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进军深海 建设海洋油气强国——国家973计划项目“海洋深水油气安全高效钻完井基础研究”

2018-10-30

随着常规陆地地区石油与天然气资源的衰竭,开发深水油气成为国家能源安全的重大需求。深水钻完井是海洋油气勘探开发的关键环节和手段,国家973计划项目“海洋深水油气安全高效钻完井基础研究”(项目编号:2015CB251200)针对深水钻完井的三个关键问题(海洋深水钻井浅层地质灾害与井眼稳定性机理、海洋深水钻井结构载荷特征及安全控制原理、深水钻井多相流动规律及井筒压力管理机制)开展深入研究,目前已在深水钻井地质灾害预测与浅层钻井作业风险防治、海底井口-隔水管-平台动力学耦合机理与安全控制、深水钻井非稳态多相流动规律与井筒压力精细控制以及深水钻完井工程设计理论与风险管控等4个方面取得了突破性进展,形成了一套适合我国南海深水安全高效钻完井的基础理论体系。

该项目于2015年立项,概算经费3 480万元,研究期限为5年,由中国石油大学(华东)主持承担,参与单位包括中海油研究总院有限责任公司、中国石油大学(北京)、中国科学院深海科学与工程研究所、中国石油集团钻井工程技术研究院有限公司、上海交通大学、中海油田服务股份有限公司、中国石油集团海洋工程有限公司等单位。

一、深水钻井地质灾害预测与浅层钻井作业风险防治

美国科学基金最新发布深水钻井技术攻关项目显示,6大类核心攻关技术中有三分之二是关于“深水浅层钻井”。深水钻井事故统计表明,60%事故来自“浅层”钻井,其中包括浅层地质灾害、表层导管施工、井眼失稳、固井失效等。浅部钻井事故发生的根源在于:深水浅层地质灾害预测精度低导致钻井设计合理性差,进而引起作业控制难度大;浅部地层松软,成岩性差,缺乏有针对性的软土特性评价方法和计算模型;浅部地层温度低,高含水,表层固井质量难以控制等。

该项目通过建立深水浅层弱胶结地层岩土力学参数的预测方法,揭示了南海深水目标区块(荔湾、陵水)浅部地层海底土力学特征及分布规律,得出了深水浅层土强度和变形随加载时间的变化规律,明确了深水浅层土剪切模量与埋深的线性关系,弄清了浅部地层破裂失稳机理,并最终建立了三种情况下的地层破裂压力计算模型。通过攻关揭示了深水“三浅”地层地球物理特征及钻井工程灾害演化机制,建立了深水浅层钻井井眼安全和固井封固完整性评价方法,有效保障了浅层钻井的作业安全。

水合物对于深水钻完井的效率影响较大,项目通过攻关揭示了天然气水合物地层的分布规律,应用OBS+MCS技术联合反演砂岩型水合物速度结构,利用OBS横波信息,与常规反演方法结合,提高了砂岩型水合物的预测精度;推导出了水合物多物理场耦合控制方程,揭示出“三浅”地层深水钻井致灾机制,升级了水合物三轴模拟实验系统,根据模拟实验,提出了水合物/钻井液相互作用机制,考虑水合物饱和度变化,提出了修正的Coulom-Mohr准则和双曲线本构模型,从而建立水合物地层致灾多物理场耦合模型,给出了多场解耦算法。依次建立了深水钻井浅层气(水)气涌/喷出模型,描绘浅层气(水)气涌/喷出特征,保障深水钻完井的安全与高效。

二、深水海底井口-隔水管-平台动力学耦合机理与安全控制

我国南海是台风、内波频发区,深水钻井工况复杂。特殊、复杂的海洋环境演化出了诸多阻碍深水安全高效钻井的问题,如隔水管回弹的瞬态动力学分析、丛式立管干涉分析等研究较少,工程对极端工况(内波、台风)的应对策略、管理体系缺乏科学依据等。然而,目前隔水管的研究通常将边界条件进行简化,计算误差大,隔水管与平台、井口之间耦合机理尚不清晰。项目通过攻关,建立了深水海底井口-隔水管-平台耦合动力学模型,探索了典型工况下隔水管动态响应规律及损伤机理。

综合考虑平台、海底井口对隔水管的影响,建立了深水海底井口-隔水管-平台系统动耦合模型,提出深水海底井口-隔水管-平台耦合系统动力学分析方法,开发了耦合系统动力学求解器,主要包括细长结构(深水钻井隔水管-井口系统、锚泊系统)求解模块、海洋环境载荷模块以及平台运动学求解模块,通过各模块之间的有效协作可实现海洋自然环境下的深水钻井平台-隔水管-海底井口耦合系统动力学分析。在此基础上,分别开展了深水动力定位平台和锚泊平台下的深水平台-隔水管-海底井口耦合系统动力学研究,揭示隔水管系统在海洋钻完井作业工况下的长期动力响应机理与规律,识别深水钻井平台与隔水管系统之间的耦合作用规律。与此同时,发展了一种双推板内孤立波模拟方法,确定了不同内孤立波理论的适用条件,建立内孤立波载荷理论模型,揭示内波载荷作用机理。探索了典型工况下隔水管动态响应规律及损伤机理。

在深水海底井口-隔水管-平台耦合系统动力学模型及分析方法的基础上,开展了深水典型工况的海底井口-隔水管-平台动态响应试验研究,探究深水钻井平台、隔水管与井口间的耦合规律以及耦合动力响应特性,并与数值仿真结果对比,进一步完善深水海底井口-隔水管-平台耦合系统动力学理论模型。实验研究分析了典型工况钻井隔水管动态响应,发现耦合模型能够准确获得不同平台类型对应的隔水管振动特性和疲劳损伤,能够精确评价平台运动对隔水管运动响应和疲劳损伤特征的影响。与DP平台相比,锚泊定位平台对应的隔水管振动频率范围较宽,DP平台对应的隔水管振动集中的高频区域,对隔水管疲劳损伤较大。全耦合模型提高了平台漂移计算精度,耦合模型的漂移位移小于不考虑耦合影响的计算结果,精度提高10%。

研究内波及台风与深水海底井口-隔水管-平台系统强非线性相互作用理论模型,建立了内波及台风等极端环境下隔水管系统的灾变生存能力评估模型,揭示极端环境下深水隔水管-平台动力学响应规律及耦合作用机制,如内波下的深水钻井隔水管系统动力学响应规律。研究了极端环境下深水钻井隔水管系统失效机理,确定了深水钻井隔水管系统失效准则,开展了深水钻井隔水管系统的灾变生成能力评估,识别极端环境下深水钻井隔水管系统弱点。开展了深水平台极端工况下(漂移和驱离)的深水隔水管-平台动力学研究,确定平台漂移和驱离下的深水平台-隔水管系统响应规律以及耦合作用机制。在此基础上,建立极端环境和工况下深水隔水管-平台安全作业预警界限确定方法,并形成极端环境和工况下深水隔水管-平台耦合系统灾变控制技术,如考虑到内波影响,钻井作业窗口变窄(即平台允许的偏移量减小),基于耦合模型发现了隔水管-井口“迟滞效应”,使钻井船允许的漂移距离和时间延长,对钻井应急解脱时间方案的制定有重大影响;按照工程经验方案,隔水管悬挂撤离期间平台航速不超过0.3节;隔水管动态响应分析结果表明,允许的撤离航速与海洋环境有关,一定的条件下,撤离航速可以提高(0.31.8节),这对缩短平台动复原时间,减小深水钻井成本具有重要意义。

基于CFD理论建立了三维大长径比(可达1 000)VIV流固耦合分析模型,进行了多管柱涡激振动干涉效应的研究,揭示了多管柱流动干涉和涡激振动干涉的产生机制和特征,实现了立管干涉流场准确描述,为立管间距优化提供了理论基础;建立了深水丛式立管耦合动力学分析模型,揭示了深水丛式立管干涉与碰撞动力学特性,为TLP、SPAR平台井口槽区域空间及平台尺度优化提供了设计方法,这对优化平台井口槽间距、降低平台尺度和工程造价具有重要意义。

通过开展深水钻井隔水管系统疲劳损伤数值仿真、室内试验和现场监测试验研究,建立了深水钻井隔水管系统波激疲劳和涡激疲劳损伤分析方法以及参数选取方法。研究了深水钻井隔水管系统现场监测数据的处理方法,建立了基于现场监测数据的隔水管疲劳损伤评估方法,并根据基于现场监测的隔水管系统疲劳损伤结果与数值仿真结果对比,修正了深水钻井隔水管系统疲劳损伤分析模型。以我国南海深水钻井隔水管系统为研究目标,系统开展了安装、连接、硬悬挂和软悬挂作业模式下的深水钻井隔水管系统波激疲劳分析和涡激疲劳分析,形成了隔水管系统全寿命周期疲劳损伤分析方法,识别了不同作业模式下隔水管系统疲劳损伤热点、原因以及每种模式对综合疲劳的占有比,确定了隔水管系统综合疲劳损伤主要来源,从而为隔水管完整性管理奠定良好基础。

三、深水钻井非稳态多相流动规律与井筒压力精细控制

深水钻井工程地质环境条件苛刻,井筒流体流动规律复杂,井筒压力预测困难,导致压力控制困难,易诱发恶性事故。项目通过攻关揭示了深水钻完井井筒多相流动规律,建立了井筒流动安全控制方法。

非牛顿流体钻井液中气泡的运移特性与牛顿流体有着较大区别,气泡的悬浮和运移特性影响着多相流动参数计算准确性,是进行深水井筒压力精细控制研究的基础参数。传统气泡悬浮及运移模型多基于牛顿流体,计算误差大,影响多相流参数计算精度。通过模型重建,建立了描述悬浮气泡形状变化的动力学模型,揭示了井筒非牛顿流体中气泡悬浮及运移机理;建立了气泡悬浮及运移计算模型及多相流型转化判据,揭示了深水井筒多相流动规律;建立了多相流型转化判据,建立了含相变的非稳态多组分多相流动模型,利用全尺寸科学试验井和现场实际数据对模型计算精度进行了校验,成功将多相流动计算误差控制在±10%以内,可以满足工程的需要,从而提高了深水井筒多相流动模型的计算精度,丰富发展了井筒多相流动理论,突破了深水井筒压力预测与控制的理论瓶颈。

从分散介质粘温特性、低温下粘土悬浮液结构特征以及聚合物分子形态变化,揭示了水基钻完井液低温增稠机制,建立了水基钻完井液恒流变调控方法。基于油基钻井液低温流变性变化规律及主控因素分析,研制了“温度敏感型”聚合物,优化构建了低温流变性良好的深水水基钻井液基础配方。优化后的钻井液可在2℃75℃大温差环境中保持稳定的流变性,流变性明显优于目前国内外深水钻井使用的水基钻井液,为深水水基钻完井液设计及性能调控提供了理论与方法支撑,有助控制井筒压力,从而克服了传统油基钻井完井液“低温-高温”较大温差流变性变化大、压力控制困难的问题。

针对不同测试工况,建立了深水气井测试井筒温压场耦合计算模型,形成了基于深水井筒多组分多相流动的气井测试井筒温压场的计算技术,有效解决了深水气井测试期间温压场计算精度不高的瓶颈问题,从而结合深水钻井的海洋和地层条件,建立了深水测试井筒温压场耦合计算方法,能够对深水井筒水合物生成区域动态变化定量预测,并以此对深水气井测试水合物堵塞状况进行判断,研究水合物的堵塞机制及预防方法,采取相应的措施对流动安全进行保障。

四、深水钻完井工程设计理论与风险管控

深水钻完井面临多重风险及挑战,其风险管控与陆地钻井差异大,受海洋环境、地质因素、交通条件、灾害控制等影响,油气一旦突破井筒屏障,其后果比陆地的同等事故严重。我国深水钻完井管理研究起步较晚,目前没有系统的风险管控理论和方法,项目通过攻关初步形成了深水钻完井风险识别及评价方法。

形成了具有国内深水钻完井施工特点的专家调查法,结合专家调查、粗糙集理论与层次分析法,建立了基于粗糙集和层次分析相结合的深水钻完井风险评价方法,以及基于模糊综合评价的单井风险评价方法,适用于钻完井过程管理、人员风险及单井风险整体评价。同时以荔湾区块“海油兴旺号”的实际数据为例,进行了深水单井风险评价。

建立了基于贝叶斯与事故树理论的井控风险评价方法,初步形成了钻完井主要作业阶段的风险评价网络模型,适合于设备风险、工艺措施风险局部评价以及风险演化机制分析。基于SINTEF数据库和ExproSoft数据库部分数据及调查结果和评价方法,对近20年内在墨西哥湾、英国和挪威等深水海域发生的平台井喷事故及其安全屏障的有效性进行了分析评价,构建了钻井、完井、修井及井控装备诱发井喷风险的贝叶斯网络模型,对深水钻井、完井和修井阶段的井控风险及防喷器风险进行了定量分析,验证了该方法的可行性。

该项目所取得的阶段性成果为实现我国深水油气开采技术的跨越式发展提供了理论支撑,同时造就了一批深水钻完井研究领域的优秀科技人才,形成了一支具有协同创新能力的研究团队,提升了我国深水油气开发产业的国际竞争力,增强了维护国家海洋权益的能力,为保障国家能源安全提供了有力支撑。