海域可燃冰开采集输工艺探讨_陈俊文.pdf

天然气与石油NATURAL GAS AND OIL2023年2月收稿日期:2022-10-09基金项目:中国石油工程建设有限公司研究课题“可燃冰采集技术前期研究”(CPECC2020KJ07)作者简介:陈俊文(1987-)，男，四川成都人，高级工程师，硕士，主要从事油气田地面工程技术管理与研究工作。E-mail:chenjunw_sw cnpccomcn海域可燃冰开采集输工艺探讨陈俊文1赵兴元1王洪超2武世传2郭艳林1杨凯然2曹学文2边江21 中国石油工程建设有限公司西南分公司，四川成都610041;2 中国石油大学(华东)储运与建筑工程学院，山东青岛266580摘要:可燃冰是世界公认的清洁高效能源之一。中国南海神狐海域 2 次可燃冰试采显示，该海域可燃冰矿藏呈现游离气和水合物共存的特征，且多分布在泥质粉砂黏土中;采出流体特性具有CH4含量高、产砂及出水量大的特点。针对南海神狐海域可燃冰特点，提出了水下气液分离的预处理方案，对比分析了水下气液分离+砂液回注、气液分输+平台砂液处理、气液混输+平台砂液处理 3种集输方案的优缺点。针对水下气液分离+砂液回注方案，探讨了总工艺流程、水下分离工艺和平台工艺流程，论述了方案的可行性。进一步考虑了工艺流程中存在的出砂、水合物二次生成问题，为可燃冰输送过程安全高效运行提供支撑。研究思路和方案设计对中国南海可燃冰矿藏的开发具有一定的参考意义。关键词:可燃冰;试采;集输模式;工艺流程;安全性DOI:10.3969/jissn1006-5539.2023.01.002Exploring the gathering and transmission process of offshoregas hydrate exploitationCHEN Junwen1，ZHAO Xingyuan1，WANG Hongchao2，WU Shichuan2，GUO Yanlin1，YANG Kairan2，CAO Xuewen2，BIAN Jiang21 CPECC Southwest Company，Chengdu，Sichuan，610041，China;2 College of Pipeline and Civil Engineering，China University of Petroleum，Qingdao，Shandong，266580，ChinaAbstract:Gas hydrate is recognized as one of the clean and efficient energy sources in the worldAccording to the results of two trial mining of gas hydrate in the Shenhu area of the South China Sea，thegas hydrate deposits in this area show the coexistence of free gas and hydrate，and are mostly distributed inthe argillaceous silty clay The produced fluid is characterized by high methane content，sand and highwater production On this basis，this research puts forward the pre-treatment scheme of underwater gas-liquid separation，and compares and analyzes the advantages and disadvantages of three gathering andtransmission modes:underwater gas-liquid separation and sand-liquid reinjection，separate gas-liquidtransmission and sand-liquid treatment on platform，and mixed phase gas-liquid transmission and sand-liquid treatment on platform Focusing on the gathering and transmission scheme of underwater gas-liquid80油气储运与处理第41卷第1期OIL&GAS GATHERING,TRANSPORTATION AND TREATMENTseparation and sand-liquid reinjection，the underwater gathering and transmission process of natural gas，underwater gas-liquid separation process and platform treatment process are explored，thus proving thefeasibility of the scheme In the design process，the issue of sand production and secondary hydrategeneration in the process were considered to provide support for the safe and efficient operation of the gashydrate transmission process The ideas and schematic design of this paper provide guiding significance forthe development of natural gas hydrate deposits in the South China SeaKeywords:Natural gas hydrate;Trial production;Gathering and transmission scheme;Processflow;Safety0前言随着传统化石燃料的不断消耗，寻找新的替代能源已经成为中国的战略问题。以可燃冰为代表的非常规能源储量丰富，其高效开采与利用对保障国家能源安全意义重大。可燃冰大多储藏在近海大陆架的沉积层中，少量储存在高原冻土区，据估计，可燃冰资源总量换算成 CH4气体约为 1.810162.11016m3，有机碳储量是全球已探明煤炭和油气资源的 2 倍，可满足人类未来100 年的能源需求12。目前，多个国家和地区进行了可燃冰试采。加拿大在 2002 年采用热流体循环法对可燃冰储层进行了试采，从目标地层成功采出了天然气;2007 年 4 月，加拿大利用降压法对可燃冰再次进行试采，试采过程发现存在出砂问题，后续针对出砂问题采取了安装防砂筛管的方式。美国在 2012 年首次采用 CO2CH4置换联合降压法在阿拉斯加北坡对可燃冰进行了现场试采，随着 CO2注入量缓慢增加，并未出现地层压裂状况，总体来说运行较为平稳。日本在 2013 年和 2017 年对日本南海海槽东部的海域实施了 2 次可燃冰试采，2013 年第一次试采时，采用降压法+注热法的组合方式，但因出现严重出砂问题而中断34;2017 年，采用改进的开发技术进行新一轮天然气水合物试采实践，研制了具有形状记忆功能的新型多孔聚合物防砂材料，但因井筒水合物阻塞终止试采5。2017 年，中国实施了首轮海上可燃冰试采;2020年 3 月进行了第二轮可燃冰试采，取得成功并超额完成目标任务。尽管中国对可燃冰的研究起步较晚，但在基于降压法的水平井钻井试采方面走在了世界前列，自主研发了多项开采技术，如水平井钻井方式、提高井口稳定性的吸力锚技术等，在实现可燃冰自主开采的道路上取得了长足进步，同时，在产量预测、增产理论、流动保障等方面积累了新的经验68。南海神狐海域是中国可燃冰开发的主战场，因此本文选取该区域为背景进行重点分析，结合中国已有的深水气田开发技术和可燃冰试采技术方案，对可燃冰采集系统的集输工艺方案进行设计和探讨。本文以中国南海神狐海域的可燃冰试采为背景，对可燃冰集输工艺设计的思路要点进行了探讨。特别针对可燃冰开采工艺中存在的出砂及水合物二次生成问题提出了新的砂液回注集输方案，以期对未来可燃冰开采的集输工艺设计与关键设备选型提供依据，为加快中国可燃冰的商业化开发提供设计思路。1神狐海域可燃冰矿藏特点1.1试采概述2017 年 5 月，中国海上半潜式钻井平台“蓝鲸 1 号”在南海神狐海域成功进行可燃冰试采，此次试采持续60 d，累计产气量约 30.9104m3，获得了多项重大突破性成果，创造了产气时长和总量的世界纪录9。此外，这次试采还克服了泥质粉砂型储层试采的难题，实现了连续稳定产气。可燃冰开采技术也由此得到了发展，对中国可燃冰的开发具有重要指导意义。中国第二轮试采于 2020 年 2 月 17 日点火成功，到 3月 18 日完成预定目标任务。本轮试采月产气总量86.14104m3、日均产气量 2.87104m3，是第一轮试采产气总量的 2.8 倍10。在产气总量和日均产气量方面创造了世界纪录，标志着中国已经进入了试验性试采可燃冰阶段。此外，本轮试采研发了可燃冰开采的关键技术装备体系，对增强深水开发能力，形成环境风险防控技术体系，保障海上安全绿色开发等具有重要意义。1.2地理位置神狐海域是中国大陆延伸出的南部海域，位于南海北部坡和神狐暗沙海域附近，据中国地质调查局估计，该海域可燃冰储量可达 194 108m3，预测总面积达22 km2，可燃冰资源非常丰富。可燃冰储层属于泥质粉砂岩，渗透率低，开采难度大。从地质构造看，该海域的海底地质构造比较复杂、地貌单元多样，包含海谷、海山、冲蚀槽、陡坡等。神狐海域的地形延续了中国大陆架的趋势，具有一定的坡度，该海域测得的最大水深为3 560 m，属于深水可燃冰矿藏。1.3成藏特点海域水合物主要赋存于新生代第四纪地层，热成因90天然气与石油NATURAL GAS AND OIL2023年2月或生物成因气皆有，无明显圈闭，储层温度、地温梯度、热流和压力高;海域可燃冰多数分布在富含有孔虫的黏土质粉砂和粉砂质黏土中，地震反射波显示明显的拟海底反射层(Botton Simulating Reflector，BSR)特征，测井响应总体表现为高视电阻率、高波速特征，其储层沉积物力学强度低，具有高孔隙度、低渗透率和相对较高的水合物饱和度。通过对神狐海域试采井的电阻率曲线等关键特征进行分析表明，BSR 上下都有水合物存在，其下方几十米范围内均有薄层水合物及部分游离气存在，在垂直方向上也存在明显的成藏组合特征11。据报道，神狐海域水合物的成藏序列12 见图 1，神狐海域试采区域水深范围 9001 500 m，在海床以下 150300 m 的范围内存在 BSR 特征，薄层状水合物埋深范围在海床下几十米到几百米，因此，水合物埋深的变化较大。厚层状和分散状水合物占比较大，厚度达 1080 m。有极少的斑块状水合物分布在分散状水合物以下;部分水合物分布在断层附近，但这种水合物分布不规律，游离气层也会在水合物层下部发育聚集。图 1神狐海域水合物的成藏序列图Fig1Reservoir forming sequence of hydrates in Shenhu block2神狐海域环境条件海域的环境条件影响可燃冰采集工艺。神狐海域环境主要受南海暖流的影响，南海暖流是在南海北部终年存在由西南向东北流动的暖流，夏季位置偏北，冬季未受东北季风影响。南海暖流以东沙群岛为界，将海流分为东、西两段，东段暖流流轴位于水深 8001 500 m 的水域，西段暖流流轴位于