天然气水合物，又称可燃冰，是一种分布很广，储量巨大的清洁能源，对于其进行商业化开采是缓解当前世界能源紧张的有效途径之一。但是，在实现其高效安全的过程中存在许多制约因素，而出砂就是制约天然气水合物安全高效长期可控开采的重要因素之一。

出砂现象的诱因及其演化规律与水合物储层动态响应行为密切相关。据此，窦晓峰博士提出了一套研究水合物开采过程中储层动态响应与出砂行为的综合数值模拟方法，并以大尺寸开采出砂防砂模拟反应釜为研究对象，以水合物胶结模式为例，探究了实验尺度下水合物储层在不同开采压差条件下的储层物性、力学响应和流固体运移产出规律。

其文章《基于连续-离散介质耦合的水合物储层出砂数值模拟》发表在石油学报上，主要内容如下：

  （1）基于TOUGH+HYDRATE+FLAC3D+PFC3D的水合物储层出砂耦合分析

水合物储层降压开采诱发的出砂现象是水合物－热－流－固多场耦合作用的结果。因此，利用水合物－热－流耦合开采模拟软件TOUGH+HYDRATE与岩土体力学稳定分析软件FLAC3D进行耦合，先建立了实验尺度下热－流－固（THM）多场耦合水合物开采数值模型。在此基础上，将模拟获取的应力、流速和水合物饱和度等数据作为边界和初始条件传递给离散元模拟软件PFC3D进行耦合计算，进而分析出砂规律及预测出砂量。计算流程见图1。

图1  基于TOUGH+HYDRATE+FLAC3D+PFC3D的水合物储层出砂耦合分析流程

（2）基于实验反应釜建立对应的宏-细观模型：

图2 大尺寸水合物开采物理模拟实验系统组成示意图

图3 宏观连续介质模型

图4 细观出砂模型

（3）模拟结果：

1、水合物降压开采过程中，体系温度演化分为快速降温、持续低温和温度回升3个阶段。相同初始水合物饱和度情况下，开采压差越大，体系温降越明显，低温持续时间越短；2、水合物分解引起的气水产出和井周应力集中是水合物储层出砂的关键控制因素。气水携带与应力挤压在协同作用的同时也存在着竞争关系，二者在不同的阶段对出砂的控制程度不同。3、同一开采压差条件下，提高水流速会导致地层出砂量增加，并且出砂速率的增幅随水流速的增大而增大。因此，水合物储层增渗改造后更要注意初期防砂。而缩小防砂筛孔孔径能够延缓出砂起始时间，并且使得出砂量显著减少。

图5 温压演化

图6 不同开采压差条件下体系水合物饱和度演化情况(a) 11MPa (b) 10MPa (c) 9MPa

图7 不同开采压差条件下体系温度演化情况(a) 11MPa (b) 10MPa (c) 9MPa

图8 不同开采压差条件下水平方向有效主应力演化分布(a) 11MPa (b) 10MPa (c) 9MPa

图9 不同开采压差条件下垂直方向有效主应力演化分布(a) 11MPa (b) 10MPa (c) 9MPa

图10 不同开采压差条件下水平方向位移演化分布(a) 11MPa (b) 10MPa (c) 9MPa

图11 不同开采压差、流体流速、防砂筛孔孔径条件下的出砂模拟结果(a) 不同开采压差条件下的单孔出砂量对比(b) 不同开采压差条件下出砂速率变化曲线(c) 不同流速条件下的单孔出砂量对比(d) 不同防砂孔径条件下的单孔出砂量对比

图12 (a) 室内实验中防砂筛孔周围出现蚯蚓洞 (b) 细观出砂模拟中防砂筛孔局部储层颗粒间不存在稳定接触力链，有形成蚯蚓洞的趋势 (图中蓝色线段代表颗粒间接触力链。箭头代表流体速度矢量。)

论文链接：《基于连续-离散介质耦合的水合物储层出砂数值模拟》