深水钻井井筒水合物生成风险评估研究进展

国内外对于水合物在集输与采油过程中水合物生成堵塞研究较多,但深水钻井工况下水合物生成堵塞研究很少,水合物生成堵塞风险综合评估仍有待进一步研究。深水钻井过程中水合物易造成井筒堵塞,并诱发系列的井下事故风险,本文针对在深水钻井过程中在井筒低温高压条件下水合物在钻进、起下钻、压井等工况中的水合物生成堵塞风险评估开展理论与实验方面的调研。通过系统介绍天然气水合物的生成风险类型,水合物的生成风险评估环境分为钻遇含天然气地层井筒和在正常深水钻井井筒两种情况。当前深水钻井水合物生成风险预测模型：①基于V-P模型推导、②基于络合溶解理论、③基于智能算法等;水合物生成风险实验评估主要包括基于光学检测、基于超声检测、基于电学检测、基于CT技术、基于核磁共振成像技术等。水合物生成风险定量评估方法主要基于过冷度和无量纲施工参数。综合分析发现深水钻井过程中现有的水合物生成风险预测模型存在计算复杂,无法很好的深水钻井工况契合;而水合物生成风险实验评估都存在无法很好的模拟还原深水钻井循环,起下钻,关压井等复杂工况下生成堵塞风险。结合琼东南深水气田群开发钻完井关键技术研究子课题深水钻井多边界条件下水合物生成风险评估与处理方法研究项目对来深水钻井天然气水合物生成风险的研究重点进行了展望。     

深水钻井液高效水合物抑制剂研究

通过分子结构优化,研制出海洋深水钻井新型水合物动力学抑制剂SDH。利用自行研制的天然气水合物抑制性能评价实验装置模拟超深水海底低温/高压环境,进行水合物抑制性评价实验。结合压力-温度曲线和温度、压力随时间的变化情况,分析SDH作用下水合物生成的动力学过程,探讨其作用机制。考察低剂量的SDH与热力学抑制剂NaCl的复配使用效果。研究表明:在SDH作用下,可将水合物生成过程划分为水合物成核、水合物缓慢生长和大量生成3个阶段; SDH可吸附在水合物表面,通过空间位阻作用有效抑制水合物的生长,其最优加量为1.0％;低剂量的SDH与热力学抑制剂NaCl的复配具有很好的协同作用,在模拟3km水深条件下(2℃,30MPa),1.0％SDH与10％NaCl复配使用可保证钻井液搅拌12h无水合物生成,满足超深水钻井需要,同时可降低成本。     

天然气水合物钻探现状与钻井技术

钻井是天然气水合物勘探发现最直接的手段,也是天然气水合物开发的必要环节。天然气水合物,尤其是海域深水天然气水合物的勘探与开发对钻井技术提出了更高的要求。在总结全球天然气水合物钻探现状和钻井技术的基础上,对天然气水合物钻井面临的挑战和未来发展方向进行了分析。总结认为,全球已在多个冻土区和海域开展了天然气水合物勘探与试采,显示了较好的天然气水合物勘探开发前景;天然气水合物钻探通常与随钻测井(LWD)相结合,并以常规钻探设备、水基钻井液为主;天然气水合物试采井的完井方式各不相同,尚未形成有效的完井技术系列;天然气水合物的温度-压力特征、储层特征、埋深特征和力学特征等决定了天然气水合物钻井面临井筒稳定性、钻井液安全密度窗口窄等方面的挑战。未来,应进一步探索研究控压钻井、欠平衡钻井、套管钻井、隔热竖管钻井、深水浅软地层水平井钻完井、潜式钻探设备组合和经济环保高效型低温钻完井液等技术在天然气水合物钻井中的应用。     

含热力学抑制剂钻井液侵入天然气水合物地层扰动模拟

深水油气勘探开发过程中,为防止井筒内生成天然气水合物,在钻井液中添加水合物热力学抑制剂是有效措施之一。然而含水合物热力学抑制剂钻井液侵入水合物地层的扰动影响鲜有报道。为探究水合物热力学抑制剂对水合物层的扰动规律,利用超声波测试手段,研究了NaCl、乙二醇两类水合物热力学抑制剂钻井液侵入水合物岩样的过程,并讨论了适用于水合物地层钻井液的设计要点。结果表明:含水合物热力学抑制剂的钻井液相比未含抑制剂的钻井液会显著促进水合物分解,且随着抑制剂浓度的增加,水合物分解速度会大幅度增加;NaCl盐类抑制剂促进水合物分解的作用明显强于乙二醇醇类抑制剂;钻井液侵入水合物地层引发的水合物分解呈现非匀速现象。深水钻探水合物地层时,防止地层中水合物的分解与抑制井筒中水合物的生成是相互矛盾的,研发适合水合物地层的钻井液配方来平衡这个矛盾是有效途径。     

水合物地层用纳米SiO2钻井液低温性能实验研究

随着全世界越来越多国家对天然气水合物勘探与开发的青睐,相关钻井技术也得到了日益重视。针对水合物地层的钻井特点,结合现有的纳米材料,通过大量实验优选出一种适合海洋天然气水合物地层钻井用的纳米Si O2钻井液:海水+2%纳米Si O2+3%膨润土+1%Na-CMC(羧甲基纤维素钠)+3%SMP-2(磺甲基酚醛树脂)+1%PVP(K90)(聚乙烯吡咯烷酮)+2%KCl(氯化钾);并对其低温性能和水合物生成抑制性进行了实验评价。实验结果表明,该钻井液具有适中的密度、良好的低温流变性和泥页岩水化抑制性;并能够长时间有效抑制水合物地层分解气在钻井液循环系统中重新生成水合物,有利保障在含水合物不稳定地层中钻井的顺利实施。     

琼东南深水钻井井筒天然气水合物抑制剂推荐浓度确定方法

中国石化将对琼东南深水区域展开油气勘探开发工作,而深水钻井时部分井筒处于高压低温环境中,若有气体侵入,易形成天然气水合物,导致诸多复杂情况的发生。通过对根据琼东南海水温度场的分布规律,考虑不同井段、不同钻井工况、不同钻井水力参数条件,分别建立琼东南深水钻井井筒内温度场和压力场的计算方法,并对深水钻井条件下天然气水合物相态平衡条件进行研究。建立了天然气水合物相平衡压力-温度条件的确定方法。结合深水钻井井筒中的温度场、压力场以及天然气水合物的相平衡条件,联合建立了琼东南深水钻井井筒中天然气水合物生成区域的预测方法和抑制剂浓度的确定方法,并通过琼东南华光区域某一口深水井进行实例计算,得出了各开次水合物可能形成的区域。并分析了钻井工程相关参数对水合物形成区域的影响规律。最终得出了抑制剂的推荐浓度方案。     

钻井液添加剂抑制天然气水合物形成的试验

利用自行设计的试验设备,对钻井液处理剂SD-102,XY-28,PF-THIN,PAM,LV-CMC对天然气水合物形成的影响进行试验研究,分析得到了各钻井液体系的过冷度.综合分析结果表明,在深海钻井过程中要抑制天然气水合物的形成,需要选择性地添加一定量的有机聚合物类处理剂;在室内试验条件下,PF-THIN对天然气水合物的形成具有一定的促进作用,而LV-CMC,PAM,SD-102,XY-28对天然气水合物形成具有一定的抑制作用,且作用强度依次减弱.     

南海固态流化开采天然气水合物设计参数优化

确保水合物开采工程安全,是实现南海固态流化开采天然气水合物商业化开采的关键和前提。为研究钻井参数对固态流化开采天然气水合物过程中多相流特性和工程安全的影响,建立了考虑水合物热分解的井筒多相流模型并分析了钻井参数对工程安全的影响,在此基础上,提出了确保固态流化开采天然气水合物工程安全的具体工程参数选择办法。研究结果表明:为确保固态流化开采天然气水合物工程安全,排量应该控制在40-50 L/s之间;如果地温梯度高于0.04℃/m,钻井时应该提前冷却钻井液;钻井液密度应该控制在1.20-1.25 g/cm3之间;为最大化水合物开采效率,钻速应该保持在20m/h左右。研究成果可为中国南海固态流化商业化开采天然气水合物提供理论指导和技术支持。     

海域天然气水合物水平井钻井温度场预测

利用水平井开发海域天然气水合物具有产量高、产气快、经济效益好的特点,但井筒温度变化容易引起储层水合物分解,诱发井壁失稳坍塌等事故。因此基于井筒传热学理论和钻井工程参数,研究了海域天然气水合物水平井钻井过程中井筒热量传递过程,考虑钻柱与井壁、套管直接的摩擦生热效应,建立了海域天然气水合物水平井钻井过程的井筒温度剖面计算模型,分析了钻柱摩阻、循环时间、钻井液排量、入口温度、水平段长度等参数对对井筒温度场的影响规律。结果显示,钻柱的摩阻生热不可忽略;钻井液循环一定时间后,井筒温度剖面趋于稳定;钻井液排量对于井筒温度场的影响较大;钻井液的入口温度对于裸眼段的温度剖面影响较小,主要影响海水段的温度剖面;水平段裸眼段越长,裸眼段的温度越高;在海域天然气水合物地层钻水平井时,井周地层中的水合物不会分解。该研究成果可为我国海域天然气水合物水平井钻井设计提供借鉴。     

浅析深水钻井中水合物的风险与防治措施

深水是21世纪世界石油工业的重要区域和科技创新的前沿,深水已经成为全球油气资源的主要接替领域,随着深水油气资源勘探开发的推进,在深水钻井过程中,由于水深的增加,导致海底的压力升高、温度降低,从而,天然气水合物就有可能形成;另外,在深水钻井中,浅部地层也有存在天然水合物地层的可能。因此,水合物的风险分析和防治就成为深水钻井中的一个重要的环节。本文从水合物的形成机理入手,浅析了水合物的风险,并阐述了目前常用的水合物的防治手段以及对深水钻井作业的影响等等。     

钻井液添加剂抑制天然气水合物形成的试验

利用自行设计的试验设备,对钻井液处理剂SD-102,XY-28,PF-THIN,PAM,LV-CMC对天然气水合物形成的影响进行试验研究,分析得到了各钻井液体系的过冷度.综合分析结果表明,在深海钻井过程中要抑制天然气水合物的形成,需要选择性地添加一定量的有机聚合物类处理剂;在室内试验条件下,PF-THIN对天然气水合物的形成具有一定的促进作用,而LV-CMC,PAM,SD-102,XY-28对天然气水合物形成具有一定的抑制作用,且作用强度依次减弱.     

防止深水钻井地层水合物分解的实验研究

利用水合物抑制与分解评价模拟实验装置,研究了搅拌条件、膨润土、钻井液添加剂以及水合物抑制剂对气体水合物形成的影响规律,考察了水合物的分解规律。结果表明,搅拌和膨润土的存在可加速水合物的形成,多数钻井液处理剂对水合物形成有一定抑制作用;改变水合物的存在条件(温度、压力)可引起水合物的分解;单一的热力学抑制剂可使水合物立即分解;而使用动力学和热力学抑制剂复配的深水钻井液既可防止天然气形成水合物,又可适当延缓水合物的分解时间,减少水合物分解造成的井喷。     

钻井液处理剂对气体水合物形成的影响研究

海洋深水钻井过程中如钻遇浅层含气砂岩,气体进入钻井液,在海底低温和高压作用下易形成气体水合物,并堵塞井筒、环空或防喷器, 严重影响钻井工程。利用自制四氢呋喃旋转试管测试平台,实验研究了海洋钻井常用的钻井液处理剂（无机盐、有机盐、高分子聚合物）对气体水合物形成的影响。结果表明：无机盐、有机盐能很好地抑制水合物的形成,而聚合物在高浓度时才会有较好的抑制效果,低浓度时则会促进水合物形成。     

水基钻井液中天然气水合物形成实验研究

在钻探过程中,当温压条件合适,钻井液易形成天然气水合物,造成管线堵塞、钻井液性能变化。研究2种水基钻井液对绿峡谷气水合物形成过程中的影响。结果表明实验条件下该2种水基钻井液很易形成水合物,受钻井液组分的影响,两种钻井液中天然气水合物形成速率具有明显差异。在相同的温度下,实验压力越高,天然气水合物越易于形成,反应越剧烈。采用定容压力搜索法,测定了在13~18 MPa时此2种水基钻井液与绿峡谷气形成水合物的相平衡数据,显示一种钻井液能够促进水合物的形成,另外一种钻井液对水合物形成有抑制作用。     

深水钻井工况下隔水管横向振动特性研究

目前,对隔水管的振动研究鲜有涉及深水钻井工况对其横向振动特性的影响。为此,采用牛顿法建立了隔水管横向振动流固耦合模型,利用微分变换法（DTM）对模型进行求解,分析了钻井液排量与密度、张力比、钻柱结构等因素对隔水管横向振动固有频率的影响规律。结果表明,钻井液的存在会减小深水隔水管横向振动固有频率;隔水管横向振动固有频率随钻井液密度的增加而降低,随张力比的增加而增大;钻井液排量和钻柱尺寸对隔水管的横向振动固有频率影响不大。该研究可用于指导深水钻井作业,优化深水钻井工艺参数。     

水合物地层低温钻井液对井底岩石表层强度影响

由于天然气水合物仅在高压低温条件下稳定存在,为了保持水合物稳定,在钻井过程中宜采用低温钻井液,而在低温条件下钻井液能否对井底岩石表层起到软化作用,对于提高机械钻速具有重要意义。在分析钻井液对井底岩石表层软化作用机制的基础上,较系统地建立低温钻井液软化井底岩石表层定量评价方法,以清水为对比浆液,通过试验将6种水合物地层模拟钻井液(分别含有质量分数为0.1%的表面活性剂和有机盐处理剂)在低温条件下对薄片砂岩试样的软化效果进行对比。结果表明:相比于两种有机盐处理剂,含表面活性剂的4种模拟钻井液在低温条件下对岩样软化效果更好,有利于提高岩石破碎效率和机械钻速;4种含表面活性剂钻井液中,含十二烷基硫酸钠(SDS)钻井液对岩样的软化效果最好。