天然氣水合物地層井壁穩(wěn)定性研究

【摘要】：天然氣水合物是由水分子和天然氣分子在一定溫度和壓力下形成的似冰雪狀結(jié)晶化合物，又稱籠形水合物或“可燃冰”。由于形成天然氣水合物的氣體主要為甲烷，因而也常被稱為甲烷水合物。自然界中的天然氣水合物主要分布在海洋的大陸邊緣和陸上永凍地區(qū)，前者占了已發(fā)現(xiàn)數(shù)量的絕大多數(shù)。天然氣水合物研究已成為當(dāng)代地球科學(xué)研究和能源工業(yè)發(fā)展的一大熱點(diǎn)，該研究涉及到新一代能源的探查開發(fā)、溫室效應(yīng)、全球碳循環(huán)和氣候變化、古海洋、海洋地質(zhì)災(zāi)害、天然氣運(yùn)輸、油氣管道堵塞、船艇能源更新和軍事防御等，并有可能對地質(zhì)學(xué)、環(huán)境科學(xué)和能源工業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生深刻的影響。因而世界上許多國家都從各自的關(guān)注點(diǎn)對天然氣水合物展開了廣泛的調(diào)查研究。特別是近來能源短缺日益加劇，油氣價格又居高不下，使得各國更加關(guān)注具有能量密度高、儲量大和分布廣等特點(diǎn)的天然氣水合物，紛紛加大對其勘探和開發(fā)研究的力度。對于我國來說，本身油氣資源就不足，加之經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，導(dǎo)致能源缺口越來越大。專家預(yù)測到2010年我國需進(jìn)口原油接近2億噸才能滿足經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求，僅此一項(xiàng)就要花費(fèi)好幾百億美元的外匯儲備。加之能源結(jié)構(gòu)不合理以及《京都議定書》的正式生效，都迫使我們?nèi)で罂商娲那鍧嵀h(huán)保新能源。因此，從我國能源戰(zhàn)略安全和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展角度來說，也應(yīng)加大對天然氣水合物勘探開發(fā)的力度。 而要對賦藏在地下一定深處的天然氣水合物進(jìn)行勘探和開發(fā)，鉆井是必不可少的。天然氣水合物的熱壓力特性決定了此類地層鉆井與一般油氣地層鉆井有很大不同，也導(dǎo)致這類地層鉆井面臨更加復(fù)雜的井內(nèi)問題。首先在鉆井(進(jìn))時，儲層井壁和井底附近地層應(yīng)力會釋放，地層壓力會降低；同時，鉆頭切削巖石、井底鉆具與井壁及巖心的摩擦都會產(chǎn)生大量的熱能，此外循環(huán)泥漿溫度控制不當(dāng)，這些都可能使孔內(nèi)溫度升高。因此在鉆井過程中井壁地層壓力和溫度的變化將不可避免地導(dǎo)致天然氣水合物發(fā)生分解。當(dāng)固態(tài)水合物起膠結(jié)或骨架支撐作用時，分解本身就會使井壁坍塌。而分解產(chǎn)生的水增加了井壁地層的含水量，使顆粒間的聯(lián)系減弱，導(dǎo)致井壁不穩(wěn)；逸出的氣體又影響了鉆井液的比重和流變性，對井壁穩(wěn)定愈發(fā)不利，甚至還可能引發(fā)井涌和井噴等鉆井事故。其次鉆井過程是一個非絕熱過程，鉆井液和地層之間的熱交換以及水合物的分解吸熱都會使井內(nèi)流體溫度和井壁溫度發(fā)生變化，這種溫度變化會影響鉆井液的粘度、密度、化學(xué)穩(wěn)定性、井眼周圍的應(yīng)力和孔隙水壓力，進(jìn)而影響井壁穩(wěn)定和井內(nèi)安全。最后分解進(jìn)入井內(nèi)的氣體同鉆井液一起上返到地面，在這過程中如果井內(nèi)溫壓條件合適，它們又會重新在鉆井管線和閥門特別是防噴器內(nèi)形成水合物，導(dǎo)致意想不到的鉆井事故發(fā)生。因此井壁穩(wěn)定和井內(nèi)安全控制是天然氣水合物地層鉆井所面臨的主要難題。加之水合物地層骨架一般為未固結(jié)和半固結(jié)的砂巖或泥質(zhì)砂巖，使得在此類地層鉆井時井壁穩(wěn)定問題尤為突出。而井壁不穩(wěn)定會導(dǎo)致井壁坍塌，鉆具卡鉆，井壁破裂，泥漿漏失，以致井的報(bào)廢，損失大量人力物力。據(jù)有關(guān)資料 【關(guān)鍵詞】：天然氣水合物地層 井壁穩(wěn)定 水合物分解 鉆井液滲透 流固耦合 鉆井液性能
【學(xué)位授予單位】：中國地質(zhì)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2005
【分類號】：P744.4
【目錄】：

• 研究生學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明4-5
• 作者簡介5-7
• 摘要7-10
• ABSTRACT10-14
• 目錄14-17
• 第一章 前言17-24
• 1.1 天然氣水合物研究概述17-20
• 1.1.1 天然氣水合物基本知識17
• 1.1.2 天然氣水合物研究現(xiàn)狀17-19
• 1.1.3 天然氣水合物勘探鉆井情況19-20
• 1.2 天然氣水合物地層鉆井井壁穩(wěn)定問題20-21
• 1.2.1 天然氣水合物地層鉆井特點(diǎn)20
• 1.2.2 天然氣水合物地層鉆井面臨的主要問題20
• 1.2.3 井壁穩(wěn)定研究現(xiàn)狀20-21
• 1.3 課題研究目的和意義21-22
• 1.4 課題研究內(nèi)容與技術(shù)路線22-24
• 第二章 水合物地層熱物理和力學(xué)性質(zhì)24-38
• 2.1 純水合物熱物理和力學(xué)性質(zhì)24-28
• 2.1.1 水合物導(dǎo)熱系數(shù)24-25
• 2.1.2 水合物比熱25-27
• 2.1.3 水合物分解熱27
• 2.1.4 水合物力學(xué)性質(zhì)27-28
• 2.2 水合物在沉積地層中的分布模式28-30
• 2.2.1 Ecker假設(shè)29
• 2.2.2 按基質(zhì)類別和宏觀形態(tài)分類29
• 2.2.3 Schlumberger觀點(diǎn)29-30
• 2.3 水合物地層巖石物性研究30-38
• 2.3.1 水合物地層孔隙度和水合物飽和度30-31
• 2.3.2 水合物地層的滲透性31-32
• 2.3.3 水合物地層的有效導(dǎo)熱系數(shù)32-33
• 2.3.4 水合物地層力學(xué)性質(zhì)研究33-38
• 第三章 水合物地層井壁穩(wěn)定的力學(xué)原理38-52
• 3.1 井壁失穩(wěn)概述38-39
• 3.1.1 井壁失穩(wěn)形式38
• 3.1.2 井壁失穩(wěn)機(jī)理38-39
• 3.2 水合物地層地應(yīng)力分析39-41
• 3.2.1 地應(yīng)力概念39
• 3.2.2 原地應(yīng)力構(gòu)成39-41
• 3.3 水合物地層井壁應(yīng)力分析41-46
• 3.3.1 井壁圍巖應(yīng)力分布41-45
• 3.3.2 考慮孔隙壓力的井壁圍巖有效應(yīng)力分布45-46
• 3.3.3 井壁有效應(yīng)力分布46
• 3.4 井壁坍塌和破裂壓力計(jì)算46-52
• 3.4.1 巖石強(qiáng)度破壞準(zhǔn)則介紹47-48
• 3.4.2 井壁坍塌壓力計(jì)算48-49
• 3.4.3 破裂壓力計(jì)算49-50
• 3.5.1 安全鉆井液密度窗口的確定50
• 3.5.2 井壁力學(xué)穩(wěn)定的影響因素50-52
• 第四章 鉆井液侵入水合物地層的特性及對井壁應(yīng)力場的影響52-88
• 4.1 鉆井液在一般油氣地層的侵入52-55
• 4.1.1 鉆井液侵入地層機(jī)理52
• 4.1.2 鉆井液侵入油氣地層理論計(jì)算模型52-54
• 4.1.3 鉆井液在油氣層的侵入特性與影響因素54-55
• 4.2 水合物在海底沉積層中的分解55-69
• 4.2.1 純水合物相平衡條件55-56
• 4.2.2 純水合物分解研究56-61
• 4.2.3 水合物分解數(shù)學(xué)模型61-64
• 4.2.4 水合物在多孔介質(zhì)中的分解研究64-68
• 4.2.5 水合物在海底沉積層中的分解特性68-69
• 4.3 鉆井液在水合物地層的侵入特性分析研究69-87
• 4.3.1 鉆井液侵入過程分析69-70
• 4.3.2 鉆井液侵入的傳熱分析70
• 4.3.3 耦合水合物分解的鉆井液侵入數(shù)值模型70-74
• 4.3.4 模型簡化與有限元模擬分析74-87
• 4.4 鉆井液侵入和水合物分解對井壁應(yīng)力場的影響87-88
• 第五章 考慮鉆井液侵入的井壁力學(xué)穩(wěn)定性分析模型88-109
• 5.1 考慮鉆井液滲流效應(yīng)的井壁穩(wěn)定一般分析模型88-90
• 5.2 流固耦合作用的水合物地層井壁穩(wěn)定性分析模型90-101
• 5.2.1 流固耦合研究概述90-91
• 5.2.2 流固耦合在井壁穩(wěn)定性分析中的應(yīng)用91-92
• 5.2.3 一般滲流流固耦合模型介紹92-96
• 5.2.4 水合物地層流固耦合的滲流方程96-98
• 5.2.5 水合物地層井壁力學(xué)穩(wěn)定的流固耦合分析模型98-101
• 5.3 水合物地層井壁應(yīng)力有限元模擬計(jì)算和分析101-109
• 5.3.1 模擬計(jì)算參數(shù)101-102
• 5.3.2 模擬計(jì)算及結(jié)果初步分析102-109
• 第六章 維護(hù)水合物地層井壁穩(wěn)定的鉆井液體系研究109-123
• 6.1 水合物地層鉆井時鉆井液性能討論109-110
• 6.2 以水合物抑制性為主的鉆井液體系110-114
• 6.2.1 水合物抑制劑110-112
• 6.2.2 添加抑制劑的鉆井液體系112-114
• 6.3 鹽/聚乙二醇鉆井液體系防塌性能室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究114-123
• 6.3.1 實(shí)驗(yàn)思路115
• 6.3.2 實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)過程介紹115-117
• 6.3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析及討論117-122
• 6.3.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)論和建議122-123
• 第七章 結(jié)論和建議123-126
• 7.1 主要結(jié)論和認(rèn)識123-124
• 7.2 論文不足及今后展望124
• 7.3 論文主要創(chuàng)新點(diǎn)124-126
• 致謝126-127
• 參考文獻(xiàn)127-138

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氣煙囪的地球物理響應(yīng)特征及油氣勘探    許翠霞;邊海光;馬朋善;高飛;

冷泉形成的數(shù)值模擬研究    劉善琪;尹鳳玲;朱伯靖;李永兵;石耀霖;

天然氣水合物賦存地層鉆井液技術(shù)研究    楊志國;姜云鵬;李莉;

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分層注水儲層參數(shù)變化機(jī)理與配注參數(shù)動態(tài)調(diào)配方法研究    張玉榮

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鉆井液侵入含天然氣水合物地層特性研究    劉力

古龍南地區(qū)射孔完井參數(shù)優(yōu)選    吳晗

南海天然氣水合物開發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)因素分析    馬文婧

汶川地震斷裂帶科學(xué)鉆探斷層泥孔段孔壁失穩(wěn)及泥漿技術(shù)對策研究    李之軍

深水鉆井液用高效水合物抑制劑室內(nèi)研究    孔祥云

天然氣水合物孔底冷凍繩索取心鉆具的設(shè)計(jì)與室內(nèi)冷凍試驗(yàn)的研究    趙建國

海底天然氣水合物地層鉆井用聚合醇鉆井液體系研究    劉天樂

天然氣水合物與海底滑坡研究    楊曉云

聚合物鉆井液抗高溫能力試驗(yàn)研究    楊葳

溫度對花崗巖力學(xué)性能影響實(shí)驗(yàn)研究及井壁穩(wěn)定性的分析    王艷梅

天然氣水合物分解對海底結(jié)構(gòu)物穩(wěn)定性影響的研究    周丹

巖石的孔隙彈性研究    史謌,楊東全,楊慧珠

巖石全應(yīng)力-應(yīng)變曲線及其與巖爆關(guān)系    李長洪,蔡美峰,喬蘭,王雙紅

橢圓形井眼垮塌的原因和應(yīng)用    趙良孝

鉆井液侵入對儲層電性物性影響實(shí)驗(yàn)研究    胡國恒,姚永君,胡在凱,左新玉

南八仙油氣田電阻率時間推移測井響應(yīng)特征及侵入規(guī)律研究    謝麗,楊體源,林茂山,李世毅,韻海峰

井眼穩(wěn)定性計(jì)算方法    常貴釗,邵秀麗,黃新平

泥漿侵入過程及飽和度測井新說    陸風(fēng)根

沖繩海槽中段西陸坡下緣天然氣水合物存在的可能性分析    孟憲偉,劉保華,石學(xué)法,吳金龍

我國東海及鄰近海域氣體水合物可能的分布范圍    欒錫武,初鳳友,趙一陽,秦蘊(yùn)珊,陳左林

裂隙巖體滲流研究現(xiàn)狀（Ⅱ）    陳洪凱

巖體滲流與工程設(shè)計(jì)    張有天;

高含水期砂巖油田周期注水機(jī)理及應(yīng)用研究    殷代印

日本天然氣水合物開采試驗(yàn)獲得成功    蔡峰

新世紀(jì)非常規(guī)能源的曙光——天然氣水合物    

天然氣水合物研究進(jìn)展國際會議在日本橫濱召開    許紅 ,張永勤

日本天然氣水合物開采試驗(yàn)獲得成功    盧林松

天然氣水合物的勘探與開發(fā)技術(shù)    方銀霞,金翔龍,黎明碧

天然氣水合物概況及最新研究進(jìn)展    陳作義,楊曉西,葉國興,丁靜,李文國

未來海底新能源——天然氣水合物國際研討會在青島召開    

管道中天然氣水合物的形成對“西氣東輸”的影響    劉懷山,趙月霞

世界天然氣水合物調(diào)查研究進(jìn)展    何擁軍,陳建文,曾繁彩,吳琳

天然氣水合物:未來的動力原料    劉吉成

天然氣水合物的研究進(jìn)展    韓月旺;蘇現(xiàn)波;

天然氣水合物的三大環(huán)境效應(yīng)    王淑紅;顏文;

淺表層天然氣水合物特征    欒錫武;孫東勝;岳保靜;魯銀濤;王靜;

天然氣水合物研究現(xiàn)狀與未來挑戰(zhàn)    雷懷彥;王先彬;

海洋沉積與天然氣水合物形成過程的數(shù)值模擬研究    雷興林;何麗娟;

祁連山凍土區(qū)發(fā)現(xiàn)天然氣水合物    

天然氣水合物加熱開采的熱效率分析    趙振偉;尚新春;

應(yīng)用地震波速度預(yù)測天然氣水合物飽和度    李曉蕓;欒錫武;

海底天然氣水合物資源評價的概念模型    黎明碧;金翔龍;方銀霞;

南海北部陸緣天然氣水合物形成條件和分布區(qū)預(yù)測    陳多福;陳先沛;徐文新;解啟來;姚伯初;

天然氣水合物如何成為后續(xù)能源    樊栓獅

應(yīng)加強(qiáng)天然氣水合物開發(fā)    張知干

天然氣水合物    王憲忠

廣州天然氣水合物研究中心成立    李潔尉

何謂天然氣水合物    

我國成功鉆獲天然氣水合物    本報(bào)記者 王健生

我國在南海成功鉆獲天然氣水合物    田東霖

我國重視天然氣水合物研究    孫興文

我國海域天然氣水合物資調(diào)查獲得重大突破    郭圖

我國成功鉆取天然氣水合物    王婷

南海天然氣水合物的早期成巖作用和地球化學(xué)特性研究    鄔黛黛

利用衛(wèi)星遙感探測海域天然氣水合物    馬立杰

天然氣水合物孔底冷凍取樣方法的室內(nèi)試驗(yàn)及傳熱數(shù)值模擬研究    郭威

天然氣水合物熱管式孔底快速冷凍機(jī)構(gòu)及蒸汽法試開采試驗(yàn)研究    賈瑞

含天然氣水合物相變的環(huán)空多相流流型轉(zhuǎn)化機(jī)制研究    王志遠(yuǎn)

天然氣水合物賦存地層鉆井液試驗(yàn)研究    張凌

天然氣水合物準(zhǔn)三維處理技術(shù)研究與應(yīng)用    孫璐

深水鉆井井筒內(nèi)天然氣水合物形成機(jī)理及預(yù)防研究    劉曉蘭

東海天然氣水合物地球物理特征及全波形反演方法研究    徐寧

沖繩海槽天然氣水合物成因及資源潛力評價    龔建明

天然氣水合物相平衡及其表面張力影響研究    高偉

天然氣水合物鉆進(jìn)時井內(nèi)溫度分布模型研究    張凌

水深通信技術(shù)在海底天然氣水合物成藏環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用    盛堰

天然氣水合物開采模擬實(shí)驗(yàn)方法研究    梁學(xué)進(jìn)

天然氣水合物降壓開采實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究    宋新利

天然氣水合物一維模擬實(shí)驗(yàn)裝置的研究    向軍

天然氣水合物鉆探取心保真技術(shù)研究    王媛

臺西南海域天然氣水合物含量估算及地球化學(xué)特征分析    畢海波

天然氣水合物制備過程中的多相流傳遞研究    王峰博

天然氣水合物的第一性原理計(jì)算研究    霍虎