2013年, 2017年）都受制于大規(guī)模產(chǎn)水出砂問(wèn)題，我國(guó)南海海域水合物試采（2017年，2020年）都有泥砂產(chǎn)出[2,5]，影響商業(yè)化開(kāi)發(fā)進(jìn)程（表1）。

圖1 （a）水平井開(kāi)采的底水脊進(jìn)示意圖；（b）水平井開(kāi)采水合物井筒均衡排液示意圖[6]

表1 水合物開(kāi)采方法、排液及防砂完井現(xiàn)場(chǎng)案例（補(bǔ)充修改自文獻(xiàn)[2-4,11-12]）

我國(guó)南海水合物多賦存在1 000多米深水非成巖泥質(zhì)粉砂儲(chǔ)層[13]，本就是常規(guī)油氣防砂方法的極限，且水合物儲(chǔ)層含水率高、邊底水豐富，同時(shí)水合物分解會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致儲(chǔ)層含水率上升，未來(lái)產(chǎn)業(yè)化開(kāi)發(fā)的長(zhǎng)期、高產(chǎn)、深海淺軟儲(chǔ)層、高生產(chǎn)壓差等因素易出現(xiàn)嚴(yán)重的水脊進(jìn)和出砂，甚至引發(fā)嚴(yán)重的工程地質(zhì)災(zāi)害和環(huán)境問(wèn)題[14]。根據(jù)我國(guó)第二次水合物試采的井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（圖2），由于儲(chǔ)層分布非均及各向異性，其水平井的排液產(chǎn)氣易出現(xiàn)滲透率非均勻排布（圖3），我國(guó)第二次水平井試采不同工況水平段產(chǎn)能不同（圖4），可能導(dǎo)致排液產(chǎn)氣異常，易出現(xiàn)儲(chǔ)層水、邊底水脊進(jìn)、出砂，甚至倒流，嚴(yán)重制約了水合物商業(yè)開(kāi)發(fā)。

圖2 2020年第二次南海水合物試采水平井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[5]

圖3 不同儲(chǔ)層條件下水平井段滲流示意圖[6]

圖4 中國(guó)第二次水平井試采不同工況水平段產(chǎn)能模擬[5]：（a）不同垂向位置穿越試采礦體日產(chǎn)氣量與井底流壓關(guān)系預(yù)測(cè)圖；（b）不同長(zhǎng)度水平段日產(chǎn)氣量與井底流壓關(guān)系預(yù)測(cè)圖

儲(chǔ)層水脊進(jìn)和出砂是水合物高效安全長(zhǎng)期開(kāi)發(fā)不可回避的問(wèn)題，需要考慮水合物開(kāi)采過(guò)程中相態(tài)變化、儲(chǔ)層和井筒多相滲流等對(duì)排液和出砂的影響，采用相對(duì)應(yīng)的均衡排液技術(shù)和防砂技術(shù)[15-16]。目前現(xiàn)場(chǎng)試采成本高，室內(nèi)多尺度實(shí)驗(yàn)和計(jì)算模型研究是可行的方法。

1 天然氣水合物開(kāi)采控水控砂研究進(jìn)展

水平井開(kāi)發(fā)底水油氣藏的突出問(wèn)題是邊底水非均衡排液，即局部脊進(jìn)突入油氣井，包括跟端脊進(jìn)和非均勻脊進(jìn)等，尤其集中在滲透率最高的地方容易發(fā)生，造成儲(chǔ)層較大的損害。目前常用均衡排液技術(shù)，即采用避射、打隔板、中心油管帶節(jié)流噴嘴等技術(shù)可有效延緩和控制水平井開(kāi)采過(guò)程中非均勻排液[6]，對(duì)水平井開(kāi)發(fā)水合物起到控水控砂的作用。然而水平井開(kāi)發(fā)海洋天然氣水合物處于起步階段，目前研究尚不充分。

實(shí)驗(yàn)方面，OYAMA等[17]發(fā)現(xiàn)出砂發(fā)生在水合物不穩(wěn)定的降壓過(guò)程，水流是出砂的驅(qū)動(dòng)力而非分解氣流，水流速度是出砂的主要影響因素，因此井筒均衡排液是降低水合物出砂的關(guān)鍵。YU等[18]發(fā)現(xiàn)初始水合物飽和度和氣液流量影響出砂特性。JUNG等[19-21]闡釋印度洋水合物儲(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，且水相滲流是水合物儲(chǔ)層出砂的主因，李彥龍[22]更進(jìn)一步提出穩(wěn)定的水相滲流是水合物地層出砂的主要?jiǎng)恿?，為水平井控水控砂提出更高要求。MURPHY等[23]基于實(shí)驗(yàn)提出日本2013年水合物試采儲(chǔ)層細(xì)砂為松散砂，其出砂表現(xiàn)為砂結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的整體出砂，而非局部出砂，對(duì)水平井整體埋井風(fēng)險(xiǎn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于垂直井。但SUZUKI等[24]實(shí)驗(yàn)?zāi)M日本2013年水合物試采，僅有細(xì)砂侵入，未發(fā)現(xiàn)大規(guī)模出砂，與試采結(jié)果不符。董長(zhǎng)銀等[25]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)，揭示篩管介質(zhì)擋砂的4種機(jī)制，具有控砂的可行性。黃芳飛等[26]探討了油氣開(kāi)發(fā)及水合物試采過(guò)程中氣?液?砂多相臨界攜砂的實(shí)驗(yàn)研究成果，綜述了多角度管路中氣?液?砂多相臨界攜砂機(jī)理及臨界攜砂流速的關(guān)鍵影響參數(shù)（表2）。CHEN等[27]通過(guò)384組實(shí)驗(yàn)，研究了水合物開(kāi)采過(guò)程中流量、出砂體積濃度（volumetric concentration of sand production, VCSP）、砂直徑和井斜對(duì)微米級(jí)砂粒運(yùn)移和沉降的影響，大流量、小粒徑、小傾角、小VCSP均可降低砂沉降量。ZHANG等[28]通過(guò)對(duì)比不同井型（水平井和垂直井）、不同防砂技術(shù)（礫石充填和篩網(wǎng)）的水合物儲(chǔ)層開(kāi)采實(shí)驗(yàn)，得到采用礫石充填結(jié)合防砂篩管的直井出砂量比僅采用防砂篩管的直井低50%，而在徑向井中，礫石充填結(jié)合防砂篩管比單獨(dú)使用篩管可減少87%的出砂量，在同一開(kāi)發(fā)時(shí)間內(nèi)，采用復(fù)合防砂方法的徑向井的累計(jì)產(chǎn)氣量和采收率均優(yōu)于未采用礫石充填的徑向井，其核心在于兩種方式對(duì)氣水流體的控制，礫石相對(duì)于篩管提供了更大的流體緩沖區(qū)，排液更加穩(wěn)定。LI等[29]開(kāi)展了水合物儲(chǔ)層篩管防砂實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)防砂篩管可以防止出砂，但是增加了流動(dòng)阻力，導(dǎo)致平均產(chǎn)氣量降低了76% ～ 96%，因此針對(duì)水平井必須考慮均衡排液的問(wèn)題。

常規(guī)油氣應(yīng)用方面，2022年3月，中油國(guó)際（阿布扎比）公司海上下扎庫(kù)姆油田2022年首口超長(zhǎng)水平井成功完井，終于實(shí)現(xiàn)均衡排液的流動(dòng)控制技術(shù)，但在海洋油氣工程及水合物開(kāi)發(fā)領(lǐng)域尚需要進(jìn)一步研究[30]。中國(guó)海油能源發(fā)展工程技術(shù)公司推出了“黏度敏感流量閥控水（autonomous inflow control device, AICD）”技術(shù)，利用套管環(huán)空封隔器（annulus casing packer, ACP）管外分段，下入AICD控水中心管柱至生產(chǎn)層，適用于地層原油黏度大于20 cp、液量大于50 m3/d、含水小于95%的井況，可實(shí)現(xiàn)邊底水油藏流體流量的平衡控制和全水平段的均衡產(chǎn)出[31]。

表2 水平管道氣?液?砂多相流顆粒流動(dòng)狀態(tài)劃分[26]

數(shù)值模擬方面，MORIDIS等[32]發(fā)現(xiàn)水合物儲(chǔ)層在降壓開(kāi)采中剪切破壞促進(jìn)地層沉降，存在出砂風(fēng)險(xiǎn)。DEUSNER等[33]和UCHIDA等[34]建立水合物地層出砂理論模型（sand production model in gas hydrate-bearing sediments），預(yù)測(cè)日本和印度水合物試采的出砂演化過(guò)程及發(fā)生位置，經(jīng)過(guò)日本中粗砂層水合物試采數(shù)據(jù)歷史擬合，適用性較好。YAN等[35]針對(duì)南海水合物開(kāi)采，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[36]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)致出砂增大，細(xì)分出4個(gè)出砂階段。NING等[37]發(fā)現(xiàn)高井底壓差的低滲儲(chǔ)層，出砂多由于剪切破壞引起，氣水運(yùn)移引起的少。劉浩伽等[38]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。YU等[39]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[40]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。熊友明等[6]建立了油藏底水均衡排液的計(jì)算模型，但目前不適用水合物開(kāi)發(fā)的氣?液?固多相流固耦合情況。蘇義腦等[41]通過(guò)建立流道幾何模型，研究水合物開(kāi)采過(guò)程中井筒水流的節(jié)流螺旋管段的微米級(jí)砂粒運(yùn)移沉積規(guī)律，獲得了不同條件下微米級(jí)砂粒臨界不沉積水速。李彥龍[22]提出了水合物試采水平井礫石充填工藝參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，推薦南海水合物試采井控砂介質(zhì)擋砂精度設(shè)計(jì)采用“防粗疏細(xì)”的方法；建議采用“輕質(zhì)砂 + 低砂比 +降黏劑”組合工藝延長(zhǎng)充填延伸極限、拓寬礫石充填工藝。卓魯斌等[42]發(fā)現(xiàn)由于上覆層傳熱和氣水重力差的影響，降壓開(kāi)采易形成次生氣頂，在水合物藏上部布設(shè)水平井有利于降低分解氣的超覆，可提高采收率，避免底水的影響。SHANG等[43]研究了單口水平井和兩口平行水平井的產(chǎn)氣動(dòng)態(tài)，認(rèn)為水平井采氣可以產(chǎn)生較高的產(chǎn)氣量，特別是在游離氣的貢獻(xiàn)下，尤其是在生產(chǎn)的早期階段。同時(shí)建議在水合物層底部設(shè)置水平井，不僅可以在產(chǎn)氣中提取游離氣，而且可以誘導(dǎo)更多的水合物分解，并采用兩條平行水平井配置時(shí)，雙井網(wǎng)可產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，加速水合物分解，降低產(chǎn)水量。游離氣飽和度和束縛水飽和度的敏感性分析表明，這兩個(gè)因素中的任何一個(gè)都可能導(dǎo)致較高的氣水比。

盧靜生等[44-46]通過(guò)三維天然氣水合物開(kāi)采出砂及防砂裝置，開(kāi)展了含水合物儲(chǔ)層開(kāi)采的水平井開(kāi)采及出砂實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)水合物儲(chǔ)層的“分階段分級(jí)出砂”規(guī)律和“泥質(zhì)粉砂儲(chǔ)層失水造壁性”。結(jié)合實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)水合物儲(chǔ)層水流對(duì)出砂的嚴(yán)重影響以及南海第二次試采存在的水平井排液不均問(wèn)題，提出并獲得授權(quán)了中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利“一種天然氣水合物水平井均衡排液測(cè)試裝置及方法”（圖5）。通過(guò)均衡排液技術(shù)優(yōu)化控水控砂工況和工藝參數(shù)設(shè)置（井型、噴嘴、流速、壓力等）實(shí)現(xiàn)水合物在水平井的控流（水）控砂控冰堵，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)出砂/防砂/井筒攜砂/流動(dòng)保障/碳封存等為一體的固相控制策略[47]。

圖5 水平井開(kāi)采水合物排液控制流程圖

2 水平井開(kāi)采天然氣水合物控水控砂研究的技術(shù)難點(diǎn)

從目前的研究來(lái)看，相較于常規(guī)油氣井，水合物井既存在深水常規(guī)油氣的共性問(wèn)題，也存在水合物及水合物井的特性問(wèn)題。

（1）天然氣水合物儲(chǔ)層水及邊底水的精細(xì)刻畫(huà)

水是天然氣水合物成藏的必要條件，因此在天然氣水合物開(kāi)采過(guò)程中難以避免見(jiàn)水的情況。相較于常規(guī)油氣及頁(yè)巖氣藏，在天然氣水合物藏及其周邊都存在大量的儲(chǔ)層水、邊底水情況，如何在開(kāi)發(fā)過(guò)程中降低邊底水是均衡排液技術(shù)在常規(guī)油氣中的重要應(yīng)用。目前短期水合物試采已經(jīng)有邊底水的影響，同時(shí)油氣井長(zhǎng)期開(kāi)采都有可能出現(xiàn)邊底水脊進(jìn)等出水的問(wèn)題，未來(lái)長(zhǎng)期、高生產(chǎn)壓差、高含水的水合物儲(chǔ)藏也存在較大的出水風(fēng)險(xiǎn)。因此，儲(chǔ)層水及邊底水的精細(xì)刻畫(huà)是高效開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的前提。

（2）深水油氣鉆完井裝備在水平井水合物開(kāi)發(fā)的冗余大

現(xiàn)有的水合物藏較難形成常規(guī)油氣的自噴情況，水合物井及流化井多通過(guò)電潛泵（electric submersible pump, ESP）等裝備抽取氣液或者氣?液?固降壓進(jìn)行開(kāi)采。現(xiàn)有海洋油氣工程裝備的防噴器（blowout preventer, BOP）、大口徑套管等裝備冗余不僅增加了開(kāi)發(fā)成本，也增大了水平井均衡排液系統(tǒng)精準(zhǔn)控制的復(fù)雜程度及施工難度。近年來(lái)提出的深水功能艙水下生產(chǎn)系統(tǒng)、海底原位鉆機(jī)等小型化深水開(kāi)發(fā)裝備理念及技術(shù)對(duì)未來(lái)長(zhǎng)期的水平井均衡排液的適用性尚需進(jìn)一步研究。

（3）水合物水平井的井筒流動(dòng)保障問(wèn)題

水平井筒比垂直井筒存在防砂難度大、井筒攜砂困難、二次生成風(fēng)險(xiǎn)大等井筒流動(dòng)保障難題，盡管開(kāi)展了很多的水平井開(kāi)采水合物數(shù)值模擬，但是水平井開(kāi)采實(shí)際過(guò)程中排液、出砂和攜砂等形成復(fù)雜氣?液?固多相流問(wèn)題，以及水平井多相流中水合物生成相變冰堵（記憶效應(yīng)、焦耳?湯姆孫效應(yīng)等導(dǎo)致的水合物儲(chǔ)層及井筒二次生成風(fēng)險(xiǎn)大）及砂堵等形成混合堵塞機(jī)制都十分復(fù)雜，是難以回避的實(shí)際工程問(wèn)題。同時(shí)，針對(duì)單一砂堵塞、單一冰堵塞和砂冰混合堵塞的防堵塞（抑制劑、溶砂劑等）以及堵塞后清管技術(shù)在水平井段的應(yīng)用時(shí)機(jī)、位置、用量和效率等問(wèn)題也是亟待解決的現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)題。因此需要進(jìn)一步研究揭示水平井井筒內(nèi)的攜砂/防堵/堵塞/解堵等流動(dòng)保障機(jī)制，以實(shí)現(xiàn)對(duì)開(kāi)發(fā)過(guò)程中儲(chǔ)層?井筒?井口的整體固相控制。

（4）儲(chǔ)層改造及保護(hù)技術(shù)

儲(chǔ)層改造是提高水合物儲(chǔ)層低滲、均一性差、弱膠結(jié)等先天問(wèn)題的重點(diǎn)技術(shù)手段，可采用水平井段的壓裂氣液流體、射流氣液流體、礫石充填完井液、功能性流體（抑制劑、多相態(tài)CO2）等均勻排液注入控水控砂技術(shù)與裝備，進(jìn)而提高水平井段改造后的儲(chǔ)層均一性，是水平井控水控砂技術(shù)在儲(chǔ)層改造及保護(hù)的重要應(yīng)用。

3 我國(guó)天然氣水合物開(kāi)采水平井控水控砂面臨的挑戰(zhàn)

（1）“四氣合采”的控水控砂技術(shù)及裝備

盡管我國(guó)兩次“地層流體抽取法”降壓開(kāi)采南海天然氣水合物未有公開(kāi)資料提及產(chǎn)水情況，但是“地層流體抽取法”[48]的原理是“以可燃冰的物性和在自然界的產(chǎn)出特征為基礎(chǔ)，針對(duì)可燃冰開(kāi)發(fā)面臨的儲(chǔ)層沉積物易出砂、低滲等問(wèn)題，提出在儲(chǔ)層和井壁穩(wěn)定允許的降壓幅度下，通過(guò)各種方法（儲(chǔ)層改造等）加大儲(chǔ)層流體抽取量，從而達(dá)到長(zhǎng)期、高效、安全生產(chǎn)天然氣水合物的方法”；“固態(tài)流化法”試采南海天然氣水合物是通過(guò)射流、掘進(jìn)及破碎后隨流體一起抽取。因此，都是氣液流體一起抽取的情況，必須考慮儲(chǔ)層和井筒的控水控砂問(wèn)題。周守為等[4]提出了水合物最有可能實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的“三氣合采”（自由氣、水合物氣及常規(guī)天然氣），QI等[49]進(jìn)一步指出我國(guó)海域天然氣水合物儲(chǔ)層的泥質(zhì)粉砂吸附性和頁(yè)巖氣相近，我國(guó)天然氣水合物儲(chǔ)層可能屬于水合物儲(chǔ)層伴生吸附氣，吸附氣的解析可進(jìn)一步釋放水合物泥質(zhì)粉砂儲(chǔ)層的產(chǎn)能。因此，我國(guó)天然氣水合物的開(kāi)發(fā)存在“四氣合采”（自由氣、吸附氣、水合物氣及常規(guī)天然氣）的可能性，復(fù)雜的儲(chǔ)層分布及跨度為水合物開(kāi)采控水控砂提出了新的要求，尤其是不同儲(chǔ)層間的水平井控水控砂是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性商業(yè)化的保證。

（2）水平井增產(chǎn)的控水控砂技術(shù)及裝備

針對(duì)水合物產(chǎn)能制約商業(yè)開(kāi)發(fā)的問(wèn)題，與水平井開(kāi)采均衡排液提升產(chǎn)能有關(guān)的配套工藝包括固相控制工藝（防砂、射孔等）、水射流工藝、壓裂改造工藝（水力壓裂、氣驅(qū)壓裂等）、注熱功能性流體的技術(shù)及裝備等，然而目前缺乏水合物適用的低冗余、低成本裝備。同時(shí)，增產(chǎn)帶來(lái)的長(zhǎng)期高氣液流速、高生產(chǎn)壓差也存在潛在的工程和地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)。盡管開(kāi)采過(guò)程中降壓速率對(duì)水合物儲(chǔ)層的力學(xué)穩(wěn)定性影響較大，但是實(shí)際開(kāi)采過(guò)程中，主要是通過(guò)閥門(mén)和泵速的流量來(lái)控制產(chǎn)量，因此井筒中流體速率（尤其是采收和注入水平井的排液情況）對(duì)井筒和儲(chǔ)層的影響更大；相較于成巖儲(chǔ)層，我國(guó)南海水合物泥質(zhì)粉砂儲(chǔ)層的力學(xué)失穩(wěn)可能導(dǎo)致近井壁和儲(chǔ)層結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，但不一定誘發(fā)出砂和滑坡等嚴(yán)重工程與地質(zhì)災(zāi)害，而未來(lái)高流速的氣液流體可能易推動(dòng)泥質(zhì)粉砂細(xì)小顆粒出砂和近井壁“泥皮”層的整體滑移，將大大阻礙水合物的水平井增產(chǎn)。

（3）水平井水合物法碳封存的控水控砂技術(shù)及裝備

根據(jù)我國(guó)沿海經(jīng)濟(jì)建設(shè)主戰(zhàn)場(chǎng)——環(huán)渤海、長(zhǎng)三角和粵港澳大灣區(qū)等地區(qū)的“碳中和”需求，二氧化碳置換開(kāi)采水合物及水合物法埋存是實(shí)現(xiàn)水合物產(chǎn)業(yè)化的重要途徑之一。通過(guò)海洋封存的碳匯補(bǔ)貼海洋水合物開(kāi)采成本，提高水合物產(chǎn)業(yè)化開(kāi)發(fā)的經(jīng)濟(jì)性，包括CO2-N2混合氣體、CO2乳狀液、CO2“可樂(lè)”溶液、CO2超臨界溶液、氣液態(tài)混合CO2等多種注入技術(shù)的置換開(kāi)采和封存，以及以上技術(shù)單獨(dú)注入海洋儲(chǔ)層進(jìn)行CO2水合物法封存。因此，置換開(kāi)采和封存的水平井均衡排液控水控砂的注入位置、注入時(shí)機(jī)、注入量、均衡擴(kuò)散及封存是保證置換效率以及CO2水合物在儲(chǔ)層長(zhǎng)期穩(wěn)定封存的基礎(chǔ)。

4 結(jié)論與展望

隨著各國(guó)天然氣水合物試采工程研究的不斷深入，一部分控水控砂技術(shù)得到了驗(yàn)證，取得了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。然而，天然氣水合物商業(yè)開(kāi)采是一個(gè)系統(tǒng)工程，針對(duì)第二次南海水合物水平井試采的新問(wèn)題，目前水合物水平井抽取和注入井筒的控水控砂方式能否達(dá)到均衡排液的效果，是否可以直接用于商業(yè)開(kāi)采及碳封存還需要進(jìn)一步研究和驗(yàn)證。同時(shí)，我國(guó)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的海洋水合物儲(chǔ)層多為泥質(zhì)粉砂儲(chǔ)層，含水情況極為復(fù)雜，進(jìn)入井筒的大量泥質(zhì)粉砂是常規(guī)油氣所未見(jiàn)，通過(guò)對(duì)水平井抽取與注入的排液機(jī)理的進(jìn)一步研究，對(duì)油氣和水合物商業(yè)開(kāi)發(fā)及封存的控水控砂具有重要價(jià)值。

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Research Status on Water Controlling and Sand Controlling in Horizontal Well Completion during Gas Hydrate Exploitation

LU Jing-sheng1,4,5,6, LIN De-cai1,2,4,5,6, LI Dong-liang1,2,4,5,6,7, LIANG De-qing1,2,4,5,6,7, ZHANG Yi-qun3,4, WU Si-ting1,4,5,6,7, HE Yong1,4,5,6, SHI Ling-li1,2,4,5,6,7

(1. Guangzhou Institute of Energy Conversion, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510640, China; 2. School of Energy Science and Engineering, University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China; 3. China University of Petroleum, Beijing 102249, China; 4. State Key Laboratory of Natural Gas Hydrate, Beijing 100028, China; 5. CAS Key Laboratory of Gas Hydrate, Guangzhou 510640, China; 6. Guangdong Provincial Key Laboratory of New and Renewable Energy Research and Development, Guangzhou 510640, China; 7. University of Chinese Academy of Science, Beijing 100049, China)

The second South China Sea hydrate test in 2020 proved that horizontal well is an important way to achieve industrialization, and the planned commercial development of gas hydrate in the South China Sea in 2030 will make up for the shortcomings of the natural gas supply in the Guangdong, Hong Kong, and Macau Bay Area. However, most of China’s marine hydrate desserts are located in non-rock-forming muddy silt reservoirs with high water content and abundant marginal bottom water, and reservoir water (discharge fluid) is prone to carry mud and sand (out sand) ridges into the wellbore during the development of horizontal wells, resulting in lower production. In view of the new problems arising from the second horizontal well development of hydrate, the unbalanced discharge of fluid and sand from horizontal wells during the development of marine gas hydrate reservoirs was analyzed, the progress of horizontal well water and sand control experiments, simulations and field at home and abroad were summarized, and the difficulties of water and sand control in horizontal well extraction of hydrate and the challenges in China were presented. The results of the analysis showed that horizontal well water and sand control for gas hydrate reservoir development had common problems with conventional oil and gas development and also had its own decomposition characteristics and its own characteristic problems related to the unformed reservoir in which it was embedded. In view of the obvious anisotropy between gas hydrate reservoirs and potential “four-gas co-production” and “carbon sequestration” in China’s waters, specific research ideas and recommendations for the extraction and injection of water and sand control in hydrate horizontal wells to promote the industrial development of marine gas hydrates were proposed. Specific research ideas and recommendations on water control and sand injection in horizontal hydrate wells presented in this paper may help to promote the industrial development of marine gas hydrate.

natural gas hydrate; horizontal well; equalization drainage; controlling water-sand; solid control

2095-560X（2022）05-0447-09

TK01；TE52

A

10.3969/j.issn.2095-560X.2022.05.007

2022-07-07

2022-09-05

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（52004261，51976227，52174009）；廣東省科技創(chuàng)新戰(zhàn)略專(zhuān)項(xiàng)資金（基礎(chǔ)研究重大項(xiàng)目）項(xiàng)目（2020B0301030003）；廣州市基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究項(xiàng)目（202201010591）；國(guó)家留學(xué)基金資助項(xiàng)目（202104910253）；廣東省省級(jí)科技計(jì)劃項(xiàng)目（2021A0505030053）；廣東省促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展（海洋六大產(chǎn)業(yè)）專(zhuān)項(xiàng)資金項(xiàng)目（GDME-2022D043）；廣東特支計(jì)劃資助項(xiàng)目（2019BT02L278）

梁德青，E-mail：liangdq@ms.giec.ac.cn

盧靜生（1988-），男，博士，副研究員，主要從事天然氣水合物應(yīng)用基礎(chǔ)和海洋油氣工程的研究。

梁德青（1970-），男，博士，研究員，博士生導(dǎo)師，主要從事天然氣水合物應(yīng)用基礎(chǔ)相關(guān)研究。