應用常規鉆完井技術 開發可燃冰
時間：2018-09-28 14:37
來源：
作者:張磊 齊志剛 陳陽
天然氣水合物開發有些問題與開發常規石油和天然氣有一些不同。相較于常規油氣鉆完井技術，水合物鉆完井技術研究需要結合水合物特性；水合物沉積物中的骨架水合物分解導致的儲層力學強度變化是常規油氣中所沒有的；水合物分解的溫度和壓力變化比常規油氣復雜，低溫高壓下的顆粒運移及儲層骨架變化研究較少。從已經開展的水合物出砂問題的研究，實驗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，降壓分解過程中，結合井筒影響因素的出砂研究較少。
鉆井液技術
井壁失穩問題一直是石油工業中一個復雜的世界性難題，其主要表現為井壁垮塌、縮徑、井眼擴大、地層破裂、電測遇阻、固井質量低下等。這些工程問題會延誤油氣資源勘探和開發的速度，甚至造成現場人員傷亡。井壁失穩每年約給全球石油行業帶來高達 10 億美元的損失，因此解決井壁失穩問題具有重要意義。
因 井 壁 失 穩 造 成 的 現 象 和 危害主要有以下幾種：井壁垮塌現象的危害，產生的大量大小不均的巖屑會混入鉆井液，造成鉆井液性能惡化；井壁垮塌使泵壓難以保持穩定，進而導致的蹩泵情況，會造成蹩壞地面設備，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，嚴重時甚至扭斷鉆柱，造成井下鉆具事故；造成井徑擴大，垮塌物懸浮在井徑較大井段內難以返出，一旦停泵會使巖屑下沉，進而泥頁巖中一般含有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，則離子鍵強鍵減少，一部分比另一部分水化能力強，導致非均勻膨脹，進一步減弱了泥頁巖的結構強度。所以泥頁巖是很難對付的地層。這也是泥頁巖井壁失穩成為鉆井工程中普遍存在的問題，以及國內外鉆井技術界一直不懈努力攻關的內容。深水油氣勘探開發不同于陸地和淺水鉆井，它面臨著許多復雜的技術難題，其中深水淺層井壁穩定性問題即為復雜技術難題之一，它的穩定與否甚至關系到一口井的成敗。
固井技術
深水油氣資源被認為是石油工業的一個重要前沿領域，深水、超深水油氣資源是目前一些發達國家競相開采的熱點。 深水油氣開發中，固井技術是一個十分關鍵的環節，固井質量的好壞直接影響到一口油氣井本身的安全和后期開采的進行，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，雖然深水固井技術近些年來已經有了發展，但針對深水天然氣水合物地層的固井技術還存在許多問題亟需解決：水合物性質不穩定且易分解、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、低溫條件等都是水合物地層固井技術需要面對的難題。研究如何解決這些問題，形成完整有效的水合物地層固井技術體系，在不破壞水合物穩定性的條件下完成固井及后續開發作業，對于深水油氣開發具有重要意義。
地層壓力和地層裂縫壓力測量地層壓力是指使地層產生水力裂縫或張開原有裂縫時的井底流體壓力。它是鉆井和壓裂設計的基礎和依據。如何準確地預測地層壓力和地層裂縫壓力，對于預防漏、噴、塌、卡等鉆井事故的發生及確保油氣井壓裂增產施工的成功有著重要的意義。
天然氣水合物開采涉及傳熱、水合物分解相變、多相滲流和地層變形 4 個物理過程。多相滲流過程伴隨著對流傳熱，影響傳熱效率；多相滲流過程影響孔隙壓力的消散速率，引起有效應力改變而影響地層變形；多相滲流過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生變化，影響水合物的分解。多相滲流過程中，某相流體的有效滲透率不僅與該相流體的飽和度有關，還與地層絕對滲透率有關。地層絕對滲透率是多相滲流過程的關鍵參數之一。 因此對地層壓力和地層裂縫壓力測量對天然氣水合物的安全生產實時監控是不可缺少技術之一。
固態流化試采工藝
針對海洋水合物的開采，常規方法采用降壓、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、生產控制、環境風險等問題極為嚴重。
目前，世界上已經實施的水合物試采均在成巖水合物礦體中進行，海洋非成巖水合物開采技術和方法還是空白，固態流化開采是有望解決世界海洋淺層非成巖水合物合理開發科技創新前沿領域和革命性技術。其技術思路是：利用水合物在海底溫度和壓力相對穩定的條件下，采用采掘設備以固態形式開發水合物礦體，將含有水合物的沉積物粉碎成細小顆粒后，再與海水混合，采用封閉管道輸送至海洋平臺，而后將其在海上平臺進行后期處理和加工，相關工藝流程如圖 1 所示。該開采方式的優勢包括：由于整個采掘過程在海底水合物礦產富集區進行，未改變天然氣水合物的原始溫度、壓力條件，類似于構建了一個由海底管道、泵送系統組成的人工封閉區域，起到了常規油氣藏蓋層的封閉作用，使海底淺層無封閉的天然氣水合物礦體變成了封閉體系內分解可控的人工封閉礦體，使得海底水合物不會大量分解，從而實現了原位開發，避免水合物分解可能帶來工程地質災害和溫室效應；同時利用天然氣水合物在傳輸過程中溫度、壓力的自然變化，實現了在密閉輸送管線范圍內的可控有序分解。對于“固態流化開采”水合物也需要考慮的幾個問題：海洋非成巖水合物開采是否具有商業開采價值；固態流化開采是否能夠保證聯系生產；固態流化開采仍繞不開常規鉆完井技術。
現有鉆完井技術 開發水合物實例
水平井鉆井技術在 Daini-AtsumiKnoll 地區水深約 1,000 米處進行了兩口鉆井試驗（圖 1）。實驗井 1是一口垂直井，鉆至海底以下 404米深。在該井中初步驗證了固井技術、地層壓力和地層裂縫壓力測量技術，實驗井 2 在海底以下 340m深度的含甲烷水合物層中鉆入水平段 100m。并對兩口井的鉆井液和井筒監測技術進行了實驗驗證。通過實驗驗證了鉆井完井技術在海上甲烷水合物開采中的適用性，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定性，但在含甲烷水合物帶以外的地層中， 井眼擴大程度得到了確認。在井下測量技術方面，在鉆井過程中對井眼尺寸、鉆孔壓力和溫度進行了實時監測， 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據。其余的未來問題涉及固井技術。 總之，天然氣水合物商業開采是一個系統工程，日本通過實驗驗證了常規鉆井完井技術在海上甲烷水合物開采中的適用性。
微信公眾號
微信視頻號
京公網安備11010502053156號