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气水合物的形成及其对钻井工程的影响

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水合物 形成 及其 钻井 工程 影响
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第35卷第3期2007年5月石 油 钻 探 技 术5,007..管理与发展◆海域天然气水合物的形成及其对钻井工程的影响吴 华1 邹德永1 于守平2(1.中国石油大学(华东)石油工程学院,山东东营257061;2.胜利油田有限公司滨南采油厂,山东滨州 256600)摘 要:将气体生成水合物的条件与深水钻井井筒温度压力、地层温度压力分布相结合,证实了深水钻井过程中形成水合物和钻遏天然气水合物层的可能性。天然气水合物的形成会改变钻井液的性质、堵塞井筒、环空及防喷器;水合物层的分解会造成沉积物坍塌、井壁失稳,引起井漏、井喷等一系列问题,给钻井作业造成巨大的经济损失,甚至使钻进无法正常进行。国内外近几年在天然气水合物研究勘探方面的经验表明,解决水合物问题常用的方法是加入水合物抑制荆,或者是采取必要的措施来防止井喷,将钻井液中的气体循环出去。关键词:天然气水合物;海上钻井;钻井安全中图分类号: 文献标识码:A 文章编号:007)03]。其中,水分子借助氢键形成主体结晶网络,晶格中的孔穴内充满轻烃(甲烷、乙烷、丙烷和异丁烷)或非轻烃(氮气、二氧化碳和硫化氢)分子,即所谓的客体分子。海洋深水中的高压、低温环境,为天然气水合物的形成提供了合适的条件。只要有天然气和自由水的存在,就有可能在井筒内形成水合物,从而会给钻井作业带来一系列的危害。为此,笔者分析了在深水钻进过程中形成天然气水合物和遭遇水合物层的可能性以及水合物对深水钻井作业的危害。 天然气水合物形成的条件大小适宜的气体分子、液态水的存在和一定的温度压力条件是水合物形成的必要条件。水合物的生成温度随压力的升高而升高,图1为试验获得的不同压力下甲烷在纯水中生成水合物的温度口]。剧烈扰动、固体杂质和粗糙管壁都对水合物晶粒的形成和聚集生长起促进作用。当钻遇浅气层时,天然气会进入井筒内与钻井液一起循环,而钻井液中含有液态水.一旦压力、温度条件满足,便会形成水合物,并粘附在管壁上形成水合物结晶层,严重时将堵塞整个管路。1.2井筒内天然气水合物的形成0等人[31在研究水基钻井液中天然气水温厦,℃图l 甲烷在纯水中生成水合物的温度与压力的关系合物的形成时得出以下规律:1)水深≤305 m,可能没有水合物;2)水深≤457 m,如果没加水合物抑制剂,水合物形成的可能性较大;3)水深≤610 m,不加水合物抑制剂,必定生成水合物;4)水深>610m,电解质抑制剂不起作用。为了研究天然气水合物在深水钻井条件下形成的可能性,就需要建立井筒温度压力场,结合天然气水合物生成的温度压力条件,进而判断水合物是否形成及其形成的可能位置。判断井筒水合物形成的具体方法及步骤为:1)收集整理基础资料;2)计算井筒温度、压力;3)计算井筒压力条件下水合物的生成温度;4)比较井筒温度与水合物的生成温度,判断水合物是否形成及其形成的可能位置。如某深水井环空中压力梯度[.1为16.89收稿日期:2006.007_02华(1981一),女.2005年毕业于中田石油大学(华东)石油工程专业,油气井工程专业在读硕士研究生.联系电话:(0546)8394550万方数据石 油 钻 探 技 术 2007年5月m,海水的深度为3 048 m,气体为100%则水合物的生成条件为[5]:+/T+1)式中,;户为压力,于纯甲烷,09 4,B—O.316 5,C=16 556.78,D=0。C.]对深水钻井油基钻井液中形成水合物的可能性进行了分析,证实了水合物稳定区域的存在,如图2所示。芒毒 10 15温度,℃图2深水钻井钻井液中形成水合物的稳定区域1.3深水钻井钻遇水合物层的可能性为了评价水合物引起的危害,必须首先确定不同井深处水合物存在的条件。然后了解水合物生成的温度压力条件及地层的温度压力分布。假设生成水合物的气体组成分别为[71:1)95.o%1.o%6、4.0%)98.O%.5%6,O.5%)99.00%.75%.25%8;4)98.O%1.0%6、1.0%)99.O%.O%)98.O%2.0%C:H。;7)100%假设压力梯度为9.8 m,海底的深度为914 m,海底温度分别为O、2、4、6℃,将7种不同组分气体水合物的稳定曲线和4种海底温度下的曲线进行叠加,可以清晰地看到水合物层存在的区域,如图3所示。图中1、2、3、4、5、6、7分别代表7种气体组分的稳定曲线。从图3中可以看出:1)温度曲线与水合物稳定曲线的交点处向上到海底处,水合物是可以稳定存在的。例如98.o%2.O%C:H。的气体组成,在海底温度为6℃时将在深度320 海底温度为O℃,则将在深度460 底温度越低,可生成水合物的区域越大,符合水合物在高压低温下存在的特点。2)虽然在海底处温度压力条件也合适,但由于海底的气体都被海水冲刷走了,因此不可能形成水合物。{蜊隧温度,℃图3海底深度/温度剖面及水合物稳定曲线3)甲烷虽然是生成水合物的主要成分,但含量接近100%时,不易生成水合物。这是由于甲烷分子较小,生成水合物的稳定能力较弱。2天然气水合物对钻井的影响2.1气侵形成水合物对钻井的影响2.1.1 对钻井及井控作业的影响在井筒、钻柱、井口管线和防喷管汇内形成气体水合物,将造成堵塞,给正常钻进和井控工作带来严重影响。具体表现为:1)节流压井管线堵塞,无法恢复循环作业[81;2)防喷器或防喷器以下的空间发生堵塞,无法检测防喷器之下的井压;3)隔水管、防喷器或套管与钻具的环空形成堵塞,无法移动钻具具与防喷器之间形成堵塞,使防喷器不能完全被关闭;5)被关闭的防喷器闸板腔中形成堵塞,不能完全打开防喷器。2.1.2 对钻井液性能的影响深水钻进中钻遇浅层气时,大量气体进入到钻井液中,气体与钻井液一起循环,使钻井液密度降低,钻井压力增加;若此时井筒内温度压力条件合适,就可能在钻井液内形成天然气水合物,使钻井液密度增加。同时,天然气水合物的形成是一个高度放热反应,它形成时会释放出大量热能嘲,钻井液体系的温度就会受到影响,而钻井液的性能随温度要发生一系列的改变。比如说在低温情况下,钻井液万方数据第35卷第3期 吴华等:海域天然气水舍物的形成厦其对钻井工程的影响的流变性会发生较大变化,主要表现是粘度、切力大幅度上升,而且还可能出现显著的胶凝现象。另一方面,在钻井液中形成的气体水合物在上升过程中由于温度压力发生变化会逐渐分解,分解释放出的大量气体(1 64 影响正常的井控工作,有可能发生井喷事故。2.2钻遇水合物层带来的危害地层中的水合物主要分布在浅水区表层套管位置处,水合物层被钻头钻开以后立即分解。天然气水合物会带来一系列的钻进问题,如钻井液气侵,套管损坏和井眼及海底的稳定性变差等。在海上钻井中,水合物的分解会引起气侵,气体进入井筒后由于压力温度变化而膨胀,超高压会导致井漏、井喷(严重时还会燃爆)及套管损坏等事故[1叩;另外,分解产生的气体可能会在钻柱、流及压井管汇中形成水合物,从而引起水合物的堵塞,严重时导致整口井的报废。水合物的分解也会使得沉积物倒塌,造成井壁失稳。深水钻井中遭遇水合物问题时最常用的解决方法是加入水合物抑制剂,或者采取必要的措施防止井喷,将钻井液中的气体循环出去,泵入高密度的钻井液以防止更多的气体侵入井筒。3 结 论1)大小适宜的气体分子和液态水的存在、一定的低温高压环境是天然气水合物形成的必要条件;剧烈扰动、固体杂质和粗糙管壁,对水合物晶粒的形成和聚集生长起到促进作用。2)通过实例证实了深水钻井时井筒中生成天然气水合物的可能性及遭遇水合物层的可能性。根据井筒压力、温度条件或地层压力、温度条件,结合天气水合物的热力学平衡条件,可预测天然气水合物生成的位置。3)深水钻井中水合物生成会堵塞井筒,分解会造成沉积物坍塌或者井壁失稳,同时还会严重影响钻井液的性能。要解决水合物问题,通常是加入水合物抑制剂,建立水合物分解模型,控制水合物的形成。参 考 文 献[1]刘华,李相方。隋秀香,等.天然气水合物勘探技术研究现状[J].石油钻探技术,2006。34(5):87—90.[2]李玉星.邹德永,冯叔初.高压下预测天然气水合物形成方法研究[J].天然气工业。2002,22(4)3] ch—蛀a to c}塘in d^1].000.[4] w, R,0 T.to oM ].004.[5] 建芬.天然气各组分水合物形成条件关联式[J].天然气工业,2002,22(2):66—71.[6]D“,,,et of ].003.[7] 宋海斌,松林修.日本南海海槽天然气水合物研究现状[J].地球物理学进展,6(Z):88—98.[8]王瑞娥,王洪涛,王立超.深水钻井作业中霜冰现象分析及其对策[J].西部探矿工程,2004,16(9):78—79.[9] D, D.n w F.of on ].987,39(9):1147—1152.[10]戴智红.天然气水合物的研究与开发[J].钻井液与完井液,2005.22(6):51—53.[审稿张绍槐]ri¨唿1 u ..咒^si£y m,^口咒57061,C^. S^已ng£i 0£d.o“, S^口靠56600,he of in of of a he in to or to in to ey ng;吴华, 邹德永, 于守平, 吴华,邹德永,国石油大学(华东)石油工程学院,山东,东营,257061), 于守平,利油田有限公司,滨南采油厂,山东,滨州,256600)刊名: 石油钻探技术英文刊名: (期): 2007,35(3)被引用次数: 9次参考文献(10条)德永;冯叔初 高压下预测天然气水合物形成方法研究[期刊论文]002(04)相方;隋秀香 天然气水合物勘探技术研究现状[期刊论文]006(05) 建芬 天然气各组分水合物形成条件关联式[期刊论文]002(02) W; R; T BM to OM a to in 然气水合物的研究与开发[期刊论文]005(06) D; D; F of on of 987(09)洪涛;王立超 深水钻井作业中霜冰现象分析及其对策[期刊论文]004(09)林修 日本南海海槽天然气水合物研究现状[期刊论文]001(02);; of 2003引证文献(9条)井液添加剂对形成天然气水合物的影响[期刊论文])孔介质中甲烷水合物形成与分解实验研究[期刊论文]009(4)然气水合物对深水钻采的潜在风险及对应性措施[期刊论文])外深水钻井液技术进展[期刊论文]009(3)面活性剂对天然气水合物合成影响的实验研究[期刊论文])型水基聚合醇钻井液性能评价[期刊论文]009(6)响含天然气水合物地层井壁稳定的关键因素分析[期刊论文]008(3)然气水合物对深水钻井液的影响及防治[期刊论文]008(11)然气水合物钻探取心关键技术研究进展[期刊论文]008(5) 本文链接:
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