CN105781499B - 一种海洋天然气水合物降压开采的多级防砂方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种海洋天然气水合物降压开采的多级防砂方法，S1：采用低的生产压差进行降压开采，套管外近井地层的水合物首先分解被采出，同时排出该地层的泥质和粉砂质成分，只剩下粒径粗、分选系数好的均匀砂；S2：管外充填，将去泥质粗砂带挤压至砾石层外围，起到第一级挡砂屏障作用；管外充填带作为第二级挡砂屏障；S3：选用尺寸比管外充填层高一级的砾石进行管内充填，管内充填层起第三级挡砂屏障作用；内部防砂筛网是第四级挡砂屏障；S4：阶梯式逐级增大生产压差至设计值。本发明从根本上解决了海洋水合物层泥质含量多、压降幅度大造成的防砂难题，阶梯式增大生产压差解决了井底充填带“砂桥”形成困难的问题，提高水合物井产能。

Description

一种海洋天然气水合物降压开采的多级防砂方法
技术领域
本发明涉及海域天然气水合物资源开采技术领域，尤其涉及一种海洋天然气水合物降压开采的多级防砂方法。
背景技术
水合物资源具有资源量大、能源密度高、储层埋深浅的特点。因此，欧美、日本、印度、韩国及中国都进行了大量的基础研究并形成了一系列的水合物资源开采方法。目前形成的天然气水合物开发方式主要有热激法开采、减压开采、化学试剂注入开采、置换开采和固体开采。从现有的试采经验看，这些水合物开采方法面临着共同的难题：出砂给水合物的有效开发带来严重制约。加拿大Mallik5L-38项目(2002)分别应用热采法和降压法试采获得了成功，通过试采首次认识到水合物井开发过程中的出砂问题是制约其高效开采的关键因素。Mallik2L-38项目(2007)采用套管射孔完井，于2007年4月2日进行第一次试采作业，在仅30h的有效试采时间内，不计随产出水被注入到深部地层中的砂量，井筒沉砂量达2m3。出砂造成电潜泵堵塞，泵效降低，试采过程中不得不进行频繁的启停操作，试采作业最终被迫终止。为了防止砂堵，进一步延长有效试采周期，2008年2月下入防砂筛管。于2008年3月10日进行第二次试采作业，连续六天的时间里获得了比较稳定的产能。2013年，日本在南海海槽水合物试采AT1-MC项目是人类历史上首次在海域进行的水合物试开采工作，完钻用垂直井裸眼砾石充填防砂工艺完井。2013年3月12日下入电泵开始降压试采，井底流压从13.5MPa迅速下降到5MPa，随后监测产气动态，连续稳定的产气过程持续了近6d。累计产气11950m3标准体积，累计产水1162m3，综合气水比为100。2013年3月18日，井底压力迅速回升，产水量迅速抬升，地层砂大量产出。由于试采船不具备大量产出砂、液混合物的处理能力，井底压降已不足以使水合物进一步分解，且当日天气恶劣，因此为了保证船及人员安全，试采作业被迫终止。
综上所述，降压法是目前被认为最具潜力的水合物开采方法，而水合物井的防砂难题是制约天然气水合物降压法开采的关键因素。要实现水合物资源的高效开采，必须攻克出砂问题带来的困扰。与常规油气藏开发过程中的防砂问题相比，海域水合物井降压开采过程中的防砂面临更大的挑战，这种挑战主要表现在：
(1)从产能角度分析，井底流压越低，生产压差越大，越有利于水合物的分解，降压开采效果越好。与该需求完全矛盾的是：生产压差越大，必将导致地层出砂越严重。即使采用充填防砂技术，在较大的生产压差下，充填层会发生运移翻转，防砂有效期极短。日本AT1-MC项目防砂有效期仅为6d，足以凸显出生产压差矛盾给水合物降压开采造成的困境；
(2)海域水合物储层泥质含量高。我国南海海域前期钻探结果表明，该区域水合物储层平均泥质含量在15％～37％之间。如果采用传统充填防砂工艺，则极易造成泥质侵入近井挡砂层，产生很大的防砂表皮，严重制约水合物井的进一步降压生产；
(3)水合物分解过程中存在相变，地层的流动过程为气液固三相混合流动。在这种情况下，泥质对防砂介质的堵塞将进一步增大，产能严重下降。如果在追求水合物分解速度的单一需求下一味增大生产压差，将导致防砂介质的破裂，防砂失效；
(4)海域水合物储层通常埋深浅，地层砂不均匀系数大，分选差，因此充填层设计难度大，单一的砾石尺寸设计很难满足同时阻挡细质砂组分和中粗砂组分的需求，因此传统的防砂工艺设计方法很难满足水合物储层的设计需求，防砂效果差。
因此，针对以上问题，本发明将提供一套适用于海域水合物储层降压开采的防砂设计方法。该方法主要是为了解决海域水合物降压开采过程中面临的以下关键问题：
(1)从根本上解决泥质与粉砂质水合物储层容易发生防砂介质堵塞的问题，降低防砂表皮；
(2)有效解决防砂与大的生产压差之间的矛盾；
(3)延长水合物井防砂有效期；
(4)提高水合物井降压分解产能。
发明内容
本发明是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种海洋天然气水合物降压开采的多级防砂方法。
为了实现上述目的，本发明采用了如下步骤：
S1：采用低的生产压差进行降压开采，控制井底流压低于水合物相平衡压力0.5～2.5MPa，套管外近井地层水合物分解采出的同时排出地层的泥质成分和粉砂质成分，只剩下粒径粗、分选系数好的均匀粗砂；当井口动态出砂监测设备监测含砂浓度降低到0.3‰以下时，暂停降压生产；
S2：进行高速水充填防砂作业；高速水充填防砂可以在套管外的亏空区域及套管射孔炮眼中，形成管外挤压充填带，同时将去泥质粗砂带挤压至砾石层外围，起到第一级挡砂屏障作用，高速水充填砾石层起到第二级挡砂屏障的作用；
S3：选择尺寸比高速水充填带砾石层尺寸大一级的砾石进行管内循环充填，在筛套环空中形成管内循环充填带砾石层，起到第三级挡砂屏障的作用；套管内的防砂筛网是第四级挡砂屏障；
S4：恢复水合物井生产制度至S1阶段的压差水平，然后阶梯式逐级增大生产压差至设计值。
优选的，S1阶段的主要目的是排出近井地层的泥质与粉砂质成分，降低近井地层砂的不均匀系数，使近井地层砂粒粒径增大，形成地层粗砂带；
优选的，高速水充填带砾石尺寸的选择按照去除泥质成分的地层砂筛析数据确定，具体砾石尺寸的确定参考Saucier法、Karpoff法、DePriester方法和Schwartz方法中的一种方法或者取去泥质地层砂粒度中值的5～6倍。
优选的，高速水充填和管内循环充填采用一趟管柱完成，防砂筛网作为系统第四级挡砂屏障，同时承担支撑砾石层的作用；防砂筛网挡砂精度按照下式设计：
式中，W为设计的防砂筛网挡砂精度，单位为：mm；D50为筛套环空充填层砾石的粒度中值，单位为：mm。
优选的，去泥质与粉砂质地层粗砂带阻挡外围未分解区域的细质砂，管外高速水充填带砾石层阻挡去泥质与粉砂质地层粗砂和部分侵入的新分解地层砂，管内循环充填带砾石层阻挡高速水充填带砾石层及部分侵入地层砂，防砂筛网阻挡管内循环充填带砾石层和部分侵入的地层砂，并对砾石层起支撑作用。
优选的，采用阶梯式逐级增大生产压差的主要目的是：充填防砂过程中充填带流体由井孔流向地层，而第四生产阶段开始，渗流带流动方向反转，充填带砾石层在流体拖曳力作用下重新排布。如果一次性增大生产压差较大，则不利于稳定“砂桥”的形成，防砂有效期将大打折扣。
优选的，本发明促使井管附近可能发生堵塞的区域向地层深部推进，降低了泥质与粉砂质水合物储层发生防砂管堵塞的风险，由于地层深部发生堵塞的风险较小，造成的附加表皮系数较小，因此有利于提高降压开采水合物井的后期产能。
本发明能在降压开采水合物储层井底由外向内依次形成粗砂带、一级砾石层充填带、二级砾石层充填带、防砂筛管等四级挡砂屏障，本发明阶梯式增大生产压差解决了井底充填带“砂桥”形成困难的问题，从根本上解决了海域水合物层泥质含量多、压降幅度大造成的防砂难题，提高水合物井产能。
附图说明
图1为本发明防砂作业结束后的地层渗流区域示意图。
图中：1水合物未分解带、2去泥质粗砂带、3高速水充填带砾石层、4管内循环充填带砾石层、5防砂筛管、6套管、7套管射孔炮眼。
具体实施方式
本发明的具体实施主要包括以下步骤：
一种海洋天然气水合物降压开采的多级防砂方法，包括以下步骤：
S1：采用低的生产压差进行降压开采，通过在线粒度分析仪监测产出砂的粒径和含砂浓度，控制井底流压低于水合物相平衡压力0.5～2.5MPa，水合物分解采出的同时排出近井地带的泥质成分和粉砂质成分，套管6外近井地层只剩下粒径粗、分选系数好的均匀砂,形成去泥质粗砂带2；当井口动态出砂监测设备监测泥质含量降低到0.3‰以下时，暂停降压生产；
S2：进行高速水充填防砂作业，形成套管6外第一级砾石层3，作为第二级挡砂屏障；高速水充填防砂可以在套管6外的亏空区域及套管射孔炮眼7中，形成管外挤压充填带，同时将去泥质粗砂带2挤压至砾石层外围，起到第一级挡砂屏障作用；
S3：选择尺寸比高速水充填带砾石层3粒径大一级的砾石进行管内循环充填，在筛套环空中形成管内循环充填带砾石层4，筛套环空充填层作为整个系统的第三级挡砂屏障；
S4：恢复水合物井生产制度至第一生产阶段的压差水平，阶梯式逐级增大生产压差至设计值。
本发明中，一级砾石尺寸的选择按照去除泥质成分的地层砂筛析数据确定，具体的砾石尺寸确定方法可以参考Saucier法、Karpoff法、DePriester方法、Schwartz方法，简单起见，可直接取去泥质地层砂粒度中值的5～6倍。
本发明中，高速水充填和管内循环充填采用一趟管柱完成，防砂筛网5作为系统第四级挡砂屏障，同时承担支撑砾石层的作用；防砂筛网5挡砂精度按照下式设计：
式中，W为设计的防砂筛网挡砂精度，单位为：mm；D50为筛套环空充填层砾石的粒度中值，单位为：mm。
本发明中，地层粗砂带2阻挡由原始地层1中分解产出的地层泥质与粉砂质成分，高速水充填带砾石层3阻挡去泥质地层粗砂和部分侵入的新分解地层砂，管内循环充填带砾石层4阻挡高速水充填带砾石层3及部分侵入地层砂，筛管阻挡内循环充填带砾石层4和部分侵入的地层砂，并对砾石层起支撑作用，其主要作用原理为：根据压降漏斗基本原理，离井筒越近，压降幅度越大，即堵塞发生的位置距井轴越近，造成的表皮系数越大。上述防砂过程将地层的砂侵入带有效“外推”，这样即使有部分泥质侵入到挡砂带，由于其距井轴距离较远，造成的表皮仍然远低于常规防砂作业的表皮系数。
本发明中，采用阶梯式逐级增大生产压差的主要目的是：充填防砂过程中充填带流体由井孔流向地层，而第四生产阶段开始，渗流带流动方向反转，充填带砾石层在流体拖曳力作用下重新排布。如果一次性增大生产压差较大，则不利于稳定“砂桥”的形成，防砂有效期将大打折扣。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种海洋天然气水合物降压开采的多级防砂方法，其特征在于，包括以下实施步骤：
S1：采用低的生产压差进行降压开采，控制井底流压低于水合物相平衡压力0.5～2.5MPa，套管外近井地层水合物分解采出的同时排出地层的泥质成分和粉砂质成分，只剩下粒径粗、分选系数好的均匀粗砂；当井口动态出砂监测设备监测含砂浓度降低到0.3‰以下时，暂停降压生产；
S2：进行高速水充填防砂作业；高速水充填防砂可以在套管外的亏空区域及套管射孔炮眼中，形成管外挤压充填带，同时将去泥质粗砂带挤压至砾石层外围，起到第一级挡砂屏障作用，高速水充填砾石层起到第二级挡砂屏障的作用；
S3：选择尺寸比高速水充填带砾石层尺寸大一级的砾石进行管内循环充填，在筛套环空中形成管内循环充填带砾石层，起到第三级挡砂屏障的作用；套管内的防砂筛网是第四级挡砂屏障；
S4：恢复水合物井生产制度至S1阶段的压差水平，然后阶梯式逐级增大生产压差至设计值。
2.根据权利要求1所述的一种海洋天然气水合物降压开采的多级防砂方法，其特征在于，S2阶段使用的砾石尺寸的选择按照去除泥质成分的地层砂筛析数据确定，具体砾石尺寸的确定参考Saucier法、Karpoff法、DePriester方法和Schwartz方法中的一种方法或者取去泥质地层砂粒度中值的5～6倍。
3.根据权利要求1所述的一种海洋天然气水合物降压开采的多级防砂方法，其特征在于，高速水充填和管内循环充填采用一趟管柱完成，防砂筛网作为系统第四级挡砂屏障，同时承担支撑砾石层的作用；防砂筛网挡砂精度按照下式设计：
<mrow> <mi>W</mi> <mo>=</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mn>3</mn> </mfrac> <mo>~</mo> <mfrac> <mn>2</mn> <mn>3</mn> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <msub> <mi>D</mi> <mn>50</mn> </msub> </mrow>
式中，W为设计的防砂筛网挡砂精度，单位为：mm；D50为筛套环空充填层砾石的粒度中值，单位为：mm。
4.根据权利要求1所述的一种海洋天然气水合物降压开采的多级防砂方法，其特征在于，去泥质与粉砂质地层粗砂带阻挡外围未分解区域的细质砂，管外高速水充填带砾石层阻挡去泥质与粉砂质地层粗砂和部分侵入的新分解地层砂，管内循环充填带砾石层阻挡高速水充填带砾石层及部分侵入地层砂，防砂筛网阻挡管内循环充填带砾石层和部分侵入的地层砂，并对砾石层起支撑作用。
5.根据权利要求1所述的一种海洋天然气水合物降压开采的多级防砂方法，其特征在于，将井管附件可能发生堵塞的区域向地层深部推进，降低了泥质与粉砂质水合物储层发生防砂管堵塞的风险。
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东辛油田储层纵向出砂分布规律预测及应用研究;王锴等;《石油天然气学报（汉江石油学院学报）》;20130930;第35卷(第9期);124-130 *
热采井砾石充填防砂筛管外挤受力分析及应用;李彦龙等;《断块油气田》;20141130;第21卷(第6期);828-832 *

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