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天然气水合物诱因的深水油气开发工程灾害风险——以墨

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天然气 水合物 诱因 深水 油气 开发 工程 灾害 风险
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第26卷第4期 2011年8月(页码:1279~1287) 地球物理学进展 N 6, 2011 秦志亮,吴时国,王志君,等.天然气水合物诱因的深水油气开发工程灾害风险——以墨西哥湾深水钻井油气泄漏事故为例. 地球物理学进展,2011,26(4):1279~1287,0.3969/j.004—2903.201i.04.019. L, G, J,et of by A of 2011,26(4):1279~1287,0. 3969/j.004—2903.201i.04.019. 天然气水合物诱因的深水油气开发工程灾害风险 以墨西哥湾深水钻井油气泄漏事故为例 秦志亮 。, 吴时国 , 王志君。, 李清平。 (1.中国科学院海洋研究所海洋油气研究中心,青岛266071; 2.中国科学院研究生院, 北京100049;3.中海石油研究总院,北京100027) 摘要 随着深水油气资源的大力开发,与水合物有关的海洋工程安全问题日益增多.天然气水合物分解使得海底 地层产生超孔隙压力,同时导致沉积物结构强度下降,容易引发气体泄漏、海底滑塌等工程事故,增加了海洋深水工 程的灾害风险.2010年4月2水地平线”钻井平台爆炸并沉没,这一事故 引发了墨西哥湾海域有史以来最大规模的原油泄漏灾害.初步分析结果表明,天然气水合物分解产生的甲烷气泡成 为油井爆炸的直接肇因,而在漏油井口的封堵过程中,水合物的意外出现使得利用“控油钢筋水泥罩”封堵漏油井口 的方案失效.文中分析了深水工程的水合物风险以及墨西哥湾钻井爆炸事故的触发过程,并提出了相应的解决方案. 关键词 天然气水合物,灾害风险,墨西哥湾,深水工程 O.3969/j.004—2903.204.图分类号献标识码 A of by —A of hi— hi— hi—j (1.66071,.of 00049,3.00027,of of by of of to to n 0,2010,by P of of by is of to to by of by of to of 稿日期 基金项目 作者简介 2010—09—12;修回日期2010—12中科院重要方向性项目(国家重大专项课题(204)和国家自然科学基金重点基金(4联合资助. 秦志亮,男,1983年生,博士研究生,主要从事大陆边缘稳定性及地质灾害研究(E—ac. *通讯作者 吴时国(E—ac.地球物理学进展 0 引 言 天然气水合物是在高压低温条件下,由天然气 和水形成类似冰状的固体物质.一方面,天然气水合 物以其巨大的储量,有望成为未来重要的替代能 源_1 ;另一方面,天然气水合物可能引发严重的灾害 风险,这已成为海洋深水工程安全控制上的重要考 虑因素,与水合物有关的深水工程安全问题日益受 到关注 . 海洋天然气水合物一般赋存于被动大陆边缘陆 坡区,该区域也是当前深水油气主要开发工区.区域 地质构造如海底斜坡、不规则地层、含水合物沉积层 的不稳定性等因素构成了工程灾害的潜在条件,特 别是天然气水合物,由于它是一种亚稳态结晶体,其 稳定性受温压条件影响,温压的变化会导致天然气 水合物与天然气的相互转化 ].深水工程作业中如 果遇到天然气水合物,其分解可能会产生大量游离 气,增加沉积层的孑低沉积物的胶结强 度,使得含气沉积层的抗剪强度和承载能力降低,有 可能引发海底滑坡、地层塌陷等地质灾害_4].作为灾 害地质因素,天然气水合物对海洋深水油气勘探的 危害性还表现在其分解将导致地层承载力的不均 匀,这种含气区内部承载力的不均匀将威胁到海洋 工程的安全,如造成钻井平台桩腿的不均匀沉降,甚 至使平台倾斜或倾覆等.另外,气体的突然释放会对 输送管道产生破坏作用,特别是高压浅层气释放时 轻则侵蚀套管,重则造成井喷,甚至可能引起平台燃 烧,造成生命及财产的损失 ].因此,天然气水合物 对深水工程作业的风险和不利影响值得深入研究. 国际深水油气开发实践表明,与天然气水合物 相关的深水钻井工程安全问题日益增多,从墨西哥 湾到巴西坎帕斯盆地,再到西非几内亚湾,约有七成 的深水油井的正常作业受到水合物因素的影响,水 深超过600 1合物风险控制更成为深水油 气钻探开发过程中的主要难题.美国曾发生过多起 因天然气水合物堵塞管线而造成的停钻事故,其中 最严重的一次发生在墨西哥湾海域,作业水深945 m, 影响作业进度近120 西非几内亚湾也出现过深 水固井过程中的水合物风险,险些酿成重大事故 . 2010年4月20日,在美国墨西哥湾深水作业 的水地平线”钻井平台发生爆炸,造成 了重大人员伤亡和财产损失.累计死亡人数11人, 70万桶原油泄漏进入墨西哥湾,由此造成了墨西哥 湾海域前所未有的环境灾难,保守预计直接损失达 15亿美元同时,仅1个多月,700亿美元.事故调查结果表明。。],爆炸是由于钻 井过程中的甲烷气泡剧烈喷发所致,而这与作业过 程操作不当导致海底水合物的分解有密切关系. 1 水合物引起的灾害风险分析 1.1水合物带来的钻井风险 海洋天然气水合物通常赋存于200~1500 m 的海底沉积层中,含天然气水合物的沉积层一般是 未固结的地层,水合物填充在孔隙空间,或者与沉积 物颗粒胶结在一起.水合物的存在使地层孔隙度降 低,地层渗透率也随之降低,从而阻碍了下层游离气 向上运移,在孔隙不均匀分布情况下,很容易产生超 压地层.钻探过程遇到超压地层,造成作业事故的风 险大为增加(图1). 再者,海底水合物层易受外围环境变化的影响, 钻井活动会引起地层温压场发生变化,导致水合物 层的分解,产生大量的游离气体,由此引发一系列钻 井问题(图2). 在深水作业环境中,水合物的形成不仅会堵塞 输送管道、压井管线和井筒,而且还有可能堵塞水下 防喷器,由此导致防喷器无法连接,拖延了井控时 间,产生严重的井控问题.此外,水合物的形成还可 能破坏导向基座和水下生产设备,并在海底设备上 形成大量的水合物,影响正常作业.在钻井过程 中,深部热流体会被带入浅部含水合物地层中,由此 破坏了水合物存在的温压条件,可能导致水合物分 解,井涌或井漏等问题将变得比较突出.由于水合物 的存在起到了胶结或骨架支撑的作用,当井眼打开 后,水合物的分解本身就会使井壁失稳,引起井径扩 大、套管被压扁、井口装置承载能力降低、井口沉降 等问题,严重的情形会导致井壁岩层失稳垮塌,影响 立柱甚至整个钻井平台的安全_1 .另外,水合物还 会改变钻井液的造壁性能,影响井壁稳定性.而且当 钻井液中气体含量很高时,会降低整个环空压力,从 而导致更加严重的水合物分解,加剧了井喷和井壁 不稳定性.某些情况下,水合物分解产生的部分气体 进入井内,连同钻井液一起上返到地面,在这个过程 中如果井内温压条件合适,它们又会重新在钻井管 线和阀门内形成水合物,导致循环管道被堵塞 . 因此,井壁易失稳和井内事故易发是水合物地层钻 井的主要的潜在危险. 地球物理学进展 26卷 位于墨西哥湾密西西比峡谷海域,这一海域是天然 气水合物的富集区.时应充分考虑到水合物风险,尤其是深水作业时 更应该评估水合物风险.不足,研究工作也进行得比较少,以至于在事故发 生后缺乏有效的水合物风险应对预案,堵漏过程中 对水合物的形成与堵塞问题缺乏预见性,导致精心 设计的堵漏方案失败,延误了堵漏时机.而在考虑深 水工程水合物风险的基础上,深水油气开发作业方 案必定有所调整. 以固井为例,对含有水合物地层进行固井时,必 须考虑天然气水合物分解后即使丧失井段套管支撑 力,上部井段也要能够支撑套管、井口装置、防喷器 等重量.另外,水合物层井径扩大可能产生的套管弯 曲变形等因素也需要加以特殊考虑. 对于如何防止天然气水合物的快速分解,选择 合适的固井材料是其中的关键,需要考虑的因素有: 靠近水合物层的水泥浆固化时,水化反应热会使水 合物分解,需要尽可能降低其水化反应热;即使在天 然气水合物的低温环境下,也必须发生水化反应固 化,要有充分的强度;如果钻井较深,钻井液循环会 将深部地热带至上部,则需防止热传至套管外侧引 起周围天然气水合物分解;天然气水合物分解气及 游离气需要防止环隙气流.为满足上述条件,水合物 地层固井使用的水泥应具有低水化反应热,低温下 有较高的早期强度,高绝热性及防止环隙气流等特 性.这些要求与冻土地区固井要求完全相同,因此可 以应用冻土区固井材料和技术.目前在冻土区一般 使用强度高、胶结好、候凝时间在15小时以内的水 泥,这有助于降低风险. 当然,本次事故中施工方案上也有诸多争议之 处,如是先打水泥塞,再替海水还是先替海水再打水 泥塞,过协商, 最终同意替海水,再打水泥塞. 再就是工作人员初期未及时发现溢流,以及发现溢 流后采取措施不当是井喷失控爆炸着火的直接原 因.在大量溢流的情况下,仍然坚持开泵循环.直到 井筒天然气到井口,才停泵,观察4 后两次开泵排气,由于井筒内大量天然气喷势过于 激烈,防喷器也发生刺漏,最后导致强烈井喷,爆炸 着火.固井质量不合格,是造成此次井喷的间接原因 之一,该井曾发生过循环漏失,为了防止在固井中漏 失,该井采用了充氮气低密度水泥浆.有报道讲,该 水泥浆体系获得固井成功的难度很大,有可能该井 的固井质量存在问题.同时井眼内的小间隙固井也 使得固井质量难以保证,导致下部高压气体的侵入. 固井侯凝时间短也是引发事故的一个间接原因.该 井在固井侯凝16.5 开始替海水作业,这为 井喷事故埋下了隐患. 可以预见,经历这次严重的灾害事故后,深水工 程作业中的水合物风险将被充分认识,水合物风险的 防范将会被提升到一个前所未有的高度加以重视. 4结论与建议 随着中国近年来深水油气开发的逐步加大,南 海以其良好的油气资源构造条件,有望成为中国海 洋油气勘探的重要战略接替区和今后中国深水油气 开发的主战场.南海不仅蕴藏着丰富的常规油气资 源,南海的地质条件也有利于天然气水合物的发育. 水合物层工程地质灾害的评价与防治是深水石油、 天然气勘探和开发工程领域的重大课题.因此,在勘 探开发南海常规深水油气资源的同时,需要对海洋 天然气水合物进行勘探和开展水合物风险控制研究. 比较有效的研究手段之一是通过海底深潜器系 统或试海 底地层孔隙压力及应力场等多种参数变化.从而实 现原位条件下监测海底水合物的分解过程及其对海 底地层不稳定性的影响,建立水合物风险的预测技 术和预警系统,更好地指导深水安全作业,避免或大 大减轻海域水合物带来的灾害风险. 参考文 献( [1] D.M]. 998:1~628. ,, P,et of on j].004,213:379~4[3]王淑红,宋海斌,颜文.地球系统中的天然气水合物一天然气 体系研究展望[J].地球物理学进展,2006,21(1):232~243. H, B,.of in ].2006,21(1):232~243. L H, J.of on n:5n 001,27~31. , J.002,39(1):193~212. n M F.of on .Sc.005. , P,,et of 期 秦志亮,等:天然气水合物诱因的深水油气开发工程灾害风险——以墨西哥湾深水钻井油气泄漏事故为例 1287 of 2004,206:1~18. s f}010/04/29 [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] .S.P s of to /ca/3593白玉湖,李清平,周建良,等.天然气水合物对深水钻采的潜在 风险及对应性措施.石油勘探技术[J].2009,37(3):17~22. H, P, L,et he of to ].2009,37(3):17~22. 吴华,邹德永,于守平.海域天然气水合物的形成及其对钻井 工程的影响[J].石油勘探技术,2007,35(3):91~93. , Y, P.on ].007,35(3):91~93. 白小东,黄进军,侯勤立.深水钻井液中天然气水合物的成因分 析及其防治措施[J].精细石油化工进展,2004(04):52~54. D, J, L.of in J].n 004(52~54. ,,.on of 。].000,(163):1252148. ,,.]. 998,26(12):1107~1110. P, D.2003.n in D.1~76. [17] [18] [19] [2O] [21] [22] [23] [24] 225] [26] [27] E, J.of on ea ]. 991(10):125~141. ,,.of rc in to 003,79:427~461. ,, S,et in ].999(30):485~497. M, B, R,of in ].986(10):221~234. ..of 001(179):71~83. f ww.of in—f 008 (4):98~101. H, S.of on ].997(92):853~879. L。 C, D of s on 005 IP 008(25):873~883. il f} .bp.BP to 5/24/P .S./ bD.
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