張 磊

（中國(guó)石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，山東東營(yíng) 257017）

2001 年起由日本“甲烷水合物研究聯(lián)盟”成員發(fā)起開展了甲烷水合物的技術(shù)研究與開發(fā)工作。日本資源公司（簡(jiǎn)稱MH21）“對(duì)經(jīng)濟(jì)部和貿(mào)易部的財(cái)政支持”。日本石油、天然氣和金屬國(guó)家公司（JOGMEC）計(jì)劃和項(xiàng)目由日本石油勘探株式會(huì)社（JAPEX）運(yùn)營(yíng)管理。日本鉆井公司（JDC）在日本石油公司的指導(dǎo)下設(shè)計(jì)并集成了完井系統(tǒng)。貝克休斯設(shè)計(jì)了提供的設(shè)備并操作完井系統(tǒng)。

本項(xiàng)目對(duì)甲烷水合物集中區(qū)（MHCZ）進(jìn)行了識(shí)別，在此基礎(chǔ)上，對(duì)日本近海海域的甲烷水合物進(jìn)行了定量估算，結(jié)合地震勘探、地層錄井、巖心樣品等資料進(jìn)行評(píng)價(jià)。

當(dāng)甲烷水合物商業(yè)化建立后，有望成為一種新能源資源。海上甲烷水合物生產(chǎn)技術(shù)的研究還處于起步階段，在它們的早期階段，隨著完井系統(tǒng)的發(fā)展。在加拿大麥肯齊三角洲的Mallik 場(chǎng)地進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)規(guī)模試驗(yàn)，2002 年（第一次陸上甲烷水合物生產(chǎn)試驗(yàn)）1 年，2007-2008 年（第二次陸上試驗(yàn)）采用熱回收法和減壓法提取甲烷水合物生產(chǎn)甲烷氣體。因此，減壓法是目前在日本近海廣泛采用的最有效的減壓方法。

在規(guī)劃過程中，進(jìn)行了初步的工程研究來設(shè)計(jì)完井，該系統(tǒng)利用電除塵器來降低水合物生成的壓力，從而達(dá)到降低水合物生成壓力的目的，分解導(dǎo)致甲烷和水的產(chǎn)生。完成了該系統(tǒng)用于第二次陸上甲烷水合物的生產(chǎn)試驗(yàn)，位于馬利克現(xiàn)場(chǎng)麥肯齊三角洲地區(qū)的西北領(lǐng)土。第一步是審查一些備選的完井設(shè)計(jì)，這些設(shè)計(jì)導(dǎo)致了初步的技術(shù)研究。設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是獲得大量的井下數(shù)據(jù)將用于后續(xù)儲(chǔ)層建模和開發(fā)，了解如何形成未來商業(yè)可行的解決方案。隨后進(jìn)行的第二項(xiàng)技術(shù)研究主要是更詳細(xì)的級(jí)別，以允許達(dá)到最終完成設(shè)計(jì)。這使得項(xiàng)目將移到一個(gè)可以訂購(gòu)設(shè)備和額外安裝工作的階段程序、子裝配組成和詳細(xì)的物流和接口最終確定。進(jìn)行完井系統(tǒng)設(shè)計(jì)，開發(fā)出一套能夠?qū)崿F(xiàn)該設(shè)計(jì)的解決方案在有限的可用空間內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)，迭代過程需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行折中方案和修改。

1 生產(chǎn)測(cè)試目標(biāo)

（1）減壓方法是降低靜水壓力最有效的方法之一。井下生產(chǎn)測(cè)試系統(tǒng)可以減少底部壓力高達(dá)3 MPa。

（2）收集井下和地面的高質(zhì)量數(shù)據(jù)，評(píng)價(jià)井底情況與地層的反應(yīng)，了解甲烷水合物的壓力和離解行為以及甲烷氣體生產(chǎn)。系統(tǒng)可以處理大約一個(gè)月的流量測(cè)試，測(cè)試期間收集井下的壓力溫度數(shù)據(jù)。

2 基本設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

為了配合這項(xiàng)挑戰(zhàn)性的應(yīng)用，完井系統(tǒng)必須遵守多項(xiàng)基本設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，包括：

（1）ESP 的封隔能力滿足所需的壓力下降以減少靜水壓力；

（2）設(shè)計(jì)ESP 覆蓋各種水流速分解過程的不確定性。

ESP 封隔器必須能夠承受流體和氣體的壓力差：流體的壓力19 MPa 和天然氣14 MPa 的溫度在0 ℃和12.78 ℃。

（3）設(shè)計(jì)封隔器，設(shè)定和測(cè)試有兩組管線穿越的封隔能力。隔水管內(nèi)的168.3 mm 鉆桿產(chǎn)生分離氣體，進(jìn)入氣體吸收裝置。泵送的水是通過海底節(jié)流管線在海洋立管系統(tǒng)中產(chǎn)生的，進(jìn)入水吸收裝置，通過處理回注，循環(huán)使用（注：采用循環(huán)一體化技術(shù)解決水合物生成產(chǎn)生水的問題）。

（4）收集井下測(cè)試高質(zhì)量數(shù)據(jù)，評(píng)價(jià)井底壓力與地層反應(yīng)之間的關(guān)系，在操作過程中井下實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)最大化便于決策和未來的分析來評(píng)估系統(tǒng)的性能和潛力。提供最大的流量保證和應(yīng)急措施，避免管柱發(fā)生水合物重整。

（5）氣體在井下從水吸收裝置分離，井下感應(yīng)加熱器的加熱效率（IH）和ESP 電動(dòng)機(jī)功率最大化。

（6）安全操作：確保所有的障礙可以測(cè)試，特別是驗(yàn)證生產(chǎn)封隔器的性能。確保所有接口正確的安裝，包括防砂，第三方組件如感應(yīng)加熱器、著陸管柱和深海鉆井船（地球號(hào)）的操作人員。“地球號(hào)”不僅船體龐大，同時(shí)也綜合了科學(xué)鉆探定位和分析的集成技術(shù)，這包括可以在水深2 500 m（將來可達(dá)4 000 m）的海底之下鉆探到7 000 m 的立管式鉆探系統(tǒng)，以及保持船在給定位置和方向的動(dòng)力定位系統(tǒng)（DPS）。它是世界上首次安裝了立管式鉆探系統(tǒng)的科學(xué)鉆探船。

3 技術(shù)挑戰(zhàn)

3.1 完井系統(tǒng)

井下完井系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是為了在浮動(dòng)的動(dòng)態(tài)定位船舶上安全作業(yè)。鉆井立管內(nèi)徑（ID）為495.3 mm，防噴器（BOP）內(nèi)徑為476.3 mm。ESP 封隔器和礫石充填封隔器均可安裝在生產(chǎn)套管上，選用套管內(nèi)徑（ID）220.5 mm。選擇了考慮防砂和裸眼礫石充填的試驗(yàn)區(qū)間。該生產(chǎn)井于2013 年3 月完成裸眼礫石充填，總井深（TD）為30.65 m3。防砂篩管基管尺寸為124.3 mm。

3.2 流量最大化

在流動(dòng)試驗(yàn)期間，海底附近存在著含氣流體、低溫高壓條件下的天然氣水合物存在改造風(fēng)險(xiǎn)。為了將這種風(fēng)險(xiǎn)降到最低，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中考慮了以下幾點(diǎn)：

（1）完井系統(tǒng)中配備的加熱井內(nèi)生產(chǎn)流體的感應(yīng)加熱器（IH）；

（2）最大限度地實(shí)現(xiàn)氣體在水吸收裝置內(nèi)的分離（也可以在地面實(shí)現(xiàn)2 次分離）；

（3）完井系統(tǒng)配置化學(xué)注入管路，允許注入甲醇等抑制劑。

3.3 布線

從地面連接完井系統(tǒng)所需的電纜、液壓管線和分布式溫度傳感（DTS）電纜。

電力電纜：電除塵器用4AWG 扁型43 mm×17 mm和圓形30 mm 電纜，感應(yīng)加熱器用4AWG 扁型43 mm×17 mm 和圓型30 mm 電纜；電纜（TEC 線）11 mm×11 mm：用于壓力和溫度的聚丙烯密封電纜；DTS 電纜11 mm×11 mm：DTS 用聚丙烯封裝光纜；液壓化學(xué)注射管路13 mm×13 mm：聚丙烯封裝的化學(xué)注射液壓管路；子表面測(cè)試樹（SSTT）中央控制線64 mm（OD）。

電纜穿越點(diǎn)周圍的壓力密封是非常關(guān)鍵的，例如在套管總成、ESP 封隔器以及海底平臺(tái)總成的上下防噴器罐。電纜保護(hù)器和電纜夾沿完井裝置的剖面精心設(shè)計(jì)，以適應(yīng)有限的空間，并根據(jù)接觸點(diǎn)分析和電纜張力分析確定其位置?？紤]到鉆桿段的電纜處理，選擇了包含TEC 管線、DTS 管線和液壓化學(xué)注入管線的扁平填料30 mm×14 mm。

3.4 完井設(shè)計(jì)概述

根據(jù)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，確定了完井系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案（見圖1）。

（1）選擇ESP 是為了降低井內(nèi)流體靜壓。泵送采出水通過節(jié)流管匯流向水車，并通過ESP 與節(jié)流閥的組合控制流量；

（2）IH 和ESP 電機(jī)設(shè)計(jì)用于向系統(tǒng)中產(chǎn)生額外的熱量，以保證流量；

（3）采用帶備份存儲(chǔ)系統(tǒng)的SureSENS 和DTS 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)井底壓力和溫度條件；

圖1 井下生產(chǎn)系統(tǒng)示意圖

（4）ESP 封隔器作為環(huán)空壓力隔離器，以保證在流量試驗(yàn)過程中，封隔器與中管柱之間的壓力高于隔水管環(huán)空段中管柱上方的靜水壓力。因此，氣管線和水管線需要在環(huán)空和穿過封隔器的油管之間相交；

（5）選擇電動(dòng)液壓SSTT 對(duì)防噴器完井系統(tǒng)進(jìn)行分離，以適應(yīng)“深海鉆井船（D/V）支球”的緊急隔水管斷開。海底平臺(tái)組件配備防噴器罐，允許電纜通過中間管道沖壓件和環(huán)形防噴器的壓力密封。

3.5 完井關(guān)鍵部件

3.5.1 帶有氣體分離器反向護(hù)罩電動(dòng)潛油泵組件 通常設(shè)計(jì)用于相對(duì)較窄的生產(chǎn)范圍內(nèi)速率允許為目標(biāo)流量選擇正確的泵級(jí)。在這種情況下，沒有數(shù)據(jù)來研究到底會(huì)產(chǎn)生多少水。這是由于在加拿大麥肯齊三角洲地區(qū)的Mallik 現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了其他唯一的類似試驗(yàn)導(dǎo)致相對(duì)較短的流動(dòng)周期。雖然這些提供了一些有限的數(shù)據(jù)，允許建立模型，兩者完全不同的地層在非常不同的條件下進(jìn)行海底測(cè)試，并不真正適合作為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。因此，在不同的設(shè)計(jì)迭代中，檢測(cè)從50 m3/d 到1 000 m3/d 的目標(biāo)速率，這是一個(gè)非常廣泛的操作范圍預(yù)計(jì)能夠覆蓋一個(gè)單一的泵級(jí)。不同的情景預(yù)測(cè)，甲烷會(huì)隨著大部分水留在原地流動(dòng)到另一個(gè)極端，在那里大部分水將被生產(chǎn)出來，從而導(dǎo)致嚴(yán)重的產(chǎn)砂和地層壓實(shí)風(fēng)險(xiǎn)。

因此，電動(dòng)潛油泵ESP 的選擇是為了涵蓋盡可能廣泛的流量范圍。通常，由于需要增加工作范圍和管理砂的風(fēng)險(xiǎn)，碳化鎢軸承將納入每個(gè)泵階段，以提供額外的磨料阻力，并允許在更大的工作范圍內(nèi)運(yùn)行。然而，在這種情況下，不可能利用這些軸承，因?yàn)榈蜐?rùn)滑性的流體，作為一個(gè)壓縮泵。這些結(jié)果導(dǎo)致密封段推力軸承承受更高的載荷，但所有不同的情況下建模都在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)。電動(dòng)潛油泵系統(tǒng)的其他組成部分：電機(jī)和電纜的選型依據(jù)是應(yīng)用條件和更壞的情況預(yù)期。電機(jī)和電纜的一個(gè)不尋常之處是散熱。標(biāo)準(zhǔn)ESP 設(shè)計(jì)的目的通常是通過選擇電機(jī)的伏安比來限制熱量的積聚，以減少熱點(diǎn)的風(fēng)險(xiǎn)。與電纜類似，導(dǎo)體尺寸的設(shè)計(jì)也是為了降低損耗。在這種情況下，環(huán)境溫度遠(yuǎn)低于正常的ESP應(yīng)用，電動(dòng)機(jī)過熱并不是這樣一個(gè)風(fēng)險(xiǎn)，事實(shí)上，它實(shí)際上是有利于有額外的熱量生成到系統(tǒng)有助于流量的保證，減少潛在的水合物重整。

ESP 設(shè)計(jì)的另一個(gè)關(guān)鍵問題是確保系統(tǒng)能夠處理所有的游離氣體。通常情況下，在有ESP 封隔器的海底或油井中，不建議使用氣體分離器，因?yàn)闅怏w一旦分離并噴射到環(huán)空，就沒有流動(dòng)的路徑。然而，在這種情況下，可用2 流路徑：生產(chǎn)管串，節(jié)流壓井管線，這個(gè)選項(xiàng)是可用的，事實(shí)上是可取的，因?yàn)樗馕吨梢员３炙蜌怏w流隔離限制水合物重新生成的風(fēng)險(xiǎn)。

除了氣體處理，該罐還允許ESP 承受安裝在下面的完井系統(tǒng)的重量，尤其是重達(dá)3 800 kg 的感應(yīng)加熱器，超過了安全部署在下面的ESP 系統(tǒng)的極限。罐設(shè)計(jì)的另一個(gè)方面是用于將電纜固定到外部并在入井期間保護(hù)它們的低斷面夾具。這些夾具是一個(gè)經(jīng)過驗(yàn)證的系統(tǒng)，用于中國(guó)渤海灣的海上應(yīng)用，對(duì)于確保感應(yīng)加熱器供電電纜的完整性以及完井系統(tǒng)下部安裝的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的TEC 線路的完整性至關(guān)重要（見圖2）。

3.5.2 封隔器總成（雙孔ESP 封隔器、選擇流閥、球閥、雙流量頭（DFS）、電纜穿線）所選用的ESP 封隔器是標(biāo)準(zhǔn)的ESP 封隔器，其裝配只有一根管柱，能夠提供足夠的環(huán)空空間，以容納三相電纜和滲透器，并為氣體和流體提供單獨(dú)的流動(dòng)路徑。地下測(cè)試樹（SSTT）下方的油管連接在管道上方封隔器通過雙流頭（DFH），允許直接油管路徑到地面，以生產(chǎn)甲烷水合物氣體?；蛘?，將水從ESP 中通過DFH 油管泵入封隔器上方的環(huán)空（見圖3）。

圖2 倒置護(hù)罩ESP 總成示意圖

圖3 ESP 封隔器總成示意圖

為了使用標(biāo)準(zhǔn)的ESP 封隔器，使一條生產(chǎn)管柱和三根穿透的ESP 電纜（一條化學(xué)注入管線，TEC 和光纖）能夠通過封隔器，使用了電纜Y-適配器系統(tǒng)。允許兩個(gè)電纜使用一個(gè)孔。Y 形接頭安裝在靠近生產(chǎn)孔的封隔器下端，只需要一個(gè)穿透器連接。由于Y 形接頭的外徑和形狀，ESP 封隔器只有一個(gè)單芯軸，所以無法直接將其穿入原位。為了解決這個(gè)問題，使用了一個(gè)擴(kuò)展適配器，它具有獨(dú)立的耦合螺母，并直接螺紋插入Y適配器。在Y 適配器上安裝了兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)交叉適配器，并在這些適配器中安裝了封隔器穿透器。

在封隔器穿透器下方，采用了現(xiàn)場(chǎng)可連接的連接器，使得安裝過程更加簡(jiǎn)單，對(duì)電纜的損壞風(fēng)險(xiǎn)更小。封隔器上方用接頭將兩條扁平電纜連接到兩條圓形電纜上。

ESP 封隔器是通過對(duì)管柱施加液壓作用而形成的一套水力封隔器，封隔器下方的油管上安裝了一個(gè)以選擇流量SAF 閥為形式的臨時(shí)堵管裝置。臨時(shí)“塞子”裝置允許應(yīng)用所需的油管壓力來設(shè)置封隔器，然后拆除臨時(shí)“塞子”，通過在閥門上施加更高的壓差來激活SAF 閥門。一旦激活SAF 閥門，就提供了兩種流動(dòng)路徑。在本應(yīng)用中，通過SAF 閥的環(huán)形流動(dòng)路徑為氣體提供了一個(gè)流動(dòng)路徑，而通過SAF 閥的內(nèi)管柱從閥門下方的ESP 泵排出氣體到閥門上方的內(nèi)管柱進(jìn)行流體流動(dòng)。

混合流將通過IH 向上流動(dòng)，然后釋放到ESP 罐下方的環(huán)空。在這個(gè)縮小間隙的環(huán)空中，高速運(yùn)行會(huì)使氣體和水發(fā)生一定程度的分離。從ESP 排出后，流體在管柱內(nèi)流動(dòng)并從SAF 閥到封隔器上方的DFH 的同心管柱通過封隔器。DFH 允許流體通過一個(gè)帶孔堵頭進(jìn)入上部環(huán)空到SSTT。從那里它被排放到節(jié)流和壓井管線到達(dá)表面。如本文前面所述，從ESP 內(nèi)部分離器流出的氣體流入ESP 封隔器下方的環(huán)空，并與來自儲(chǔ)層的混合水和氣體相結(jié)合。氣體通過SAF 閥進(jìn)入封隔器下方的油管，在同心油管環(huán)空流動(dòng)，最終到達(dá)ESP封隔器上方的交叉工具處。在交叉工具處，氣體流經(jīng)DFH 的主體，直接進(jìn)入封隔器上方的油管，進(jìn)入SSTT。從那里，它流經(jīng)測(cè)試管線到達(dá)表面。

4 總結(jié)及啟示

本文是2014 年5 月5 日至8 日在美國(guó)德克薩斯州休斯頓舉行的海上技術(shù)會(huì)議Maki Matsuzawa 發(fā)表文章內(nèi)容的介紹。從地質(zhì)、地球物理、巖石物理和儲(chǔ)集/生產(chǎn)工程的角度來看，甲烷水合物的生產(chǎn)方法大致有四種：降壓、熱激、注劑及CO2置換。本文描述了其中主要的降壓方法，并提供了開發(fā)完井設(shè)計(jì)所需的一些背景和詳細(xì)的工程知識(shí)，以及為減輕開發(fā)甲烷水合物完井和生產(chǎn)系統(tǒng)中相關(guān)的一些關(guān)鍵挑戰(zhàn)和風(fēng)險(xiǎn)所必需的接口和資格測(cè)試。本文演示的完井系統(tǒng)采用電潛泵（ESP）與井下實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)相結(jié)合，同時(shí)將自然分離方法和人工分離方法相結(jié)合，將分離出的流體和氣體流生產(chǎn)到地面。以及從生產(chǎn)測(cè)試中吸取的啟示。

（1）在現(xiàn)有的鉆完井技術(shù)基礎(chǔ)上開發(fā)適合海洋水合物開采的鉆完井技術(shù)是可行的。

（2）陸地及海洋甲烷水合物完井系統(tǒng)中應(yīng)用減壓法生產(chǎn)，或者以降壓法為主，其他方法組合開發(fā)水合物開采具有可行性。

（3）完井系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括流體和氣體分離、單獨(dú)的流動(dòng)管道實(shí)施的保證和監(jiān)視系統(tǒng)對(duì)測(cè)試結(jié)果都非常重要。