针对日本首次甲烷水合物试采目的设计的固井技术的实施

张 炜 译 赵经祥 审

全球首次近海水合物试采计划于2012 年在南海海槽开展,第二次试采将于2016 至2018 财年实施。首次近海水合物试采项目包括1 口生产井和3 口温度监测井,以研究甲烷水合物储层的分解情况。针对受沉降作用的深水浅部未固结地层及含甲烷水合物地层设计的一套水泥浆体系。实验室中研制的OPSD 水泥浆,被证实具有气密性、低散热量和足够好的力学特性,而被选定为近海水合物试采项目的专用材料。

1 引言

日本开展了为期16年(2001~2016)的甲烷水合物开发利用项目工程。首次近海试采计划于2012年在南海海槽开展。2011年,JOGMEC和一家服务公司开始了一项实验室研究,以验证一个可用于首次甲烷水合物近海试采的适当水泥体系。

2 项目描述

项目包括钻1口生产井和3口温度监测井,以研究甲烷水合物储层的分解情况。本文研究的目的是针对受沉降作用的深水浅部未固结地层及含甲烷水合物地层设计一个水泥浆体系。

3 实验室研究

3.1 水泥体系的选择

基于最优化粒径分布(OPSD)的水泥体系的专利性固井技术被确认为首次甲烷水合物试采项目的候选。

3.2 缓解气体水合物分解

水合物分解可发生于水泥灌注过程之中及之后,即当水泥浆被泵入环空(annulus)的过程中或该工作完成后,以及水泥在环空中的固化过程。

3.3 利用等温量热器评估水合热

利用SETARAM的高精度C-80型等温量热器测试水合过程中由水泥释放的热流量。结果表明,当与其他水泥体系进行比较时,OPSD水泥体系固化过程中排出的热量最少。

3.4 利用水泥水合分析仪(CHA)评估气密性

水泥水合分析仪可评估水合阶段通过水泥浆的气体运移(图1)。本研究开展了20个小时以上的气体运移试验,结果表明该OPSD水泥体系是不透气的。
图1
图1 水泥水合分析仪结果证实了水泥的气密性

4 OPSD水泥体系的力学特性

为了评估凝固水泥的力学特性,2英寸的水泥立方体在室温下通过加压7天被固化。然后将该水泥立方体制成所需的尺寸,并开展试验以确定以下参数:
(1)静态杨氏模量;
(2)无侧限抗压强度;
(3)泊松比;
(4)利用劈裂试验(Brazilian test)确定抗拉强度。

5 剪切试验

为了评估沉降风险,开展了剪切试验以确定水泥环和地层之间的水泥的抗剪强度。为了测试不同配置下水泥和地层间的抗剪强度,使用了一台可施加500牛顿最大负载的Shimadzu牌通用试验机。

6 样品制备

为了开展实验室试验,根据以下要求制备了样品:
(1)为了便于操作,根据所选的套管,岩石样品的总长度分别为6英寸和5英寸;
(2)清洁岩心(套管和岩石)以备灌注OPSD水泥浆;
(3)基于API 10B-2/ISO 10426-2-2003指南制备了OPSD泥浆,并通过灌注来填充13.375英寸套管与地层、9.625英寸套管与地层、以及两个套管间的空隙;
(4)常压常温下对水泥进行为期几天的固化直到其凝固,并保持样品潮湿以避免水泥干裂和脱粘。

7 实例

2012年第一季度,钻了3口井,并利用已得到证实的固井技术水泥灌注套管。使用了电缆保护器来替代常规的套管扶正器,因为监视设备安装于套管段,有两条控制电缆从海面延伸至套管。在套管中安装了永久性温度监测仪,以研究气体水合物分解。针对这一研究已建立了数值模型。通过这些仪器检测水泥固化过程中温度的增加来监测水泥水合。

8 结论

全球首次甲烷水合物生产试验开展了针对性的OPSD水泥浆体系的设计和验证,并在实际应用中得以成功地实施。
(1)专利性OPSD水泥体系在实验室中得到了证实,并被选定为全球首次近海水合物试采专用的水泥浆。该水泥浆在现场易于操控,且可以与钻机上的任何设备结合使用;
(2)由于OPSD水泥体系的低含水量,其流体特性(密度、稠化时间(thickening time)、流体损失、游离水等)易于调整。密度不取决于含水量,而取决于混合物中固体的量;
(3)利用水泥水合分析仪测试了OPSD水泥浆,证实了其气密性;
(4)24小时的累积散热量为125焦耳/立方厘米泥浆(90.49焦耳/克泥浆),而36小时的累积散热量为152焦耳/立方厘米泥浆(109.82焦耳/克泥浆)。这一散热量比G级水泥的散热量少40%~50%;
(5)井下温度实时监测仪确定了水泥固化时的温度。水泥固化过程中水泥所释放的绝对空气温度为27摄氏度,同一仪器测得的水泥和地层之间的接触处的温度接近29摄氏度;
(6)针对生产试验所选取的OPSD水泥体系具有足够好的力学特性,可承受住井下应力。

资料来源:Taoutaou S., Ashraf S., Takahashi U., et al. Implementation of a fit-for-purpose cementing technology for the first gas hydrate production in Japan. International Petroleum Technology Conference, Kuala Lumpur, Malaysia, 10-12 December 2014.

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