海洋天然氣水合物地層鉆井的鉆井液研究

【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,因而也被稱為甲烷水合物。自然界中的天然氣水合物主要分布在大陸邊緣的海洋深水區(qū)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),該研究涉及新能源的勘探開發(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、天然氣儲運(yùn)、油氣管道流動(dòng)安全等,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。特別是近年來能源短缺日益加劇,油氣價(jià)格居高不下,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。因此,從我國能源戰(zhàn)略安全和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的角度來說,也應(yīng)加大天然氣水合物勘探開發(fā)的力度。 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),鉆井是必不可少的重要手段。天然氣水合物的相平衡性質(zhì)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。首先在鉆井時(shí),儲層井壁和井底附近地層應(yīng)力會(huì)釋放,地層壓力會(huì)降低；同時(shí),鉆頭切削巖石、井底鉆具與井壁及巖心的摩擦都會(huì)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。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(shí),分解本身就會(huì)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,鉆井是一個(gè)非絕熱過程,鉆井液與地層間的熱交換和水合物分解時(shí)吸熱會(huì)導(dǎo)致循環(huán)鉆井液和井內(nèi)的溫度發(fā)生變化,使鉆井液的關(guān)鍵參數(shù)發(fā)生變化,如粘度、密度和化學(xué)穩(wěn)定性等,井內(nèi)的應(yīng)力和孔隙水壓力也會(huì)發(fā)生改變。最后,水合物分解釋放的氣體進(jìn)入井內(nèi),與鉆井液一起上返到地表。在此過程中,如果溫度和壓力條件適當(dāng),在鉆桿或閥門,特別是防噴器等部位還會(huì)生成水合物栓塞。而且,含水合物地層一般為未固結(jié)或半固結(jié)砂巖或泥質(zhì)砂巖,這使井內(nèi)穩(wěn)定的問題更加嚴(yán)峻。井壁的不穩(wěn)定會(huì)導(dǎo)致井壁坍塌、卡鉆、壓裂、鉆井液漏失或井控失敗。在某些極端的情況下,還會(huì)造成鉆井報(bào)廢,甚至人員傷亡和鉆井設(shè)備損壞。因此,保證井眼溫度和流動(dòng)安全是水合物地層鉆井的關(guān)鍵。 本文的研究來自863計(jì)劃專項(xiàng)課題——“海底天然氣水合物地層鉆井鉆井液工藝技術(shù)研究”(課題編號：2006AA09Z316),屬于探索性研究課題。針對海洋天然氣水合物鉆井方面所面臨的難題,本文認(rèn)為制定適合天然氣水合物鉆井的鉆井工藝,設(shè)計(jì)滿足要求的鉆井液工藝方案是解決問題的關(guān)鍵。在海洋含天然氣水合物地層中鉆進(jìn)時(shí),一方面要考慮鉆井液性能和溫度,保證其能在抑制天然氣水合物分解的前提下進(jìn)行鉆進(jìn),另一方面還必須考慮在井內(nèi)地層環(huán)境溫度較低情況下循環(huán)鉆井液的選擇,該類地層鉆進(jìn)方法主要為分解抑制法,即通過采用適當(dāng)?shù)你@井液密度,維持井內(nèi)壓力,冷卻鉆井液以及調(diào)整相關(guān)鉆進(jìn)參數(shù),將天然氣水合物維持在穩(wěn)定狀態(tài)的鉆進(jìn)方法。低溫鉆井液一是抑制井內(nèi)出露天然氣水合物的分解,二是抑制鉆井液中天然氣水合物的形成。 全文共分六章,主要內(nèi)容如下： 第一章：介紹了天然氣水合物的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和特點(diǎn),對國內(nèi)外天然氣水合物研究的歷程進(jìn)行了回顧,對水合物勘探鉆井情況進(jìn)行了總結(jié),然后分析了水合物鉆井所面臨的主要問題,據(jù)此提出了本論文的研究內(nèi)容及技術(shù)路線； 第二章：首先對天然氣水合物沉積地層的性質(zhì)進(jìn)行了總結(jié),包括天然氣水合物的分布形式、天然氣水合物穩(wěn)定區(qū)以及天然氣水合物微觀模型,然后對海洋水合物地層的特點(diǎn)進(jìn)行了分析,包括地質(zhì)特征、孔隙度和水合物飽和度、滲透性,有效導(dǎo)熱系數(shù)、力學(xué)性質(zhì)以及相平衡特征等。最后指出了天然氣水合物藏的分類方法及開發(fā)利用水合物資源所應(yīng)采取的戰(zhàn)略。 第三章：對天然氣水合物侵入地層的特征進(jìn)行了分析,包括鉆井液侵入水合物地層的過程及主要特性,水合物在多孔介質(zhì)中的分解特性,并建立了鉆井液侵入水合物地層的基本模型,進(jìn)行了數(shù)值模擬研究,分析了模擬結(jié)果和保持井壁穩(wěn)定對鉆井液性能的要求。 第四章：研究了水合物地層鉆井中使用的硅酸鹽鉆井液體系。首先分析了抑制水合物生成的鉆井液應(yīng)用現(xiàn)狀、抑制水合物分解的鉆井液工藝和水合物抑制劑的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀；接著討論了天然氣水合物鉆井對鉆井液的性能要求；最后分別從海洋鉆井液特點(diǎn)及性能要求、硅酸鹽鉆井液研究現(xiàn)狀及其井壁穩(wěn)定機(jī)理、硅酸鹽鉆井液體系主要處理劑的優(yōu)選、不同處理劑對硅酸鹽鉆井液流變性的影響及鉆井液處理劑對水合物的影響等方面詳細(xì)研究了硅酸鹽鉆井液體系的性能。 第五章：對所得硅酸鹽鉆井液對水合物生成和分解抑制的影響進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究。首先分析了新型水合物動(dòng)力學(xué)抑制劑的研究現(xiàn)狀,然后分別進(jìn)行了鉆井液對水合物生成和分解的抑制實(shí)驗(yàn),并對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析和研究。 第六章：給出了論文研究的主要結(jié)論與認(rèn)識,指出了論文存在的不足,提出了對今后研究的發(fā)展方向,并說明了論文的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)。 通過上述的理論分析與實(shí)驗(yàn)研究,初步取得了一些有意義和具有實(shí)用價(jià)值的成果,得到了以下幾點(diǎn)結(jié)論和認(rèn)識： (1)在海洋天然氣水合物地層中鉆進(jìn)時(shí),由于儲層井壁和井底附近地層應(yīng)力會(huì)釋放,地層壓力降低。鉆頭切削巖石、井底鉆具與井壁及巖心的摩擦都會(huì)產(chǎn)生大量的熱能,使水合物穩(wěn)定存在的溫度壓力條件被破壞,引發(fā)水合物的分解,造成井壁失穩(wěn),從而對鉆井作業(yè)造成不利影響。要確保天然氣水合物地層鉆井安全順利地進(jìn)行,就必須采取措施對井內(nèi)溫度和壓力進(jìn)行嚴(yán)格控制,利用具有良好低溫性能的鉆井液盡可能控制并降低水合物的分解程度,以保持井壁穩(wěn)定和井內(nèi)安全； (2)鉆井液侵入以及水合物的分解會(huì)不同程度地導(dǎo)致地層孔隙壓力增大,進(jìn)而對安全鉆井產(chǎn)生不利影響。如果地層滲透性較差而水合物受熱很快,分解產(chǎn)生的氣體和水不能及時(shí)流走,會(huì)導(dǎo)致孔隙壓力急劇增大,其增加程度取決于沉積層的滲透系數(shù)和增溫速度?？紫秹毫υ黾拥迷酱?安全鉆進(jìn)的鉆井液密度范圍越小,越不利于正常鉆進(jìn)。此外,孔隙壓力增加使得保持井壁穩(wěn)定所需鉆井液密度也要增大,這不僅嚴(yán)重影響鉆速,而且增加井壁滲透,使井周的孔隙壓力增大,從而進(jìn)一步降低井壁的穩(wěn)定性,形成惡性循環(huán),大大增加井眼的復(fù)雜程度； (3)鉆井液侵入以及水合物的分解引起的孔隙壓力增大也會(huì)使骨架應(yīng)力降低,地層抵抗破壞的能力下降。尤其是在近井壁區(qū)域,由于受井內(nèi)溫度擾動(dòng)大,水合物分解比較劇烈,加之水力梯度大,導(dǎo)致此范圍內(nèi)的孔隙壓力增加程度高,成為井壁最脆弱易失穩(wěn)區(qū)域。其中,水合物分解對井壁應(yīng)力場的影響是通過改變孔隙壓力進(jìn)而改變地層有效應(yīng)力的方式來表現(xiàn)的； (4)鉆井過程中地層含水量由于進(jìn)入地層的鉆井液濾液與地層中水合物分解產(chǎn)生的水而逐漸變大。當(dāng)?shù)貙雍窟^高時(shí),會(huì)使水合物地層骨架水化加劇,導(dǎo)致井壁更加不穩(wěn)。而且,水合物分解還會(huì)使地層的滲透性增大,鉆井液向井壁滲透產(chǎn)生滲透壓力,使地層的坍塌壓力提高,破裂壓力降低,使井壁更易坍塌與壓裂,降低了井壁穩(wěn)定性； (5)從鉆井液的角度來看,通過降低自身的溫度,使其接近原始地層的溫度,就能減少對地層中水合物的熱擾動(dòng),降低分解速度,從而降低地層中的孔隙壓力和含水量升高的速度和幅度。同時(shí),選擇適當(dāng)?shù)你@井液密度,也有利于穩(wěn)定地層中的水合物。此外,具有良好濾失護(hù)壁性能的鉆井液能夠在井壁上形成致密不滲透泥皮,控制地層的水化分散,也能促進(jìn)井壁的穩(wěn)定。因此,設(shè)計(jì)合適的鉆井液體系是水合物地層鉆井工作中的重要環(huán)節(jié),其中具有協(xié)同防塌效果的鉆井液處理劑和水合物分解抑制劑應(yīng)是今后實(shí)驗(yàn)研究的重點(diǎn)； (6)鉆井液溫度的降低會(huì)對其性能(尤其是其流變性與濾失性)產(chǎn)生較大影響。其中,熱力學(xué)抑制劑與動(dòng)力學(xué)抑制劑的添加不僅對鉆井液流變、濾失等常規(guī)性能產(chǎn)生影響,而且更為重要的是,其對水合物的生成與分解抑制也起到至關(guān)重要的作用。因此,水合物地層鉆井液體系研究中需要考慮兩者的配合使用,從而保證鉆井液具有良好的低溫性能與水合物抑制性能； (7)通過鉆井液低溫流變性測試,結(jié)合水合物的生成抑制與分解抑制實(shí)驗(yàn),得到了含熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)抑制劑的硅酸鹽鉆井液推薦配方,①膨潤土漿+0.3-0.5%HV-PAC+2%SMP-2+3%Na2SiO3+3%KCl+0.5-1%PVPK90+0.2-0.4%XC+10%NaCl,②膨潤土漿+1-2%LV-CMC+2% SMP-2+3%Na2SiO3+3%KCl+0.5-1%PVPK90+0.2-0.4%XC+10%NaCl. 【關(guān)鍵詞】：天然氣水合物 鉆井液 硅酸鹽 動(dòng)力學(xué)水合物抑制劑
【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】：2010
【分類號】：P744.4
【目錄】：

• 作者簡介5-7
• 摘要7-10
• ABSTRACT10-17
• 第一章 緒論17-33
• 1.1 天然氣水合物概述17-23
• 1.1.1 天然氣水合物的結(jié)構(gòu)17-19
• 1.1.2 天然氣水合物的性質(zhì)19-21
• 1.1.3 自然界天然氣水合物的特點(diǎn)21-23
• 1.2 天然氣水合物的研究歷程與現(xiàn)狀23-27
• 1.2.1 天然氣水合物研究歷程23-25
• 1.2.2 天然氣水合物的勘探開發(fā)研究現(xiàn)狀25-27
• 1.3 天然氣水合物鉆探及面臨的問題27-31
• 1.3.1 全球天然氣水合物鉆探現(xiàn)狀27-29
• 1.3.2 海洋水合物地層鉆探面臨的問題29-31
• 1.4 論文研究的內(nèi)容與技術(shù)路線31-33
• 第二章 海洋天然氣水合物沉積地層的特性33-43
• 2.1 天然氣水合物的分布33-36
• 2.1.1 天然氣水合物穩(wěn)定區(qū)33-35
• 2.1.2 海洋天然氣水合物分布形式35-36
• 2.1.3 海洋天然氣水合物微觀結(jié)構(gòu)模型36
• 2.2 海洋水合物地層的特點(diǎn)36-40
• 2.2.1 海洋天然氣水合物地層的地質(zhì)特征36-37
• 2.2.2 海洋天然氣水合物地層的孔隙度和水合物飽和度37-38
• 2.2.3 海洋天然氣水合物地層的滲透性38
• 2.2.4 天然氣水合物地層的有效導(dǎo)熱系數(shù)38
• 2.2.5 天然氣水合物地層的力學(xué)特性38-39
• 2.2.6 天然氣水合物地層中的水合物相平衡特征39-40
• 2.3 天然氣水合物儲藏分類與資源潛力40-43
• 2.3.1 海洋天然氣水合物儲藏的分類40
• 2.3.2 天然氣水合物的資源潛力40-43
• 第三章 鉆井液侵入水合物地層特征分析43-55
• 3.1 鉆井液侵入水合物地層特性分析43-45
• 3.1.1 鉆井液侵入水合物地層過程43-45
• 3.1.2 鉆井液侵入水合物地層的特征45
• 3.2 水合物在多孔介質(zhì)中的分解特性45-46
• 3.3 鉆井液侵入水合物地層的數(shù)值模型46-55
• 3.3.1 假設(shè)條件46-47
• 3.3.2 基本模型構(gòu)建47-49
• 3.3.3 模擬結(jié)果與鉆井液性能分析49-55
• 第四章 水合物地層鉆井的硅酸鹽鉆井液研究55-76
• 4.1 抑制水合物生成與分解的鉆井液技術(shù)55-59
• 4.1.1 抑制水合物生成的鉆井液應(yīng)用現(xiàn)狀55-57
• 4.1.2 抑制水合物分解的鉆井液工藝57-59
• 4.1.3 水合物鉆井鉆井液國內(nèi)研究現(xiàn)狀59
• 4.2 天然氣水合物鉆井對鉆井液的性能要求59-61
• 4.3 硅酸鹽鉆井液體系性能研究61-76
• 4.3.1 海洋鉆井液特點(diǎn)及性能要求分析61-62
• 4.3.2 硅酸鹽鉆井液研究現(xiàn)狀及其井壁穩(wěn)定機(jī)理分析62-64
• 4.3.3 硅酸鹽鉆井液體系主要處理劑優(yōu)選64-70
• 4.3.4 不同處理劑對硅酸鹽鉆井液流變性的影響70-73
• 4.3.5 鉆井液處理劑對水合物形成的影響73-74
• 4.3.6 推薦鉆井液配方74-76
• 第五章 硅酸鹽鉆井液對水合物生成和分解的抑制研究76-90
• 5.1 新型水合物動(dòng)力學(xué)抑制劑研究現(xiàn)狀76-80
• 5.1.1 傳統(tǒng)熱力學(xué)抑制劑的缺點(diǎn)76
• 5.1.2 動(dòng)力學(xué)抑制劑的應(yīng)用研究現(xiàn)狀76-80
• 5.2 硅酸鹽鉆井液的水合物抑制性能研究80-90
• 5.2.1 硅酸鹽鉆井液實(shí)驗(yàn)配方確定80-81
• 5.2.2 鉆井液對水合物生成的抑制實(shí)驗(yàn)研究81-85
• 5.2.3 鉆井液對水合物分解的抑制實(shí)驗(yàn)研究85-89
• 5.2.4 結(jié)論與建議89-90
• 第六章 結(jié)論與建議90-93
• 6.1 主要結(jié)論與認(rèn)識90-91
• 6.2 論文不足及今后展望91-92
• 6.3 論文主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)92-93
• 致謝93-94
• 參考文獻(xiàn)94-98

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天然氣水合物誘因的海洋油氣開發(fā)工程災(zāi)害    劉鋒;

青藏高原凍土帶天然氣水合物的形成條件與分布預(yù)測    陳多福,王茂春,夏斌

固體天然氣、水合物的成功合成    徐敩祖

天然氣水合物成因探討    狄永軍,郭正府,李凱明,于開寧

高原凍土天然氣水合物鉆探低溫泥漿基礎(chǔ)液研究    陳禮儀;王勝;張永勤;

21世紀(jì)能源與環(huán)境的前沿問題──天然氣水合物    孫成權(quán)，朱岳年

天然氣水合物與全球變化研究    陳漢宗,周蒂

青藏高原多年凍土區(qū)天然氣水合物的研究前景和建議    徐學(xué)祖，程國棟，俞祁浩

世界天然氣水合物研究開發(fā)現(xiàn)狀和前景    史斗，鄭軍衛(wèi)

天然氣水合物研究中的幾個(gè)重要問題    張俊霞,任建業(yè)

在天然氣水合物地層中鉆進(jìn)時(shí)井內(nèi)溫度規(guī)程與鉆井液的關(guān)系    湯鳳林,張生德,蔣國盛,КудряшовББ,吳翔,竇斌,高輝

天然氣水合物地層井壁穩(wěn)定性研究    寧伏龍

向大海索要淡水    艾先立;

拉曼光譜原位觀測水合物形成后的飽和甲烷濃度    呂萬軍,I-Ming Chou,Robert C.Burruss,金慶煥,傅家謨

天然氣水合物形成速度的影響因素    李安星;

淺談水合物生成預(yù)測方法    李文革;尹國君;劉文寶;王志超;陳強(qiáng);

南海深水天然氣測試關(guān)鍵技術(shù)    楊少坤;代一丁;呂音;關(guān)利軍;

水合物模擬實(shí)驗(yàn)裝置的對比研究    楊明軍;宋永臣;劉瑜;

基于水合物的沼氣凈化技術(shù)    呂艷麗;鄭志;

水合物分解和生成的動(dòng)力學(xué)模型    劉紓曼;

含硫天然氣水合物形成條件及預(yù)防措施    邱曉林

海底滲漏系統(tǒng)水合物生成過程實(shí)驗(yàn)?zāi)M    王玉彬;樊栓獅;關(guān)進(jìn)安;梁德青;馮自平;

鉆井液微觀結(jié)構(gòu)對水合物分解傳熱傳質(zhì)特性的影響探討    張凌;蔣國盛;寧伏龍;韓博;吳翔;竇斌;

環(huán)戊烷水合物生長過程實(shí)驗(yàn)研究    孫志高;劉成剛;

天然氣組成對水合物形成的影響及災(zāi)害預(yù)防研究    徐文新;陳多福;陳先沛;陳光謙;

南海天然氣水合物飽和度估計(jì)及分布研究    王秀娟;吳時(shí)國;

海底沉積物中水合物成礦機(jī)理與分布規(guī)律    呂萬軍;郭依群;莊新國;梁金強(qiáng);沈銘;黃國成;

水合物法從煙氣中分離CO_2的原理和實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)    唐良廣;李小森;馮自平;

煤層氣水合物分離與儲運(yùn)技術(shù)研究    孫志高;謝諾琳;江承明;

長輸管道內(nèi)天然氣水合物形成的預(yù)測    郝敏;陳保東;畢文云;朱云;崔艷星;

利用統(tǒng)計(jì)締合流體理論狀態(tài)方程預(yù)測氣體水合物的平衡形成條件以及醇類物質(zhì)對水合物形成的熱力學(xué)抑制作用    李小森;張郁;唐良廣;馮自平;

SDS和THF對二氧化碳水合物形成的影響    龔果清;劉妮;劉道平;謝應(yīng)明;

怎樣認(rèn)識“可燃冰”    本報(bào)記者 延宏

天然氣——21世紀(jì)的能源主角    段鴻彥

開發(fā)利用“可燃冰” 希望與困難并存    依民

天然氣水合物21世紀(jì)新能源    葉子 摘

天然氣水合物如何成為后續(xù)能源    樊栓獅

認(rèn)識“可燃冰”    延宏

蘇里格氣田井下節(jié)流實(shí)驗(yàn)喜獲成功    胡玉珍 王哲

原位條件下水合物形成與分解研究    楊明軍

10（？）高嶺石水合物的合成及其結(jié)構(gòu)、形貌的研究    牛繼南

甲烷水合物生成的靜態(tài)強(qiáng)化技術(shù)    楊亮

氣體水合物成核與生長的分子動(dòng)力學(xué)模擬研究    白冬生

高溫高壓氣藏深井測試合理工作參數(shù)研究    劉達(dá)林

表面活性劑的QSPR、界面吸附和自組裝理論研究    陳美玲

海洋天然氣水合物地層鉆井的鉆井液研究    涂運(yùn)中

二氧化碳地下封存與強(qiáng)化采油利用基礎(chǔ)研究    劉瑜

南海沉積物的水合物聲學(xué)特性模擬實(shí)驗(yàn)研究    胡高偉

基于水合物技術(shù)的模擬電廠煙氣中二氧化碳捕獲研究    李士鳳

油氣運(yùn)輸過程中水合物的抑制    黃安源

抑制劑存在下四氫呋喃水合物的粘附作用及生長研究    李斯佳

祁連山凍土區(qū)水合物藏降壓開采的數(shù)值模擬    于濤

水合物抑制、防聚顯微操作系統(tǒng)及THF、TBAB水合物生長和粘附力研究    畢丹丹

氣體水合物分子間相互作用及其分解行為的理論研究    劉源

非理想氣體節(jié)流過程熱力學(xué)研究及實(shí)踐應(yīng)用    胡登輝

氣液混合物通過嘴流特征及其應(yīng)用研究    王一妃

優(yōu)化設(shè)計(jì)方法在氣井完井管柱選擇中的應(yīng)用    萬單梁

氣體水合物生成特性基礎(chǔ)研究    郭長松

升深氣田水合物生成規(guī)律及注醇防凍技術(shù)研究    李輝