海域天然气水合物控砂开采新方法专利集群建设成效初显

近日，由自然资源部中国地质调查局青岛海洋地质研究所申报的专利技术“Silty Marine Natural Gas Hydrate Gravel Stimulation Mining Method and Mining Device”获得美国国家知识产权局授权，正式获得美国专利（No. US 10858914B2），标志着青岛海洋地质研究所在天然气水合物开采新方法研究领域取得新的进展。

图1 美国专利授权证书

天然气水合物能源开采是目前全球的竞争热点，安全高效开采技术与方法创新是实现海域天然气水合物产业化开采的必然需求。全球历次海域天然气水合物试采结果表明，采用传统降压法能够获得短期内试采成功，但降压法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，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，长期开采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和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。

基于上述降压法开采过程中的出砂管控难题和物质亏空补充难题，专利创新融合常规稠油蒸汽吞吐开采理念、天然气水合物CO2置换开采理念，以及团队在基础研究领域形成的“防粗疏细”控砂精度设计理论，提出了有限控砂开采、砾石回填亏空的开采新思路，通过设计特殊的井身结构和循环通路，在砾石充填控砂完井基础上依次开展有限控砂降压开采轮次和砾石回填轮次的更替，最终在生产井段形成高效密实填充的高渗透砾石层。一方面疏通近井堵塞物质，有效降低近井地层泥堵表皮；另一方面补充由于水合物分解产出和泥质产出导致的近井眼亏空，维持地层稳定。

图1 砾石吞吐置换开采泥质粉砂天然气水合物的基本原理示意图

该专利技术结合前期团队已经获得授权的国家发明专利技术(No.ZL201810940908.4)、日本专利(No. JP-6694594)，奠定了海域天然气水合物控砂开采方法的核心。围绕该核心技术，目前团队同时获得了相关附属专利技术（No.ZL201710941289.1；ZL201811514174.4），海域天然气水合物砾石吞吐置换开采技术知识产权集群效应初步显现，为海域天然气水合物产业化开采提供了潜在技术支撑。

据悉，青岛海洋地质研究所天然气水合物团队以储层出砂管控基础理论研究为依托，目前已经形成了以砾石吞吐置换开采和多分支井有限控砂开采为核心的两类新型控砂开采方法体系。其中后者以团队所获得的日本专利(JP6542995)和国家发明专利(ZL201611024784.7)为核心，目前已经形成相关附属专利技术7项，依托该技术获得了青岛海洋科学与技术试点国家实验室开放基金等研究课题，研发了系列基于该技术的室内基础研究装备，获得了对有限控砂多分支井开采机理、开采效果评价方面的新认识。控砂开采新方法的提出有效支撑和带动了团队基础研究进步和突破。