（地质工程专业论文）高原冻土天然气水合物钻探泥浆体系研究.pdf

高原冻土天然气水合物钻探 泥浆体系研究 作者简介：王胜，男，1 9 8 2 年2 月出生，2 0 0 4 年9 月师从于成都理工大学 陈礼仪教授，于2 0 0 7 年6 月获硕士学位。 摘要 本文是以中国地质科学院勘探技术研究所承担的地质大调查科学研究项目 “高原冻土天然气水合物钻探技术研究”为依托，针对高原冻土天然气水台物钻 探泥浆体系的特殊性要求，通过大量试验，研究出了适于高原冻土天然气水合物 钻探的低温泥浆体系，弥补了目前国内在这方面研究的不足，为即将实施的青藏 高原永冻土层天然气水合物钻探作好了泥浆方面的技术准备工作。 通过对高原冻土天然气水合物的赋存环境特性和钻进取心工艺技术的调查 研究分析，提出了低温泥浆体系的性能要求及技术要点。以流体低温特性理论为 基础，在对天然气水合物和冻土的性质进行详细分析的基础上，同时借鉴国外的 先进经验，分别对低温泥浆基础液、低温泥浆处理剂的选用、无固相低温钻进液、 低固相低温泥浆等方面进行分层次试验研究。通过大量试验，研究出了满足高原 冻土天然气水合物钻探的低温泥浆体系，并对优化后的泥浆方案进行了主要性能 评价。 对高原冻土天然气水合物钻探泥浆体系的研究发现，其核心技术问题是泥浆 低温技术问题，即通过加入合适的处理剂使泥浆在低温条件下保持应有的性能。 为此，与科研合作单位共同研发了适用于高原冻土天然气水合物钻探泥浆体系的 特种高聚物处理剂f a 和h t ，并最终解决了高原冻土天然气水合物钻探泥浆体 系的低温技术问题。 关键词：天然气水合物冻土钻探低温泥浆 m u d s y s t e mr e s e a r c ho fg a sh y d r a t e d r i l l i n gi np l a t e a up e r m a f r o s t a b s t r a c t t h i st h e s i si sb a s e do nt h ei t e mo fp r o s p e c tt e c h n i q u ei n s t i t u t e ，c h i n ag e o l o g y s c i e n c e s ，r e s e a r c hg a sh y d r a t ed r i l l i n g i n p l a t e a up e r m a f r o s t c o m b i n et o t h e p a r t i c u l a rn e e do fm u ds y s t e mi nt h ep r o c e s s o fd r i l l i n gg a sh y d r a t ei np l a t e a u p e r m a f r o s t ，w er e s e a r c h e dl o wt e m p e r a t u r em u ds y s t e mw h i c ha v a i l a b l ef o rd r i l l i n g g a sh y d r a ei nf r o z e ns o i l ，f i l l e du pt h ed o m e s t i cs h o r t a g ei nt h i sr e s e a r c hf i e l d ，a n d p r e p a r e df o rt h ei t e mi nm u ds y s t e m a f t e rc o g n i t i o no fi t se x i s tc i r c u m s t a n c ei nf r o z e ns o i la n dt h es a m p l i n g t e c h n i q u e s ，w eg o tt h ek e yt e c h n i q u e so fl o wt e m p e r a t u r em u ds y s t e m b a s e do nl o w t e m p e r a t u r el i q u i dt h e o r y , a f t e rc a r e f u la n a l y s i sa b o u tt h ep r o p e r t yo fg a sh y d r a t ea n d f r o z e ns o i l ，w i t ht h eh e l po fo v e r s e a se x p e r i e n c e ，w er e s e a r c h e dl o wt e m p e r a t u r em u d b a s i cl i q u i d 、a d d i t i v e 、n o n - s o l i dp o s t u r ea n dl o ws o l i dp o s t u r e f o u n do u tm u ds y s t e m w h i c hi ss u i t a b l ef o rd r i l l i n gg a sh y d r a t ei nf r o z e ns o i l i nt h ee n dw ea p p r a i s e dt h e o p t i m i z ep r e c e p t i nt h ep r o c e s so fr e s e a r c h ，h o wt os o l v el o wt e m p e r a t u r em u ds y s t e mi st h ek e y t e c h n i q u e s u i t a b l ea d d i t i v e sc a ns o l v et h i sp r o b l e m s ow i t ht h eh e l po fc o p a r t n e r s ， w ee x p l o i t e dh i g hp o l y m e ra d d i t i v e s _ f aa n dh t w h i c hp r o v e dt ob ea v a i l a b l ei nt h e m u ds y s t e m k e yw o r d s ：g a sh y d r a t e ，f r o z e ns o i l ，d r i l l ，l o wt e m p e r a t u r em u d 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得盛壑理王盔堂或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的 学位论文作者导师签名 学位论文作者签名： 纠年j 月7 d 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盛壑堡王太堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权盛壑堡王盍堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 溯年s 其；u 日 第1 章引言 第1 章引言 1 1 选题依据及研究意义 我国2 1 世纪能源需求的问题显得越来越紧迫，开发利用新的清洁能源，降低 能源使用与技术发展对环境造成的负面影响，是解决本世纪能源问题的主要出 路。在我国能源发展战略中，高效、清洁的天然气水合物应成为重要的后续能源。 天然气水合物也称气体水合物( g a sh y d r a t e ) ，是由天然气与水分子在高压 ( 1 0m p a ) 和低温( o i o c ) 条件下合成的一种固态结晶物质。因其气体分子 以甲烷为主，故也被称为甲烷水合物或“可燃冰”。外形像冰，有极强的燃烧力， 可作为上等能源。据理论计算“1 ，l m3 的天然气水合物可释放出1 6 4 m3 的甲烷 气体和0 8 m 3 的水。这种固体水合物只能存在于一定的温度和压力条件下，一般 它要求温度低于o 1 0 ，压力高于i o m p a ，一旦温度升高或压力降低，甲烷气 体则会逸出，固体水合物便趋于崩解。天然气水合物作为未来潜在能源，具有分 布广泛、资源量巨大、埋藏浅、规模大、能量密度高、洁净等特点，是地球上尚 未开发的最大未知能源库。它最有希望成为2 1 世纪最理想的、具有商业开发前景 的新能源。 在开采过程中由于赋存的特性变化，天然气水合物的分子构造发生变化，会 从固体变成气体。因此，天然气水合物钻探不同于一般的油气钻探，其中很大的 难点在于钻进过程中产层温度和压力的改变使天然气水合物处于不稳定状态而 导致天然气水合物发生分解。 从目前来看，天然气水合物主要分布在地球上两类地区”：一类地区是水深 为3 0 0 4 0 0 m 的海洋，在这里天然气水合物基本是在高压条件下形成的，主要分 布于泥质海底，赋存于海底0 1 5 0 0 m 的松散沉积层中；另一类地区是高纬度大陆 地区、永冻土带及水深1 0 0 2 5 0 m 以下极地陆海架，在这里，天然气水合物主要 是在低海面时期低温条件下形成。冻土是天然气水合物主要赋存地带之一，勘察 表明：我国的青藏高原也分布有大量的天然气水合物。冻土层上部常夹有大量冰 层，冻土多呈坚硬状态，在冻土钻探过程中首先要避免和减少冻土的融化。这是 确保冻土钻探质量的技术关键。冻土钻井内的温度是选择泥浆品种、性能和数量 的重要依据，也是确定合理的钻进规程、保证正常钻进、避免事故的一个重要因 素，而泥浆是保证井内的温度规程正常的关键。在高原冻土天然气水合物钻探中， 泥浆必须能有效抑制水合物分解，维持其相态平衡，同时在低温条件下必须有良 成都理工大学硕士学位论文 好流变特性以有效悬浮岩屑和维持井壁稳定。低温下，泥浆的基本流变特性，即 表观粘度、塑性粘度、静切力和动切力，均会增大，有使泥浆向凝聚方向转化的 趋势。加之低温下，泥浆密度在井底和井口的不均衡性，极易使泥浆固相( 如： 粘土、岩屑) 产生固结沉降，影响泥浆流变特性。 众所周知，钻探工作离不开泥浆，对于高原冻土天然气水合物这种特殊矿藏 的钻探，泥浆的应用更显得十分重要。“高原冻土天然气水合物钻探泥浆体系研 究”项目的提出正是基于上述考虑，旨在从研究泥浆在低温条件下的表观性状、 流变特性等出发，探索适用于低温条件的泥浆类型、方案和技术要点，为实施高 原冻土天然气水合物钻探做好泥浆方面的技术准备。 1 2 国内外研究现状 1 2 ，1 国内外天然气水合物钻探技术现状 从1 8 1 0 年英国d a v y 在实验室首次发现水合物以来，人类就再没有停止过对 气体水和物的研究和探索。但在此后的1 2 0 多年的各项研究，仅停留在实验室。 1 9 3 4 年，人们发现输气管道内形成天然气水合物，给天然气的输送带来很大的 麻烦。为了预防和疏通油气管道的堵塞，人们开始研究在工业条件下，天然气水 合物的形成和消除。 直到1 9 6 0 年，苏联在开发麦索亚哈气田时，首先在地层中发现了天然气水 合物矿藏；之后，美国也在阿拉斯加北部的永冻层中，取出含有天然气水合物的 岩心。这两项重要发现表明”：极地、大陆永冻层中有天然气水合物的存在。 自6 0 年代开始，俄、美、巴德、英、加等许多发达国家，甚至一些发展中国 家对其也极为重视，开展了大量的工作。国外主要研究机构有o ”：美国科罗拉多 矿物学校水合物研究中心、挪威科技大学水合物研究中心、加拿大地质调查局多 年冻土带水合物研究中心、德国g e o m a r 天然气水合物研究中心、英国h e r i o t - w a t t 大学天然气水合物研究中心、日本国家先进工业科学技术研究所天然气水合物研 究小组、美国乔治亚洲工学院天然气水合物研究计划等。国内主要研究机构有： 冻土工程国家重点实验室、中国科学院广州天然气水合物研究中心、气体水合物 研究中心、气体地球化学重点实验室、石油大学化工系、中国科学院海洋研究所 等。 美国、加拿大、俄罗斯、日本等十几个国家联合实旋大洋钻探( o d p ) 和深 海钻探( d s d p ) 计划，相继在鄂霍茨克海、墨西哥湾、大西洋和太平洋北美沿岸、 南海海槽等1 4 处采集到了水合物样品。迄今为止，已在世界6 0 多个地区发现 天然气水合物。通过几十年的努力，全世界已对天然气水合物的结构和性质，天 2 第1 章引言 然气水合物地质学，工程地质学，地球化学，地球物理勘探，工业生产中天然气 水合物的预报、清除，及与全球气候变化的关系等领域，取得了丰硕成果。 2 0 世纪中后期特别是进入新世纪以来，世界天然气水合物研发取得了一系列 新进展和技术进步，主要是1 9 1 ：一些国家相继完成第一轮国家水合物研究计划， 开始执行新一轮国家计划；以大洋钻井计划水合物调查为代表的国际合作项 目完成，其他国际合作项目亦成绩斐然，水合物国际学术交流活动日益频繁，水 合物文献量逐年增多，正式启动了综合大洋钻探计划的水合物调查项目，水 合物研发趋于国际化；加拿大马更些三角洲m a l l i k 3 l 3 8 、m a l l i k 4 l 3 8 和m a l l i k 5 l 一3 8 井组完成了永久冻土带水合物的试验性开采( 除技术阀题外试验井还旨在 解决每口井的水合物气采收率，每口井的产量，开采成本和水合物气价格等问 题) ，日本和美国制定了明确的商业开采时间表，并着手进行海洋水合物试验性 开采；在陆上和海上水合物普遍调查基础上，国际性一陆”二“海”3 个大的水 合物研究和开发试验区雏形显现，一是加拿大马更些三角洲和美国阿拉斯加北部 斜坡永久冻土区，二是日本南海海槽，三是美国墨西哥湾；水合物地质学和地 球化学研究在气源、运移和成藏模式上有新发现和新见第，高分辨率2 d 和3 d 地 震勘探和其他新的地球物理调查技术确定井位的成功率提高，钻井取样技术趋于 成熟：在室内实验模拟和陆上永冻区开采试验( 包括钻井、试井、测井和完井 试验) 基础上的海洋水合物工业开采技术将接受海底条件的检验和进一步积累。 2 0 世纪8 0 年代末，我国开始天然气水合物方面的研究工作。我国拥有漫长 的海岸和滨海大陆架斜坡带、海岭、海沟、海槽，和广泛分布的永久冻土带( 如 青藏高原，占全球的1 1 0 ) ，具有形成天然气水合物有利的地质、地理环境。根 据前期勘探和历史勘探资料初步分析，我国天然气水合物成矿远景区有南海海 区、青藏高原冻土区、东海部分海域、台湾海峡。据推测，我国南海资源量可 达7 0 0 亿吨。 探明我国天然气水合物的赋存条件、资源量、研究钻探取样和开采工艺，将 为我国宏观能源决策提供重要依据，对增加科技积累、开辟新学科领域、缩短与 世界先进水平的差距，具有重要意义，对寻找保护和改善人类生存环境的途径、 协调人类与自然界的关系保障人类社会可持续发展具有重要影响。 1 2 2 国内外天然气水合物钻探泥浆技术研究现状 天然气水合物是一种象雪一样、遇热就会迅速分解的白色结晶体。在低温条 件下它是一种固态化合物，一种烃类气体源。固体的天然气水合物只能存在于较 低的温度( 0 1 0 4 c ) 和较高的压力( 1 0 m p a 以上) 。在开采过程中由于斌存的特 性的变化，天然气水合物的分子构造发生变化，会从固体变成气体。因此，天然 3 成都理工大学硕士学位论文 气水合物勘探不同于一般海洋油气钻探，其中很大的难点的在于钻进过程中产层 温度压力的改变使天然气水合物处于不稳定状态而导致天然气水合物发生分解 2 7 】 国外对天然气水合物层的勘探，在泥浆技术方面的主要研究成果有两方面， 即分解抑制法和分解容许法。 分解抑制法主要是通过泥浆的冷却，防止天然气水合物层温度上升，将相平 衡状态维持在水合物的分解抑制状态。在钻进永冻土层时，基本上都采用这种方 法。 分解容许法的实质是使用低密度未冷却的泥浆，诱发水合物的分解，但分解 是被控制的。分解的气体通过钻机上的回流器和大容量低压气体分理器被安全地 处理。钻头进尺受气体处理器的制约。在起下钻、电测井、下套管固井作业时， 为使天相矛盾。易出现井涌、井喷会造成井壁失稳。 综合上述观点的具体使用条件，国内外专家都趋向于我国在高原冻土天然气 水合物钻探中采用分解抑制法。因此，本研究主要立足于分解抑制法技术方案的 研究。其实质是通过泥浆的冷却，防止天然气水合物温度上升，将孔内相平衡状 态维持在水合物分解抑制状态。因此，对于水合物层勘探用的泥浆来说，除维持 油气钻井时一般性能要求外，最重要的就是水合物分解抑制功能及井内再生抑制 功能。显然，上述两方面均对泥浆的组成提出了新的要求。 目前，国外对研究抑制水合物分解或抑制水合物再生成的研究仅限于某一 方向，同时满足两者的还尚未进行。研究者认为，抑制水合物分解主要应研究物 理方法，抑制水合物生成主要应研究化学方法。据文献资料介绍，国外对于低温 泥浆性能的研究，低温泥浆粘度变化，低温到稍高范围的泥浆流动特性问题的研 究才刚刚开始。这种完全不同于常规条件下泥浆特性的研究工作，对今后天然气 水合物的钻探工作有重要的指导作用，有其特殊的创新意识，是一项全新的研究 工作。 目前 1 0 , 1 1 , 2 2 】，在冻土天然气水合物钻探中推出的泥浆类型主要有水基和油基 两大类，也有采用泡沫、乙酸丁酯、乙醇、有机硅溶液以及氟利昂进行钻进的实 践。在应用水基钻井液进行钻探方面，挪威采用无机盐( 女l l n a c l ) 和其它有机盐 组成的高浓度含盐钻井液在抑制水合物分解方面取得了较好效果。另外，盐和蒙 脱土、水解聚丙烯酰胺等组成的钻井液也有较好的热力学抑制性能。从抑制天然 气水合物分解来看，水基钻井液体系优于油基钻井液体系。 1 3 研究的技术路线 作为一项新技术的研究与应用，必须坚持理论联系实际的工作作风。首先应 4 第1 章引言 充分了解国内外天然气水合物钻探泥浆体系的研究现状和水平，掌握其技术要 点，形成切实可行的研究思路。为此，在高原冻土天然气水合物钻探泥浆体系研 究过程中，始终坚持以流体的低温特性理论为基础，以高原冻土钻探天然气水合 物钻探泥浆技术特点为突破口，以低温泥浆体系为特色。技术路线如图1 - 1 所示。 天然气水合物钻探泥浆体系技术要求 流体低温特性理论冻土低温特性 低温泥浆体系基础液研究 无围相低温钻进液体系研究 植 物 胶 类 合 成 高 聚 物 类 生 物 聚 a 口 物 类 无圃相低温钻进液优化方案 低固相低温泥浆体系研究 n a c ! 体 系 n a c i + k c i 体 系 田 酸 钠 体 系 低尉相低温泥浆优化方案 优化方案性能评价 低 温 凝 固 性 低 温 流 动 特 性 低 温 流 变 性 低 温 流 变 性 图卜1技术路线图 5 滤 失 量 渗 透 性 能 润 滑 性 成都理工大学硕士学位论文 1 4 主要研究内容和取得的主要研究成果 1 4 1 主要研究内容 本文主要从以下几方面着手进行了研究。在高原冻土天然气水合物及其钻进 取心技术这部分内容中，主要是对高原冻土的性质进行了了解，这些性质主要包 括冻土的形成过程、冻土的强度和流变特性、冻土的热力学参数等，在此基础上 对冻土天然气水合物钻进中的井壁稳定问题和取心技术进行了仔细了解。分析了 井壁稳定的影响因素，当前国内外冻土天然气水合物钻进取心技术，并对其中的 岩心恢复取样系统的特点和工作原理进行了介绍，并对天然气水合物钻探取心器 提出了建议。要研究出适于高原冻土天然气水合物钻探的泥浆体系，需要把握其 技术要点，找到研究的突破口。在高原冻土天然气水合物钻探泥浆技术特点这章 内容中，先对流体低温特性进行了了解，主要包括粘度、表面张力、扩散系数、 导热系数等性质。在此基础上分析了泥浆体系的性能要求，从而得到了高原冻土 天然气水合物钻探泥浆体系的技术要点。于是接着开展了高原冻土天然气水合物 钻探泥浆体系研究。在这部分内容中，先对起提供泥浆低温环境、降低泥浆凝固 点作用的基础液进行了研究，主要对常用的卤盐类、甲酸盐类、有机醇类三类基 础液进行了低温性质研究，结合钻探的实际要求，确定了适于本研究项目的基础 液方案。接着对无固相低温钻进液和低固相低温泥浆体系进行了系统的研究。通 过不断摸索，最终找到了适于高原冻土天然气水合物钻探的低温泥浆体系，并对 优化方案进行了主要性能评价。 1 4 2 主要研究成果 综上所述，低温流体理论、低温泥浆基础液、低温泥浆处理剂、无固相低温 钻进液、低固相低温泥浆体系的研究与评价，以理论为支撑，以实际应用为目的， 构成了高原冻土天然气水合物钻探泥浆体系比较完整的理论和实践体系，在高原 冻土天然气水合物钻探中具有重要的意义。主要研究成果体现在以下几方面： 1 研究出了满足高原冻土天然气水合物钻探要求的泥浆体系，弥补了国内 在这方面研究的不足，为实施高原冻土天然气水合物钻探作好了泥浆方面的技术 准备工作。 2 通过大量的试验，对三类基础液在常温和低温条件下的流变性变化规律 有所认识，并获得了三类基础液的凝固点随浓度的变化规律，为低温泥浆体系的 研究打下了坚实的基础。 3 研制了适用于高原冻土天然气水合物钻探无固相低温钻进液体系的新型 6 第1 章引言 处理剂f a ，解决了无固相钻进液体系的低温技术问题，具有创新性。 4 ，研制了适用于高原冻土天然气水会物钻探低固相低温泥浆体系的新型处 理剂h t ，解决了低固相泥浆体系的低温技术问题，具有创新性。 5 提出了高原冻土天然气水合物钻探低固相低温泥浆体系的最佳方案，根 据钻探施工对低温泥浆性能的不同要求，通过改变处理剂使用方案，可达到不同 的效果，且方案简单，使用方便。 7 成都理- 【= 大学硕七学位论文 第2 章高原冻土天然气水合物及其钻进与取心技术 2 1 高原冻土的低温特性 高原冻土天然气水合物钻探需要对高原冻土的性质进行了解，特别是对其低 温特性需要有清晰的认识。这是分析研究冻土钻进取心技术及低温泥浆体系研究 的基本要求。因此本章先对冻土的形成、冻土的强度和流变特性及其热力学参数 等低温特性进行了较为细致的了解，为高原冻土天然气水合物钻探泥浆体系研究 作准备。 2 t t 冻土的形成 2 1 1 1 冻土的形成过程 含水的土体当温度降到结冰温度及以下时，部分水结冰胶结了固体颗粒，这 部分被冻结了的土称为冻土。冻土的形成过程就是土中水结冰将士颗粒胶结成整 体的过程。冻土中水的结冰过程可分为以下几个阶段，如图2 一l 所示。 温度 4 ， 0 4 l 2 04 06 08 0 2厂 4 、 时间n 3 图2 1冻土中水结冰过程曲线 1 冷却段：土体逐渐降温至水的结冰温度( 冰点) ： 2 过冷段：土体继续降温至水的冰点以下，自由水仍不结冰，呈现过冷现 第2 章高原冻土天然气水合物及其钻进与取心技术 象； 3 突变段：部分水结冰放出结冰潜热，使温度升高至接近冰点； 4 冻结段：湿土温度升到接近冰点温度并稳定，土中水逐渐放出结冰潜热 而结冰，逐渐形成冻土； 5 冻土降温段：冻土温度继续降低，冻土强度逐渐增大，是冻土中水结冰 边缘向外扩展，或土全部冻结后继续降温的过程。 在冻土形成过程中，水的过冷现象是在特定条件下发生的，即在水达到结冰 温度且全部水未结冰之前，此时无结冰晶点生成，无振动的影响。如果此时有振 动或产生结冰晶点，水立即进入冻结阶段，则不会发生过冷现象，或过冷现象很 不明显。 2 1 1 2 水分迁移和冻胀 冻土形成过程中伴随着水分迁移和冻胀现象。 1 水分迁移 在冻结过程中，已冻土和未冻土之间存在的水的移动现象，称为水的迁移。 不同种类湿土在冻结过程中的水分迁移方向是不同的，一般在粗粒土冻结时水分 向未冻结土区方向迁移，而在细粒土冻结时水分则向已冻区方向迁移。冻土内部 的水分迁移是由温度梯度诱导的土中毛细水和薄膜水的迁移引起的。 水分迁移的原动力是一种被普遍地称为吸着力，即一系列分子作用力的总 和。为了确定原动力的数值，曾有以下理论：毛细管理论、水头压力理论、薄膜 迁移理论、结晶力理论、渗透压力理论、抽吸力理论、化学势理论等理论。近期 的趋势是认为水分迁移取决于力学、物理和物理化学因素的综合作用。上述的各 种理论都只能描述某种特定条件下的水分迁移的原动力。总之，水分迁移过程的 研究还有待深入，综合考虑土中水、热传输的数学模型仍处于探索阶段。 2 冻胀 据测定，水结冰后体积膨胀约9 ，由于在冻结过程中水分迁移使细粒土的 含水量增加，迁移水的体积加剧了湿土的冻胀。冻胀引发的灾害常称为“冻害”。 评价冻胀的影响，通常采用冻胀率、冻胀量和冻胀力三个指标。冻胀率是冻胀量 与冻结地层厚度的比值。冻胀量指的是冻土表面冻胀位移的绝对值。冻胀力为土 冻结膨胀受到约束时土体对约束体作用的力。这三者与影响因素间的关系为“”： r l = 厂( c e ，w ，p s ，r ，p ) 世= 厂( c e ，形，p s ，t ，p ，f ) 五= f ( c p ，w ，p s ，t ，p ，z ) 式中：卵冻胀率，无量纲； 刖冻胀量，m ； 9 成都理工大学硕士学位论文 以冻胀力，p a ； c 。土的物理化学特性； w 含水量，无量纲： p 。土体的密度，k g m 3 ； t 韫寅，： p 冻土的外压力，p a ； f 受力p 作用的时间，s ； z _ 约束体的材料特性。 试验研究表明“：土体中粉粒粘粒的含量对冻胀率有明显的影响。当粉粘粒 的含量小于1 2 时，即使在充分饱水条件下，冻胀率也不大于2 ；当粉粘粒的 含量大于1 2 时，冻胀率明显增大。在高原冻土天然气水合物钻探泥浆体系中 粉粒粘粒的含量都是小于1 2 的，由此可以推断出泥浆的冻胀率很低，这对泥 浆在低温条件下保持稳定是有利的。研究冻胀力方面的文献很多，有关计算公式 也很多，但都有地区、土性和特定试验条件的限制。冻土的冻胀力研究处于以试 验及实测研究为主的阶段，尚未达到按理论模型求解的程度。 2 1 2 冻土的强度和流变特性 2 1 2 1 冻土强度 冻土属于流变体，冻土强度( 包括抗压强度和抗剪强度) 是由冰和土颗粒胶 结后形成的粘结力和内摩擦力所组成，与冻土的生成环境和过程、外载大小和特 征、温度、土的含水率、含盐量、土性和土颗粒组成等因素有关。其中，温度、 土性、生成环境和荷载过程是影响冻土强度的主要因素。 1 冻土的抗压强度 ( 1 ) 温度与强度的关系 试验表明“：冻土抗压强度随冻土温度的降低而增大。随着温度降低，土中 水结冰量增大，冰的强度和胶结能力增强。由于此时冻土的强度增大，这对冻土 天然气水合物钻探产生了一定影响，影响了钻进效率，因此在钻进过程中需要考 虑这方面的影响因素。目前关于冻土强度的研究仍以试块试验研究为主，而且以 无围压的单轴试验为多。 ( 2 ) 含水量对冻土强度的影响 试验研究证明“3 ”3 ：含水量是影响冻土强度的主要影响因素之一。在一定温 度条件下，对于不饱和水的土，冻土强度随含水量的增大而提高。当含水量达到 饱和后，随着含水量增加冻土强度反而会降低。 ( 3 ) 土的颗粒组成与冻土强度的关系 l o 第2 章高原冻土天然气水合物及其钻进与取心技术 土颗粒成分和大小是影响冻土强度的重要因素。在其他条件相同时，粗颗粒 愈多，冻土强度愈高，反之就低。这是由于土中所含结合水的差异造成的。因此， 在我们进行冻土天然气水合物钻探时需要注意土的颗粒组成对强度的影响因素， 针对不同的情况采取相应的措施，尽可能的提高钻进效率。 ( 4 ) 冻土强度与荷载作用时间的关系 试验证明i l l , l e ：冻土强度随荷载作用时间的延长而降低。这个特性称为冻土 的强度松弛。在实验室条件下，荷载作用时间少于l h 时的冻土强度称为瞬时强 度，大于l h 的强度称为长时强度。两个强度值相差很大，并且受冻土温度的影 响，随着冻土温度的降低，瞬时强度和长对强度值越接近。 2 冻土的抗剪强度 当正应力小于l o h l p a 时，冻土的抗剪强度可用库仑表达式描述“”： = c o + 盯t a n 妒 式中：“一冻土的抗剪强度，m p a ； “一冻土的粘结力，m p a ； 疗一正应力，i l p a ； 矿一冻土的内摩擦角，( 。) 。 影响冻土抗剪强度的因素与冻土抗压强度的影响因素相同，仅在程度上有所 区别。 2 1 2 2 冻土的流变方程 冻土的应力应变关系具有随时间变化的特性，其应力一应变关系不只是受荷 载值的影响，还是时间的函数。冻土受力后，首先发生瞬时的弹性和塑性变形， 之后进入蠕变阶段。而蠕变阶段又分为不稳定蠕变阶段、稳定蠕变阶段和蠕变强 化阶段，直到最后产生破坏。一般砂土类冻土产生脆性破坏，粘土类冻土产生塑 性破坏。 国内外许多学者对冻的本构关系做了大量的试验研究。在试验的基础上， 获得较公认的流变方程为“： d = a ( r ) e ” 式中：盯一应力，m p a ； e 一应变，无量纲； 彳( f ) 一随时间变化的变形模量，m p a ； m 一强化系数，无量纲。一般m l 。当冻土温度在一5 一i o c 时，对于砂 土m = o 3 ，对于粘土m = o 3 4 。 成都理工大学硕士学位论文 2 1 3 冻土的热力学参数 描述冻土热物理性能的主要指标有比热容、导温系数、导热系数、结 冰温度和热容量，这里只作简单介绍。 2 1 3 i 比热容 1 质量比热容 使i k g 冻土温度改变l k 所需吸收( 或放出) 的热量定义为冻土的质量比热 容。当略去冻土中的气相物质时，冻土的质量比热容可按其物质成分的比热容加 权平均来计算。 2 容积比热容 单位体积的冻土温度变化1 k 所需吸收( 或放出) 的热量定义为冻土的容积 比热容。 2 i 3 2 导热系数 当温度梯度为1 k m 时，单位时间内通过单位面积的热量称为导热系数，用 符号 来表示，它是反映冻土传热难易的指标。冻土的导热系数受土性、含水量 和温度变化的影响。工程中常用平均导热系数。试验结果表明，导热系数与冻土 所受外界压力无关。 2 1 3 3 导温系数 它是传热过程中的热惯性指标，反映不稳定导热过程中温度变化速度的参 数。冻土的导温系数随含水量增加而增大，但达到一定含水量以后趋于平缓。 2 。1 3 4 结冰温度 湿土中水由液态变为固态的相变温度称为结冰温度( 或冰点) 。结冰温度的 计算公式为“”： t d = t ，+ 弛 式中： t ，一无外载条件下含盐湿土的结冰温度，； r l 一有荷载作用时，不含盐湿土结冰温度随外载的平均变化率，一般取 为一0 0 7 m p a ； p 湿土所受外荷载，m p a 。 2 1 ，3 5 热容量 单位体积湿土从原始温度降到某一指定温度时放出的总热量称为冻土的热 容量q 。其值按下式计算“5 ，”3 ： 第2 章高原冻土天然气水合物及其钻进与取心技术 q = q ，+ q 2 + q 。+ 如+ q 5 式中：q 。一单位体积湿土中的水从原始温度t 。降到结冰温度t 。所放出的热量， k j m 3 q 2 一单位体积湿土中的水结冰放出的潜热，k j m 3 ； q 广单位体积冻土中的冰从结冰温度t 。降到指定温度t 所放出的热量， k j m 3 ； q f 一单位体积冻土中的冰冻水从结冰温度t 。降到指定温度t 所放出的热 量，k j m 3 ； q 广单位体积冻土中的土颗粒的温度由t 。降到t 所放出的热量，k j m 3 。 2 2 高原冻土天然气水合物钻进的井壁稳定与取心技术 2 ，2 1 井壁稳定的影响因素 冻土钻进过程中井壁稳定问题是一个十分重要的问题，直接关系到钻探工作 的成败，因此有必要详细了解冻土钻进中井壁稳定的主要影响因素。这些因素大 致可以分为以下几类。 2 2 1 1 井内温度对井壁稳定的影响 当地层温度低于井内流体温度，地层受井内流体加热作用时，随着温差的增 大，井壁所受井周周向应力和轴向应力也随之增大，周向应力和轴向应力逐渐增 加。随着温差的增大，表征地层剪切破坏情况的剪切稳定性系数逐渐减小，标志 着井壁发生剪切破坏的可能性逐渐增大；井内温度升高不会导致井壁张性破坏， 且地层升温过程中，表征地层张性破坏情况的张性稳定性系数与温度差无关。 当地层温度高于井内流体温度，地层受井内流体冷却作用时，随着温差的增 大，井壁所受井周向应力和轴向应力也随之减小，周向应力和轴向应力逐渐由压 应力变为张应力。较低的温差，有助于防止井壁剪切失稳，但随着温差的进一步 增大，总的而言，表征地层剪切破坏情况的剪切稳定性系数逐渐减小，标志着井 壁发生剪切破坏的可能性也在逐渐增大：当地层温度高于井内流体温度时，井内 温度升高，井壁张性破坏的可能性逐渐增大。可见，地层受井内流体冷却作用时， 表现出的井壁稳定性问题较为复杂。 冻土钻孔温度规程指的是循环的钻井液在钻杆柱内通道和外环状通道中的 温度分布情况。沿钻杆柱内通道向下流动的钻井液与在外环状空间中返流的钻井 液，处于不断的热交换过程中。外环返流的钻井液又直接或通过套管与周围岩石 接触，随时间和深度的不同而改变其温度。井内温度的变化主要取决于钻井周围 成都理工大学硕士学位论文 冻土的温度、进入钻杆柱内钻井液的初始温度、井底破碎岩石产生的热量和钻井 液的性能特征和数量、热交换系数等。沿钻杆柱向下流动的钻井液的温度t 对钻 孔温度规程的影响较大。为了保证正常钻进，防止井壁解冻坍塌，降低钻井液的 冰点是非常重要的。 冻土是天然气水合物赋存的主要地带之一。冻土钻井内的温度情况是选择钻 井液品种、性能和数量的重要依据，也是确定合理的钻井规程、保证正常钻进、 避免事故的一个重要因素。钻井液是保证井内的温度规程正常的关键，在冻土中 钻井时，井内温度的变化主要取决于钻井周围冻土的温度、进入钻杆柱内钻井液 的初始温度、井底破碎岩石产生的热量钻井液的性能特征、数量和热交换系数等。 沿钻杆柱向下流动的钻井液的温度t 对钻孑l 温度规程的影响较大。应该选用 能够保证孔壁岩石不解冻的冲洗介质的初始温度。试验资料表明啪1 ，泥浆的初始 温度应低于一2 。为了保证正常钻进，宜使钻井液的温度尽量接近孔壁岩石的温 度，故应该利用冰点低的钻井液，为此可向钻井液中添加适当的降温添加剂。 在进入钻杆柱内钻井液的温度和钻孔周围冻土的温度相差不多的情况下，孔 底温度的升高主要由钻头破碎岩石做功所决定。为了保证正常钻进，除了加强冲 洗外，应该减少孔底碎岩产生的热量，为此建议采取措施提高碎岩效率，降低单 位体积岩石的破碎功，采用适合冻土条件下钻进的碎岩工具和钻进工艺。 2 2 i 2 冲洗液对井壁稳定的影响 冲洗液对复杂岩层的破坏是多方面的，包括岩层的水化和冲洗液对岩层的直 接冲刷作用等方面。 所谓岩层的水化作用，是指孔壁岩层与水接触时，通过对水分子的吸附，把 水吸到岩层的内部结构中来，使孔壁遭受破坏。使用泥浆护孔时，如果泥浆质量 不好，失水量过大，由于压力差的存在，会使泥浆中的失水大量的渗入地层，特 别使泥浆质量差，不能抑制失水的渗透时，情况会变得更加严重。冲洗液得破坏 还表现在循环时对孔壁的直接冲刷作用。其破坏程度取决于冲洗液的流速和流 态。当冲洗液在环形空间上返时，如上返速度高，容易形成紊流，这样对孔壁的 冲蚀作用大，不利于孔壁稳定。因为紊流时液流质点的运动方向时紊乱的，不象 层流时液流质点平行于孑l 壁，同时紊流流速高，液流质点比层流时有较大的动能， 因而对孔壁有较大的冲刷作用，在使用不分散低固相泥浆和无固相冲洗液时，由 于冲洗液的比重小，对孔壁的静柱液压力小，加上粘度低容易造成环空液流对孔 壁的紊流冲刷。 钻井液造壁性对井壁稳定有着显著的影响。钻井液的密度、粘度和滤失量都 会对造壁性产生重要的影响。不同性能的钻井液在井壁上形成的泥饼的性能有显 著差别，钻井液滤液在井壁上渗透能力也不同，从而导致钻井液液柱压力的扩散 1 4 第2 章高原冻土天然气水合物及其钻进与取心技术 程度不同，钻井液液柱压力的扩散程度越好，井壁稳定性越差， 当井壁完全渗 透时，井壁稳定性最差。根据计算。”，渗透系数为零时，井壁不渗透，井壁稳定 性最高；渗透系数为1 时，井壁全渗透，井壁稳定性最低，此时，坍塌压力接近 或超过破裂压力，几乎不可能进行钻井作业。因此，钻井时要求钻井液具有良好 的造壁性能，能在井壁形成薄而韧的泥饼。 随着滤饼质量提高，井壁的稳定性也逐渐提高，简单而言，这是因为，一方 面，随着滤饼质量的提高，井壁地层孔隙压力逐渐趋于原状地层的孔隙压力，在 正压差钻井条件下，井筒内钻井液液柱压力对井壁地层的支撑作用也逐渐增强， 因此，井壁地层抗剪切垮塌的能力也相应提高，地层的坍塌压力降低，井壁稳定 性变好；另一方面，随着滤饼质量的提高，在正压差钻井条件下，井壁地层孔隙 压力逐渐趋于原状地层的孔隙压力，地层颗粒间的接触应力，即有效应力逐渐增 大，岩石抵抗张性破裂的能力增强，地层的破裂压力提高，井壁稳定性变好。坍 塌压力降低和破裂压力提高将扩大钻井“安全”钻井液密度范围，提高井壁稳定 性。滤饼质量好坏对低渗透地层的影响尤为显著。 2 2 1 3 液动压力对井壁稳定的影响 升降钻具时，由于钻具在孔内液体中高速运动，引起孔内压力升高或降低。 该变化称为压力激动( p r e s s u r es u r g e ) 。当钻具下入孔内，由于下行钻具运动 所产生的压力增加，称为激动压力。从孔内提出钻具时，由于上行钻具运动产生 的压力减少，称为抽吸压力。由于它们都与孔内液体流动有关，故又统称为液动 压力。许多事实表明汹1 ：压力激动时破坏小口径钻孑l 孑l 内压力平衡的一个重要因 素，许多孔内复杂问题往往由此而生。由此可知，掌握液动压力的变化规律，分 析影响液动压力的因素，计算液动压力的大小，对于保持孔壁稳定，减少孔内事 故，提高钻进速度和降低钻探成本，都具有十分重要的意义。 在钻井过程中，为了降低压力激动的影响，严格执行提钻回灌制度，保持孔 内冲洗液柱压力基本不变，以平衡地层压力。同时控制合理的起下钻速度，操作 升降机要平稳，尽量减少惯性效应，都是值得重视的技术措施。 2 2 1 4 坍塌压力对井壁稳定的影响 井壁失稳的因素可分为两方面：一是地层力学因素，另一为钻井液化学因素。 研究证明，就地层力学因素影响而言，井壁坍塌一般都可归结为井壁岩石所受的 应力超过其本身的强度，使岩石产生剪切破坏而引起的。因此，从岩石力学角度 出发，通过井壁稳定性分析得出能控制井壁失稳的钻井液密度范围，配合优质钻 井液技术，使得井壁稳定问题得到解决。 就钻井液化学因素来看，钻井液体系与性能，是保证井眼稳定和钻井成败的 成都理工大学硕七学位论文 关键，根据最新的研究成果凶1 ，良好的钻井液性能在地应力发育地区、硬脆性岩 段可以有效地调整地层的坍塌压力数值，有效地避免原始地应力、坍塌压力随钻 井液性能的变化发生重排，保证井壁稳定，也就是说坍塌压力不是个一成不变 的数值。 破裂压力一方面是由地质、地层、井眼条件所决定，井眼旦形成则不可改 变。另一方面，钻井液对破裂压力、坍塌压力有很大影响，即与钻井液进入地层 的滤液或钻井液本身流体有关。因此，实际钻井中所表现出来的破裂压力、坍塌 压力是钻井液相作用后的大小值，则改变钻井液就可以改变它们的数值大小。钻 井液液柱压力愈大，坍塌压力愈大，以致钻井液液柱压力作用完全失效。因此控 制钻井液的滤失量防止产生新的孔隙压力体系成为井身结构设计与井壁稳定的 结合点。 坍塌压力是井壁稳定的基础条件之一，是用物理力学方法稳定井壁的理论依 据，但它与孔隙压力相比不是地层岩石的固有压力，是在并眼钻开后形成的，是 一个变化量。岩层中每一个质点的变形、位移，最主要是构造应力、上覆压力及 孔隙流体压力等引起的总应力作用；因此引起坍塌压力压力变化的根本因素是孔 隙流体( 次生孔隙压力) ，孔隙中的流体发生变化，坍塌压力即发生变化，也就是 说坍塌压力是可以调节的。 国外研究表明1 ，遇水后强度急剧下降，打开井眼后力学失稳而崩散可能是 硬脆性岩坍塌的主要原因。因此解决这一问题的有效途径是采取合理的井身结构 和合理的钻井液密度，以平衡地层压力。从化学上应采用封堵剂，如磺化沥青、 超压细碳酸钙等封堵微裂缝，采用造壁性强的处理剂改善滤饼质量，粘糊微裂缝， 降低失水量，防止水分的侵入。 经过近1 0 年的地层压力探索，影响坍塌压力的根本原因是新的孔隙压力体系 的形成。其实质问题就是地层孔隙中的流体发生了变化，使之在一定的井眼范围 内的原岩层地应力发生变化，产生次生应力及次生孔隙压力，引起坍塌压力发生 变化，影响井壁的稳定。稳定井壁和改变地层压力的基本方法为封堵、造壁、堵 漏。 屏蔽封堵：是在循环正压差渗流条件下，在井壁孔缝进行的物化阻隔，使 用正常钻进密度，利用桥塞填充一变形的原理，在井壁附近的屏蔽带及滤饼， 目的是阻止压力传递，有效支撑井壁，减小滤失量和滤失速度；目的足保持井眼 一地层压力压力系统稳定； 加压堵漏：在外压的作用下固液流体进入井壁孔缝后进行的物化阻隔；大于 钻进密度并加回压，利用桥塞一填充一凝结的原理，在井壁与地层中运移一定的 深度，是一个利用惰性材料的物理过程，结果是近井壁地带的地层压力大于原地 1 6 第2 章高原冻土天然气水合物及其钻进与取心技术 层压力体系： 造壁：在循环正压差下滤失过程中，钻井液中固体物质在井壁沉积的过程； 主要为化学吸附，从而在井壁表面形成滤饼，采用的是桥塞一填充的原理，结果 是不改变原地层压力体系。 2 2 2 高原冻土天然气水合物钻进取心技术 为了掌握水合物的储存情况，进行资源评价，以及物理化学性质评价等，需 要从水合物层及其上下层采取大量岩心。特别是从水合物层取心时，水合物随着 压力下降或者温度上升而分解的同时会发生相变，所以要求回收时问尽量缩短， 并保持接近原位状态的压力和温度的取心技术。利用绳索取心可以缩短回收时 问，但靠现有技术控制温度困难，因此当前还没有既能保持原位压力又能保持原 位温度的取心技术，仅有能采取接近原状岩心的保压取心技术。 钻探取样是识别天然气水合物最直接的方法，目前已在世界许多地方获得了 水合物的岩心，如布莱克海岭、中美洲海沟、秘鲁大陆边缘、里海等地。要获得 保持原位压力和温度的高保真岩心样品，必须采用高保真取心器。目前“，国 内外主要有国际深海钻探计划( d s d p ) 采用的保压取样