粉砂质海洋天然气水合物砾石吞吐开采方法及开采装置与流程

本发明属于海洋天然气水合物高效开采领域，具体涉及一种粉砂质海洋天然气水合物砾石吞吐开采装置及开采方法。

背景技术：

天然气水合物广泛分布于高纬度陆地永久冻土带与大陆边缘海沉积物中，是一种重要的潜在能源，如何安全高效地对其进行开采利用已经成为当前国际上的研究热点。近年来，世界各国的研究重点已经由原来的水合物基础研究、水合物资源勘查逐步转入天然气水合物试采阶段。尤其是常规油气资源较为紧缺的国家，如日本，已经展开了大量的海域天然气水合物试开采研究并制定了中长期水合物开采产业化目标。从开采方法的角度，目前天然气水合物开采方法从机理上主要分为降压开采法、注热开采法、co2置换开采法和注化学剂开采法等，从2002年mallik5l-38水合物试采到2017年中国南海水合物试采，上述开采方法均已进行了部分或全部现场试验验证。

历次试采实践均表明，降压开采法是最具有应用前景的天然气水合物开采方法。然而，无论是我国首次海域天然气水合物试采，还是国外历次水合物试采，均处于科学实验阶段，离产业化开采还有很多关键技术需要解决。降压法在开采海域天然气水合物过程中仍然面临着地层失稳、大面积出砂导致的长期开采提产难度大等关键问题。尤其是对我国海域大面积分布的粉砂质水合物储层而言，在常规降压法基础上改良的流体抽取法取得了短期试采的（60天）成功。但是由于该类储层沉积物粒径小、粘土含量高，属于极弱固结的低渗或超低渗储层，开采过程中如果按照常规油气储层防砂的思路进行严防死堵，则必然会对生产井产能产生严重影响；反之，稍微放大井筒挡砂精度，则近井地层的细颗粒或泥质颗粒会很容易流入井筒，久而久之，必然会导致近井地层的亏空。由于地层细组分产出造成的亏空与由于水合物分解造成的亏空叠加，将会使储层面临严重的稳定性问题，因此，从降压法开采粉砂质储层水合物的需求而言，需要对降压法进行进一步的改进和优化——降压开采中需要向储层中注入其他物质，从而解决上述问题。

co2置换开采法为维持天然气水合物储层稳定性提供了思路，但是由于该方法在置换过程中会形成co2水合物，降低近井地层渗透率，导致后期持续开采困难。该方法在大粒径砂质储层（美国igniksikumi-2012试采）中尚且面临严重的开采效率问题，对粉砂质储层而言，其应用效果可想而知。因此，虽然co2置换法能为水合物长期开采提供一定的借鉴思路，但是以水合物置换水合物的做法，在粉砂质水合物长期开采过程中显然是不可用的。如果能找到一种用其他高渗透物质置换水合物（同时置换近井泥质或细粉砂），则会对水合物的长期开采产生革命性的影响。

如果将上述co2换成热蒸汽注入，则co2置换法即为通常意义上的注热法开采。该方法虽然有助于维持地层压力，从一定程度上减缓地层失稳，但是也无法从根本上解决地层失稳问题，而且已经被mallik2l-38水合物试采证明其对海洋天然气水合物的开采适用性非常有限。常规稠油油藏开发过程中常用蒸汽吞吐来实现单井提产，目前已经有了非常成熟的应用，但对海洋天然气水合物储层而言，蒸汽吞吐的效率问题和对储层稳定性的改善程度却不容乐观。因此，从实际需求上讲，水合物开采需要“吞吐”，但“吞吐”的物质一定不是蒸汽，而是一种即能促进水合物分解，又能填充地层亏空的物质。

2013年日本首次海洋天然气水合物试采工程采用裸眼管外砾石充填防砂工艺，取得了6天12万方天然气的效果，极大地鼓舞了全球海洋天然气水合物研究的信心。管外充填砾石层在生产初期起到了非常好的提高产能和防砂双重作用，但随着试采终止，“裸眼管外砾石充填”防砂完井工艺则被扣上了不适合海洋天然气水合物开采井的“冤枉帽子”：因为水合物分解过程中，管外地层空间逐渐变大，砾石充填层发生蠕动和亏空，导致产出流体直接冲击筛网，很快产生冲蚀破坏，导致防砂有效期急剧下降（6d），水合物试开采被迫终止。

综上所述，目前的天然气水合物开采方法与现场实际需求之间还存在如下关键问题需要解决：

1.降压法无法解决水合物长期开采条件下的地层亏空问题，常规防砂作业面临着因为地层亏空造成的防砂失效的挑战；

2.长期稳定的水合物生产迫切需要对地层亏空量进行及时的填充或置换，但是co2置换法只能解决水合物产出造成的亏空却无法解决由于地层泥砂产出造成的亏空，而且还会对天然气水合物的进一步生产产生影响；

3.蒸汽吞吐法在常规稠油储层的开采中已经有了非常广阔的应用，但是蒸汽吞吐法吞吐的“蒸汽”只能促进水合物分解，无法填补地层亏空；

4.一次性裸眼砾石充填防砂完井作业虽然能在短期内起到良好的作用，但由于没有后续物源补给，造成防砂有效期短，不足以满足海洋天然气水合物长期开采的需求。

因此，亟待提出一种新型的、能够防止地层大面积亏空的开发方法，配合目前常用的降压法，从根本上解决目前海域天然气水合物试采过程中遇到的地层严重出砂、地层失稳等工程地质灾害，对于延长天然气水合物的开采生命周期至关重要，也有助于有效推进我国的海域天然气水合物产业化进程。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于针对我国大面积分布的粘土质粉砂海洋天然气水合物降压或流体抽取法开采过程中，所面临的提高产能、防砂措施和地层失稳之间的矛盾，基于出砂管理理念，提出一种粉砂质海洋天然气水合物砾石吞吐开采装置及开采方法。

本发明是采用以下的技术方案实现的：粉砂质海洋天然气水合物砾石吞吐开采方法，包括以下步骤：

（1）钻井至目标层位，对水合物储层进行裸眼筛管完井；

（2）安装并下入井筒管柱组合；

（3）进行筛管外砾石循环充填，观察充填压力变化，并及停止充填；

（4）不起出原有管柱组合，调整阀门流程，开井生产，并实时观察地层出砂情况及井底生产压差变化；

步骤（3）和步骤（4）根据时间节点及时切换、交替进行，使注入的砾石不断填充置换地层亏空，维持海洋粉砂质天然气水合物的长效生产。

进一步的，所述步骤（1）通过以下方式实现：打开水合物储层，利用生产套管封固水合物储层上覆地层，下入机械筛管，对水合物储层进行裸眼下独立筛管完井，打人工井底；机械筛管与其上部生产套管之间预留砾石充填工具安装接口。

进一步的，所述步骤（2）中，管柱组合的安装方式为：下入砾石充填工具、生产油管和充填管柱，生产油管和充填管柱位于生产套管内，且充填管柱分别与生产油管和砾石充填工具连通，砾石充填工具位于水合物储层的顶界，且在生产油管的入口端安装有控制阀及气体分离器，砾石充填工具与生产油管的连通处还设置有单向控制阀，砾石充填工具上还设置有充填转换阀。

进一步的，步骤（3）砾石充填过程中，关闭砾石充填工具下侧的单向控制阀，打开砂砾充填转换阀，关闭生产油管下端的控制阀，通过充填管柱和砾石充填工具形成的通道向机械筛管外部注入砂砾，形成砂砾充填层，砂砾注入过程中携砂液透过机械筛管，由井筒环空上返至平台井口，井筒环空为生产油管和充填管柱的外壁与生成套管的内壁形成的环空；观察砂砾注入过程中的砂浆注入泵出口压力变化，当砂砾注入压力由p0逐渐增大到p1，停止砂砾注入，转入下一个生产阶段，所述p0为砂砾注入启动压力，p1为砂砾注入最大压力。

进一步的，步骤（3）向步骤（4）转换的过程中：打开砾石充填工具下侧的单向控制阀，关闭砂砾充填转换阀，打开生产油管下端的控制阀，启动举升泵抽取地层流体，开始降压生产；

步骤（4）过程中从水合物储层产出的气液固三相，流入井筒后，经过气体分离器的分离，液固两相通过生产油管流至井口，气体则通过井筒环空产出；

步骤（4）实施过程中，实时监测井口含砂浓度参数、井底流动压力变化情况，若出现含砂浓度突然增大或者井底流动压差的突然增大，则停止进一步降压生产，转入步骤（3）。

进一步的，步骤（4）过程中，还包括由充填管柱不断向生产油管内部注入水或含有水合物抑制剂的液体的过程，保证地层产出细砂能全部携带至井口的同时防止水合物二次生成。

进一步的，由步骤（4）水合物降压生产过程转步骤（3）砂砾注入的时间节点根据井筒出砂异常进行判断，或者在没有人为调压情况下井底生产压差的突变进行判断；由步骤（3）砂砾注入转步骤（4）水合物降压生产的时间节点是砂砾注入压力迅速抬升，无法继续注入；其中，井筒出砂异常的判断依据包括平稳生产条件下井底压力波动、举升泵砂磨升温和井口监测砂浓度增大现象出现。

进一步的，所述步骤（3）中充填所用的砂砾粒径大于在同样开采环境下采用saucier法设计结果的1级-2级。

进一步的，所述步骤（3）中充填所用的砂砾粒径大于在相同地层条件下采用saucier法设计结果的1级-2级；步骤（1）中机械筛管的挡砂精度大于在相同地层条件下所采用的常规油气井裸眼砾石充填所用机械筛管精度的2级-3级。

本发明另外还提出一种粉砂质海洋天然气水合物砾石吞吐开采装置，包括生产套管，设置在生产套管内的生产油管和充填管柱，生产油管内还设置有举升管柱，举升管柱与举升泵相连，生产油管和充填管柱的外壁与生产套管的内壁之间形成的空隙为井筒环空；

所述生产套管下端连接有机械筛管，且在生产套管和机械筛管之间还设置有砾石充填工具，生产套管下入至水合物储层的上方位置处，且砾石充填工具位于水合物储层的顶界，而机械筛管位于其下方水合物储层段，砾石充填工具可以在不起出的情况下对井筒进行降压生产，另外在生产油管的下端还设置有气体分离器及控制阀；

所述充填管柱的出口端分别与砾石充填工具及生产油管连通，砾石充填工具与生产油管的连通处设置有单向控制阀，砾石充填工具上还设置有充填转换阀，且充填管柱在砾石充填工具的下方与生产油管连通，充填管柱在注入砾石时单独向生产套管管外地层充填混砂砂浆，而在生产阶段可以向生产油管补水，用于井筒携砂。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：

（1）本发明方案通过固相（大直径砂砾）吞吐来置换固相（泥质、砂质细颗粒及水合物），并采用适当放宽机械筛管挡砂精度、选择合适的填充砾石等操作，帮助水合物分解过程中及时排出近井地层的泥质或细颗粒，防止井筒堵塞，有效克服海洋粉砂质水合物储层泥质含量高、渗透率低、胶结疏通不适合压裂改造等不足，并有效提高井筒及近井地层的压力传递效率，为水合物降压/流体抽取生产井提产保驾护航；

（2）采用间歇性停止降压/流体抽取生产并向管外地层中挤注砂砾，及时补充地层亏空量，有效延长防砂有效期和降压开采周期，有效解决了因为长期的水合物开采导致的地层亏空和地层失稳问题、延长降压/流体抽取开采周期，并为水合物的产业化开采提供依据；

（3）本方案适合于高泥质、粉砂质等不适合进行完全防砂和储层改造的海洋天然气水合物储层，适合于孔隙充填型储层或具有薄块状水合物夹层的天然气水合物储层，解决了海洋天然气水合物co2置换开采的低效率、注热开采维持储层稳定难的问题和先期管外砾石充填防砂作业有效期短的问题，解决了我国海域天然气水合物开采产能提高难和储层失稳风险大的难题，促进水合物商业化开采技术的发展。

附图说明

图1为本发明实施例中砾石吞吐开采装置砂砾注入示意图；

图2为本发明实施例中砾石吞吐开采装置地层产出物流出示意图；

图3为本发明实施例中砾石吞吐开采周期进度示意图；

其中，1—生产套管；2—生产油管；3—充填管柱；4—砾石充填工具；5—单向控制阀；6—机械筛管；7—砂砾充填层；8—水合物储层；9—水合物储层上覆地层；10—气体分离器；11—控制阀；12—砂砾充填转换阀；13-井筒环空；p0—砂砾注入启动压力；p1—砂砾注入最大压力。

具体实施方式

为了能够更加清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

本发明提出一种粉砂质海洋天然气水合物砾石吞吐开采新思路，通过向开采地层中注入一定粒径的砂砾，实现地层对砂砾的“吞”，不断填补由于水合物分解和地层泥质产出造成的地层亏空空间；应用海洋天然气水合物出砂管理技术，适当放宽机械筛管的缝宽尺寸及吞入砂砾的粒径，使近井地层的泥质及细颗粒按照一定的比例排出地层，实现地层细组分的“吐”，通过上述物质交换，实现地层细组分与粗粒径砂砾的吞吐置换，有效填补地层亏空防止地层失稳的同时提高近井渗透率，促进水合物的有效分解，为我国海域粉砂质水合物开采提供新思路，具体的通过以下方案实现：

实施例1，粉砂质海洋天然气水合物砾石吞吐开采方法，参考图1和图2所述结构原理，包括以下步骤：

（1）钻井至目标层位，对水合物储层进行裸眼筛管完井；

（2）安装并下入井筒管柱组合；

（3）进行筛管外砾石循环充填，观察充填压力变化，并及停止充填；

（4）不起出原有管柱组合，调整阀门流程，开井生产，并实时观察地层出砂情况及井底生产压差变化；

步骤（3）和步骤（4）根据时间节点及时切换、交替进行，使注入的砾石不断填充置换地层亏空，维持海洋粉砂质天然气水合物的长效生产。

具体的，步骤（1）中，按照常规海洋浅部地层钻井作业措施，打开水合物储层8，利用生产套管1封固水合物储层上覆地层9，下入机械筛管6，对水合物储层8进行裸眼下独立筛管完井，打人工井底；机械筛管6与其上部生产套管1之间预留砾石充填工具4安装接口。步骤（2）中，管柱组合的安装方式为下入砾石充填工具4、生产油管2和充填管柱3，生产油管2和充填管柱3位于生产套管1内，且充填管柱3分别与生产油管2和砾石充填工具4连通，砾石充填工具4位于水合物储层8的顶界，且在生产油管2的入口端安装有控制阀11及气体分离器10，砾石充填工具4与生产油管2的连通处还设置有单向控制阀5，砾石充填工具4上还设置有砂砾充填转换阀12。

步骤（3）砾石充填过程中，关闭砾石充填工具4下侧的单向控制阀5，打开砂砾充填转换阀12，关闭生产油管2下端的控制阀11，利用留在井底的砾石充填工具4，通过充填管柱3和砾石充填工具4形成的通道向机械筛管6外部注入砂砾，形成砂砾充填层7，砂砾注入过程中携砂液透过机械筛管6，由井筒环空13上返至平台井口，井筒环空为生产油管和充填管柱的外壁与生成套管的内壁形成的环空；观察砂砾注入过程中的注入压力变化，如图3所示的砂砾吞吐开采周期进度示意图，当砂砾注入压力由p0逐渐增大到p1，停止砂砾注入，即观察到压力明显增大时，转入下一个生产阶段，所述p0为砂砾注入启动压力，p1为砂砾注入最大压力，砂砾注入最大压力p1根据地层破裂压力梯度确定，为保证吞吐生产中不产生地层裂隙或压穿海底泥面，需保证p1小于等于地层破裂压力或上覆海底泥面压穿压力。

步骤（3）向步骤（4）转换的过程中，打开砾石充填工具4下侧的单向控制阀5，关闭砂砾充填转换阀12，打开生产油管2下端的控制阀11，启动位于生产油管内的举升系统抽取地层流体，开始降压生产，控制井底流压，在较低生产压差条件下进行天然气水合物降压法或流体抽取法开采，并根据实际情况缓慢提高生产压差；步骤（4）过程中从水合物储层8产出的气液固三相，流入井筒后，经过气体分离器10的分离，液固两相通过生产油管2流至井口，气体则通过井筒环空13产出；步骤（4）实施过程中，观察井底人工举升系统的工作状况和井口产砂情况，实时监测井口含砂浓度参数、井底流动压力变化情况，当井口或井底出现出砂异常，如果出现含砂浓度突然增大或者井底流动压差的突然增大，则马上停止进一步降压生产，转入步骤（3），通过往复循环，使注入砂砾不断填充置换地层亏空，维持海洋粉砂质天然气水合物的长效生产。

为了实现提高粉砂质储层产能、防止地层大面积亏空、延长井筒防砂有效期的三重目标，本实施例中，砾石充填工具4在井底的位置在水合物储层段8的顶界，且在不起出砾石充填工具的情况下对井筒进行降压生产；在步骤（4）过程中，还包括由充填管柱不断向生产油管内部注入水或含有水合物抑制剂的液体的过程，保证地层产出细砂能全部携带至井口的同时防止水合物二次生成，实际情况下，充填管柱3在注入砂砾时单独向管外地层充填混砂砂浆，在生产阶段可以向生产油管2补水，用于井筒携砂。

另外，由步骤（4）水合物降压生产过程转步骤（3）砂砾注入的时间节点根据井筒出砂异常进行判断，或者在没有人为调压情况下井底生产压差的突变进行判断；由步骤（3）中砂砾注入转步骤（4）水合物降压生产的时间节点是砂砾注入压力迅速抬升，无法继续注入，而井筒出砂异常的判断依据包括平稳生产条件下井底压力波动、举升泵砂磨升温、井口监测砂浓度增大等现象进行判断，具体生产过程中根据实际举升系统的选择而决定。

更重要的是，所述步骤（3）中充填所用的砂砾粒径大于在相同地层条件下采用saucier法设计结果的1级-2级；步骤（1）中机械筛管的挡砂精度大于相同地层条件下所采用的常规油气井裸眼砾石充填所用机械筛管精度的2级-3级，有助于在水合物分解过程中及时排出近井地层的泥质或细颗粒，防止井筒堵塞，有效提高水合物井筒的压力传递效率和水合物的分解效率，且在砂砾注入过程中使用的砂粒粒径，与完井阶段裸眼充填所使用的砂粒粒径一致。

由于水合物长期开采过程中，随着地层水合物的不断分解和部分泥质、细颗粒的产出，地层总会发生一定程度的亏空，前期充填的砂砾会发生一定的蠕动，采用间歇性停止降压/流体抽取生产并向管外地层中挤注砂砾，将有效填充这部分亏空，防止地层的大面积亏空；如果不及时补充地层的亏空，前期充填砂砾将发生蠕动下沉，导致井底防砂筛管直接面对地层产出流体的正面冲蚀，会降低防砂作业有效期，基于本方案及时补充地层亏空量，则将有效延长防砂有效期。

经过多轮次的水合物降压/流体抽取开采-砂砾挤注过程，实现近井泥质和细粉砂与大粒径砂砾的物质交换，使近井附加压降明显减小，与砂砾粒径设计及机械筛管的挡砂精度设计产生协同效应，共同促进水合物的进一步分解，提高粉砂质水合物储层产能；而且，选择裸眼充填防砂完井作业，方便后期向井筒管外注入砂砾时，能有顺利的砂浆流动通道，保证砂浆间歇性顺利挤注到管外地层；砾石充填工具设置在水合物储层顶界，因为在水合物生产过程中，前期注入的砾石层将发生蠕动、下沉，地层亏空空间主要在水合物储层上部，因此这种设计有助于在后期间歇性进行砂砾注入，保证砂砾吞吐开采进程的顺利进行；

充填管柱同时作为后期砂砾吞吐管柱和水合物降压/流体抽取开采过程中的井筒补水管柱，通过三通设计实现井筒补水与砂浆注入的切换，简化井筒管柱设计。同时，水合物降压/流体抽取过程中产出到井筒的部分泥质和细组分能够通过补水管线补水的帮助下，顺利携带至井口，防止井筒砂堵。同时该管线还可以作为水合物抑制剂注入管线，保证井筒流动安全，同时保证砂砾吞吐过程的持续推进。

实施例2，本实施例公开一种粉砂质海洋天然气水合物砾石吞吐开采装置，参考图1和图2，包括生产套管1，设置在生产套管1内的生产油管2和充填管柱3，生产油管2内还设置有举升管柱（未示意），举升管柱与举升泵相连，生产油管2和充填管柱3的外壁与生产套管1的内壁之间形成的空隙为井筒环空13；所述生产套管1下端连接有机械筛管6，且在生产套管1和机械筛管6之间还设置有砾石充填工具4，生产套管1下入至水合物储层8的上方位置处，且砾石充填工具4位于水合物储层8的顶界，而机械筛管6位于其下方水合物储层段，砾石充填工具4可以在不起出的情况下对井筒进行降压生产，另外在生产油管的下端还设置有气体分离器10及控制阀11.

所述充填管柱3的出口端分别与砾石充填工具4及生产油管2连通，砾石充填工具4与生产油管2的连通处设置有单向控制阀5，砾石充填工具4上还设置有砂砾充填转换阀12，且充填管柱3在砾石充填工具4的下方与生产油管2连通，充填管柱3在注入砾石（砂砾）时单独向生产套管2管外地层充填混砂砂浆，而在生产阶段可以向生产油管补水，用于井筒携砂。

通过上述开采装置的设计，在水合物开采过程中允许地层细颗粒和泥质产出到井筒，并通过充填管柱有效的井筒补水携带至井口；用大颗粒的砂砾填补由于地层细颗粒和泥质产出造成的亏空，实现提高粉砂质储层产能、防止地层大面积亏空、延长井筒防砂有效期的“一箭三雕”效果，为我国海域粉砂质水合物开采提供新思路，并促进了水合物商业化开采技术的发展。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。