海底天然气水合物地层钻井用聚合醇钻井液体系研究

【摘要】： 天然气水合物研究是当代地球科学和能源工业发展研究的一大热点。随着我国国民经济的迅猛发展,能源消耗量的迅速提高和我国以煤炭为主的能源消费结构,都将导致严重的环境问题。这就迫使我们必须大力开发和应用新型可替代能源,保持能源的可持续发展。天然气水合物被公认为是21世纪潜在的新能源。 海底沉积层蕴藏有丰富的天然气水合物资源,钻探是研究海底水合物的直接手段。钻进过程中产生的热量、地应力的释放以及抑制剂对相平衡稳定条件的改变都会引发水合物分解。这些分解产生的气体会进入用于清除岩屑和润滑钻头的钻井液中,与其一起循环,引起钻井液密度的降低,进而造成孔底部位静水压力的降低,从而加速了井周和井底水合物的分解而引起恶性循环,最终导致孔底部位水合物的大量分解,并引发孔径严重扩大、井喷、井塌、套管变形和地面沉降等事故。另外,大量气体的涌入,也可能引起钻进系统上部一定范围内压力的升高,客观上提供了气体重新形成水合物的压力条件,分解产生的气体可能会重新生成水合物而影响钻井安全。钻进时,含水合物地层的水合物分解和进入泥浆循环系统的天然气再生成水合物是影响钻井安全的主要因素。由此可见,有效抑制水合物的分解和再生成、维护井壁稳定、保证井内安全的钻井液是顺利钻进水合物地层的重要保证。 目前,国内外对天然气水合物钻井液进行的相关试验和现场研究不是很多,大部分集中在钻井液的水合物抑制性上,即研发能抑制水合物形成和分解的化学抑制剂。然而,水合物赋存地层钻井特性决定了不仅要考虑钻井液的水合物抑制性,而且在钻井液体系设计时,还必须重点考虑钻井液密度、流变性、水化抑制性、滤饼性状、PH值等这些对井壁稳定和井内安全控制起重要协同作用的性能参数。在钻头钻开地层的瞬间,受温压急剧变化以及钻头摩擦生热等因素影响,抑制剂的使用不能完全避免孔内的水合物分解。因此,从这个角度而言,更应该关心的是钻井液本身的防塌性能,毕竟持续安全可控地钻进才是钻井的首要目标。此外,由于国内海底水合物地层相关的钻井液的研究相对较少,为此,有必要对钻井液的综合性能进行研究,为将来的天然气水合物的勘探开发提供一定的理论和技术基础。 基于此出发点,首先分析了水合物相关的性质特点,进而对水合物赋存地层特性及其钻井特性进行了分析探讨。在此基础上,对钻进过程中水合物的形成和分解的控制机理进行了研究,并结合大量的相关文献调研,对天然气水合物钻井液的抑制性及其抑制机理进行了分析研究。由于钻进过程不仅仅要控制水合物的形成和分解,更重要的是应保证钻进能够安全顺利地进行。为此,进行了天然气水合物钻井液综合性能的分析。在此基础上,结合前述的水合物赋存地层的特性分析和钻井液相关理论的分析,尤其考虑到海底含水合物地层的低温特性,提出了钻井液试验的具体思路,从水基钻井液的密度、水合物抑制性、失水造壁性、滤失量、流变性以及低温稳定性等方面展开实验研究,以研制出对井壁稳定和井内安全控制有利的钻井液体系,建立起天然气水合物赋存地层钻井液体系设计的理论和试验基础,为将来大规模海洋水合物勘探开发做准备,而这也正是本文研究的目的。 为实现上述目的,结合前期调研和本课题中的相关研究内容,依据海洋深水钻井和冻土层钻井的相关钻井液使用原则以及相关的使用经验,进行天然气水合物钻井液相关组分的筛选工作,主要是进行合适的处理剂的选择,包括抑制剂和添加剂,并综合考虑钻井液各个组分对水合物抑制性和钻井稳定性的影响。然后,根据实验室现有的实验条件,对所配制的钻井液体系进行流变性、失水性等常规性能的试验研究。同时,针对海底含水合物地层的低温特点,进行低温下的相关性能的试验研究,并根据试验结果对钻井液的配方进行深入地研究。 本文通过大量实验,先提出适应海洋钻井的聚合醇钻井液基本配方。在此基础上,为抑制水合物的分解和再生成,加入不同种类和含量的处理剂,利用“天然气水合物合成及模拟微钻实验系统”评价钻井液体系的低温性能及其水合物抑制性。 研究表明：加入粘土的聚合醇钻井液在低温条件下粘度和切力均增长较快；动力学抑制剂PVP(K90)的加量对钻井液在低温条件下的流变性也有一定的影响；聚合醇无土钻井液体系在低温条件下,流变参数变化不大,对水合物生成有一定的抑制作用；在-4℃、18MPa左右的压力实验条件下,动力学抑制剂具有良好的水合物抑制能力,且PVP(K90)抑制性能优于PVP(K30),加入动力学抑制剂PVP(K90)的聚合醇钻井液能够有效抑制水合物生成。 【关键词】：天然气水合物 海洋钻井 聚合醇钻井液 低温性能 动力学抑制剂 水合物抑制性
【学位授予单位】：中国地质大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：P744.4
【目录】：

• 作者简介5-6
• 摘要6-8
• ABSTRACT8-13
• 第一章 绪论13-19
• 1.1 天然气水合物概述13-17
• 1.1.1 天然气水合物的特点14-15
• 1.1.2 天然气水合物研究现状分析15-17
• 1.2 天然气水合物钻井研究情况17-18
• 1.3 论文研究的目的和意义18-19
• 第二章 天然气水合物赋存地层及其钻井特性分析19-22
• 2.1 海洋天然气水合物赋存地层的特性19-21
• 2.1.1 海洋天气水合物地层的地质结构特征19
• 2.1.2 天然气水合物成矿沉积环境19-20
• 2.1.3 海洋天然气水合物地层的渗透性20
• 2.1.4 天然气水合物地层的力学特性20-21
• 2.2 天然气水合物赋存地层钻井特性分析21-22
• 第三章 海底天然气水合物地层钻探钻井液技术特点22-25
• 3.1 添加抑制剂的钻井液体系22-23
• 3.2 海底天然气水合物地层钻探钻井液性能要求23-25
• 第四章 海底水合物地层聚合醇钻井液体系的相关理论及实验系统25-31
• 4.1 钻井液试验相关理论分析25-27
• 4.1.1 钻井液组分相关理论25-26
• 4.1.2 钻井液侵入地层的模型研究26-27
• 4.2 钻井液试验系统及材料选择27-31
• 4.2.1 试验系统27-28
• 4.2.2 试验材料的选择28-29
• 4.2.3 聚合醇类钻井液的优点29-31
• 第五章 海底水合物地层聚合醇钻井液体系的确定31-41
• 5.1 确定钻井液的设计原则31-32
• 5.2 聚合醇钻井液体系的确定32-41
• 5.2.1 确定膨润土加量32-34
• 5.2.2 确定SMP-2加量34-35
• 5.2.3 确定LV-PAC加量35-36
• 5.2.4 确定动力学抑制剂(PVP)的类型和加量36-41
• 第六章 海底水合物地层钻井用聚合醇钻井液性能实验研究41-48
• 6.1 聚合醇钻井液常规性能实验研究41-43
• 6.1.1 钻井液页岩水化抑制性实验41-42
• 6.1.2 钻井液低温流变性实验42-43
• 6.2 聚合醇钻井液水合物抑制性能试验研究43-48
• 6.2.1 甲烷水合物相态点测试43-45
• 6.2.2 甲烷水合物生成抑制实验45-48
• 第七章 结论与建议48-50
• 7.1 结论48-49
• 7.2 建议49-50
• 致谢50-51
• 参考文献51-54

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