深水天然气水合物钻采地层失稳风险及井筒完整性研究

摘要

天然气水合物具有分布广泛、储量丰富、清洁高效等特点，发展前景广阔。目前，全球已有30多个国家和地区进行了天然气水合物的研究与调查勘探，我国从上世纪80年代开始天然气水合物研究，但由于关键技术、开发方案、作业安全等方面的制约，难以实现规模化商业开采。鉴于天然气水合物易分解特性及深水浅层疏松地层条件复杂性，钻采作业相对困难且风险较大，本文结合国家重点研发计划“海洋水合物钻完井及安全监测技术”项目，探讨天然气水合物勘探开发关键风险因素及有效控制措施，分析钻采过程中水合物地层失稳风险，并开展井筒完整性研究，为合理开展水合物钻采风险预测、安全评估与控制提供支持。 1、深水天然气水合物钻前关键问题研究 在明确水合物藏分类及开采可行性基础上，基于风险矩阵理论，评估井控失败、地层井壁失稳、井口周围下沉、固井质量差、海底滑坡及钻井液性质改变等水合物钻采潜在风险，确定关键风险因素。为有效应对上述风险，提出从钻采环境信息(土壤数据)、水合物层段信息(地震资料和电缆测井)及水合物储层开采模拟信息(实验室模拟和软件模拟)三个角度收集钻前信息，并详细阐释现场应用方案，验证钻前信息收集必要性和可行性。 2、深水天然气水合物钻井过程地层稳定性分析 构建钻井过程水合物地层失稳Bow-tie模型，开展钻井过程风险分析。基于水合物模拟软件TOUGH+HYDRATE，研究钻井液侵入过程，地层水合物饱和度、温度和压力分布规律，确定钻井液侵入范围，分析钻井液侵入水合物地层影响因素。应用上述水合物地层物性参数，结合岩土力学软件FLAC3D，计算水合物钻井过程井眼附近地层应力变化，明确应力集中区域及最易发生破坏位置。 3、深水天然气水合物开采过程地层稳定性分析 从开采效率、技术可靠性及开采成本等五个方面对比水合物开采方法优缺点。针对南海水合物藏，选取合适的开采方法。通过模拟开采过程中地层水合物饱和度、温度、压力变化规律，分析地层井筒附近地应力分布，明确水合物近井壁地层剪应力分布及发生剪切破坏时间，为地层稳定性维护提供参考。基于ANSYS模拟软件，评估地层失稳导致地层与水泥环之间产生空隙对套管挤压强度的影响，分析不同空隙周向角对近水合物地层处套管挤压强度。 4、深、水天然气水合物井筒完整性评估 从裸眼段井筒及套管段井筒完整性两个方面开展完整性研究。针对裸眼段井筒，基于地层段井壁稳定性影响因素评估钻井液配置方案；针对套管段井筒，明确完整性屏障功能并划分井筒完整性等级。面向特定事故场景，充分考虑水合物不受控分解及辅助生产设备失效，建立关键井筒完整性屏障拓扑结构，辨识屏障作用路径，确定薄弱环节，并提出控制措施。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 国内研究现状

1.2.2 国外研究现状

1.3 课题研究目标、内容及路线

1.3.1 研究目标

1.3.2 研究内容

1.3.3 技术路线

第2章 深水天然气水合物钻前关键问题研究

2.1 深水天然气水合物资源勘探

2.1.1 水合物资源勘探

2.1.2 水合物藏分类及开采可行性

2.2 深水水合物钻采潜在风险分析

2.2.1 水合物钻采潜在风险辨识

2.2.2 基于风险矩阵的水合物钻采风险分析

2.3 深水天然气水合物钻前信息收集

2.3.1 天然气水合物钻采地层土壤信息

2.3.2 天然气水合物层段信息

2.3.3 天然气水合物储层开采模拟信息

2.4 基于风险防控的水合物钻前信息现场应用

2.5 本章小结

第3章 深水天然气水合物钻井过程地层稳定性分析

3.1 深水天然气水合物钻井地层风险评估

3.1.1 基于Bow-tie的水合物钻井地层风险分析

3.1.2 水合物钻井控制方法

3.2 钻井过程水合物地层规律研究

3.2.1 钻井液侵入水合物地层机理分析

3.2.2 钻井液侵入水合物地层模拟研究

3.3 钻井过程水合物地层稳定性分析

3.3.1 水合物地层失稳准则

3.3.2 钻井过程水合物地层地应力分析

3.4 本章小结

第4章 深水天然气水合物开采地层稳定性分析

4.1 水合物开采方法介绍

4.1.1 降压法

4.1.2 热激法

4.1.3 抑制剂注入法

4.1.4 置换法

4.2 水合物开采过程地层规律研究

4.2.1 目标水合物层开采方法选取

4.2.2 水合物开采过程地层模拟

4.3 水合物开采地层稳定性研究

4.3.1 水合物近井壁地层剪切应力分析

4.3.2 水合物近井壁地层破坏分析

4.4 水合物地层失稳对套管挤压强度的影响

4.4.1 地层-水泥环-套管模型

4.4.2 不同周向角度对套管抗挤压强度的影响

4.4.3 地层不同深度套管挤压强度分析

4.5 本章小结

第5章 深水天然气水合物井筒完整性研究

5.1 天然气水合物井筒完整性概述

5.2 天然气水合物裸眼段井筒完整性研究

5.2.1 钻井液关键性能指标

5.2.2 钻井液配置方案评估

5.3 天然气水合物套管段井筒完整性研究

5.3.1 套管段井筒完整性屏障系统划分

5.3.2 套管段井筒完整性屏障状态等级划分

5.3.3 套管段井筒完整性屏障作用路径

5.3.4 套管段井筒完整性屏障作用路径失效评估

5.4 本章小结

第6章 结论及展望

6.1 研究结论

6.2 创新点

6.3 研究展望

参考文献

攻读硕士学位期间取得学术成果

致谢