允许适度坍塌的水合物储层最低钻井液密度

深水海域的天然气水合物储层通常埋藏较浅、压实较弱、强度较低,钻井过程中钻井液的扰动极易导致水合物的分解和井眼的坍塌。基于此,文中建立了有关水合物储层中井眼稳定性的二维流-固-热耦合数值模拟模型,研究了相同钻井液温度和不同钻井液密度条件下的水合物分解及井眼坍塌状况,根据不同钻井液密度下的井眼扩大率模拟结果,确定了不同井眼扩大率下的钻井液密度下限。结果表明:钻井液密度越低,剧烈的钻井液扰动作用导致的近井壁地带天然气水合物的分解就越严重,井眼的坍塌状况也越糟糕。当使用温度为21.25℃的钻井液进行水合物储层钻井作业时,如果井眼扩大率为2.5%,则最低钻井液等效密度为1.116 g/cm3;而当井眼扩大率提高到10.0%时,最低钻井液等效密度则降低到1.024g/cm3。可以得出结论:随着对井眼稳定性要求的提高,最低钻井液密度会在合适的范围内不断增大。     

弱成岩水合物储层钻井作业扰动效应建模分析

我国海域水合物储量极大，但储层通常埋藏浅、强度低、成岩性差，钻井作业产生的扰动会导致井眼坍塌失稳，影响钻井效率及安全。为此，以南海神狐海域SH2站位为例构建了用于探讨水合物储层钻井作业扰动效应的多场耦合数学模型，并通过钻井液扰动效应试验对数学模型的适用性进行了验证，同时探究了钻井期间近井地带温度、孔隙压力、水合物分解及井眼屈服失稳状况等的扰动演化规律。研究发现：(1)钻井液侵入对近井地带温度的扰动要弱于其对孔隙压力的影响，钻井作业持续不到6 h就可使模型孔隙压力被完全扰动，而钻井24 h仅使井周宽度1.18 m的地层温度受到影响。(2)尽管研究工况下井周水合物最终分解范围达0.408 m,但水合物在钻井初期分解较快，随着钻井作业的持续才会逐渐变缓。(3)近井地带物性参数主要受水合物分解影响，同时随应力变化而改变；水合物分解会使地层强度降低，但会使其孔渗性能得到显著提高。(4)井周塑性屈服区域在钻井过程中会以逐渐降低的速率向外扩展，最终形成环绕井眼且长轴沿最小水平主应力方向的屈服椭圆，最终井眼扩大率达45.96%。研究结果可为深入理解弱成岩水合物储层钻井井壁失稳机制的探讨提供理论支撑。     

天然气水合物钻井液冷却系统设计研究

天然气水合物钻井液冷却系统是天然气水合物钻井的关键技术装备之一,鉴于此,对天然气水合物钻井中钻井液冷却及温控系统进行了设计研究。系统整体采用模块化设计、一体化橇装结构,并采用闭式循环强制传热技术,系统核心部件换热器设计为人字形板式换热器,温度自动控制模块基于单片机进行设计。同时基于平均温差法完成换热器的热负荷和换热面积的理论计算。试验中系统能够实现钻井液冷却并在-4~4℃的范围之内动态恒温控制,能防止钻井液过冷冻结而堵塞换热器。设计的天然气水合物钻井液冷却系统可有效解决天然气水合物钻井中由于钻井液温度升高导致的井壁坍塌和天然气水合物分解的技术难题。     

温度影响天然气水合物地层井壁稳定的有限元模拟

由于天然气水合物特殊的理化性质,水合物地层要比常规地层的井壁稳定问题更加复杂,钻井液温度对天然气水合物地层的稳定性影响将是一个不容忽视的因素。为此,考虑热传导、对流、水合物分解、地层力学性质变化等诸多因素及其相互耦合作用,建立了温度影响天然气水合物地层井壁稳定的数学模型,并进行有限元求解。最后以国外某深水天然气水合物地层实际取得的地质资料为例,计算分析了钻井液温度对地层水合物分解、地层力学性质变化及井壁稳定的影响规律。结果表明：地层水合物因受热分解会导致地层力学性质急剧变差,进而极易导致地层屈服失稳,选择低温体系钻井液并控制其温度低于水合物相平衡温度,有助于维持井壁稳定,实现安全钻进。     

天然气水合物对深水钻井液的影响及防治

随着海洋钻井作业数量和深度的增加，钻井作业难度不断加大，海洋深水钻井作业环境恶劣，操作条件复杂，其中之一便是钻井液（主要是水基钻井液）中易形成天然气水合物。钻井液中一旦形成天然气水合物，会造成井壁失稳、堵塞井筒，钻井液无法循环，造成作业周期延长、钻井成本增加等。为解决钻井中天然气水合物的危害，综述了天然气水合物的形成机理。提出在深水区域钻井作业实施前，要充分估计到井口、防喷器、节流和压井管线中形成天然气水合物的可能性，一旦形成天然气水合物，可通过调节钻井液密度来控制井筒中压力，保持最低的安全钻井液密度来防止天然气水合物的形成。     

深水钻井天然气水合物地层井壁稳定流固耦合数值模拟

考虑钻井液与地层的热交换和水合物的分解,建立了水合物地层井壁稳定流固耦合数学模型,并开发了有限元程序。实例分析了钻井液压力和温度、原始地层水合物饱和度及施工作业时间等因素对水合物地层井壁稳定的影响,结果表明:随着钻井液温度、施工作业时间的增加,井眼周围地层水合物分解区域、地层最大屈服区域增大,不利于井壁稳定;随着钻井液压力、原始地层水合物饱和度增加,井眼周围地层水合物分解区域、地层最大屈服区域减小,有利于井壁稳定,因此深水钻井中应选择造壁性能好的低温钻井液并适当增加液柱压力。     

深水浅部水合物储层水平井井筒温度计算模型

利用水平井开发水合物储层具有动用范围大,产气速率高,经济效益高的特点,但由于井下温度的变化,水合物易在钻井时发生分解,诱发井壁失稳。基于南海神狐海域储层和钻井基本参数,研究了水平井钻井过程中井筒热量传递过程,构建了泥浆循环过程中井筒温度剖面计算模型,研究了地面泥浆排量、密度、初始温度、水平位移等参数对井筒温度场的影响规律。研究发现:泥浆注入排量是影响井筒温度剖面的主要因素,而泥浆密度则是次要因素;水平位移越大,井筒内泥浆与地层的热传导越充分。该研究成果可为南海神狐海域水合物储层水平井试采时泥浆参数和井身结构设计提供参考依据。     

天然气水合物钻探近井地层与井筒热量传递规律研究

在天然气水合物钻探中，井筒温度变化易导致储层水合物分解，产生大量以甲烷为主的气体侵入环空。侵入气体随环空流体上返过程中，当环空温度压力等环境符合水合物二次生成条件时，水合物会在环空大量生成并附着井壁，堵塞环空引发井壁失稳、井喷等事故。文章研究了水合物钻探过程中井筒地层段的温度分布和热量传递规律，研究发现，环空流体温度降低易导致水合物生成，温度过高则会增大水合物储层的分解速率；钻井液入口温度越高，热量由环空传入地层的井段越长，反之越短；相较于低密度钻井液，高密度钻井液对井底温度影响更大；排量变化也会对井筒温度分布产生较大影响。因此，在水合物钻探过程中，通过对入口流体温度、排量和密度参数进行合理调节，避免发生储层水合物失控分解，对于保障水合物钻探过程井筒稳定，实现水合物安全钻采具有重要意义。文章阐明了热流量在井筒中的变化规律，通过计算井筒地层段中各区域换热速率和换热量的大小，为水合物钻探井筒温度监测提供理论支撑。同时也为后续的水合物得到井筒温度变化研究提供参考。     

深水钻井气制油合成基钻井液室内研究

深水钻井面临低温、安全密度窗口窄、浅层气易形成气体水合物、井壁易失稳等技术难题,对深水钻井液提出了更高的要求。通过研究乳化剂加量、有机土加量、水相体积分数对深水气制油合成基钻井液低温流变性和电稳定性的影响,配制了一种深水气制油合成基钻井液,其配方为80%气制油+20%CaCl2盐水+3%RHJ+3%有机土+3%HiFLO+2%CaO,并研究了其低温流变性、抑制天然气水合物生成的能力和储层保护能力。研究结果表明:该钻井液具有较好的低温流变性,动切力几乎不受温度影响,在较大的温度变化范围内保持稳定;在20 MPa甲烷气体、0℃温度条件下能有效抑制天然气水合物的生成;能有效保护油气储层,其渗透率恢复率达85%以上,可以满足海洋深水钻井的要求。      

影响含天然气水合物地层井壁稳定的关键因素分析

由于钻井环境恶劣,加之天然气水合物的存在和分解,井壁失稳是含天然气水合物地层钻井时面临的主要难题之一.而影响井壁稳定的关键因素主要有含水合物地层的岩石物理和力学性质、水合物在喾地层中的分解规律特性、钻井液的性能及其与水合物地层间的相互作用.天然气水合特分解是其中的核心因素,据此提出了防止井壁失稳的一些措施,同时认为利用试验和数值模拟对这些因素进行研究,并构建合适的井壁稳定分析数值模型和研制优质的低湿防塌钻井夜体系,将是解决含天然气水合物的地层钻井井壁换稳的有效途径.     

海域天然气水合物的形成及其对钻井工程的影响

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遇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剂，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。     

新型水基聚合醇钻井液性能评价

由于原住天然气水合物极度不稳定,在钻探和取心过程中易发生分解,进而导致一系列意想不到的钻井事故.因此,在水合物地层钻井首先要防止水合物大量分解,而要达到此目的,科学合理地选择钻井液则是重要举措之一.针对海底天然气水合物地层及其钻井的特性,给出了钻进海底天然气水合物地层时钻井液体系的设计原则,根据此原则在充分考虑现有常用聚合醇钻井液体系特点的基础上,设计了一种适合海底天然气水合物地层钻井的新型聚合醇钻井液,并对其页岩水化抑制性、低温流变性和水合物生成抑制性(动态和静态)进行了评价.结果表明,该钻井液体系能够有效抑制页岩水化分解和防止水合物在循环管路内重新生成,且在低温条件下具有良好的流变性能,能够有效保持井壁稳定,清洁和冷却孔底,是一种比较适合海底天然气水合物地层钻探的钻井液体系.     

海底天然气水合物分解对海洋钻井安全的影响

为分析天然气水合物分解对海洋钻井安全的影响,根据海底天然气水合物特征,结合天然气水合物分解动力学和热力学条件,研究了不同钻井工况下天然气水合物分解产气规律,估算了天然气水合物分解后的产气量。结果表明,在钻进天然气水合物层过程中,天然气水合物分解产气速率和累计产气量逐渐增大;在天然气水合物饱和度一定的情况下,近井天然气水合物层内的天然气水合物完全分解产气量与井身轴向半径呈平方关系;随着钻井液与天然气水合物层温差增大,天然气水合物分解速率呈指数增长;浅水区钻遇天然气水合物层易导致其分解,随着水深增加或井筒压力增大,天然气水合物分解越来越困难。研究表明,钻穿天然气水合物层时,提高钻进速度可减少天然气水合物分解;钻井过程中应根据钻前预测结果调整钻井液温度和密度来控制天然气水合物分解,同时采取必要的井控措施,以保证在适当的天然气水合物分解产气条件下安全钻进。      

超深井井壁稳定性分析

超深井钻井过程中存在多套地层压力体系，井壁稳定性条件复杂，高温、高压、深部地层岩石可钻性差等难点。随着井深的增加，地层压力梯度急剧增加，需要较高密度的钻井液来平衡地层压力。超深井的裸眼井段较长，钻井液浸泡时间长，容易导致岩石抗压强度软化，尤其一些泥岩层段，一旦被钻井液浸泡过后，井壁极易发生失稳。在超深井钻井过程中，不同的温度差异必然导致近井壁岩石应力分布发生改变，影响井壁稳定性。为此，提出分别利用地震、测井数据得到的坍塌破裂密度曲线来预测超深井井壁稳定性，所建立的计算模型应用于莫深1井的井壁稳定性分析，结果表明：预测情况与工程实际吻合。     

深水浅层钻井液水合物抑制性能优化

深水浅层地质条件复杂,土质疏松、作业压力窗口窄、海底泥线温度低、井筒内易生成水合物,钻井液面临着井壁稳定、低温流变性调控难度大以及环境污染等问题,钻井安全作业风险高。为此,以南海某深水井浅层钻井为研究对象,总结分析了深水浅层钻井液应用现状,建立了深水浅层钻进ECD计算模型和井筒温度场计算模型,分析了深水浅层钻井期间的井筒温度场分布规律和水合物生成风险,结合数值模拟和室内实验,进行了浅层钻井液体系水合物抑制性能优化。研究结果表明,建立的深水浅层钻进ECD计算模型和井筒温度场计算模型,与实测数据对比模型计算平均误差小于8%;计算得出深水浅层钻进期间井筒水合物生成区域范围随着钻井深度的增加逐渐减小,但钻进准备期间及钻进初期,井筒内仍存在水合物生成风险;常规半防钻井液体系优化为HEM+14%NaCl+6%KCl,可满足正常钻进期间作业需求。结论认为:通过深水浅层钻井液体系优化,可以减少钻井液体系中水合物抑制剂的加入,简化钻井液配方,降低钻井成本,提高作业效率,为深水油气钻探钻井液设计提供指导。      

钻井液处理剂对气体水合物生成温度和压力影响研究

针对海洋深水钻井过程中可能出现的气体水合物影响问题,对目前海洋常用的水基钻井液体系抑制气体水合物形成能力以及不同处理剂对气体水合物生成温度和压力的影响进行了研究,并构建和评价了适合于深水钻井的高盐聚胺钻井液体系.研究结果表明,盐类和醇类处理剂能有效抑制气体水合物的生成,高盐聚胺钻井液体系能满足深水钻井的需要.     

钻井液对煤层气井壁稳定性影响实验研究

在对煤层气储层岩石组成及理化性能分析的基础上,通过测定煤岩与钻井液接触后的力学性质,研究各种理化性能对煤层井壁稳定性的影响。研究结果表明,钻井液侵入煤层后容易引起黏土膨胀,煤层气储层存在由于水敏引起的煤层井壁失稳的危险;在岩石强度大、无水敏的煤储层可采用清水钻进,在水敏性强的储层应在钻井液中加入黏土抑制剂,并采用欠平衡等钻井方式,控制钻井液侵入。     

缅甸西海岸深水气田水基钻井液优化设计

为解决缅甸西海岸深水气田钻井面临的水敏性泥页岩井壁失稳、海底低温高压条件下钻井液增稠和易生成天然气水合物的问题,以聚胺抑制剂SDJA为关键处理剂,在优化钻井液低温流变性及优选天然气水合物抑制剂等关键处理剂的基础上,构建了强抑制性水基钻井液HIDril。室内性能评价结果表明,该钻井液具有较低的黏度和较高的动切力及6值,有利于清洗井眼,并且在温度4℃时具有良好的流变性;水敏性泥页岩回收率最高可达96.33%,抑制性能优良;在模拟海底环境的低温高压条件下,可有效抑制天然气水合物的生成;渗透率恢复率大于85.57%,具有较好的储层保护效果。在此基础上,针对缅甸西海岸深水气田不同井段的特点进行了钻井液技术方案设计,可为该深水气田钻井提供借鉴。      

钻井过程中甲烷水合物的分解特性研究

很多国家都加大了对海底天然气水合物的勘探和研究的力度。对于海底天然气水合物的勘探除了进行BSR物理探测以外，最直接的证据就是进行海底钻探取样。但是在海洋钻探过程中，海底水合物的分解容易引起钻探事故，其勘探和开采难度大，成为科学研究的难点。为此，人工合成了甲烷水合物，并应用微型钻井系统模拟海底天然气水合物钻井过程，研究了在钻井过程中水合物的分解特性。在微型钻井过程中，对几种不同性质的钻井液对水合物分解特性的影响进行了对比分析，研究结果对海底天然气水合物钻探取样具有重要的参考价值。     

水合物钻探井筒多相流动及井底压力变化规律

天然气水合物钻探过程中,破碎后的水合物碎屑伴随钻井液上升到一定位置后开始分解,分解出的天然气使井筒流动变为复杂的多相流,导致井底压力预测困难,甚至可能引发井涌等复杂情况。针对这一问题,考虑水合物分解和相变热的影响,建立了水合物层钻井中的井筒多相流动模型和传热模型。通过对模型的求解,分析了水合物分解临界点和井底压力的变化规律。结果表明,降低钻速和钻井液入口温度,有助于抑制水合物分解,稳定井底压力;增大排量,水合物临界分解位置降低,整个井筒中气体体积分数较小,井底压力较稳定;适当提高钻井液密度控制井底压力能够有效抑制水合物分解。在水合物层钻井时,应对以上参数进行优化,以避免因水合物分解而引发的事故。