李彥龍，胡高偉，劉昌嶺，吳能友，陳強，劉樂樂，李承峰

（1. 青島海洋地質研究所 國土資源部天然氣水合物重點實驗室，山東青島 266071；2. 青島海洋科學與技術國家實驗室海洋礦產資源評價與探測技術功能實驗室，山東青島 266071）

天然氣水合物開采井防砂充填層礫石尺寸設計方法

李彥龍1,2，胡高偉1,2，劉昌嶺1,2，吳能友1,2，陳強1,2，劉樂樂1,2，李承峰1,2

（1. 青島海洋地質研究所 國土資源部天然氣水合物重點實驗室，山東青島 266071；2. 青島海洋科學與技術國家實驗室海洋礦產資源評價與探測技術功能實驗室，山東青島 266071）

針對水合物儲集層流體抽取法開采過程中面臨的出砂問題，提出了針對黏土質粉砂型水合物儲集層的“防粗疏細”式防砂充填層礫石尺寸設計方法，并以中國南海神狐海域X站位為例進行了具體分析。以X站位為例，分析了水合物儲集層地層砂基本特性，對地層砂粗、細組分進行劃分，并分別計算了疏通細組分和阻擋粗組分所需的防砂充填層礫石尺寸范圍，通過求解兩者的交集來確定最佳礫石尺寸。研究表明，X站位水合物儲集層為分選性、均勻性極差且黏土含量較高的粉砂質儲集層，上、下部儲集層防砂充填層最佳礫石尺寸設計結果分別為 143～215 μm和 240～360 μm。在現場施工無法嚴格滿足分層防砂要求的情況下，為了兼顧上、下部儲集層，在滿足充填強度的前提下，推薦X站位防砂充填層礫石尺寸為215～360 μm。圖3表2參22

天然氣水合物；試采；出砂管理；防砂充填礫石；中國南海；神狐海域

0 引言

中國南海海域蘊藏大量的天然氣水合物（簡稱水合物）資源[1-2]，2017年由中國地質調查局主持在中國南海神狐海域開展中國首次水合物試開采。從2017年5月10日成功產氣點火至5月18日國土資源部宣布試采成功，累計產出超過12×104m3天然氣，測試甲烷含量高達99.5%，在此期間平均日產超過1.6×104m3，使中國成為全球首個實現在海域粉砂質儲集層水合物開采中獲得連續(xù)穩(wěn)定產氣的國家[3]；至7月9日順利關井，總產氣量達 30.9×104m3，綜合平均日產超過 5 000 m3[4]。獲得的大量測試數據為下一步研究工作奠定了堅實基礎。由于水合物儲集層通常屬于未固結、弱固結或裂隙發(fā)育地層，水合物分解產出過程中儲集層出砂現象不可避免[5-6]。特別是中國南海水合物儲集層為未固結超細粉砂儲集層，出砂問題成為制約水合物資源有效開發(fā)的關鍵因素[7-8]，合理有效的防砂方案設計是保證水合物成功開采的關鍵之一。

中國南海北部神狐海域水合物儲集層具有埋藏淺、膠結差、泥質含量高等特點[9]，屬于未固結超細粉砂儲集層，充填型防砂工藝（包括常規(guī)管內/管外礫石充填防砂和陶粒/石英砂預充填防砂篩管防砂等）是此類儲集層最有效的防砂工藝之一[10-11]。防砂充填層既是擋砂屏障又是地層流體的入井通道，較大的礫石尺寸有利于盡可能降低防砂附加表皮，釋放水合物儲集層產能，但同時可能導致地層砂大量產出，造成砂埋、地層虧空加劇等工程風險；較小的礫石尺寸雖然擋砂效果好，但極易發(fā)生細質或泥質顆粒堵塞，對水合物井的產能產生嚴重影響。因此，防砂充填層礫石尺寸的設計應該從防止擋砂層堵塞和適度阻擋地層砂兩方面考慮。

目前，針對常規(guī)油氣井的充填型防砂礫石尺寸設計主要有以下兩種基本思路：①完全擋砂，要求井口產出液中固相含量小于0.3‰；②適度防砂，要求井口產出液中固相含量小于0.5‰[12]。然而，對于黏土質粉砂型水合物儲集層而言，僅泥質含量就高達30%以上，而泥質、細顆粒是造成防砂充填層堵塞的主要堵塞物[13-14]，因此設計防砂充填層礫石尺寸時必須首先保證這部分堵塞物能夠順利排出擋砂層。由于堵塞物含量較大，產出液中的固相含量勢必遠超過針對常規(guī)油氣井規(guī)定的固相含量上限。因此，以上兩種設計思路均不適用于黏土質粉砂型水合物儲集層。

本文提出針對黏土質粉砂型水合物儲集層的防砂充填層礫石尺寸設計方法，以中國南海神狐海域X站位為例說明該設計方法的具體實現步驟，并針對X站位提出防砂充填層礫石尺寸設計建議。

1 防砂充填層礫石尺寸設計方法

考慮水合物儲集層特性，水合物生產井防砂充填層礫石尺寸設計的目標是：既保證地層堵塞物順利排出，又防止地層大顆粒大面積產出。為此，本文提出“防粗疏細”的礫石尺寸設計思路，即：使地層砂細組分完全通過防砂充填層從而防止堵塞，同時保證地層砂粗組分被擋在防砂充填層外圍，從而既疏通近井地層、保證產能，又防止地層大量出砂造成垮塌。

“防粗疏細”式防砂充填層礫石尺寸設計的具體步驟是：①獲取原始地層砂粒徑分布特征參數，分析地層砂均勻性和分選性，初步設定充填層礫石尺寸設計要求；②利用原始地層砂粒徑分布曲線，經過一定的數學轉化，將地層砂劃分為細組分和粗組分兩種組分，并找到細組分與粗組分的分界點粒徑值，粗組分、細組分分界點粒徑值即為細組分最大粒徑值，根據該粒徑值確定使防砂充填層不發(fā)生細組分堵塞的最小礫石尺寸；③從原始地層砂粒徑分布曲線中去除細組分，重新繪制粗組分粒徑分布曲線，并分析地層砂粗組分的粒徑分布特性；④基于完全擋砂思路的防砂充填層擋砂精度設計模型，計算完全阻擋粗組分所需的礫石尺寸范圍；⑤求解疏通細組分所需的防砂充填層礫石尺寸范圍與阻擋粗組分所需的防砂充填層礫石尺寸范圍的交集，確定對應層位的最佳礫石尺寸。

該設計方法還需要考慮分層防砂、泥質含量等因素的影響，其設計結果也需要與現有工業(yè)礫石尺寸進行匹配，才能滿足施工要求。

2 原始地層砂特性分析

生產層位地層砂粒徑分布規(guī)律是防砂充填層礫石尺寸設計的基礎。中國南海神狐海域水合物儲集層具有埋藏淺、滲透率低、膠結程度差、泥質含量高等基本特性。圖1為神狐海域X站位儲集層粒徑分布范圍，可見中值粒徑在 6.0～15.9 μm。儲集層泥質含量在25%～36%，其中蒙脫石相對含量約為38%，伊利石相對含量約為 32%，屬黏土質粉砂[15]。根據實際工程地質資料，X站位地層砂粒徑隨著深度的增大而逐漸增大。圖1中粒徑分布范圍的左邊界代表X站位下部儲集層的典型地層砂粒徑分布曲線，右邊界代表X站位上部儲集層的典型地層砂粒徑分布曲線，X站位儲集層整體粒徑分布曲線介于兩者之間。

圖1 X站位水合物儲集層地層砂粒徑分布范圍

防砂充填層礫石尺寸設計除了需要考慮地層砂中值粒徑的影響，還需要考慮地層砂分選系數、均勻系數等參數的影響[16]。典型的地層砂分選系數計算公式有沉積學公式（見（1）式）、Berg公式（見（2）式）等[17]。

基于（1）式、（2）式的地層砂分選性評價標準為：F≤0.5，分選性良好；0.5＜F≤1.0，分選性中等；1.0＜F≤2.0，分選性差；F＞2.0，分選性極差[17]?；诔练e學公式和Berg公式計算的X站位地層砂分選系數分別為 1.85～2.30和 2.35～2.95?？傮w而言，Berg公式的計算結果略大于沉積學公式的計算結果，但綜合考慮兩者的計算結果可以認為，X站位地層砂分選性極差。地層砂分選性越差，防砂充填層擋砂越困難，所需的防砂充填層有效擋砂介質粒徑范圍越寬，防砂效果和抗堵塞效果都會變差。

地層砂均勻系數的計算公式[18]為：

基于（3）式的地層砂均勻性評價標準為：C≤5，均勻；5＜C≤8，不均勻；C＞8，極不均勻。X站位地層砂均勻系數計算結果為8.4～12.3，為極不均勻砂[18]。

因此，X站位水合物儲集層地層砂為分選性極差、不均勻性極強且泥質含量很高的黏土質粉砂。這給防砂充填層礫石尺寸的設計帶來了巨大挑戰(zhàn)。

3 地層砂粗、細組分特性分析

3.1 地層砂粗、細組分劃分

Markestad等[19]研究地層砂向井筒的侵入過程時發(fā)現，一個地層砂樣總能分成粗、細兩個組分。對于中國南海神狐海域的未固結黏土質粉砂儲集層，當水合物完全分解后，可以認為地層砂細組分和黏土礦物主要以游離狀態(tài)存留于粗組分所形成的孔隙中。在井底生產壓差條件下，水合物分解產生的氣、水將攜帶細組分向防砂充填層流動并侵入防砂充填層。為了兼顧產能和儲集層整體穩(wěn)定性，一方面要疏通細組分，降低近井地帶污染程度，促進水合物分解，提高流體抽取法開采井的產能；另一方面必須防止粗組分的產出，從而維持地層的基本構架，防止地層大面積虧空。地層砂粗組分、細組分劃分的基本方法如下。

①為了得到粗、細組分的分界點粒徑，需要按照顆粒數量而不是質量分數來進行粒徑分析。根據原始地層砂粒徑分布曲線，按照對應的粒徑及顆粒密度將質量分數換算成顆粒數量，換算公式[18]為：

②對顆粒數量N取常用對數，繪制d-lgN關系曲線。X站位上、下部儲集層地層砂典型d-lgN關系如圖2所示。

③得到d-lgN關系曲線后可以發(fā)現，隨著d的增大lgN逐漸減小且存在某個臨界點，該臨界點之前l(fā)gN隨著d的增大迅速減小，臨界點之后lgN隨著d的增大變化幅度較小。本文定義該臨界點所對應的粒徑即為地層砂粗、細組分的分界點粒徑。由圖2可知，X站位上、下部儲集層地層砂粗、細組分分界點粒徑分別為 5.3 μm 和 7.2 μm。

圖2 X站位地層砂粗、細組分劃分圖

3.2 地層砂粗組分特性分析

在對地層砂粗、細組分進行劃分后，需要重新對去除細組分的地層砂進行粒徑分布規(guī)律分析，找出地層砂粗組分的特征粒徑值，從而為礫石尺寸設計提供依據。

根據圖 2的地層砂粗、細組分劃分結果，從圖 1的上、下部儲集層地層砂粒徑分布曲線中分別去除粒徑小于5.3 μm和7.2 μm的細組分，然后重新繪制地層砂粗組分粒徑分布曲線（見圖3）。

圖3 X站位地層砂粗組分粒徑分布曲線

基于圖3計算得到X站位地層砂粗組分粒徑分布規(guī)律特征參數：中值粒徑為15.9～24.4 μm，利用沉積學公式和Berg公式計算的分選系數分別為0.9～1.2和1.1～1.5，均勻系數為1.98～2.98?？梢钥闯?，去除細組分后，X站位地層砂分選系數降低，表明地層砂分選性變好；均勻系數顯著降低，地層砂由極不均勻砂變?yōu)榫鶆蛏?。分選性良好的均勻砂與分選性極差的極不均勻砂相比防砂難度顯著降低，因此疏通地層細組分的礫石尺寸設計思路有利于延長防砂有效期和試采周期。

4 防砂充填層礫石尺寸設計

4.1 疏通細組分所需的最小礫石尺寸

Saucier等[20]通過驅替實驗系統(tǒng)地研究了驅替后礫石層、地層砂中值粒徑之比與礫石層滲透率的關系后發(fā)現：不考慮泥質含量影響的前提下，當礫石層、地層砂中值粒徑之比大于14時，地層砂可自由通過礫石層。因此，水合物儲集層流體產出過程中，為了盡可能防止細組分堵塞，最小礫石尺寸應為：

對于X站位上部儲集層：

對于X站位下部儲集層：

除了地層砂細組分，水合物儲集層中含有大量的蒙脫石等黏土礦物，這些泥質成分是影響擋砂介質堵塞程度的主要因素之一[21]。泥質含量越高，地層產出物對擋砂介質的堵塞速度及最終堵塞程度越大。馬帥等[22]通過實驗證明：隨著泥質含量的增大，相同中值粒徑、相同均勻系數的地層砂所需的最佳礫石尺寸增大，當泥質含量達到21.36%時，完全擋砂條件下的最佳礫石尺寸為不含泥質時最佳礫石尺寸的1.54倍。因此，本文提出礫石層擋砂精度損失率的概念，即泥質含量增大造成的防砂充填層礫石尺寸的增大程度，用Rm表示。

考慮泥質含量的影響，為了盡可能防止細組分及泥質堵塞，最小礫石尺寸應為：

因此，對于X站位上、下部儲集層，疏通細組分所需的最小礫石尺寸分別為118.7 μm和161.3 μm。

4.2 阻擋粗組分所需的礫石尺寸范圍

在滿足完全疏通細組分的前提下，可以按照常規(guī)防砂充填層礫石尺寸設計方法設計完全阻擋粗組分所需的礫石尺寸。

目前常用的防砂充填層礫石尺寸設計方法包括Karpoff法、Tausch & Corley法、Saucier法等。其中，Saucier法和Tausch & Corley法分別以地層砂d50、d10值作為防砂充填層礫石尺寸設計點，具體礫石尺寸范圍分別如（9）式、（10）式所示。

Karpoff法根據地層砂均勻系數和中值粒徑確定礫石尺寸范圍：

結合圖3及（9）—（11）式可得到阻擋地層砂粗組分所需的防砂充填層礫石尺寸范圍，如表1所示。

表1 阻擋地層砂粗組分所需的防砂充填層礫石尺寸范圍

4.3 X站位防砂充填層最佳礫石尺寸

水合物開采井防砂充填層礫石尺寸的設計應該同時滿足完全疏通細組分和阻擋粗組分的要求。因此，應該求解疏通細組分所需的防砂充填層礫石尺寸范圍與阻擋粗組分所需的防砂充填層礫石尺寸范圍的交集（見表2），以確定最佳礫石尺寸。若兩者的交集為空集，說明該礫石尺寸設計方法不適用于黏土質粉砂型水合物儲集層；反之，則兩者的交集即為防砂充填層最佳礫石尺寸。

表2 X站位防砂充填層礫石尺寸設計結果

由表2可知，Saucier法不適用于黏土質粉砂型水合物儲集層，基于Karpoff法的礫石尺寸設計結果偏保守，而基于Tausch & Corley法的設計結果則相對冒險。這就需要在防砂效果和產能要求之間尋求平衡。在井筒攜砂條件苛刻且沉砂口袋不足的情況下，可犧牲部分產能，選擇基于Karpoff法的設計結果；在井筒攜砂條件相對寬松且有液流注入管線防止砂沉的情況下，可選擇基于Tausch & Corley法的設計結果。需要注意的是，無論是Tausch & Corley法還是Karpoff法，都是基于礫石層完全阻擋地層砂粗組分這一假設的設計結果。理論上講，在井底能夠形成穩(wěn)定砂橋的條件下，基于Tausch & Corley法的設計結果即可以實現完全阻擋地層砂粗組分。因此，為了進一步釋放水合物儲集層產能，本文推薦以Tausch & Corley法的設計結果作為中國南海黏土質粉砂型水合物儲集層開采井防砂充填層礫石尺寸選擇的依據。則X站位上部儲集層防砂充填層最佳礫石尺寸為143～215 μm（約65～90目），下部儲集層防砂充填層最佳礫石尺寸為 240～360 μm（約 45～62目）。但是在海上平臺施工過程中，分層防砂難度大，施工程序復雜，無法嚴格按照上述設計結果進行防砂充填層設計。因此，為了兼顧上、下部儲集層，在滿足充填強度的情況下，推薦X站位防砂充填層礫石尺寸為215～360 μm，實際施工中可根據此設計值與工業(yè)礫石尺寸進行匹配。

需要特別強調的是，本文設計方法及設計結果適用于能夠保證充填強度并防止顆粒蠕動虧空的管內礫石充填防砂和預充填篩管防砂作業(yè)，對于管外礫石充填防砂作業(yè)，其防砂充填層礫石尺寸應在此基礎上降低1級。

5 結論

本文提出了針對水合物儲集層的“防粗疏細”式防砂充填層礫石尺寸設計方法。首先基于能夠疏通地層砂細組分的要求確定防砂充填層礫石尺寸的下限，然后求解完全阻擋地層砂粗組分所需的礫石尺寸范圍，兩者的交集即為流體抽取法水合物開采井的防砂充填層最佳礫石尺寸。此外，還考慮了分層防砂、泥質含量等因素的影響，并將設計結果與現有工業(yè)礫石尺寸進行匹配，以滿足施工要求。

采用本文方法對中國南海神狐海域X站位防砂充填層礫石尺寸進行了設計，設計結果為215～360 μm。

由于“防粗疏細”式防砂充填層礫石尺寸設計方法要求完全排除地層砂細組分，因此礫石尺寸設計必須與恰當的井筒補液、攜砂工作制度設計配合，達到氣、液、固三相流動的精細控制，才能有效延長試采周期。

符號注釋：

C——地層砂均勻系數，無因次；d——地層砂粒徑，m；d5，d10，d16，d40，d84，d90，d95——地層砂粒徑分布曲線上累計質量分數5%、10%、16%、40%、84%、90%和95%對應的粒徑，μm；d50——地層砂中值粒徑，μm；dfmax——地層砂細組分的最大粒徑，μm；Dcmax，Dcmin——阻擋粗組分所需的防砂充填層最大、最小礫石尺寸，μm；Dfmin——考慮泥質含量影響時疏通細組分所需的防砂充填層最小礫石尺寸，μm；Df′min——不考慮泥質含量影響前提下疏通細組分所需的防砂充填層最小礫石尺寸，μm；F——地層砂分選系數，無因次；M——篩析的地層砂樣總質量，kg；N——地層砂的顆粒數量；Rm——泥質含量增大造成的擋砂精度損失率，本文取160%；W——某一粒徑地層砂的質量分數，%；ρ——地層砂密度，kg/m3。

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Gravel sizing method for sand control packing in hydrate production test wells

LI Yanlong1,2, HU Gaowei1,2, LIU Changling1,2, WU Nengyou1,2, CHEN Qiang1,2, LIU Lele1,2, LI Chengfeng1,2
(1.Key Laboratory of Gas Hydrate,Ministry of Land and Resources,Qingdao Institute of Marine Geology,Qingdao266071,China;2.Laboratory for Marine Mineral Resources,Qingdao National Laboratory for Marine Science and Technology,Qingdao266071,China)

To deal with sand production problems during the process of producing natural gas from hydrate-bearing sediments (HBS)using reservoir-fluid extraction method, a new gravel sizing method for sand control packing named “Hold coarse while eliminate fine particle (HC & EF method)” was developed for the clayey hydrate-bearing formations. Site X, in Shenhu area, South China Sea was taken as an example to describe detailed gravel sizing procedure. On the basis of analyzing basic particle size distribution (PSD)characteristics of HBS at Site X, the formation sand was divided into two components, which are coarse component and fine component.The gravel sizes for retaining coarse component and eliminate fine component were calculated, respectively. Finally, intersection of these two gravel sizes was taken as the proper gravel size for Site X. The research results show that the formation at Site X is clayey sand with poor sorting and uniformity, proper gravel size for upper segment packing is 143-215 μm, while that for lower segment packing is 240-360 μm. In consideration of the difficulty of layered sand control operation on offshore platform, proper gravel packing size for Site X is recommended as 215-360 μm.

gas hydrate; production test; sand management; sand control gravel; South China Sea; Shenhu area

國家自然科學基金（41606078）；國家重點研發(fā)計劃深海專項（2017YFC0307600）；青島海洋科學與技術國家實驗室開放基金（QNLM2016ORP0203，QNLM2016ORP0207）

TE358.1

A

1000-0747(2017)06-0961-06

10.11698/PED.2017.06.14

李彥龍, 胡高偉, 劉昌嶺, 等. 天然氣水合物開采井防砂充填層礫石尺寸設計方法[J]. 石油勘探與開發(fā), 2017,44(6): 961-966.

LI Yanlong, HU Gaowei, LIU Changling, et al. Gravel sizing method for sand control packing in hydrate production test wells[J].Petroleum Exploration and Development, 2017, 44(6): 961-966.

李彥龍（1989-），男，甘肅定西人，碩士，中國地質調查局青島海洋地質研究所研究實習員，主要從事海域天然氣水合物開采相關的力學及出砂-防砂問題研究。地址：山東省青島市市南區(qū)福州南路 62號，青島海洋地質研究所，郵政編碼：266071。E-mail：liyanlongupc@163.com

聯系作者簡介：胡高偉（1982-），男，湖北仙桃人，博士，中國地質調查局青島海洋地質研究所副研究員，主要從事海域天然氣水合物地球物理與試采工程準備相關的研究。地址：山東省青島市市南區(qū)福州南路62號，青島海洋地質研究所，郵政編碼：266071。E-mail：hgw-623@163.com

2017-06-20

2017-08-31

（編輯 胡葦瑋）