應(yīng)用常規(guī)鉆完井技術(shù) 開發(fā)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(fā)有些問題與開發(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)致的儲層力學強度變化是常規(guī)油氣中所沒有的；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移及儲層骨架變化研究較少。從已經(jīng)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(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)問題一直是石油工業(yè)中一個復(fù)雜的世界性難題，其主要表現(xiàn)為井壁垮塌、縮徑、井眼擴大、地層破裂、電測遇阻、固井質(zhì)量低下等。這些工程問題會延誤油氣資源勘探和開發(fā)的速度，甚至造成現(xiàn)場人員傷亡。井壁失穩(wěn)每年約給全球石油行業(yè)帶來高達 10 億美元的損失，因此解決井壁失穩(wěn)問題具有重要意義。
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，進而導(dǎo)致的蹩泵情況，會造成蹩壞地面設(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(nèi)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(dǎo)致非均勻膨脹，進一步減弱了泥頁巖的結(jié)構(gòu)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(wěn)成為鉆井工程中普遍存在的問題，以及國內(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)
深水油氣資源被認為是石油工業(yè)的一個重要前沿領(lǐng)域，深水、超深水油氣資源是目前一些發(fā)達國家競相開采的熱點。 深水油氣開發(fā)中，固井技術(shù)是一個十分關(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(shù)近些年來已經(jīng)有了發(fā)展，但針對深水天然氣水合物地層的固井技術(shù)還存在許多問題亟需解決：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、低溫條件等都是水合物地層固井技術(shù)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(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)開發(fā)作業(yè)，對于深水油氣開發(fā)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(chǎn)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(shè)計的基礎(chǔ)和依據(jù)。如何準確地預(yù)測地層壓力和地層裂縫壓力，對于預(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(yīng)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(fā)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(guān)，還與地層絕對滲透率有關(guān)。地層絕對滲透率是多相滲流過程的關(guān)鍵參數(shù)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(chǎn)實時監(jiān)控是不可缺少技術(shù)之一。
固態(tài)流化試采工藝
針對海洋水合物的開采，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)境風險等問題極為嚴重。
目前，世界上已經(jīng)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(shù)和方法還是空白，固態(tài)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(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穩(wěn)定的條件下，采用采掘設(shè)備以固態(tài)形式開發(fā)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(guān)工藝流程如圖 1 所示。該開采方式的優(yōu)勢包括：由于整個采掘過程在海底水合物礦產(chǎn)富集區(qū)進行，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大量分解，從而實現(xiàn)了原位開發(fā)，避免水合物分解可能帶來工程地質(zhì)災(zāi)害和溫室效應(yīng)；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(xiàn)了在密閉輸送管線范圍內(nèi)的可控有序分解。對于“固態(tài)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(yè)開采價值；固態(tài)流化開采是否能夠保證聯(lián)系生產(chǎn)；固態(tài)流化開采仍繞不開常規(guī)鉆完井技術(shù)。
現(xiàn)有鉆完井技術(shù) 開發(fā)水合物實例
水平井鉆井技術(shù)在 Daini-AtsumiKnoll 地區(qū)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(shù)、地層壓力和地層裂縫壓力測量技術(shù)，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(jiān)測技術(shù)進行了實驗驗證。通過實驗驗證了鉆井完井技術(shù)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(wěn)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(shù)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(jiān)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(shù)據(jù)。其余的未來問題涉及固井技術(shù)。 總之，天然氣水合物商業(yè)開采是一個系統(tǒng)工程，日本通過實驗驗證了常規(guī)鉆井完井技術(shù)在海上甲烷水合物開采中的適用性。
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