深水稠油开发技术发展现状与前景展望

海洋深水稠油储量巨大,但由于深水低温使得稠油流动性更差,给深水稠油油田的开发带来了难度和挑战。巴西等国家的深水稠油油田已经成功实现了商业化开发,并形成了一系列配套开发技术,我国的深水稠油开采技术尚处于探索阶段。了解国际上深水稠油开发技术进展,对推动我国海洋油气开采技术进步,保障能源供给安全意义重大。概述了国外深水稠油开发关键技术,主要从深水稠油开采的钻完井技术、测试技术、人工举升方法和关键设备以及流动保障技术等方面进行了介绍和分析,给出了我国深水稠油开发技术发展的一些建议。     

注气法双梯度钻井隔水管环空温度场模拟

针对注气法双梯度钻井工艺特点,根据不同流型结构特点和传热特性,考虑隔水管环空流体与海水、隔水管环空流体与钻杆内流体的传热关系,建立注气法双梯度钻井隔水管环空多相流控制方程,并给出求解方法。模拟计算结果表明：随着水深增加,环空内流体温度降低,深水低温的影响越明显;随着液体流量增加,环空内温度升高,增幅降低。由于不同流型传热规律的差异,气体流量增加仅在部分井段对温度有较大影响,入口温度升高环空内温度会相应升高,保温层对温度分布影响明显,加装保温层会使环空最低温度高10℃以上。在实际钻井过程中为防止水合物的生成和钻井液胶凝,尽可能提高液相流量,同时隔水管加装保温层,地面循环系统加装加热装置提高钻井液温度。     

北极深水钻井关键装备及发展展望

随着国际常规油气资源日渐枯竭和国际油价的日益攀升,越来越多的国家和石油公司开始关注北极地区储量丰富的油气资源。我国的冷深海钻井技术尚处于探索阶段,了解北极深海钻井技术进展,对推动我国海洋油气钻井技术进步、保障能源供给安全具有重要的意义。北极深水油气勘探面临海洋环境恶劣、后勤保障困难、生态环境脆弱等难题,使北极深水油气勘探困难重重。通过大量文献调研和技术跟踪,概述了国外北极深水钻井关键装备的主要进展,并从极地破冰船、供给船、钻井船、钻井平台、海冰控制系统、低温钻机等方面,对北极深水油气钻探的关键装备进行了介绍,对北极深水钻井技术的发展趋势进行了分析,提出了一些探索性的观点和建议。      

深水钻井浅层气动力压井排量计算

针对深水钻井过程中的浅层气问题,利用多相流理论,建立了深水钻井浅层气动力压井参数计算模型,并证明了其准确性。计算结果表明,在动力压井过程中,压井排量呈由小变大、再由大变小并最终趋于稳定的变化过程。深水钻井浅层气动力压井过程中应适时调整压井液排量以保持井底恒压,从而达到既防止气体继续侵入,又防止压裂地层的目的。     

石英砂中甲烷水合物的溶解开采实验研究

天然气水合物是天然气与水在低温高压的条件下形成的一种冰状物质,广泛分布于海底和冻土区的沉积物中,资源量巨大,有望成为未来接替能源。在已发现的资源中,有一种类型的天然气水合物位于海底浅表层或裸露于海底,其形成过程和稳定性规律尚不明确。为揭示其稳定性规律,实验研究了石英砂中甲烷水合物的溶解过程。结果表明,水和白油均能有效溶解石英砂中的甲烷水合物,注水溶解的气水体积比约为2,注油溶解的气液体积比约为10,溶解速率主要受液流-水合物的接触情况影响,随水合物饱和度升高而升高。水/油易在石英砂中窜进,形成优势渗流通道,随后气液比逐渐降低。实验结果为深入研究海底浅表层或裸露的天然气水合物的稳定机理提供了基础。     

极地钻井关键设备橡胶密封材料的优选

极地的低温环境会使橡胶逐渐变硬甚至玻璃化从而丧失原有的弹性,易导致钻井泵、防喷器等关键钻井设备出现密封失效问题,影响正常生产并带来安全隐患。因此,需要对极地钻井关键设备所用橡胶密封材料进行优选。按照国家标准GB/T 528—2009和GB/T 7759.2—2014,在20～–50 ℃温度环境下对橡胶材料进行了单轴拉伸和压缩永久变形试验,将试验数据与多种常见超弹性本构模型进行拟合得到了模型参数,分析了这些本构模型在低温条件下的适用性;利用有限元分析软件ABAQUS,模拟分析了–45 ℃温度下处于工作状态的O形橡胶密封圈的密封性能,找出了设备在低温条件下容易发生密封失效的位置。分析认为,在低温、小变形条件下,Polynomial（N=2）模型和Ogden（N=3）模型能更准确地描述橡胶的力学性能;硅橡胶、气相胶、丁腈橡胶在极地环境（–45 ℃）下依然保持优越的密封性能,可以作为极地钻井关键设备用橡胶密封材料。低温下超弹性本构模型的分析和橡胶密封材料的优选,可为我国后续极地钻井提供理论指导与支持。      

深水油井测试工况下井筒结蜡区域预测方法

针对深水油井测试过程中低温环境容易引起结蜡进而影响测试作业正常进行、增加作业成本和风险的问题,基于深水测试管柱温压场和析蜡条件计算模型,提出了测试管柱内结蜡区域预测方法,并对结蜡区域的影响因素进行了分析。研究表明:结蜡区域随着测试产量的增加而逐渐减小;随着地温梯度降低、水深增加及产出流体含水率降低,发生结蜡的区域会增大;随着地层压力的增加,结蜡区域略有增大;初开井阶段,由于温压场的共同作用,测试管柱内结蜡区域很大;循环测试关井后,随着关井时间的增加,结蜡区域逐渐增大。研究成果可为深水油井测试期间的井筒结蜡预防工作提供指导,以保证测试工作顺利进行。图9表1参30     

深水油气井关井期间井筒含天然气水合物相变的气泡上升规律研究

深水油气井关井期间天然气水合物的生成会导致气泡迁移滞后,影响钻井安全作业周期,为此利用室内垂直圆筒模拟深水井筒环境,实验研究了甲烷气泡表面水合物膜生长特性,提出了考虑自然对流传热的水合物横向生长模型及水合物膜厚度预测方法;分析了水合物气泡变形率与莫顿数、拖曳力系数及雷诺数之间的相关性,据此建立了关井条件下井筒中含水合物相变的气泡上升速度综合预测模型,并对南海某井的安全作业周期进行了预测和分析。通过实验和模拟分析发现,建立的自然对流传热模型对水合物膜横向生长速率和厚度具有较高的预测精度;水合物气泡的变形率随莫顿数增大而减小,拖曳力系数随雷诺数增大先减小然后逐渐增大,并拟合得到了气泡变形率、拖曳力系数计算公式。研究表明,气泡表面水合物的生成显著降低了气泡的上升速度,延长了安全作业周期,但气体到达海底井口后水合物堵塞风险增加,现场应根据关井时间采取针对性的井控措施。      

自动测试系统自检适配器自动设计技术

采用面向信号方法建立仪器模型、开关模型,对系统所有仪器端口进行自动最优匹配,与相应开关构成自检回路,并实现自检回路自动布线. 依据IVI(Interchangeable Virtual Instrument)-Signal Interface 标准自动编写自检程序,较大地提高了设计效率和标准化程度. 以某机载通讯设备自动测试系统为例,采用该技术可缩短 ATS 自检适配器开发周期至原来的 1/3,显著降低了开发成本.     

水合物钻探井筒多相流动及井底压力变化规律

天然气水合物钻探过程中,破碎后的水合物碎屑伴随钻井液上升到一定位置后开始分解,分解出的天然气使井筒流动变为复杂的多相流,导致井底压力预测困难,甚至可能引发井涌等复杂情况。针对这一问题,考虑水合物分解和相变热的影响,建立了水合物层钻井中的井筒多相流动模型和传热模型。通过对模型的求解,分析了水合物分解临界点和井底压力的变化规律。结果表明,降低钻速和钻井液入口温度,有助于抑制水合物分解,稳定井底压力;增大排量,水合物临界分解位置降低,整个井筒中气体体积分数较小,井底压力较稳定;适当提高钻井液密度控制井底压力能够有效抑制水合物分解。在水合物层钻井时,应对以上参数进行优化,以避免因水合物分解而引发的事故。