應(yīng)用常規(guī)鉆完井技術(shù) 開(kāi)發(fā)可燃冰
時(shí)間：2018-09-28 14:37
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作者:張磊 齊志剛 陳陽(yáng)
天然氣水合物開(kāi)發(fā)有些問(wèn)題與開(kāi)發(fā)常規(guī)石油和天然氣有一些不同。相較于常規(guī)油氣鉆完井技術(shù)，水合物鉆完井技術(shù)研究需要結(jié)合水合物特性；水合物沉積物中的骨架水合物分解導(dǎo)致的儲(chǔ)層力學(xué)強(qiáng)度變化是常規(guī)油氣中所沒(méi)有的；水合物分解的溫度和壓力變化比常規(guī)油氣復(fù)雜，低溫高壓下的顆粒運(yùn)移及儲(chǔ)層骨架變化研究較少。從已經(jīng)開(kāi)展的水合物出砂問(wèn)題的研究，實(shí)驗(yàn)中合成含水合物沉積物樣品的均一性把控較難，游離泥砂、游離水合物以及骨架砂和骨架水合物的合成可控性難度較大，降壓分解過(guò)程中，結(jié)合井筒影響因素的出砂研究較少。
鉆井液技術(shù)
井壁失穩(wěn)問(wèn)題一直是石油工業(yè)中一個(gè)復(fù)雜的世界性難題，其主要表現(xiàn)為井壁垮塌、縮徑、井眼擴(kuò)大、地層破裂、電測(cè)遇阻、固井質(zhì)量低下等。這些工程問(wèn)題會(huì)延誤油氣資源勘探和開(kāi)發(fā)的速度，甚至造成現(xiàn)場(chǎng)人員傷亡。井壁失穩(wěn)每年約給全球石油行業(yè)帶來(lái)高達(dá) 10 億美元的損失，因此解決井壁失穩(wěn)問(wèn)題具有重要意義。
因 井 壁 失 穩(wěn) 造 成 的 現(xiàn) 象 和 危害主要有以下幾種：井壁垮塌現(xiàn)象的危害，產(chǎn)生的大量大小不均的巖屑會(huì)混入鉆井液，造成鉆井液性能惡化；井壁垮塌使泵壓難以保持穩(wěn)定，進(jìn)而導(dǎo)致的蹩泵情況，會(huì)造成蹩壞地面設(shè)備，甚至蹩漏地層，使鉆井液大量漏失；扭矩增大，頻繁蹩鉆卡鉆，劃眼困難，嚴(yán)重時(shí)甚至扭斷鉆柱，造成井下鉆具事故；造成井徑擴(kuò)大，垮塌物懸浮在井徑較大井段內(nèi)難以返出，一旦停泵會(huì)使巖屑下沉，進(jìn)而泥頁(yè)巖中一般含有20%~30% 的粘土礦物，若粘土的主要成分是蒙脫石，則易吸水膨脹；若粘土的主要成分為高嶺石、伊利石，則膨脹性小，但容易脆裂；而伊利石—蒙脫石混層，則離子鍵強(qiáng)鍵減少，一部分比另一部分水化能力強(qiáng)，導(dǎo)致非均勻膨脹，進(jìn)一步減弱了泥頁(yè)巖的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。所以泥頁(yè)巖是很難對(duì)付的地層。這也是泥頁(yè)巖井壁失穩(wěn)成為鉆井工程中普遍存在的問(wèn)題，以及國(guó)內(nèi)外鉆井技術(shù)界一直不懈努力攻關(guān)的內(nèi)容。深水油氣勘探開(kāi)發(fā)不同于陸地和淺水鉆井，它面臨著許多復(fù)雜的技術(shù)難題，其中深水淺層井壁穩(wěn)定性問(wèn)題即為復(fù)雜技術(shù)難題之一，它的穩(wěn)定與否甚至關(guān)系到一口井的成敗。
固井技術(shù)
深水油氣資源被認(rèn)為是石油工業(yè)的一個(gè)重要前沿領(lǐng)域，深水、超深水油氣資源是目前一些發(fā)達(dá)國(guó)家競(jìng)相開(kāi)采的熱點(diǎn)。 深水油氣開(kāi)發(fā)中，固井技術(shù)是一個(gè)十分關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，固井質(zhì)量的好壞直接影響到一口油氣井本身的安全和后期開(kāi)采的進(jìn)行，也在一定程度上影響了井的壽命。而在深水油氣資源鉆采過(guò)程中，鉆遇天然氣水合物地層幾乎不可避免，雖然深水固井技術(shù)近些年來(lái)已經(jīng)有了發(fā)展，但針對(duì)深水天然氣水合物地層的固井技術(shù)還存在許多問(wèn)題亟需解決：水合物性質(zhì)不穩(wěn)定且易分解、水合物地層低破裂壓裂和狹窄的壓力窗口、潛在的鹽水和氣體流動(dòng)、低溫條件等都是水合物地層固井技術(shù)需要面對(duì)的難題。研究如何解決這些問(wèn)題，形成完整有效的水合物地層固井技術(shù)體系，在不破壞水合物穩(wěn)定性的條件下完成固井及后續(xù)開(kāi)發(fā)作業(yè)，對(duì)于深水油氣開(kāi)發(fā)具有重要意義。
地層壓力和地層裂縫壓力測(cè)量地層壓力是指使地層產(chǎn)生水力裂縫或張開(kāi)原有裂縫時(shí)的井底流體壓力。它是鉆井和壓裂設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)和依據(jù)。如何準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)地層壓力和地層裂縫壓力，對(duì)于預(yù)防漏、噴、塌、卡等鉆井事故的發(fā)生及確保油氣井壓裂增產(chǎn)施工的成功有著重要的意義。
天然氣水合物開(kāi)采涉及傳熱、水合物分解相變、多相滲流和地層變形 4 個(gè)物理過(guò)程。多相滲流過(guò)程伴隨著對(duì)流傳熱，影響傳熱效率；多相滲流過(guò)程影響孔隙壓力的消散速率，引起有效應(yīng)力改變而影響地層變形；多相滲流過(guò)程影響傳熱的效率和孔隙壓力的消散速率，使溫度和壓力條件發(fā)生變化，影響水合物的分解。多相滲流過(guò)程中，某相流體的有效滲透率不僅與該相流體的飽和度有關(guān)，還與地層絕對(duì)滲透率有關(guān)。地層絕對(duì)滲透率是多相滲流過(guò)程的關(guān)鍵參數(shù)之一。 因此對(duì)地層壓力和地層裂縫壓力測(cè)量對(duì)天然氣水合物的安全生產(chǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)控是不可缺少技術(shù)之一。
固態(tài)流化試采工藝
針對(duì)海洋水合物的開(kāi)采，常規(guī)方法采用降壓、注熱、注劑、置換等使水合物在井底釋放出天然氣并采出，而所面臨的井筒安全、生產(chǎn)控制、環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)等問(wèn)題極為嚴(yán)重。
目前，世界上已經(jīng)實(shí)施的水合物試采均在成巖水合物礦體中進(jìn)行，海洋非成巖水合物開(kāi)采技術(shù)和方法還是空白，固態(tài)流化開(kāi)采是有望解決世界海洋淺層非成巖水合物合理開(kāi)發(fā)科技創(chuàng)新前沿領(lǐng)域和革命性技術(shù)。其技術(shù)思路是：利用水合物在海底溫度和壓力相對(duì)穩(wěn)定的條件下，采用采掘設(shè)備以固態(tài)形式開(kāi)發(fā)水合物礦體，將含有水合物的沉積物粉碎成細(xì)小顆粒后，再與海水混合，采用封閉管道輸送至海洋平臺(tái)，而后將其在海上平臺(tái)進(jìn)行后期處理和加工，相關(guān)工藝流程如圖 1 所示。該開(kāi)采方式的優(yōu)勢(shì)包括：由于整個(gè)采掘過(guò)程在海底水合物礦產(chǎn)富集區(qū)進(jìn)行，未改變天然氣水合物的原始溫度、壓力條件，類似于構(gòu)建了一個(gè)由海底管道、泵送系統(tǒng)組成的人工封閉區(qū)域，起到了常規(guī)油氣藏蓋層的封閉作用，使海底淺層無(wú)封閉的天然氣水合物礦體變成了封閉體系內(nèi)分解可控的人工封閉礦體，使得海底水合物不會(huì)大量分解，從而實(shí)現(xiàn)了原位開(kāi)發(fā)，避免水合物分解可能帶來(lái)工程地質(zhì)災(zāi)害和溫室效應(yīng)；同時(shí)利用天然氣水合物在傳輸過(guò)程中溫度、壓力的自然變化，實(shí)現(xiàn)了在密閉輸送管線范圍內(nèi)的可控有序分解。對(duì)于“固態(tài)流化開(kāi)采”水合物也需要考慮的幾個(gè)問(wèn)題：海洋非成巖水合物開(kāi)采是否具有商業(yè)開(kāi)采價(jià)值；固態(tài)流化開(kāi)采是否能夠保證聯(lián)系生產(chǎn)；固態(tài)流化開(kāi)采仍繞不開(kāi)常規(guī)鉆完井技術(shù)。
現(xiàn)有鉆完井技術(shù) 開(kāi)發(fā)水合物實(shí)例
水平井鉆井技術(shù)在 Daini-AtsumiKnoll 地區(qū)水深約 1,000 米處進(jìn)行了兩口鉆井試驗(yàn)（圖 1）。實(shí)驗(yàn)井 1是一口垂直井，鉆至海底以下 404米深。在該井中初步驗(yàn)證了固井技術(shù)、地層壓力和地層裂縫壓力測(cè)量技術(shù)，實(shí)驗(yàn)井 2 在海底以下 340m深度的含甲烷水合物層中鉆入水平段 100m。并對(duì)兩口井的鉆井液和井筒監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了鉆井完井技術(shù)在海上甲烷水合物開(kāi)采中的適用性，在鉆井液方面，使用 KCl- 聚合物泥漿和海泡石鉆井液保持了井壁穩(wěn)定性，但在含甲烷水合物帶以外的地層中， 井眼擴(kuò)大程度得到了確認(rèn)。在井下測(cè)量技術(shù)方面，在鉆井過(guò)程中對(duì)井眼尺寸、鉆孔壓力和溫度進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)， 取得了較好的效果。此外，水平井的鉆探，即使在淺層松散沉積物中，也證明是可行的。盡管測(cè)量了地層壓力和地層破裂壓力，但由于甲烷水合物解離的可能影響，需要注意解釋這些數(shù)據(jù)。其余的未來(lái)問(wèn)題涉及固井技術(shù)。 總之，天然氣水合物商業(yè)開(kāi)采是一個(gè)系統(tǒng)工程，日本通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了常規(guī)鉆井完井技術(shù)在海上甲烷水合物開(kāi)采中的適用性。
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