海洋水合物地层钻井用聚合醇钻井液研究.pdf

第 3 l 卷 第 5 期 2 0 0 9 年 1 0月 石 油 钻 采 工 艺 OI L DRI LLI NG PR0DUCT 1 0N TECHN0LOGY Vo 1 ． 3l N0 ． 5 Oc t ．2 0 0 9 文章编 号 1 0 0 0 7 3 9 3 2 0 0 9 0 50 0 5 2 0 4 海洋水合物地层钻 井用聚合醇钻 井液研究 刘天乐 蒋国盛 涂运中 宁 伏龙 张 凌 中国地质大学岩土钻掘与防护教 育部工程研究中心， 湖北武汉4 3 0 0 7 4 摘要针对海底天然气水合物地层的独特特性， 在充分考虑现有的常用聚合醇钻井液体系的基础上， 论述 了适合海底天然 气水合物地层钻井用含动力学抑制剂的聚合醇钻井液的室内研究情况。结果表明， 该体系具有优良的页岩抑制性和水合物抑 制性、 良好的低温流变性、 稳定性和润滑性等特点， 能够有效保持井壁稳定， 是一种非常适合海底天然气水合物地层钻探的钻井 液体 系。 关键词 天然气水合物 ； 聚合醇钻井液 ；动力学抑制剂 中图分类号 T E 2 5 4 ． 1 文献标识码 A Re s e a r c h o n t he po l y o l c o l d r i l l i n g flu i ds f o r o f f s h o r e hy d r a t e d r i l l i n g L I U T i a n l e ， J I A N G G u 0 s h e n g ， T U Y u n z h o n g ， NI N G F u l o n g ， Z H A N G L i n g C h i n a U n i v e r s i t y o fG e o s c i e n c e s G e o t e c h n i c a l Dr i l l i n g a n d E x c a v a t i o n a n d P r o te c t i o n o f t h e Mi n i s t r y o fE d u c a t i o n E n g i n e e r i n g Re s e a r c h C e n t e r ， W u h a n 4 3 0 0 7 4 ， C h i n a Ab s t r a c t T o a i m a t t h e u n i q u e c h a r a c t e r i s t i c s o f s u b ma r i n e g a s h y d r a t e s f o r ma t i o n ， t a k i n g f u l l a c c o u n t o f e x i s t i n g c o mmo n l y u s e d p o l y g l y c o l d r i l l i n g fl u i d s y s t e m， t h i s e s s a y p r e s e n t s a d e t a i l e d e x p o s i t i o n o f t h e l a b o r a t o r y s t u d y o f d r i l l i n g i n s u b ma r i n e g a s h y d r a t e s f o r ma t i o n wi t h p o l y g l y c o l d r i l l i n g flu i d wh i c h c o n t a i n s k i n e t i c i n h i b i t o r s ． I t t u r n e d o u t t h a t t h e s y s t e m h a s a n e x c e l l e n t i n h i b i t i o n o f s h a l e a n d h y d r a t e ， f a v o r a b l e l o w t e mp e r a tur e r h e o l o g y , s t a b i l i t y ， a n d l u b r i c i t y , a n d i t h a s t h e c a p a b i l i t y t o e f f e c t i v e l y ma i n t a i n b o r e h o l e s t a b i l i t y ． He n c e f o r t h e s e r e a s o n s ， i t i s a d r i l l i n g fl u i d s y s t e m t h a t i s v e ry s u i t a b l e f o r u n d e r s e a d r i l l i n g i n g a s h y d r a t e f o r ma t i o n ． Ke y wo r ds g a s hy dr a t e s ， p ol yg l yc o l d r i l l i n g flui d ， ki ne t i c i nh i b i t o r s 天然气水合物研究是 当代地球科学 和能源工 业 的一大前沿研究课题 ， 对于解决越来越严峻的能 源短缺 问题具有非常重要 的意义 。因此 ， 海洋天 然气水合物的勘探与开发得到了许多国家的 日益重 视。由于天然气水合物仅存在于高压 、 低温的环境 下， 且极度不稳定 ， 只要压力或温度发生改变， 将 不可避免地导致天然气水合物分解 ， 进而引发一系 列钻井事故 ， 使水合物地层的钻探难 以顺利实施 ， 甚 至无法实施。针对这一难题 ， 目前世界． 卜 很多科研 机构都 已经着手进行研究 ， 通过室 内模拟实验或现 场钻井实验 的方法研究解决方法 。本文根据水合 物地层钻井的基本特点 ， 通过现场资料分析和室内 实验研究 ， 阐述 了能有效抑制水合物分解和再生成 、 维护井壁稳定 、 保证井 内安全的聚合醇钻井液。 l 海洋天然气水合物地层钻探的特点 S t r a t i g r a ph i c d r i l l i ng c h a r a c t e r i s t i c s o f ma - f i n e g a s h y d r a t e s 天然气水合物仅能在高压 、 低温条件下稳定存 在。在天然气水合物地层钻井 进 时 ， 储层井壁和 基金项 目国 家 自然科 学基金 项 目 编 号 5 0 5 0 4 0 1 2 、 8 6 3计划 编 号 2 0 0 6 AA 0 9 Z 3 1 6 、 教 育部 新世 纪优 秀人 才 支持计 划 编 号 NC E 0 5 0 6 6 3 7 L国地质大学 武汉 研 究生学术探 索与创新基金共同资助 。 作者简介 刘天乐， 1 9 8 4 年生 地质工程专业在读博士生， 主要研究方向是天然气水合物勘探与开发。E - m a i l l i u t i a n l e 2 0 0 8 1 6 3 ． c o rn 。 刘天乐等海洋水合物地层钻井用聚合 醇钻 井液研究 5 3 井底 附近地层应力释放 ， 会导致 地层压力降低。同 时， 钻井过程是一个非绝热过程 ， 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 j 。 此外 ， 如果循环钻井液温度控制不 当， 钻井液会和水 合物地层发生热交换。所 以， 在钻井过程 中， 井壁周 围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 ， 进而导致意想不到的钻井事故发 生 。因此 ， 天然气水合物地层钻井的实施 ， 首先要 保证对井内的温度和压力实施合理的控制， 确保水 合物不至于大量分解 ， 避免水合物在循环管路中再 生成 ， 从而达到稳定井壁 的效果 。而要达到此 目标 ， 关键在于钻井液工艺方案。 2 钻井液体 系设计的原则 Dr i l l i n g fl u i d d e s i g n s y s t e m p r i n c i p l e s 结合海洋天然气水合物赋存地层及水合物自身 的特点 ， 体系的设计主要遵循 以下原则 。 1 钻井液密度应适 中。为了保持井壁稳定 ， 钻 孔内需要由钻井液液柱提供 的压力来平衡地层 的压 力。同时 ， 为了保持孑 L 内清洁和降低孔底温度 ， 钻井 液需要具有一定的循环速度 。根据海洋水合物地层 钻井 的实际情况 ， 经过计算 ， 将钻井液的密度控制在 1 ． 1 ～1 ． 2 g ／ c m 。 2 钻井液能够有效抑制页岩水化和水合物生成 。 3 钻井液应具有 良好的低温流变性。由于海洋 水合物赋存 于低温 、 高压 的环境下 ， 因此 ， 钻井液在 使用前 ， 应先进行低温冷却 ， 使其与海底水合物地层 的温度相近， 但不能出现流动不畅甚或凝 固等现象 。 4 改善钻井液的常规性能。加入一定量的流型 调节剂 、 降滤失剂等 ， 改善钻井液的排 除钻 屑 、 润滑 钻具 、 冷却钻头等能力 ， 并有效降低滤失量 ， 提高滤 饼质量和护壁效果 3 实验设计 Ex p e r i me n t a l d e s i g n 3 ． 1 实验设备 Ex p e r i me n t a l e qu i p m e nt 实验所采用 的设备和装 置主要有两部分组成 ， 一 部分 为常规钻井液性 能测试装置 ， 如 Z N N． D 6型 六速旋转黏度计 、 Z NS型泥浆失水量测定仪 、 Z NP型 膨胀量测定仪等；另一部分是天然气水合物合成及 微钻实验系统 ， 是 目前 国内为数不多的几套之一 ， 其 基本组成如图 1 所示。 反应釜报警装鼢 气源 图 1 水 合 物 合 成及 微 钻 买验 系统 Fi g ． 1 S y n t h e s i s o f h y d r a t e s a n d mi c r o d ril l e x p e r i me n t s ys t e m d i a g r a m 3 ． 2 实验 材料 Ex p e r i me n t a l ma t e r i a l 实验中使用的聚合醇为上海实意化学试剂有限 公司生产的聚乙二醇 ， 平均分子量为 2 0 0 01 0 ， 分析 纯。动力学抑制剂聚乙烯吡咯烷酮 P VP K9 0 来 自 河南博爱新开源制药有限公司。甲烷气体 由武汉市 华 星工业 技术有限公司提供 ， 纯度 为 9 9 ． 9 ％。实验 中使用的其他试剂也均为正规厂家的合格产 品。 3 ． 3 实验步骤 Ex p e r i me nt a l pr o c e dur e s 3 _ 3 ． 1 钻井液体 系的确定 由于聚合醇钻井液具有 很强的抑制性能， 能够有效封堵孔隙， 阻止滤液进入 地层 ， 在结合 国内外油气田深水钻井经验的基础上 ， 决定采用聚合醇钻井液体系。根据 国外研究与钻井 实践 ， 2 0 ％Na Cl 1 0 ％ 聚乙二醇对水合物 的抑制程度 较强。同外在进行 陆上或水域深井钻探 时， 曾大量 应用聚合醇钻井液 ， 在水合物钻探方 面， 国外进行过 大量 的聚合醇与热力学抑制剂复配使用 的试验 ， 取 得了一定成效。但是在聚合醇与动力学抑制剂复配 使用的研究方面 ， 国内外研究较少 ， 而将 聚合醇 、 热 力学抑制剂和动力学抑制剂复配使用 ， 国内外 的试 验研究 更是微乎其微。通过前期室 内试验 ， 发现聚 合醇与热力学和动力学抑制剂复配的钻井液具有较 为优 良的性能。因此， 选择以聚合醇与热力学和动 力学抑制剂复配的钻井液作为基液 。 考虑到海洋钻井 的实际情况 ， 该钻井液体 系采 用人工模拟海水配浆 矿化度取 3 ％ ， 这样 ， 既便于 在实际钻井时就地取材， 又能显著降低钻井液配制 的成本 。为 了降低 聚合醇钻井液体系的凝 固点 ， 保 证其在低温条件下具有 良好 的流变性 ， 加入一定量 的 Na C 1 。同时， Na C1 还是 一种常用 的热力学 抑制 剂 ， 对水合物的生成有一定的抑制作用。L V - P A C和 S MP ． 2能够 有效降低 钻井液 的滤失量 ， P V P K 9 0 是水合物生成动力学抑制剂 ， 而加入少量 的 Na OH 5 4 石油钻采工艺 2 0 0 9年 1 0月 第 3 1 卷 第 5 期 能够调节钻井液的 p H值， 使之与海水的 p H值相近。 经过反复试验， 综合分析之后得出一个适合海 底水合物地层钻井用 的聚合醇钻井液配方 人造海 水 3 ％膨润土 1 ％L V - P AC 4 ％S MP 一 2 1 0 ％ 聚乙二 醇 2 0 ％ Na Cl l ％P VP K 9 0 0 ． 5 ％Na O H。 3 ．3 ． 2 实验方法首先， 采用 Z N S 失水仪、 Z N N ． D 6 型旋转黏度计 、 比重计等常规仪器 ， 对建立 的聚合 醇钻井液的性能进行评价， 然后将建立 的聚合醇钻 井液注入反应釜 中， 通人高压 甲烷气体 压力为 1 8 MP a ， 在 4℃的环境 中静置 2 0 h ， 通过数据采集系统 来观察反应釜 内温度和压力的变化情况 ， 从而判断 水合物生成情况。 4 实验结果及分析 Ex p e r i me n t a l r e s u l t s a n d a n a l y s i s 4 ． 1 钻井液抑制性实验 Fl u i d i nh i b i t i o n e x p e r i me n t 抑制性评价是钻井液性能评价 的一个重要方 面， 通常有两种评价方法 一是抑制分散性 滚动回 收 实验 ； 二是抑制膨胀实验。采用泥页岩膨胀实验 来评价体系的抑制性 ， 具体实验数据见表 1 。 表 1 泥页岩膨胀实验 Ta b l e 1 Sh a l e e x pa ns i o n e x pe r i me n t 由表 1 可见 ， 在相 同条件下 ， 聚合醇钻井液体系 能显著降低泥页岩的水化膨胀量， 有效 防止泥页岩 地层因水化造成的井壁不稳定。 4 ． 2 钻井液低温流变性实验 Lo w- t e mpe r a t ur e fl u i d r he o l o g y e x p e r i me nt s 根据国内外海洋钻井实践 ， 在进行海洋深水钻 井时， 钻井液 的循环温度通常为 0 - 6℃左右 j 。在 低温条件下实施钻井， 对钻井液流变性有一定的影 响， 其流变性有变差的趋势 ， 主要表现为切力 、 塑性 黏度和表观黏度等指标均增大， 有使钻井液向凝聚 方向转化的趋势， 钻井液中钻屑等固相颗粒容易发 生沉降、 固结 。 实验时， 首先将 4 0 0 mL的聚合醇钻井液放入图 2所示 的高低温试验箱中， 恒温冷却钻井液。当钻 井液温度达到试验所需温度时 ， 恒温冷却 1 h ， 之后 每隔 1 0 mi n快速搅拌 1 - 2 mi n ， 保持钻井液温度均 匀不变 ， 然后在试验箱内测试此时钻井液的流变性 。 根据海洋深水钻井 的实际情况 ， 分别测试了钻井液 在 5个不同温度下的流变性， 实验结果见表 2 。 图 2 反应釜和高低 温实验箱示意图 Fi g． 2 Re a c t or a n d h i g h a n d l ow t e mpe r a t u r e e x pe rime nt b o x d i a g r a m 表 2 聚合醇钻井液在不同温度下的流变性 Ta b l e 2 Rhe ol o gy o fpo l y o l d r i l l i ng flui d a t di ffe r e nt t e mp e r a t ur e 温度密度 ／ ℃／ g ‘ c m 1 5 1 ． 1 5 8 1 ． 1 5 0 1 ． 1 6 4 1 ． 1 6 8 1 ． 1 6 静切 力 表观黏度 塑I }生 黏度 动切力 滤失量 ／ P a ／ mP a S ／ mP a S ／ P a ／ mL 2 ／ 2 ． 5 2 4 l 8 8 ． 5 5 ． 5 2 ／ 2． 5 29 20 8． 9 5． 5 2 ． 5 ／ 3 3 2 2 1 9 ． 2 5 ． 5 2． 5 ／ 3 35 2 2 9． 7 5． 7 2 ． 5 ／ 3 3 7 2 5 1 0． 2 5． 8 由表2 可见， 随着温度的降低 ， 钻井液的静切力、 动切力 、 表观黏度和塑性黏度都有增大的趋势 ， 但变 化幅度不大 ， 都在允许范 围之 内。A P I 滤失 量虽然 也有 随温度 降低 而增 大的趋 势， 但是变化非常小。 此外 ， 钻井液具有较高的动塑 比， 有利于悬排钻屑， 保持井壁稳定。由此 可见 ， 该聚合醇钻井液在低温 条件下具有 良好的流变性 。 4 ． 3 抑制水合物再生成实验 I n hi bi t h y d r a t e r e - ge ne r a t i o n e x pe r i me n t 为了评价聚合醇钻井液体系对水合物生成的抑 制能力 ， 试验必须要在钻井液环境 中进行。首先 ， 将 一 定体积的聚合醇钻井液 2 0 0 0 m E 注入如图2 所 示的反应釜内， 然后通人高压甲烷气体， 将高低温试 验箱的温度设置为 4 c c， 开启数据采集软件 ， 对温 度和压力数据进行保存。由于 甲烷水合物的生成是 一 个放热反应， 并且会消耗部分甲烷气体， 而数据采 集系统界面上的温度和压力曲线则会出现相应的变 化 ， 据此可以判断反应釜 内是否有水合物生成。鉴 于动力学抑制剂聚乙烯吡咯烷酮 P V P 决定了聚 合醇钻井液体 系的水合物抑制能力 ， 为了考察钻井 液的水合物抑制效果 ， 在相同的试验条件下 温度、 压力和持续时间 进行了对比试验。实验压力为 l 8 MP a 模拟 1 8 0 0 m水深 ， 温度为 4℃， 保温观察 2 0 h 。 刘天 乐等 海洋水合物地层钻井用聚合醇钻井液研究 5 5 实验结果见图 3 。 时间／ rai n a 无水合物抑制利 时 1 日 J ／ rai n b 柯水合物 抑制剂 图 3 聚合 醇钻 井液加入 P V P前后的温度压力 变化 F i g ． 3 Ch a n g e s i n t e mp e r a t u r e a n d p r e s s u r e b e f o r e a n d a f t e r a d d i n g P VP t o P o l y o l d r i l l i n g fl u i d 从 图 3可以看出， 不添加动力学抑制剂时 ， 系统 压力 由 1 8 MP a 降 至 1 3 ． 5 MP a ， 压 降达到 4 ． 5 MP a ， 当反应进行到 9 0 0 ～ 1 0 0 0 mi n时， 温度 曲线 出现了非 常明显的 “ 尖峰 ” ， 说 明此 阶段水合物的生成反应非 常剧烈。加入 1 ％ 的 P V P后 ， 系统 的压力和温度在 整个试验过程 中基本上没有变化 ， 说 明反应釜 内无 水合物生成。实验结束后 ， 打开反应釜 ， 发现两种配 方钻井液 的水合物抑制 性能差异非 常明显 图 4 ， 直观地验证了含动力学抑制剂 P V P K9 0 的聚合醇 钻井液具有 良好的水合物抑制性。 一 一 无水合物抑制剂 有水合物抑制剂 图 4 动力学抑制剂 P VP的抑制效果对 比 Fi g． 4 Comp a ris o n of t he i n hi bi t o r y e ffe c t i n PVP o f k i n e t i c i n h i b i t o r s 5 结论 Ca n c l u s i o n s 1 研制的聚合醇钻井液在低温环境下具有很好 的页岩抑制性和流变性 ， 且密度适中， 能够较好地满 足钻井 时保护井壁 、 润滑钻具 、 悬排 钻屑、 清洁井底 的要求 。 2 热力学抑制剂 和动力学抑制剂复配使用 能 够非常有效 地防止水合物生成 ， 从 而有效抑制了地 层 中逸 出的天然气在循环管路 内重新生成水合物。 加人 0 ． 5 ％～ 1 ％左右 的动力学抑制 剂 P VP K9 0 与 1 0 ％ 的热力学抑制剂 Na C 1 ， 能够确保在压力 1 8 MP a 的低温环境下 ， 2 0 h内管道内不会生成水合物 。 3 在今后的研究工作 中， 应加强水合物地层地 下水动力学方面 的研究 ， 深入研究钻井液侵人对海 底含水合物地层稳定性的影 响， 从而为水合物地层 钻井液体系的设计和优化提供更有效的依据。 参考文献 Re f e r e n c es [ 1 ] 蒋国盛， 王达， 汤凤林， 等 ． 天然气水合物的勘探与开发 [ M]． 武汉中国地质大学出版社， 2 0 0 2 1 1 ． J I ANG Guo s he n g，WANG Da ，TANG Fe ng l i n ，e t a 1 ．Ga s h y d r a t e s e x p l o r a t i o n a n d d e v e l o p me n t Mj．Wu h a n C h i n a Uni v e r s i t y of Ge o s c i e n c e s Pr e s s ． 2 00 2 1 1 ． [ 2] 邱存家， 陈礼仪 ， 朱宗培 ． 天然气水合物钻探 中钻井液 的使 用 [ J ]． 探矿工程 岩土钻掘 工程， 2 0 0 2 ， 3 6 4 36 37 ． Q t U C u n j i a , C HE N L i y i ， Z H U Z o n g p e i ． Dri l l i n g fl u i d u s e d f o r g a s h y d r a t e d ri l l i n g i n t h e u s e o f l J J． E x p l o r a t i o n E n g i ne e r i n g Ge o t e c h ni c a l Dril l i ng a nd Ex c a v a t i o n En gi n e e r - i n g ， 2 0 0 2 ， 3 6 4 3 6 3 7 ． [ 3] T A N C P C L E N NE L L M B ， T OH I DI B， e t a 1 ． Ma n a g i n g we l l b o r e i n s t a b i l i ty r i s k i n g a s h y d r a t e b e a r i n g s e d i me n t s [ R]． S P E 9 2 9 6 0 ． [ 4] 王书森 ， 吴明， 王 国付 ， 等 ． 管 内天然气水合物抑制剂的 应用研 究 [ J ]． 油气储运 ， 2 0 0 6 ， 2 5 2 4 3 4 6 ， 5 2 ． WANG S h umi a o ， W U M i ng ， W ANG Gu of u ,e t a 1 ． App l ie d s tud y o n g a s h y d r a t e i n h i b i t o rs o f g as t r a n s mi s s i o n p i p e l i n e [ J ]． 0 i l G a s S t o r a g e a n d T r a n s p o r t a t i o n ， 2 0 0 6 ， 2 5 2 4 3 _ 4 6 ． 5 2． 『 5] C O HE N J H ， WI L L I AMS T E ， K AD AS T E R A G ， e t a 1 ． H y d r a t e c o r e d r i l l i n g t e s t s[ R]． Ma u r e r T e c h n o l o g y I n c ． ， 2 00 2 1 1 ． [ 6] 孙涛， 陈礼仪， 邱存 家， 等 ． 天然气水合物勘探低温钻 井液体 系与性 能研 究 [ J ]． 天然 气工 业， 2 0 0 4 ， 2 4 2 61 6 3． S UN T a o ， CH E N L i y i ， QI U C u n j i a ， e t a 1 ． S t u d y o n pe r f o r ma nc e o f l ow t e mp e r a t ur e dril l i n g flu i d s u s ed f o r g a s h y dra t e e x p l o r a t i o n[ J ] ． N a tur a l G a s I n d u s t r y , 2 0 0 4 ， 2 4 2 6】 一 6 3 ． 修 改稿收到 日期2 0 0 9 0 9 0 4 [ 编辑朱伟 ]