天然气水合物试采井防砂与控制技术研究

报告编号：OGD-A-013｜报告级别：A 级深度技术研究报告

出品单位：经纬智汇信息咨询有限公司（北京）

完成日期：2026 年 7 月｜密级：内部参考

摘要

天然气水合物（俗称"可燃冰"）被视为常规油气的战略接替资源，其规模化开采是全球能源领域的前沿命题。然而，纵观全球七个国家、十余轮陆域与海域试采实践，"出砂"始终是横亘在连续稳产与商业化之间的首要工程障碍。本报告以防砂与出砂控制技术为主线，系统梳理了自 20 世纪 70 年代苏联麦索雅哈气田至 2020 年中国南海神狐第二次试采的完整技术演进脉络，深入剖析了水合物分解诱发出砂的物理力学机理，对比研判了砂质储层与泥质粉砂储层两类截然不同的防砂技术路线，评估了各国及主要油服企业的竞争格局与专利态势，并对前沿突破方向进行了前瞻。

研究表明：其一，出砂是决定水合物能否连续稳产的"生死线"，无防砂或防砂失效即意味着停产，日本 2013 年南海海槽试采第 6 天因剧烈出砂被迫封井、加拿大 2007 年 Mallik 试采实际产气仅约 12.5 小时即为明证。其二，储层类型决定防砂难度分级——砂质储层可移植常规油气防砂技术，而以中国南海神狐为代表的泥质粉砂储层（中值粒径仅约 6.9–12 μm、黏土含量 26%–30%）面临"防砂精度与产能、防砂与防堵"的世界性矛盾。其三，中国已在最难的泥质粉砂储层实现两次试采成功，2020 年水平井日均产气 2.87 万立方米、创世界纪录，形成了自主防砂技术体系与专利群，处于并跑偏领跑地位。其四，迄今没有任何一次试采实现商业化要求的长期连续稳产，长期防砂是全球共同的技术空白，也是最大的研发机会。

据此，本报告建议将"泥质粉砂储层长期连续稳产防砂技术"作为核心攻关方向，以"多级复合砾石充填+高精度筛管+储层改造协同+光纤实时监测"为主线迭代，并布局固态流化法作为规避出砂的差异化战略储备。报告在正文末尾给出了分三阶段的立项建议与四项关键决策阈值，以支撑立项、技术选型与研发投入决策。

一、研究背景与宏观格局

1.1 资源禀赋与战略地位

天然气水合物是甲烷等烃类气体分子与水分子在低温、高压环境下形成的类冰状笼型结晶化合物。其能量密度极高，标准状况下 1 立方米水合物可分解释放约 164 立方米天然气。全球已发现超过 230 处水合物矿点，广泛分布于海洋陆坡沉积层（水深通常不超过约 2000 米，赋存于海底以下 0 至 300 余米的浅表层）与陆域永久冻土带。其资源总量的各类估算虽存在数量级差异，但普遍被认为可与全球常规油气资源相当甚至更高，因而被主要能源大国列为战略接替能源。

对中国而言，水合物的战略意义尤为突出。中国南海蕴藏丰富的水合物资源，2017 年国务院正式批准将天然气水合物列为中国第 173 个矿种。在能源安全与"双碳"目标的双重驱动下，突破水合物安全高效开采的核心技术，对优化能源结构、保障能源自主具有重大意义。

1.2 出砂：贯穿全球试采史的核心矛盾

尽管资源前景广阔，水合物商业化开采的道路却异常艰难，而"出砂"是其中最具决定性的工程瓶颈。与常规油气藏不同，水合物本身在原位状态下充当沉积物骨架的"胶结剂"；一旦通过降压、加热等手段促使其分解，这一胶结作用随即消失，储层由准固态迅速退化为松散砂体，细颗粒（粉砂、黏土）在流体携带下大量涌入井筒，轻则堵塞流道、降低产能，重则冲蚀损坏井下工具、迫使停产弃井。

回溯全球试采史，可清晰识别出一条"出砂驱动技术迭代"的主线。下表汇总了全球主要水合物试采工程及其防砂/出砂情况，构成本报告分析的实证基础。

表 1　全球主要天然气水合物试采工程及防砂/出砂情况一览

*图 1　全球水合物试采工程时空分布与出砂结局图*

从表 1 可提炼出四条宏观规律。其一，早期陆域试采（Mallik、Ignik Sikumi）验证了降压法与置换法的可行性，但几乎无一例外地暴露出砂问题。其二，海洋试采的成败几乎完全取决于防砂——日本 2013 年的失败与 2017 年的改进形成了教科书式的对照。其三，中国在全球公认最难的泥质粉砂储层上实现两次成功，标志着防砂技术从"跟跑"进入"并跑领跑"。其四，至今没有任何一次试采实现商业化所需的长期（数月至数年）连续稳产，长期防砂仍是全球空白。这四条规律构成了本报告后续分析与决策建议的逻辑基点。

1.3 政策与产业驱动

从政策维度看，水合物开发已上升为多国国家战略。中国将其列入国家能源科技重大专项，"十三五""十四五"持续加大投入，明确提出推进水合物勘查开采产业化的路线图。日本经济产业省长期资助 MH21 研究联盟，尽管近年阶段性收缩，但其两轮海域试采积累的数据仍是全球宝贵财富。美国能源部（DOE）及国家能源技术实验室（NETL）持续资助基础研究与阿拉斯加长期试采计划。印度、韩国亦将水合物列为能源自主的重要方向。政策的持续加码，为防砂等关键技术的研发提供了稳定的需求牵引与资金保障。

二、微观机理：水合物储层出砂的物理力学本质

要设计有效的防砂方案，必须首先理解出砂机理。水合物储层出砂与常规疏松砂岩出砂存在本质区别——它是一个在多相相变环境下发生的动态过程，与渗流场、温度场、各相饱和度的时空演化密切耦合。理解这一机理，是所有防砂设计、出砂预测与调控技术的物理基础。

2.1 胶结丧失与储层弱化

在原位状态下，水合物以胶结型或孔隙充填型赋存于沉积物孔隙中，充当天然"胶结剂"，显著提高沉积物的黏聚强度。室内三轴试验表明，含水合物试样的黏聚强度随水合物饱和度增加呈近指数型增长；但当饱和度较高（超过约 80%）时，由于土颗粒之间的咬合作用不能充分发挥，内摩擦角反而有所降低。

降压开采促使水合物分解，这一"胶结剂"随之消失，储层骨架的承载能力骤降，由准固态迅速退化为松散砂体，细粒极易随流体产出。这是出砂的第一性来源，也是水合物防砂区别于常规砂岩防砂的根本所在——常规砂岩出砂是既有松散砂的运移，而水合物出砂是"胶结体动态解体"的过程，其严重程度随分解前缘的推进而持续演变。

2.2 有效应力变化与压实沉降

降压开采导致孔隙压力降低、有效应力增加。依据太沙基有效应力原理（总应力等于有效应力与孔隙水压力之和），孔隙压力下降直接抬升骨架有效应力。这一方面引起储层压实与沉降——相关研究指出降压开采过程中海底沉降的发生率可达约 20%——另一方面加剧颗粒间的剪切与破坏，进一步促进出砂。有效应力的变化路径，是连接"降压生产"与"储层力学失稳"的关键纽带。

2.3 储层液化与砂拱失稳

饱和的疏松粉细砂在孔隙压力升高、有效应力趋近于零时会发生液化——颗粒悬浮于水中、完全丧失抗剪强度。在井周，砂颗粒能否保持稳定，取决于"砂拱"结构的稳定性。基于计算流体力学-离散元（CFD-DEM）耦合模拟的研究揭示：砂拱由粗于平均粒径的颗粒构成，拱脚承受最大接触力；当井底流压降幅（即生产压差）超过临界值，或筛管缝宽与颗粒粒径之比过大时，砂拱失稳、砂粒涌入井筒。这正是工程上"临界出砂压差／临界流量"概念的物理本质，也是井底流压智能调控的理论依据。

2.4 二次水合物与冰的生成堵塞

水合物分解是强吸热过程（分解焓约 436.8 kJ/kg），局部温度骤降可能导致二次水合物或冰重新生成，堵塞渗流通道乃至防砂筛管。这一现象是水合物防砂区别于常规油气的独特难点：常规防砂只需应对固相颗粒，而水合物防砂还须应对"相变堵塞"。相关研究专门论证了水合物重生对防砂筛管的堵塞风险，指出在筛管附近的低温区尤易发生，这对防砂工具的抗堵设计提出了额外要求。

2.5 细粒运移与孔喉堵塞

孔隙水在水合物分解过程中发生"淡化"，加之黏土矿物（如蒙脱石、伊蒙混层）遇淡水膨胀，细粒被活化并随流体运移，堵塞孔喉与筛管，限制产能。印度 KG 盆地的研究明确指出：即使在以砂为主的储层中，细粒含量也高到足以在产气时被流体活化、堵塞孔喉。这一机理决定了防砂设计不能片面追求"完全挡砂"，否则细粒在筛管前富集将造成致命堵塞。

*图 2　水合物分解-出砂机理耦合示意图*

2.6 关键研判：泥质粉砂与砂质储层的出砂差异

储层类型差异是本报告的核心技术判断之一。据研究，中国南海神狐钻探区多个站位岩心粒度测试显示，粒径小于 63 μm 的颗粒占总量的 65% 以上，部分站位高达 70%；泥质粉砂储层黏土矿物含量约 26%–30%（以蒙脱石、伊利石为主），中值粒径仅约 12 μm，其中 W17 井岩心实测中值粒径低至 6.91 μm。相比之下，日本南海海槽为砂质浊积，粒径粗、分选好；印度 KG 盆地粒径从粗粉砂到砾；韩国 Ulleung 盆地目标层同为砂质浊积。

粒径差异带来根本性的防砂策略分歧。砂质储层可直接移植常规油气的砾石充填与筛管技术；而泥质粉砂储层若追求完全挡砂，筛管必被黏土糊堵而丧失产能，若放宽挡砂精度又将导致出砂严重——这就是本报告反复强调的"防砂精度与产能的世界性矛盾"。中国南海神狐储层可概括为"高黏土、高孔隙度、高含水、低渗透"的"三高一低"特征，防砂设计空间极窄，正因如此，中国在此类储层上的两次成功才更具技术含金量。