近日，海洋工程领域著名期刊《Ocean Engineering》在线刊发了我校工程学院孙嘉鑫副教授为第一作者、宁伏龙教授为通讯作者的学术成果“Numerical analysis of horizontal wellbore state during drilling at the first offshore hydrate production test site in Shenhu area of the South China Sea”。
水平井是水合物储层增产通常采用的一种开采井型，但在海域未固结水合物储层采用水平井钻进时安全风险高。不同的钻井液工况都会对井周水合物产生明显的扰动，极易诱发水合物分解，从而造成井壁失稳、管线堵塞乃至井喷等潜在的安全生产事故。加之储层自身物性也会对水平井钻井安全造成显著影响。因此，准确揭示上述因素影响规律，有助于水平井增产技术在水合物产业化过程中的推广应用。
鉴于此，宁伏龙教授团队根据南海神狐海域第一次试采站位的地质资料，构建了水合物储层水平井钻进状态模型（图1）。详细研究了不同钻井液性能、水合物饱和度以及束缚水饱和度对钻进过程中井筒状态的影响规律。并在此基础上，讨论了井筒内二次水合物生成的潜在区域以及低渗泥皮形成对井壁稳定的影响。
图1 水合物储层水平井钻井状态模型
研究表明，地层束缚水饱和度高低会显著影响钻井液侵入状况，在该站位钻进时，采用合适的钻井液温度，出现井壁坍塌的可能性不大，但易发生因井周应力释放出现的卡钻事故（图2）；钻井液温度是影响井周水合物分解和管线内二次水合物生成的主控因素（图3）；在没有发生明显钻井液滤失的情况下，在安全密度窗口范围内增加钻井液的密度和盐度仅会轻微地促进水合物分解，但分解造成的力学强度下降对井壁稳定的影响要远远弱于钻井液的护壁作用；通过对比分析可知，水平井可优先布设在高水合物饱和度层，这样更有利于维持井壁稳定，当其布设在低水合物饱和度层时，在适宜的钻井液温度下，在井筒形成低渗泥皮有助于保持井壁稳定。
图2 井周屈服单元及井壁位移监测演化图
（a）甲烷进入井筒的速率曲线 （b）二次水合物潜在的生成区域
图3 游离气进入井筒速率和二次水合物预测生成区域
该项研究工作揭示了南海神狐海域水合物储层水平井钻进工况下的井壁稳定性和井内二次水合物生成的潜在区域，为后续该区域水平井安全钻井和井下风险调控提供了重要支撑，能够服务于南海神狐海域天然气水合物勘查开采先导试验区建设。
该研究得到青岛海洋科学与技术试点国家实验室开放基金项目（QNLM2016ORP0203）、国家重点研发计划（No.2017YFC0307600，2018YFE0126400）、国家自然科学基金项目（41672367，41976074，51904280）和广东省海洋经济发展（海洋六大产业）专项资金等多个项目的联合资助。
论文信息：
Title: Numerical analysis of horizontal wellbore state during drilling at the first offshore hydrate production test site in Shenhu area of the South China Sea
Authors: Jiaxin Sun, Fulong Ning, Tianle Liu, Yanlong Li, Hongwei Lei, Ling Zhang, Wan Cheng, Ren Wang, Xinxin Cao, Guosheng Jiang
Source: Ocean Engineering
DOL: 10.1016/j.oceaneng.2021.109614
Available online: 21 August 2021
论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0029801821009951
