發布時間：2020-03-21所屬分類：科技論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要為安全高效的開發深水油氣和水合物資源，亟需解決深水鉆井的窄密度窗口和淺層水合物開采面臨的地層漏失嚴重和開采效率低難題。國內外文獻研究表明，國外同心鉆桿、海底泵舉升和隔水管充氣雙梯度鉆井技術是解決上述難題的有效手段，但其鉆井費用昂貴、且
摘要為安全高效的開發深水油氣和水合物資源，亟需解決深水鉆井的窄密度窗口和淺層水合物開采面臨的地層漏失嚴重和開采效率低難題。國內外文獻研究表明，國外同心鉆桿、海底泵舉升和隔水管充氣雙梯度鉆井技術是解決上述難題的有效手段，但其鉆井費用昂貴、且對國內技術封鎖和壟斷。基于此，該研究創新性提出一種基于雙層管的雙梯度鉆井新方法;建立了基于雙層管井下泵舉升的雙梯度鉆井井筒壓力調控理論及策略;發明了一套雙層管雙梯度鉆井的陸地井實驗測試技術。在此基礎上，又創新性提出了一種基于雙層管雙梯度的深水水合物固態流化開發的新工藝，研發了一套天然氣水合物射流破碎回收、原位分離回填和泵輸一體化開采的工具管串系統，有望突破深水油氣和水合物開采的技術和裝備瓶頸，為深水油氣和水合物的安全高效開采提供具有完全自主知識產權的雙梯度鉆井技術和裝備。
關鍵詞雙層連續管;雙梯度鉆井;安全密度窗口;固態流化開采
0引言
我國經濟社會的高速發展對油氣的需求逐年增加，供需矛盾日益突出。2018年石油的對外依存度已達70.9%，嚴重威脅國家能源安全(見圖1和圖2)。尋找新的油氣資源是國家重要戰略需求，除頁巖氣等非常規資源外，開發深水油氣資源是保障國家能源安全的迫切需要，也是緩解目前供需矛盾的重大舉措。天然氣水合物礦藏開發是我國能源戰略長遠規劃新能源的戰略舉措。天然氣水合物資源其儲量相當于全世界已知煤炭、石油和天然氣等能源總儲量的兩倍。南海孕育著十分豐富的天然氣水合物資源和深海油氣資源，但70以上都在深水。海洋深水鉆井時由于海底疏松沉積物和海水柱作用，造成深水鉆井安全密度窗口變窄，常規鉆井技術面臨井涌和井漏等系列問題[1]。深水油氣開發的難題：深水油氣鉆井風險大，成本高。①深水鉆井相對陸地多了海水段，造成深井孔隙壓力與破裂壓力之間的安全窗口窄，鉆井風險大。②現行工藝采用多層套管來封隔海底淺表層和易漏產層，單井成本達2億元以上。近年來我國完成深水井近50口，因井涌、井漏等復雜事故造成的損失超10億。天然氣水合物開發難題：水合物開發比油氣難度更大，易引發地質災害。①海洋水合物絕大部分埋藏在深水海底的疏松淺表層(水深>300m，埋深0～400m);②常規鉆井方法淺表層漏失嚴重，打破水合物相態平衡易造成地質災害[2](見圖3);③地層弱膠結，井壁穩定性差。雙梯度鉆井技術使得孔隙壓力與破裂壓力間的余量相對增大，更能較好控制井眼環空壓力和井底壓力，防止井漏、井涌事故發生(見圖4)，因此，其出現使深海鉆井面臨的問題迎刃而解。
1國內外深水雙梯度鉆井技術的研究
雙梯度鉆井實質就是采用兩種不同密度流體的組合來解決工程上的問題。目前國際上主要形成了三種解決思路。第一種，同心鉆桿雙梯度鉆井技術[3]，其思想是在井底安裝旋轉控制頭，來隔開海水段的影響。第二種，采用海底泵從單獨的管線將鉆井液舉升至海面[4]。第三種，向隔水管段充入氣體或者空心微球[5]等低密度介質，來實現隔水管段和地層的雙密度壓力梯度。在前面三條思路下，國外70年代開始投入巨資展開相關研究工作，已經形成了RMR、SMD、DeepVision、SSPS以及HGS等為代表的雙梯度鉆井系統。目前國外開發了三種雙梯度鉆井技術方案：
同心鉆桿反循環雙梯度鉆井技術：首先鉆井液從鉆桿環控注入，其次井底鉆井液及巖屑通過鉆頭反循環進入鉆柱，實現鉆井液攜巖;然后通過海底井口液壓系統和套管內封隔器控制井筒壓力，實現雙梯度鉆井(見圖5)。代表產品：挪威AGRSubsea公司和ReelwellAS公司的RDM同心鉆桿反循環雙梯度鉆井系統[6](見圖6)。優點：國內外已有的旋轉控制裝置、頂驅套管下入技術和控壓鉆井技術可解決同心鉆桿反循環雙梯度鉆井面臨的鉆井難題。
隔水管液位控制雙梯度鉆井技術[7]：首先通過在隔水管上安裝泥漿舉升系統，將隔水管內泥漿通過小管線舉升到平臺，通過舉升泵的排量調節，降低隔水管段泥漿液面高度，實現雙梯度(見圖7)。代表性產品：Conoco、Baker和Shell公司等的SMD鉆井系統(見圖8)，已在墨西哥灣海域136個區塊投入使用。其優點是突發情況可切換到傳統鉆井形式;缺點是鉆井技術成本高、工作可靠性低。
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無隔水管海底泵舉升雙梯度鉆井技術[8，9]：其原理為通過在水下井口裝置附近安裝泥漿泵系統，將井筒內泥漿通過小管線舉升到平臺，通過舉升泵的排量調節，降低井下環空液柱壓力，實現雙梯度(見圖7)。代表產品：挪威AGRSubsea公司的RMR無隔水管雙梯度鉆井系統(見圖7)，已在里海、Sakhalin半島、Barents海域100多口油井實施商業應用。優點在于減少了下套管的數量，節約了成本，提高了井眼的穩定性且井控能力好，已發展到了水深超過3657m的RMR系統現場試驗[10]。雙密度鉆井技術：基于改變海床以上至水面上平臺處隔水管的鉆井液密度實現雙梯度鉆井(見圖10)。代表作：MTI公司和路易斯安那大學的空心微球雙梯度鉆井系統[5]，LSU隔水管氣舉[11]和DGS隔水管稀釋雙梯度鉆井系統[12]。DGS系統已商業應用，但其仍存在運行費用高、腐蝕嚴重和鉆井液分離效率低問題。
國外已實現雙梯度鉆井商業化應用，但國內還處于研發初期階段。中國海洋石油總公司的許亮斌[13]等人發明了一種實現雙梯度鉆井的方法及裝置和一種深水多功能水中泵鉆井系統。中國石油大學殷志明[14，15]開展了雙梯度鉆井系統技術原理研究，且進行了系統的概念設計和選型。中國石油大學的張葉等[16]創建了雙梯度鉆井海底泥漿圓盤泵設計方案及理論(見圖11)。中國石油鉆井工程技術研究院的王朝輝等[17]開展了新型深水可控環空泥漿液面雙梯度鉆井理論研究(見圖12)。勝利石油管理局鉆井工藝研究院的馬永乾等人開展了隔水管注氣雙梯度鉆井基礎理論研究[18]。中海油研究總院開展了海底泥漿舉升雙梯度鉆井系統工藝技術及關鍵裝置研發，但是還處在海底泥漿舉升系統室內試驗階段(見圖13)。西南石油大學發明了雙層管雙梯度鉆井系統及結構方案[19](見圖14)。
綜上所述，國外雙梯度鉆井技術發展較為成熟，國內主要停留在雙梯度鉆井基礎理論研究、樣機室內試驗測試和控制系統研發階段，且對國內技術封鎖和壟斷。為了保障國家的能源安全，解決我國南海深水油氣易漏產層和海底疏松表層安全鉆井及海底淺層水合物漏失嚴重的難題，亟需研制我國具有自主知識產權的雙梯度鉆井系統，打破國外的技術壟斷、安全高效開發我國深水復雜油氣和水合物資源。
雙層管雙梯度鉆井新技術
2.1基于雙層管的雙梯度鉆井新方法
針對深水油氣開發安全鉆井的窄密度窗口和高風險問題，西南石油大學能源裝備研究院創新性提出了一種基于雙層管的雙梯度鉆井新方法。雙層管雙梯度鉆井原理：采用雙層管，增加井下舉升泵將鉆井液從雙層管內舉升至水面，泥線上下環空形成雙梯度靜液柱(海水靜液柱和鉆井液靜液柱)(見圖15);基于泥線井口隔離液壓力變化，調控水面泵送動力液流量和上返流體管路節流閥開度，實現井下舉升泵揚程和排量的調控，實現泥線環空井底壓力調控，降低地層漏失。
該雙層管雙梯度鉆井系統主要包含：平臺流量控制單元、雙層連續管、泥線井口隔離液壓力測試裝置和井下水力驅動舉升泵模塊(見圖15)，其優點是不僅可以解決深水天然氣水合物開發地層漏失嚴重問題，同時也可以解決深水油氣開發的窄密度窗口問題。
2.2雙層管井下泵舉升的雙梯度井筒壓力調控理論
雙層管雙梯度鉆井控制系統的基礎理論是全井筒多相流壓力剖面精細調控，基于井下水力驅動舉升泵的泵輸特性，建立雙梯度鉆井井筒壓力控制 圖15雙層管雙梯度鉆井系統模型(見圖16)。提出了雙層管雙梯度鉆井井筒節點壓力的調控與維持策略(見圖17)，其原理是通過監測泥線井口隔離液液位或壓力波動，合理調節泵入鉆井液和井下舉升泵泵出鉆井液的流量差，調控井下舉升泵的揚程，實現泥線環空井底壓力的調控。
2.3雙層管雙梯度鉆井的陸地井實驗測試技術
創新發明了一套雙層管雙梯度鉆井的陸地井實驗測試技術(見圖18)，其可以驗證雙層連續管雙梯度鉆井控制工藝技術可行性，可開展雙層管雙梯度鉆井系統的聯調控制測試，對系統的關鍵設備和關鍵參數進行分步或聯合試驗和驗證;檢驗水力驅動舉升泵設計制造合理性及控制系統的壓力梯度調控性能。
3基于雙層管雙梯度的水合物流化開采技術
3.1基于雙層管雙梯度的水合物固態流化開發新工藝
基于雙層管雙梯度的水合物固態流化方法的工藝示意圖如圖19所示，通過雙層連續管和水合物開采工具管串水平鉆進形成領眼，回拖雙層管的同時利用壓控滑套噴射工具射流將水合物礦體破碎成水合物漿體，利用回收短節和井下水力驅動舉升泵的負壓抽吸將水合物礦漿收集進雙層管密閉通道，再利用井下分離器分離出水合物礦漿中的泥砂，并將其回填至鉆頭遠端采空區以防止儲層的坍塌，經過分離凈化后的水合物礦漿被輸送至海面再進行后續統一處理。該工藝方法的優勢是將傳統鉆井的裸眼環空動態循環轉化為雙層管內動態循環，將傳統水合物開采方式的不可控轉化為可控開采，提高水合物開采的安全性、降低水合物開發的工程地質災害風險。
3.2基于雙層管雙梯度水合物固態流化開采工具管串系統
雙層管雙梯度的水合物固態流化開采工具管串系統主要有水合物鉆頭、螺桿鉆具、壓控噴頭、測試短節、水力舉升泵、橋式通道、原位分離器、雙層單層管轉換接頭組成(見圖20)，基于所設計的雙層管雙梯度水合物固態流化開采工具管串系統可實現天然氣水合物射流破碎回收、分離回填輸送的一體化開發，提高水合物的開采效率、降低地層的漏失。
4結語
深水油氣和水合物開發是一項龐大的系統工程，深水雙梯度鉆井技術和裝備直接決定著海洋油氣資源開發水平，是成功開發我國南海深水油氣和水合物資源的關鍵。目前國際深水雙梯度鉆井已實現商業化應用，而我國深水油氣雙梯度鉆井技術還停留在雙梯度鉆井基礎理論研究、樣機室內試驗測試和控制系統研發階段，與國外存在較大的差距。為此該研究創新性提出了一種基于雙層管的雙梯度鉆井新方法，建立了基于雙層管井下泵舉升的雙梯度鉆井井筒壓力調控理論模型和壓力調控維持策略;同時發明了一套雙層管雙梯度鉆井的陸地井實驗測試技術。在此基礎上，研發了一套具有完全自主知識產權的雙層連續管雙梯度水合物射流破碎回收、分離回填輸送的一體化開發技術裝備體系。為進一步加快我國深水油氣和水合物資源的勘探開發速度，必須加強深海油氣和水合物開采雙梯度鉆井技術裝備方面的研究投入和研發團隊建設，并創新技術革新體制，以形成一套適合我國深水油氣和水合物鉆采的技術體系，為我國的深水油氣和水合物資源的商業化開發提供有力的技術裝備支撐。
SCISSCIAHCI
