宋 震 孫 穎 李凱莉 呂忠蕾 孫浩銘

西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院

0 引言

目前開采天然氣水合物（以下簡(jiǎn)稱水合物）的主要方法有熱激發(fā)法（加熱法）[1]、降壓法[2]、化學(xué)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(chǔ)層上覆層為密閉蓋層，具有良好的密閉性，有一定厚度且結(jié)構(gòu)堅(jiān)實(shí)，但這3種開采方法都不能精準(zhǔn)有效地控制水合物的分解速度以及開采范圍，且可能引發(fā)海洋地質(zhì)環(huán)境災(zāi)害。因此，對(duì)于存儲(chǔ)在深海淺層且埋深介于10～200 m的非成巖、弱膠結(jié)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(tài)流化綠色開采技術(shù)，即使用采掘設(shè)備將固態(tài)的水合物儲(chǔ)層破碎成細(xì)小顆粒，并通過密閉流化的方式輸送至海上平臺(tái)，在平臺(tái)上進(jìn)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(shè)計(jì)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(jīng)濟(jì)性不高。2017年5月，以中國(guó)南海北部海洋水合物儲(chǔ)集區(qū)為試采目標(biāo)區(qū)，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(shù)、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(shí)施海洋淺層非成巖水合物固態(tài)流化試采作業(yè)，標(biāo)志著我國(guó)水合物勘探開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)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(guī)模、范圍較大的水合物礦層開采，使開采的經(jīng)濟(jì)性受到顯著影響。為解決已有采掘工具表現(xiàn)不足的問題，針對(duì)非成巖弱膠結(jié)性水合物儲(chǔ)層特性，研發(fā)了一種適用于深海淺層水合物開采的傘式工具，依據(jù)開采工況建立了該傘式工具的三維結(jié)構(gòu)模型，并進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)力學(xué)仿真模擬分析，驗(yàn)證了使用該傘式工具進(jìn)行水合物開采的技術(shù)經(jīng)濟(jì)可行性，為后續(xù)開展傘式工具的實(shí)物試驗(yàn)奠定基礎(chǔ)。

1 淺層非成巖水合物開采工具的功能

據(jù)估計(jì)，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(guó)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(gè)：①淺層水合物儲(chǔ)層具有非成巖，膠結(jié)性差，開采后地層結(jié)構(gòu)發(fā)生變化易導(dǎo)致滑坡災(zāi)害；②水合物礦層分解產(chǎn)物為天然氣、水和泥沙，開采區(qū)域的溫度不宜過高，壓力變化不宜過大；③分解的天然氣進(jìn)入大氣層，對(duì)大氣環(huán)境造成一定的污染災(zāi)害。

固態(tài)流化開采法在我國(guó)南海水合物的成功試采，證實(shí)了該方法的可行性，具有應(yīng)用、發(fā)展前景。而針對(duì)前述淺層非成巖水合物開采面臨的問題，開采工具的設(shè)計(jì)研發(fā)需要具備4個(gè)方面的功能：①在承受上覆層壓力的同時(shí)，能夠進(jìn)行可控的水合物破碎和收集；②能夠進(jìn)行連續(xù)、穩(wěn)定的作業(yè)；③能夠?qū)Ψ蛛x后的泥沙進(jìn)行返排回填，避免采空區(qū)坍塌；④加大開采截面，提高開采效率。

2 傘式工具的設(shè)計(jì)

2.1 開采工藝流程

開采工藝流程分為4個(gè)步驟：①水平井完鉆后，依據(jù)水合物儲(chǔ)層特點(diǎn)選擇適宜的完井方式，完井后下入傘式工具；②待其到達(dá)指定工作位置后，在海上平臺(tái)給外管桿施加扭矩以及向前的推力，水平井終端處的內(nèi)管桿則保持不動(dòng)，將傘式工具緩慢旋轉(zhuǎn)展開，在彈性定位鎖塊的控制下使刀翼達(dá)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(tǒng)輸送至海上平臺(tái)，進(jìn)行分離、采集等后處理，分離后的泥沙通過管桿內(nèi)部軟管返排，回填至采空區(qū)；④采集完畢后，通過下入關(guān)閉工具將傘式工具閉合，回收開采工具（圖1）。

2.2 工具結(jié)構(gòu)示意圖及細(xì)節(jié)展示

傘式工具的整體結(jié)構(gòu)如圖2-a所示，采掘工具主要由外管桿、內(nèi)管桿、刀翼及活塞桿組成。其中，內(nèi)管桿嵌于外管桿內(nèi)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(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，外管桿上開有采集孔。刀翼與內(nèi)、外管桿均采用鉸鏈進(jìn)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(shè)計(jì)了3組刀翼，每組刀翼之間的夾角為120°。為保證商業(yè)化開采效率的實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)每個(gè)刀翼的長(zhǎng)度為3.6 m，同時(shí)為兼顧到其具有旋轉(zhuǎn)破碎的功能，刀翼上的切削齒形狀設(shè)計(jì)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(qiáng)。

外管桿與內(nèi)管桿均為中空，采用花鍵形式對(duì)兩者進(jìn)行連接，以保持其在旋轉(zhuǎn)作業(yè)時(shí)的同步性（圖4），管內(nèi)可進(jìn)行返排回填作業(yè)。下入傘式工具前，為了防止外管桿與內(nèi)管桿發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，兩者之間用若干限位銷釘固定住（圖5）。當(dāng)開采工具抵達(dá)指定工作位置后，內(nèi)管桿的終端與水平井終點(diǎn)端面接觸，通過海上平臺(tái)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(nèi)管桿受阻在水平方向上保持不動(dòng)，外管桿則繼續(xù)前移并使刀翼旋轉(zhuǎn)展開。

圖1 傘式工具工作狀態(tài)示意圖

圖2 傘式工具結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 刀翼及切削齒結(jié)構(gòu)示意圖

當(dāng)外管桿延伸至刀翼最佳切削角度時(shí)，安裝在內(nèi)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(shí)現(xiàn)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(yè)，工具繼續(xù)旋轉(zhuǎn)同時(shí)由連接的鉆桿往回拉，一邊切削破碎水合物儲(chǔ)層，一邊往回緩慢移動(dòng)。同時(shí)由外管桿上的采集孔收集破碎后的水合物細(xì)小顆粒，通過密閉流化、連續(xù)油管舉升等工藝將其抽提到海上平臺(tái)。在平臺(tái)上進(jìn)行氣液固三相分離，分離后的泥沙通過軟管并以內(nèi)管桿終端為出口返排回填。待該水合物礦層開采完畢后，對(duì)傘式工具進(jìn)行關(guān)閉回收工作。關(guān)閉工具的工作原理類似于一種可開關(guān)的滑套裝置[9-10]，通過抽油桿連接關(guān)閉工具（圖7），將其下入到外管桿腔內(nèi)，由于關(guān)閉工具支桿外徑大于內(nèi)管桿右端臺(tái)肩內(nèi)徑（圖8），隨著在海上平臺(tái)進(jìn)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(tài)下的三維模型如圖9所示。

圖4 內(nèi)、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(jié)構(gòu)示意圖

圖7 關(guān)閉工具結(jié)構(gòu)示意圖

圖8 內(nèi)管桿右端臺(tái)肩結(jié)構(gòu)示意圖

圖9 不同狀態(tài)下傘式工具模型示意圖

3 傘式工具穩(wěn)態(tài)力學(xué)分析

3.1 物理模型建立及有限元網(wǎng)格劃分

建立傘式工具工作時(shí)的三維物理模型（圖10-a），并對(duì)動(dòng)力傳遞部分（即鉆桿整體，一端與海上平臺(tái)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(jìn)行承受扭矩狀態(tài)下的靜力學(xué)分析，對(duì)物理模型進(jìn)行了一定的簡(jiǎn)化，但不忽略結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的應(yīng)力集中（圖10-b）。模型中直接使用結(jié)構(gòu)鋼的屬性參數(shù)（表1），以接近傘式工具實(shí)際情況。

有限元分析中網(wǎng)格的結(jié)構(gòu)劃分與數(shù)量直接影響計(jì)算精度和規(guī)模，針對(duì)物理模型的不同部位，網(wǎng)格劃分的疏密也不同。內(nèi)、外主管桿和刀翼處網(wǎng)格劃分相對(duì)較疏，各個(gè)零件的連接處網(wǎng)格劃分則較密。本研究對(duì)所建立的物理模型進(jìn)行自由四面體網(wǎng)格劃分，得到有限元網(wǎng)格模型（圖11）。

圖10 三維物理模型圖

表1 結(jié)構(gòu)鋼屬性參數(shù)表

圖11 有限元網(wǎng)格劃分圖

表2 目標(biāo)區(qū)水合物藏儲(chǔ)層特征數(shù)據(jù)表[14-15]

3.2 約束條件

根據(jù)開采工具的實(shí)際工作狀況及水合物儲(chǔ)層特性（表2），對(duì)處于工作狀態(tài)的傘式工具進(jìn)行有限元計(jì)算時(shí)需要添加的約束條件包括水合物儲(chǔ)層給刀翼的負(fù)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(zhuǎn)過程中切削齒承受的切削阻力。刀翼負(fù)載取值為13 MPa[11]。根據(jù)Evans力學(xué)模型[12-13]，估算出切削阻力約為1.6×105N?；谖锢砟Ｐ蛯?duì)稱性及控制計(jì)算規(guī)模的考慮，僅對(duì)其中一組刀翼添加了相應(yīng)邊界載荷，并將開采工具的內(nèi)管桿外邊界設(shè)置為固定邊界作為約束條件。

對(duì)于動(dòng)力傳遞部分，也需依據(jù)上述條件進(jìn)行轉(zhuǎn)矩計(jì)算。在有限元計(jì)算中，將轉(zhuǎn)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(gè)鉆桿是否會(huì)在作業(yè)時(shí)發(fā)生扭斷。

3.3 仿真分析

經(jīng)過仿真計(jì)算求解，得到了傘式工具在工作時(shí)的等效應(yīng)力分布，如圖12所示，傘式工具整體結(jié)構(gòu)上并沒有崩壞斷裂，工具工作時(shí)最大應(yīng)力位于活塞缸筒與外管桿的連接處，達(dá)372 MPa，未超過該部位所用材料的屈服強(qiáng)度（500 MPa）。刀翼整體發(fā)生了側(cè)偏，但不影響開采工具旋轉(zhuǎn)破碎水合物，只影響實(shí)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(yīng)力集中現(xiàn)象。對(duì)于動(dòng)力傳遞整體鉆桿部分在開采作業(yè)時(shí)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)分析，整體鉆桿部分并沒有發(fā)生扭曲變形，僅連接管產(chǎn)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(gè)鉆桿所受的最大應(yīng)力為103 MPa，小于結(jié)構(gòu)鋼的抗扭強(qiáng)度（124 MPa），滿足強(qiáng)度要求。鉆桿部分所受應(yīng)力總體上呈現(xiàn)距離扭轉(zhuǎn)力矩作用處越遠(yuǎn)，應(yīng)力越不顯著的趨勢(shì)。另外，所設(shè)計(jì)傘式工具的回采速度與工具旋轉(zhuǎn)的切向速度、刀翼長(zhǎng)度、刀齒的切削深度以及刀翼展開角度有關(guān)，工具旋轉(zhuǎn)的切向速度可參考鉆井破巖的等效設(shè)計(jì)值[16]，進(jìn)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(yīng)力分布圖

4 開采效果預(yù)估

經(jīng)測(cè)算單井開采海洋水合物的經(jīng)濟(jì)可行性標(biāo)準(zhǔn)為天然氣日產(chǎn)量大于12×104m3。根據(jù)我國(guó)南海北部區(qū)域的地質(zhì)調(diào)查文獻(xiàn)，取儲(chǔ)層參數(shù)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(chǎn)氣量體積比為1∶164，以及傘式工具的工作參數(shù)（開采直徑為4 m，回采速度為0.8 m/min）進(jìn)行估算，單井日產(chǎn)天然氣可達(dá)13.29×104m3?？梢钥闯?，采用傘式工具進(jìn)行水合物開采的日采掘量可滿足經(jīng)濟(jì)性要求，具有商業(yè)化開采的應(yīng)用潛力。

5 結(jié)論

本研究對(duì)一種新型的海底淺層水合物開采工具進(jìn)行了設(shè)計(jì)分析，由靜力學(xué)分析的仿真結(jié)果可以得知工具在作業(yè)時(shí)不會(huì)發(fā)生崩壞，滿足材料強(qiáng)度要求，其最大應(yīng)力位于活塞缸筒與外管桿的連接處，在后續(xù)的工具優(yōu)化研究中可從結(jié)構(gòu)上進(jìn)一步考慮該連接處的優(yōu)化。

2）對(duì)于連接傘式工具的動(dòng)力傳遞整體鉆桿部分，仿真結(jié)果表明其在開采作業(yè)時(shí)處于非失穩(wěn)狀態(tài)，滿足強(qiáng)度要求。

3）通過仿真計(jì)算，由等效應(yīng)力云圖證實(shí)了傘式工具在井下工作的可行性，同時(shí)對(duì)開采效果進(jìn)行了預(yù)估，認(rèn)為在中國(guó)南海北部神狐區(qū)域，采用傘式工具進(jìn)行水合物開采的日采掘量可滿足經(jīng)濟(jì)性要求，具有商業(yè)化開采的應(yīng)用潛力。