適用于深水淺層非成巖天然氣水合物固態流化開采的傘式工具

宋 震 孫 穎 李凱莉 呂忠蕾 孫浩銘

西南石油大學機電工程學院

0 引言

目前開采天然氣水合物（以下簡稱水合物）的主要方法有熱激發法（加熱法）[1]、降壓法[2]、化學抑制劑法[3]等，且都適用于成巖型水合物礦層[4]。這些開采方式要求水合物儲層上覆層為密閉蓋層，具有良好的密閉性，有一定厚度且結構堅實，但這3種開采方法都不能精準有效地控制水合物的分解速度以及開采范圍，且可能引發海洋地質環境災害。因此，對于存儲在深海淺層且埋深介于10～200 m的非成巖、弱膠結性水合物的開采，周守為等[5]首次提出了海底淺層水合物固態流化綠色開采技術，即使用采掘設備將固態的水合物儲層破碎成細小顆粒，并通過密閉流化的方式輸送至海上平臺，在平臺上進行后期處理與加工。目前海底表層水合物的開采裝置初步設計為自行式采礦車，采掘高度范圍介于-1～4 m，并不適于深海淺層、具有一定埋深的水合物的開采，且經濟性不高。2017年5月，以中國南海北部海洋水合物儲集區為試采目標區，在南海北部荔灣3站位依托“海洋石油708”深水工程勘察船，利用完全自主研制技術、工藝和裝備在水深1310 m、水合物礦體埋深117～196 m處，首次成功實施海洋淺層非成巖水合物固態流化試采作業，標志著我國水合物勘探開發關鍵技術已取得歷史性突破[6]。其試采工具選用的是一種水合物射流破碎工具[7-8]，該工具的井底射流直徑較小，僅為0.5 m，并不適用于規模、范圍較大的水合物礦層開采，使開采的經濟性受到顯著影響。為解決已有采掘工具表現不足的問題，針對非成巖弱膠結性水合物儲層特性，研發了一種適用于深海淺層水合物開采的傘式工具，依據開采工況建立了該傘式工具的三維結構模型，并進行了穩態力學仿真模擬分析，驗證了使用該傘式工具進行水合物開采的技術經濟可行性，為后續開展傘式工具的實物試驗奠定基礎。

1 淺層非成巖水合物開采工具的功能

據估計，淺層非成巖水合物占海域水合物藏資源量八成以上，在我國海域所取得的水合物樣本基本屬于該類型[6]，開采此類水合物面臨的問題有3個：①淺層水合物儲層具有非成巖，膠結性差，開采后地層結構發生變化易導致滑坡災害；②水合物礦層分解產物為天然氣、水和泥沙，開采區域的溫度不宜過高，壓力變化不宜過大；③分解的天然氣進入大氣層，對大氣環境造成一定的污染災害。

固態流化開采法在我國南海水合物的成功試采，證實了該方法的可行性，具有應用、發展前景。而針對前述淺層非成巖水合物開采面臨的問題，開采工具的設計研發需要具備4個方面的功能：①在承受上覆層壓力的同時，能夠進行可控的水合物破碎和收集；②能夠進行連續、穩定的作業；③能夠對分離后的泥沙進行返排回填，避免采空區坍塌；④加大開采截面，提高開采效率。

2 傘式工具的設計

2.1 開采工藝流程

開采工藝流程分為4個步驟：①水平井完鉆后，依據水合物儲層特點選擇適宜的完井方式，完井后下入傘式工具；②待其到達指定工作位置后，在海上平臺給外管桿施加扭矩以及向前的推力，水平井終端處的內管桿則保持不動，將傘式工具緩慢旋轉展開，在彈性定位鎖塊的控制下使刀翼達到最佳切削角度；③回拉開采工具，邊破碎水合物藏層邊收集水合物顆粒，通過密閉管道及舉升系統輸送至海上平臺，進行分離、采集等后處理，分離后的泥沙通過管桿內部軟管返排，回填至采空區；④采集完畢后，通過下入關閉工具將傘式工具閉合，回收開采工具（圖1）。

2.2 工具結構示意圖及細節展示

傘式工具的整體結構如圖2-a所示，采掘工具主要由外管桿、內管桿、刀翼及活塞桿組成。其中，內管桿嵌于外管桿內部且以花鍵的形式連接，兩者均為中空連接管并能在軸向發生相對滑動，外管桿上開有采集孔。刀翼與內、外管桿均采用鉸鏈進行連接，活塞桿由可伸縮的活塞缸筒連接而成。

考慮到開采過程中傘式工具需承受的阻力以及外管桿的直徑大小，設計了3組刀翼，每組刀翼之間的夾角為120°。為保證商業化開采效率的實現，設計每個刀翼的長度為3.6 m，同時為兼顧到其具有旋轉破碎的功能，刀翼上的切削齒形狀設計為圓形齒，且與刀翼的水平面呈一定的角度（圖3），以使其抗剪切及抗擠壓能力增強。

外管桿與內管桿均為中空，采用花鍵形式對兩者進行連接，以保持其在旋轉作業時的同步性（圖4），管內可進行返排回填作業。下入傘式工具前，為了防止外管桿與內管桿發生相對滑動，兩者之間用若干限位銷釘固定住（圖5）。當開采工具抵達指定工作位置后，內管桿的終端與水平井終點端面接觸，通過海上平臺給外管桿施加扭矩力以及足夠大的推力，使限位銷釘在剪切作用力下剪斷，內管桿受阻在水平方向上保持不動，外管桿則繼續前移并使刀翼旋轉展開。

圖1 傘式工具工作狀態示意圖

圖2 傘式工具結構示意圖

圖3 刀翼及切削齒結構示意圖

當外管桿延伸至刀翼最佳切削角度時，安裝在內管桿上彈性定位鎖套中的圓柱鎖塊在彈性橡膠塊的膨脹作用下，卡入外管桿的凹槽中，由此實現開采工具展開后的定位（圖6）。

傘式工具在刀翼完全展開后即可開始采切作業，工具繼續旋轉同時由連接的鉆桿往回拉，一邊切削破碎水合物儲層，一邊往回緩慢移動。同時由外管桿上的采集孔收集破碎后的水合物細小顆粒，通過密閉流化、連續油管舉升等工藝將其抽提到海上平臺。在平臺上進行氣液固三相分離，分離后的泥沙通過軟管并以內管桿終端為出口返排回填。待該水合物礦層開采完畢后，對傘式工具進行關閉回收工作。關閉工具的工作原理類似于一種可開關的滑套裝置[9-10]，通過抽油桿連接關閉工具（圖7），將其下入到外管桿腔內，由于關閉工具支桿外徑大于內管桿右端臺肩內徑（圖8），隨著在海上平臺進行操作給抽油桿施加足夠大的向前推力，將圓柱鎖塊剪斷，開采工具收縮閉合。

傘式工具在工作、閉合狀態下的三維模型如圖9所示。

圖4 內、外管桿花鍵連接示意圖

圖5 限位銷釘連接示意圖

圖6 彈性定位鎖套結構示意圖

圖7 關閉工具結構示意圖

圖8 內管桿右端臺肩結構示意圖

圖9 不同狀態下傘式工具模型示意圖

3 傘式工具穩態力學分析

3.1 物理模型建立及有限元網格劃分

建立傘式工具工作時的三維物理模型（圖10-a），并對動力傳遞部分（即鉆桿整體，一端與海上平臺相連，另一端與傘式工具連接，模型含井下400 m直井段、400 m水平井段以及曲率半徑為100 m的斜井段）采用有限元法進行承受扭矩狀態下的靜力學分析，對物理模型進行了一定的簡化，但不忽略結構中產生的應力集中（圖10-b）。模型中直接使用結構鋼的屬性參數（表1），以接近傘式工具實際情況。

有限元分析中網格的結構劃分與數量直接影響計算精度和規模，針對物理模型的不同部位，網格劃分的疏密也不同。內、外主管桿和刀翼處網格劃分相對較疏，各個零件的連接處網格劃分則較密。本研究對所建立的物理模型進行自由四面體網格劃分，得到有限元網格模型（圖11）。

圖10 三維物理模型圖

表1 結構鋼屬性參數表

圖11 有限元網格劃分圖

表2 目標區水合物藏儲層特征數據表[14-15]

3.2 約束條件

根據開采工具的實際工作狀況及水合物儲層特性（表2），對處于工作狀態的傘式工具進行有限元計算時需要添加的約束條件包括水合物儲層給刀翼的負載（垂直方向上的壓力與回拉方向上阻力的合力）及工具旋轉過程中切削齒承受的切削阻力。刀翼負載取值為13 MPa[11]。根據Evans力學模型[12-13]，估算出切削阻力約為1.6×105N?；谖锢砟Ｐ蛯ΨQ性及控制計算規模的考慮，僅對其中一組刀翼添加了相應邊界載荷，并將開采工具的內管桿外邊界設置為固定邊界作為約束條件。

對于動力傳遞部分，也需依據上述條件進行轉矩計算。在有限元計算中，將轉矩添加在鉆桿上端的連接鉆桿上，在靠近開采工具的端面及鉆桿整體上端面添加固定約束，以此分析整個鉆桿是否會在作業時發生扭斷。

3.3 仿真分析

經過仿真計算求解，得到了傘式工具在工作時的等效應力分布，如圖12所示，傘式工具整體結構上并沒有崩壞斷裂，工具工作時最大應力位于活塞缸筒與外管桿的連接處，達372 MPa，未超過該部位所用材料的屈服強度（500 MPa）。刀翼整體發生了側偏，但不影響開采工具旋轉破碎水合物，只影響實際的開采范圍。此外，支撐刀翼的連接桿與外管桿固定鉸接底座也存在應力集中現象。對于動力傳遞整體鉆桿部分在開采作業時進行穩態分析，整體鉆桿部分并沒有發生扭曲變形，僅連接管產生了位移，但考慮到井下巖層的阻力約束，該位移量可不予考慮。整個鉆桿所受的最大應力為103 MPa，小于結構鋼的抗扭強度（124 MPa），滿足強度要求。鉆桿部分所受應力總體上呈現距離扭轉力矩作用處越遠，應力越不顯著的趨勢。另外，所設計傘式工具的回采速度與工具旋轉的切向速度、刀翼長度、刀齒的切削深度以及刀翼展開角度有關，工具旋轉的切向速度可參考鉆井破巖的等效設計值[16]，進而估算出傘式工具的回采速度約為0.8 m/min。

圖12 傘式工具等效應力分布圖

4 開采效果預估

經測算單井開采海洋水合物的經濟可行性標準為天然氣日產量大于12×104m3。根據我國南海北部區域的地質調查文獻，取儲層參數的保守值（孔隙度為40%，水合物飽和度為40%）、采收率為0.35、純水合物與產氣量體積比為1∶164，以及傘式工具的工作參數（開采直徑為4 m，回采速度為0.8 m/min）進行估算，單井日產天然氣可達13.29×104m3。可以看出，采用傘式工具進行水合物開采的日采掘量可滿足經濟性要求，具有商業化開采的應用潛力。

5 結論

本研究對一種新型的海底淺層水合物開采工具進行了設計分析，由靜力學分析的仿真結果可以得知工具在作業時不會發生崩壞，滿足材料強度要求，其最大應力位于活塞缸筒與外管桿的連接處，在后續的工具優化研究中可從結構上進一步考慮該連接處的優化。

2）對于連接傘式工具的動力傳遞整體鉆桿部分，仿真結果表明其在開采作業時處于非失穩狀態，滿足強度要求。

3）通過仿真計算，由等效應力云圖證實了傘式工具在井下工作的可行性，同時對開采效果進行了預估，認為在中國南海北部神狐區域，采用傘式工具進行水合物開采的日采掘量可滿足經濟性要求，具有商業化開采的應用潛力。