全球海洋油氣勘探開發(fā)活動目前主要集中在熱帶和溫帶地區(qū),但隨著世界能源發(fā)展格局的變化以及油氣需求量的不斷增長,寒帶海域的油氣資源越來越受到關(guān)注和重視。永凍層所具有的力學(xué)性質(zhì)特殊性,給寒帶海域油氣開采帶來了極大的困難與挑戰(zhàn),目前國內(nèi)對于寒帶海域油氣鉆井技術(shù)鮮見報道。為此,通過調(diào)研國內(nèi)外的文獻(xiàn)資料,分析了永凍層在不同狀態(tài)下的力學(xué)特性及其在井筒安全、鉆井平臺、鉆井液體系、固井和天然氣水合物等方面所存在的風(fēng)險,綜合闡述了套管隔熱、優(yōu)快鉆井、低溫鉆井液、低溫固井及鉆井平臺設(shè)計等永凍層油氣鉆井關(guān)鍵工藝及配套技術(shù)的現(xiàn)狀。研究結(jié)果表明:①永凍層所在的環(huán)境溫度對其力學(xué)性質(zhì)較為敏感,溫度是穩(wěn)定永凍層力學(xué)性質(zhì)以及實現(xiàn)安全快速鉆井的關(guān)鍵因素;②合理而高效的保溫隔熱技術(shù)、低溫流體工藝技術(shù)和抗冰鉆井平臺技術(shù)是確保海域永凍層鉆井順利實施的核心技術(shù)。結(jié)論認(rèn)為,寒帶海域油氣資源豐富,在弄清永凍層分布特征和力學(xué)特性的基礎(chǔ)上,研發(fā)并掌握寒帶海域相關(guān)鉆井技術(shù)對于提高我國海洋鉆井技術(shù)的國際競爭力具有重要的意義。

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【部分圖文】：

圖1世界永凍層分布圖（據(jù)國際凍土學(xué)會網(wǎng)站修改）

地質(zhì)研究和工程實踐表明，永凍層不僅存在于溫帶陸地上的高海拔和高緯度寒帶低溫地區(qū)，在北極圈范圍內(nèi)的海底也有很多分布，如圖1所示，而對南極圈內(nèi)的永凍層分布情況則鮮有報道。與陸地高海拔地區(qū)和高緯度地區(qū)永凍層相比，存在于海底的永凍層并不是從海床泥面開始的，而是從海床以下20～40m處開始....

圖2礦物顆粒間凍結(jié)過程[22]示意圖

式中pm表示某個溫度下的巖石強度，MPa;T表示某個負(fù)溫值，℃；T0表示-1℃；A和m分別表示與溫度有關(guān)的經(jīng)驗參數(shù)。對于砂巖，在沒有實驗數(shù)據(jù)條件下，可采用表1中的數(shù)據(jù)進行計算。對永凍層的強度分析研究不僅僅只應(yīng)關(guān)注于抗壓強度和抗拉強度，還應(yīng)包括用來描述地層抗剪性能的黏聚力和內(nèi)摩擦角....

圖3不同鉆進累積時間凍融交界面與井壁的距離示意圖[29]

永凍層巖石融解后強度會降低，流變也會變強，這不僅會引起地層沉降，影響水下井口和隔水管的穩(wěn)定和安全，還可能會使下入井中的套管柱在永凍層發(fā)生融解后受到交替的壓縮和拉伸應(yīng)力，使套管柱的壓縮應(yīng)變和拉伸應(yīng)變增大[30]，進而影響套管柱的完整性安全，如圖4所示。壓縮應(yīng)力是在永凍層巖石融解后，....

圖4不同巖性地層中在套管上所產(chǎn)生交替的張力和壓力示意圖[30]

圖3不同鉆進累積時間凍融交界面與井壁的距離示意圖[29]3永凍層的鉆井風(fēng)險

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