深水钻井喷射下导管模拟试验装置的研制

深水钻井下喷射导管的钻井参数与陆地及浅水钻井存在较大不同.为了模拟喷射下导管过程,为深水钻井喷射下导管作业参数计算提供试验数据,根据深水喷射下导管的特点,以其工具及组合形式为基础,结合土力学基础理论,研制了深水钻井喷射下导管模拟试验装置.该装置主要由土箱、管柱系统、起吊系统、循环系统、加载系统和测量系统组成,可以模拟喷射下导管全过程,通过改变模拟试验中的喷射参数和岩土性质,并对导管的下入速率、承载能力(横向应变、竖向应变及承载能力)进行测量,进而可以研究深水钻井导管喷射作业过程当中,不同岩土性质条件下的喷射参数与导管下入速度和承载能力之间的相互关系和影响规律,建立导管作业参数优化设计方法,为深水油气钻探中导管喷射下入的优化设计提供参考.      

海洋天然气水合物试采关键技术

针对海洋天然气水合物开发技术与常规海洋油气开发技术的异同,分析了海洋天然气水合物储层特性和试采面临的挑战,介绍了天然气水合物试采关键技术,包括控压钻井技术、套管钻井技术、抑制性钻井液、钻井液冷却系统、低温低放热水泥浆体系、完井技术、开采方式优选和储层及环境监测技术等,指出了我国海洋天然气水合物试采应围绕水合物物理力学性质、安全成井、连续排采与防砂、开采方法适应性评价、试采过程储层参数和地层形变监测等技术难题开展研究,通过示范工程,形成海洋天然气水合物试采技术体系,为我国海洋天然气水合物的高效开发提供技术支撑。      

深水水合物试采过程中地层沉降及井口稳定性研究

在深水非成岩地层天然气水合物试采过程中,随着试采时间增长,大面积弱固结地层中的水合物分解后,可能造成海底地层沉降,损坏井口和海底管汇,导致试采工程失败。为此,建立了非成岩地层水合物试采过程中的海底地层沉降和井口稳定性分析模型,分析认为水合物分解后产生的负摩阻力和下拉载荷是导致井口失稳的主要因素,并采用有限元强度折减法模拟研究了水合物分解对地层沉降和井口稳定性的影响,结果发现,水合物分解后管柱周围的负摩阻力主要分布于表层导管底部向上约1/3的区域,且水合物分解半径越大、水合物饱和度越高,负摩阻力越大。自主研发了天然气水合物开采井口模拟试验装置,进行了水合物分解对井口稳定性影响的室内模拟试验,负摩阻力的模拟试验结果与数值模拟结果相比,相对误差在10%以内,验证了计算模型和数值模拟结果的可靠性。研究成果可为深水非成岩地层水合物试采时间控制和井口安全评估提供理论参考。      

深水钻井井身结构设计方法

深水钻井导管常采取喷射下入方式,表层套管井段为开眼循环钻进,浅部地层破裂压力梯度低,地层压力信息具有较大的不确定性。因此,其井身结构在套管层次、尺寸和设计方法上,与浅水及陆地钻井有着较大区别。在对目前深水钻井井身结构调研的基础上,重点从深水钻井水下井口力学分析及导管下入深度确定方法、表层套管下入深度确定方法、压力信息不确定条件下的套管层次及下入深度确定方法等三个方面,对深水钻井井身结构设计方法进行了阐述,并在此基础上探讨了深水钻井井身结构设计方法的下一步研究内容。     

深水钻井导管和表层套管横向承载能力分析

根据桩基和材料力学理论,建立了适于深水钻井的导管和表层套管横向承载能力分析模型。模型中考虑了深水钻井中横向和竖向载荷的共同作用、可变的管柱抗弯刚度以及管柱与地基间的非线性响应等特征。通过对模型进行数值求解,对不同影响因素下沿管柱的横向位移、转角、弯矩、剪力和地基反力进行了分析,结果表明:载荷对管柱的作用集中在管柱上部较短的一段区域;竖向载荷对管柱横向承载力影响不大;套管下入深度超过一定值后,较大的下入深度对其横向承载能力几乎没有影响;海底浅部地层地基类型对管柱的横向承载能力有一定影响;有必要通过现场取样获得浅部地层的地质资料,对深水钻井井口力学稳定性进行分析。     

海域天然气水合物的形成及其对钻井工程的影响

将气体生成水合物的条件与深水钻井井筒温度压力、地层温度压力分布相结合，证实了深水钻井过程中形成水合物和钻遇天然气水合物层的可能性。天然气水合物的形成会改变钻井液的性质、堵塞井筒、环空及防喷器；水合物层的分解会造成沉积物坍塌、井壁失稳，引起井漏、井喷等一系列问题，给钻井作业造成巨大的经济损失，甚至使钻进无法正常进行。国内外近几年在天然气水合物研究勘探方面的经验表明，解决水合物问题常用的方法是加入水合物抑制剂，或者是采取必要的措施来防止井喷，将钻井液中的气体循环出去。     

深水钻井井口吸力锚最小下入深度预测方法

深水油气田采用井口吸力锚进行表层建井时，存在井口塌陷或地层过硬不能下入到位的风险。在分析井口吸力锚下入原理的基础上，建立了考虑安装效应的井口吸力锚承载力模型；针对二开固井最危险工况，推导了钻井过程中井口最大荷载计算公式；考虑桩基安全系数，建立了基于承载力的井口吸力锚下入深度模型。利用该下入深度计算模型，计算得到南海X井的井口吸力锚最小入泥深度为10.56 m。采用ABAQUS软件，以南海X井环境参数为基础，建立了有限元模型，计算了井口吸力桩的竖向承载力为8 593.22 kN；同等入泥深度理论计算承载力为8 063.59 kN，误差为6.16%，准确度较高。研究结果表明，基于极限承载力的井口吸力锚下入深度模型能够精准预测井口吸力锚的最小下入深度，提高水下井口下入安装和钻井阶段的安全性。     

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。     

海洋水合物地层导管吸力锚贯入安装负压窗口分析

海洋天然气水合物埋藏浅,土壤胶结弱、地层承载力低,试采井口下陷失稳等问题突出,导管吸力锚可以有效解决此问题。为保证导管吸力锚安全贯入到位,针对其结构特点,基于吸力锚设计规范提出海洋水合物地层导管吸力锚贯入安装负压窗口的预测方法,选取我国南海水合物试采井位土壤参数进行实例分析,并通过导管吸力锚-土壤非线性接触有限元模型对实例计算结果进行验证。研究表明,导管吸力锚负压窗口预测方法具有良好的适用性,能够合理预测贯入阻力、自重贯入深度和负压窗口;导管吸力锚贯入阻力随贯入深度的增加呈非线性增加趋势,土壤抗剪强度越大的区域自重贯入深度越浅;容许负压随贯入深度的增加而线性增加,需求负压随贯入深度的增加而非线性增加,负压窗口逐渐变窄。研究结果为我国南海水合物试采导管吸力锚的现场安装应用提供技术参考。     

深水钻井喷射法安装表层导管极限下入深度确定

准确了解深水钻井导管喷射极限下入深度对安全、高效深水钻井具有重要的意义。根据导管喷射下入系统的受力分析,对影响导管极限下入的土质参数及施工参数进行了研究,土质参数的影响因素主要包括土体抗剪强度和土体摩阻力;施工参数的影响因素主要包括喷射钻压、喷射排量及导管垂直度。基于对喷射过程中导管下入系统合力为0 的工况进行研究,建立了深水钻井导管极限下入深度的预测模型;运用预测模型对南海某深水井的导管喷射进行了实例计算,得出了实际工况下导管喷射最小下入深度及最大下入深度。现场应用结果表明,该研究成果对安全喷射施工设计具有指导意义。     

深水油气井表层导管下入深度计算方法

深水表层导管是深水油气钻井与生产的重要通道,是水下井口装置的主要持力结构,表层导管下入深度直接影响到水下井口的稳定性以及海上作业安全。基于表层导管基本功能和主要安装方法,针对不同海底的土力学特性,开展了钻入法和喷射法安装表层导管适应性及选择方法研究。基于油气井表层导管垂向受力分析,揭示了表层导管及上部井口载荷与表层导管外表面摩擦力之间关系,建立了钻入法和喷射法表层导管合理下入深度模型。从油气井表层导管横向受力分析出发,揭示了井口载荷、表层导管尺寸、表层导管钢级壁厚、表层导管出泥高度对水下井口稳定性影响规律,建立了水下井口出泥高度设计方法和计算模型。表层导管下入深度计算方法已在中国南海水深300~2 619 m的几十口深水井得到成功应用,该研究成果支撑了这些油气田的钻完井安全高效作业和后期油气生产安全运行。     

深水油气井表层导管下入深度计算方法

深水表层导管是深水油气钻井与生产的重要通道，是水下井口装置的主要持力结构，表层导管下入深度直接影响到水下井口的稳定性以及海上作业安全。基于表层导管基本功能和主要安装方法，针对不同海底的土力学特性，开展了钻入法和喷射法安装表层导管适应性及选择方法研究。基于油气井表层导管垂向受力分析，揭示了表层导管及上部井口载荷与表层导管外表面摩擦力之间关系，建立了钻入法和喷射法表层导管合理下入深度模型。从油气井表层导管横向受力分析出发，揭示了井口载荷、表层导管尺寸、表层导管钢级壁厚、表层导管出泥高度对水下井口稳定性影响规律，建立了水下井口出泥高度设计方法和计算模型。表层导管下入深度计算方法已在中国南海水深300~2 619 m的几十口深水井得到成功应用，该研究成果支撑了这些油气田的钻完井安全高效作业和后期油气生产安全运行。     

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。      

深水吸力锚井口承载能力研究——以挪威Wisting油田水平井吸力锚井口为例

近年来随着特殊深水油气藏开发的需要,国外吸力锚筒体开始替代常规导管作为井口支撑的装置,例如挪威Wisting油田使用吸力锚技术钻成了极浅水平井。在国内,吸力锚作为深水钻井水下井口的使用尚处于起步阶段,需要对吸力锚井口承载力进行研究。该文基于API单桩轴向极限承载力经验公式的导管极限承载力计算模型,结合吸力锚负压置入受力情况进行研究,研究了吸力锚置入过程中瞬时承载力与随时间变化的实时承载力变化规律,构建了吸力锚承载力-土壤恢复系数-土壤强度的耦合计算模型。以挪威Wisting油田吸力锚设计参数及区域土壤不排水抗剪切强度为例,吸力锚承载力-土壤恢复系数-土壤强度耦合计算模型的计算结果与工程实际吻合,具有实际工程意义。     

海域含天然气水合物地层钻完井面临的挑战及展望

全球天然气水合物资源丰富,被世界各国视为未来石油和天然气的战略性接替能源。天然气水合物主要分布于深水海底浅层和陆地冻土区中,其中海域天然气水合物资源较为丰富,然而,目前海域天然气水合物储层钻完井工程实践较少,存在着许多技术难题和挑战。为了研究和应用海域天然气水合物地层钻完井技术,介绍了美国、日本、印度、中国等国家海域天然气水合物地层的钻探与试采活动,分析了海域天然气水合物地层钻完井技术发展现状,指出在天然气水合物地层钻完井工程中存在的基础性技术难题主要包括钻井液密度窗口窄、天然气水合物相变、井壁失稳、井口不稳定性、出砂防砂等。此外,针对钻完井工程存在的技术难题,对海域天然气水合物地层控压钻井、套管钻井、水平井钻井、防砂和钻井液等关键技术的未来发展进行了展望分析,以期为我国海域天然气水合物地层安全高效钻完井设计提供参考。     

海域天然气水合物试采实践与技术分析

天然气水合物作为当下备受关注的潜在新型清洁能源资源,绝大部分赋存于水深大于300 m的海底沉积层中,日本与中国相继应用深水钻井船和半潜式平台进行了海域天然气水合物的试采实践,均取得一定成果。中国南海海域天然气水合物储量丰富,进一步探究行之有效的方法与工艺,实现安全、稳定、高效的商业化开采,对于解决日益严峻的能源紧缺及环境恶化问题具有重要意义。通过国内外技术调研,对降压、注热、注剂等开采方法进行研究,结合日本海域天然气水合物的试采实践,对其试采的前期准备、设计准则与难点、工艺方案、生产测试系统关键组成部分以及存在的气液分离效率、出砂、流动保障等问题进行深入分析,并提出了相关的优化改进建议,为后续海域天然气水合物试采设计和施工提供借鉴。     

海底天然气水合物分解对海洋钻井安全的影响

为分析天然气水合物分解对海洋钻井安全的影响,根据海底天然气水合物特征,结合天然气水合物分解动力学和热力学条件,研究了不同钻井工况下天然气水合物分解产气规律,估算了天然气水合物分解后的产气量。结果表明,在钻进天然气水合物层过程中,天然气水合物分解产气速率和累计产气量逐渐增大;在天然气水合物饱和度一定的情况下,近井天然气水合物层内的天然气水合物完全分解产气量与井身轴向半径呈平方关系;随着钻井液与天然气水合物层温差增大,天然气水合物分解速率呈指数增长;浅水区钻遇天然气水合物层易导致其分解,随着水深增加或井筒压力增大,天然气水合物分解越来越困难。研究表明,钻穿天然气水合物层时,提高钻进速度可减少天然气水合物分解;钻井过程中应根据钻前预测结果调整钻井液温度和密度来控制天然气水合物分解,同时采取必要的井控措施,以保证在适当的天然气水合物分解产气条件下安全钻进。      

深水井控成功实践与技术分析

深水井控是深水钻井的核心问题。海洋深水井控面临着井涌监测困难、地层承压能力弱、井涌余量小、阻流管线摩阻大、地层呼吸效应、气体水合物、圈闭气等诸多困难和挑战。文中以中海油在西非实施的某深水井压井成功实践为例,通过井控作业过程的分析,对深水井控技术进行研究和探索,为深水钻井井控作业提供参考。