海洋水合物地层钻井用聚合醇钻井液研究

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
【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.%To aim at the unique characteristics of submarine gas hydrates formation, taking full account of existing commonly used polyglycol drilling fluid system, this essay presents a detailed exposition of the laboratory study of drilling in submarine gas hydrates formation with polyglycol drilling fluid which contains kinetic inhibitors. It turned out that the system has an excellent inhibition of shale and hydrate, favorable low-temperature rheology, stability, and lubricity, and it has the capability to effectively maintain borehole stability. Hence for these reasons, it is a drilling fluid system that is very suitable for undersea drilling in gas hydrate formation.
【期刊名称】《石油钻采工艺》
【年(卷),期】2009(031)005
【总页数】4页(P52-55)
【关键词】天然气水合物;聚合醇钻井液;动力学抑制剂
【作者】刘天乐;蒋国盛;涂运中;宁伏龙;张凌
【作者单位】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,430074;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,430074;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,430074;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,430074;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,430074
【正文语种】中文
【中图分类】TE254~+.1
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［1］。

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［2］，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，目前世界上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［3］。

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。

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［1］。

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［4］。

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。

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，为了保持孔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/cm3。

（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。

3.1 实验设备
Experimental equipment
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ZNN-D6型六速旋转黏度计、ZNS型泥浆失水量测定仪、ZNP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。

3.2 实验材料
Experimental material
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
2000±10，分析纯。

动力学抑制剂聚乙烯吡咯烷酮PVP（K90）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99.9%。

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
Experimental procedures
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，20%NaCl+10%聚乙二醇对水合物的抑制程度较强。

国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NaCl。

同时，NaCl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。

LV-PAC和SMP-2能够有效降低钻井液的滤失量，PVP
（K90）是水合物生成动力学抑制剂，而加入少量的NaOH能够调节钻井液的pH 值，使之与海水的pH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%LV-PAC+4%SMP-2+10%聚乙二醇+20%
NaCl+1%PVP（K90）+0.5%NaOH。

3.3.2 实验方法首先，采用ZNS失水仪、ZNN-D6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，通入高压甲烷气体（压力为18 MPa），在4 ℃的环境中静置20 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。

4.1 钻井液抑制性实验
Fluid inhibition experiment
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。

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
Low-temperature fuid rheology experiments
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［5］。

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［6］。

实验时，首先将400 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10
min快速搅拌1～2 min，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。

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。

API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
Inhibit hydrate re-generation experiment
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（2000 mL）注入如图2所示的反应釜内，然后通入高压甲烷气体，将高低温试验箱的温度设置为4 ℃，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（PVP）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18 MPa（模拟1800 m水深），温度为4 ℃，保温观察20 h。

实验结果见图3。

从图3可以看出，不添加动力学抑制剂时，系统压力由18 MPa降至13.5 MPa，压降达到4.5 MPa，当反应进行到900～1000 min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PVP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PVP（K90）的聚合醇钻井液具有良好的水合物抑制性。

（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。

加入0.5%～1%左右的动力学抑制剂PVP（K90）与10%的热力学抑制剂NaCl，能够确保在压力18 MPa的低温环境下，20 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，深入研究钻井液侵入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。

References:
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