适用于深水浅层非成岩天然气水合物固态流化开采的伞式工具

宋 震 孙 颖 李凯莉 吕忠蕾 孙浩铭

西南石油大学机电工程学院

0 引言

目前开采天然气水合物（以下简称水合物）的主要方法有热激发法（加热法）[1]、降压法[2]、化学抑制剂法[3]等，且都适用于成岩型水合物矿层[4]。这些开采方式要求水合物储层上覆层为密闭盖层，具有良好的密闭性，有一定厚度且结构坚实，但这3种开采方法都不能精准有效地控制水合物的分解速度以及开采范围，且可能引发海洋地质环境灾害。因此，对于存储在深海浅层且埋深介于10～200 m的非成岩、弱胶结性水合物的开采，周守为等[5]首次提出了海底浅层水合物固态流化绿色开采技术，即使用采掘设备将固态的水合物储层破碎成细小颗粒，并通过密闭流化的方式输送至海上平台，在平台上进行后期处理与加工。目前海底表层水合物的开采装置初步设计为自行式采矿车，采掘高度范围介于-1～4 m，并不适于深海浅层、具有一定埋深的水合物的开采，且经济性不高。2017年5月，以中国南海北部海洋水合物储集区为试采目标区，在南海北部荔湾3站位依托“海洋石油708”深水工程勘察船，利用完全自主研制技术、工艺和装备在水深1310 m、水合物矿体埋深117～196 m处，首次成功实施海洋浅层非成岩水合物固态流化试采作业，标志着我国水合物勘探开发关键技术已取得历史性突破[6]。其试采工具选用的是一种水合物射流破碎工具[7-8]，该工具的井底射流直径较小，仅为0.5 m，并不适用于规模、范围较大的水合物矿层开采，使开采的经济性受到显著影响。为解决已有采掘工具表现不足的问题，针对非成岩弱胶结性水合物储层特性，研发了一种适用于深海浅层水合物开采的伞式工具，依据开采工况建立了该伞式工具的三维结构模型，并进行了稳态力学仿真模拟分析，验证了使用该伞式工具进行水合物开采的技术经济可行性，为后续开展伞式工具的实物试验奠定基础。

1 浅层非成岩水合物开采工具的功能

据估计，浅层非成岩水合物占海域水合物藏资源量八成以上，在我国海域所取得的水合物样本基本属于该类型[6]，开采此类水合物面临的问题有3个：①浅层水合物储层具有非成岩，胶结性差，开采后地层结构发生变化易导致滑坡灾害；②水合物矿层分解产物为天然气、水和泥沙，开采区域的温度不宜过高，压力变化不宜过大；③分解的天然气进入大气层，对大气环境造成一定的污染灾害。

固态流化开采法在我国南海水合物的成功试采，证实了该方法的可行性，具有应用、发展前景。而针对前述浅层非成岩水合物开采面临的问题，开采工具的设计研发需要具备4个方面的功能：①在承受上覆层压力的同时，能够进行可控的水合物破碎和收集；②能够进行连续、稳定的作业；③能够对分离后的泥沙进行返排回填，避免采空区坍塌；④加大开采截面，提高开采效率。

2 伞式工具的设计

2.1 开采工艺流程

开采工艺流程分为4个步骤：①水平井完钻后，依据水合物储层特点选择适宜的完井方式，完井后下入伞式工具；②待其到达指定工作位置后，在海上平台给外管杆施加扭矩以及向前的推力，水平井终端处的内管杆则保持不动，将伞式工具缓慢旋转展开，在弹性定位锁块的控制下使刀翼达到最佳切削角度；③回拉开采工具，边破碎水合物藏层边收集水合物颗粒，通过密闭管道及举升系统输送至海上平台，进行分离、采集等后处理，分离后的泥沙通过管杆内部软管返排，回填至采空区；④采集完毕后，通过下入关闭工具将伞式工具闭合，回收开采工具（图1）。

2.2 工具结构示意图及细节展示

伞式工具的整体结构如图2-a所示，采掘工具主要由外管杆、内管杆、刀翼及活塞杆组成。其中，内管杆嵌于外管杆内部且以花键的形式连接，两者均为中空连接管并能在轴向发生相对滑动，外管杆上开有采集孔。刀翼与内、外管杆均采用铰链进行连接，活塞杆由可伸缩的活塞缸筒连接而成。

考虑到开采过程中伞式工具需承受的阻力以及外管杆的直径大小，设计了3组刀翼，每组刀翼之间的夹角为120°。为保证商业化开采效率的实现，设计每个刀翼的长度为3.6 m，同时为兼顾到其具有旋转破碎的功能，刀翼上的切削齿形状设计为圆形齿，且与刀翼的水平面呈一定的角度（图3），以使其抗剪切及抗挤压能力增强。

外管杆与内管杆均为中空，采用花键形式对两者进行连接，以保持其在旋转作业时的同步性（图4），管内可进行返排回填作业。下入伞式工具前，为了防止外管杆与内管杆发生相对滑动，两者之间用若干限位销钉固定住（图5）。当开采工具抵达指定工作位置后，内管杆的终端与水平井终点端面接触，通过海上平台给外管杆施加扭矩力以及足够大的推力，使限位销钉在剪切作用力下剪断，内管杆受阻在水平方向上保持不动，外管杆则继续前移并使刀翼旋转展开。

图1 伞式工具工作状态示意图

图2 伞式工具结构示意图

图3 刀翼及切削齿结构示意图

当外管杆延伸至刀翼最佳切削角度时，安装在内管杆上弹性定位锁套中的圆柱锁块在弹性橡胶块的膨胀作用下，卡入外管杆的凹槽中，由此实现开采工具展开后的定位（图6）。

伞式工具在刀翼完全展开后即可开始采切作业，工具继续旋转同时由连接的钻杆往回拉，一边切削破碎水合物储层，一边往回缓慢移动。同时由外管杆上的采集孔收集破碎后的水合物细小颗粒，通过密闭流化、连续油管举升等工艺将其抽提到海上平台。在平台上进行气液固三相分离，分离后的泥沙通过软管并以内管杆终端为出口返排回填。待该水合物矿层开采完毕后，对伞式工具进行关闭回收工作。关闭工具的工作原理类似于一种可开关的滑套装置[9-10]，通过抽油杆连接关闭工具（图7），将其下入到外管杆腔内，由于关闭工具支杆外径大于内管杆右端台肩内径（图8），随着在海上平台进行操作给抽油杆施加足够大的向前推力，将圆柱锁块剪断，开采工具收缩闭合。

伞式工具在工作、闭合状态下的三维模型如图9所示。

图4 内、外管杆花键连接示意图

图5 限位销钉连接示意图

图6 弹性定位锁套结构示意图

图7 关闭工具结构示意图

图8 内管杆右端台肩结构示意图

图9 不同状态下伞式工具模型示意图

3 伞式工具稳态力学分析

3.1 物理模型建立及有限元网格划分

建立伞式工具工作时的三维物理模型（图10-a），并对动力传递部分（即钻杆整体，一端与海上平台相连，另一端与伞式工具连接，模型含井下400 m直井段、400 m水平井段以及曲率半径为100 m的斜井段）采用有限元法进行承受扭矩状态下的静力学分析，对物理模型进行了一定的简化，但不忽略结构中产生的应力集中（图10-b）。模型中直接使用结构钢的属性参数（表1），以接近伞式工具实际情况。

有限元分析中网格的结构划分与数量直接影响计算精度和规模，针对物理模型的不同部位，网格划分的疏密也不同。内、外主管杆和刀翼处网格划分相对较疏，各个零件的连接处网格划分则较密。本研究对所建立的物理模型进行自由四面体网格划分，得到有限元网格模型（图11）。

图10 三维物理模型图

表1 结构钢属性参数表

图11 有限元网格划分图

表2 目标区水合物藏储层特征数据表[14-15]

3.2 约束条件

根据开采工具的实际工作状况及水合物储层特性（表2），对处于工作状态的伞式工具进行有限元计算时需要添加的约束条件包括水合物储层给刀翼的负载（垂直方向上的压力与回拉方向上阻力的合力）及工具旋转过程中切削齿承受的切削阻力。刀翼负载取值为13 MPa[11]。根据Evans力学模型[12-13]，估算出切削阻力约为1.6×105N。基于物理模型对称性及控制计算规模的考虑，仅对其中一组刀翼添加了相应边界载荷，并将开采工具的内管杆外边界设置为固定边界作为约束条件。

对于动力传递部分，也需依据上述条件进行转矩计算。在有限元计算中，将转矩添加在钻杆上端的连接钻杆上，在靠近开采工具的端面及钻杆整体上端面添加固定约束，以此分析整个钻杆是否会在作业时发生扭断。

3.3 仿真分析

经过仿真计算求解，得到了伞式工具在工作时的等效应力分布，如图12所示，伞式工具整体结构上并没有崩坏断裂，工具工作时最大应力位于活塞缸筒与外管杆的连接处，达372 MPa，未超过该部位所用材料的屈服强度（500 MPa）。刀翼整体发生了侧偏，但不影响开采工具旋转破碎水合物，只影响实际的开采范围。此外，支撑刀翼的连接杆与外管杆固定铰接底座也存在应力集中现象。对于动力传递整体钻杆部分在开采作业时进行稳态分析，整体钻杆部分并没有发生扭曲变形，仅连接管产生了位移，但考虑到井下岩层的阻力约束，该位移量可不予考虑。整个钻杆所受的最大应力为103 MPa，小于结构钢的抗扭强度（124 MPa），满足强度要求。钻杆部分所受应力总体上呈现距离扭转力矩作用处越远，应力越不显著的趋势。另外，所设计伞式工具的回采速度与工具旋转的切向速度、刀翼长度、刀齿的切削深度以及刀翼展开角度有关，工具旋转的切向速度可参考钻井破岩的等效设计值[16]，进而估算出伞式工具的回采速度约为0.8 m/min。

图12 伞式工具等效应力分布图

4 开采效果预估

经测算单井开采海洋水合物的经济可行性标准为天然气日产量大于12×104m3。根据我国南海北部区域的地质调查文献，取储层参数的保守值（孔隙度为40%，水合物饱和度为40%）、采收率为0.35、纯水合物与产气量体积比为1∶164，以及伞式工具的工作参数（开采直径为4 m，回采速度为0.8 m/min）进行估算，单井日产天然气可达13.29×104m3。可以看出，采用伞式工具进行水合物开采的日采掘量可满足经济性要求，具有商业化开采的应用潜力。

5 结论

本研究对一种新型的海底浅层水合物开采工具进行了设计分析，由静力学分析的仿真结果可以得知工具在作业时不会发生崩坏，满足材料强度要求，其最大应力位于活塞缸筒与外管杆的连接处，在后续的工具优化研究中可从结构上进一步考虑该连接处的优化。

2）对于连接伞式工具的动力传递整体钻杆部分，仿真结果表明其在开采作业时处于非失稳状态，满足强度要求。

3）通过仿真计算，由等效应力云图证实了伞式工具在井下工作的可行性，同时对开采效果进行了预估，认为在中国南海北部神狐区域，采用伞式工具进行水合物开采的日采掘量可满足经济性要求，具有商业化开采的应用潜力。