深水钻井井筒中天然气水合物生成区域预测

综合考虑天然气水合物生成热力学、温度和压力条件,预测深水钻井井筒中天然气水合物生成区域.针对深水钻井的特点,建立了多相流控制方程组(包括各相的连续性方程和动量守恒方程)、环空和钻杆内的温度场方程以及水合物生成热力学方程.针对不同的钻井工况给出了方程的定解条件、方程离散方法以及求解步骤.通过仿真算例讨论了在钻进、停钻和压井过程中相关参数对天然气水合物生成区域的影响规律.结果表明:循环流量越高,抑制剂浓度越大,停钻时间越短,节流管线尺寸越大,水合物的生成区域就越小.算例研究还表明,多因素相结合抑制水合物生成的效果比单因素抑制水合物生成的效果更好.依据此计算方法还可对各参数进行优化.图7参16     

深水钻井井简中天然气水合物生成区域预测

综合考虑天然气水合物生成热力学、温度和压力条件，预测深水钻井井筒中天然气水合物生成区域。针对深水钻井的特点，建立了多相流控制方程组（包括各相的连续性方程和动量守恒方程）、环空和钻杆内的温度场方程以及水合物生成热力学方程。针对不同的钻井工况给出了方程的定解条件、方程离散方法以及求解步骤。通过仿真算例讨论了在钻进、停钻和压井过程中相关参数对天然气水合物生成区域的影响规律。结果表明：循环流量越高，抑制剂浓度越大，停钻时间越短，节流管线尺寸越大，水合物的生成区域就越小。算例研究还表明，多因素相结合抑制水台物生成的效果比单因素抑制水合物生成的效果更好。依据此计算方法还可对各参数进行优化。图7参16     

深水天然气水合物连续管水平井钻井井控风险分析

连续管水平井钻井可保证储层钻遇率、增大储层泄油面积、提高开发效率,可解决水合物储层埋深浅造成的常规水平井钻井轨迹控制难的问题。构建了深水天然气水合物水平井钻井井筒温度场计算模型和天然气水合物生成模型,得到了深水天然气水合物水平井钻井井筒温度压力分布,建立了天然气水合物生成温度压力分布图版,得到了天然气水合物生成的温压范围。     

海洋气水同产井井筒中天然气水合物非平衡生成风险预测

受海水低温环境的影响,气水同产井井筒中天然气水合物(以下简称水合物)非平衡生成问题突出,增加了井筒堵塞等安全事故发生的风险。为此,基于前人建立的甲烷水合物相平衡模型、水合物生成与分解动力学模型,建立了含水天然气采出过程中井筒温度和压力分布模型、海洋气水同产井水合物非平衡生成与分解理论模型;然后基于有限差分法进行数值模拟计算,形成了一套适用于海洋气水同产井生产过程中水合物非平衡生成风险预测方法(以下简称水合物生成风险预测方法);在此基础上,采用某陆上产气井LN-X的数据对该预测方法的可靠性进行了验证,进而研究了不同参数影响下海洋气水同产井井筒中水合物的非平衡生成与分解规律。研究结果表明:①随着日产气量增大或含水率升高,井筒中生成水合物的区域范围减小,同时水合物物质的量也减小,井筒越不易被堵塞,对海洋气水同产井的安全生产越有利;②井口油压越大,井筒中生成水合物的区域范围越大,同时水合物物质的量也越大,越容易堵塞井筒,对海洋气水同产井的安全生产越不利;③不同海面温度下水合物生成区域的范围一致,并且水合物分解区域的范围也一致,水合物物质的量仅在井口位置附近有差异,海面温度越高,水合物物质的量越低。结论认为,所形成的水合物生成风险预测方法可靠,可以为海上气藏的安全生产管理提供理论指导。     

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。     

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。      

深水钻井浅水流声学特征模拟实验及模型应用

深水钻井一旦钻遇浅水流极易出现井漏甚至井喷等重大事故。常规地震剖面进行定性预测浅水流的准确性较低，为此提出了一种基于模拟实验的定量预测浅水流压力并对风险等级进行评价的方法。根据声波在水中及饱和岩石介质中的传播速度特征，进行了浅水流声学模拟实验。研究表明：纵波在深水浅水流地层中的传播速度随着地层压力的增大而增大，地层孔隙度越大，声波传播速度越小；通过数据拟合得到纵波速度与浅水流地层压力、孔隙度之间呈幂指数函数关系，根据实验结果建立了声速与浅水流地层压力、孔隙度的双参数模型，用于根据声速预测浅水流地层压力；利用有限元软件进行了浅水流地层的地质建模及放喷模拟，定义浅水流对钻井造成不同风险等级的压力系数范围。在中国南海深水区进行了浅水流声学预测及风险评价方法现场应用，验证了深水浅水流声波识别预测技术的可行性。     

深水气井天然气水合物预防方法比较研究

通常采用的水合物预防方法有注入抑制剂、井下节流、采用重力热管或注入热流体等。为分析其应用于深水气井井筒时的适用性和高效性等,开展了深水气井井筒天然气水合物预防方法的比较研究,比较分析了注抑制剂、采用重力热管和井下节流等方法抑制水合物生成的机理。抑制剂直接阻碍水合物的成核和生长,重力热管法与井下节流法则是通过调节井筒温度和压力分布,使其不具备水合物生成条件。利用改进的双流体模型计算井筒内温度和压力分布,以南海东部某深水气井设计资料为基础,比较分析了此3种方法对天然气水合物生成区域的影响规律。分析结果表明:注入抑制剂后,在低浓度范围内,随浓度增加初始生成位置呈小幅上升趋势;在高浓度范围内,随浓度增加初始生成位置大幅度上升;在热流体注入口附近,井筒流体温度出现突变,并随注入量增加与注入温度升高而升高;高产量下,井下节流使水合物生成区域增大;低产量下,节流后水合物生成区域减小。研究结果可为深水气井井筒流动安全保障设计提供参考。     

深水气井测试过程中水合物相态曲线的研究与应用

针对深水气井测试过程中井筒温度场的变化带来水合物生成的巨大风险,易导致测试管柱堵塞、环空出现较大的带压值等严重问题,对水合物生成相态曲线在深水气井测试过程中的多方面应用进行了研究。首先在深水气井测试井筒温度场精确预测的基础上,结合水合物相态曲线,定量预测了测试期间管柱内水合物的生成区域,计算得出了测试管柱上的化学药剂注入阀的下入深度,并设计确定了测试期间井筒及地面油嘴处水合物抑制剂的注入量,形成了深水气井测试水合物相态曲线应用方法。该方法在南海深水某气井进行了综合应用,计算得出该井测试期间化学药剂注入阀下入深度为2 450 m,井筒及地面油嘴处水合物抑制剂注入分别为甲醇和（3%～5%）乙二醇,综合应用测试作业工作制度,测试期间井筒无水合物生成,地面油嘴处水合物生成注入抑制剂后压力下降约13.6%,保证了现场测试作业的成功实施,可为其他深水气田测试过程中天然气水合物的防治提供借鉴。      

深水油气管线天然气水合物生成条件预测方法及应用

在深水油气田开发中,为了有效防止天然气水合物的生成,迫切需要对天然气水合物生成条件进行准确预测。为此,根据深水环境压力高和多温度梯度的特点,应用气液两相流理论与传热学原理建立了适用于深水油气管线的温度预测模型;在现有实验数据的基础上,对5种天然气水合物预测方法进行了对比优选,结合Beggs-Brill方法建立了预测深水油气管线天然气水合物生成条件的模型,并编制了相应的计算程序。实例研究结果表明,管线流量越大、绝热材料导热系数越小、绝热层厚度越大、停产时间越短时,天然气水合物的生成区域就越小。该模型可用于制订合理的管线流量指标、选择恰当的管线保温材料和准确计算无接触时间,对深水油气田的安全生产提供了技术支持。     

深水水合物钻井导管下深设计与地层安全承载研究

为保障深水天然气水合物开采的安全进行,降低钻井导管组合系统下沉和水合物地层失稳的事故风险,针对深水天然气水合物钻井作业过程中导管喷射到位解锁、表层套管固井和紧急脱离等3个阶段导管组合系统的下入深度设计与竖向承载力进行研究。结合桩基理论建立不同阶段作业工况下钻井导管竖向承载力的计算模型,确定不同作业阶段钻井导管的最小下入深度,然后基于TOUGH+HYDRATE和FLAC3D软件建立水合物地层稳定性数值分析模型,研究试采作业过程中水合物地层的稳定性,根据摩尔-库伦破坏准则,确定水合物地层的安全试采时间。以南海某天然气水合物喷射钻井作业为例,考虑浅层土壤的工程地质特征以及钻井作业过程中由于钻井液侵入导致水合物地层分解,给出导管安全下深设计的推荐值为98 m,为保证水合物地层的安全承载,建议水合物的安全试采时间不应超过60 d。研究结果可为深水天然气水合物钻井导管的现场作业提供技术参考。     

应用速度场技术预测深水钻井中的浅层地质灾害

随着深水油气勘探开发的逐渐深入和不断发展,浅层地质灾害成为深水钻井作业中面临的一大难题。深水井海底淤泥强度低、欠压实,地层不稳定,地层破裂压力梯度与地层空隙压力梯度之间窗口窄,当量循环密度控制困难,存在浅层气、天然气水合物及浅水流等浅层地质灾害风险。浅层地质灾害源体积小,难以预测;层位浅,灾害常突然出现;压力高,易发生井喷等事故,造成巨大的损失,所以对浅层地质灾害的预测就显得尤为重要。分析发现,地震波速度对浅层灾害的预测起着非常关键的作用,速度场技术结合了横向分辨率较高的地震资料和纵向分辨率较高的井资料,为速度的准确求取奠定了基础,也为浅层地质灾害的预测提供了科学的依据。为此,阐述了深水浅层地质灾害与地震波速度之间的关系,重点分析了速度场建立的方法及步骤,并对荔湾深水气田LW3-1-1井区所建立的速度场进行分析,预测了井区浅层地质灾害存在的可能性,这对后续钻井作业服务具有参考作用。     

深水钻井液中水合物抑制剂的优化

深水钻井遇到的重大潜在危险因素之一是浅层气所引起的气体水合物问题。气体水合物稳定存在于低温、高压条件下,如果在深水钻井管线中生成,会造成气管、导管、隔水管和海底防喷器等的严重堵塞,且不易解除,从而危及工程人员和钻井平台的安全。利用新研制的天然气水合物抑制性评价模拟实验装置,初步探索了搅拌条件、膨润土含量及钻井液添加剂对气体水合物生成的影响规律。研究表明,搅拌和膨润土的存在可以促进水合物的生成,而多数钻井液添加剂则对水合物的生成有一定抑制作用。研究了常用水合物抑制剂作用效果,实验表明,动力学抑制剂不能完全抑制水合物的生成,其最佳加量为1.5%;热力学抑制剂虽能最终抑制水合物的生成,但加量较大,NaCl抑制效果好于乙二醇;动力学与热力学抑制剂复配具有很好的协同作用。在实验基础上优选了适合于3 000 m水深的深水钻井液用水合物抑制剂配方。     

深水合成基钻井液研究

随着科学技术的进步和人类对海洋石油资源认知水平的不断提高,海洋油气勘探开发已从浅海走向深海,甚至超深海。深水钻井液技术是深水钻井的关键技术之一,低温流变性和气体水合物是深水钻井液面临的主要问题。为了解决该技术难题,通过室内实验优选出了深水线性α烯烃合成基钻井液配方,并模拟深水作业温度环境研究了其低温流变性。研究结果表明,钻井液的黏度随着温度降低上升,而钻井液的Φ6和Φ3读数、动切力几乎不受温度影响。采用DSC(差示扫描量热法)技术研究了优选的深水合成基钻井液在20MPa、0℃条件下无气体水合物生成。室内实验研究结果表明,优选的合成基钻井液具有较好的抗温能力、抑制性、储层保护能力。     

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。      

超深水浅层建井关键技术创新与实践

中国南海油气资源丰富,但70 %分布在深水区域。深水钻井实践表明,60 %的钻井事故源自海底以下几百米的未成岩浅层,因此浅层建井是整个深水钻井成功的关键。针对超深水浅层存在海底土力学参数不易获取、浅层地质灾害精确预测困难、井身结构精准设计和作业安全控制不易等难题,从理论模型、室内模拟实验和现场实践等方面开展了研究。根据土体固结理论及声速梯度特征,基于浅层地震剖面数据,创建了深水浅层土体密度、抗剪强度关键参数预测模型。基于超深水模拟实验装置,建立了水下井口实时承载力模型,形成了深水浅层精准井身结构设计方法。基于地震纵波在深水浅部含气或含水地层中产生不同声速响应的特征,建立了含浅层气、浅水流地层纵波速度随水深、地层密度的双参数方程,形成了超深水浅层地质灾害预测模型。基于浅层喷射下表层导管的原理,提出了"表层导管+表层套管"二合一复合钻井作业模式。研究成果成功应用于西太平洋第一口超深水井——荔湾22-1-1井(水深为2 619.35 m)。其中,南海超深水表层导管下入深度达100.1 m,浅层表层导管安装时间仅为2.25 h,保障了荔湾22-1-1井的高效、安全作业。     

海域含天然气水合物地层钻完井面临的挑战及展望

全球天然气水合物资源丰富,被世界各国视为未来石油和天然气的战略性接替能源。天然气水合物主要分布于深水海底浅层和陆地冻土区中,其中海域天然气水合物资源较为丰富,然而,目前海域天然气水合物储层钻完井工程实践较少,存在着许多技术难题和挑战。为了研究和应用海域天然气水合物地层钻完井技术,介绍了美国、日本、印度、中国等国家海域天然气水合物地层的钻探与试采活动,分析了海域天然气水合物地层钻完井技术发展现状,指出在天然气水合物地层钻完井工程中存在的基础性技术难题主要包括钻井液密度窗口窄、天然气水合物相变、井壁失稳、井口不稳定性、出砂防砂等。此外,针对钻完井工程存在的技术难题,对海域天然气水合物地层控压钻井、套管钻井、水平井钻井、防砂和钻井液等关键技术的未来发展进行了展望分析,以期为我国海域天然气水合物地层安全高效钻完井设计提供参考。     

南海深水钻井井控技术难点及应对措施

深水钻井井控存在着海床不稳定、地层破裂压力低、地层压力窗口窄、以及存在浅层气、浅层水流、气体水合物和海底低温等诸多问题。在对国内外深水井控技术充分调研的基础上,针对南海深水钻井井控特点和难点,结合近年南海深水钻井设计和作业实践经验,详细分析了深水钻井井控存在的地层压力窗口窄、溢流监测困难、压井难度大和压井作业时间长、井控设备复杂、存在水合物风险等问题,研究提出了有针对性的解决方案,并以南海深水井为例介绍了深水井控的具体措施。     

深水钻井液关键技术研究

分析了深水钻井液面临的技术难题,认为深水钻井所面临的主要问题有深水低温问题、深水浅层含气砂岩所引起的气体水合物生成问题、海底泥岩稳定性问题及钻井液用量大、井眼清洗困难等问题。根据深水钻井中出现的问题和面临的困难,指出了深水钻井液应具有良好的低温流变性、悬浮携岩能力、页岩稳定性、环保性能及综合成本低等特点。调研了国外常用的深水钻井液体系,研制了深水钻井液水合物抑制性评价试验装置,探讨了深水钻井液中水合物的形成规律及机理,优选了深水钻井液用水合物抑制剂及其配方。在优选深水钻井液用处理剂的基础上,得出了深水钻井液的最终配方,并进行了全面的性能评价。最后,根据我国深水钻井液技术研究的现状,提出了下一步的研究重点。