深水天然气水合物钻井及取心技术.pdf

第 3 1 卷 第 1 期 2 0 0 9年 2月 石 油 钻 采 工 艺 OI L DRI L LI NG PRODUCT1 0N TECHNOL OGY V0 1 ． 31 No ． 1 F e b．2 0 0 9 文章编号 1 0 0 07 3 9 3 2 0 0 9 0 1 0 0 2 7 0 4 深水天然气 水合物钻 井及取心技术 胡海良 唐海雄 罗俊丰 韦红术 1 ． 长 江大学石油工程学院， 湖北荆 州4 3 4 0 2 3 ； 2 ． 中国海洋石油有 限公 司深圳分公 司， 深圳5 1 8 0 6 7 摘要 天然气水合物是石油、 天然气之后的最佳替代能源， 如何钻探深海的天然气水合物是勘探过程中面临的一个挑战。 文章主要介绍 了 2 0 0 7年 5月国内第一次在 南海 1 2 0 0多米的深水海底钻探 天然气水合物所采 用的技术 ， 对所使 用的钻 井装备、 钻 具组合 、 作业程序 以及 4种取心工具进行 了分别说 明。本 次天然气水合物钻井及取心技术的成功应 用将 对今后天 然气水合 物 钻探作业产生积极 的影响 ， 同时对国内钻 井及取心技 术的发展 有一定的借鉴作 用。 关键词 南海； 深水钻井； 天然气水合物； 取心； 保压取心 ； 动力定位 中图分类号 T E 2 4 文献标识码 A De e p wa t e r g a s h y dr a t e s d r i l l i ng a nd c o r i ng t e c hni qu e s H U H a i l i a n g ， T A N G H a i x i 0 n g ， L U 0 J u n f e n g e ，WE I H o n g s h u 2 1 l P e tr o l e u m E n g i n e e r i n gI n s t i t u t e o fY a n g t z e U n i v e r s i t y ， J i n g z h o u 4 3 4 0 2 3 ， C h i n a ； 2 ．S h e n z h e n B r a n c h o fC N OOCL t d ． ， S h e n z h e n 5 1 8 0 6 7 ， C h i n a Ab s t r a c t Ga s h y d r a t e s i s t h e b e s t s u b s t i t u t e o f p e t r o l e u m a n d n a t u r a l g a s ， h o w t o d r i l l i n g t h e g a s h y d r a t e s i s a c h a l l e n g e d u r i n g t h e g a s h y d r a t e s e x p l o r a t i o n p e ri o d ． Th e p a p e r i n t r o d u c e s t e c h n i q u e s o f d ril l i n g g a s h y d r a t e s i n S o u t h Ch i n a S e a d u r i n g M a y ， 2 0 0 7 ， d e s c ribi n g t h e dr i l l i ng e q ui pme nt ， BHA，o p e mt i on pr oc e du r e a n d f o ur ki nd s of c o rin g t o ol s ． Th e S u c c e s s o f us i n g ga s hy dr a t e s d ril l i n g a n d c o ri n g t e c h n i q u e s wi l l e x e r t p o s i t i v e e f f e c t o n g a s h y d r a t e s d r i l l i n g o p e r a t i o n o f o u r c o u n t r y ． I t c a n a l s o b e g o o d r e f e r e n c e t o t h e d e v e l o p me n t o f d r i l l i n g a n d c o r i n g t e c hn i q u e s i n o u r c o u n tr y ． Ke y wo r d s S o u t h Ch i n a S e a ； d e e p wa t e r d r i l l i n g ； g a s h y d r a t e ； c o r i n g ； k e e p i n g p r e s s u r e c o r i n g ； d y n a mi c p o s i t i o n 被誉为 2 1世纪的新能源的天然气水合物存在 于海底或陆地冻土带内， 是 由天然气与水在高压低 温条件下结 晶形成 的固态笼状 化合物。1 m 天然 气水合物可 以释放 l叶 I 1 6 4 m 的天然气。据估算 ， 世 界上天然气水合物所含的有机碳总量相当于全球已 知煤 、 石油和天然气 的 2倍。2 0 0 7年 5月 国内在南 海北部的神狐海域使 用 A MI GE公 司 的 B a v e n i t 号 深水钻探调查船成功地进行了天然气水合物钻探作 业， 在水深 1 2 0 0多米的深水海底 ， 成功地钻取 了高 纯度的天然气水合物样品。天然气水合物形成的必 要条件是低温和高压 ， 这意味着要获取深水海底 的 天然气水合物的实物必须使用与常规钻探及取心不 一 样的先进技术 『 1 ] 。 1 深水天然气水合物钻 井技术 De e pwa t e r g a s h y d r a t e s d r i l l i n g t e c hn i q u es I ． I 钻井装备 Dr i l l i ng e q ui F I me n t B a v e n i t 号深水钻探调查船 总长 8 6 ． 7 0 m， 宽度 1 6 ． 8 0 m， 高度 8 ． 5 2 m， 吃水 5 ． 6 m， 排水量 5 3 0 0 t ， 可 储存燃油 4 8 2 t ， 最大航速 1 8 ． 5 k m ／ h 。具有一套可以 用于深水海底钻探作业的钻井设备 ， 井架高度 从 龙骨算起 4 3 m， 钻台气隙 3 ． 4 5 m， 配备有 5 0 t 安全 负荷顶驱 ， 2台泥浆泵 ， 在井架 天车的上部装有钻柱 作者简介 胡海 良， 1 9 8 1 年 生。2 0 0 4年毕业 中国地质大学 武汉 石 油工程 专业 ， 现 为钻井部深水及海外作业办公 室钻 井主管， 工程 师。 电话 0 7 5 5 ． 2 6 0 2 2 3 4 6 。 2 8 石油钻采工艺 2 0 0 9年 2月 第 3 1 卷 第 1 期 补偿器， 还配有钻具输送器等先进的钻井装备 。 1 ． 2 定位系统 Po s i t i o n s y s t e m 与深水钻井平 台类 似， B a v e n i t 号深水钻探调查 船同时具备有锚泊定位系统和动力定位系统 D P 。 作业水深在 1 2 ～ 1 0 0 m范围， 该船使用锚泊定位系统 进行定位 ； 作业水深在 1 0 0 ～ 3 0 0 0 m范 围， 该船使用 动力定位 系统进行定位 。其动力定 位系统靠 G P S 和声纳双系统共 同进行定位 ， 作业 时由船底 的 4个 推进器不间断地工作 ， 以保证船的位置不变。 1 ． 3 钻具组合 Bo t t o m Ho l e As s e m b l y 本次天然气水合物钻探作业 只有一开作业 。先 钻先导孔 ， 然后进行 电缆测井。如果测井解释存 在 天然气水合物 ， 则移船位， 再钻主孔取心。所有 的钻 井作业使用相 同钻具组合 ， 具体如下 02 2 8 ． 6 mm刮刀取心钻头 长密封短节 短密 封短节 座落短节 关闭短节 浮阀短节 1 7 7 ． 8 mm钻铤 x 8根 O1 2 7 mm钻杆 x 2 2根 O1 7 5 mm 铝制钻杆 1 0 0根 01 2 7 mm钻杆。 1 ． 4 先导孑 L 钻井作业 Fo r e r un ne r h o l e dr i l l i n g o p e r a t i o n 1 定位。B a v e n i t 号深水钻探调查船航行到设 计钻位后 ， 投放 B e a c o n声纳信标到海底 ， 校正船位 ， 启动船底的 4个定位推进器， 完成定位工作。 钢丝绳 数据传输钢缆 声 , T r a n s p o n d er C T D 探 侧{ }} ； 钻杆卡 子 C l a m p 图 1海底基厘 Fi g ． 1 Se a b e d fla me 2 计算水深。钻具组合下钻到距离海底泥线以 上 1 0 m左右地方 ， 从调查船上用钢丝绳开始下放海 底基座 S e a b e d F r a me ， 海底基座示意图见图 1 。海 底基座下放至海底 以后， 海底基座上的 C T D 盐度 、 温度 、 深度 、 水平度 探测器通过海底基座上的数据 传输钢缆 向船上发 回海底基座的水平度数据 ， 作业 要求海 底基座最大斜 度不得超过 6 。 。然后通 过数 据传输钢缆向海底基座传输指令关闭海底基座顶部 的钻杆卡子 C l a mp ， 打开钻柱补偿器 ， 在海底基座 上方 的导向架的引导下， 钻柱探至基座顶部 ， 记录方 余 ， 计算水深。 3 钻井作业 。打开钻杆卡子 ， 下放钻具至泥面。 通过海底基座上 的声纳 T r a n s p o n d e r 确认基 座位 置在设计 钻位误差允许 的范 围内， 开钻 ， 使用海 水 钻进 ， 控制 钻速不超过 1 5 m／ h ， 钻压 0 ～ 3 0 k N， 转速 7 0 ～ 8 0 r ／ mi n ， 排量 8 0 0 ～ 9 0 0 L ／ mi n ， 每钻完一 柱替入 膨润土浆 3 m 黏度 6 0 ～ 7 0 s ， 然后倒划眼一次。钻 至设计深度后 ， 替入膨润土浆清扫井眼 ， 用海水循环 3个井 内环空体积 以上 ， 注入膨润土浆填充裸眼环 空。短起钻至泥线下 4 O ～ 5 0 m， 检验井壁的稳定性 ， 从钻杆 内下钢丝工具打捞浮 阀。下钻到底 ， 注入密 度为 1 ． 1 9 g ／ c m ， 粘度为 7 0 S的膨润土浆填充裸眼环 空 ， 用于支撑井壁 。 4 钻具 内测井。保持钻头在井底的状态 ， 从钻 杆 内下人电测工具 ， 进行测井作业。 5 裸眼测井 。钻具 内测井结束后 ， 起出电测工 具 ， 然后起钻到泥线下 5 0 m左右 ， 再从钻杆 内下人 电测工具进行裸眼测井。电测结束后 ， 根据 电测情 况决定是否钻主孔取心。 ‘ 1 ． 5 主孔钻井作业 M a i n ho l e o pe r a tio n 1 移船位。原则要求取心主孔尽量靠近先导 孔 ， 但 又要确保取 , Sf L 和先导孔之 间不能相连， 基本 上每次移动的距离是 1 0 m。移船步骤 上提海底基 座至泥线 以上 3 5 m， 然后上提钻具到泥面以上 1 0 m， 移船位 ， 重新动力定位。 2 钻井作业。和先导孔钻井作业程序相同， 钻 至取心层位顶部 ， 然后进行取心作业 。 2 深水天然气水合物取心技术 De e p w a t e r g a s h y d r a t e s c o r i n g t e c h n i q u es 本 次作业使用 了 4种 F u g r o公 司的取心工 具 ， 取心作业时从钻杆 内用钢丝下入取心工具进行取心 作业 。在作业时 ， 需要根据不同取 心工具 的特点和 取心层位的要求安排使用相应取心工具。 2 ． 1 F HP C液压活塞式取心工具 FHPC h yd r a u l i c pi s t o n c o r n e r t o o l F HP C F u g r o H y d r a u l i c P i s t o n C o me r 液压活 塞 式取心工具是一种钢丝送人和 回收的钻杆 内非保压 取心工具 ， 采用的液压活塞取心器设计可 以保证取 心过程连续 、 不问断的进行 ， 获得高 的取心收获率。 胡海良等 深水天然气水合物钻井及取心技术 2 9 该工具适合于极软地层取心作业 ， 一般安排在泥线 以下确 定硫酸盐一 甲烷界面 S MI 界面 的取 心。 本次钻探最深在泥线下 】 2 0 m处使用此工具 ， 取心 长度可以在 4 ． 6 7 1 T I 1 5 f t 、 7 ． 6 2 m 2 5 剐和 9 ． 1 4 m 3 0 之间转换。 F HP C液压活塞式取心_ [ 具作业程序 1 用专 用钢丝绞车将 F HP C工具送至钻具组合 中的座落短 节内的台阶处坐好 ， 此时 F HP C工具 的切鞋 C u t t i n g s h o e 正好处于钻头处 ； 2 地面 t通过液压泵向钻杆 内加压直至压力达到剪切 F HP C工具上的剪切销钉 通常压力要达到 1 2 ～ 1 5 MP a ， 使取心筒在液压的作 用下发射出去 ； 3 取心筒通过钻头中心孑 L 在液压 的 作用下进入地层取心 ， 当 F H P C工具内活 塞行程结 束后液压迅速下降； 4 上提钻具过提割芯 ； 5 上提 钢丝 ， 回收 F H P C- K具。 2 ． 2 F C液压锤击式取心工具 FC h y dr a u l i c h a m me r i ng c o r n e r t o o l F C F u g r o C o r n e r 液 压锤击 式取 心工 具 也是 一 种钢丝送人和回收的钻杆 内非保压取心工具 ， 取 心长 度 3 ． 0 4 m 1 0 f t ， 适合 于软地层 ， 一般安排 在 F H P C不能使用的深度进行取心作业。 F C液压锤击式取心工具作业程序 1 由于 F C 工具总体较短， 可以直接从顶驱的顶部开孔下人钻 杆中， F C T具到位后， 其上有一止动环坐在钻头上 ； 2 F C工具到位后钻杆 内加压 3 ． 5 ～ 4 ． 5 MP a ， 从转盘 面的钻杆内可以听到取心工具 内重锤工作的状况 ； 3 约 5 - 1 0 mi n后泵压下降， 取心作业结束 ， 卸压； 4 通过 卜 提钻具协助钢丝绞车将取心筒上提进人钻具 内， 回收 F C r 具。 2 ． 3 F P C液压锤击式取心工具 FPC h y dr a u l i c ha mme r i n g c o r n e r t oo l F P C F u g r o P r e s s u r e C o r n e r 液压锤击式取心工 具是一种钢丝送入和回收的钻杆 内保压取心T具 ， 取心长度 0 ． 9 1 m 3 R ， 取心筒最大承压为 2 5 MP a ， 用于在水合物显示异常的层段取心使用 。 F P C液 压锤击式 取心 l丁具作业 程序 1 F P C _T具总体较长， 需从转盘面卸开钻杆接头， 用卡子将 F P C工具坐在钻具母接头 的台阶面上 ， F P C工具 的 送人工具 O v e r s h o t 从顶驱的顶部开孑 L 放入 ， 将送人 工具和 F P C连接后下人送到钻具组合中的座落短节 内的台阶处坐好 ， 上提下放工具确认到位后 ， 根据水 深放松送人钢丝 0 ． 1 2 7 ～ 0 ．2 5 4 m 5 ～ 1 0 R ； 2 取心前 关海底基座的卡子 ， 夹住钻具防止钻具摇摆 ； 3 打开 钻柱补偿器 ， 下探钻头到井底； 4 钻杆内加压 4 4 ． 5 MP a ， 从转盘面的钻杆 内可 以听到取心工具重锤工 作的状况 ； 5 约 5 ～ 1 0 rai n 后泵压下降， 取心结束， 停 泵 ， 卸压； 6 上提钻具协助钢丝绞车将取心简提进钻 具 内， 在上提钢丝的同时将取心 内筒提人工具 内的 保压腔； 7 回收 F P C取心工具至海底泥线处 ， 静止 2 0 ～ 3 0 mi n ； 8 在海水 中回收 F P C取心工具 ， 进入温 越层之前应采用慢速， 进入上部温越层后要加快回 收速度 ， 到达转盘面后要将 F P C工具尽快放人冰水 中降温 约 3 0 mi n ； 9 降温结束尽快将岩心连带保 压筒卸下置入冷库中 6℃ 进行测压等作业。 2 ． 4 F R P C液压钻入式取心工具 FRPC h y dr a u lic d r i l l i ng c o rn e r t oo l F R P C F u g r o R o t a r y P r e s s u r e C o rne r 液压 钻入 式取心工具是一种钢丝送入和回收的钻杆内保压取 心工具 ， 取心长度 0 ． 9 1 m 3 R ， 取心筒最大承压为 2 5 MP a ， 用于在水合物显示异常的层段取心使用 ， 一 般和 F P C工具交替使用。 F R P C液压锤击式取心工具作业程序 1 开始 取心前的作业程序和 F P C的程序相同； 2 开泵 1 3 0 L ／ mi n ， 钻杆内加压至 2 ． 2 MP a 剪断取心工具 内的销 钉 ， 泵压下 降至 0 ． 5 MP a ， 维持泵速不变开始取 心作 业 ； 3 1 0 mi n后提高泵排量至 2 0 8 L ／ mi n继续取心， 泵压 为 0 ． 9 ～ 1 ． 1 MP a ， 继续取 心 1 0 mi n后 ， 停泵 ， 卸 压 ； 4 上提钻具将取心工具提松 ， 再开泵 ， 排量 1 3 0 L ／ mi n将 F R P C工具 中螺杆行程完全顶 出， 当泵压升 至 4 MP a 时停泵 ； 5 上提钢丝回收取心工具 ， 同时 将取心内筒提人工具内的保压腔 ； 6 回收 F P C取心 工具至海底泥线处 ， 静止 2 0 ～ 3 0 rai n ； 7 在海水中回 收 F R P C取心工具 ， 进人温越层之前应采用慢速 ， 进 入上部温越层后要加快 回收速度 ， 到达转盘面后要 将 F R P C工具尽快放人冰水 中降温 约 3 0 rai n ； 8 降温结束尽快将岩心连带保压筒卸下置人冷库中 6 ℃ 进行测压等作业。 以上 4种取心工具的送人钢丝都通过顶驱 的顶 部开孔 ， 在钢丝上有一个密封短节， 起到密封钢丝与 顶驱的顶部开孑 L 之间环空的作用。4种取心_T具的 取心内筒都为塑料内筒， 具体参数见表 1 。 2 ． 5 取心工作质量统计 Co r i ng o p e r a t i o n qu a l i t y da t um s t a t i s tic s 由于 F P C和 F R P C保压取心工具所取的岩心从 保压筒内转 出后无法测量所取岩心长度 ， 在表 2取 心工作质量统计表中只统计 F P C和 F R P C工具的取 3 0 石油钻采工艺 2 0 0 9年 2月 第 3 1 卷 第 1 期 表 1 取心内筒参数 T a b l e 1 Co r e i n n e r b a r r e l pa r a me t e r 心作业成功率 。 表 2 取心工作质量统计 Ta b l e 2 Coring o p e r a t i o n q ua l i ty d a t um s t a t i s t i c s 3 认识和建议 Co g n i t i o n a n d s u g g e s t i o n 1 这次南海天然气水合物钻探作业仅管 9个钻 位 的验证 ， 所采用 的钻井及取心技术是安全可行 的， 为以后的天然气水合物钻探作业参考和借鉴。 2 根据作业对 比， F R P C钻入保压 取心工具 比 F P C锤击式保压取心工具 的成功率要 高很 多， 建议 以后需要保压取心 的层位可尽量选择 F R P C工具以 保证成功率 。 3 F C液压锤击式非保压取心工具 的取心收获 率较低 ， 由于其所取心的层位为 F H P C工具不能使用 的深度 ， 建议对 F c工具进行改进 ， 以提供其收获率 。 参考文献 Re f e r e nc e s [ 1 ] 国土资源部 宣布我 国天 然气水合物调查获重 大突 破 l E B ／ O L j． h t t p ／ ／ w ww．g o v ． c n ／ g z d t ／ 2 0 0 7 0 6 ／ 0 5 ／ c o n t e n t 6 3 6 7 1 5 ． h t m， [ 2 0 0 7 ． 0 6 0 5]． M i n i s t r y o f La n d a n d Re s o u r c e s d e c l a r e d C h i n a ’ S Br e a k t h r o u g h ma d e i n n a t u r a l g a s h y d r a t e e x p l o r a t i o n l E B ／ OL ． h t t p } } r ww． g o v ． c n ／ g z d t ／ 2 0 0 7 - 0 6 ／ 0 5 ／ c o n t e n t _ 6 3 6 7 1 5 ． h t r n ,[ 2 0 0 7 ． 0 6 0 5 ]． [ 2] 胡海良， 唐海雄， 汪顺文， 等 ． 白云 6 - 1 1井深水钻井技 术 [ J ]． 石 油钻 采工艺， 2 0 0 8 ， 3 0 6 2 5 2 8 ． HU Ha i l i a n g ， T ANG Ha i x i o n g ， WANG S h u n we n , e t a L De e p - w a t e r d r i l l i n g t e c h n i q u e s i n B a i y u n 6 - 1 1 w e l l[ J ]． oi l D r i l l - i n g P r o d u c ti o n T ech n o l o g y , 2 0 0 8 ， 3 0 6 2 5 - 2 8 ． 2 0 0 9年 2季度钻井完井领域国际会议 1 会议名称 美国石油工 程师学会 ／ 国际钻 井承包 商协会钻 井 会议 时 间 2 0 0 9年 3月 1 7 - 1 9日 地 点 荷 兰阿姆斯特丹 主 办单位 S o c i e t y o f P e t r o l e u m E n g i n e e r s S P E ， I n t e r n a t i o na l 电 话 1 9 7 2 9 5 2 9 3 9 3 传 真1 9 7 2 9 5 2 9 3 2 8 网 址 www． s p e ． o r g ／ e v e n t s 会议名称 美 国石 油工程师学 会 ／ 国际连续 管协会连续 管与 修井会议暨展览 时 间 2 0 0 9 年 3月 3 1 - 4月 1日 地 点 美国得克 萨斯 州伍德 兰T h e Wo o d l a n d s ， T e x ． U S 主办单位 美国石油工程师学会 ／ 国际连续管协会 S P E ／ 1 CoT A 电 话 9 7 2 9 5 2 9 3 9 3 传 真 9 7 2 9 5 2 9 4 3 5 电子邮件 s p e d a l s p e ． o r g 会议名称 时 地 电 网 会 议名称 时 地 收 稿 日期2 0 0 8 1 1 - 2 4 [ 编辑薛 改珍 ] 国际钻井承包商协会安全应用技术座谈会 间 2 0 0 9年 4月 2 0日 点 阿联 酋阿布扎 比 话 3 1 ／ 2 4 6 7 5 2 2 5 2 ． 址 i a d c．o r g ／ c o nf e r e nc e s ／ BBS Wor k s ho p．h t m 国际钻井承包商协会 陆上钻 井会议暨展览 间 2 0 0 9年 5月 2 1日 点 美国得 克 萨斯 州休 斯敦 主办单位 联 系地 址 电 话 传 真 电子 邮件 网 址 国际钻井承 包商协会 I A DC I nt e r n a t i o na l As s o c i a t i o n o f Dril l i n g Co n t r a c t o r s I ADC ， RO． Bo x 4 2 8 7 ， Ho u s t o n ， T X 7 7 2 1 0 - 4 2 8 7 71 3 29 2一 l 94 5 71 3 。 29 2 1 94 6 i n f o i a d c ． o r g www． i a d c ． o r g 中国石油信息资源网