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。

深水含水合物地层钻井井口稳定性研究

深水钻井过程中,重达数百吨的水下井口在固井之前主要依靠周围海底土提供承载力,如果钻遇天然气水合物层,随着水合物的不断分解,地层的稳定性和承载力大幅下降,可能导致水下井口和表层导管失稳下沉,造成井眼报废等重大安全风险。分析了钻遇不同埋深和分布位置的水合物层对井口稳定性的影响,并开展了物理模拟试验,分析了不同饱和度和静置等候时间对承载力的影响规律。结果表明:水合物的埋深较浅,喷射下入过程中穿过水合物层后,地层的承载力最低,水下井口失稳的风险最高。水合物分解后地层极限承载力下降幅度最大可达35%。喷射后的静置等候时间对于水合物分解后的地层承载力的恢复影响很大,地层承载力在初期的1~12 h内增长明显,随后逐渐放缓,近似呈对数形式上升,建立了静置等候时间同承载力折减系数拟合模型;基于研究结果南海含水合物地层某井进行了表层导管下入深度设计和井口优选,在含水合物层钻井过程中可以适当增加表层导管入泥深度,增加静置等候时间,或使用吸力桩井口提高承载力,防止井口下沉,为深水含水合物地层钻井设计及井口安全评估提供了理论基础。

极地冷海浅层天然气水合物地层声学特性模拟实验研究

极地冷海区块巨厚冻土层下聚集的浅层天然气水合物地层在钻井过程中易分解,聚集喷发造成灾难性事故。为对钻井过程中冷海浅层存在的天然气水合物地层进行预测和识别,基于搭建的低温天然气水合物声学特性实验系统和人工水合物试样,研究了天然气水合物地层声波速度在不同参数条件下的变化规律,建立了浅层天然气水合物地层的声学特征响应模型,并对冷海浅层天然气水合物钻井风险进行评估。研究结果表明,浅层天然气水合物的声波速度与地层饱和度呈正相关,与地层孔隙度呈负相关,钻遇浅层天然气水合物地层风险分为红、橙、黄、蓝四个等级,其中红色风险等级最高,设计上应考虑重新制定井位,避免钻遇天然气水合物区域;通过开展针对冷海浅层天然气水合物地层风险评估,可以有效提高天然气水合物地层的识别精度,避免钻遇复杂地质灾害,能有效指导极地冷海安全高效勘探。

深海水合物和下伏气一体化开采层间干扰研究

南海天然气水合物常与下伏气、游离气耦合共生,实现天然气水合物和下伏气一体化开采是提高水合物开发经济效益的重要手段,但欠缺对一体化开采的层间干扰的研究。针对以上问题,结合我国南海天然气水合物储层及下伏气层物性参数,建立了水合物与下伏气耦合分布和一体化开采模型,采用数值模拟方法进行了天然气水合物与下伏气一体化开采的产能预测,得到了隔层厚度、水合物饱和度对层间干扰系数的影响,验证了水合物与下伏气一体化开采的可行性。研究结果表明:水合物与下伏气一体化开采时的层间干扰只存在于两层之间无隔层的情况下。两层之间渗透率级差越大,层间干扰越强。下伏气含气饱和度越大,对一体化开采产量的促进作用就越大,一体化开采模式效益会更加优于单采模式。水合物层含水合物饱和度越高,层间干扰程度对一体化开采模式的影响越小,一体化开采模式效益逐渐与单采模式持平,水合物饱和度高的地层与下伏气开采时采用分开开采的方式更有利于增加产量。本文为深海水合物和下伏气一体化开采产能预测与可行性分析提供了理论依据。