海洋天然氣水合物固態(tài)流化多相混合漿液水平段運(yùn)移規(guī)律

唐洋，趙鵬，王國榮，李緒深，方小宇

(1.西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，四川成都，610500；2.南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室(湛江)，廣東湛江，524000；3.西南石油大學(xué)能源裝備研究院，四川成都，610500)

海洋天然氣水合物(以下簡稱水合物)因其能量密度高、儲(chǔ)量巨大而被視為21世紀(jì)的重要能源。我國南海蘊(yùn)藏著豐富的水合物資源，其具有海底埋深淺、膠結(jié)性差等特點(diǎn)。采用傳統(tǒng)的水合物鉆采方法(例如降壓法、置換法)開采水合物有可能會(huì)導(dǎo)致海底非成巖水合物大量無序分解，進(jìn)而造成海底水合物儲(chǔ)層大規(guī)模坍塌[1-4]?；谏鲜鲈颍苁貫榈萚5-6]提出了“天然氣水合物固態(tài)流化開采工藝”，有望實(shí)現(xiàn)水合物的綠色安全開采。在此基礎(chǔ)上提出的基于雙層管雙梯度鉆井的水合物固態(tài)流化采掘方法，與常規(guī)鉆井方法不同，該方法中鉆井液從雙層管的環(huán)空通入，而水合物泥砂多相混合漿液從雙層連續(xù)油管內(nèi)管返回地面，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)出的水合物多相混合漿液在雙層管內(nèi)管運(yùn)移，不再通過裸眼段環(huán)空返回地面，有效避免了常規(guī)方法中因水合物層壓力窗口窄、環(huán)空流速過大造成井壁垮塌問題。

在雙層管雙梯度鉆井的固態(tài)流化采掘水合物過程中，水合物混合漿體多相流的運(yùn)移規(guī)律，特別是固相顆粒的運(yùn)移規(guī)律是水合物開采水平段巖屑運(yùn)移的核心，魏納等[7]建立了常規(guī)鉆井工藝下，考慮水合物凝聚力的水平段巖屑運(yùn)移模型，研究了不同豐度下天然氣水合物固相顆粒的運(yùn)移規(guī)律；李蜀濤等[8]采用Fluent 軟件耦合EDEM 軟件，模擬了常規(guī)鉆井工藝中不同影響因素下水平管段水合物固相顆粒的運(yùn)移特征；郭曉樂等[9]基于有限體積法原理，考慮懸浮層固液相速度差和鉆桿旋轉(zhuǎn)的影響，建立了陸地井全井段三層巖屑動(dòng)態(tài)運(yùn)移模型，研究全井段巖屑運(yùn)移規(guī)律。

近年來，國內(nèi)外重視對(duì)天然氣水合物顆粒在采掘過程中運(yùn)移規(guī)律的研究，取得了一些研究成果，然而，對(duì)雙層管雙梯度鉆井工藝下水合物固態(tài)流化開發(fā)水平管段混合漿體運(yùn)移特性的研究較少。為此，本文作者基于固液兩相流模型，分別建立常規(guī)鉆采工藝以及雙層管雙梯度鉆井工藝下水合物混合漿體運(yùn)移的仿真模型，研究水合物混合漿體在傳統(tǒng)裸眼井筒環(huán)空內(nèi)部和連續(xù)管水平管段內(nèi)部的運(yùn)移特性，驗(yàn)證雙層管雙梯度鉆采方法用于水合物固態(tài)流化開采的可行性與優(yōu)勢。

1 雙層管雙梯度水合物固態(tài)流化方法

1.1 雙層管雙梯度固態(tài)流化鉆采工藝

深水淺表層鉆進(jìn)時(shí)，海底疏松沉積物和海水作用會(huì)造成鉆井安全窗口變窄，常規(guī)鉆井技術(shù)面臨井涌、井漏、鉆完井成本過高等系列問題，而基于雙層管雙梯度鉆井的水合物鉆采方法可使井筒內(nèi)孔隙壓力與破裂壓力間的余量相對(duì)增大，同時(shí)能調(diào)節(jié)井眼環(huán)空壓力和井底壓力，可有效防止井漏、井涌事故，此外還能解決常規(guī)鉆井方法水平段流速過高而導(dǎo)致的井壁失穩(wěn)問題，實(shí)現(xiàn)水合物儲(chǔ)層全方位360°鉆采[10]。天然氣水合物固態(tài)流化開采工藝如圖1所示。其作業(yè)過程包括3個(gè)階段。

圖1 天然氣水合物固態(tài)流化開采工藝Fig.1 Solid fluidized mining process of natural gas hydrate

1)鉆進(jìn)過程。將水合物鉆采船行駛到水合物采集點(diǎn)，并錨定水合物鉆采船，再將雙層連續(xù)油管和鉆井工具管串一起下至海底，進(jìn)行水合物地層蓋層及水合物層水平段的鉆進(jìn)，形成水合物射流破碎的通道。

2)采掘過程。關(guān)閉通往鉆頭的鉆井液通道，開啟水合物射流破碎工具的射流噴頭并回拖工具管串進(jìn)行水合物固態(tài)流化開采作業(yè)，破碎所產(chǎn)生的水合物泥砂多相混合漿液經(jīng)過海底分離器進(jìn)行分離，并原位回填，分離產(chǎn)生的水合物在海底舉升泵的作用下，從雙層管的內(nèi)管返至海平面并進(jìn)行進(jìn)一步處理。

3)全方位采掘過程。重復(fù)過程1)和2)，可完成水合物的多層次360°范圍內(nèi)水合物采掘[11-12]。

1.2 雙層管雙梯度鉆井井底壓力動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)

由于深水天然氣水合物儲(chǔ)層的壓力窗口狹窄，在鉆井作業(yè)期間容易發(fā)生滲漏和溢流，因此，為了精確控制鉆井壓力，保證鉆井過程的安全性，井底壓力應(yīng)滿足：

式中：Pb為井眼的底部壓力，MPa；Pf為地層破裂壓力，MPa；PLeak為地層漏失壓力，MPa；Ppro為地層孔隙壓力，MPa；Pcp為地層坍塌壓力，MPa。

圖2所示為雙層管雙梯度鉆井井底壓力調(diào)控示意圖。由圖2(a)可見：井筒底部壓力主要由海水壓力、隔離液壓力和鉆井液壓力組成，其表達(dá)式為

式中：ρs為海水密度，kg/m3；ρi為隔離液密度，kg/m3；ρm為鉆井液密度，kg/m3；hs為海水靜液柱高度，m；hi為隔離液高度，m；hm為鉆井液高度，m；g為重力加速度，m/s2。

工況1：當(dāng)井筒底部壓力大于地層壓力時(shí)，會(huì)出現(xiàn)滲漏。此時(shí)通過增加海底舉升泵的舉升功率以及串聯(lián)泵的級(jí)數(shù)，增加泵流量至Q2+Δq1。由圖2(b)可見：鉆井液靜壓柱高度降低，海水靜壓柱高度增加，從而降低井筒底部壓力。其表達(dá)式為

式中：Pb1為井筒底部壓力降低后壓力，MPa；Δh1為鉆井液靜液柱的下降高度，m；由于海水的密度小于鉆井液的密度，因此Pb1＜Pb。

工況2：當(dāng)井筒底部壓力小于地層壓力時(shí)，會(huì)出現(xiàn)溢流。此時(shí)通過降低海底舉升泵的舉升功率以及串聯(lián)泵的級(jí)數(shù)，減小泵流量至Q2- Δq2。由圖2(c)可見：井筒內(nèi)鉆井液靜液柱高度增加，海水靜液壓柱高度降低，從而增加井筒底部壓力，其表達(dá)式為

圖2 雙層管雙梯度鉆井井底壓力調(diào)控示意圖Fig.2 Bottom hole pressure control schematic diagram of double-layer gradient drilling with double-layer pipes

式中：Pb2為井筒底部壓力增加后的壓力，MPa；Δh2為鉆井液靜液柱的增加高度，m；由于海水密度小于鉆井液密度，因此Pb2＞Pb。

1.3 混合漿體水平段運(yùn)移機(jī)理

在常規(guī)工藝鉆采過程中，水合物、泥砂等固相顆粒在水平段裸眼環(huán)空內(nèi)部運(yùn)移，由于裸眼段表面粗糙不平，顆粒主要以翻滾、躍移的形式運(yùn)移，床面以下巖屑依然靜止不動(dòng)；當(dāng)流速達(dá)到一定程度，由于流體拖曳力增大以及各層顆粒之間的動(dòng)量交換，運(yùn)動(dòng)不斷向深層發(fā)展，最終形成固相顆粒的成層滾動(dòng)運(yùn)移；當(dāng)流體流速足夠大時(shí)，在流體舉升力及徑向脈動(dòng)影響下，固相顆粒各層之間同時(shí)發(fā)生動(dòng)量和質(zhì)量的交換，顆粒最終進(jìn)入懸移運(yùn)移狀態(tài)[13-15]。

當(dāng)采用雙層管雙梯度鉆井方法時(shí)，水合物、泥砂等固相顆粒在水平段雙層管內(nèi)管運(yùn)移，由于連續(xù)管內(nèi)表面較光滑，且雙層連續(xù)管內(nèi)管中固相顆粒運(yùn)移通道尺寸小于常規(guī)鉆井方法。因此，在同等情況下，雙層管雙梯度鉆井方法運(yùn)移通道內(nèi)部流速相對(duì)較高。此外，雙層管雙梯度鉆井方法在水平段還設(shè)置了用于輔助水合物泥砂多相混合漿液返出的舉升泵裝置，也對(duì)水平段固相顆粒運(yùn)移產(chǎn)生有益效果。圖3所示為水合物混合漿液水平段運(yùn)移示意圖。

2 數(shù)值仿真模型

天然氣水合物固態(tài)流化開采過程中，射流破碎后形成的水合物混合漿液主要由以海水為主的液相，水合物顆粒和巖屑為主的固相顆粒以及因水合物分解產(chǎn)生的極少量氣相組成，由于在水合物儲(chǔ)層溫度與壓力條件下水合物分解量極少，且氣相密度較小，將水合物、巖屑、極少量的氣相等效為固相顆粒。因此，在水合物混合漿液中只存在固相顆粒以及液相，且假設(shè)固相顆粒和液相體積分?jǐn)?shù)均為50%[6]。根據(jù)固液兩相流理論，考慮液相對(duì)固相顆粒的作用力包括浮力、流動(dòng)拖曳力、壓力梯度力、流動(dòng)舉升力、固相顆粒自身的重力以及顆粒之間的黏結(jié)力[16-21]，同時(shí)充分考慮了水合物豐度、固相顆粒粒徑、鉆井液流量以及舉升泵揚(yáng)程等因素對(duì)水平段內(nèi)混合漿液運(yùn)移效率的影響，開展數(shù)值模擬研究。

2.1 數(shù)學(xué)模型

2.1.1 歐拉模型連續(xù)性方程

仿真過程中主相為鉆井液(l)，次項(xiàng)為天然氣水合物(s)。

式中：αl為液相體積分?jǐn)?shù)；ρl為液相密度，kg/m3；αS為固相體積分?jǐn)?shù)；ρS為固相密度，kg/m3；為巖屑到鉆井液的質(zhì)量傳遞；為鉆井液到巖屑的質(zhì)量傳遞，由質(zhì)量守恒可知=。

2.1.2 動(dòng)量方程

2.2 混合漿液水平段運(yùn)移模型

2.2.1 基本假設(shè)

根據(jù)工程實(shí)際和計(jì)算要求，進(jìn)行如下假設(shè)：

1)流體在流動(dòng)過程中不發(fā)生相變，井筒處于絕熱狀態(tài)，且環(huán)空內(nèi)流體之間不產(chǎn)生熱交換；

2)固相顆粒直徑、密度和摩擦角相同，且為球形剛性顆粒；

3)旋轉(zhuǎn)管柱沿其中心軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，且不發(fā)生彎曲變形；

4)數(shù)值仿真分析入口處的流體為充分發(fā)展過后的流體。

2.2.2 物理模型

以2種不同鉆井方法的水平井段水合物泥砂多相混合漿液運(yùn)移過程為研究對(duì)象，其中，傳統(tǒng)開采方法水平段通道尺寸為2017年首次水合物固態(tài)流化開采所采用的尺寸[6]，具體如表1所示，數(shù)值仿真物理模型如圖4所示。

圖4 數(shù)值仿真物理模型示意圖Fig.4 Schematic diagram of numerical simulation physical model

表1 2種方法水平段運(yùn)移通道尺寸Table 1 Dimensions of horizontal passage in two methods

采用計(jì)算流體力學(xué)軟件，選擇歐拉-歐拉法多相流模型，湍流模型選取RNGk-ε模型對(duì)2 種工藝下水合物混合漿液運(yùn)移特征進(jìn)行數(shù)值模擬，按“錢幣法”劃分水合物混合漿液運(yùn)移流場及邊界層網(wǎng)格，結(jié)果如圖5所示。

圖5 流場域網(wǎng)格劃分效果圖Fig.5 Flow field meshing diagram

3 水合物漿液水平段運(yùn)移效率對(duì)比

基于雙層管雙梯度鉆井水合物固態(tài)流化鉆采的工藝核心是利用水合物在水合物儲(chǔ)層溫度和壓力下的穩(wěn)定性，將傳統(tǒng)開采工藝中的水合物破碎分解過程由不可控變?yōu)榭煽?，采用雙層連續(xù)管工藝，從雙層連續(xù)管內(nèi)外管環(huán)空泵入海面上較高溫度的海水對(duì)水合物儲(chǔ)層進(jìn)行原位射流破碎，含有水合物的沉積物被粉碎成細(xì)小顆粒與海水混合形成水合物多相混合漿液，在水力舉升泵的抽吸作用下水合物多相混合漿液經(jīng)吸入口進(jìn)入雙層連續(xù)管內(nèi)層管道最終輸送至海洋鉆采平臺(tái)上。

3.1 相同流量下效率對(duì)比

針對(duì)雙層管雙梯度鉆井方法水平段水合物泥砂多相混合漿液的運(yùn)移規(guī)律，選擇了在相同流量、粒徑及流速工況下，對(duì)比分析2種水合物泥砂多相混合漿體的運(yùn)移效率。圖6所示為相同工況下2種工藝固相顆粒運(yùn)移情況對(duì)比。

由圖6(a)可知：在鉆井液流量均為300 L/min時(shí)，在常規(guī)鉆井方法運(yùn)移通道下環(huán)空部分幾乎為固相顆粒沉積物，上環(huán)空幾乎均為鉆井液；而對(duì)于雙層管雙層梯度鉆井方法，在運(yùn)移通道下近壁面處固相顆粒以躍移為主，有固相顆粒沉積，在運(yùn)移通道中部與上部區(qū)域，固相顆粒以懸移為主。在常規(guī)鉆井工藝下，固相顆粒幾乎無法運(yùn)移，而在雙層管雙梯度鉆井工藝中，固相顆粒能夠正常運(yùn)移。

3.2 相同流速下效率對(duì)比

由圖6(b)可知：在相同流速情況下，雖然在下近壁面處2種方法的體積分?jǐn)?shù)比較接近，但常規(guī)鉆井方法固相顆粒的沉積厚度明顯高于雙層管雙梯度鉆井方法的沉積厚度，且在常規(guī)鉆井方法的上環(huán)空內(nèi)壁面區(qū)域固相顆粒的體積分?jǐn)?shù)也相對(duì)較高。當(dāng)雙層管設(shè)有舉升泵作用時(shí)，固相顆粒在運(yùn)移通道內(nèi)部將處于懸移狀態(tài)，而不會(huì)沉積在運(yùn)移通道底部形成巖屑床。此外，常規(guī)鉆井方法的運(yùn)移通道為鉆柱與井壁所形成的環(huán)空，由于水合物地層較松軟，因此，環(huán)空內(nèi)流速不能太高，否則將會(huì)造成井壁塌陷等事故。而雙層管雙梯度鉆井方法是在管內(nèi)運(yùn)移，其流速將不會(huì)受限制，這將更加有利于水合物顆粒的運(yùn)移。

圖6 相同工況下2種工藝固相顆粒運(yùn)移情況對(duì)比Fig.6 Comparison of solid particle migration in two processes technology under the same working condition

4 水合物漿液雙層管運(yùn)移效率影響因素

在水平管段，運(yùn)移的水合物多相混合漿液受水合物豐度、固相顆粒粒徑、鉆井液流量以及舉升泵揚(yáng)程等因素的影響，在不同條件下，固相顆粒呈現(xiàn)不同的運(yùn)移特性。圖7所示為不同因素對(duì)固相顆粒運(yùn)移效率影響對(duì)比。

4.1 水合物豐度

由圖7(a)可見：在入口混合漿體流量為1 100 L/min 以及固相顆粒粒徑為3 mm情況下，隨著入口水合物豐度增加，運(yùn)移通道底部的固相顆粒沉積情況會(huì)發(fā)生改變。當(dāng)水合物豐度為0.2 時(shí)，入口處的水合物多相混合漿液中水合物含量較少，混合物中固相顆粒相應(yīng)的密度相對(duì)較大，因此，在同等流速條件下，當(dāng)水合物豐度為0.2時(shí)，流體拖曳力不足以克服固相顆粒自身的重力，固相顆粒難以運(yùn)移，在運(yùn)移通道內(nèi)部固相顆粒沉積較嚴(yán)重(體積分?jǐn)?shù)達(dá)到0.90)；當(dāng)水合物豐度為0.8 時(shí)，通道底端幾乎不存在固相顆粒的沉積(體積分?jǐn)?shù)小于0.20)，這是由于隨著水合物豐度增加，混合漿液中固相顆粒體積分?jǐn)?shù)變小，自身重力變小的固相顆粒能夠在流體作用下在運(yùn)移通道中心區(qū)域及上部區(qū)域高效運(yùn)移。

4.2 固相顆粒粒徑

由圖7(b)可見：在入口混合漿體流量為1 100 L/min、水合物豐度為0.6 情況下，在運(yùn)移通道的中心區(qū)域與上壁面區(qū)域固相顆粒運(yùn)動(dòng)狀態(tài)主要以懸移為主，在這2處區(qū)域內(nèi)固相顆粒幾乎無沉積，而在下近壁面區(qū)域固相顆粒運(yùn)動(dòng)狀態(tài)主要以躍移為主，固相顆粒出現(xiàn)了不同程度的沉積。隨著固相顆粒粒徑增加，在運(yùn)移通道下壁面固相顆粒的沉積率也隨之增加，當(dāng)固相顆粒粒徑為1 mm時(shí)，下近壁面區(qū)域固相的最大體積分?jǐn)?shù)為0.60，沉積量相對(duì)較少，當(dāng)粒徑達(dá)到7 mm時(shí)，下近壁面區(qū)域固相的最大體積分?jǐn)?shù)可達(dá)到0.96，由于固相顆粒直徑增大，流體產(chǎn)生的浮力以及拖曳力不足以克服固相顆粒逐漸增大的重力，導(dǎo)致下壁面固相顆粒出現(xiàn)大量沉積，此時(shí)，固相顆粒的運(yùn)移效率極低。

4.3 鉆井液流量

由圖7(c)可見：在入口混合漿液水合物豐度為0.6、固相顆粒粒徑為3 mm情況下，隨著入口混合漿液流量增加，固相顆粒的運(yùn)移情況也有所變化，當(dāng)混合漿體流量分別為300 L/min 和800 L/min 時(shí)，在水平段內(nèi)流體產(chǎn)生的拖曳力不足，導(dǎo)致下近壁面固相顆粒多以躍移方式運(yùn)動(dòng)，固相顆粒在通道下端沉積情況比較嚴(yán)重(體積分?jǐn)?shù)最大可達(dá)0.90)；當(dāng)混合物漿體流量分別為1 100 L/min 和1 300 L/min時(shí)，流體徑向脈動(dòng)速度增強(qiáng)以及流體拖曳力增加，導(dǎo)致沉積的固相顆粒逐漸由躍移狀態(tài)轉(zhuǎn)為成層懸移狀態(tài)，并由巖屑床表層逐漸向深層發(fā)展，最終固相顆粒主要在運(yùn)移通道中心區(qū)域運(yùn)移，下近壁面巖屑床沉積厚度大幅度減小，此時(shí)，固相顆粒運(yùn)移效率較高。

圖7 不同因素對(duì)固相顆粒運(yùn)移效率影響對(duì)比Fig.7 Comparison of different factors on solid particle migration efficiency

4.4 舉升泵揚(yáng)程

由圖7(d)可見：在入口混合漿液水合物豐度為0.6、固相顆粒粒徑為3 mm情況下，當(dāng)入口混合漿體流量為800 L/min 且無舉升泵作用時(shí)，在運(yùn)移通道中心區(qū)域固相顆粒的體積分?jǐn)?shù)為0.50，在運(yùn)移通道的下近壁面區(qū)域出現(xiàn)固相顆粒沉積(體積分?jǐn)?shù)最大達(dá)到了0.70)，而在運(yùn)移通道中心區(qū)域固相顆粒主要以懸移為主。當(dāng)有舉升泵作用于運(yùn)移通道時(shí)，運(yùn)移通道內(nèi)混合漿液流速增加，在高速流體作用下固相顆粒在運(yùn)移通道中均以懸移方式運(yùn)移，在運(yùn)移通道下近壁面區(qū)域，固相顆粒體積分?jǐn)?shù)減小至0.15(幾乎無沉積)，固相顆粒的運(yùn)移效率得到極大提高。

5 結(jié)論

1)在雙層管雙梯度鉆井水合物固態(tài)流化開采工藝中，水合物多相混合漿體水平段運(yùn)移受水合物豐度、鉆井液流量、固相顆粒粒徑和舉升泵揚(yáng)程影響較大。當(dāng)水合物豐度較低、固相顆粒粒徑較大、鉆井液流量較低、無舉升泵作用時(shí)，水合物多相混合漿體主要以翻滾及躍移的方式運(yùn)移，其運(yùn)移效率較低；當(dāng)水合物豐度增高、鉆井液流量增大、有舉升泵作用時(shí)，水合物多相混合漿體主要以懸移的方式運(yùn)移，運(yùn)移通道內(nèi)部沉積率較低，運(yùn)移效率得到有效提高。

2)有舉升泵作用情形下，固相顆粒的運(yùn)移效率提升明顯，且在實(shí)際生產(chǎn)過程中舉升泵還可以對(duì)水合物顆粒進(jìn)行二次破碎，產(chǎn)生更小固相顆粒，進(jìn)一步提高運(yùn)移效率，同時(shí)，在長水平井水平管段分節(jié)增設(shè)多級(jí)舉升泵可有效解決巖屑沉積的問題。

3)在同等條件下，水合物泥砂多相混合漿液在雙層管雙梯度鉆井方法內(nèi)部的運(yùn)移效率要高于常規(guī)鉆井方法的運(yùn)移效率，且在有舉升泵作用時(shí)雙層管雙梯度鉆井方法優(yōu)勢更加明顯。

4)由于水合物泥砂多相混合漿液在雙層管雙梯度鉆井方法內(nèi)管內(nèi)部運(yùn)移，其運(yùn)移速度將在一定程度上不受限制，因此，雙層管雙梯度鉆井方法將更加有利于大直徑水合物顆粒的運(yùn)移。