天然气水合物储层钻井液技术研究

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1、第一章绪论第一章绪论1.1天然气水合物及其形成条件1.1.1天然气水合物天然气水合物俗称“可燃冰”，是在一定条件下由水和天然气组成的类冰的、非化学计量的、笼形结晶化合物，遇火可燃烧[1]：独特的晶体结构与分子空间构型决定了天然气水合物独特的高浓集气体的能力，在标准状况下，单位体积的天然气水合物分解最多可产生164单位体积的甲烷气体。1.1.2天然气水合物的形成条件天然气水合物的形成一般需要具备3个条件[1]：①低温、高压的环境；②要有足够的烃类气体和水；③要有合适的生长空间。目前在自然界中发现的天然气水合物大量存在于主要分布在高纬度地区的极地冻土带及全球范围内的

2、深海海底、陆坡、陆基及海沟中。1.1.3天然气水合物的成因生物成因和热成因是有关天然气水合物气源成因的主要观点[2]。前者指天然气水合物气源源于分散于整个天然气水合物稳定带的有机质，主要是以甲烷为主的微生物降解产物；后者指源于水合物稳定带下深部的油气聚集区和成熟烃源岩，其一般会沿着断裂带、泥火山或其他构造输导体系运移到上部的天然气水合物稳定带实际情况往往是两种成因兼而有之。1.2天然气水合物储层开采技术根据水合物的热力学相平衡理论，有3种途径可以使地下的水合物分解，即减压、加热或注入抗凝结的化学试剂[3]（见图1-1）。据此基本原理建立了陆上水合物开采的3种基本

3、方法，即降压开采法、热激开采法和试剂注入开采法[3]（见图1-2）。还应当补充的是，上述仅为常用的开采方法，现代工艺技术的进步还产生了一些新的技术方法[3]：火烘法、填埋核废料法、电磁加热法、CO2置换法等。第一章绪论当前还没有哪种方法被证明既经济适用，又安全可靠且环境污染最小。图1-1显示天然气水合物分解的压力-温度相平衡图Fig.1-1Phasediagramshowingthemeansfordissociationofgashydrates图1-2大陆天然气水合物开采方法的示意图Fig.1-2Threemethodsforexploitationofco

4、ntinientalhydrates第一章绪论1.3天然气水合物储层钻井液技术研究意义世界范围内蕴藏有丰富的天然气水合物资源，在当今油气供需矛盾日益严重的今天，进行天然气水合物的开采具有十分重要的意义。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，会引发水合物分解，而水合物的分解会引起钻井液密度的降低、井底静水压力降低，从而引发孔径严重扩大、井喷、井塌、套管变形和地面沉降等事故[3]。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

5、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。持续安全可控地钻进才是钻井的首要目标。由于国内天然气水合物储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系统总结，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。第二章天然气水合物储层钻井液技术研究第二章天然气水合物储层钻井液技术研究天然气水合物的相平衡性质决定了此类地层钻井与一般油气地层钻井有很大不同，也导致这类地层钻井面临更加复杂的井内问题。因此，

6、对于天然气水合物储层，钻进过程中的钻井液需要有更优良的性能要求。2.1天然气水合物储层钻井面临的问题2.1.1极易分解逸出井底，污染环境首先在钻井时，储层井壁和井底附近地层应力会释放，地层压力会降低；同时，钻头切削岩石、井底钻具与井壁及岩心的摩擦都会产生大量的热能，此外循环泥浆温度控制不当，这些都可能使孔内温度升高，在钻井过程中井壁地层压力和温度的变化将不可避免地导致天然气水合物发生分解，处理不当就会逸出井内，加剧温室效应[4]。2.1.2诱发井壁失稳坍塌当固态水合物起胶结或骨架支撑作用时，分解本身就会使井壁坍塌，而分解产生的水增加了井壁地层的含水量，使颗粒间的

7、联系减弱，导致井壁不稳。从而引发孔径严重扩大、井喷、井塌、套管变形和地面沉降等事故[4]。2.1.3影响钻井液的性能参数逸出的气体又影响了钻井液的比重和流变性，对井壁稳定愈发不利，甚至还可能引发井涌和井喷等钻井事故。其次，钻井是一个非绝热过程，钻井液与地层间的热交换和水合物分解时吸热会导致循环钻井液和井内的温度发生变化，使钻井液的关键参数发生变化，如粘度、密度和化学稳定性等，进而影持续安全可控地钻进。2.2天然气水合物储层钻井液技术研究现状从抑制天然气水合物分解来看，水基钻井液体系优于油基钻井液体系[5]，而且它也是海洋油气钻井中应用最广泛的一大类钻井液，因此水

8、基钻井液在水合物第二章天