天然氣水合物開(kāi)發(fā)安全檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用研究

湯鳳林,蔣國(guó)盛,А.Я.Третьяк,В.Ф.Чихоткин,吳 翔,竇 斌,寧伏龍

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)〈武漢〉工程學(xué)院,湖北武漢 430074;2.俄羅斯南方國(guó)立技術(shù)大學(xué),俄羅斯諾沃切爾卡斯克 346411）

天然氣水合物開(kāi)發(fā)安全檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用研究

湯鳳林1,蔣國(guó)盛1,А.Я.Третьяк2,В.Ф.Чихоткин2,吳 翔1,竇 斌1,寧伏龍1

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)〈武漢〉工程學(xué)院,湖北武漢 430074;2.俄羅斯南方國(guó)立技術(shù)大學(xué),俄羅斯諾沃切爾卡斯克 346411）

中國(guó)近年來(lái)先后在南海北部和祁連山南緣青海省天峻縣永久凍土帶中發(fā)現(xiàn)天然氣水合物,這是一種新能源,它將對(duì)中國(guó)能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整和能源緊張的緩解起到非常重要的作用。但是,天然氣水合物開(kāi)采安全是個(gè)大問(wèn)題,已經(jīng)引起了國(guó)際上專(zhuān)家們的極大關(guān)注。俄羅斯南方國(guó)立技術(shù)大學(xué)地球物理、探礦工程和石油鉆采教研室開(kāi)發(fā)出來(lái)的天然氣水合物開(kāi)發(fā)安全檢測(cè)技術(shù)和方法,可以準(zhǔn)確確定出射孔部位的位置、檢查射孔部位是否阻塞和如何解阻等關(guān)鍵技術(shù),對(duì)天然氣水合物開(kāi)采安全提供了技術(shù)支撐,對(duì)此應(yīng)該進(jìn)行研究。

天然氣水合物;開(kāi)采;安全檢測(cè)技術(shù);應(yīng)用研究

1 概述

改革開(kāi)放30多年來(lái),中國(guó)經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展,國(guó)家實(shí)力大為增強(qiáng),國(guó)際地位顯著提高,令世人刮目相看。但是,中國(guó)人口眾多,資源有限,人均資源量很低,而且現(xiàn)在已經(jīng)成為世界上能源消耗大國(guó)之一。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的進(jìn)一步發(fā)展和人民生活水平的進(jìn)一步提高,能源供需矛盾將更加突出,形勢(shì)非常嚴(yán)峻。因此,必須積極尋找新能源。

新能源的種類(lèi)很多,天然氣水合物是最有潛力的一種。劉廣志院士非常關(guān)心天然氣水合物的勘探與開(kāi)發(fā),在“關(guān)于我國(guó)逐步開(kāi)展四大地球科學(xué)工程建議及其背景科研信息”中,把“建議勘探、開(kāi)發(fā)我國(guó)永凍層—濱?！Ｌ烊粴馑衔锏膽?zhàn)略、技術(shù)方法、設(shè)備的研究工作”列為第三個(gè)課題。

中國(guó)經(jīng)過(guò)多年多方面的努力,于2007年在南海北部發(fā)現(xiàn)了天然氣水合物,2009年9月又在祁連山南緣永久凍土帶打出了天然氣水合物,并取上了樣品,2010年又在其它地方打出了天然氣水合物。這就證明中國(guó)在海底沉積和大陸凍土層中都找到了天然氣水合物,找到了這種新的能源。可以相信,天然氣水合物的發(fā)現(xiàn)必將對(duì)中國(guó)的能源結(jié)構(gòu)產(chǎn)生非常重要的影響,對(duì)于緩解中國(guó)的能源緊張情況發(fā)揮巨大作用。

2 天然氣水合物的特點(diǎn)、形成條件和開(kāi)采特殊性

天然氣水合物(又稱(chēng)可燃冰）是一種儲(chǔ)量巨大、很有發(fā)展?jié)摿Φ男滦湍茉?世界上許多國(guó)家都在對(duì)其進(jìn)行積極研究和開(kāi)發(fā)。其特點(diǎn)有三,一是密度高: 1個(gè)體積水合物可以釋放164個(gè)體積的天然氣;二是儲(chǔ)量大:據(jù)目前一些專(zhuān)家的估計(jì),全世界天然氣水合物的蘊(yùn)藏量約為5×1018m3,相當(dāng)于目前世界年能源消耗量的200倍;三是高寒地區(qū)的油氣管道中,天然氣水合物會(huì)阻塞管道而影響油氣輸送。

天然氣水合物形成的條件為:一是烴類(lèi)氣體連續(xù)補(bǔ)給和水的供應(yīng)充足;二是天然氣水合物是在低溫(0～10℃）高壓(>10 MPa）條件下形成的;三是有足夠的生長(zhǎng)空間(見(jiàn)圖1）。

圖1 天然氣水合物壓力(深度）和溫度穩(wěn)定區(qū)間示意圖

從圖1可知,天然氣水合物是在低溫高壓條件下形成的,如果破壞了低溫高壓這個(gè)條件,可燃冰就會(huì)融化分解,形成天然氣。因此,為了開(kāi)采天然氣水合物,世界上許多國(guó)家都在降低壓力和提高溫度上下功夫,都在研制各種類(lèi)型降壓裝置和研究各種升溫辦法和措施。但是,無(wú)論是使用何種降壓手段(如加拿大馬肯澤河三角洲Mallik井試驗(yàn)降壓開(kāi)采試驗(yàn)）,還是運(yùn)用何種升溫(熱水、蒸汽或核廢料及其組合）辦法(如俄羅斯發(fā)明專(zhuān)利資料）,或者是利用化學(xué)抑制劑打破其相平衡(如前蘇聯(lián)麥索雅哈氣田利用甲醇提高產(chǎn)量）的措施,都必須把可燃冰變成氣體(多相流）后才能將其開(kāi)發(fā)出來(lái)。目前世界上只有前蘇聯(lián)有開(kāi)采天然氣水合物的經(jīng)歷,其他國(guó)家都是處在試驗(yàn)研究開(kāi)采階段。

劉廣志院士指出,“第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束后,在佛羅里達(dá)、白慕大群島和波多黎各之間的白慕大三角區(qū)海域不知何故引起了天然氣水合物大量分解,造成了嚴(yán)重的海水氣化與海嘯,使過(guò)路的大型船只沉沒(méi)海底,5架軍用飛機(jī)吸入海內(nèi),數(shù)艘半潛式鉆井平臺(tái)、懸浮式鉆井船相繼傾覆?！啄酱笾浴恢蔽唇?。據(jù)說(shuō),疑與天然氣水合物有關(guān)”。因此,天然氣水合物的開(kāi)采安全問(wèn)題引起了舉世的關(guān)注。

安全生產(chǎn)是中國(guó)上至高層下至百姓普遍關(guān)心的問(wèn)題,天然氣水合物的開(kāi)采更是如此,因此,一定要高度重視,加以深入研究,采取措施,妥善解決。

3 天然氣水合物開(kāi)發(fā)的安全檢測(cè)應(yīng)用技術(shù)

天然氣水合物的安全開(kāi)發(fā)與油氣井流入狀態(tài)有關(guān)。油氣井流入狀態(tài)反映了油藏向該井供油氣的能力,而且與油藏驅(qū)動(dòng)類(lèi)型、完井狀況、油藏及流體物性有關(guān)。目前中國(guó)廣泛使用的是射孔完井方式,包括套管射孔完井和尾管射孔完井(見(jiàn)圖2）。從圖2可見(jiàn),為了安全開(kāi)采,必須保證射孔部分暢通無(wú)阻,必須保證射孔周?chē)鷽](méi)有阻塞,否則必須采取有力措施加以解決。

圖2 開(kāi)發(fā)套管射孔完井示意圖

俄羅斯南方國(guó)立技術(shù)大學(xué)地球物理、探礦工程和石油鉆采教研室,利用該教研室人員組成的優(yōu)勢(shì)和專(zhuān)業(yè)面寬的特點(diǎn),對(duì)鉆井周?chē)锢韴?chǎng)進(jìn)行了充分研究,開(kāi)發(fā)出了一套分辨率高的井中地球物理檢測(cè)技術(shù)ВРТ-ГИС。在這套儀器中,利用地球物理場(chǎng)研究結(jié)果,使用了研制的精密傳感器,可以對(duì)套管柱內(nèi)及管柱壁上的微細(xì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究,利用了模塊式設(shè)計(jì)原理,可使井中儀器同時(shí)進(jìn)行多項(xiàng)測(cè)量,利用了現(xiàn)有和新開(kāi)發(fā)的軟件包對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并進(jìn)行綜合解釋,并在100多口井中進(jìn)行了試驗(yàn),取得了很好的效果,證明了這套儀器的有效性和可靠性。

ВРТ-ГИС組成部分見(jiàn)圖3。

圖3 檢測(cè)天然氣水合物開(kāi)發(fā)套管、固井技術(shù)狀態(tài)用儀器

這套儀器的使用條件是:(1）井中已經(jīng)下有套管,套管外可以充滿任何類(lèi)型的鉆井液;(2）井中地球物理儀器直徑和井身結(jié)構(gòu)各個(gè)部分、井口設(shè)備內(nèi)部通孔直徑之間的距離不得低于10 mm;(3）一般測(cè)量的記錄速度不得大于2000 m/h,精細(xì)測(cè)量不得大于150～400 m/h。

利用上述儀器可以實(shí)現(xiàn)以下工作:

(1）檢查管柱外充滿泥漿、石油、天然氣及其混合物的套管柱(OK）和抽油管柱(HKT）的技術(shù)狀態(tài):檢查接箍(接頭）的位置,檢查套管柱(OK）連接部分的位置,確定射孔的部位,測(cè)定管柱(OK）連接部分的深度,測(cè)定管柱(OK）外孔隙和通道阻塞的地點(diǎn),并可取得下述資料:有關(guān)套管柱(OK）和抽油管柱(HKT）內(nèi)徑變化的資料,套管柱(OK）射孔時(shí)管材侵蝕磨損情況,套管柱(OK）內(nèi)列隙長(zhǎng)度>50 mm的數(shù)量和位置情況,裂隙連通的情況,套管柱(OK）接箍(接頭）和套管柱損傷部位的密封情況,等等。

(2）檢查管柱外水泥石的狀態(tài):水泥石的密封情況,檢查并確定孔隙和通道阻塞時(shí)修井漿液擴(kuò)展的部位。

(3）確定射孔部位與油氣層層位的關(guān)系。

(4）確定管柱外孔隙和通道阻塞的部位,并確定流體的性質(zhì)和流量。

3.1 天然氣水合物開(kāi)發(fā)時(shí),套管(抽油）管柱(接頭）漏失檢測(cè)方法和技術(shù)

套管(抽油）管柱(接頭）漏失是在庫(kù)謝夫地下儲(chǔ)氣庫(kù)對(duì)74號(hào)鉆井進(jìn)行檢驗(yàn)的。

檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖4。從該圖可見(jiàn),用常規(guī)的儀器АКШ(左圖）和井溫測(cè)量技術(shù)(中間圖）,漏失情況未能檢測(cè)出來(lái)。

圖4 庫(kù)謝夫地下儲(chǔ)氣庫(kù)74號(hào)鉆井套管柱(接箍）技術(shù)狀態(tài)檢驗(yàn)結(jié)果

用聲波探測(cè)儀CMAⅢ-42進(jìn)行了檢測(cè)。檢測(cè)是用600 Hz(綠色曲線）、1000 Hz(紫色曲線）、2000 Hz(紅色曲線）和5500 Hz頻率(藍(lán)色曲線）進(jìn)行的(圖4右部）。從圖4右部可見(jiàn),除了第一個(gè)接頭在12 m深處在儀器下到了井中液體的過(guò)渡帶中以外,所有其它接頭均按照聲波探測(cè)儀CMAⅢ-42和流量測(cè)量?jī)x都分辨出來(lái)了。在10～190 m井段,對(duì)該井進(jìn)行了流量測(cè)量,發(fā)現(xiàn)有8個(gè)接頭不漏水,有9個(gè)接頭漏水(見(jiàn)圖4右部中紅點(diǎn)處）。測(cè)得的總和漏失量隨著井深的減少而增大,說(shuō)明存在漏失情況。實(shí)踐證明,新研制儀器測(cè)得的結(jié)果是正確的,可信的。

3.2 套管射孔部位檢測(cè)方法技術(shù)

對(duì)套管射孔部位進(jìn)行了檢測(cè)。已知射孔實(shí)際部位為989～997 m。檢驗(yàn)結(jié)果示于圖5上。

檢測(cè)是用高分辨率ИДК-105 M和CMAⅢ-42儀器進(jìn)行的,區(qū)分出了套管柱上的射孔部位。

用常規(guī)磁力定位器CMЛ-90(藍(lán)色曲線—中間圖）確定的為996～1006 m,是不能令人滿意的。

用新研制的探傷儀ИДК-105М(黑色的為ИДК儀器,淺藍(lán)色的為ИДД儀器—左圖）和常規(guī)井徑儀ПТС-4得到的資料(右圖）解釋確定的射孔部位990.8～999.2 m,是非常令人滿意的。

3.3 套管射孔部位堵塞檢測(cè)方法技術(shù)

圖5 套管柱上射孔部位檢測(cè)結(jié)果

監(jiān)測(cè)是在克拉斯諾達(dá)爾地下儲(chǔ)氣庫(kù)74號(hào)鉆井進(jìn)行的。射孔部位是否堵塞是用放射性測(cè)井方法進(jìn)行的。在1000～1001 m深處,通過(guò)專(zhuān)門(mén)工藝向管外空間的孔隙和通道中注入了修井堵漏漿液(含有Na2CO3的膨潤(rùn)土漿液）。檢測(cè)是用快速中子輻射方法進(jìn)行的。

檢測(cè)結(jié)果示于圖6上。

圖6 射孔部位阻塞情況檢測(cè)結(jié)果

測(cè)量了管外介質(zhì)的放射性背景值(Г1—左黑色曲線）、修井用堵漏液活化后的輻射水平(Г2—中紅色曲線）,確定了每個(gè)深度上的伽馬放射性強(qiáng)度差Δ Г=Г2-Г1(右淺黃色部分）。

在884～969 m部分,Г1—黑色曲線和Г2—紅色曲線幾乎是一致的。

但是,在970～1020 m部分,Δ Г值(淺黃色部分）是不一致的,說(shuō)明井管外通道和孔隙充滿了含Na2CO3的修井用膨潤(rùn)土堵漏液,可能阻塞射孔部分,需要處理。

3.4 套管射孔部位堵塞處理方法技術(shù)

儲(chǔ)層套管射孔堵塞是用井中氣動(dòng)沖擊器ПИУС產(chǎn)生的沖擊波來(lái)處理的,利用這種沖擊波可以解決射孔部位的堵塞問(wèn)題,見(jiàn)圖7。此外,根據(jù)物理方法提高油氣產(chǎn)量原理可知,研制成功的井下氣動(dòng)沖擊裝置ПИУС所產(chǎn)生的低頻沖擊振動(dòng)波,還可在近井地帶形成微裂隙,疏通油層,連通孔隙,提高油氣產(chǎn)量。ПИУС沖擊器的技術(shù)特性見(jiàn)表1。

圖7 利用井中氣動(dòng)沖擊器ПИУС產(chǎn)生的沖擊波來(lái)處理儲(chǔ)層套管射孔堵塞示意圖

表1 井中氣動(dòng)沖擊器ПИУС的技術(shù)特性

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)上述討論,可得出以下結(jié)論:

(1）天然氣水合物是一種新能源,世界各國(guó)都在研究它,尋找它。中國(guó)近年來(lái)在海底沉積和大陸凍土中先后發(fā)現(xiàn)了天然氣水合物。這種新能源將對(duì)中國(guó)能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整和能源緊張的緩解起到非常重要的作用。但是,天然氣水合物的安全開(kāi)發(fā)問(wèn)題,是各國(guó)專(zhuān)家關(guān)注的問(wèn)題。“白慕大之迷”一直未解,世人擔(dān)心可以想象。我們對(duì)此應(yīng)該高度重視,認(rèn)真研究,充滿信心,解決好天然氣水合物開(kāi)發(fā)的安全問(wèn)題,但是,不能談“虎”色變。

(2）天然氣水合物的安全開(kāi)發(fā)取決于油氣井流入狀態(tài),而且與油藏驅(qū)動(dòng)類(lèi)型、完井狀況、油藏及流體物性有關(guān)。目前廣泛使用的是射孔完井方式。為了安全開(kāi)采,必須保證射孔部分暢通無(wú)阻,必須保證射孔周?chē)鷽](méi)有阻塞,否則必須采取有力措施加以處理和解決。

(3）俄羅斯南方國(guó)立技術(shù)大學(xué)地球物理、探礦工程和石油鉆采教研室開(kāi)發(fā)出來(lái)的天然氣水合物開(kāi)發(fā)安全檢測(cè)技術(shù)和方法,可以準(zhǔn)確確定出射孔的部位、檢查射孔部分是否阻塞和如何解阻等,為天然氣水合物的安全開(kāi)發(fā)提供了技術(shù)支撐。建議對(duì)此進(jìn)行研究。

(4）上述教研室把地球物理、探礦工程和石油鉆采結(jié)合起來(lái),頗具特色,拓寬了專(zhuān)業(yè)面,加強(qiáng)了綜合性,有利于教學(xué)的深入和科研的開(kāi)展,教學(xué)質(zhì)量有了提高,科學(xué)實(shí)踐受到了鍛煉,畢業(yè)生就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力大為增強(qiáng),用人單位比較滿意。這一點(diǎn)對(duì)我們也應(yīng)有所啟發(fā)。

[1] 劉廣志.關(guān)于我國(guó)逐步開(kāi)展四大地球科學(xué)工程建議及其背景科研信息[M].北京:2003.

[2] 蔣國(guó)盛,王達(dá),湯鳳林,等.天然氣水合物的勘探與開(kāi)發(fā)[M].湖北武漢:中國(guó)地質(zhì)大學(xué)出版社,2002.

[3] 襯濤平,胡靖邦.石油工程[M].北京:石油工業(yè)出版社,2001.

[4] 湯鳳林,蔣國(guó)盛,等.利用雙井筒大水平距對(duì)接井鉆井技術(shù)熱力開(kāi)采天然氣水合物[J].探礦工程(巖土鉆掘工程）,2010,37 (3）:1-4.

[5] Третьяк А.Я.,Чихоткин В.Ф.,Рыбальченко Ю.М. Повышение продуктивностидобывающихскважинна. Леоновском газонефтяном месторождении[J].ИВУЗ Сев. -Кавк.Регион.Техн.Науки,2004,(2）.

[6] Третьяк А.Я.,Чихоткин В.Ф.Перспективные технологии освоения месторождений углеводородного сырья[M].ЮНЦ РАН.Новочеркасск,2005.

[7] Третьяк А.Я.,Чихоткин В.Ф.,Рыбальченко Ю.М.Новые перспективные технологии сооружения скважин на нефть и газ[J].Интервал,2006,(1）.

[8] Третьяк А.Я.,Чихоткин В.Ф.,Литкевич Ю.Ф.,Богданов Н.И.Устройстводляобработкипризабойнойзоны нефтегазового пласта[J].Интервал,2006,(1）.

[9] Чихоткин В.Ф.Скважинная гидродобыча-инновационное развитие разработки полезных ископаемы[J].Интервал, 2007,(1）.

[10]Третьяк А.Я.,Чихоткин В.Ф,Буровой раствор и управление его реологическими свойствами при бурении скважин в осложненных условиях[J].Бурение и нефть, 2007,(7,8）.

[11] Третьяк А.Я.,Чихоткин В.Ф.Техника и сооружения гидрогеологическихскважин[M].ЮНЦРАН, Новочеркасск,2007.

[12] Третьяк А.Я.,Чихоткин В.Ф.Ранжирование факторов влияния реагентов и ихсочетанияна реологические свойства бурового раствора методом случайного баланса [J].ОАО НПО Бурение,2007,(17）.

[13] Третьяк А.Я.,Чихоткин В.Ф.,Зиновьев В.В.Методы увеличениянефтеотдачипласто[M].Новочеркасск ЮРГТУ(НПИ）,2005.

[14] Третьяк А.Я.,Чихоткин В.Ф.,Зиновьев В.В.Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых месторождений[M]. Новочеркасск ЮРГТУ(НПИ）,2005.

[15] Третьяк А.Я.,Чихоткин В.Ф.,Зиновьев В.В.Метод увеличениянефтеотдачипластаМатериалы3-й Международной конференции[M].Геленджик,2006.

[16] KulchitskyV.V.New Method of?Development of Gas Hydrate Fields:Problems and perspective[J].22-nd World Gas Con-ference,Tokio,2003/Basniev K.S.

[17] Кульчицкий В.В.Способы разработки газогидратных месторождений[J].Газовая промышленность,2006, (7）//Басниев К.С.,Щебетов А.В.,Нифантов А.В.

[18] Кульчицкий В.В.Способ термической разработки месторождений газовых гидратов.Патент на изобретение№2306410от22.12.2005.БИ№26от20.09.2006. Щебетов А.В.,Ермолаев А.И.

Application Research on Safety Control and M easure Technology in Gas Hydrate Exploitation

TANG Feng-lin1, JIANG Guo-sheng1,A.I.Trejiak2,V.F.Chikhotkin2,WU Xiang1,DOU B in1,N ING Fu-long1(1.China University of Geo-science,Faculty of Engineering,Wuhan Hubei 430074,China;2.South Russian State Technical University,No-vocherkassk 346411,Russia）

For recent years gas hydrate has discovered in northern part of Southern ocean and in frozen zone of southern fringe ofQilian mountain,in Qinghai province,Tianjun county in China.This new energy source will play an important role for adjusting energy resources structure and relaxing the energy resources tension of China.But,the exploitation of the gas hydrate and its security are serious problem in the World.The Teaching group of geophysics,exploration engineering and oil drilling engineering of South Russian State TechnicalUniversity has developed a technology and methodology system of safety controlling and measuring.W ith the system the position of CT perforation part and the blocking up of the part can be deter mined and what correspondingmeasures to solve the blocking up should be taken.Therefore the system provides a technical support for safety exploration of gas hydrate.

gas hydrate;exploitation;safety control and measure technology;application research

TD87;P634

:A

:1672-7428(2010）10-0009-05

2010-09-10

2008～2010年度中俄政府間科技合作項(xiàng)目(項(xiàng)目號(hào)為CR12-13,項(xiàng)目名稱(chēng)為“天然氣水合物鉆井安全與取心控制技術(shù)研究”）

湯鳳林(1933-）,男(漢族）,遼寧義縣人,中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢）教授、博士生導(dǎo)師,國(guó)際礦產(chǎn)資源科學(xué)院院士、俄羅斯工程院外籍院士,探礦工程專(zhuān)業(yè),從事鉆探(鉆井）方面的教學(xué)和科研工作,湖北省武漢市魯磨路388號(hào),fltang@cug.edu.cn;蔣國(guó)盛(1965-）,男(漢族）,江蘇人,中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢）工程學(xué)院院長(zhǎng)、教授、博士生導(dǎo)師,俄羅斯自然科學(xué)院外籍院士,探礦工程專(zhuān)業(yè),從事探礦工程和天然氣水合物方面的教學(xué)和科研工作,jianggs65@vip.sina.com。