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。     

深水海底泵举升钻井井筒泥浆性能、温度和压力场耦合规律

 井筒温度和压力场计算是深水海底泵举升钻井设计的重要内容.综合考虑温压场与泥浆性能,特别是泥浆流变性能的相互影响,建立深水海底泵举升钻井井筒传热和流动耦合计算模型,并与常规隔水管钻井计算结果进行比对.结果表明:受海水低温影响,上部井段环空温度小于入口温度,海底泵举升钻井井筒温度小于常规隔水管钻井,需注意低温时天然气水合物形成带来的安全隐患;海水段和地层段压力存在不同的压力梯度,地面泵压小于循环压耗,海底泵举升钻井井筒压力小于常规隔水管钻井;考虑泥浆密度和泥浆流变性能变化对井筒温度、ECD 和泵压均有影响,相对来说,ECD 受前者影响较大,而井筒温度场和泵压受后者影响较大;两者都考虑,泵压计算误差将大大降低.     

深水海底泵举升钻井井筒泥浆性能、温度和压力场祸合规律

井筒温度和压力场计算是深水海底泵举升钻井设计的重要内容。综合考虑温压场与泥浆性能,特别是泥浆流变性能的相互影响,建立深水海底泵举升钻井井筒传热和流动耦合计算模型,并与常规隔水管钻井计算结果进行比对。结果表明:受海水低温影响,上部井段环空温度小于入口温度,海底泵举升钻井井筒温度小于常规隔水管钻井,需注意低温时天然气水合物形成带来的安全隐患;海水段和地层段压力存在不同的压力梯度,地面泵压小于循环压耗,海底泵举升钻井井筒压力小于常规隔水管钻井;考虑泥浆密度和泥浆流变性能变化对井筒温度、ECD和泵压均有影响,相对来说,ECD受前者影响较大,而井筒温度场和泵压受后者影响较大;两者都考虑,泵压计算误差将大大降低。     

深水气井测试水合物生成的预测及防治

深水气井测试时,海水段较长且温度较低,天然气容易在泥线至海平面之间形成水合物,堵塞井筒,导致测试失败。建立深水气井井筒温度-压力模型,模拟南海西部某深水探井测试制度,求解得到井筒流体温度、压力分布;对该区域天然气样进行水合物生成实验,得到天然气水合物生成临界条件。结合测试模拟结果,认为温度是影响水合物生成的主要因素且常规测试过程中该井会在泥线附近生成水合物。隔热油管能够降低井筒整体传热系数,提升流体温度,模拟显示采用隔热油管后流体温度整体升高30℃左右,不同产量下测试均不会生成水合物,能够保证测试顺利进行,该井实测情况也证实了这一预测。实测不同产量下井口温压数据与模拟结果对比,误差均小于5%,证明了模型的准确性,表明该方法能够为深水气井测试过程中水合物预测和防治提供依据。     

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。     

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。     

水合物藏钻探中的环空多相流溢流特性研究

含天然气水合物相变的环空多相流动问题是天然气水合物藏钻探过程中井筒流体力学问题的一个关键．考虑天然气水合物的相变,建立了溢流期间环空各相流体的连续性方程、动量方程以及能量方程．模拟计算结果表明：溢流期间,天然气水合物的生成区域会随着循环流量的增大或抑制剂浓度的提高而减小,可通过增大流量和抑制剂浓度使水合物的生成区域脱离海底,减小防喷器管线被堵塞的危险;水合物的生成使环空中气体体积分数降低,泥浆池增量减小,给溢流检测带来延迟;当检测到有气侵发生时,水合物藏分解速率比较小时,井筒中生成水合物的可能性要比分解速率大的情况下更为严重;水合物相变对井底压力的影响较小,在工程中计算井底压力时可以忽略;由于天然气水合物的生成使得关井套压值不能真实反应气侵情况,而且随着时间的增加情况会更加严重．     

元坝集输系统酸性天然气水合物形成规律研究

含硫天然气在集输过程中较不含硫天然气更易出现水合物,水合物的出现将严重影响天然气正常集输,因此水合物形成条件是集输系统方案设计及工艺参数确定的基础信息。本文针对元坝酸性气藏气样组份,通过室内模拟实验,开展了不同气质组分下的水合物形成条件实验,定量化的确定了元坝的水合物形成温度和压力,测定了不同甲醇加量下水合物形成条件变化情况,掌握了元坝酸性天然气水合物形成规律,将为元坝气田酸性集输管网的建设提供基础数据支撑。     

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。     

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。     

钻井液中天然气水合物生成影响因素研究

深水钻井中,极易在钻井液中生成天然气水合物,给深水钻井带来极大的危害。利用研发的钻井液中天然气水合物形成抑制试验装置,系统的研究了钻井液中天然气水合物生成过程及其影响因素。研究表明天然气水合物最先于气液界面处生成;随着搅拌速率的增大,天然气水合物生成速度加快;在钻井液处理剂中,Na Cl可有效延缓天然气水合物生成时间,聚合醇、聚胺次之,膨润土、PAC-LV、XC、SPNH等无明显抑制效果;天然气组分也对天然气水合物生成产生重要的影响,对于烷烃来说,分子量越大,越易于生成天然气水合物。     

SDS促进剂对甲烷水合物蓄冷量的影响

甲烷水合物蓄冷量的确定是甲烷水合物蓄冷降温技术实现工业化的关键。为探究SDS对甲烷水合物蓄冷量的影响,根据Clausius-Clapeyron方程及三参数对应态原理,建立甲烷水合物蓄冷量的计算模型。利用可视化水合物蓄冷实验系统,结合定温压力搜索法测定四组不同SDS浓度体系下甲烷水合物的相平衡条件。依据实验数据和该模型计算得到不同体系、不同相平衡参数下甲烷水合物的蓄冷量。结果表明:甲烷水合物具有较高的蓄冷密度,蓄冷量达40~60 kJ/mol;甲烷水合物的蓄冷量不但与相平衡条件有关,还与SDS的添加浓度有关。相平衡温度越高、SDS添加浓度越高,甲烷气体生成水合物时蓄冷量越低。该研究为甲烷水合物蓄冷降温系统的研制提供了参考。     

丙烷对瓦斯水合物相平衡条件的影响

瓦斯水合物相平衡热力学条件的确立及改善是瓦斯水合化方法实现工业化的关键。利用可视化水合物相平衡实验装置,结合相平衡温度搜索法与观察法测定0.25 mol/L SDS溶液体系中四种不同瓦斯水合物相平衡条件,探究丙烷对瓦斯水合物热力学相平衡条件的变化规律,结果表明:丙烷的加入将水合物结构类型从Ⅰ型转为Ⅱ型,使得4.0~7.0 MPa范围内含丙烷瓦斯水合物生成相平衡温度升高,温差最大至13.7℃,大幅度改善了瓦斯混合气水合物热力学条件;丙烷含量越高,水合物相平衡条件改善效果越好。     

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。     

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。     

深层碳酸盐岩地层长水平段钻井井筒温度分布模型研究

为克服深层海相碳酸盐岩地层长水平段钻井作业过程中的井下高温问题，结合深层海相碳酸盐岩气藏长水平段钻井过程的特点，建立了综合考虑多源项、非牛顿流体螺旋流动、变热物性参数的钻井井筒瞬态温度分布数值模型。基于该模型，研究了水平段长度、循环时间、钻井液排量、入口温度对井筒温度分布的影响规律。结果表明：随着水平段长度的增加，井底温度会显著增加；增加循环时间、增加循环排量、降低钻井液入口温度等措施对降低深层长水平段井底温度的作用有限。可见，为保障深层碳酸盐岩油气资源开发的顺利进行，须提高旋转导向工具的耐温极限。     

一种定量描述油气分布及富集程度的方法

针对含油气盆地内油气分布与富集程度的定量描述问题,提出综合利用录井显示、测井解释、试油结论等资料的含油信息定量描述油气分布的方法;利用该方法计算沾化凹陷探井的油气集聚值,并分析油气的纵、横向分布特征。结果表明:按照3种资料可信度高低的优先顺序(依次为试油结论、测井解释、录井显示)进行计算可获得较真实的油气聚集值;油气聚集值可定量描述研究区油气的分布与富集情况,从而为勘探选区和钻探目标优选提供依据;沾化凹陷纵向上沙四段油气聚集值最高,应是油气勘探的重要方向;横向上北部深洼区(义283—义178一带)油气聚集值较高且连片分布,是沙四段最为现实的油气增储区块;该方法适用于钻井较多的中—高程度探区油气分布描述与增储区块预测。