降压法开采水合物过程中储层动态出砂临界压差预测研究

Sanding is one of the crucial factors that restrict the long-term and safe gas production from marine gas hydrate, while sanding critical pressure drop is one of the vital parameters for sanding management. Due to lacking of prediction model and relevant experimental method, most researchers predict critical sanding pressure drop for gas hydrate sediment by borrowing statical prediction method, which was suitable for conventional oil and gas formations. That lead large deviation with the dynamic sanding changing process during gas production from marine gas hydrate. In this study, both experimental method and numerical modeling method will be used to research the sanding process of gas hydrate sediment while producing gas using depressurization method. The sanding critical pressure drop will be focused by dividing sanding process into two branch process, which consists of sand exfoliation from skeleton and transportation in porous media. Formation mechanical parameters dynamic changing trend with the decomposition of gas hydrate and unbonded sand transportation under gas-water mixture seepage flow conditions will be researched emphatically. Sanding mechanisms for marine hydrate sediment under depressurization producing condition will be explored. Finally, Critical sanding pressure drop for depressurizing production well will be provided by combining the above two branch process. These results will provide basic support for the decision of reasonable operation systems for gas production from gas hydrate sediment in the sea area.

出砂是制约海域天然气水合物有效开发的重要因素之一，而出砂临界压差是解决降压法开采水合物过程中出砂问题的关键参数。由于缺乏预测模型和实验手段，目前对水合物储层出砂临界压差的研究通常借鉴常规油气井出砂预测方法进行静态的初步预测，这与水合物降压法开采过程中出砂条件的动态演化过程存在较大偏差。本项目拟采用室内模拟试验与理论建模相结合的方法，以水合物降压法开采过程中储层砂粒剥落、运移产出全过程为主线，以储层出砂临界压差的动态演化规律为焦点，阐述降压开采过程中储层强度参数随水合物分解程度的动态演化规律，探讨水合物储层气液混合渗流过程中的砂粒运移规律，揭示储层出砂机理，最终建立水合物降压开采过程中储层动态出砂临界压差预测模型和方法。研究成果对我国海域水合物降压开采具有重要的理论和实际意义。

降压法是目前最具有应用前景的天然气水合物开采方法，但降压开采过程中水合物储层的出砂问题是制约水合物试采项目安全有效的关键因素之一。而首当其冲的问题就是出砂临界压降条件（即保证地层不出砂的最大压降幅度或最小井底流压）的预测。本青年基金基于海域天然气水合物降压开采条件和储层地应力特征，采用实验测试与数值建模相结合的方法，以水合物降压开采过程中储层砂粒的剥落、运移产出动态变化过程为主线，开展降压开采过程中海域水合物储层出砂临界压降条件研究。重点探讨水合物降压开采过程中储层力学参数的动态演化规律和储层出砂机理，建立降压开采过程中水合物储层动态出砂临界压降条件的预测模型和方法。基于此，本基金提出了降压法开采天然气水合物过程中微量破坏出砂和大量破坏出砂的基本概念，提出了南海水合物开采过程中的可能的出砂极限。从系统工程角度出发，提出了适用于泥质粉砂孔隙分散型天然气水合物储层开采的出砂管理体系，将节点系统分析方法应用于出砂管理体系，将水合物储层出砂体系分为储层泥砂产出、井底出砂控制和井筒携砂流动等三个子系统，三个子系统之间存在相互依赖、双向耦合，三者的协调运作是保障泥质粉砂型天然气水合物开采持续的关键。基于上述工作，针对我国南海首次水合物试采的具体应用分析表明：水合物系统内部储层出砂临界条件在纵向上具有非均质性，游离层微量出砂临界压降条件大于固相层，大量出砂临界压降条件则正好相反。由此，我们提出：控制压降速率是缓解出砂与产能矛盾的最佳途径。“小步慢跑”成为首次天然气水合物试采降压路径设计的最核心思想之一，为首次海域天然气水合物试采提供了支撑。