日本海洋甲烷水合物鉆完井生產測試介紹及啟示（Ⅱ）

張 磊

（中國石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，山東東營 257017）

2013 年3 月在日本中部東海岸外的南開槽東部地區成功施工世界上第一個海底甲烷水合物完井系統并進行了生產試驗。該完井系統采用電潛泵（ESP）與井下實時監測相結合同時產生分離的流體和氣體流到地面，結合自然和人工分離方法實現水合物的試采。甲烷水合物商業化建立后，有望成為一種新能源資源。海上甲烷水合物生產技術的研究還處于起步階段，隨著完井技術系統的發展。在加拿大麥肯齊三角洲的Mallik 場地進行了現場規模試驗，2002 年（第一次陸上甲烷水合物生產試驗）1 年，2007-2008 年（第二次陸上試驗）采用熱回收法和減壓法提取甲烷水合物生產甲烷氣體。

1 監控系統

壓力和溫度計放置在完井系統中，以便在測試期間收集“實時”信息。壓力和溫度數據取自尾管穿孔短節接頭下方、ESP 入口下方、ESP 排出處以及ESP 封隔器上方的位置（測量油管和環空）。此外，還有一條光纜貫穿整個完井管柱，并將其固定在鉆臺上的地面控制艙數據采集單元上，該單元將在整個試井期間提供實時分布式溫度傳感DTS 數據。

收集到的數據提供了關鍵的實時信息，可以計算出隔層段篩管/油管環空的密度梯度、泵下油管入口以及向系統提供的熱輻射的有效性。探測到在這些位置，甲烷水合物塞可以根據需要進行改造并注入化學物質。在生產試井中，所安裝的監測系統由以下單元組成：

（1）SureSENS125 電子壓力/溫度單表（測量環空）；

（2）SureSENS125 電子壓力/溫度雙表（測量環空和油管）；

（3）SureVIEW 光纖DTS 電纜；

（4）WellLIFT-H comms-on 井下傳感器（安裝在ESP電機底部）。

SureSENS 單量規位于尾管下部穿孔小管接頭上方的下部完井中。SureSENS 雙量規安裝在油管上，就在著陸管柱下方。

DTS 電纜貫穿完井系統的整個長度，從旋轉平臺到下部完井結束的地方。DTS 電纜沿著完井油管運行到密封總成，在密封總成處，DTS 電纜通過密封堆疊護罩，并在感應加熱器交叉下方的短節接頭上的密封總成上方拼接。DTS 電纜繼續連接到ESP 封隔器上，再次穿過ESP 封隔器，并在油管接頭的ESP 封隔器上方拼接。DTS 電纜繼續連接著陸器，在著陸器和防噴器罐之間進行拼接。從起落管柱開始，DTS 纜繩被卡在鉆桿到井架底板的鉆桿上，繼續工作通過滑輪到達管道甲板上的繞線機裝置。一根電纜將繞線機單元的DTS 電纜連接到ESP 監視系統（EMS）監視艙內的DTS 監視系統。

2 Canfield 襯套（最大限度地提高加熱效率）

地層下部完井與上部完井之間的界面是插入SC-1R 礫石充填封隔器密封孔內的定位器密封組件。由于DTS 電纜和電子儀表電纜跨儲層段安裝，因此選擇通過定位器密封總成?；谧畲箢A期流量以最小化摩擦，完井系統設計使用了位于砂面完井內部的60.3 mm 油管，為油管環空區域提供了最佳的篩管內徑，以提供最大的不受限制的流量。有助于穿孔短節通過密封總成直接安裝在下方的尾管接頭上，用一個88.9 mm 的油管（見圖1）。

圖1 Canfield 襯套（密封總成）

圖2 英國阿伯丁陸上鉆井設備國際培訓中心的疊加測試

3 準備工作

完井系統準備階段的驗證試驗已于2012 年7 月30 日至8 月8 日，在英國阿伯丁陸上鉆井設備國際培訓中心進行，疊加測試的目的如下：

（1）確認鉆臺完井系統的補裝/安裝/運行程序；

（2）驗證鉆臺完井系統補裝/安裝/在井眼過程中的處理設備；

（3）驗證鉆臺各工序的工藝時間；

（4）熟悉鉆臺完井系統的操作流程，確定完井系統安裝電纜卷繞機的位置和布置；

（5）確定所購設備的尺寸和連接方式；

（6）團隊建設。

測試工作用的攝像機和文件在生產測試之前分發給相關人員（見圖2）。

ESP 封隔器質量鑒定試驗的條件，具有能夠承受液體和氣體壓力的差異（19.3 MPa 從上方和下方的溫度在0 ℃和12.8 ℃ESP 封隔器進行試驗），滿足應用的要求。尺寸為51A4 ESP 封隔器，適用于244.475 mm、2.25 kPa。采用金屬和彈性體材料，滿足井下環境條件。設計封隔器專用測試夾具、制造并提供給獨立的第三方進行測試，使封隔器能夠適應這種具有挑戰性的低溫應用（見圖3），編制了測試程序。

尺寸為51A4 的ESP 封隔器通過了測試，符合低溫應用的要求。松開封隔器并從夾具上取下，然后送回拆下并矯正，為作業做準備。

圖3 封隔器測試

封隔器裝配功能測試由于裝配部件的復雜性，由各種直徑變化造成，設備偏心中心線由雙管柱和單管柱組件組合而成，在一根完井管柱內用偏心電纜和控制線夾緊，每個組件在ESP 組裝和全尺寸進行運行和功能測試，以確保最終安裝之前在實際海底作業，完井系統可以順利運行設置和回收。

該測試于2012 年12 月在美國路易斯安那州博西爾市的一個大型鉆機測試現場進行。測試證明，可以運行、設置和檢索完成系統，沒有遇到任何問題。

4 生產測試

2012 年第一次海上、水下、生產試驗的準備工作于第一季度進行。利用深海鉆井船（D/V）CHIKYU 共鉆得三口井無立管（見圖4）。

圖4 深海鉆探船（D/V）地球

在2012 年初鉆探中，在日本大巖山北坡進行了AT1-P 生產井（AT1-P）鉆探和AT1-MC、AT1-MT1 溫度監測井（AT1-MC、AT1-MT1）的溫度傳感器鉆探，并進行了密集的數據采集計劃。AT1-P 生產井位于日本南開槽東部，水深1 000 m。

5 生產試運行

在Shimizu 和Gamagori 的陸地上準備工作都會為現場操作節省每1 min，這將在高成本環境下降低整個項目的成本。工作前的準備對確保項目的及時和無縫執行至關重要。在日本，沒有當地的服務運營基地或客戶設施可用。所有的設備都在車間進行了預組裝和測試，以降低在海上安裝階段的準備時間。將井下工具運往日本之前，這些工具都在車間里進行了組裝、測試和檢查。對海上生產試驗的成功至關重要，所有收到的設備和貨物在交付之前都要進行組裝、測試和準確的檢查。

所有的組件都是在清水港或Gamagori 港接收和檢查的。所有井下設備、監控系統及相應的現場工具進行逐項檢查。在駛離海岸之前，能做的就是檢查是否有運輸損傷并確保所有組件項目和數量匹配安全發送到海外。1 月13 日至18 日，“深海鉆探船（D/V）千秋號”在清水港停泊。2013 年設備裝船時，在船的甲板上布置了一些重型設備，從碼頭裝載EMS 表面控制艙、電氣變壓器艙、SSTT 中央卷筒等。

（1）電纜滑輪、卷繞機、a 型架、夾緊工具等直接裝載到深海鉆井船（D/V）CHIKYU 上；

（2）上層控制室安裝在深海鉆井船（D/V）CHIKYU上。與客戶端電信供應商進行了通信測試；

（3）對所有設備進行逐一預檢，完成相應的測試表；

（4）對消耗品進行雙重檢查，確保有足夠的海外作業和足夠的備份；

（5）完成主著陸管柱和備用著陸管柱的電纜布置；

（6）接收上完井工具和管狀運行維修工具。

這項前期準備工作使完井系統能夠以安全有效的方式部署在現場。在礫石充填完井作業開始前，所有完井系統設備由補給船從Gamagori 港口運至深海鉆探船（D/V）CHIKYU。

6 深海鉆井船（D/V）梁卡和電纜滑輪的準備工作安裝

在井架水平梁結構上安裝四根梁夾，懸掛四根索滑輪，水平梁結構的位置在走廊旁邊，一個人坐在車載升降臺上可以幫助安裝在該位置。從中間管道甲板上的卷筒上伸出四條線，穿過橫梁穿過滑輪到達鉆臺（見圖5）。

圖5 吊桿梁上有4 根帶梁夾的電纜束

組成子程序集并測試由不同子程序集組成的完井管串。這些子組件在運往日本的不同地理位置前，在車間里盡可能多地進行了預組裝、扭矩測試和深海鉆探船上測試。尾管總成包括騾蹄、60.3 mm 油管短節、帶孔短節、帶儀表掛具和儀表量規的落地式短節。

（1）Canfield 套管總成包括交叉接頭、貫穿密封總成、定位接頭、剪切安全接頭和88.9 mm 油管接頭；

（2）ESP 封隔器總成，88.9 mm 油管Pup 接頭，DFH帶水力脫扣接頭、交叉接頭和60.3 mm 油管；

（3）SureSENS 規格載體與88.9 mm 油管短節接頭；

（4）兩套帶十字交叉器和88.9 mm 油管接頭的記憶量規托架；

（5）下部海底著陸組件包括快速連接接頭、88.9 mm油管接頭、帶槽吊架的可調接頭、下防噴器罐、墊片接頭、SSTT 接頭、剪切接頭、水下保持閥模塊、交叉接頭、處理接頭；

（6）上部海底著陸子組件包括交叉子組件、間隔子組件、上部防噴器罐、深水排氣閥組件、電液快速吊艙模塊、扶正器和處理短節接頭；

（7）表面流頭總成包括168.3 mm 鉆桿接頭、交叉接頭、旋轉接頭、表面流頭、全開安全閥接頭。

7 鉆臺布置及電纜滑輪設置

完成礫石充填作業后，將所有礫石充填作業設備從中管甲板區移走。然后將所有完井系統相關設備重新布置在中管甲板右舷并在鉆臺上，對前一天的完井系統進行補齊并在井中運行，中管甲板的左舷和右舷后部被氣/水分離器、標定罐、節流管匯、砂過濾器等地面流量試驗設備所占據。

8 完井系統的組成與運行

完井裝置從鉆臺底部到頂部由電纜連接而成。該組件由若干子組件和不同尺寸的管道組成。尾管總成和60.3 mm 油管段，TEC 線連接到溫度壓力計、連接管道和DTS 線。

（1）Canfield 襯套總成和IH 以下88.9 mm 油管段，TEC 線和DTS 線通過Canfield 襯套總成，并分別從電纜卷筒上拼接到線路上；

（2）IH 探測器安裝在177.8 mm 護罩罐。在連接探頭法蘭之前，電連接器要先將探頭連接在兩個探頭之間，60.3 mm 油管管路部分：①溫度壓力計和測量載體；②安裝DTS 終端坎菲爾德襯套裝配；彌補較低的連接裝配IH 組件：①IH 探針和護罩；②和③安裝IH護罩ESP 總成；ESP 部件：①安裝ESP 護罩；②ESP 氣體分離器；③組成提前穿孔護罩ESP 封隔器組裝；雙電力電纜滲透者系統：①BIW 雙電力電纜滲透者系統②布線DFS 子上面；③電纜穿越ESP 封隔器。

封隔器以上水下著陸裝置：①水下著陸組件；②SSTT 套筒護罩；③預設干電纜連接器低于水下著陸組件；④橫槽懸掛器168.3 mm。

鉆桿部分：①和②安裝電纜保護器表面流量頭。

（1）ESP 段和封隔器下方的88.9 mm 油管段；

（2）ESP 封隔器總成和水下平臺總成下方88.9 mm油管段；

（3）水下著陸總成部分；

（4）168.3 mm 鉆桿段；

商業行為往往都有個考察、論證、談判的過程，且每一個環節都要細而又細、慎之又慎，到了簽訂合同環節，更得字斟句酌，滴水不漏。但太多的人夢想著一夜暴富，于是傳銷盛行。

（5）表面流頭總成段。

在此過程中，電纜拼接工作是主要考慮因素之一。完井電纜系統在鉆臺上共拼接9 個點。最小化這些拼接的時間，優化了拼接點，將多根電纜平行拼接在鉆頭上拼接點處的地板。

（1）接合點1（S-1）：連接在溫度壓力計上的TEC線；

（2）接合點2（S-2）：TEC 線和DTS 線分別從電纜卷筒上拼接到線路上在Canfield 襯套總成上方；

（3）接合點3（S-3）：IH 的層狀電纜從上述電纜卷筒上接至電力電纜IH 組裝；

（4）接合點4（S-4）：ESP 的層狀電纜從上面的電纜卷軸上接合到電力電纜上ESP 組裝；

（5）接頭點5（S-5）：電除塵器和IH 的電力電纜在電纜接頭后面進行接頭分別位于封隔器總成下方；

（6）接頭點6（S-6）：ESP 電源線、IH 電源線、DTS線、TEC 線、化學注入線在封隔器上方的電纜和電纜/電纜卷筒上分別插接的線組裝；

（8）接合點8（S-8）：ESP 電源線、IH 電源線、TEC線、化學注入線分別連接在海底著陸組件和DTS 下方的預置電纜和線路上管線從海底著陸組件的管線卷筒上拼接到管線上。

接頭點：ESP 電力電纜、IH 電力電纜、TEC 線和化學注入線分別形成連接在海底平臺組件上方預置電纜和線上的中間管道甲板上的電纜和線卷。DTS 管線從海底著陸組件的管線卷筒上拼接到管線上。準備工作如下：

（1）鉆臺和中間管前甲板上啟動并運行與礫石充填后的裝配孔操作已經完成，水下著陸總成操作花了3 d，包括一天的停機時間由于IH 故障；

（2）2 d 時間水下著陸裝置的測試；

（3）1 d 洞鉆管的運行部分和操作；

（4）1 d 封隔器組、壓力測試和開放SAF 閥生產測試?？偣不? d 的時間。這些工作所需的時間大致與計劃的時間相同。

9 流量測試

流量測試從2013 年3 月12 日5：00 時ESP 打開直到2013 年3 月18 日13：00 時ESP 關閉。流量測試操作分四個階段：

第一階段：3 月12 日5：00～13：00。打開ESP，開始從井中抽水，逐漸降低井底壓力。甲烷水合物離解開始，甲烷氣體與水通過鉆桿氣體搜集器一起生產。

第二階段：3 月12 日13：00～3 月16 日1：00。ESP頻率57 Hz。井底壓力從13.5 MPa 降低。甲烷氣體生產穩定。在整個流動試驗過程中，氣列內都存在段塞流現象，但氣體分離器能夠很好地控制這種情況。

第三階段：3 月16 日1：00 至3 月18 日4：00。ESP頻率逐漸增加到70 Hz，井底壓力減少到3 MPa 的目標。在接下來幾天的流量測試中，天然氣和水的產量相當穩定。井底壓力在最大井深時逐漸降低至4.5 MPa。

第四階段：3 月18 日4：00～13：00。ESP 頻率降低保護泵，但又增加了。觀察到在水車處有出砂現象。地表出砂量約為27 m3。然而，底部壓力仍然很高，因此停止了天然氣生產。

10 試驗結果

在6 d 的流量試驗中，累計產氣量約為119 500 m3，累計產水量約為1 245 m3。甲烷氣體和水的產量分別約為2×104m3/d 和140 m3/d。

井底壓力維持在ESP 頻率與水車節流總管節流相結合的情況下。最終的結果是，在主水流的節流和壓井管線上幾乎不產生任何氣體。在試驗過程中達到的最大抽水量為200 m3/d，自由氣體流量為4 000 m3/d，系統的分離效率達到80 %。在完井系統設計中，利用現有的、經過驗證的技術，盡一切努力來降低風險。完井系統的氣體處理單元是通過大量的設計計算和對系統建模驗證后應用的最具試驗性的解決方案。該裝置達到了規定的性能指標。

11 總結

在操作之前，做了幾個假設，就最終完成的生產測試系統將如何結束達成了一致的決定，它需要所有學科的協調合作才能達到最終的設計。實踐證明，在海洋深水區進行甲烷水合物的分離和生產是可行的。在為期6 d 的測試期間，產生了大量的甲烷氣體。這是一個巨大的進步，因為甲烷被認為可以顯著減少溫室氣體的排放。然而，環境影響尚未評估，但無論如何，在尋找新能源的過程中，挑戰將繼續存在。這是世界上第一個海洋深水甲烷水合物生產試驗，證明一個巨大的成功，所有的項目目標都達到了。以往陸地作業的經驗已轉移到這次近海作業。雖然由于深水、強洋流引起的側向載荷、惡劣的天氣條件和海底下沉，這些挑戰也在加劇。該完井系統的設計達到了目的。從中吸取了許多經驗教訓，對于未來的項目來說，關鍵是各方緊密合作，確定各自組件之間的關鍵接口，以優化總體完成設計。

完成系統的設計，包括流體和氣體的分離，個別的管道流量保證，以及實施的監測系統，對測試結果的結果是無價的。

從電子儀表、ESP 傳感器、DTS 電纜壓力和溫度讀數中收集的數據和信息，可以在井眼的各個位置進行解釋和分析。正在進行的解釋和分析數據結果將幫助科學家、地質學家、儲層和完井工程師，開發一種流線型、低成本、高效和商業上可行的生產甲烷水合物的方法。