海洋天然气水合物固态流化多相混合浆液水平段运移规律

唐洋，赵鹏，王国荣，李绪深，方小宇

(1.西南石油大学机电工程学院，四川成都，610500；2.南方海洋科学与工程广东省实验室(湛江)，广东湛江，524000；3.西南石油大学能源装备研究院，四川成都，610500)

海洋天然气水合物(以下简称水合物)因其能量密度高、储量巨大而被视为21世纪的重要能源。我国南海蕴藏着丰富的水合物资源，其具有海底埋深浅、胶结性差等特点。采用传统的水合物钻采方法(例如降压法、置换法)开采水合物有可能会导致海底非成岩水合物大量无序分解，进而造成海底水合物储层大规模坍塌[1-4]。基于上述原因，周守为等[5-6]提出了“天然气水合物固态流化开采工艺”，有望实现水合物的绿色安全开采。在此基础上提出的基于双层管双梯度钻井的水合物固态流化采掘方法，与常规钻井方法不同，该方法中钻井液从双层管的环空通入，而水合物泥砂多相混合浆液从双层连续油管内管返回地面，实现了产出的水合物多相混合浆液在双层管内管运移，不再通过裸眼段环空返回地面，有效避免了常规方法中因水合物层压力窗口窄、环空流速过大造成井壁垮塌问题。

在双层管双梯度钻井的固态流化采掘水合物过程中，水合物混合浆体多相流的运移规律，特别是固相颗粒的运移规律是水合物开采水平段岩屑运移的核心，魏纳等[7]建立了常规钻井工艺下，考虑水合物凝聚力的水平段岩屑运移模型，研究了不同丰度下天然气水合物固相颗粒的运移规律；李蜀涛等[8]采用Fluent 软件耦合EDEM 软件，模拟了常规钻井工艺中不同影响因素下水平管段水合物固相颗粒的运移特征；郭晓乐等[9]基于有限体积法原理，考虑悬浮层固液相速度差和钻杆旋转的影响，建立了陆地井全井段三层岩屑动态运移模型，研究全井段岩屑运移规律。

近年来，国内外重视对天然气水合物颗粒在采掘过程中运移规律的研究，取得了一些研究成果，然而，对双层管双梯度钻井工艺下水合物固态流化开发水平管段混合浆体运移特性的研究较少。为此，本文作者基于固液两相流模型，分别建立常规钻采工艺以及双层管双梯度钻井工艺下水合物混合浆体运移的仿真模型，研究水合物混合浆体在传统裸眼井筒环空内部和连续管水平管段内部的运移特性，验证双层管双梯度钻采方法用于水合物固态流化开采的可行性与优势。

1 双层管双梯度水合物固态流化方法

1.1 双层管双梯度固态流化钻采工艺

深水浅表层钻进时，海底疏松沉积物和海水作用会造成钻井安全窗口变窄，常规钻井技术面临井涌、井漏、钻完井成本过高等系列问题，而基于双层管双梯度钻井的水合物钻采方法可使井筒内孔隙压力与破裂压力间的余量相对增大，同时能调节井眼环空压力和井底压力，可有效防止井漏、井涌事故，此外还能解决常规钻井方法水平段流速过高而导致的井壁失稳问题，实现水合物储层全方位360°钻采[10]。天然气水合物固态流化开采工艺如图1所示。其作业过程包括3个阶段。

图1 天然气水合物固态流化开采工艺Fig.1 Solid fluidized mining process of natural gas hydrate

1)钻进过程。将水合物钻采船行驶到水合物采集点，并锚定水合物钻采船，再将双层连续油管和钻井工具管串一起下至海底，进行水合物地层盖层及水合物层水平段的钻进，形成水合物射流破碎的通道。

2)采掘过程。关闭通往钻头的钻井液通道，开启水合物射流破碎工具的射流喷头并回拖工具管串进行水合物固态流化开采作业，破碎所产生的水合物泥砂多相混合浆液经过海底分离器进行分离，并原位回填，分离产生的水合物在海底举升泵的作用下，从双层管的内管返至海平面并进行进一步处理。

3)全方位采掘过程。重复过程1)和2)，可完成水合物的多层次360°范围内水合物采掘[11-12]。

1.2 双层管双梯度钻井井底压力动态调节

由于深水天然气水合物储层的压力窗口狭窄，在钻井作业期间容易发生渗漏和溢流，因此，为了精确控制钻井压力，保证钻井过程的安全性，井底压力应满足：

式中：Pb为井眼的底部压力，MPa；Pf为地层破裂压力，MPa；PLeak为地层漏失压力，MPa；Ppro为地层孔隙压力，MPa；Pcp为地层坍塌压力，MPa。

图2所示为双层管双梯度钻井井底压力调控示意图。由图2(a)可见：井筒底部压力主要由海水压力、隔离液压力和钻井液压力组成，其表达式为

式中：ρs为海水密度，kg/m3；ρi为隔离液密度，kg/m3；ρm为钻井液密度，kg/m3；hs为海水静液柱高度，m；hi为隔离液高度，m；hm为钻井液高度，m；g为重力加速度，m/s2。

工况1：当井筒底部压力大于地层压力时，会出现渗漏。此时通过增加海底举升泵的举升功率以及串联泵的级数，增加泵流量至Q2+Δq1。由图2(b)可见：钻井液静压柱高度降低，海水静压柱高度增加，从而降低井筒底部压力。其表达式为

式中：Pb1为井筒底部压力降低后压力，MPa；Δh1为钻井液静液柱的下降高度，m；由于海水的密度小于钻井液的密度，因此Pb1＜Pb。

工况2：当井筒底部压力小于地层压力时，会出现溢流。此时通过降低海底举升泵的举升功率以及串联泵的级数，减小泵流量至Q2- Δq2。由图2(c)可见：井筒内钻井液静液柱高度增加，海水静液压柱高度降低，从而增加井筒底部压力，其表达式为

图2 双层管双梯度钻井井底压力调控示意图Fig.2 Bottom hole pressure control schematic diagram of double-layer gradient drilling with double-layer pipes

式中：Pb2为井筒底部压力增加后的压力，MPa；Δh2为钻井液静液柱的增加高度，m；由于海水密度小于钻井液密度，因此Pb2＞Pb。

1.3 混合浆体水平段运移机理

在常规工艺钻采过程中，水合物、泥砂等固相颗粒在水平段裸眼环空内部运移，由于裸眼段表面粗糙不平，颗粒主要以翻滚、跃移的形式运移，床面以下岩屑依然静止不动；当流速达到一定程度，由于流体拖曳力增大以及各层颗粒之间的动量交换，运动不断向深层发展，最终形成固相颗粒的成层滚动运移；当流体流速足够大时，在流体举升力及径向脉动影响下，固相颗粒各层之间同时发生动量和质量的交换，颗粒最终进入悬移运移状态[13-15]。

当采用双层管双梯度钻井方法时，水合物、泥砂等固相颗粒在水平段双层管内管运移，由于连续管内表面较光滑，且双层连续管内管中固相颗粒运移通道尺寸小于常规钻井方法。因此，在同等情况下，双层管双梯度钻井方法运移通道内部流速相对较高。此外，双层管双梯度钻井方法在水平段还设置了用于辅助水合物泥砂多相混合浆液返出的举升泵装置，也对水平段固相颗粒运移产生有益效果。图3所示为水合物混合浆液水平段运移示意图。

2 数值仿真模型

天然气水合物固态流化开采过程中，射流破碎后形成的水合物混合浆液主要由以海水为主的液相，水合物颗粒和岩屑为主的固相颗粒以及因水合物分解产生的极少量气相组成，由于在水合物储层温度与压力条件下水合物分解量极少，且气相密度较小，将水合物、岩屑、极少量的气相等效为固相颗粒。因此，在水合物混合浆液中只存在固相颗粒以及液相，且假设固相颗粒和液相体积分数均为50%[6]。根据固液两相流理论，考虑液相对固相颗粒的作用力包括浮力、流动拖曳力、压力梯度力、流动举升力、固相颗粒自身的重力以及颗粒之间的黏结力[16-21]，同时充分考虑了水合物丰度、固相颗粒粒径、钻井液流量以及举升泵扬程等因素对水平段内混合浆液运移效率的影响，开展数值模拟研究。

2.1 数学模型

2.1.1 欧拉模型连续性方程

仿真过程中主相为钻井液(l)，次项为天然气水合物(s)。

式中：αl为液相体积分数；ρl为液相密度，kg/m3；αS为固相体积分数；ρS为固相密度，kg/m3；为岩屑到钻井液的质量传递；为钻井液到岩屑的质量传递，由质量守恒可知=。

2.1.2 动量方程

2.2 混合浆液水平段运移模型

2.2.1 基本假设

根据工程实际和计算要求，进行如下假设：

1)流体在流动过程中不发生相变，井筒处于绝热状态，且环空内流体之间不产生热交换；

2)固相颗粒直径、密度和摩擦角相同，且为球形刚性颗粒；

3)旋转管柱沿其中心轴线转动，且不发生弯曲变形；

4)数值仿真分析入口处的流体为充分发展过后的流体。

2.2.2 物理模型

以2种不同钻井方法的水平井段水合物泥砂多相混合浆液运移过程为研究对象，其中，传统开采方法水平段通道尺寸为2017年首次水合物固态流化开采所采用的尺寸[6]，具体如表1所示，数值仿真物理模型如图4所示。

图4 数值仿真物理模型示意图Fig.4 Schematic diagram of numerical simulation physical model

表1 2种方法水平段运移通道尺寸Table 1 Dimensions of horizontal passage in two methods

采用计算流体力学软件，选择欧拉-欧拉法多相流模型，湍流模型选取RNGk-ε模型对2 种工艺下水合物混合浆液运移特征进行数值模拟，按“钱币法”划分水合物混合浆液运移流场及边界层网格，结果如图5所示。

图5 流场域网格划分效果图Fig.5 Flow field meshing diagram

3 水合物浆液水平段运移效率对比

基于双层管双梯度钻井水合物固态流化钻采的工艺核心是利用水合物在水合物储层温度和压力下的稳定性，将传统开采工艺中的水合物破碎分解过程由不可控变为可控，采用双层连续管工艺，从双层连续管内外管环空泵入海面上较高温度的海水对水合物储层进行原位射流破碎，含有水合物的沉积物被粉碎成细小颗粒与海水混合形成水合物多相混合浆液，在水力举升泵的抽吸作用下水合物多相混合浆液经吸入口进入双层连续管内层管道最终输送至海洋钻采平台上。

3.1 相同流量下效率对比

针对双层管双梯度钻井方法水平段水合物泥砂多相混合浆液的运移规律，选择了在相同流量、粒径及流速工况下，对比分析2种水合物泥砂多相混合浆体的运移效率。图6所示为相同工况下2种工艺固相颗粒运移情况对比。

由图6(a)可知：在钻井液流量均为300 L/min时，在常规钻井方法运移通道下环空部分几乎为固相颗粒沉积物，上环空几乎均为钻井液；而对于双层管双层梯度钻井方法，在运移通道下近壁面处固相颗粒以跃移为主，有固相颗粒沉积，在运移通道中部与上部区域，固相颗粒以悬移为主。在常规钻井工艺下，固相颗粒几乎无法运移，而在双层管双梯度钻井工艺中，固相颗粒能够正常运移。

3.2 相同流速下效率对比

由图6(b)可知：在相同流速情况下，虽然在下近壁面处2种方法的体积分数比较接近，但常规钻井方法固相颗粒的沉积厚度明显高于双层管双梯度钻井方法的沉积厚度，且在常规钻井方法的上环空内壁面区域固相颗粒的体积分数也相对较高。当双层管设有举升泵作用时，固相颗粒在运移通道内部将处于悬移状态，而不会沉积在运移通道底部形成岩屑床。此外，常规钻井方法的运移通道为钻柱与井壁所形成的环空，由于水合物地层较松软，因此，环空内流速不能太高，否则将会造成井壁塌陷等事故。而双层管双梯度钻井方法是在管内运移，其流速将不会受限制，这将更加有利于水合物颗粒的运移。

图6 相同工况下2种工艺固相颗粒运移情况对比Fig.6 Comparison of solid particle migration in two processes technology under the same working condition

4 水合物浆液双层管运移效率影响因素

在水平管段，运移的水合物多相混合浆液受水合物丰度、固相颗粒粒径、钻井液流量以及举升泵扬程等因素的影响，在不同条件下，固相颗粒呈现不同的运移特性。图7所示为不同因素对固相颗粒运移效率影响对比。

4.1 水合物丰度

由图7(a)可见：在入口混合浆体流量为1 100 L/min 以及固相颗粒粒径为3 mm情况下，随着入口水合物丰度增加，运移通道底部的固相颗粒沉积情况会发生改变。当水合物丰度为0.2 时，入口处的水合物多相混合浆液中水合物含量较少，混合物中固相颗粒相应的密度相对较大，因此，在同等流速条件下，当水合物丰度为0.2时，流体拖曳力不足以克服固相颗粒自身的重力，固相颗粒难以运移，在运移通道内部固相颗粒沉积较严重(体积分数达到0.90)；当水合物丰度为0.8 时，通道底端几乎不存在固相颗粒的沉积(体积分数小于0.20)，这是由于随着水合物丰度增加，混合浆液中固相颗粒体积分数变小，自身重力变小的固相颗粒能够在流体作用下在运移通道中心区域及上部区域高效运移。

4.2 固相颗粒粒径

由图7(b)可见：在入口混合浆体流量为1 100 L/min、水合物丰度为0.6 情况下，在运移通道的中心区域与上壁面区域固相颗粒运动状态主要以悬移为主，在这2处区域内固相颗粒几乎无沉积，而在下近壁面区域固相颗粒运动状态主要以跃移为主，固相颗粒出现了不同程度的沉积。随着固相颗粒粒径增加，在运移通道下壁面固相颗粒的沉积率也随之增加，当固相颗粒粒径为1 mm时，下近壁面区域固相的最大体积分数为0.60，沉积量相对较少，当粒径达到7 mm时，下近壁面区域固相的最大体积分数可达到0.96，由于固相颗粒直径增大，流体产生的浮力以及拖曳力不足以克服固相颗粒逐渐增大的重力，导致下壁面固相颗粒出现大量沉积，此时，固相颗粒的运移效率极低。

4.3 钻井液流量

由图7(c)可见：在入口混合浆液水合物丰度为0.6、固相颗粒粒径为3 mm情况下，随着入口混合浆液流量增加，固相颗粒的运移情况也有所变化，当混合浆体流量分别为300 L/min 和800 L/min 时，在水平段内流体产生的拖曳力不足，导致下近壁面固相颗粒多以跃移方式运动，固相颗粒在通道下端沉积情况比较严重(体积分数最大可达0.90)；当混合物浆体流量分别为1 100 L/min 和1 300 L/min时，流体径向脉动速度增强以及流体拖曳力增加，导致沉积的固相颗粒逐渐由跃移状态转为成层悬移状态，并由岩屑床表层逐渐向深层发展，最终固相颗粒主要在运移通道中心区域运移，下近壁面岩屑床沉积厚度大幅度减小，此时，固相颗粒运移效率较高。

图7 不同因素对固相颗粒运移效率影响对比Fig.7 Comparison of different factors on solid particle migration efficiency

4.4 举升泵扬程

由图7(d)可见：在入口混合浆液水合物丰度为0.6、固相颗粒粒径为3 mm情况下，当入口混合浆体流量为800 L/min 且无举升泵作用时，在运移通道中心区域固相颗粒的体积分数为0.50，在运移通道的下近壁面区域出现固相颗粒沉积(体积分数最大达到了0.70)，而在运移通道中心区域固相颗粒主要以悬移为主。当有举升泵作用于运移通道时，运移通道内混合浆液流速增加，在高速流体作用下固相颗粒在运移通道中均以悬移方式运移，在运移通道下近壁面区域，固相颗粒体积分数减小至0.15(几乎无沉积)，固相颗粒的运移效率得到极大提高。

5 结论

1)在双层管双梯度钻井水合物固态流化开采工艺中，水合物多相混合浆体水平段运移受水合物丰度、钻井液流量、固相颗粒粒径和举升泵扬程影响较大。当水合物丰度较低、固相颗粒粒径较大、钻井液流量较低、无举升泵作用时，水合物多相混合浆体主要以翻滚及跃移的方式运移，其运移效率较低；当水合物丰度增高、钻井液流量增大、有举升泵作用时，水合物多相混合浆体主要以悬移的方式运移，运移通道内部沉积率较低，运移效率得到有效提高。

2)有举升泵作用情形下，固相颗粒的运移效率提升明显，且在实际生产过程中举升泵还可以对水合物颗粒进行二次破碎，产生更小固相颗粒，进一步提高运移效率，同时，在长水平井水平管段分节增设多级举升泵可有效解决岩屑沉积的问题。

3)在同等条件下，水合物泥砂多相混合浆液在双层管双梯度钻井方法内部的运移效率要高于常规钻井方法的运移效率，且在有举升泵作用时双层管双梯度钻井方法优势更加明显。

4)由于水合物泥砂多相混合浆液在双层管双梯度钻井方法内管内部运移，其运移速度将在一定程度上不受限制，因此，双层管双梯度钻井方法将更加有利于大直径水合物颗粒的运移。