天然气水合物井筒完整性风险评估与对策研究

摘要

海洋天然气水合物形成于海底高压低温沉积物中，主要成分为天然气和水，是一种点火即燃的类冰状结晶物质。分布广泛，能量密度高，可能存在于世界上约90%的海洋环境中。据调查，天然气水合物的资源总量约为 21×1015m3，是世界煤炭、石油和天然气资源储量总和的2倍。在深水海域，天然气水合物的埋藏深度相对较浅，往往海底200米以下即存在其稳定区域。天然气水合物的商业开发和利用价值很高，是既清洁环保又具有巨大资源储量的未来新型代替能源。但是，要想实现天然气水合物资源的商业性开采，还要攻克诸多技术难关。这主要是由于天然气水合物钻井作业过程，除了常规深水钻井遇到的恶劣的海洋环境条件、复杂的工艺过程等问题之外，还受其物性的影响。在天然气水合物的钻井过程中，井筒完整性是保证安全钻进、监测钻井和天然气水合物层情况、及时开展井控等作业过程的重要保证。如果井筒的完整性发生失效或遭到破坏，例如井筒的温度压力变化引起水合物层分解和井筒环空内在生成，水泥环出现微环空，井口的BOP 组关井失败等等，都会对天然气水合物钻井作业造成严重的影响，带来惨重的经济损失、巨大的环境伤害和严重的人员伤亡。因此，为了保证天然气水合物钻井作业的顺利进行，必须对其井筒完整性进行风险评估，并研究井筒完整性失效所能造成的连锁事故，确定井筒完整性的监测方案和安全屏障系统。本文结合国家安全生产监督管理总局“四个一批”课题：“南海深水油气钻井风险管理及应急关键技术研究”开展天然气水合物井筒完整性和连锁事故风险评估，并从安全屏障角度提出风险对策措施，为海洋天然气水合物的安全钻井作业提供理论支持和技术保障。 本文在大量调研常规深水油气井井筒完整性研究方法的基础之上，结合目前国内外有关天然气水合物特性和勘探开发技术的最新研究进展，开展天然气水合物井筒完整性风险评估。结合深水钻井作业和天然气水合物的特点，优选带隔水管（BOP）控制压力钻井技术为合理的天然气水合物钻井技术。建立天然气水合物钻井作业过程中井筒完整性失效的模型，采用故障类型与影响分析（FMEA）方法，辨识井筒完整性的失效模式和后果，建立井筒完整性失效事故树模型，分析影响天然气水合物井筒完整性失效的风险因素，结合层次分析法（AHP）与模糊综合评判方法，评估井筒完整性系统的风险水平。并研究井筒完整性失效所能引起的连锁事故，建立井喷事故树模型，详细分析连锁事故的致因机理和演化过程。利用多相流瞬态模拟软件OLGA和PVTsim软件相结合，建立天然气水合物钻井工艺流程模型，针对井筒完整性失效引起的水合物堵塞井筒事故开展动态风险研究。开展井筒完整性失效的风险对策措施，提出天然气水合井筒完整性监测的实验方案设计。结合安全屏障理论，分析井筒安全屏障系统的建立流程，并依此提出井筒完整性失效的风险对策措施，为天然气水合物钻井作业的井筒完整的风险管理和钻井作业的安全进行提供技术支持。

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