光新軍，王敏生

(中國(guó)石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101)

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海洋天然氣水合物試采關(guān)鍵技術(shù)

光新軍，王敏生

(中國(guó)石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101)

針對(duì)海洋天然氣水合物開(kāi)發(fā)技術(shù)與常規(guī)海洋油氣開(kāi)發(fā)技術(shù)的異同，分析了海洋天然氣水合物儲(chǔ)層特性和試采面臨的挑戰(zhàn)，介紹了天然氣水合物試采關(guān)鍵技術(shù)，包括控壓鉆井技術(shù)、套管鉆井技術(shù)、抑制性鉆井液、鉆井液冷卻系統(tǒng)、低溫低放熱水泥漿體系、完井技術(shù)、開(kāi)采方式優(yōu)選和儲(chǔ)層及環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)等，指出了我國(guó)海洋天然氣水合物試采應(yīng)圍繞水合物物理力學(xué)性質(zhì)、安全成井、連續(xù)排采與防砂、開(kāi)采方法適應(yīng)性評(píng)價(jià)、試采過(guò)程儲(chǔ)層參數(shù)和地層形變監(jiān)測(cè)等技術(shù)難題開(kāi)展研究，通過(guò)示范工程，形成海洋天然氣水合物試采技術(shù)體系，為我國(guó)海洋天然氣水合物的高效開(kāi)發(fā)提供技術(shù)支撐。

天然氣水合物；試采；安全鉆井；開(kāi)采方式；實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

天然氣水合物具有分布廣、儲(chǔ)量豐富、能量密度大和清潔高效的特點(diǎn)，是一種潛力巨大的替代能源。天然氣水合物資源約99%賦存在海底，只有1%存在于陸地凍土層。我國(guó)南海北部大陸坡天然氣水合物遠(yuǎn)景資源量達(dá)185×108t油當(dāng)量，整個(gè)南海海域的天然氣水合物資源量達(dá)(643.5～772.2)×108t油當(dāng)量，約相當(dāng)于中國(guó)陸上和近海石油、天然氣總資源量的一半[1]，具有良好的資源開(kāi)發(fā)前景。

天然氣水合物開(kāi)采涉及多相傳遞和轉(zhuǎn)換，并可能帶來(lái)一系列地質(zhì)和環(huán)境問(wèn)題，至今沒(méi)有成熟的天然氣水合物開(kāi)發(fā)技術(shù)。目前，俄羅斯、加拿大、美國(guó)和日本等國(guó)家已成功進(jìn)行了天然氣水合物的試采，特別是日本于2013年在海洋天然氣水合物試采方面取得突破，為未來(lái)海洋天然氣水合物的開(kāi)發(fā)奠定了一定基礎(chǔ)。我國(guó)分別于2007年和2013年在南海發(fā)現(xiàn)高飽和度天然氣水合物層，并計(jì)劃進(jìn)行海洋天然氣水合物的試采，但目前還沒(méi)有形成一套適用于海洋天然氣水合物試采的關(guān)鍵技術(shù)。為此，筆者在分析海洋天然氣水合物儲(chǔ)層特性和試采面臨的挑戰(zhàn)的基礎(chǔ)上，詳細(xì)介紹了海洋天然氣水合物試采的關(guān)鍵技術(shù)，指出了我國(guó)海洋天然氣水合物試采關(guān)鍵技術(shù)的攻關(guān)方向，以期為我國(guó)海洋天然氣水合物試采技術(shù)的研究提供參考。

1　海洋天然氣水合物儲(chǔ)層特性及試采面臨的挑戰(zhàn)

1.1海洋天然氣水合物儲(chǔ)層特性

1) 溫度壓力性質(zhì)。天然氣水合物是水和天然氣在較低溫度(0～10 ℃)和較高壓力(10 MPa以上)條件下形成的籠形結(jié)晶化合物，溫度壓力條件發(fā)生變化后易分解。天然氣水合物分解后釋放大量氣體，根據(jù)天然氣水合物的填充率，其體積會(huì)膨脹120～170倍，同時(shí)分解產(chǎn)生的水和氣體容易再形成天然氣水合物。

2) 力學(xué)性質(zhì)。天然氣水合物儲(chǔ)層巖石強(qiáng)度較低，同一圍壓下，天然氣水合物的飽和度越高，儲(chǔ)層巖石強(qiáng)度越大。天然氣水合物分解后，儲(chǔ)層巖石強(qiáng)度顯著下降。這是因?yàn)樘烊粴馑衔锓纸夂螅?)其對(duì)骨架顆粒的膠結(jié)性喪失，甚至破壞；2)分解形成的水和氣體增大了孔隙壓力，使有效應(yīng)力降低，導(dǎo)致儲(chǔ)層巖石強(qiáng)度變小[2-3]。

3) 物理性質(zhì)。天然氣水合物儲(chǔ)層主要有孔隙充填型、天然裂縫性和塊狀水合物等3種類(lèi)型?？紫冻涮钚吞烊粴馑衔飪?chǔ)存于孔隙介質(zhì)中如砂巖或碳酸鹽巖中，與常規(guī)油氣的聚集相似，裂縫性水合物主要儲(chǔ)存于裂縫或孔洞中，塊狀水合物聚集在海底泥質(zhì)的塊狀體中。儲(chǔ)存于海底砂巖中的孔隙充填型水合物是海洋水合物開(kāi)發(fā)的主要目標(biāo)，砂巖孔隙度較大，賦存水合物的飽和度較高。天然氣水合物充填砂巖地層孔隙，使地層滲透性降低，甚至可能完全封閉孔隙，使?jié)B透系數(shù)為零。天然氣水合物開(kāi)采過(guò)程中，水合物分解會(huì)使地層的滲透率增大[4-5]。

4) 儲(chǔ)層埋藏特征。海洋天然氣水合物儲(chǔ)層埋藏較淺，一般存在于海床以下0～1 500 m的沉積層中，且多數(shù)賦存于海床以下500～800 m的儲(chǔ)層中。根據(jù)天然氣水合物的穩(wěn)定條件，假定地溫梯度為4 ℃/100m，水深1 000 m時(shí)的天然氣水合物埋藏下限為280 m，水深4 000 m時(shí)的天然氣水合物埋藏下限為570 m[6]。

1.2海洋天然氣水合物試采面臨的挑戰(zhàn)

1) 井筒溫度壓力控制要求高。在鉆進(jìn)天然氣水合物儲(chǔ)層時(shí)，巖屑中含有大量天然氣水合物，如果進(jìn)入環(huán)空后出現(xiàn)水合物分解，就會(huì)發(fā)生氣侵，若不采取有效的措施，就會(huì)造成井底壓力不斷降低，從而加劇天然氣水合物分解，導(dǎo)致溢流或井噴的發(fā)生。另外，水合物分解生成的水和天然氣可能在井筒或防噴器中重新形成天然氣水合物，堵塞井眼或防噴器[7-8]。

2) 井壁穩(wěn)定性差。天然氣水合物在許多松散沉積物中會(huì)起到固井水泥的作用，其在地層中的分解將導(dǎo)致井壁失穩(wěn)。在鉆井過(guò)程中，控制天然氣水合物的分解對(duì)保持井壁穩(wěn)定尤為重要，同時(shí)需要采用合適的井身結(jié)構(gòu)和鉆井液，以降低水合物地層井筒應(yīng)力集中及抑制天然氣水合物分解。

3) 鉆井液安全密度窗口窄。與海洋油氣鉆井一樣，天然氣水合物鉆井過(guò)程中，鉆井液安全密度窗口窄。鉆井液密度太小，液柱壓力小于地層孔隙壓力，會(huì)導(dǎo)致地層流體侵入井筒;鉆井液密度太大，液柱壓力超過(guò)地層破裂壓力，將壓裂地層，出現(xiàn)井漏、卡鉆等井下故障。

4) 表層井段不穩(wěn)定。深水淺層為非膠結(jié)地層，強(qiáng)度低、易沉降且可能含有天然氣水合物。固井過(guò)程中，水泥放熱導(dǎo)致水合物分解，會(huì)降低固井水泥的剪切強(qiáng)度，甚至毀壞套管，水合物分解產(chǎn)生的氣體可能沿水泥環(huán)弱膠結(jié)面上竄至海床面。

5) 試采出砂嚴(yán)重。試采過(guò)程中，天然氣水合物的分解會(huì)引起儲(chǔ)層膠結(jié)性變差、力學(xué)強(qiáng)度大幅度降低，呈現(xiàn)弱膠結(jié)、低強(qiáng)度和高孔高滲的特點(diǎn)，儲(chǔ)層氣體向井筒流動(dòng)過(guò)程中會(huì)引起出砂，進(jìn)而引起砂堵，導(dǎo)致氣井停產(chǎn)。

6) 安全環(huán)保要求高。試采過(guò)程中，若天然氣水合物分解，會(huì)產(chǎn)生大量的水，釋放巖層孔隙空間，使天然氣水合物賦存區(qū)地層巖石的膠結(jié)性變差，容易引發(fā)海底地質(zhì)災(zāi)害。若大量甲烷進(jìn)入海水中，則會(huì)產(chǎn)生氣流負(fù)壓卷吸作用和海水動(dòng)蕩，危及海面作業(yè)的安全。

2　海洋天然氣水合物試采關(guān)鍵技術(shù)

2.1安全鉆井技術(shù)

2.1.1控壓鉆井技術(shù)

鉆井過(guò)程中，為防止天然氣水合物分解，需要控制井筒壓力?？刂凭矇毫Φ年P(guān)鍵是鉆井方式的選擇，目前鉆井方式主要有平衡壓力鉆井、欠平衡鉆井和控壓鉆井。R.D.Todd等人[9-10]對(duì)3種鉆井方式下井筒溫度壓力/溫度的狀態(tài)進(jìn)行了研究，若采用平衡壓力鉆井技術(shù)或欠平衡鉆井方式鉆進(jìn)天然氣水合物儲(chǔ)層，巖屑從井底向海面運(yùn)移到某一位置時(shí)，巖屑中的水合物就會(huì)開(kāi)始分解；而采用控壓鉆井技術(shù)鉆進(jìn)，則在全井眼范圍內(nèi)井眼壓力和溫度狀態(tài)都能得到有效控制，從而有效避免天然氣水合物的分解。當(dāng)鉆井液安全密度窗口較小時(shí)，常出現(xiàn)鉆井液漏失或地層流體侵入井筒，使用控壓鉆井技術(shù)能夠精確控制井筒環(huán)空壓力分布，有效解決鉆井液安全密度窗口窄的問(wèn)題。另外，該技術(shù)還能對(duì)井筒壓力變化做出快速響應(yīng)。綜合考慮以上因素，控壓鉆井技術(shù)是鉆進(jìn)天然氣水合物儲(chǔ)層的最佳選擇。

控壓鉆井技術(shù)已經(jīng)在全球很多地區(qū)的海洋鉆井中進(jìn)行了應(yīng)用，并取得了良好的效果。中國(guó)石化在尼日利亞的深水鉆井中，針對(duì)鉆井液密度窗口窄的問(wèn)題，采用Weatherford公司的MFC控壓鉆井系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了早期漏失、溢流檢測(cè)，并通過(guò)靈活控制，減少了壓力波動(dòng)，溢流和漏失得到了很好控制[11]。我國(guó)自主研發(fā)的控壓鉆井系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)井下壓力隨鉆測(cè)量、自適應(yīng)閉環(huán)監(jiān)控和自動(dòng)精細(xì)控壓(精度達(dá)0.2 MPa)，并在陸上鉆井中得到了廣泛應(yīng)用。目前，由于國(guó)內(nèi)海洋鉆井主要集中在淺海海域，深水和超深水鉆井作業(yè)仍處于起步階段，所遇到的窄密度窗口、淺層流、天然氣水合物等問(wèn)題對(duì)鉆井作業(yè)的影響尚不明顯，加之當(dāng)前控壓鉆井的服務(wù)費(fèi)用相對(duì)較高，使其在降低海洋鉆井成本方面的作用并不明顯，造成該技術(shù)在我國(guó)海洋鉆井中未獲廣泛應(yīng)用。

2.1.2套管鉆井技術(shù)

套管鉆井技術(shù)是采用頂驅(qū)裝置或轉(zhuǎn)盤(pán)驅(qū)動(dòng)套管柱傳遞機(jī)械和水力能量到套管底部的鉆頭實(shí)現(xiàn)破巖鉆進(jìn)，可一趟鉆完成鉆井和固井作業(yè)，減少儲(chǔ)層天然氣水合物與鉆井液的接觸時(shí)間，減少因地層溫度/壓力改變使天然氣水合物分解而導(dǎo)致的井眼失穩(wěn)問(wèn)題。同時(shí)，套管鉆井減小了環(huán)空橫截面積，使環(huán)空鉆井液流速變大，能更快地將巖屑中的天然氣水合物攜帶至地面。套管鉆井技術(shù)在加拿大、俄羅斯等北極凍土層定向井鉆井中得到了成功應(yīng)用，機(jī)械鉆速達(dá)到20.00 m/h[12-13]。為解決我國(guó)南海西部樂(lè)東22-1氣田鉆井過(guò)程中表層疏松地層易垮塌的問(wèn)題，該氣田應(yīng)用了Weatherford公司的套管鉆井技術(shù)，并取得了良好的效果[14]。其中，樂(lè)東22-1-A2井φ339.7 mm套管鉆至井深314.97 m，總進(jìn)尺180.44 m，平均機(jī)械鉆速75.18 m/h。與未使用套管鉆井的鄰井相比，鉆井周期縮短，鉆井成本降低，且井下故障明顯減少。海洋天然氣水合物埋深較淺，套管鉆井技術(shù)能直接應(yīng)用于天然氣水合物鉆井，提高鉆井安全性。

2.2鉆井液技術(shù)

2.2.1抑制性鉆井液

當(dāng)巖屑或地層中的天然氣水合物發(fā)生分解產(chǎn)生氣體時(shí)，需要防止其在井筒或隔水管中重新形成天然氣水合物，而在鉆井液中加入熱力學(xué)抑制劑或動(dòng)力學(xué)抑制劑/阻聚劑，可以抑制或延緩天然氣水合物的形成。

熱力學(xué)抑制劑通過(guò)改變水合物相的化學(xué)勢(shì)，使天然氣水合物的形成邊界移到更低的溫度或更高的壓力。常見(jiàn)熱力學(xué)抑制劑包括甲醇、乙二醇、二甘醇、三甘醇和鹽溶液。廣泛用于鉆井液的鹽溶液的抑制效率比甲醇和甘醇低，而且容易結(jié)晶。熱力學(xué)抑制劑是高劑量抑制劑，甲醇和乙二醇與鉆井液的質(zhì)量比為1∶10～1∶2，導(dǎo)致鉆井液成本較高。動(dòng)力學(xué)抑制劑和阻聚劑是低劑量抑制劑，在鉆井液中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于1%。動(dòng)力學(xué)抑制劑吸附在水合物晶體的表面，可在形成水合物的熱力學(xué)條件下推遲水合物成核或結(jié)晶，從而延緩水合物形成，但其過(guò)冷度不能太大，抑制時(shí)間有限。阻聚劑允許水合物形成，但是阻止聚集成塊，使水合物成漿狀分散在液相中，一般適用于油水混合體系，其成本相對(duì)較高。

盡管低劑量抑制劑發(fā)展至今已有近30年，也有成功應(yīng)用的案例，但存在成本較高、受環(huán)境影響大、普適性低等問(wèn)題，一般不作為主要抑制劑，但可輔助熱力學(xué)抑制劑使用[15]。目前，我國(guó)海洋油氣開(kāi)發(fā)大多采用鹽水、甲醇、乙二醇等熱力學(xué)抑制劑，并在室內(nèi)開(kāi)展了動(dòng)力學(xué)與熱力學(xué)抑制劑復(fù)配協(xié)同作用機(jī)理研究[16-17]。

2.2.2鉆井液冷卻系統(tǒng)

為了保證井筒和地層中天然氣水合物處于穩(wěn)定狀態(tài)，循環(huán)系統(tǒng)中鉆井液溫度需要控制在11 ℃以下。因此，地面鉆井液冷卻系統(tǒng)至關(guān)重要，其通過(guò)在鉆井液中加入冰塊或通過(guò)換熱器來(lái)冷卻鉆井液。V.Maury等人[18]研究不同類(lèi)型換熱器和冷卻液的冷卻效果后認(rèn)為，板式換熱器具有成本低、尺寸小、冷卻效率高、流體流速快、堵塞率低、維護(hù)方便、排氣簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，是鉆井液冷卻系統(tǒng)的最佳選擇。2002年，在加拿大麥肯齊三角洲Mallik天然氣水合物試采項(xiàng)目的主井——Mallik 5L-38井的鉆井作業(yè)中，采用板式換熱器的鉆井液冷卻系統(tǒng)將鉆井液入口溫度冷卻至-1 ℃。此后，國(guó)外又開(kāi)展了螺旋換熱器的研究，其采用板式換熱器的氨制冷系統(tǒng)對(duì)乙二醇進(jìn)行預(yù)冷卻，再將其導(dǎo)入螺旋換熱器進(jìn)行循環(huán)，對(duì)鉆井液進(jìn)行冷卻。螺旋換熱器中的大螺距解決了鉆井液引起的堵塞問(wèn)題，同時(shí)增大了接觸面積，延長(zhǎng)了冷卻時(shí)間。2007年，在美國(guó)阿拉斯加北坡永凍層天然氣水合物鉆探中，采用螺旋換熱器的鉆井液冷卻系統(tǒng)將鉆井液入口溫度維持在-3 ℃，井筒內(nèi)鉆井液溫度控制在-1～0 ℃。

吉林大學(xué)研制的鉆井液冷卻系統(tǒng)采用同軸套管式對(duì)流換熱的冷卻方式，載冷劑與鉆井液全程逆流。該系統(tǒng)在青海祁連山凍土層天然氣水合物鉆探中進(jìn)行了應(yīng)用，能夠快速冷卻鉆井液，鉆井液池流體溫度穩(wěn)定在3～4 ℃，基本滿(mǎn)足鉆探施工的要求[19]。

2.3固井技術(shù)

海洋天然氣水合物試采井包括生產(chǎn)井和監(jiān)測(cè)井，生產(chǎn)井的儲(chǔ)層段一般采用裸眼完井，而監(jiān)測(cè)井的儲(chǔ)層段需要固井。固井水泥漿應(yīng)具備自由水分離率低、放熱量小、密度低和低溫條件下能保持足夠高的強(qiáng)度等特點(diǎn)。Schlumberger公司開(kāi)發(fā)了適用于永凍層固井的ARCTICSET水泥漿，其具有水合熱量低、熱量釋放量小的特點(diǎn)，可以避免水合物在水泥漿水合反應(yīng)時(shí)分解，井筒溫度-9 ℃時(shí)，該水泥漿能保持足夠高的強(qiáng)度，因而被廣泛用于天然氣水合物試采井固井。日本在海洋天然氣水合物試采過(guò)程中采用了Schlumberger公司研發(fā)的DeepCRETE深水低溫水泥漿[20]，該水泥漿具有固井等待時(shí)間短、水泥石滲透率低的特點(diǎn)，同時(shí)密度較低，減小了深水固井壓裂地層的風(fēng)險(xiǎn)。該水泥漿通過(guò)粒徑優(yōu)化組合，加入不緩凝的分散劑和促凝劑，縮短了固井時(shí)間，水泥石強(qiáng)度發(fā)展比傳統(tǒng)波特蘭水泥漿更快。

國(guó)內(nèi)深水低溫固井技術(shù)研究尚處于起步階段，國(guó)外也在發(fā)展完善之中。未來(lái)需要研發(fā)低溫低密度低水化熱、高早強(qiáng)、低濾失量及良好稠化和防氣竄水泥漿，滿(mǎn)足海洋天然氣水合物試采井固井作業(yè)的需要。

2.4完井技術(shù)

目前，天然氣水合物試采井儲(chǔ)層一般為孔隙型砂巖儲(chǔ)層，試采過(guò)程中易出砂，進(jìn)而引起砂堵，造成試采井的產(chǎn)能降低或停產(chǎn)、井內(nèi)和地表設(shè)備磨損和井壁坍塌而損壞套管和襯管等，加拿大、美國(guó)和日本前期的天然氣水合物試采井都是由于出砂導(dǎo)致試采結(jié)束。完井關(guān)鍵技術(shù)主要包括防砂、井下管柱設(shè)計(jì)、井下氣水分離和測(cè)試技術(shù)等。日本海洋天然氣水合物某試采井采用了Baker Hughes公司研發(fā)的裸眼礫石充填完井技術(shù)，整個(gè)完井管柱長(zhǎng)度超過(guò)300 m，如圖1所示[21-23]。主要試采設(shè)備和儀器包括： 1)加熱器長(zhǎng)約36 m，促進(jìn)水合物分解，同時(shí)防止井底再次生成水合物；2)電潛泵(ESP)長(zhǎng)約30 m，降低井底壓力；3)雙柱封隔器長(zhǎng)2 m，采用耐低溫的環(huán)形密封圈，實(shí)現(xiàn)了氣水分離；4)電子壓力/溫度傳感器用于監(jiān)測(cè)井下溫度和壓力；5)分布式溫度傳感光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。盡管在完井設(shè)計(jì)時(shí)考慮了地層出砂的影響，但該井試采第6天出砂導(dǎo)致篩管堵塞，出砂量大大高于預(yù)期。主要原因是試采過(guò)程中礫石移動(dòng)導(dǎo)致篩管損壞，進(jìn)而導(dǎo)致出砂，未來(lái)選擇完井技術(shù)時(shí)建議放棄礫石充填完井方式，采用具有較好抗細(xì)砂粒磨蝕和抗機(jī)械破壞性能的防砂完井裝置。

圖1　日本海洋天然氣水合物某試采井完井管柱Fig.1　Completion pipe string used in an offshore NGH production test well in Japan

防砂工具的主要作用是在試采過(guò)程中最大程度地避免井壁坍塌。另外，為了達(dá)到長(zhǎng)期試采的目的，應(yīng)選用高性能長(zhǎng)壽命的防砂管柱、耐低溫的封隔器和高效的氣液分離裝置。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)防砂完井技術(shù)從理論研究、工藝技術(shù)和工具等方面開(kāi)展了不同程度的研究和實(shí)踐，并得到了較好應(yīng)用，未來(lái)可以在此基礎(chǔ)上研發(fā)適用于天然氣水合物試采的完井技術(shù)。

2.5開(kāi)采方式

天然氣水合物的開(kāi)采方法主要有降壓法、熱激發(fā)法、注抑制劑法和置換法。M.Kurihara等人[24]通過(guò)油藏?cái)?shù)值模擬得出了基于儲(chǔ)層溫度和滲透率的水合物開(kāi)采方式的優(yōu)選方法，如果儲(chǔ)層厚度、溫度、絕對(duì)滲透率和水的有效滲透率足夠大，降壓法是較為可行的開(kāi)采方式。具有較高滲透率的水合物儲(chǔ)層，采用熱激發(fā)法(如熱水吞吐和熱水驅(qū))比降壓法會(huì)獲得更高的產(chǎn)能，然而熱激發(fā)法能量利用效率較低，經(jīng)濟(jì)性較差。2002年，加拿大在麥肯齊三角洲采用注熱水法與降壓法相結(jié)合的方式進(jìn)行了天然氣水合物試采的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，連續(xù)測(cè)試5 d，累計(jì)產(chǎn)氣量470 m3，最高產(chǎn)氣量350 m3/d，平均產(chǎn)氣量94 m3/d[25]。2013年，日本應(yīng)用降壓法對(duì)其南海海槽水深約1 000 m、位于海床以下270～330 m的天然氣水合物進(jìn)行試采，歷時(shí)6 d，共采出12×104m3天然氣，平均產(chǎn)氣量2×104m3/d，累計(jì)產(chǎn)水量達(dá)1 245 m3[26]。注抑制劑法雖然可降低能量的消耗，但存在化學(xué)試劑昂貴、對(duì)天然氣水合物作用緩慢、對(duì)環(huán)境有一定影響等問(wèn)題，不適用于海洋天然氣水合物的長(zhǎng)期開(kāi)采。置換法是利用CO2置換天然氣水合物儲(chǔ)層中的CH4，該方法可以減少CO2排放量，整個(gè)置換過(guò)程中水合物幾乎不分解，不影響水合物儲(chǔ)層的力學(xué)穩(wěn)定性。但是置換法氣體交換速度極慢，暫時(shí)處于理論研究階段。2012年，美國(guó)能源部在美國(guó)阿拉斯加北坡進(jìn)行了置換法和降壓法相結(jié)合的天然氣水合物試采現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，向地層注入約6 000 m3含有少量化學(xué)示蹤劑的二氧化碳和氮?dú)饣旌蠚怏w，關(guān)井一段時(shí)間后再開(kāi)井，實(shí)際生產(chǎn)30 d，累計(jì)產(chǎn)氣量近3×104m3，最高產(chǎn)氣量5 300 m3/d[27]。

目前，國(guó)外天然氣水合物開(kāi)采方式的研究主要集中在降壓法上，需要解決的問(wèn)題包括開(kāi)采過(guò)程中的井筒結(jié)構(gòu)完整性、天然氣水合物分解區(qū)域預(yù)測(cè)、出砂導(dǎo)致滲透率降低和油藏的壓實(shí)作用等。由于天然氣水合物的分解是吸熱反應(yīng)，隨著水合物的分解，儲(chǔ)層溫度降低，采用降壓法開(kāi)采時(shí)，可采用井下加熱器等輔助手段防止在井筒內(nèi)重新形成天然氣水合物。針對(duì)我國(guó)南海神狐海域天然氣水合物的開(kāi)采，中國(guó)科學(xué)院和中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局開(kāi)展了降壓法開(kāi)采天然氣水合物的數(shù)值模擬研究，形成了配套的產(chǎn)量預(yù)測(cè)軟件[28]。

2.6儲(chǔ)層及環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)

為了認(rèn)識(shí)天然氣水合物儲(chǔ)層的分解過(guò)程和穩(wěn)定性，以及試采作業(yè)對(duì)環(huán)境的影響，應(yīng)在試采前、試采期間和試采后采用監(jiān)測(cè)井實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)儲(chǔ)層物理、力學(xué)特性參數(shù)，同時(shí)使用地層變形監(jiān)測(cè)儀和綜合環(huán)境監(jiān)測(cè)儀等獲取生產(chǎn)井周邊環(huán)境評(píng)估的相關(guān)數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)試采期間海底形變、氣體泄漏、鉆井液和產(chǎn)出水的擴(kuò)散等情況。海洋天然氣水合物試采環(huán)境影響實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)模型如圖2所示，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可靠性和完備性是提高測(cè)量數(shù)據(jù)質(zhì)量的重要保證。日本海洋天然氣水合物試采共鉆4口井，包括3口監(jiān)測(cè)井(MT1井、MC井和MT2井)和1口生產(chǎn)井(P井)[29]。其中，在MT1井和MC井井中布置有分布式光纖溫度傳感器和電阻式溫度檢測(cè)器陣列，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)地層溫度和水合物分解產(chǎn)氣過(guò)程。2口井的溫度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，降壓法開(kāi)采幾個(gè)小時(shí)后，傳感器監(jiān)測(cè)到地層溫度的變化，獲得了地層的熱量流動(dòng)特征。受技術(shù)的制約，沒(méi)有實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)層壓力監(jiān)測(cè)。中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局開(kāi)展了天然氣水合物海底環(huán)境效應(yīng)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究，并完成了室內(nèi)試驗(yàn)，結(jié)果顯示系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，在降低功耗、節(jié)約能源等方面具有較好的性能，目前正準(zhǔn)備進(jìn)行海試[30]。

圖2　海洋天然氣水合物試采環(huán)境影響實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)模型Fig.2　Real time monitoring model is impacted by gas hydrate at offshore production test

3　發(fā)展建議

海洋天然氣水合物試采具有高風(fēng)險(xiǎn)性和高技術(shù)性，并需要長(zhǎng)期的技術(shù)準(zhǔn)備。因此，亟需開(kāi)展多學(xué)科聯(lián)合攻關(guān)，對(duì)海洋天然氣水合物試采中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行攻關(guān)，為我國(guó)海洋天然氣水合物試采提供技術(shù)支撐。重點(diǎn)技術(shù)攻關(guān)方向包括以下幾個(gè)方面：

1) 基礎(chǔ)科學(xué)研究。海洋天然氣水合物在勘探、鉆井、開(kāi)采和災(zāi)害預(yù)測(cè)階段均需要對(duì)水合物地層的基本性質(zhì)有準(zhǔn)確了解，因此要形成系統(tǒng)的海洋天然氣水合物試采技術(shù)，需要對(duì)一些基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題開(kāi)展研究，為天然氣水合物試采過(guò)程物理模擬和數(shù)值模擬提供理論指導(dǎo)。主要有典型水合物物理-溫壓-力學(xué)性質(zhì)研究、熱-流-固多場(chǎng)耦合作用下的井眼圍巖系統(tǒng)的穩(wěn)定性機(jī)理、氣-水-砂在儲(chǔ)層中的多相流動(dòng)機(jī)理、水合物溫度-壓力傳導(dǎo)理論和多場(chǎng)耦合下的水合物儲(chǔ)層形變等。

2) 鉆井完井技術(shù)研究。主要有海洋控壓鉆井技術(shù)，套管鉆井技術(shù)，地面鉆井液冷卻系統(tǒng)，抑制性鉆井液，深水低溫水泥漿，防砂完井技術(shù)和完井工具(如井下加熱器、井下泵、氣液分離裝置、低溫封隔器等)。

3) 開(kāi)采技術(shù)研究。天然氣水合物的安全、可靠、經(jīng)濟(jì)開(kāi)采技術(shù)是水合物開(kāi)發(fā)利用的關(guān)鍵。我國(guó)天然氣水合物開(kāi)發(fā)研究還處于室內(nèi)研究階段，對(duì)天然氣水合物試采過(guò)程中存在的實(shí)際問(wèn)題及其解決方案都不了解。需要針對(duì)天然氣水合物開(kāi)采機(jī)理，研究不同開(kāi)采方式獨(dú)立作用和多種開(kāi)采方式聯(lián)合作用下的天然氣水合物開(kāi)發(fā)物理模擬和數(shù)值模擬技術(shù)，形成基于儲(chǔ)層滲透率和溫度、作業(yè)施工熱利用效率、氣井產(chǎn)能和經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)的天然氣水合物開(kāi)采方式評(píng)價(jià)及優(yōu)選方法。

4) 監(jiān)測(cè)技術(shù)及設(shè)備研究。海洋天然氣水合物試采時(shí)需要對(duì)水合物儲(chǔ)層參數(shù)和環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及評(píng)估，研制天然氣水合物長(zhǎng)期試采監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)海底天然氣水合物多參量的儲(chǔ)層和環(huán)境不同時(shí)空尺度的變化趨勢(shì)進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。主要研究?jī)?nèi)容包括井筒溫度壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、水合物儲(chǔ)層參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、海底地層形變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、天然氣水合物環(huán)境效應(yīng)定量評(píng)價(jià)方法和相關(guān)配套軟件。

4　結(jié)束語(yǔ)

我國(guó)海洋天然氣水合物勘查及開(kāi)采技術(shù)的研究起步較晚，但在海洋天然氣水合物的基礎(chǔ)理論研究、勘探等領(lǐng)域發(fā)展迅速，并準(zhǔn)備在我國(guó)相關(guān)海域進(jìn)行開(kāi)采試驗(yàn)。由于目前發(fā)現(xiàn)的海洋天然氣水合物主要賦存在海底沉積層中，安全成井、連續(xù)排采與防砂、開(kāi)發(fā)方式選擇、儲(chǔ)層參數(shù)及環(huán)境監(jiān)測(cè)是試采面臨的主要技術(shù)難題。因此，需要針對(duì)海洋天然氣水合物試采面臨的技術(shù)難題進(jìn)行針對(duì)性的技術(shù)攻關(guān)，基于研究、發(fā)展、示范和推廣的原則，通過(guò)試采項(xiàng)目對(duì)試采關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行驗(yàn)證、改進(jìn)和完善，最終形成海洋天然氣水合物開(kāi)發(fā)關(guān)鍵技術(shù)體系，為未來(lái)天然氣水合物的商業(yè)開(kāi)發(fā)提供技術(shù)支撐。

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[編輯滕春鳴]

Key Production Test Technologies for Offshore Natural Gas Hydrate

GUANG Xinjun,WANG Minsheng

(SinopecResearchInstituteofPetroleumEngineering,Beijing,100101,China)

Taking intothe differences in development technologies for offshore natural gas hydrate (NGH) and conventional offshore oil and gas,this paper discusses the characteristics of NGH reservoirs and the challenges in NGH production tests.Key technologies for NGH production tests were presented,including managed-pressure drilling (MPD),cased drilling,inhibitive drilling fluid,drilling fluid cooling system,low-temperature and low-heat cement slurry system,completion technique,production method optimization,reservoir and environment monitoring,etc.It is proposed that research for offshore NGH production test in China should focus on physical and mechanical properties of hydrates,safe well construction,continuous production and sand control,adaptability evaluation of production method,and reservoir parameter and formation deformation monitoring during production test.Moreover,demonstrative projects should be adopted to create the offshore NGH production test technologies,so as to provide reliable support for development of offshore NGH effectively in China.

natural gas hydrate; production test; safe drilling; production method; real-time monitoring

2016-03-31；改回日期：2016-08-05。

光新軍(1986—)，男，湖北仙桃人，2008年畢業(yè)于長(zhǎng)江大學(xué)石油工程專(zhuān)業(yè)，2011年獲中國(guó)石油大學(xué)(北京)油氣井工程專(zhuān)業(yè)碩士學(xué)位，工程師，主要從事鉆井技術(shù)及石油工程規(guī)劃方面的研究工作。E-mail：guangxinjun@126.com。

中國(guó)石化科技攻關(guān)項(xiàng)目“石油工程技術(shù)裝備發(fā)展趨勢(shì)及戰(zhàn)略對(duì)策”(編號(hào)：P15163)部分研究?jī)?nèi)容。

?鉆井完井?doi:10.11911/syztjs.201605008

TE353

A

1001-0890(2016)05-0045-07