天然气水合物藏长效防砂完井探索研究

2022-07-06张国强杨乾隆蒋贝贝岳广韬毛晓楠

钻采工艺 2022年3期

魏伟，张国强，杨乾隆，蒋贝贝，岳广韬，毛晓楠

1中石化胜利油田分公司石油工程技术研究院 2西南石油大学 3油气藏地质及开发工程国家重点实验室 4中国石油长庆油田分公司第十采油厂

0 引言

天然气水合物藏(简称水合物藏)储量虽然巨大[1]，但鉴于全球超90%的资源分布于海洋底部且多以固态形式分布于弱胶结泥质粉砂岩储层中[2- 3]，这就使得水合物藏的开采技术壁垒极高，目前全世界范围内，水合物藏开采方法也仅有注热法、降压开采法、化学抑制剂法、CO2置换法、地面分解法5类[4]。

除地面分解法外，其它所有方法都面临着储层出砂和砂堵问题[5]。其中，CO2置换法和化学抑制剂法由于高昂成本投入及工程技术限制，目前仍仅停留在理论评价阶段，唯有降压开采法和基于降压开采法的混合开采法(见表1)有采油实践应用；从开采现状看，现有技术条件下的水合物开采时效性问题异常突出，防砂完井时效性无法保障，截止目前，国内外尚未见有效生产周期超60 d的水合物藏采气井报道[6- 8]，见表1。

表1 国内外天然气水合物藏试采情况统计对比分析

从神狐海域两次水合物试采实践可知，完井段砂堵是水合物采气井低时效的主要原因，造成砂堵的原因归为两类：①天然气水合物藏储层固有开采属性所致[9]；②现有天然气水合物藏工程开采技术手段不成熟所致。

应对天然气水合物开采时效低的难题，一方面可考虑利用分支水平分井、鱼骨状水平井并配合多井网开发，扩大单井泄流面积，可有效提高天然气水合物藏单井控制储量；另一方面，开发新型防砂堵筛管可有效应对长效防砂完井难题，二者有机结合可有效改善水合物低时效开采难题。本文提出了一种新型自清洁砂筛管，并对其结构设计、功能原理以及应用前景进行了深入研究，旨在推动天然气水合物藏商业化开采进程。

1 天然气水合物藏储层完井段砂堵问题解决思路

中国在天然气水合物2次试采中投入了巨量资金、人力及物力，但产出与投入完全不成比例，这一试采现状，一方面极大制约着水合物藏开采进程，另一方面必须引入疏松砂岩多年的防砂实践成果，方可实现降低技术开发成本的同时加快开发进度，这在业界也基本达成共识。

鉴于此，本文对完井段砂堵机理研究，基础立足于2017和2020年神狐海域两次试采水合物藏储层特征分析、水合物藏开采出砂机理探讨、疏松砂岩防砂实践借鉴和两次试采经验总结，重点深入评价现有防砂筛管完井技术在浅层泥质粉砂岩储层中的应用限制并找到技术突破口，核心及关键在于提出适合水合物藏长效开采的新思路和新手段，特别是完井工具的新突破。

2 水合物藏储层特征分析及出砂机理分析

2.1 储层静态特征分析

神狐海域水合物储层砂粒度中值在16.0～25.0 μm之间，而常规油气储层地层砂粒度中值多在50.0～300.0 μm之间，二者相差近1个数量级，储层粒度现状使得水合物藏防砂难度增加的同时，防砂筛管更易堵塞；此外，高泥质含量进一步加剧完井筛管堵塞，以神狐海域GMGS6-SH02井为例，泥质含量为47.2%、砂质含量为36.4%、钙质含量为10.2%[10]。

2.2 储层开采出砂机理分析

天然气水合物藏储层出砂根源在于储层的弱固结性，同时受地质及工程因素影响(例如水合物藏分布模式、储层孔隙流压以及开采方式[11]等)。鉴于高昂开采投入和极少数试采实践，水合物藏储层开采出砂机理研究目前较少，当前，业界更多共识是以下三方面机理认识[12]：①Biot三维固结理论；②门限出砂压差和临界出砂压差理论；③砂粒脱离细观模型理论。三方面出砂机理研究都有一个共同指向，即降压开采时，水合物井周储层垮塌及出砂是必然结果，不可避免。

3 疏松砂岩防砂实践成果借鉴

疏松砂岩防砂完井成果借鉴有防砂完井工艺优选借鉴、防砂筛管挡砂精度设计借鉴。

3.1 疏松砂岩防砂完井工艺优选借鉴

疏松砂岩防砂完井工艺优选借鉴，主要包括理论借鉴、实验模拟借鉴及矿场实践认知借鉴，通过大量对比分析,本文推荐两种方法重点参考：第一，考虑包括泥质含量、黏土矿物含量对筛管工艺优选影响的防砂设计方法[13]；第二，基于大量室内实验及矿场实践得到的完井工艺优选方法。基于以上两种方法成果实践可知：砾石充填完井工艺和优质金属精密复合筛管完井工艺适应储层范围最广，面对多类型储层，二者均有较好适应；考虑到水合物藏储层高泥质及细粉砂含量特性，综合考虑，推荐精密复合防砂筛管完井为天然气水合物藏首选防砂工艺，并建议减少砾石充填工艺使用，规避泥质砂堵风险。

3.2 疏松砂岩防砂筛管挡砂精度设计借鉴

疏松砂岩挡砂精度设计准则获取途径主要有理论研究和实验测试两种。目前常见的挡砂精度计算方法包括[14]：①王毅等提出的精密复合滤砂管挡砂精度计算方法；②传统的挡砂精度设计方法；③董长银等基于实验数据拟合得出的挡砂精度计算公式；④常规高级筛管挡砂精度设计；王红林通过实验模拟得出海上气田精细防砂设计准则。

通过对比分析以上多种挡砂精度设计方法知，不同学者获得的机械筛管挡砂精度设计准则虽各有所长，但尤以董长银等基于大量实验结果拟合得到的经验模型适用范围广、挡砂精度高且矿场应用效果好，可重点参考借鉴。

4 水合物藏两次试采防砂实践评价

2017年及2020年神狐海域水合物藏两次试采防砂实践得到以下启示：

(1)当直井转变为水平井且完井长度增加3.3倍后，水平井累产气量较直井开采增加约3倍左右，验证提高单井控制储量提升累产气量认识正确性。

(2)单一预充填砾石防砂完井提升到最高级别三级复合防砂完井后，防砂完井时效性大幅度下降，说明单方面提升挡砂精度会加剧储层砂堵。

两次试采实践借鉴：

(1)防砂完井工艺优选时，需充分考虑防砂工艺自身抗砂堵性能。

(2)提高挡砂精度的同时要兼顾疏砂需求，要允许泥质粉砂产出。

(3)现有金属筛管结构需具备较强排砂能力，筛管结构必须改进。

鉴于理论研究及实践借鉴，本文设计了一种具有“自清洁”功能的精密复合防砂筛管，旨在解决水合物藏长效防砂完井技术难题。

5 “自清洁”精密复合防砂筛管设计

“自清洁”精密复合防砂筛管是基于原有精密复合筛管结构上优化改进而来，通过在筛网层中增加冲砂管部件，并基于井口高压注水，借此实现冲砂解堵。

5.1 结构组成

“自清洁”精密复合防砂筛管从里到外的组成为基管、内保护套、扁平状冲砂管(6个，周向分布在内保护套与过滤层之间)、多层防砂过滤层和外保护套(见图1)。采用优质不锈钢材料，各个部件通过焊接方式连为一体，在具备高渗透性和抗变形能力的同时兼顾抗腐蚀性功能。

图1 “自清洁”精密复合金属筛管三维结构模型

5.2 结构特点

(1)“自清洁”筛管中冲砂管结构设计为扁平状，相较于圆形管道，其在节约筛管空间的同时还能够实现周向均匀冲砂；其次，考虑到水平井跟端到趾端管道中流体密度、压力以及流量的差异影响，冲砂管采用变密度交错割缝方式，确保完井段在纵横方向冲砂液的均衡射出，提升冲砂效果。

(2)冲砂管选用316L型不锈钢材料，具有耐热、抗腐蚀的性能，能够适应多种复杂出砂环境；冲砂管呈60°角周向分布于内护管与过滤层之间(见图2)，实现均匀冲砂效果。

(3)冲砂管割缝方式优化设计：借鉴割缝衬管不同割缝方式下优缺点分析，优化冲砂管割缝形式；考虑到冲砂管外形类似长方体，在冲砂管宽面采用轴向交错割缝方式，在冲砂管窄面采用垂向平行割缝方式(见图2)，割缝密度及宽度以割缝后冲砂管强度降低10%以内为准进行优化，在保证冲砂管强度的同时达到均衡冲洗效果。

图2 扁平状冲砂管平面图

5.3 “自清洁”功能实现原理

由于实验测试和模拟分析内容多且实现过程资金投入巨大，在有限经费支持下，目前文章仅从理论上对“自清洁”功能实现加以说明。自清洁防砂筛管完井装置示意图见图3，具体实施步骤为首先在井口装有液体箱，用于储存打压或清洗管道的液体；其次在井口安装加压泵，其入口通过管线与液体箱排液管相接，出口通过管线与冲砂管管道入口相接；同时装有循环泵，其连接原理与加压泵相似，主要向冲砂管中循环泵入液体。投产后，考虑到通过理论推导或数值模拟的方法来准确预测水合物储层出砂程度，进而来确定合理的冲砂周期具有极大难度，本文提出了基于采气量半衰期的冲砂周期确定法：即从采气井平稳投产后开始计算，当产气量逐渐递减到初始产量一半时开始打压冲砂，所经过的时间定为冲砂周期，以此循环进行打压冲砂，实现有效解堵的同时延长有效开采周期，该方法将具有较强矿场适应性。

图3 自清洁防砂筛管完井装置示意图

“自清洁”防砂筛管研究成果为水合物藏完井段砂堵导致的低时效开采难题提出一种全新解决方法，不再受限于单纯的防砂精度提高(挡砂精度越高堵塞越快)，而是推荐“防粗疏细”，实现防砂与解堵有效结合，最大程度实现长时效防砂完井，提高单井累产气量。

5.4 优化设计

5.4.1 挡砂精度设计

“自清洁”防砂筛管挡砂精度计算模型，参考董长银等[15]基于大量实验结果拟合得到的经验模型：

wf=Rs(0.333d50+0.387d70+0.510d90)×

(Cs/3)0.151

(1)

式中：wf—挡砂精度，μm；Rs—不同生产条件下的修正系数，此处Rs=1.2；d50—粒径中值，μm；d70—累计粒度分布百分数达到70%时对应粒径，μm；d90—累计粒度分布百分数达到90%时对应粒径，μm；Cs—分选系数。

根据神狐海域水合物储层特征，由式(1)计算得到挡砂精度wf介于19～29 μm之间，结合储层静态特征分析对比发现储层粒度中值范围与该模型下的挡砂精度范围十分接近，进一步验证了该模型在泥质粉砂岩水合物藏储层中的适应性。考虑到新型筛管必须具备的排砂性，本文选取粒度中值上限作为挡砂精度下限优化筛管尺寸，以实现“防粗疏细”目的。

5.4.2 筛网尺寸优化

本文设计的“自清洁”防砂筛管拥有三层金属筛网，能够确保高挡砂精度的同时降低单层筛网尺寸，进而降低筛管加工难度及成本。因此，以25 μm作为挡砂精度优化标准，利用防砂完井软件计算不同层筛网尺寸大小(见表2)。

表2 “自清洁”精密复合防砂筛管参数设计

5.5 应用前景

“自清洁”精密复合防砂筛管设计遵循“防粗疏细”原则，最大特点是具有“自清洁”功能；相较于神狐海域前两次防砂完井，其降低了筛管高精度设计要求，实现了防砂完井工艺质的飞跃，具备长效防砂完井先天优势；该筛管的提出不仅是长效防砂完井的一次创新探索，同时对未来天然气水合物开采提供了一种新思路。

“自清洁”精密复合防砂筛管的提出，旨在解决现有技术条件下天然气水合物藏开采面临的高投入低回报开发难题，根治低时效防砂完井痼疾，推动和加快天然气水合物藏商业化开发步伐。当前“自清洁”防砂筛管已完成了结构及功能设计，研究成果亦申请了国家发明专利，但由于水合物藏试采的种种限制，暂时还无法实现该新型筛管的矿场应用及防砂效果评价，后续条件满足时会有进一步的研究成果展示。尽管如此，笔者相信“自清洁”防砂筛管在天然气水合物藏中的防砂应用是大势所趋，是实现天然气水合物藏长效防砂完井的不二选择，该新型筛管的实践应用未来可期。