張 磊

（中國石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，山東東營 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（簡稱MH21）“對經(jīng)濟部和貿(mào)易部的財政支持”。日本石油、天然氣和金屬國家公司（JOGMEC）計劃和項目由日本石油勘探株式會社（JAPEX）運營管理。日本鉆井公司（JDC）在日本石油公司的指導(dǎo)下設(shè)計并集成了完井系統(tǒng)。貝克休斯設(shè)計了提供的設(shè)備并操作完井系統(tǒng)。

本項目對甲烷水合物集中區(qū)（MHCZ）進行了識別，在此基礎(chǔ)上，對日本近海海域的甲烷水合物進行了定量估算，結(jié)合地震勘探、地層錄井、巖心樣品等資料進行評價。

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 場地進行了現(xiàn)場規(guī)模試驗，2002 年（第一次陸上甲烷水合物生產(chǎn)試驗）1 年，2007-2008 年（第二次陸上試驗）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，進行了初步的工程研究來設(shè)計完井，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，位于馬利克現(xiàn)場麥肯齊三角洲地區(qū)的西北領(lǐng)土。第一步是審查一些備選的完井設(shè)計，這些設(shè)計導(dǎo)致了初步的技術(shù)研究。設(shè)計的關(guān)鍵是獲得大量的井下數(shù)據(jù)將用于后續(xù)儲層建模和開發(fā)，了解如何形成未來商業(yè)可行的解決方案。隨后進行的第二項技術(shù)研究主要是更詳細(xì)的級別，以允許達(dá)到最終完成設(shè)計。這使得項目將移到一個可以訂購設(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。進行完井系統(tǒng)設(shè)計，開發(fā)出一套能夠?qū)崿F(xiàn)該設(shè)計的解決方案在有限的可用空間內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)，迭代過程需要對系統(tǒng)進行折中方案和修改。

1 生產(chǎn)測試目標(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)，評價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)可以處理大約一個月的流量測試，測試期間收集井下的壓力溫度數(shù)據(jù)。

2 基本設(shè)計準(zhǔn)則

為了配合這項挑戰(zhàn)性的應(yīng)用，完井系統(tǒng)必須遵守多項基本設(shè)計準(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)計封隔器，設(shè)定和測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）收集井下測試高質(zhì)量數(shù)據(jù)，評價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時監(jiān)控數(shù)據(jù)最大化便于決策和未來的分析來評估系統(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 電動機功率最大化。

（6）安全操作：確保所有的障礙可以測試，特別是驗證生產(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）的操作人員?！暗厍蛱枴辈粌H船體龐大，同時也綜合了科學(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)計是為了在浮動的動態(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

在流動試驗期間，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。為了將這種風(fēng)險降到最低，在系統(tǒng)設(shè)計中考慮了以下幾點：

（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）最大限度地實現(xiàn)氣體在水吸收裝置內(nèi)的分離（也可以在地面實現(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；子表面測試樹（SSTT）中央控制線64 mm（OD）。

電纜穿越點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總成的上下防噴器罐。電纜保護器和電纜夾沿完井裝置的剖面精心設(shè)計，以適應(yīng)有限的空間，并根據(jù)接觸點分析和電纜張力分析確定其位置。考慮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)計概述

根據(jù)設(shè)計準(zhǔn)則，確定了完井系統(tǒng)的總體設(shè)計方案（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 電機設(shè)計用于向系統(tǒng)中產(chǎn)生額外的熱量，以保證流量；

（3）采用帶備份存儲系統(tǒng)的SureSENS 和DTS 監(jiān)測系統(tǒng)，實時監(jiān)測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）選擇電動液壓SSTT 對防噴器完井系統(tǒng)進行分離，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罩電動潛油泵組件 通常設(shè)計用于相對較窄的生產(chǎn)范圍內(nèi)速率允許為目標(biāo)流量選擇正確的泵級。在這種情況下，沒有數(shù)據(jù)來研究到底會產(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)場進行了其他唯一的類似試驗導(dǎo)致相對較短的流動周期。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行海底測試，并不真正適合作為設(shè)計基礎(chǔ)。因此，在不同的設(shè)計迭代中，檢測從50 m3/d 到1 000 m3/d 的目標(biāo)速率，這是一個非常廣泛的操作范圍預(yù)計能夠覆蓋一個單一的泵級。不同的情景預(yù)測，甲烷會隨著大部分水留在原地流動到另一個極端，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)砂和地層壓實風(fēng)險。

因此，電動潛油泵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，碳化鎢軸承將納入每個泵階段，以提供額外的磨料阻力，并允許在更大的工作范圍內(nèi)運行。然而，在這種情況下，不可能利用這些軸承，因為低潤滑性的流體，作為一個壓縮泵。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)計范圍內(nèi)。電動潛油泵系統(tǒng)的其他組成部分：電機和電纜的選型依據(jù)是應(yīng)用條件和更壞的情況預(yù)期。電機和電纜的一個不尋常之處是散熱。標(biāo)準(zhǔn)ESP 設(shè)計的目的通常是通過選擇電機的伏安比來限制熱量的積聚，以減少熱點的風(fēng)險。與電纜類似，導(dǎo)體尺寸的設(shè)計也是為了降低損耗。在這種情況下，環(huán)境溫度遠(yuǎn)低于正常的ESP應(yīng)用，電動機過熱并不是這樣一個風(fēng)險，事實上，它實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)計的另一個關(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，因為氣體一旦分離并噴射到環(huán)空，就沒有流動的路徑。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，這個選項是可用的，事實上是可取的，因為它意味著可以保持水和氣體流隔離限制水合物重新生成的風(fēng)險。

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)計的另一個方面是用于將電纜固定到外部并在入井期間保護它們的低斷面夾具。這些夾具是一個經(jīng)過驗證的系統(tǒng)，用于中國渤海灣的海上應(yīng)用，對于確保感應(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的流動路徑。地下測試樹（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。或者，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)。允許兩個電纜使用一個孔。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 封隔器只有一個單芯軸，所以無法直接將其穿入原位。為了解決這個問題，使用了一個擴展適配器，它具有獨立的耦合螺母，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)場可連接的連接器，使得安裝過程更加簡單，對電纜的損壞風(fēng)險更小。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以選擇流量SAF 閥為形式的臨時堵管裝置。臨時“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“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，就提供了兩種流動路徑。在本應(yīng)用中，通過SAF 閥的環(huán)形流動路徑為氣體提供了一個流動路徑，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)管柱進行流體流動。

混合流將通過IH 向上流動，然后釋放到ESP 罐下方的環(huán)空。在這個縮小間隙的環(huán)空中，高速運行會使氣體和水發(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 允許流體通過一個帶孔堵頭進入上部環(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，并與來自儲層的混合水和氣體相結(jié)合。氣體通過SAF 閥進入封隔器下方的油管，在同心油管環(huán)空流動，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，直接進入封隔器上方的油管，進入SSTT。從那里，它流經(jīng)測試管線到達(dá)表面。

4 總結(jié)及啟示

本文是2014 年5 月5 日至8 日在美國德克薩斯州休斯頓舉行的海上技術(shù)會議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)計所需的一些背景和詳細(xì)的工程知識，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)險所必需的接口和資格測試。本文演示的完井系統(tǒng)采用電潛泵（ESP）與井下實時監(jiān)測相結(jié)合，同時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)計包括流體和氣體分離、單獨的流動管道實施的保證和監(jiān)視系統(tǒng)對測試結(jié)果都非常重要。