深水天然气水合物钻井及取心技术

天然气水合物是石油、天然气之后的最佳替代能源,如何钻探深海的天然气水合物是勘探过程中面临的一个挑战。文章主要介绍了2007年5月国内第一次在南海1200多米的深水海底钻探天然气水合物所采用的技术,对所使用的钻井装备、钻具组合、作业程序以及4种取心工具进行了分别说明。本次天然气水合物钻井及取心技术的成功应用将对今后天然气水合物钻探作业产生积极的影响,同时对国内钻井及取心技术的发展有一定的借鉴作用。     

深海天然气水合物钻探取心技术

天然气水合物作为一种高效、清洁的新能源,已经引起世界广泛关注,由于其不稳定性,采用的钻探取心装置必须具备保真功能。简要介绍了国内外4种天然气水合物取心装置及国内取心工具研究进展,叙述了胜利石油管理局钻井工艺研究院承担国家“863计划”重大专项“天然气水合物钻探取心关键技术”采取的取心工具方案。     

天然气水合物取样技术及装置进展

天然气水合物储量巨大、分布广泛、清洁,被认为是很重要的潜在能源。在天然气水合物走向商业开发的过程中,钻探取样是获取自然条件下天然气水合物样品最直接有效的方法,是进行天然气水合物研究必不可少的手段。详细综述了目前国际上常用的5种保温保压水合物取样工具（PTCS、DSDP-PCB、ODP-PCS、FPC、HRC）和5种非保温保压取样工具（活塞取样器、USEP、FHPC、FC及重力取样器）的研发历程、结构、技术指标及应用情况。对我国天然气水合物取心技术提出了着重研究适合深水深层钻探取心的设备及工艺的发展建议,以形成我国完整的天然气水合物钻探取心技术。      

天然气水合物的钻探无固相低温钻井液的研制——用于青藏高原永冻层天然气水合物的钻探

在即将实施的青藏高原永久冻土层天然气水合物的钻探中,钻井液体系的研制起着举足轻重的作用。通过对高原冻土天然气水合物的赋存环境特〖JP2〗性和钻井取心工艺技术特点的分析研究,以流体低温特性理论为指导,同时借鉴国外的先进经验,提出了以分解抑制法为基础进行低温钻井液体系设计的技术方案。在低温钻井液基础液研究的基础上,以15%NaCl溶液作为基础液研制出了满足高原冻土天然气水合物钻探要求的无固相低温钻井液体系,弥补了国内在这方面研究的不足,为实施高原冻土天然气水合物钻探做好了钻井液方面的技术准备工作。     

天然气水合物保温保压筒最佳长度选择

天然气水合物已成为21世纪继煤、石油等生物化石燃料之后的又一清洁高效的新能源,对其开发研究也越来越得到广泛关注。对天然气水合物钻探取心机构中发生桩效应的相关情况进行了介绍,分析计算了天然气水合物钻探取心机构中保温保压筒最佳长度,并得出了相应结论。     

天然气水合物钻探取心关键技术研究进展

天然气水合物是一种高效、清洁的新能源,由于它的不稳定性,采用的钻探取心装置必须具备保温保压功能。目前,国内的取样装置均是在调查船上进行作业的,仅限于在10 m之内的沉积物中取样,石油钻探用保压取心工具均无法达到该要求。国外资料调研表明,采用绳索保温保压取心方案可减少样品在起钻过程中的时间,使岩样尽量接近原始状态。简要介绍了国内外钻探取样技术的发展情况及天然气水合物取样方案的初步设想,目的是加快水合物的勘探步伐,使该清洁能源早日服务于人类。     

我国启动天然气水合物钻探取心项目

近日，在四川成都召开了国家“863”计划专项“天然气水合物钻探取心关键技术研究”第一次工作会议，标志着我国天然气水合物钻探取心研究正式启动。这一项目的研究开发，对于我国实现可持续发展油气战略和资源接替战略，保障国家能源安全，加快开发应用清洁新能源，都将具有十分重要的战略意义和现实意义。     

天然气水合物保温保压取心工具研制及现场试验

天然气水合物一般赋存在深海海底浅层地层中，受扰动易分解，采用常规取心工具难以取得样品，为此进行了天然气水合物保温保压取心工具的研制与现场试验。采用三维设计软件设计了绳索式天然气水合物保温保压取心工具整体结构，介绍了伸缩插入式、活塞射入式、冲击器冲击式和马达旋转式4种类型取心工具的具体结构和工作原理；为使研制的取心工具具有保持温度和压力、压力补偿、快速打捞和减小取心扰动等功能，研究了保温保压取心关键技术。通过室内模拟分析保压密封阀、保温筒、压力补偿装置、岩心管、绳索打捞回收装置等关键部件，证明保压密封阀可保压30.0 MPa，保温筒采取填充隔热复合材料二氧化硅气凝胶的方式，受环境温度的影响减小，其他部件的性能也都符合设计要求。南海LW3区块天然气水合物赋存区2口井13回次的取样试验结果表明，研制的绳索式天然气水合物保温保压取心工具能够成功取心，为国内天然气水合物的自主勘探取心提供了技术支撑。      

我国南海天然气水合物钻探结束

2007年6月12日，随着我国南海北部天然气水合物钻探第二航段工作的结束，中国科学家共在3个站位成功获得天然气水合物实物样品，取心发现水合物的成功率高达60％。     

南海天然气水合物取样技术现状及发展建议

为了进一步完善南海天然气水合物钻探取样技术,在前期取样工具研发和现场试验的基础上,分析了南海取样环境和天然气水合物特性对天然气水合物钻探取样技术的需求,总结了天然气水合物取样技术的现状,分析了取样工具研发过程中工具尺寸、低温保温、密封阀和取样作业方式等方面遇到的技术难点,提出了满足实际需求采取的技术措施,研制了适用于南海天然气水合物取样的绳索保温保压取样工具,并探讨了天然气水合物取样技术今后的研究方向。研究结果为南海天然气水合物取样技术的进一步发展和完善提供了技术参考。      

气体组成对钻井液中水合物形成动力学影响

深水钻井中,极易在钻井液中生成天然气水合物,给深水钻井带来极大的危害。气体组成不同,形成水合物的条件也不相同,给深水钻井中水合物的防治带来较大的困难。利用研发的钻井液中天然气水合物形成抑制试验装置,研究了3种不同组成的气体在2种水基钻井液中形成天然气水合物的动力学过程。研究表明,在实验的3种气体中,绿峡谷气最易形成水合物,简单混合气次之,而甲烷气体最难形成水合物;相同条件下,同种气体在不同的钻井液中水合物生成具有明显的差异,因此必须对钻井液体系相平衡条件进行测试,并优选有效的水合物抑制剂。对于烷烃来说,分子量越大,越易于生成天然气水合物。     

琼东南盆地典型渗漏型天然气水合物成藏系统的特征与控藏机制

为了深入探究渗漏型天然气水合物（以下简称水合物）运聚成藏的机制，基于高分辨率地震、海底观测、水合物钻探、随钻测井、岩心资料及钻后地球化学分析结果，从气源、运聚、储集、封盖等成藏条件入手，剖析了南海北部琼东南盆地渗漏型水合物成藏系统的特征与控藏机制。研究结果表明：①渗漏型水合物富集成藏受控于松南低凸起构造及其上发育的气烟囱，气烟囱构成的天然气运聚通道与水合物稳定域空间匹配决定了水合物的主要分布范围；②海底冷泉系统及地震剖面上出现的天然气渗漏地震反射异常，是渗漏型水合物分布与赋存的有力指示标志；③渗漏型水合物差异分布特征明显，横向上水合物聚集在具有明显渗漏通道构成的储集空间内部，而没有通道沟通水合物稳定域的区域仅聚集薄层水合物，垂向上水合物的分布厚度、产状及饱和度等也表现出差异性；④水合物气源具有生物气及热解气双重供给特征，热解气与深部中央水道岩性气藏及古近纪烃源岩有着密切的成因联系；⑤充足的天然气通过气烟囱及水道边界断层等通道运移聚集，并在海底浅层块体流沉积（MTDs）细粒黏土质粉砂封盖条件下富集水合物，MTDs内部的裂缝构成了渗漏型水合物主要的储集空间。结论认为，在低凸起及富生烃凹陷成藏的背景下，充足的天然气通过低凸起上气烟囱高效运聚成藏，气烟囱上覆MTDs内部是否出现渗漏通道是能否形成和富集水合物的关键，也是渗漏型水合物差异运聚成藏的主要控制因素。     

水合物沉积物动态弹性力学参数试验研究

水合物沉积物的声学特性是水合物藏资源评估、水合物地层钻探开发的重要依据,而目前实际原状取心难度大、成本高,故通过试验的方法对该问题进行研究具有重要意义。利用中国石油大学岩石力学实验室自主设计开发的水合物声波原位测量系统,在不同围压条件下对不同水合物饱和度的原位合成沉积物岩样进行了声波测试,并根据弹性理论,利用所测得的超声波波速,计算得到试样的动弹性力学参数。结果表明:水合物沉积物的纵横波速以及动态弹性模量均随着围压、水合物饱和度的增大而增大。      

天然气水合物深水深孔钻探取心系统研制

海底天然气水合物在低温（0～10 ℃）、高压（大于10 MPa）、有充分的烃类连续补给并在水参与的条件下形成。对其常规取心和提取到地面的过程中,伴随温度压力的改变,很容易从固态变为气态,造成天然气散失而影响储层评价的可靠性。为此优选超高真空绝热方式设计金属保温筒和压力补偿方式实现保温保压功能,进而研制成功了天然气水合物深水深孔钻探取心系统：在取心实施过程中,利用取心专用钻杆将绳索取心内筒组合送入海底进行取心作业,取心结束后,从井口放入绳索提起取心内筒总成,带动活塞上行,产生负压使球阀关闭,实现保温保压取心;当需要进行全面钻进时,从井口投入全面钻进钻头塞堵塞流道,实现取心钻头快速钻进;连续取心时,用绳索提出钻头塞组合,然后投入取心内筒总成,实现取心作业。在胜利油田浅海区域成功地进行了该取心系统工作性能试验和现场模拟试验,结果证明：该系统能够实现保温保压取心的目的。     

取心井段气测参数的回归

取心井段由于受破碎岩石体积、钻井液等因素的影响,气测值和钻时与正常钻进时的录井值有较大差别。该文介绍了一种对取心井段进行气体和钻时参数的回归法,通过回归处理可使参数更接近实际情况。实践证明,利用此方法可为现场录井人员对取心段的解释提供相对准确的数据。     

海洋水合物地层钻井用聚合醇钻井液研究

针对海底天然气水合物地层的独特特性,在充分考虑现有的常用聚合醇钻井液体系的基础上,论述了适合海底天然气水合物地层钻井用含动力学抑制剂的聚合醇钻井液的室内研究情况。结果表明,该体系具有优良的页岩抑制性和水合物抑制性、良好的低温流变性、稳定性和润滑性等特点,能够有效保持井壁稳定,是一种非常适合海底天然气水合物地层钻探的钻井液体系。     

深海天然气及其水合物开发模式与钻采技术探讨

中国南海的石油天然气资源十分丰富,但其大多数都埋藏于深水区,油气勘探开发工作面临着许多难题和挑战。历经多年的探索与实践,我国海洋油气钻探工程已经实现了从浅水（水深300 m以内）到超深水（水深超过1 500 m）的跨越,并在南海发现了丰富的天然气与海域天然气水合物（以下简称水合物）资源,亟待进行安全高效开发,因而对相应的天然气及其水合物高效开发模式与技术支撑体系提出了迫切的需求。为此,针对深海天然气及其水合物安全高效开发的重大课题,提出了适用于常规天然气的“水平井或复杂结构井浮式钻完井+水下钻采系统+浮式生产、集输与浮式液化天然气生产储卸装置（FLNG）处理系统+船运外输”的开发模式及其技术支撑体系,以及适用于非常规天然气——海域天然气水合物的“水平井或复杂结构井浮式钻完井+水合物原位分解开采+水下或浮式生产与集输处理系统+管道或船运外输”的开发模式及其技术支撑体系;论述了大位移井、“U”形井等先进井型的开发模式及其适用的海洋地质环境,并给出了“U”形井的连通控制模型;此外,还介绍了与深水钻井力学和设计控制技术相关的研究进展。结论认为,建立先进适用的工程模式及其技术支撑体系,寻求实现“地质—工程—市场”一体化的解决方案,同时加强相关的信息化与智能化建设,是深海天然气及其水合物安全高效开发的关键之所在。     

天然气水合物对深水钻井液的影响及防治

随着海洋钻井作业数量和深度的增加，钻井作业难度不断加大，海洋深水钻井作业环境恶劣，操作条件复杂，其中之一便是钻井液（主要是水基钻井液）中易形成天然气水合物。钻井液中一旦形成天然气水合物，会造成井壁失稳、堵塞井筒，钻井液无法循环，造成作业周期延长、钻井成本增加等。为解决钻井中天然气水合物的危害，综述了天然气水合物的形成机理。提出在深水区域钻井作业实施前，要充分估计到井口、防喷器、节流和压井管线中形成天然气水合物的可能性，一旦形成天然气水合物，可通过调节钻井液密度来控制井筒中压力，保持最低的安全钻井液密度来防止天然气水合物的形成。