深水浅层天然气水合物固态流化绿色开采技术

天然气水合物主要分布在极地和深水陆坡区,约95%储存在深水区,目前冻土和海域试采目标区为成岩天然气水合物矿体并多伴有下覆游离气,可采用降压、注热、注剂和CO_2置换等方法进行开发;储存在深水浅层的细粒裂隙型、分散型天然气水合物虽总量大,但因其埋深浅、非成岩、胶结性差,开采方法尚属空白。根据世界其他海域和我国海域天然气水合物取样进展,首次提出了深水浅层天然气水合物固态流化绿色开采技术,即将深水浅层不可控的非成岩天然气水合物藏通过海底采掘、密闭流化、气液固多相举升系统变为可控的天然气水合物资源,从而保证生产安全,减少浅层水合物分解可能带来的环境风险,达到绿色可控开采的目的。文中重点论述了该技术提出的背景、技术原理、数学分析方法及主要技术核心等,以期为深水浅层天然气水合物开采提供借鉴。     

深水浅层非成岩天然气水合物固态流化试采技术研究及进展

基于我国海域天然气水合物钻探取样储层具有埋深浅、无致密盖层、非成岩、弱胶结、易于碎化等特点,提出了针对深水浅层非成岩天然气水合物固态流化试采方案,其核心思想是将深水浅层非成岩天然气水合物矿体通过机械破碎流化转移到密闭的气、液、固多相举升管道内,利用举升过程中海水温度升高、静水压力降低的自然规律使水合物逐步气化,变非成岩天然气水合物分解过程的不可控为可控,实现深水浅层天然气水合物安全试采;其工程实施策略为目标勘探确定井位、随钻测井证实水合物层位、钻探取样及分析作为试采实施依据,即在钻探取样获取岩心后确定水合物有效层位,依托深水工程勘察船、采用无隔水管钻杆钻进至水合物层后固井并建立井口,采用自主的井下喷射工艺使含水合物沉积物在举升过程中自然分解,利用密度差实现部分砂回填,其余气、液、固流化物返回地面测试流程,经过高效分离、气体储集、放喷等技术实现快速点火测试。2017年5月,中国海油在南海北部荔湾3站位依托深水工程勘察船"海洋石油708",利用完全自主研制技术、工艺和装备,在水深1 310 m、水合物矿体埋深117~196 m处,在全球首次成功实施海洋浅层非成岩天然气水合物固态流化试采作业,标志着我国已在具有自主知识产权的天然气水合物勘探开发关键技术上取得历史性突破。     

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。     

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。     

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。     

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。     

固态流化采掘海洋天然气水合物藏破碎参数的优化设计

选取合理的采掘破碎工艺参数和喷嘴结构参数,是实现海洋天然气水合物(以下简称水合物)藏固态流化商业化采掘的关键之一。为了分析实际工程中影响水合物射流破碎效率的因素,依托室内实验和中国南海北部荔湾3站位现场试采取得的数据,以产气量12×10~4 m~3/d作为水合物商业开采目标,采用k—ε湍流模型开展了不同喷嘴直径、泵压等参数情况的仿真模拟分析。研究结果表明:(1)确定了水合物射流破碎临界速度为24 m/s时的喷嘴直径、泵压、排量关系曲线;(2)满足商业开采的单日水合物沉积物采掘量的破碎速度为2.48 m~3/min,其所对应的射流破碎孔径为800mm;(3)在喷嘴直径确定的情况下,直接提升射流排量和泵压会对工艺流程中其他零部件造成一定的损害。结论认为,所优选出的海洋非成岩水合物藏固态流化商业化采掘破碎的设计参数,为固态流化开采水合物破碎参数的优化设计提供了帮助。     

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。     

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。     

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。