深水淺層非成巖水合物固態流化改進工藝探討

陳 陽,張建國,劉理明,陳宗毅,宋翰林

(1.中石化勝利石油工程有限公司 鉆井工藝研究院，山東 東營 257017；2.中國石油和化學工業聯合會“非常規油氣鉆完井技術重點實驗室”，山東 東營 257000；3.西南石油大學 石油工程學院，四川 成都 610500；4.中國石化勝利油田分公司 石油工程技術研究院，山東 東營 257000)

目前天然氣水合物試采主要采用降壓、注熱和CO2置換等常規方法，然而中國水合物資源的主要賦存形式是海洋深水淺層非成巖水合物藏，具有埋深淺、無致密蓋層、礦藏疏松、膠結程度低和易于碎化的特點，不適合使用常規方法進行開發[1]。為此，周守為院士帶領的研發團隊于2012年首次提出“固態流化綠色開采方法”[2]，可有效避免常規方法面臨的地質和環境風險，目前已針對神狐海域目標區塊成功實施試采作業。筆者在充分調研基礎上，闡述固態流化開采方法的機制，總結現場試采作業流程，指出現有工藝的不足，提出工藝的改進方向和相關配套技術，為后續試采作業提供參考。

1 固態流化方法的技術背景和機制

天然氣水合物是21世紀最有潛力替代常規石油天然氣的清潔能源，資源儲量巨大，97%以上的水合物分布在海洋大陸邊緣，其余則分布于陸地永久凍土帶。在從事水合物勘查和研究的諸多國家當中加拿大、美國和中國自1998 年起，分別在馬利克、阿拉斯加和青藏高原進行試采，分別使用加熱、降壓和CO2置換法；日本于2013 年和2017 年在南海海槽進行2 次試采，中國于2017 年在南海神狐海域進行了首次試采[3]，均使用降壓法。

然而，在中國國土資源部初步圈定的南海11個潛在水合物賦存區(深水陸坡帶，水深為600～2 200 m，埋深為10～300 m，遠景資源量約為680×108t)所取得的樣本幾乎全部為非成巖水合物，采用常規方法難以實施有效開發[4]，原因是開發深水淺層非成巖水合物藏存在巨大的地質風險和環境風險，屬于世界性難題。具體表現為：

(1)地質風險。常規開采方法無法精準控制水合物的分解速率和開采范圍，易導致水合物無序分解。水合物藏中的天然氣采出后造成地層虧空，同時，原始固態水合物穩定層變成可流動漿體，影響海底地質結構穩定性，引發海底滑坡或垮塌等地質災害。

(2)環境風險。水合物藏上覆地層通常為泥砂沉積層，密閉性較差。在鉆井或開采過程中，開采區域內溫度和壓力變化較大，導致水合物藏局部分解和氣化，儲層中自由天然氣失控，進而四處逸散。這不僅浪費資源、降低采氣率和產氣量，還會破壞海洋生態環境，產生大氣溫室效應，并影響海面船只和空中飛行器的正常航行。

針對深水淺層非成巖天然氣水合物開采的技術空白，周守為院士帶領的研發團隊提出“固態流化綠色開采方法”，其開采機制為：

(1)將深水淺層非成巖水合物當作一種海底礦藏資源，利用其疏松易于粉碎流化的地質特性，通過水力噴射法將固態沉積物破碎成細小顆粒，在密閉條件下與海水混合，形成可流動的混合漿體[5]。該作業過程基本不破壞水合物層的壓力和溫度平衡狀態，避免常規開采方法所面臨的井底大量出砂、水合物無序分解和井筒內水合物二次生成等問題。

(2)水合物混合漿體沿密閉管道自海底被舉升至海面工程船。在舉升過程中，漿體溫度自然升高，壓力自然降低，水合物發生部分分解，由穩定單相固態轉變為氣液固多相復雜管流，分解后氣體壓力增加，漿體密度降低，實現部分漿體自氣舉[6]。密閉管道起到常規油氣藏封閉蓋層的作用，使得無封閉的水合物礦體變成封閉系統內人工可控分解的礦體，實現安全、高效、綠色開采。

2 首次固態流化試采作業的施工工藝

中國海洋石油總公司依托“海洋石油708”深水工程勘察船，于2017年5月16日至31日實施首次固態流化試采作業[7]。目標層位為南海神狐海域荔灣3區粵海組和韓江組上段，其水深為1 310 m，埋深為117～196 m，層厚為60 m，地層平均孔隙度為43%，平均含水合物飽和度為40%。目標層位膠結性差，非成巖，巖性主要為泥巖、粉砂質泥巖、泥質粉砂巖、粉砂巖，其中以泥質粉砂巖為主。首次固態流化試采作業的施工流程如下：

(1)以海水為鉆井液，采用無隔水管鉆桿[8]鉆穿泥砂蓋層至水合物層，形成一開井眼，采用鉆桿固井方式固井[9](圖1(a))。

圖1 首次固態流化試采作業的施工流程

(2)在鉆桿內部下入連續油管[10-11]，其端部安裝有井下動力單彎螺桿鉆具組合，使用海水鉆井液，首先鉆穿井底鉆頭和水泥塞，而后根據井眼軌跡設計要求，在水合物層內鉆進二開井眼(領眼井)造斜段至A靶點(圖1(b))。

(3)起出連續油管，將端部鉆具組合更換為射流破碎工具[12]，下至二開井眼A靶點。海面工程船的海水控制裝置向連續油管內注入海水，射流破碎工具在井底噴射(徑向+軸向)破碎水合物至細小顆粒。同時，連續油管緩慢向前推進，直至噴射至B靶點9(圖1(c))。

(4)在噴射過程中，混合漿體經連續油管和鉆桿之間的環空被舉升至海面工程船9(圖1(c))，再進入帶壓沉降分離器和旋流分離器，被分離為天然氣、海水和泥砂。分離出的天然氣輸送至氣罐儲存，抽取一小部分作為樣本進行成分分析，大部分放噴實施點火測試，分離出的泥砂則輸送至泥砂罐儲存。

(5)鉆進噴射作業結束后，將泥砂罐中的泥砂再補充適量海砂，混合適當比例海水形成砂漿，以較小排量經連續油管回填井底采空腔體(圖1(d))。由于水合物層質地疏松、孔隙度大，且砂漿密度大、排量較小，因此會在井底發生井漏，液體不上返，從而實現泥砂在采空腔體內成功回填。在回填過程中，同時向上緩慢拖動連續油管，最終完成整個水平井段的回填作業。

試采期間平均日產氣量為8 350 m3，氣流總體穩定，井底狀態良好。收集水合物層分解氣81 m3作為檢測樣本，檢測結果指出，分解氣甲烷含量高達99.2%～99.8%。這標志著首次固態流化試采作業已成功實施，我國水合物安全綠色開采技術取得關鍵性突破。

3 固態流化方法工藝改進

到目前為止，深水淺層非成巖天然氣水合物固態流化開采方法尚處于技術論證階段[13]，遠未達到商業化開采要求。基于首次試采作業成果，提出一套以“鉆進—采掘”工具為核心的改進工藝方法，為下一次試采施工提供參考。“鉆進—采掘”工具自下而上分別由井下動力單彎螺桿鉆具組合[14]、“噴射—吸入—回填”總成[15]、雙層連續油管[16]、旋轉式造斜器[17-18]4部分組成，其功能及施工過程包括表層鉆進、領眼鉆進、回拖采掘、多方位采掘和多點位采掘。

3.1 表層鉆進

錨定海面工程船，采用無隔水管鉆桿鉆穿泥砂蓋層至水合物層，形成一開井眼，采用鉆桿固井方式固井(圖2)。

圖2 表層鉆進(一開井眼)

3.2 領眼鉆進

3.2.1 工藝要求及工具介紹

在首次固態流化試采過程中，使用射流破碎工具于水合物層內推進噴射，由于重力作用，射流破碎工具始終貼近于射流空腔的底部，從而使得射流井段形成增斜井眼軌跡，無法在較薄的水合物層內獲得足夠的采掘長度。領眼鉆進工藝能夠有效解決這一問題，在水合物層內快速形成一條較長的領眼，配合后續回拖采掘作業，可顯著增加一趟鉆進的開采量(圖3)。

圖3 領眼鉆進(二開井眼)

由于水合物層的上覆泥砂蓋層質地松軟，為造斜鉆具提供的造斜支撐力有限，因此有必要令一開井眼鉆穿蓋層，二開井眼在水合物層內開始造斜。南海神狐海域水合物層平均厚度僅為70 m[3]，造斜段的造斜率必須大于等于35°/30 m。

井下動力單彎螺桿鉆具組合配置了定向工具[19]、可調式彎接頭[20]和隨鉆測量工具MWD，全部由電纜驅動和傳輸信號。同時，引入旋轉式造斜器，如圖2所示，與鉆具組合相配合，用于提高二開井眼鉆進的造斜效果，以保證在較淺且較薄的水合物層中獲得足夠的水平進尺，在高造斜率條件下實現一趟鉆完成領眼。

旋轉式造斜器可進行周向360°轉向，由“鉆進—采掘”工具端部的電磁感應器[21]操控，輔助“鉆進—采掘”工具完成多方位鉆進—采掘作業(圖3)。旋轉式造斜器上部集成有懸掛器，入井安裝時，使用油管下至一開井眼底部，向油管內投球憋壓坐掛，倒扣丟手。當前點位完成采掘之后，可使用鉤形回收工具進行回收[22]。

3.2.2 施工過程

首先在一開鉆桿內下入“鉆進—采掘”工具，傳輸信號操控旋轉式造斜器轉向并鎖定至預設方位角。然后打開工程船高壓泵組，向雙層連續油管管內環空泵入高壓海水，驅動螺桿鉆具液壓馬達，帶動鉆頭旋轉，鉆穿一開井底鉆頭和水泥塞。最后按照井眼軌跡設計要求，滑動鉆進至B靶點，并在水合物層內完成二開井眼(領眼)鉆進。

3.3 回拖采掘

3.3.1 工藝要求及工具介紹

在首次固態流化試采中，水力噴射作業形成的混合漿體在被舉升至一開井眼底部之前，沿連續油管與二開井眼之間的環空返排，使得混合漿體暴露于水合物層裸眼井壁。由于水合物層質地疏松，孔隙度大，且漿體流壓高于儲層壓力，因此存在漿體漏失現象，不僅影響漿體舉升水合物顆粒的能力，而且可能導致固相顆粒提前分解[23]。為此，改進工藝采用雙層連續油管技術，建立起井底至海面工程船的完整密閉循環輸送管道。

此外，在雙層連續油管外部鋪設鎧裝電纜[24]，用于驅動“噴射—吸入—回填”總成和井下動力單彎螺桿鉆具組合的相關部件，并高效傳輸地面控制信號和井下監測反饋信號。

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“噴射—吸入—回填”總成是實施回拖采掘作業的核心部件，位于井下動力單彎螺桿鉆具組合上部。配置旋轉滑套[25]和球閥[26]，全部由電纜驅動和傳輸信號，負責切換鉆進作業和采掘作業的流體流道(圖4)。其功能包括：

(1)噴射。相比首次固態流化試采作業使用的射流破碎工具，“噴射—吸入—回填”總成取消向前噴射功能，泵入海水全部由徑向噴射通道(空心箭頭所示流動路徑)高速噴出，以高效碎化水合物層，擴大領眼。建議雙層連續油管尺寸選用88.9 mm外管和38.1 mm內管[22]，既可保證雙層連續油管管內環空的注入流量(驅動鉆具，高效徑向噴射)，又可保證內管上返流體流速(混合漿體攜帶固體顆粒能力[27])。

(2)吸入。首次試采作業的井底壓力較高(為了給混合漿體上返提供動力)，水合物層漏失量較大。在改進工藝當中，泵入海水驅動總成的液壓馬達，帶動總成的單螺桿泵，顯著降低吸入口附近的壓力，輔助流化后的混合漿體經吸入口進入回流流道(實心箭頭所示流動路徑)，避免混合漿體漏失進入儲層而難以上返。同時，螺桿泵提升混合漿體在雙層連續油管中的上返動力，保證混合漿體的攜固相顆粒能力。

(3)原位回填。井下初步分離混合漿體，以便盡可能保證采空腔體的穩定性，并減少舉升過程的無效能耗。經單螺桿泵加壓泵送后的混合漿體進入井下分離器[28]，分離出的部分泥砂經回填通道(雙實心箭頭所示流動路徑)噴出進行原位回填，分離出的其余混合漿體經雙層連續油管的內管向上輸送至海面工程船，再進行進一步分離。

圖4 “噴射—吸入—回填”總成(回拖采掘狀態)

3.3.2 施工過程

鉆進作業結束后即可實施回拖采掘(圖5)。操控“噴射—吸入—回填”總成的旋轉滑套，打開噴射通道準備噴射作業，同時操控球閥，關閉主流動通道，令井下動力鉆具組合停止工作。此時，“噴射—吸入—回填”總成內部流體流動路徑如圖4所示。在噴射作業的同時，緩慢回拖連續油管，逐步沿軸向擴大領眼，最終完成整個水平井段的噴射作業[29]。

圖5 回拖采掘

(2)在領眼鉆進過程中，“噴射—吸入—回填”總成的吸入和回填功能即已開始工作。為避免經回填通道噴出的泥砂阻塞“鉆進—采掘”工具向前滑動鉆進，應合理設計鉆井液性能和各項鉆進工程參數[1]，比如適當降低鉆井液密度、增大鉆井液排量、增大鉆進速度、密切關注海面處雙層連續油管外環空壓力等等，以防止鉆井液過多濾失，泥砂在領眼內大量沉降[27]。此外，“噴射—吸入—回填”總成結構較為復雜，工具外徑不應小于152.4 mm以保證足夠的設計空間，并配套152.4 mm鉆具和215.9 mm鉆頭。

3.4 多方位采掘

在領眼井水平段回拖采掘作業過程中，原位回填的泥砂量有限，為進一步防止水合物層采空區垮塌，應進行二次回填。在回拖采掘作業完成之后，停止向雙層連續油管管內環空泵入海水，上提“鉆進—采掘”工具至旋轉式造斜器上部。將海面工程船泥砂罐中的泥砂混合適當比例海水形成砂漿，以較小排量經雙層連續油管管外環空向下泵送。由于水合物層質地疏松、孔隙度大，且砂漿密度大、排量較小，因此會在井底發生井漏，液體不上返，濾出的泥砂則進一步回填采空腔且部分回填造斜段(圖6)。

圖6 泥砂二次回填

二次回填結束之后，操控“噴射—吸入—回填”總成的旋轉滑套，關閉噴射通道，同時操控球閥，打開主流動通道。操控旋轉式造斜器轉向，將方位角改變180°，按照3.2節和3.3節的步驟，完成第二道領眼的鉆進和回拖采掘作業。重復3.2節和3.3節的步驟，完成該點位360°方位的采掘作業(圖7)。

圖7 多方位采掘

相比首次試采僅沿一條軌跡噴射采掘，改進工藝采用單井口完成360°方位領眼井鉆進與噴射作業，可顯著增大水合物層開采范圍，提高單井采掘量。“鉆進—采掘”工具可實現領眼鉆進和回拖噴射采掘連作，減少工具起下次數，不僅大量節省工時，而且避免工具重入井眼，保證360°方位采掘作業高效實施。

3.5 多點位采掘

上提“鉆進—采掘”工具至海面工程船。使用連續油管下入鉤形回收工具，上提解掛并回收旋轉式造斜器。下入油管，將地面工程船分離出的泥砂向直井段內回填，直至將泥砂蓋層以下井口完全封填。上提油管，將端部脫扣工具對準一開鉆桿安全接頭[31]，向油管內投球并打壓，脫扣工具的雙封隔器脹封，繼續打壓，實現泥砂蓋層以上鉆桿脫扣(圖8)。上提油管至海面工程船，上提并回收鉆桿。移動工程船至下一個采掘點位。

圖8 一開鉆桿打壓脫扣

4 結 論

(1)提高采掘量。實施單井360°多方位采掘和多點位采掘；快速鉆進形成較長領眼并與回拖采掘連作，增加一趟鉆進的采掘量，減少工具起下次數，避免工具重入井眼以配合多方位采掘；井下吸入功能輔助混合漿體及時回流，有效避免管外環空沉降，由此增大噴射半徑，充分發揮徑向噴射潛力。

(2)提高采掘安全性。雙層連續油管形成全密閉通道，保證混合漿體安全高效舉升，避免漏失和固相顆粒提前分解；在采掘過程中，井下分離器同步分離部分泥砂，實現原位回填，有效降低舉升能耗，并避免水合物層采空區垮塌；一條井眼采掘完畢后實施泥砂二次回填，進一步避免采空區垮塌。

(3)提高造斜能力。旋轉式造斜器和可調式彎接頭配合使用，造斜率可提高至35°/30 m以上，滿足領眼只能在水合物層內開始造斜的要求。

(4)提高可操控性。在雙層連續油管外部鋪設鎧裝電纜，用于驅動、控制“噴射—吸入—回填”總成和井下動力單彎螺桿鉆具組合的開閉、測量部件，并實時獲得反饋信息，令“鉆進—采掘”工具更加可靠和高效。