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气体组成对钻井液中水合物形成动力学影响_图文

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第32卷第5期2015年9月钻井液与 览井液01.32 0150.3696/j.001—5620.2015.05.005气体组成对钻井液中水合物形成动力学影响高书阳L 2, 王成彪1, 石秉忠2, 何勇3, 刘锐4, 唐翠萍3(1.中国地质大学(北京),北京;2.中国石化石油工程技术研究院,北京;3.中科院广州能源研究所,广州;4.中国石化胜利石油工程有限公司钻井工程技术公司,山东东营)高书阳等.气体组成对钻井液中水合物形成动力学影响[J】.钻井液与完井液,2015,32(5):19—22,26.摘要深水钻井中,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。气体组成不同,形成水合物的条件也不相同,给深水钻井中水合物的防治带来较大的困难。利用研发的钻井液中天然气水合物形成抑制试验装置,研究了3种不同组成的气体在2种水基钻井液中形成天然气水合物的动力学过程。研究表明,在实验的3种气体中,绿峡谷气最易形成水合物,简单混合气次之,而甲烷气体最难形成水合物;相同条件下,同种气体在不同的钻井液中水合物生成具有明显的差异,因此必须对钻井液体系相平衡条件进行测试,并优选有效的水合物抑制剂。对于烷烃来说,分子量越大,越易于生成天然气水合物。关键词 天然气水合物;深水钻井液;气体组成中图分类号:献标识码:A 文章编号:1001.5620(2015)05.0019.040 引言海洋油气钻探特别是深水钻探面临着诸多的技术难题和挑战,其中在海底附近低温、高压的条件下,极易在钻井液中形成天然气水合物,造成环空堵塞、钻井液性能变差等复杂情况的发生[1-3]有因钻井液中形成天然气水合物而分别导致停钻70 -5]内外大量的科研工作者对钻井液中天然气水合物形成条件、影响因素、天然气水合物抑制剂研选等方面开展了卓有成效的研究[5效指导了深水油气钻探的顺利实施。近年来大量的研究表明,不同气体组成对天然气水合物的形成具有重要的影响。 2】的实验表明,当温度为280 水系统中甲烷的相平衡点为5.35混合气99%%c,231也发现少量丙烷气体的混入,即可使水合物形成的压力大大降低。中国41等人的研究也得到了同样的结论。徐文新[1习等研究了单一纯气体、二元复合气体和多组分气体在纯水中形成天然气水合物的温压条件,研究表明单一气体中甲烷形成水合物压力最高,温度范围大,异丁烷形成的温度和压力最低,范围最小;二元混合气中,随着甲烷含量增高,丙烷或乙烷含量降低,同等温压条件下,水合物形成温度逐渐降低;而对于多组分气体,气体组成不同,形成水合物的温压条件也不同。唐翠萍场选用抑制剂时应先进行筛选。上述研究都以纯水或去离子水为反应介质,并不适用于复杂的钻井液体系。笔者以强抑制胺基钻井液体系和醇基钻井液体系为例,研究了3种不同的气体组成在钻井液体系中形成天然气水合物的动力学过程,并对形成过程进行了分析。1 实验部分1.1实验装置实验装置采用研发的钻井液中天然气水合物形成抑制试验装置。该装置可以模拟深水钻井低温高压环基金项目:中国石化重点科技攻关项目(书阳,男,在读博士生,1984年生,2010年获中国石油大学(北京)油气井工程专业硕士学位,主要从事井壁稳定与深水钻井液技术方面的研究。地址:北京市朝阳区北辰东路8号北辰时代大厦518室;邮政编码100101;电话(010)84988208;E·方数据20 钴井液与 完井液 2015牟9月境下钻井液中天然气水合物生成及分解过程,评价钻井液水合物抑制剂的抑制性能,对深水钻井施工进行分析指导。该装置可对实验过程中压力、温度、转速及扭矩等进行控制、分析、保存,并可以通过高压视窗直观观察反应釜中的情况,可对实验过程摄录、保存。装置主要包括高压机械搅拌反应釜、恒温水浴、温度压力及扭矩测量系统和数据采集系统,如图1所示。高压机械搅拌反应釜最高工作压力为25 部设置有转速可调式机械搅拌器,搅拌器与反应釜间装有转矩转速传感器,用来测量搅拌转速及反应过程中扭矩的变化,精度等级为0.2 N·m,采用溅射薄膜式压力传感器测量反应釜内的气相压力,测量精度为0.1%,反应釜内的气相和液相温度分别由2支电阻式温度计测量,测量精度均为±0.1 力表口3增压泵番.习1钻井液中天然气水合物形成抑制试验装置图1.2测试材料及体系实验所用天然气分别为甲烷(99.9%)、简单混合气(3%丙烷、5%乙烷、甲烷为平衡气)和绿峡谷气(O.208%正戊烷、0.201%异戊烷、0.493%异丁烷、0.789%正丁烷、3.13%丙烷、7.51%乙烷、0.398%氮气、甲烷为平衡气),由广州市谱源气体有限公司提供。实验所用钻井液体系配方如下。14 2%海水基浆+0.3%.4%V+2%%%)+4%)+1%除氧剂2” 去离子水+30%丙三醇+0.3%.25%%实验方法及步骤①向反应釜中加入适量的钻井液(约385 g,钻井液液面处于可视窗中间);②开启搅拌器,设定转速至预定值,打开水浴加热开关,使反应釜内温度达到反应所需预设值;③抽真空,将反应釜内和管线中的空气抽走,关闭搅拌器,开增压泵,进气至指定压力;④开启搅拌器,反应直至温度和压力趋于稳定,结束实验。2 结果与分析2.1 不同气体对1。、2。钻井液中水合物生成动力学的影响在4℃、10Ⅷ烷、简单混合气和绿峡谷气在1“钻井液中形成水合物的温压变化曲线见图2~图4,在24钻井液中形成水合物的温压变化曲线见图5~图7。实验过程中搅拌速率为60 r/t/“钻井液中甲烷水合物形成时温乐变化曲线t/“钻井液中简单混合气水合物形成时温压变化曲线图4 l 8钻井液中绿峡谷气水合物形成时温压变化曲线从图2~图4可见,在该条件下,3种气体在实验开始后都出现了明显的温升压降现象,表明这3种气体都可以在14钻井液中形成天然气水合物;绿峡谷气在1“钻井液中最先出现温升现象,并且温度升高幅度最大,甲乙丙混合物次之,甲烷气体在1“钻井液中最后出现温升现象,并且温升幅度最小;而在~蘸一万方数据第32卷第5期 高书阳等:气体组成对钻井液中水舍物形成动力学影响 21压力曲线中,绿峡谷气的压力最先出现骤降,甲乙丙混合气次之,甲烷气体压力最后出现骤降现象。通过以上分析可得出,在相同的温度、压力和转速条件下,绿峡谷气最先形成水合物,即绿峡谷气形成水合物的诱导时间最短,最易形成水合物,甲乙丙混合气次之,甲烷气体最后形成水合物,所需的诱导时间最长,相对于甲乙丙混合气和绿峡谷气,甲烷气体最难形成水合物。7·6.0星5.55.04.54.0丁 ··0 20000 40000t/f,形成水合物的温压变化曲线司6简单混合气在24钻井液中形成水合物的温压变化曲线f/井液巾形成水合物时的温压变化曲线从图5可以发现,在整个反应过程中,反应釜内温度和压力都没有发生明显的变化,通过视窗对反应釜内的钻井液进行观察,发现釜内无明显水合物生成,表明在该反应条件下,单一的甲烷气体在24钻井液中较难生成水合物。从图6和图7可见,简单混合气和绿峡谷气都出现了明显的温升压降现象,表明2者都可以在24钻井液中生成水合物;相比较而言,绿峡谷气温升最大,诱导时间也最短。从以上实验可以发现,所实验的3种气体在24钻井液中生成水合物的情况差异较大,这也说明了气体组成对钻井液中水合物的生成具有重要的影响。在2种钻井液体系中,3种不同组分的气体都更易于在14钻井液中生成天然气水合物。其主要原因在于2”钻井液中低分子醇类的加入可有效地改变天然气水合物相平衡条件,使体系中天然气水合物更难以生成。2.2气体在不同时刻的转化率假设反应过程中液相的体积不变,并忽略天然气在液相中的溶解量,通过可计算出不同时刻气相物质的量,进而可计算出不同时刻气体的转化率。下面以10 ℃下简单混合气在1“钻井液中的天然气水合物生成过程进行介绍,见图8。40摹30鐾20辩10 6t/反应进行的8 合物中的含气量越来越大,气体转化率也越来越高;且在反应进行到8 合物还在继续形成,但是图中曲线斜率明显降低,说明形成速率在逐步降低,后期水合物形成速率比初期低;在反应进行到8 h,大约有40%的气体进入水合物中。由于钻井液为黏稠液体,相对纯水,阻力大,实验中在前2 h,也就是在转化率为10%的附近,搅拌阻力已经很大,反应液体很难流动。从图8可以确定简单混合气在不同时刻的气体转化率,为了分析反应过程中其各组分气体随时间的变化情况,在实验过程中,每隔2采用气相色谱法确定所采集实验气体组成,进而通过计算得到参与反应的不同天然气组分的转化率,结果见图9。从图9可知,虽然甲烷的含量要远大于乙烷和丙烷,但在反应的初始阶段,乙烷和丙烷的转化率要远大于甲烷,这说明分子质量较大的乙烷和丙烷更易于进入水合物笼中。在反应的后期,受气体浓度的影响,乙烷和丙烷的转化速率减慢,但整体而言乙烷和丙烷的转化率在8 右,转化率较高;而甲烷则是随着反应的进行逐步进入笼中日山_、井液与完井液 2015年9月的,其转化率与时间基本呈线性关系,至8 由该实验也可以表明,天然气的组分对钻井液中天然气水合物的生成可产生重要的影响;对于烷烃来说,分子量越大,越易于生成天然气水合物。8060摹薅40 4 6 8 10t/单混合气在1。钻井液各组分随反应时间的转化串2.3 3种气体的相平衡条件用果见图10。从图10可知,相同条件下,甲烷最难生成水合物,其次是简单混合气,最容易生成水合物的是绿峡谷气。这与不同组成气体在钻井液中水合物的生成难易程度一致,说明反应推动力仍然是影响水合物形成的重要因素。1;日塞 :2论270 275 280 285 290『n(司10 3种不同气体的相平衡数掳1.通过对甲烷、简单混合气和绿峡谷气在2种钻井液中形成水合物过程进行研究发现,在3种气体中,绿峡谷气最易形成水合物,简单混合气次之,而甲烷气体最难形成水合物,气体组成对钻井液中水合物形成具有重要的影响。2.相同条件下,同种气体在不同的钻井液中水合物生成具有明显的差异,因此必须对钻井液体系相平衡条件进行测试并优选有效的水合物抑制剂。3.气体的组分对钻井液中气体水合物的生成产生重要的影响,对于烷烃来说,分子量越大,越易于生成气体水合物。参考文献[1】路保平.深水钻井关键技术及装备[M].北京:中国石化出版社,2014:16.ey ].014:16.[2】韩子轩,蒋官澄,李青洋.适于深水钻井的恒流变合成基钻井液[J].钻井液与完井液,2014,31(2):17.20.i of ].014,31(2):173】王松,宋明全,刘二平.国外深水钻井液技术进展[J】.石油钻探技术,2009,37(3):8.12.].009,37(3):84] D.].990,1 14:641.[5】罗健生,李自立,李怀科,等.]钻井液与完井液,2014,31(1):20.23.i i et of ].014,3l(1):206]黄进军,白小东,裘嘉璞.用于深水钻井的水合物抑制剂].钻井液与完井液,2005,22(3):12.13.et of in 】.005,22(3):12—13.【7】霍宝玉,彭商平,于志纲,等.一种深水水基无黏土恒流变钻井液体系[J】.钻井液与完井液,2013,30(2):29.32.u et 】.013,30(2):29—32.[8]潘云仙,刘道平,黄文件,等.气体水合物形成的诱导时间及其影响因素[J】.天然气地球科学,2005,16(2):255—260.et in ].005,1 6(2):255.260.[9]高书阳,石秉忠,赵欣.琼东南深水钻井液体系研究[J].钻井液与完井液,2013,30(4):5on in ].013,30(4):5下转第26页)万方数据26 钴井液与完井液 2015年9月[2】文浩,杨存旺.试油作业工艺技术[M】.北京:石油工业出版社,2002.of ].002.[3]孙永涛,马魁魁.浅海试油排液工艺的对比及优选【J],油气井测试,2010,19(3):33.35.a of in 】.010,19(3):33—35.[4]何树山,张新军,党庆功,等.一种适用于非纯水聚驱聚合物溶液的新型络合剂[J].钻井液与完井液,2002,19(1):13—14.et a 1.].002,19(1):13一14.[5]李相方,梁政,邓雄,等.高温高压气井测试技术[M].北京:石油工业出版社,2007.et of ].994.[6】王守君,谭忠健,胡小江,等.海上复合射射孔与地层测试联作工艺技术研究及应用[J].中国海上油气,2013,25(6):8.12.u et a 1.of of ].013,25(6):8.12.[7】唐翠萍,杜德伟,梁德青,等.天然气水合物新型动力学抑制剂抑制性能研究[J].西安交通大学学报,2008,42(3):333—336.u et on ].008,42(3):333—336.[8]许维秀,李其京,陈光进.天然气水合物抑制剂研究进展[J].化工进展,2006,25(11):1289—1293.i in 】.006,25(1 I):1289—1293.[9]杨秀莉.油气层损害原因浅析[J].油气井测试,2008(1):34—36.of 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