寒带海域永冻层的力学特性对油气钻井的挑战

发布时间：2024-03-01 19:06

　　全球海洋油气勘探开发活动目前主要集中在热带和温带地区,但随着世界能源发展格局的变化以及油气需求量的不断增长,寒带海域的油气资源越来越受到关注和重视。永冻层所具有的力学性质特殊性,给寒带海域油气开采带来了极大的困难与挑战,目前国内对于寒带海域油气钻井技术鲜见报道。为此,通过调研国内外的文献资料,分析了永冻层在不同状态下的力学特性及其在井筒安全、钻井平台、钻井液体系、固井和天然气水合物等方面所存在的风险,综合阐述了套管隔热、优快钻井、低温钻井液、低温固井及钻井平台设计等永冻层油气钻井关键工艺及配套技术的现状。研究结果表明:①永冻层所在的环境温度对其力学性质较为敏感,温度是稳定永冻层力学性质以及实现安全快速钻井的关键因素;②合理而高效的保温隔热技术、低温流体工艺技术和抗冰钻井平台技术是确保海域永冻层钻井顺利实施的核心技术。结论认为,寒带海域油气资源丰富,在弄清永冻层分布特征和力学特性的基础上,研发并掌握寒带海域相关钻井技术对于提高我国海洋钻井技术的国际竞争力具有重要的意义。

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【部分图文】：

图1世界永冻层分布图（据国际冻土学会网站修改）

地质研究和工程实践表明，永冻层不仅存在于温带陆地上的高海拔和高纬度寒带低温地区，在北极圈范围内的海底也有很多分布，如图1所示，而对南极圈内的永冻层分布情况则鲜有报道。与陆地高海拔地区和高纬度地区永冻层相比，存在于海底的永冻层并不是从海床泥面开始的，而是从海床以下20～40m处开始....

图2矿物颗粒间冻结过程[22]示意图

式中pm表示某个温度下的岩石强度，MPa;T表示某个负温值，℃；T0表示-1℃；A和m分别表示与温度有关的经验参数。对于砂岩，在没有实验数据条件下，可采用表1中的数据进行计算。对永冻层的强度分析研究不仅仅只应关注于抗压强度和抗拉强度，还应包括用来描述地层抗剪性能的黏聚力和内摩擦角....

图3不同钻进累积时间冻融交界面与井壁的距离示意图[29]

永冻层岩石融解后强度会降低，流变也会变强，这不仅会引起地层沉降，影响水下井口和隔水管的稳定和安全，还可能会使下入井中的套管柱在永冻层发生融解后受到交替的压缩和拉伸应力，使套管柱的压缩应变和拉伸应变增大[30]，进而影响套管柱的完整性安全，如图4所示。压缩应力是在永冻层岩石融解后，....

图4不同岩性地层中在套管上所产生交替的张力和压力示意图[30]

图3不同钻进累积时间冻融交界面与井壁的距离示意图[29]3永冻层的钻井风险

本文编号：3915691