海底天然气水合物分解对海洋钻井安全的影响(2)

棽椵高压椈而且由于环空向上运移棳如果压差足够大棳就会发生井涌暍井

喷等井下

故障暎天然气水合物分解后若不及时处理棳钻井液因与产生的气体混合而密度降低棳环空液柱压力会降低而不能平衡天然气水合物层压力棳加快天然气水合物分解产气速率棳严重威胁钻井安全暎

图棻暋海洋钻井钻遇天然气水合物层分解产气示意斊旈旂棶棻暋斢斻旇斿旐斸旚旈斻斾旈斸旂旘斸旐旓旀旑斸旚旛旘斸旍旂斸旙旇旟

斾旘斸旚斿斾旈旙旙旓斻旈灢斸旚旈旓旑旈旑旓旀旀旙旇旓旘斿斾旘旈旍旍旈旑旂

棽灡棻暋天然气水合物层不同分解半径下的产气量假设天然气水合物层厚棸棳天然气水合物的饱和度分别为棻棸棸旐棸棳

岩棳层孔隙度为钻遇天然气水合物层时灡棿棳近井天然气水合物完全分解灡棾棸灡棿和棸灡椂

棳时产气量随井身轴线半径的变化如图棽所示暎

棻棻椄

第卷第期宫智武等

海底天然气水合物分解对海洋钻井安全的影响

图棽暋近井天然气水合物层天然气水合物完全分解

产气量估算

斊旈旂棶棽暋斍斸旙斻旓旑旚斿旑旚斿旙旚旈旐斸旚旈旓旑旓旀旑斸旚旛旘斸旍旂斸旙旇旟

斾旘斸旚斿斺斿斸旘旈旑旂

旙斿斾旈旐斿旑旚旑斿斸旘灢旝斿旍旍斺旓旘斿从图的情况下棳棽可以看出棳在天然气水合物饱和度一定

随着近井天然气水合物层分解范围的增加棳产气量呈指数增长暎若地层内天然气水合物饱和度为棸灡椂棳半径棸灡椀旐内的天然气水合物完全分

解时将产生生很大的压力棾棽棳棸棾

气体暎这些气体在井底将产造成井涌甚至井喷棸旐

棳危及钻井安全暎灡棽暋钻穿天然气水合物层过程中天然气水合物分

解产气特征暋暋假设钻遇厚天然气水合物的饱和度为椆的速度钻进棳钻井过程中天然气水合物分解产气速率棸棸旐的天然气水合物层棳

灡椂棳在棸棶椀斖斝斸压差下以棾棸旐棷旇和累计产气量随钻井时间的变化情况如图棾所示暎

图棾暋钻井过程中天然气水合物分解产气随钻井时间的变化斊旈旂棶棾暋斍斸旙旔旘旓斾旛斻旚旈旓旑旜斸旘旈斸旚旈旓旑旓旀旑斸旚旛旘斸旍旂斸旙旇旟

斾旘斸旚斿斾旈旙旙旓灢斻旈斸旚旈旓旑旝旈旚旇旚旇斿斾旘旈旍旍旈旑旂旚旈旐斿斻旇斸旑旂斿旙旝旇斿旑斾旘旈旍旍旈旑旂旚旇旘旓旛旂旇旇旟斾旘斸旚斿斺斿斸旘旈旑旂旡

旓旑斿旙从图物层逐渐被打开棾可以看出棳随着钻井的进行棳天然气水合

棳在压差作用下天然气水合物分解产气棳产气速率和累计产气量逐渐增大暎在完全钻

穿天然气水合物层时棳天然气水合物分解产气速率

达到最大棬棽灡棸旐

棾棷旐旈旑棭棳累计产气量达棽棸棸旐棾

暎计算结果还发现棳钻速提高水合物层时天然气水合物分解椀产棸棩气棳

速钻率穿将天降然低

气棿可行范围内适当提高钻速棸棩棳累计产气量将降低椀棳棸有棩利于控制深水钻井中暎因此棳

在技术安全天然气水合物的分解暎

棽灡棾暋不同温差下天然气水合物分解产气速率

假设钻井过程中钻遇厚椆棸旐的天然气水合物

层棳由于天然气水合物埋深一般较浅棳因此此时还未

下导管和套管暎根据海上钻井井身结构要求棳为了下由此计算天然气水合物分解产气速率与温差椂棽灡棸旐旐导管棳首先需要钻出棻棿灡棿旐旐的井眼暎棬钻井液温度与天然气水合物层的温度差棭之间的关系棳结果如图棿所示暎

图棿暋天然气水合物分解产气速率与温差的关系斊旈旂棶棿暋斠斿旍斸旚旈旓旑旙旓旀旑斸旚旛旘斸旍旂斸旙旇旟

斾旘斸旚斿斾旈旙旙旓斻旈斸灢旚旈旓旑旘斸旚斿旝旈旚旇旚斿旐旔

斿旘斸旚旛旘斿斾旈旀旀斿旘斿旑斻斿从图分解产气速率呈指数增长棿可以看出棳随着温差增大棳天然气水合物

椈在温差达到然气水合物分解速率达到钻井安全产生重大影响暎

椀灡棸旐棾

棷旐旈旑

棳棻将会对海洋棸斔时棳

天棽灡棿暋不同工况下天然气水合物分解产气分析

根据天然气水合物平衡相图棬见图同工况下天然气水合物分解产气情况

暎

椀棭棳分析不

图椀暋天然气水合物平衡相图

斊旈旂棶椀暋斉旕旛旈旍旈斺旘旈旛旐旔旇斸旙斿斾旈斸旂旘斸旐旓旀旑斸旚旛旘斸旍旂斸旙旇旟

斾旘斸旚斿棽

石油钻探技术年月暋暋在水深超过

棽椀曟以上天然斝斸以上棾棸棸棸棳旐的海域钻井时棳海底压力将达到棾棸斖该条件下钻井液温度需达到气水合物才能分解暎而在实际钻井

条件下棳天然气水合物层钻井液的温度很难达到

棽会保持稳定状态椀曟暎因此棳超深水钻井过程中天然气水合物通常暎

在水深

到棻椀棸棸旐的海域钻井时棳海底压力将达

度为棻椀斖斝斸以上棳在该压力下天然气水合物平衡温

水合物平衡温度棻椃曟棳若用海底海水钻进棳天然气水合物将保持稳定棳其温度低于天然气椈若用海

面海水配制的钻井液钻进棳钻井液温度将高于天然

气水合物平衡温度棳天然气水合物将分解产气棳危及

钻井安全暎

在水深

为椀斖斝斸棳对应天然气水合物平衡温度为椀棸棸旐以下的海域钻井时棳海底压力约

钻井液温度高于天然气水合物平衡温度棳椀导致天然曟棳此时

气水合物分解产气暎

因此棳在浅水区钻遇天然气水合物层时天然气

水合物最易分解棳随着水深增加棳海底压力逐渐增

大棳对应的天然气水合物平衡温度逐渐升高棳天然气

水合物分解越来越困难暎因此棳钻井过程中尤其要

注意浅水区天然气水合物的防治问题暎

此外棳天然气水合物分解后棳地层应力状态发生

变化棳地层失去支撑棳导致地层不均匀坍塌沉降棳甚

至造成大规模的海底滑坡棳破坏井壁稳定和海底设

备棳严重时会导致钻井平台失稳坍塌暎孙运宝椲棻棿椵建

立了海底天然气水合物地层稳定性模型棳研究了天

然气水合物分解导致地层孔隙压力的变化情况棳并

分析了天然气水合物分解对海底稳定性的影响暎分

析结果表明棳随着天然气水合物分解量的增大棳海底

地层稳定性逐渐降低棳导致海底地层失稳椈当天然气

水合物分解量很大时棳天然气水合物支撑体系迅速

瓦解棳游离气导致孔隙压力迅速增大棳形成显著的应

力积累棳迅速达到上覆岩石的破裂强度棳导致海底地

层失稳棳破坏井壁稳定和钻井设备暎同时棳天然气水

合物分解产生的气体和水在向上运移过程中过度冲

刷井眼棳造成井眼变形棳对固井质量产生影响棳也会

压扁套管棳使井口装置失去承载能力棳从而影响

井控暎

天然气水合物分解也会影响钻井液性能暎钻遇

天然气水合物层天然气水合物分解后棳大量气体侵

入钻井液棳使钻井液密度降低棳从而影响井眼内的压

力平衡暎若井筒内压力温度条件合适棳气体可能再

次形成天然气水合物棳堵塞管道棳并使钻井液密度增大暎天然气水合物的分解和形成过程中会吸收和放出大量热量棳造成钻井液温度不断变化棳导致钻井液性能棬黏度暍密度和切力等棭发生变化椲棻椄椵安全暎棳影响钻井棾暋天然气水合物分解预防及控制措施海底天然气水合物分解将对钻井安全产生重大危害棳必须采取有效措施棳减小其对钻井安全的影响暎棾灡棻暋天然气水合物钻前识别钻井过程中要控制天然气水合物分解危害棳最有效的手段是钻前识别棳布井时避开天然气水合物潜在区域暎天然气水合物层具有独特的地球物理特征棳为海底天然气水合物层的钻前识别提供了依据暎天然气水合物沉积层一般未固结棳表现出孔隙度大暍反射空白和地层渗透率降低棬固体天然气水合物棭等特征椈也可利用天然气水合物纵波波阻抗暍横波波阻抗暍纵横波速度比和泊松比等特征参数识别海底天然气水合物层暎棾灡棽暋控制天然气水合物分解如果钻井过程中钻遇天然气水合物层棳首先应采取措施控制天然气水合物的分解暎最常用的方法是适当增大钻井液密度棳保持钻井过程中天然气水合物层高压环境棳控制天然气水合物分解暎以上研究表明棳井眼周围天然气水合物分解产气速率和产气量随钻井液温度升高暍施工作业时间增长而增大暎因此棳钻井过程中为控制天然气水合物分解棳保持井壁稳定棳应选择造壁性好的低温钻井液棳适当增大液柱压力棳并提高作业效率棳缩短施工时间暎此外棳周文军椲棽棾椵建立了深水钻井钻遇天然气水合物层井筒多相流动模型棳根据天然气水合物的分解特征棳提出钻井过程中采用压力控制法暍温度棷压力控制法和化学稳定法等方法抑制天然气水合物分解暎徐加放等椲棻棽椵进行了钻井液添加剂抑制天然气水合物分解的试验棳发现采用动力学和热力学抑制剂复配的钻井液棳可以适当延缓天然气水合物的分解时间棳降低由于天然气水合物分解造成井喷的概率暎棾灡棾暋天然气水合物分解后的井控钻井过程中一旦天然气水合物大量分解棳必须

第卷第期宫智武等海底天然气水合物分解对海洋钻井安全的影响

采取井控措施棳减小其危害暎徐鹏等椲棽椀椵提出采用

动力压井方法处理钻井中的浅层气棬包括天然气水合物分解棭棳并建立模型计算了压井排量暎结果表明棳动力压井初期棳由于气体膨胀棳动力压井排量会有所增大椈当气体逐渐排出井筒后棳排量会有所下降棳直至最后趋于稳定暎在实际动力压井过程中棳为保证井壁稳定棳应不断调整压井排量暎建议在钻井初期使用大直径钻具棳从而缩小环空横截面积棳保证动力压井作业顺利实施暎控制海洋钻井过程中浅层流斖棶棬斅包括天然旓旂

斸斿旘旚旙等椲棽椂椵

研究了气水合物分解棭危害的固井技术棳指出对浅层流的早期识别将为优化固井作业提供时间棳从而降低浅层流危害暎研究表明棳套管扶正暍有效清洗钻井液以及水泥浆选择等分解棾个因素决定了浅层流区域棬包括天然气水合物棭固井作业成功与否暎如果有浅层流棬包括天然气水合物分解棭存在棳表层套管必须适当扶正棳以保证表层套管周围流体的正常流动棳并且选用性能更优暍密度合适的泡沫水泥浆或颗粒优化水泥浆暎

斣流旓斾棬斾斅斉包括天旍旍旈然旙等椲棽

椃椵

指出棳用常规方法无法抑制浅层气水合物分解棭棳必须优化固井设计暎斣旓斾斾斅斉低温环地层低破裂压力梯度以及高速钻进旍旍旈旙等还综合考虑水泥凝结时间暍境暍导致的井眼扩大等因素棳研发了一种新型水泥浆棳取得了良好的