天然气水合物射流破碎工具及其配套工艺技术

针对中国海洋天然气水合物(以下简称水合物)储藏埋藏浅和胶结性弱的特点,急需开发一系列保障水合物安全、经济、绿色、高效开采的工艺技术和配套工具。为此,提出了一种在不改变水合物储层温度和压力条件下的射流破碎流化开采水合物的技术思路,同时,开展了射流破碎水合物配套喷嘴工具的设计、室内实验与优化。进而基于室内实验探索了喷嘴射流破碎工作压降、排量、上提下放喷嘴速度和趟数等施工参数与破碎水合物孔眼直径和破碎速率之间的关系,建立了水合物射流破碎流化开采工艺现场施工工程图版。在中国南海荔湾3井采用该方法进行了生产验证。结果表明:(1)水合物射流破碎流化开采工艺技术提高了水合物开采生产效率、保护了储层底层安全,降低了水合物开采能耗;(2)水合物射流破碎喷嘴工具破碎形成的孔径规整、破碎颗粒返排效果好,无领眼时喷嘴射流破碎下放速度不超过7.1 m/h;(3)水合物射流破碎流化开采工程图版解释了射流破碎工况和施工参数对射流破碎水合物孔径和破碎速率的影响规律,为水合物试采施工工艺参数选择提供了参考;(4)水合物射流破碎流化工艺在荔湾3井试采成功,验证了射流破碎流化开采工艺的可行性和其应用于水合物商业开采的广阔前景。     

固态流化单喷嘴破碎水合物深度预测新模型及验证

为提升固态流化开采中喷嘴对天然气水合物的射流破碎效率，推动固态流化开采规模化、商业化应用，基于CFD和现有单喷嘴射流破碎实验结果，开展了射流压力、收缩段长度和喷嘴直径对锥直形单喷嘴射流速度分布的影响规律研究，并建立了固态流化单喷嘴破碎水合物深度预测新模型。研究结果表明：(1)锥直形喷嘴射流核心段长度与喷嘴直径呈正相关关系，而与射流压力、收缩段长度无关；(2)射流基本段速度衰减与喷嘴直径和射流压力呈负相关，而与收缩段长度无关。进一步结合非成岩水合物临界破碎速度方程，初步建立了极限破碎深度随单喷嘴直径和射流压力变化的数学模型，并基于单喷嘴射流破碎实验结果进行了模型验证与修正。结论认为：(1)建立的极限破碎深度模型是正确的，修正后模型的计算结果与实验值的最大偏差为7.7%，能够满足固态流化实际工程对水合物破碎的要求；(2)建议开展组合喷嘴极限破碎深度模型研究，分析多个喷嘴组合情况下布置夹角和布置间距对极限破碎深度的影响，最终形成一套水合物高效破碎工具设计方法。     

固态流化采掘海洋天然气水合物藏的水平管段固相颗粒运移特征

为了弄清在固态流化采掘条件下,海洋非成岩天然气水合物(以下简称水合物)藏固相颗粒在水平管段内的运移规律,基于液固两相流模型,采用Fluent软件耦合EDEM软件模拟了在水平管段不同液相速度、不同粒径、不同丰度下的水合物固相颗粒运移特征,并采用大型固态流化采掘物理实验模拟工具对数值模拟结果进行验证。研究结果表明:(1)单颗粒水合物在水平管段中的运移方式以跃移和蠕移为主,水合物颗粒群在水平管段中的运移方式受水合物丰度、液相速度、管径、水合物固相颗粒粒径影响较大;(2)当水合物丰度较低、颗粒粒径较大、液相流速较低时,固相颗粒运移方式主要以跃移、蠕移为主;(3)当水合物丰度较高、颗粒粒径较小、液相流速较大时,固相颗粒运移方式主要以悬移为主;(4)提高液相进口速度是提高水平管内净化效果的有效手段。结论认为:(1)选取破碎效果较好的二级破碎工具可以提高水平管段固相颗粒群的净化效果;(2)水合物固态流化开采水平管段内压力降主要受液相流速影响较大,在满足举升泵设备负荷前提下,应调整注入排量来达到合适的液相流速。     

海洋非成岩天然气水合物藏固态流化采空区安全性评价

为了解决固态流化法开采海洋非成岩天然气水合物(以下简称水合物)采空区安全性如何评估的问题,以中国南海神狐海域的水合物藏为例,根据水合物射流破碎流化开采工艺及流程,基于圣维南原理建立了采空区有限元模型并进行了网格精度验证,采用研究区水合物藏的物性参数和力学特征参数,模拟分析了垂直和水平采空区的稳定性问题,并探索了海洋非成岩水合物稳定层采空区的安全评价方法。结果表明:(1)基于圣维南原理建立的海底采空区有限元分析模型能够保证计算精度且计算工作量不大;(2)垂直采空区最大偏应力随采空区直径的增加呈现出先快速增加后缓慢增加的趋势,最大应变则随采空区直径的增加而呈线性增加;(3)垂直采空区的安全问题主要受到应力水平的控制,采空区直径不宜超过800 mm;(4)水平采空区最大偏应力和最大应变均随水平采空区直径的增加而呈现出单调增加的趋势。结论认为:垂直采空区的直径可以达到比较大的临界值,其安全性主要属于采空区井壁强度问题;而水平采空区的临界直径值则比较小,其安全性主要属于采空区稳定性问题。     

固态流化采掘海洋天然气水合物藏的多相非平衡管流特征

由密闭管线将破碎的海洋天然气水合物(以下简称水合物)颗粒向上输送至海面平台,是固态流化采掘水合物藏工艺流程的核心环节,但水合物固相颗粒在上升过程中受到温度升高、压力降低的影响,至某一临界位置将会分解产生大量气体,使井筒中的流动变为复杂多相非平衡管流,进一步加剧了井控、固相输送等安全风险。为了研究水合物在上述过程中的动态分解规律,通过建立井筒温度和压力场、水合物相平衡、多相上升管流中的水合物动态分解、耦合水合物动态分解的井筒多相流动数学模型,提出了数值计算方法并予以验证。研究结果表明:(1)应用数值模型分析,得到了不同施工参数条件下的液相排量、固相输送量(日产气量)、井口回压对多相非平衡管流的影响规律;(2)提出了基于多相非平衡管流特征的现场施工措施,适当提高固相输送量可以提高天然气产量,应同时增大液相排量、施加井口回压来保障井控安全。结论认为,该项研究成果为施工参数优化和井控安全提供了技术支撑,也为其他海区水合物藏固态流化采掘多相非平衡管流预测提供了手段。     

固态流化采掘天然气水合物藏的水平管段固相颗粒运移特征

为了弄清在固态流化采掘条件下,海洋非成岩天然气水合物(以下简称水合物)藏固相颗粒在水平管段内的运移规律,基于液固两相流模型,采用Fluent软件耦合EDEM软件模拟了在水平管段不同液相速度、不同粒径、不同丰度下的水合物固相颗粒运移特征,并采用大型固态流化采掘物理实验模拟工具对数值模拟结果进行验证。研究结果表明：①单颗粒水合物在水平管段中的运移方式以跃移和蠕移为主,水合物颗粒群在水平管段中的运移方式受水合物丰度、液相速度、管径、水合物固相颗粒粒径影响较大;②当水合物丰度较低、颗粒粒径较大、液相流速较低时,固相颗粒运移方式主要以跃移、蠕移为主;③当水合物丰度较高、颗粒粒径较小、液相流速较大时,固相颗粒运移方式主要以悬移为主;④提高液相进口速度是提高水平管内净化效果的有效手段。结论认为：①选取破碎效果较好的二级破碎工具可以提高水平管段固相颗粒群的净化效果;②水合物固态流化开采水平管段内压力降主要受液相流速影响较大,在满足举升泵设备负荷前提下,应调整注入排量来达到合适的液相流速。     

海洋天然气水合物固态流化开采大型物理模拟实验

天然气水合物是继页岩气、致密气、煤层气等之后潜力巨大的接替能源,国内外天然气水合物开采技术研究和试采工程以降压法为主,均借鉴常规油气开采工艺,由于试采时间短,回避了长期开采存在的环境安全、装备安全、生产安全以及工程地质等风险。为此,由西南石油大学、中国海洋石油集团有限公司、四川宏华石油设备有限公司等单位组成的联合项目组历经多年协同攻关,提出了海洋非成岩天然气水合物固态流化开采原理,发明了基于该原理的模拟实验方法和技术,研制和开发了具有完全自主知识产权的全球首个海洋天然气水合物固态流化开采大型物理模拟实验系统。基于上述实验系统,开展了与海洋非成岩天然气水合物固态流化开采相关的天然气水合物样品快速制备、高效破碎及管道输送等物理模拟实验,验证了海洋非成岩天然气水合物固态流化开采相关理论模型的准确性,揭示了海洋非成岩天然气水合物固态流化开采过程中关键参数的变化规律。该项研究成果为全球首次海洋天然气水合物固态流化试采的成功开展奠定了重要的基础。     

全球首次海洋天然气水合物固态流化试采工程参数优化设计

我国南海的天然气水合物(以下简称水合物)90%以上都属于非成岩矿体,常规方法难以开采。周守为院士创新性提出了高效开发该类水合物矿体的革命性技术之一——固态流化法,并在中国南海神狐海域依托国内自主知识产权的技术、装备和工艺等,成功试采了该类水合物。在流化试采过程中,井底射流破碎水合物矿体至细小颗粒并随钻井液向上返出,含水合物固相颗粒在温度升高、压力降低至受施工参数影响的、区别于常规静态相平衡曲线的动态相平衡状态时发生分解,使得环空液固流动变为复杂气液固多相流动,井控安全要求极高,需要对施工参数优化设计。为此,基于目标区块工程地质特征并结合复杂井筒多相流动分析,对该工程参数进行优化设计,建立了复杂介质井筒多相流动、温度、压力以及水合物相平衡、分解理论模型和数值计算方法,通过数值仿真、软件仿真以及实验验证,对不同施工参数下的流化试采井筒多相流动进行了分析,形成了海洋天然气水合物流化试采现场工程参数优化设计方法及方案:井底射流流化井段直径不宜过大,应适当提高钻井液排量、密度、施加井口回压,以保证安全携岩和降低井控风险。该基础理论研究成果为现场施工以及试采产能的提升提供了重要技术保障。     

世界首个海洋天然气水合物固态流化开采大型物理模拟实验系统

天然气水合物(以下简称水合物)分别蕴藏于海洋和陆地永冻土带中,但前者的储量约为后者的100倍。海洋环境中的大部分脉状、块状水合物以及细粒沉积物中的水合物都属于非成岩天然气水合物,一般没有像常规油气藏和砂岩水合物储层那样稳定的圈闭构造。针对海洋非成岩水合物的物理特征、成藏特点,依据水合物固态流化开采法的工艺流程,建立了世界首个海洋天然气水合物固态流化开采实验室。该实验室定位于"全自动化的白领型实验室",实验系统共分为大样品快速制备及破碎、高效管输、高效分离、快速检测等模块单元。该实验室的主体功能包括:(1)高效破岩能力评级;(2)海洋天然气水合物层流化试采携岩能力评价;(3)水合物非平衡分解规律及流态动变规律评价;(4)不同机械开采速率条件下水合物安全输送;(5)井控安全规律模拟。该实验室的关键技术指标:工作压力12 MPa、水平管长度65 m、立管长度30 m、管径3英寸。该实验室能模拟1 200 m水深的全过程水合物固态流化开采工艺过程,是西南石油大学联合中国海洋石油总公司、宏华集团原始创新自主设计、自主研发的标志性实验室。     

深海浅层非成岩天然气水合物喷射破碎压控滑套的研制

为了解决海洋天然气水合物固态流化开采过程中射流喷头作业过程不可控、不可重复使用且需要多次起下钻柱等问题,基于节流压降原理与天然气水合物固态流化开采工艺,针对深海浅层非成岩天然气水合物的特点,设计出了一种可控制射流喷头开启与关闭且作业过程不受水深和井深影响的压控滑套,并对其进行了仿真分析与室内实验评价。研究结果表明:①所研制的压控滑套入口处锥面角度越大,滑套所产生的压降与轴向力越大,但钻井液对锥面的冲蚀越严重,因此综合考虑上述因素,滑套锥部角度选择30°为最佳;②钻井液通过滑套的流量越大,滑套内部产生的压降与滑套轴向力越大;③验证实验表明,在钻井液的作用下滑套能够滑动并开启射流喷头,喷头的全开启流量为833 L/min,与设计流量的误差值为4.13%;④试压实验表明,压力滑套内部压力的变化不能驱使滑套运动,有效地验证了其工作状态不受环境压力的影响。结论认为,该工具的研制和应用将有助于促进海洋天然气水合物固态流化开采技术的进步。     

深海浅层非成岩天然气水合物喷射破碎压控滑套的研制

为了解决海洋天然气水合物固态流化开采过程中射流喷头作业过程不可控、不可重复使用且需要多次起下钻柱等问题，基于节流压降原理与天然气水合物固态流化开采工艺，针对深海浅层非成岩天然气水合物的特点，设计出了一种可控制射流喷头开启与关闭且作业过程不受水深和井深影响的压控滑套，并对其进行了仿真分析与室内实验评价。研究结果表明：①所研制的压控滑套入口处锥面角度越大，滑套所产生的压降与轴向力越大，但钻井液对锥面的冲蚀越严重，因此综合考虑上述因素，滑套锥部角度选择30°为最佳；②钻井液通过滑套的流量越大，滑套内部产生的压降与滑套轴向力越大；③验证实验表明，在钻井液的作用下滑套能够滑动并开启射流喷头，喷头的全开启流量为833 L/min，与设计流量的误差值为4.13%；④试压实验表明，压力滑套内部压力的变化不能驱使滑套运动，有效地验证了其工作状态不受环境压力的影响。结论认为，该工具的研制和应用将有助于促进海洋天然气水合物固态流化开采技术的进步。     

进气喷嘴位置对循环流化床反应器循环量的影响

在高10.6m、内径100mm的循环流化床冷态模拟实验装置上研究了底部预提升气以及喷嘴进气量对循环流化床反应器循环量的影响,对比了3种不同喷嘴位置结构下系统循环量的变化情况以及提升管底部和喷嘴附近气固流动行为的差异,描述了预提升段内气体分布及流动结构。结果表明:预提升气和喷嘴进气是颗粒向上输送的重要推动力,随着喷嘴进气口高度的提高,预提升气对颗粒循环速率的作用效果愈加明显;对于喷嘴进气口位置最低的结构,其系统循环量、喷嘴附近颗粒浓度以及气固接触状况均优于其它结构;在提升管底部,气体多次形成逆流接触,内循环流动和局部涡流作用有效促进了颗粒沿径向混合,有利于颗粒循环量的提高。     

适用于深水浅层非成岩天然气水合物固态流化开采的伞式工具

为了解决已有的天然气水合物(以下简称水合物)采掘工具不适用于大规模、大范围矿层开采而影响开采效率和经济性的问题,基于水合物固态流化开采法的技术思路及工艺特点,设计研发了一种可用于破碎并收集水合物的伞式工具;依据开采工况建立了该伞式工具的三维结构模型,并通过仿真对其进行了稳态力学模拟分析,进而对其开采效果进行了预估。研究结果表明:①伞式工具处于工作状态时,工具整体不会发生失稳现象,最大应力处发生在刀翼与外管杆的连接处,其应力值小于该处所用材料的屈服强度,其余部位的应力值也均在所使用材料的屈服极限内;②该工具刀翼发生侧偏时,结构上有可能产生形变从而影响开采范围,但不会影响旋转破碎水合物;③在开采扭矩的动力传递中,钻杆最大等效应力值小于材料的抗扭强度,且整体并没有发生扭曲变形,仅产生了可忽略的位移量;④采用伞式工具进行水合物开采,其日采掘量可满足经济性要求,具有用于水合物商业化开采的潜力。