天然氣水合物藏長效防砂完井探索研究

魏 偉， 張國強， 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研究院 2西南石油大學 3油氣藏地質及開發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形式分布于弱膠結泥質粉砂巖儲層中[2- 3]，這就使得水合物藏的開采技術壁壘極高，目前全世界范圍內，水合物藏開采方法也僅有注熱法、降壓開采法、化學抑制劑法、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置換法和化學抑制劑法由于高昂成本投入及工程技術限制，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)有采油實踐應用；從開采現狀看，現有技術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，國內外尚未見有效生產周期超60 d的水合物藏采氣井報道[6- 8]，見表1。

表1 國內外天然氣水合物藏試采情況統計對比分析

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現有天然氣水合物藏工程開采技術手段不成熟所致。

應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開發，擴大單井泄流面積，可有效提高天然氣水合物藏單井控制儲量；另一方面，開發新型防砂堵篩管可有效應對長效防砂完井難題，二者有機結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，并對其結構設計、功能原理以及應用前景進行了深入研究，旨在推動天然氣水合物藏商業化開采進程。

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，但產出與投入完全不成比例，這一試采現狀，一方面極大制約著水合物藏開采進程，另一方面必須引入疏松砂巖多年的防砂實踐成果，方可實現降低技術開發成本的同時加快開發進度，這在業界也基本達成共識。

鑒于此，本文對完井段砂堵機理研究，基礎立足于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理探討、疏松砂巖防砂實踐借鑒和兩次試采經驗總結，重點深入評價現有防砂篩管完井技術在淺層泥質粉砂巖儲層中的應用限制并找到技術突破口，核心及關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理分析

2.1 儲層靜態特征分析

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個數量級，儲層粒度現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，高泥質含量進一步加劇完井篩管堵塞，以神狐海域GMGS6-SH02井為例，泥質含量為47.2%、砂質含量為36.4%、鈣質含量為10.2%[10]。

2.2 儲層開采出砂機理分析

天然氣水合物藏儲層出砂根源在于儲層的弱固結性，同時受地質及工程因素影響(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試采實踐，水合物藏儲層開采出砂機理研究目前較少，當前，業界更多共識是以下三方面機理認識[12]：①Biot三維固結理論；②門限出砂壓差和臨界出砂壓差理論；③砂粒脫離細觀模型理論。三方面出砂機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選借鑒、防砂篩管擋砂精度設計借鑒。

3.1 疏松砂巖防砂完井工藝優選借鑒

疏松砂巖防砂完井工藝優選借鑒，主要包括理論借鑒、實驗模擬借鑒及礦場實踐認知借鑒，通過大量對比分析,本文推薦兩種方法重點參考：第一，考慮包括泥質含量、黏土礦物含量對篩管工藝優選影響的防砂設計方法[13]；第二，基于大量室內實驗及礦場實踐得到的完井工藝優選方法。基于以上兩種方法成果實踐可知：礫石充填完井工藝和優質金屬精密復合篩管完井工藝適應儲層范圍最廣，面對多類型儲層，二者均有較好適應；考慮到水合物藏儲層高泥質及細粉砂含量特性，綜合考慮，推薦精密復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，規避泥質砂堵風險。

3.2 疏松砂巖防砂篩管擋砂精度設計借鑒

疏松砂巖擋砂精度設計準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合濾砂管擋砂精度計算方法；②傳統的擋砂精度設計方法；③董長銀等基于實驗數據擬合得出的擋砂精度計算公式；④常規高級篩管擋砂精度設計；王紅林通過實驗模擬得出海上氣田精細防砂設計準則。

通過對比分析以上多種擋砂精度設計方法知，不同學者獲得的機械篩管擋砂精度設計準則雖各有所長，但尤以董長銀等基于大量實驗結果擬合得到的經驗模型適用范圍廣、擋砂精度高且礦場應用效果好，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)當直井轉變為水平井且完井長度增加3.3倍后，水平井累產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氣量認識正確性。

(2)單一預充填礫石防砂完井提升到最高級別三級復合防砂完井后，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，要允許泥質粉砂產出。

(3)現有金屬篩管結構需具備較強排砂能力，篩管結構必須改進。

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

5 “自清潔”精密復合防砂篩管設計

“自清潔”精密復合防砂篩管是基于原有精密復合篩管結構上優化改進而來，通過在篩網層中增加沖砂管部件，并基于井口高壓注水，借此實現沖砂解堵。

5.1 結構組成

“自清潔”精密復合防砂篩管從里到外的組成為基管、內保護套、扁平狀沖砂管(6個，周向分布在內保護套與過濾層之間)、多層防砂過濾層和外保護套(見圖1)。采用優質不銹鋼材料，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”精密復合金屬篩管三維結構模型

5.2 結構特點

(1)“自清潔”篩管中沖砂管結構設計為扁平狀，相較于圓形管道，其在節約篩管空間的同時還能夠實現周向均勻沖砂；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，能夠適應多種復雜出砂環境；沖砂管呈60°角周向分布于內護管與過濾層之間(見圖2)，實現均勻沖砂效果。

(3)沖砂管割縫方式優化設計：借鑒割縫襯管不同割縫方式下優缺點分析，優化沖砂管割縫形式；考慮到沖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度降低10%以內為準進行優化，在保證沖砂管強度的同時達到均衡沖洗效果。

圖2 扁平狀沖砂管平面圖

5.3 “自清潔”功能實現原理

由于實驗測試和模擬分析內容多且實現過程資金投入巨大，在有限經費支持下，目前文章僅從理論上對“自清潔”功能實現加以說明。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；同時裝有循環泵，其連接原理與加壓泵相似，主要向沖砂管中循環泵入液體。投產后，考慮到通過理論推導或數值模擬的方法來準確預測水合物儲層出砂程度，進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：即從采氣井平穩投產后開始計算，當產氣量逐漸遞減到初始產量一半時開始打壓沖砂，所經過的時間定為沖砂周期，以此循環進行打壓沖砂，實現有效解堵的同時延長有效開采周期，該方法將具有較強礦場適應性。

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”，實現防砂與解堵有效結合，最大程度實現長時效防砂完井，提高單井累產氣量。

5.4 優化設計

5.4.1 擋砂精度設計

“自清潔”防砂篩管擋砂精度計算模型，參考董長銀等[15]基于大量實驗結果擬合得到的經驗模型：

wf=Rs(0.333d50+0.387d70+0.510d90)×

(Cs/3)0.151

(1)

式中：wf—擋砂精度，μm；Rs—不同生產條件下的修正系數，此處Rs=1.2；d50—粒徑中值，μm；d70—累計粒度分布百分數達到70%時對應粒徑，μm；d90—累計粒度分布百分數達到90%時對應粒徑，μm；Cs—分選系數。

根據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，結合儲層靜態特征分析對比發現儲層粒度中值范圍與該模型下的擋砂精度范圍十分接近，進一步驗證了該模型在泥質粉砂巖水合物藏儲層中的適應性。考慮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化篩管尺寸，以實現“防粗疏細”目的。

5.4.2 篩網尺寸優化

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

表2 “自清潔”精密復合防砂篩管參數設計

5.5 應用前景

“自清潔”精密復合防砂篩管設計遵循“防粗疏細”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計要求，實現了防砂完井工藝質的飛躍，具備長效防砂完井先天優勢；該篩管的提出不僅是長效防砂完井的一次創新探索，同時對未來天然氣水合物開采提供了一種新思路。

“自清潔”精密復合防砂篩管的提出，旨在解決現有技術條件下天然氣水合物藏開采面臨的高投入低回報開發難題，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化開發步伐。當前“自清潔”防砂篩管已完成了結構及功能設計，研究成果亦申請了國家發明專利，但由于水合物藏試采的種種限制，暫時還無法實現該新型篩管的礦場應用及防砂效果評價，后續條件滿足時會有進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用是大勢所趨，是實現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用未來可期。

6 結論

(1)弱膠結泥質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壁壘極高，采氣井長效防砂完井技術面臨巨大挑戰。

(2)神狐海域水合物藏兩次試采經驗表明，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，實現防砂工藝質的飛躍。

(3)本文提出的“自清潔”精密復合防砂篩管，可以有效解決完井段砂堵難題，充分發揮“防、擋、疏”一體防砂功能；文章對其結構及功能進行了優化設計。

(4)“自清潔”精密復合防砂篩管的研究，既是對當下水合物開采技術挑戰的回應，又是泥質粉砂巖儲層中長效防砂完井的一次創新探索，同時水力噴射解堵還可降低因焦耳—湯姆遜效應所導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進程。