Диссертация (Разработка технологических решений по прогнозированию осложнений при эксплуатации глубоководных месторождений газогидратов)

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Российский государственный университет нефти и газа(национальный исследовательский университет)имени И.М. Губкина»На правах рукописиСЯН ХУАРАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ПО ПРОГНОЗИРОВАНИЮОСЛОЖНЕНИЙ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ ГЛУБОКОВОДНЫХМЕСТОРОЖДЕНИЙ ГАЗОГИДРАТОВСпециальность: 25.00.18–Технология освоения морских месторожденийполезных ископаемыхДИССЕРТАЦИЯна соискание ученой степени кандидата технических наукНаучный руководитель:доктор технических наук, профессорКадет Валерий ВладимировичМосква-20192ОГЛАВЛЕНИЕВВЕДЕНИЕ .............................................................................................................

4ГЛАВА 1 ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР РАБОТ ПО ИССЛЕДОВАНИЮГАЗОГИДРАТОВ .................................................................................................. 91.1. Основные сведения о газовых гидратах ..................................................... 91.2. Обзор существующих технологий добычи газа из газогидратныхзалежей ............................................................................................................... 131.3. Анализ российских и зарубежных исследований по интерпретациирезультатов многофазных течений при разработке морских газогидратныхместорождений ................................................................................................... 331.4.

Выводы ......................................................................................................... 44ГЛАВА 2 МНОГОФАЗНЫЕ ПОТОКИ В СКВАЖИНЕ ПРИ БУРЕНИИНА ГЛУБОКОВОДНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЯХ ГАЗОГИДРАТОВ ...... 462.1. Моделирование многофазных потоков в стволе и затрубномпространстве при бурении на глубоководных залежах газогидратов ..........

462.2. Расчет распределения температуры в стволе глубоководных скважин 532.3. Многофазный поток в стволе скважины и изменение забойногодавления при бурении на глубоководном газогидратном месторождении . 692.4. Выводы ......................................................................................................... 80ГЛАВА 3 ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ И ТЕХНОГЕННЫЕ РИСКИ ПРИРАЗЛОЖЕНИИ ГАЗОГИДРАТОВ.................................................................. 813.1. Потенциальные риски при бурении на пласте газогидратов..................

813.2. Математическая модель взаимодействия между буровым раствором ипластом для прогнозирования осложнений в процессе бурения .................. 913.3. Выводы ....................................................................................................... 123ГЛАВА 4 АНАЛИЗ СВОЙСТВ БУРОВЫХ РАСТВОРОВ ДЛЯРАЗРАБОТКИИЭКСПЛУАТАЦИИНЕФТЕГАЗОВЫХИГАЗОГИДРАТНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ................................................. 1244.1. Бионическая временная изоляционная технология защитынефтегазовых и нетрадиционных залежей от проникновения буровыхрастворов ...........................................................................................................

1244.2. Двойные разреженные самоочищающиеся высокоэффективныебуровые растворы на водной основе для нефтегазовых скважин внизкопроницаемых пластах ............................................................................ 13334.3. Чистый буровой раствор для деполимеризации мембраны газовойскважины в каменноугольно пласте .............................................................. 1374.4. Высокотемпературный концентрированный буровой раствор на основенеочищенной нефти для сланцевых нефтяных и газовых скважин ...........

1404.5. Выводы ....................................................................................................... 143ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ ......................................... 144СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ............................................................................... 1464ВВЕДЕНИЕАктуальность темы исследованияГидраты природного газа (далее газогидраты) все больше привлекаютвнимание как новый источник энергии. Содержание углерода в газогидратахможет составлять 10 трлн. т, что в два раза превышает содержание углеродаво всех вместе взятых мировых запасах угля, нефти и традиционного природного газа.

По оценкам, на 20,7% площади суши и 90% площади мирового океана имеются условия, способствующие образованию газогидратов. Запасыприродного газа в морских газогидратных отложениях огромны, по оценкам,они составляют около 1015 м3, что в 100 раз превышает запасы природного газав газогидратах на суше. Газогидраты считаются самым перспективным источником углеводородной энергии в XXI веке. Поэтому безопасные и эффективные способы разработки газогидратных залежей стали объектом пристальногоинтереса в мире.В России, США, Японии, Канаде, Китае и Южной Корее было несколькопопыток пробной эксплуатации газогидратных месторождений.

Практика показала, что в связи с большими затратами, технологической новизной и высокими экологическими рисками, связанными с разработкой месторождений газогидратов, необходимо дальнейшее совершенствование технологий его добычи.На сегодняшний день основными методами добычи газа из газогидратаявляются: метод нагрева, метод снижения давления, метод введения химического ингибитора и метод замещения метана в составе гидрата на CO2.При этом весьма важным вопросом является анализ влияния специфических термобарических условий глубоководья на поведение газогидратов впроцессе освоения месторождений и исследование возможности возникновения технологических осложнений с целью их предупреждения.Таким образом, проведение научных исследований по прогнозированиюосложнений при вскрытии и разработке глубоководных месторождений газогидратов представляется весьма актуальной задачей.Цель работыОпределение закономерностей поведения конструкции скважин и прилегающего донного рельефа в процессе работы добывающей скважины, а такжеразработка более эффективной защиты нефтегазовых и газогидратных коллекторов от проникновения в них бурового раствора.51.2.3.4.Основные задачи исследованияАнализ существующих экспериментальных данных и методов добычи газаиз газогидратных залежей на суше и море.Выбор термогидродинамической модели, разработка алгоритма вычислений и проведение численных расчетов развития области разложения газогидратов в пласте при термобарических условиях глубоководного месторождения.Определение зависимости деформаций конструкции скважины и устойчивости донного уклона от размера зоны разложения газогидратов.Анализ свойств буровых жидкостей с целью выбора оптимального составараствора для разбуривания газогидратных пластов.Методы решения поставленных задачДля решения поставленных задач автором была проанализирована обширная геологическая и технологическая информация о морских газогидратных месторождениях, проведено компьютерное моделирование протекающихтермодинамических и гидродинамических процессов, а также экспериментальное исследование свойств бурового раствора в лабораторных условиях.При проведении численных экспериментов применялось программное обеспечение ANSYS, ABAQUS и CFD.Научная новизна1.

Расчетным путем доказано, что наиболее опасным для нарушения стабильности ствола скважины является направление максимального горизонтального напряжения, причем по мере увеличения давления бурового раствораобласть текучести в окрестности ствола скважины уменьшается, а риск нарушения стабильности ствола скважины снижается.2.

Установлена связь деформации приустьевой зоны пласта и продольного смещения устья скважины с размером зоны разложения гидратов. Взаимосвязь этих параметров носит нелинейный характер и представлена в видесерии графиков для различных глубин залегания и толщин налегающих пластов. Графики являются основой для определения параметров деформаций вприустьевой зоне скважины.3. Получены зависимости коэффициента запаса прочности от глубины залегания газогидратной залежи и угла ее наклона, которые близки к линейным6в диапазоне параметров, представляющих практический интерес. Это существенно облегчает их использование при проведении расчетов.4.

Разработан модификатор «амфипатический», который обеспечиваетустойчивую гидрофобизацию поверхности горной породы около стенки скважины и глинистой корки. Полученный с его использованием буровой растворобладает способностью создавать высокоэффективную изолирующую поверхность на стенке скважины, что позволяет избежать повреждения нефтегазового или газогидратного коллектора, вызванного поглощением жидкой фазой.При этом данный буровой раствор является экологически безопасным, поскольку не содержит агрессивных химических реагентов.Защищаемые положения1. Вывод о том, что наиболее опасным для нарушения стабильностиствола скважины является направление максимального горизонтальногонапряжения, причем по мере увеличения давления бурового раствора областьтекучести в окрестности ствола скважины уменьшается, а риск нарушения стабильности ствола скважины снижается.2. Установленная связь деформации приустьевой зоны пласта и продольного смещения устья скважины с размером зоны разложения гидратов.

Взаимосвязь этих параметров носит нелинейный характер и представлена в видесерии графиков для различных глубин залегания и толщин налегающих пластов. Графики являются основой для определения параметров деформаций вприустьевой зоне скважины.3. Зависимости коэффициента запаса прочности от глубины залегания газогидратной залежи и угла ее наклона, которые близки к линейным в диапазоне параметров, представляющих практический интерес.4.

Модификатор «амфипатический», который обеспечивает устойчивуюгидрофобизацию поверхности горной породы около стенки скважины и глинистой корки. Полученный с его использованием буровой раствор обладаетспособностью создавать высокоэффективную изолирующую поверхность настенке скважины, что позволяет избежать повреждения нефтегазового или газогидратного коллектора, вызванного поглощением жидкой фазой. При этомданный буровой раствор является экологически безопасным, поскольку не содержит агрессивных химических реагентов.7Практическая ценность и реализация результатов работыПолученные в результате численных расчетов прогнозы нарушения стабильности ствола скважины в 2017 году были учтены в процессе опытнопромышленной добычи океанического слабоцементированного непородообразующего газогидрата в Южно-Китайском море в районе Шэньху.Буровой раствор с амфипатической компонентой был успешно испытани применен на некоторых нефтегазовых месторождениях-Сулиге (месторождение газа плотных коллекторов), Синьцзян (месторождение нефти плотныхколлекторов), нефтяное месторождение Хуабэй, газовое месторождение Сычуань, нефтяное месторождение Цзидун, нефтяное месторождение Шенгли.Соответствие диссертации паспорту научной специальностиДиссертация соответствует паспорту специальности 25.00.18 «Технология освоения морских месторождений полезных ископаемых» (техническиенауки) по следующему пункту областей исследований: п.

8 «Прогнозированиевозможных последствий, принципы и методы обеспечения промышленной иэкологической безопасности при планировании, строительстве, эксплуатациии ликвидации промысловых объектов».Апробация работыРезультаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: «2-й глобальной конференции китайских ученых по Гидродинамике(The 2nd Conference of Global Chinese Scholars on Hydrodynamics)» (город Усипровинция Цзянсу, КНР 11-14 Ноября,2016 г), «Международная конференцияпо разведке и разработке месторождений(the International Field Exploration andDevelopment Conference, )» (21-23 сентября 2017 года, город Чэнду провинцияСычуань , КНР), «VI Международная Конференция «NANOTECHOILGAS2018»: Наноявления при разработке месторождений углеводородного сырья:от наноминералогии и нанохимии к нанотехнологиям»(Москва РФ ,20-21 ноября 2018 г.