青岛海洋所天然气水合物储层出砂预测数值模拟研究取得新进展

近日，自然资源部中国地质调查局青岛海洋地质研究所天然气水合物团队在水合物储层出砂预测研究方面取得了一项新进展。该研究将经典漏斗流中的自由沉降拱（Free-Fall Arch）理论应用于水合物开采井控砂介质内的砂侵动态模拟中，为水合物储层控砂介质时效性预测提供了新的手段。该成果发表在石油与天然气工程领域内国际顶级期刊SPE Journal（JCR Q1期刊，IF=3.602）。

自由沉降拱示意图及模型计算中的储层区域划分

天然气水合物开采出砂问题是当前水合物产业化急需突破的瓶颈之一，制定科学合理的出砂管控方案是实现水合物安全高效、长期可控开采的关键。现有水合物储层出砂机理的研究多将重心放在开发过程中的储层力学行为与损伤特征上，而对储层与控砂介质界面上的砂侵行为则鲜有关注，导致控砂介质内砂侵速率定量预测模型有所欠缺，数值模拟中的颗粒场边界条件无法确定。针对以上不足，本研究提出了基于自由沉降拱理论的水合物储层砾石充填层内砂侵速率定量预测新方法，充分考虑了储层-砾石层界面处颗粒流动特征与漏斗流的相似性，推导了曳力驱动下自由沉降拱内颗粒排出速率公式；结合散体颗粒临界启动模型与骨架砂液化模型，形成了适用于水合物储层颗粒堆积型控砂介质内砂侵速率预测的新方法。

充填砾石与地层砂粒径影响下水合物储层出砂区域动态渗透率演化

目前常用的储层出砂预测方法可大致分为基于连续介质假设和基于离散介质假设两种，前者多基于损伤理论开展，无法直接预测颗粒行为；后者所需计算资源量大，且其时空尺度无法与现场匹配。本文建立的模型可实现在不对泥砂颗粒进行离散化处理的前提下定量获取其侵入速率，大幅降低了出砂预测所需的计算资源。该模型可嵌入工程尺度水合物数值模拟器中，实现长周期开采条件下砂侵动态的高效预测。

入口处水合物堵塞对出砂特征的影响

该项研究工作由青岛海洋地质研究所完成，俄克拉荷马大学和中国石油大学（华东）的学者在研究和论文写作过程中提供了支持。该成果得到了国家自然科学基金（42076217, 41976074）、青岛海洋科学与技术试点国家实验室山东省专项经费（2021QNLM020002）、山东省泰山学者特聘专家项目（ts201712079）的共同资助。