（油气井工程专业论文）天然气水合物钻探的井控工艺和参数计算.pdf

s t u d yo nw e l lc o n t r o lt e c h n o l o g ya n dh y d r a u l i cp a r a m e t e r s c a l c u l a t i o no f t h en a t u r eg a sh y d r a t ed r i l l i n g z h o uw e n ju n ( o i l & g a sw e l le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f s u nb a o j i a n g a b s t r a c t g a sh y d r a t ei so n eo ft h eb a c k u pe n e r g yr e s o u r c e s ，a n di th a sb e i n gb e c a m et h ef o c u sb y t h ew o r l di nv i e wo ft h eo i la n dg a se x h a u s t e di n c r e a s i n g l y t h ef o r m a t i o na n dd e c o m p o s eo f g a sh y d r a t ei so n eo ft h em a i np r o b l e mw h i c hh o l du pt h eg a sh y d r a t ed r i l l i n gd e v e l o p s t h e f r o n tp o r c hr e s e a r c hf o rt h ew e l lc o n t r o lt e c h n o l o g yc a np r o v i d et h e o r yf o u n d a t i o na n d t e c h n i c a la s s i s t a n c ew i t hg a sh y d r a t ed r i l l i n gf o rf u t u r e t h eg a sp r o d u c t i o nf u n c t i o no fh y d r a t ed i s s o l u t i o nw i t ht i m ei so b t a i n e du n d e rt h e c o n d i t i o n so fd i f f e r e n tt e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r eb yt h ee x p e r i m e n t a n dt h em o d e lo fh y d r a t e d i s s o l u t i o nr a t ei se s t a b l i s h e d i tc a ns e tu pt h ea c a d e m i cf o u n d a t i o nf o rt h ew e l lc o n t r o l t e c h n o l o g yo fg a sh y d r a t ed r i l l i n gr e s e a r c h i nv i e wo ft h ec h a r a c t e r i s t i co fg a sh y d r a t ed r i l l i n ga n dt h ep h a s et r a n s i t i o nh a sb e i n g c o n s i d e r e dc o m p r e h e n s i v e l y ，t h ew e l l b o r em u l t i p h a s ef l o wm o d e li sb e i n gb u i l dt h r o u g ht h e t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dd e d u c e ，a n dt h em o d e l sa r es o l v e db yn u m e r i c a lm e t h o d i na d d i t i o n ， t h i sm o d e lh a sb e i n gv e r i f i e db ya ne x a m p l e ，c o m p u t a t i o n a ls o l u t i o nc o i n c i d ew i t ht h et h e o r y i tc a np r o v i d et h e o r yf o u n d a t i o nw i t hh y d r a u l i cp a r a m e t e r sc a l c u l a t i o no ft h eg a sh y d r a t e d r i l l i n g g a sh y d r a t ed r i l l i n ga n dw e l lc o n t r o lt e c h n o l o g yc o r r e l a t e dp r o b l e mh a sb e i n ga n a l y z e d ； w e l lc o n t r o lt e c h n o l o g ya n de q u i p m e n tc o m p l e m e n ta p p l i e dt og a sh y d r a t ed r i l l i n gi sp u t f o r w a r d h o wt oi n h i b i tt h eg a sh y d r a t ed e c o m p o s e d ，a n dg a sc u t t i n ga n do v e r f l o w i n ga l o n g w i t hw e l lk i l l i n gm e t h o do fw e l lc o n t r o lm e t h o di sp u tf o r w a r d o nt h eb a s i so fh y d r a u l i c p a r a m e t e r sc a l c u l a t i o no fr o u t i n eo f f s h o r ed r i l l i n g ，d u r i n gt h et h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dd e d u c e ， h y d r a u l i cp a r a m e t e r sc a l c u l a t i o nm o d eo fg a sh y d r a t ed r i l l i n gi sb e i n gb u i l d ，a n da l s of o r m u l a o fc i r c u l a t i n gp r e s s u r el o s si sb e i n gd e d u c e d ，m o r e o v e r , c o m p u t a t i o n a lm e t h o do ft h ew e l l k i l l i n gp a r a m e t e r si sb e i n ge s t a b l i s h e d r e s e a r c hf r u i to ft h i sp a p e rc a np r o v i d et h ea c a d e m i c v a l u ew i t ht h en a t u r eg a sh y d r a t ed r i l l i n gf o r0 1 1 1 c o u n t r y k e yw o r d s ：g a sh y d r a t e ，m u l t i p h a s ef l o w , w e l lc o n t r o l ，h y d r a u l i cp a r a m e t e r s 独创性声明和使用授权书格式 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名： 日期：棚年r 月力，日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷版 和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和 复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他 复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签 指导教师签名： 同期：。辟 同期：乃。彦年 j 1 撕 ，月抑 中困油人学( 毕东) 坝i j 学位论义 1 1 天然气水合物概况 第一章前言 天然气水合物卜3 1 ，英文称g a sh y d r a t e ，是由天然气与水分子在高压和低温条件下 合成的一种固态类冰的、非化学计量的笼形结晶化合物。外貌类似冰雪，可以像酒精块 一样被点燃，故也有人叫它“可燃冰”，燃烧后几乎没有污染，l 立方米水合物所含的 能量相当于1 6 4 立方米的天然气。 天然气水合物的主要气体为甲烷，约占8 0 - - - 9 9 9 ，对甲烷分子含量超过9 9 的 天然气水合物通常称为甲烷水合物( m e t h a n eh y d r a t e ) 。组成天然气的成分，如甲烷等 同系物以及二氧化碳、硫化氢等可形成单种或多种天然气水合物。在自然界发现的天然 气水合物大多呈白色、淡黄色、琥珀色、暗褐色等，其形状有轴状、层状、小针状或分 散状，从获得的岩心来看，天然气水合物的存在方式多种多样，其中主要有：占据大的 岩石粒间孔隙；以球粒状散布于细粒岩石中；以固体形式填充在裂缝中；大块固态水合 物伴随少量沉积物。 天然气水合物受其特殊的性质和形成时所需条件的限制，只分布于特定的地理位置 和地质构造单元内，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 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，赋存于海底以下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 一- 2 5 0 m 以下极地陆 架海，如图1 - 1 所示( 圆点表示海洋天然气水合物，菱形表示冻土带天然气水合物) 。 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。据估计，陆地上2 0 7 和 大洋底9 0 的地区，具有形成天然气水合物的有利条件。 据保守估算，世界上天然气水合物所含天然气的总资源量约为1 8 x 1 0 8 亿 - - 2 1 x 1 0 8 亿立方米。所含有机碳的总资源量相当于全球已知煤、石油和天然气的2 倍，可满足人 类1 0 0 0 年的需求。其中仅在黑海的储量就有2 0 x 1 0 4f l - 2 5 x 1 0 4 亿立方米。包括俄罗斯 在内的黑海沿岸国家，以及德国、法国和希腊都对它表现出浓厚的兴趣，美国东部布莱 克海湾蕴藏的天然气水合物资源量相当于1 8 0 亿吨石油，足够美国消耗1 0 5 年；同本静 冈县御前崎近海的天然气水合物资源量达7 4 1 0 4 亿立方米，足够同本消耗1 4 0 年。根 据国际专家评估，未来天然气水合物的开采成本相当于每桶2 0 美元的石油成本，在经 济上完全可以接受。 第一币前高 o k 魄p 弘一 ”v 缈。 图卜l 天然气水合物分布图 f i g1 - 1 g a sh y d r a t ed i s t r i b u t i o ng r a p h 我国海域内已经发现大量天然气水合物储量，据我国地质调查局的前期调查，仅西 沙海槽已初步圈出天然气水合物分布面积5 2 4 2 平方千米，水合物中天然气资源量估算 达4 1 万亿立方米。据专家预测，我国南海东沙陆坡、台湾西南陆坡、南沙海槽、冲绳 海槽等水深在3 5 0 - - 3 2 0 0 米范围可能存在大量的天然气水合物资源，可以满足我国今后 数百年的需求。我国海域水深在5 0 0 米以上的深水区域约占海域总面积的四分之三。南 海北部陆坡区的瓮地和南沙海域1 3 个新生代沉积衙地部分或全部位于深水区，有些地 区水深在2 0 0 0 米以上。 1 2 天然气水合物的结构 研究表明【4 】：天然气水合物有三种结构，即i 型、i i 型和h 型品格结构。其中i 型、 i i 型水合物的结构是5 0 年代经x 射线测定的：而h 型水合物的结构则是1 9 8 7 年经衍 射和n m r 研究确定的。天然气水合物的分子结构特征是一种由主分子和客分子组成晶 格骨架的格子状复合物。主分子是水，客分子包括甲烷、乙烷、二氧化碳、硫化氢、氩、 中固 ( 乍) q ll 位论史 亚硝酸氮、乙烯及卤素小分子等。其中甲烷在数量上占据主要地位。之所以有人称它为 气体笼状体，这和它笼状的分子结构有关。水舍物中的水分子以立方晶系结晶，甲烷为 主的各种气体分子作为客体被包含在笼型晶格中。水分子形成刚性笼形晶格，每个笼形 晶格中包含一个气体分子。 天然气水舍物每种类型的基础都是十二面体这种十二面体是由1 2 个水分子组成 的。五角十二面体与六面体在一起，在i 型天然气水台物中，形成1 2 个五面体的晶面 和2 个六边形的晶面：在1 i 型天然气水台物中，与六面体一起，形成1 2 个五边形的晶 面和4 个六边形的晶面。十二面体表示为5 ”，它具有十二个五边形面由五边形面组成 近似球形的结构。5 ”舻表示十四面体，它具有十二个五边形、两个六边形面，它是一 扁形椭球体。十六面体是由四个六边形和十二个五边形面组成，每个六边形边都与五边 形相接，它的孔穴结构最接近球形可表示为5 1 2 6 4 。h 型结构水合物，其结构与i 、i i 型不同，它含有5 ”、5 1 2 6 3 、4 3 5 6 6 3 三种孔穴，此h 型水合物是由甲基环己烷等类分子形 成。如图1 2 所示纠。 5 1 25 1 2 舻 结构i 型结构n 型 实物模型5 t 2 图卜2 天然气水台物结构 f i 9 1 - 2 g a sh y d r a t es t r u c t u r a l d i a g r a m 1 3 天然气水合物的形成 天然气水合物的形成一般需具备以下两个条件： ( 1 ) 气体中有液态水存在或台有过饱和状态的水汽 ( 2 ) 有足够高的压力和足够低的温度。 第一章前言 若气体压力有较大的波动或有晶体存在能促进天然气水合物的形成。通常，按图 1 3 可初步估算天然气水合物形成的最低压力和最高温度【6 】。天然气水合物形成温度 压力曲线如图1 3 所示。 c h r i s t i a n s e n 和s l o a n 7 】评论了笼形水合物生成的机理和动力学研究，比较一致地认 为：当非极性分子溶于水中时，它周围的水分子将有序排列形成不稳定的簇团( 1 a b i l e c l u s t e r s ) 。它的存在可由溶解时熵的变化和高的热容得到证明。它是不稳定的，但对水 合物的生成有重要作用。簇团内非极性分子相互吸引，产生“增水键合 ，使聚结成团。 这种聚结体的簇团互成平衡。在它们没有达到某个聚结临界值之前，可以增大或缩小； 当达到或超过此临界值时，则形成水合物的核。其假设的机理如图1 4 所示【7 1 。 一天然气二：三蛸1 4 2 1 b s r 天然气及水 图卜3 天然气水合物形成温度一压力曲线 f i g1 - 3 g a sh y d r a t eg e n e r a t i o nt e m p e r a t u r ep r e s s u r ec u r v e 4 囝一 o = ， 6 4 时，整个分解过程主要受传热控制。另外，随 着系统压力的变化，分解过程可能从受传热控制变为受传热和本征分解动力学共同控 制。 m a t t h e w 4 l 】在k i m 的基础上消除了质量传递和热量传递对分解的影响，更准确地研 究了甲烷、乙烷水合物的分解动力学。用提出的数学模型计算出甲烷和乙烷水合物的本 征速率分解常数及分解活化能分别为3 6 1 0 4m o l ( m 2 p a 。s ) 和8 l k j m o l 以及 2 5 6 x 1 0 s m o l m o l ( m 2 p a s ) 和1 0 4 k j m o l ，其中甲烷水合物的分解速率常数比k i m 测得 的小近1 0 倍，认为可能是由k i m 对甲烷水合物分解前的粒径估算和本实验采用的粒度 分析仪所测不同而引起的。他们的实验结果也表明采用模型预测混合气体生成的水合物 分解时，不论计算气相组份的平衡逸度还是拟合各组份的本征速率常数，都要考虑水合 物的结构类型，且i i 型的分解活化能大于i 型【4 2 1 。 k a z u n a r i 等在恒温恒压条件下，研究了二氧化碳水合物、甲烷水合物以及其混合 物生成的水合物的分解，他们认为纯气体水合物的分解速率和气体水合物的总量以及推 动力( 以。一f ) 成正比，实验表明二氧化碳水合物的分解速率远大于甲烷水合物的分 解速率。同时他们建立模型，预测甲烷、二氧化碳混合物生成的水合物在分解过程中气 相组份的变化( 根据纯气体的分解速率常数计算) 。而实验结果表明甲烷在气相中的组 成一直高于模型预测结果，而二氧化碳的组成f 好相反。所以他们认为气体水合物中甲 烷抑制二氧化碳的分解，而二氧化碳则加速了甲烷从水合物晶格中的逃逸【4 3 】。 现在提出的水合物分解模型多是基于k i m 模型基础上提出，模型中分解速度受粒 子表面积、逸度差的影响，但是这两个参数在钻井工程中无法迅速、准确的判断，因此 需要得到新的较为简单的公式。在实验基础上，本文对水合物分解速进行了研究，将分 解速度看作是相平衡压力与分解压差的函数，从而得到适应工程实际的公式。 2 4 水合物相变及生成与分解量的实验研究 水合物钻探过程中，如果压力与温度条件控制的不理想，水合物藏将会分解产生 天然气，天然气进入井筒、隔水管或节流管线，可能会重新生成水合物。本章在前人工 作的基础上，综合分析了水合物生成与分解的条件，以及生成、分解量的确定方法。但 是公式相对较为复杂，计算过程也比较繁琐，而且由于分解速度方程中有难以确定的参 锥一日中m 物生成1 ， 斛条件律 数，分解速度方程不适合井筒中水合物分解量的确定，这不利于研究井筒中水合物的分 解对流动规律的影响。通过实验，对水舍物预测理论进行了简单验证，并对水合物生成 及分解速度进行探讨，得到了适合水台物钻探井控工程实际的经验公式。 2 4 l 实验装置 实验装置如图2 一l 所示，实验装置主要包括模拟钻进条件的反应釜、恒温水浴、温 度与压力传感器、数据采集系统以及回压控制系统和分解气体采集系统。具体的实验装 置示意图见图2 2 。 图2 - 1 模拟深水钻井条件的水台物实验装置 f i g2 - 1 g a sh y d r a t ee x p e r i m e n t a la p p a r a t u so n t h ec o n d i t i o no f a n a l o g i z i n gd e e p w a l e r d r i l l i n g 中国石油大学( 华东) 硕：l 学位论文 图2 - 2 实验装置不意图 f i g2 - 2 e x p e r i m e n t a la p p a r a t u sc h a r t 装置的核心是高压反应釜，容积为1 l ，工作压力可调，最大工作压力2 0 m p a ，工 作温度范围1 5 1 0 0 。采用无级调速永磁旋转搅拌装置，转速范围0 1 5 0 0 r m i n ，可 以模拟钻进中钻杆转动的工况及流动的过程中的紊流搅拌。反应釜的温度由恒温水浴控 制，恒温水浴的控温精度为士0 o l 。反应釜内的温度由一个p t l0 0 铂电阻测量。利用 数据采集系统进行温度和压力的采集。 水合物分解实验在恒温恒压下进行，压力由回压压力控制系统进行控制，回压压力 控制系统由中间容器、回压阀以及控制管路组成，中间容器的压力由高压空气瓶提供。 通过该系统，可以使分解压力与对应的相平衡压力在一定压差下进行。分解得到的气体 由一中间容器采集，并对该容器在实验过程中的压力变化实时采集，通过测得的压力可 以求得分解气的量。 2 4 2 实验方法 在实验前用蒸馏水把反应釜清洗两次，并用实验气体进行吹扫，然后抽真空。在反 第= $ f 筒中m 物生m o 分m 件m 律 应釜中注入6 0 0 9 左右的蒸馏水，水量用精度为o0 1 9 的电子天平称量。开启缓冲罐， 调节压力调节阀，给反应釜充气，使反应釜中压力达到实验设定压力。在水合物生成实 验过程中关闭进气阀，由p v t 方程可知参与生成的甲烷气体的量，从而可以确定生成 水合物的量。开启水浴，调节恒温水浴的温度使反应釜中的温度达到实验温度预设值， 当反应釜温度达到设定值并稳定后，保持恒温水浴的温度不变。实验过程中水舍物形成 时，反应釜中压力明显降低。水合物形成过程中利用数据采集系统i b 录流量及反应釜内 的温度、压力值。生成水合物完成后进行分解实验，分解过程中保挣叵温恒压，测量实 时分解气的压力，通过计算转化为物质的量。 2 43 实验过程 每次实验主要包括水合物的生成和分解两个过程。水合物生成实验阶段主要是加 药品后，把体系升温2 5 c l g 定，丌始降温，同时利用数据采集器采集降温过程中温度 和压力值的变化情况，观察水台物的生成情况。水合物分解实验阶段宅要是在水舍物生 成并反应一段时间且体系稳定压力呈现不再降低时，启动回压控制系统，使水合物在 恒温、恒压条件下分解，并利用数据采集器采集反应过程中气体收集容器中温度和压力 值的变化情况，得到分解的量同利问的关系。 25 实验结果分析 通过实验，在高压反应釜中生成了水合物，如图2 - 3 所示，生成的水合物如图2 - 4 所示。 图2 - 3 实验过程中反应釜生成的水舍物 f i g2 - 3 t h eg a sh y d r a t e sf o r m e di ne x p e r i m e n t s 中国石油大学( 华东) j 二 位镕空 图2 _ 4 实验过程中生成的水舍物 f i g2 - 4 t h eg a sh y d n t c s f o r m e d i ne x p e r i m e n t s 25 l 目态曲线 通过实验，对甲烷纯水中加入不同的黼分进行水合物生成条件的分析。实验结果如 下： 甲烷在纯水中生成水合物实验结果如图2 - 5 所示，与统计热力学公式得到的曲线吻 合较好，如图2 - 6 所示，因此采用普遍使用的统计热力学法预测相平衡条件。 0246 81 01 21 4 1 6 温度 图2 甲烷在纯水中生成水台物相变实验结果 f i 9 2 一st h e g a sh y d r a t e p h a s e r a n s i f i o nr e s u l to f t h e m e t h a n ee x p e h m e n t a l i np u r e w a t e r 4 2 o 8 6 4 2 0 日山董r叫马 第_ 二幸j l ：筒中水合物生成1 0 分解条件及规律 不： 村 凸一 昌 r 吲 o2468 l o 1 21 4 1 61 8 2 0 温度 图2 - 6 甲烷在纯水中水合物相态曲线 f i g2 - 6 t h ee x p e r i m e n t a lp h a s eb e h a v i o rc a r v eo fm e t h a n ei np u r ew a t e r 对于添加了不同浓度的氯化钠，甲烷水合物受氯化钠浓度影响变化曲线如图2 7 所 。 山 暑昌 、 - r 吲 o51 u1 5列zo 温度代) 图2 - 7 氯化钠浓度对水合物相态的影响曲线 f i g2 - 7 t h ei n f l u e n c eo fs o d i u mc h l o r i d ec o n s i s t e n c et ot h ep h a s eb e h a v i o ro fg a sh y d r a t e 由实验结果可以看出，加入氯化钠抑制剂后，在给定的温度条件下，水合物生成的 压力条件明显升高，因此在泥浆中加入抑制剂是防止水合物生成的有效手段之一。 2 5 2 水合物分解速度确定 通过在某一温度不同压力条件下，得到了水合物分解生成的甲烷气体的量与时间的 关系，图2 _ 8 为温度为3 3 c 时，不同的压差( 分解压力与该温度对应的相平衡压力之 扣蝎拍m 挖8 6 4 2 o 时间( r a i n ) f j g2 - 8 7 ：n n u ：n c ：o f t 图h e 2 d 8 i f f e r 不e n 同t p分re；ss；ur罩e t o t分he解ga气s生pr；od；uc的tio影nr 晌a 把d 蛔。喇肺mh 州r a 比 ， n e 、， 一 拄 扩 3 3 ? 。：j 4 5 ： 茎一橐 篡嚣芝慧氍爱慕篙 蕊概 翱瓤孰篇瓣 分分分j f 第一二章， ：简中水合物生成。j 分解条件及规律 将实验中得到的压力及分解气产量转化为物质的量，并采用模拟软件对其进行拟 和，得到水合物分解气的产量方程为： 胛p = 0 7 0 4 2 n o 5 3 5 5 + o 1 5 2 4 i n 1 0 4 2 t ( p p o ) 】+ o 0 2 5 4 6 ( 2 2 1 ) 式中：玎。为f 时刻生成的分解气的物质的量，单位是t o o l ；，? h 为天然气水合物分解 前的物质的量，t o o l ；p 为水合物分解的压力，m p a ；p o 为相平衡压力，m p a ；f 为反应 时间，m i n 。 该方程同实验数掘进行比较，发现分解压差较小时，误差很小，分解压差较大时， 误差有所增加，如图2 1 0 所示，因为方程中不含水合物面积等无法确定的参数，因而 可以应用于井控工程实际的水合物分解。 1 6 1 4 1 2 ，、1 0 e 0 8 剥 蒂n 6 0 4 0 2 0 o u1 u u 2 0 03 0 04 0 0 时间( m i n ) 图2 一l o实验数据与拟和曲线的比较 f i g2 1 0 t h ec o m p a r i s o nb e t w e e ne x p e r i m e n t a ld a t aa n df i t t i n gc h iv e 2 6 小结 本章通过文献调研、实验与数值分析，本章主要完成了以下工作： ( 1 ) 通过文献调研与实验验证，根据热力学分析，得到了天然气水合物相平衡条 件。可以在己知温度的条件下，求得水合物生成时的压力，也可根据压力求水合物生成 的温度条件。并对现有的水合物生成速度模型进行了对比，选择合适的方法来求解不同 体系中水合物生成速度。 ( 2 ) 通过实验，得到了水合物分解时在不同温度及压力条件下的气体生成量随时 中团杠油人学( 华东) 硕l ：学位论义 间的变化，对其进行转换，并对数据进行了拟合，得到了适合水合物钻探井控过程中水 合物分解速度模型，为工程实际提供了一种有用的水合物分解模式。为下章推导水合物 钻探对井筒多相流动的影响规律打好了基础。 第三章水合物钻探) i ：筒多相流动模型 第三章水合物钻探井筒多相流动模型 3 1 概述 天然气水合物地层很多是可渗透的半固结或未固结砂岩和泥质砂岩地层，加之天然 气水合物的存在使得在此类地层钻井时井壁岩层失稳垮塌、井涌或井漏等问题会更加突 出。当井眼打开时由于温度和压力的变化导致水合物发生分解，当固态水合物起胶结或 骨架支撑作用时，分解本身就会使井壁坍塌，而分解产生的水增加了井壁地层的含水量， 使颗粒间的联系减弱，导致井壁不稳；如图3 。1 所示【4 4 1 。 图3 1 压力和温度变化对水合物的影响 f i g3 - 1 t h ei n f l u e n c eo ft h et h e r m o b a r i cc h a n g et ot h eg a sh y d r a t e 逸出的气体又影响了钻井液相对密度和流变性，对井壁稳定愈发不利，甚至还可能 引发井涌甚至井喷等钻井事故。并且钻井过程是一个非绝热过程，水合物地层又是多孔 介质体，因而钻井液和水合物地层必然会发生传热和传质作用，表现为钻井液向井周地 层中渗透以及水合物受热分解，二者耦合作用导致井壁围岩孔隙水压力增加，有效应力 减小，从而使井壁力学失稳。分解后气体急骤膨胀，从而引发事故，使井径扩大、套管 被压扁、井口装置失掉承载能力，发生倾斜，失掉井控手段、出现井涌、井喷，污染周 围环境，井周出现溶洞，地基下沉，产生海底地基沉降等重大事故，甚至灾难性的地质 塌陷，发生海啸、海底滑坡和海水毒化等灾害。 在钻探过程中温度和压力的变化导致水合物发生分解，逸出的部分气体进入井内同 钻井液一起上返到地面，在这过程中如果井筒内温压条件合适，气态的天然气水合物又 中困石油人学( 牛东) 硕r j 学位论义 会征钻井首线和删j 特别是历唢器内彤成水合物，堵蓉并询循蚧首迫，便得开掏冈多布目 流动规律复杂化。 研究水合物钻探对井筒多相流动的影响规律，建立水合物钻探井筒多相流动模型， 不仅对于求解井底压力具有一定的指导意义，并且对于获得安全可持续的钻探作业环境 和保证井内安全都具有举足轻重的作用。必须重点研究。 3 2 井筒多相流动模型 天然气水合物钻探由于海床温度低，使得井筒温度场复杂，加上水合物的生成与分 解，使得连续性方程复杂；同时，水合物的形成造成气相含率变化，使得流动规律发生 变化。方程组由连续性方程、动量方程、能量方程组成。 3 2 1 连续性方程 气相： 罢( 彳e 耳靠) + i d ( 4 e 。p 。以) 一! 型暑等! 生= 曰朋 ( 3 1 ) 钻井液： 丢( 彳。p 。) + 罢( 彳e 。p 。圪，) 一竺兰气孑争生竺= 。 ( 3 2 ) 水： 瓦do e 风) + 罢。瓦圪p w ) = g ( 3 - 3 ) 岩屑： 丢( 彳e 以) + 丢( 彳巨以v c ) = o ( 3 4 ) 水合物： 昙( 彳e hp h ) + 面d ( 彳e 片肌) = g ( 3 5 ) 其中，口。为岩屑生成速度，k g s ；g ，g 朋分别为单位时间单位厚度水合物分解所 产生的自由水、天然气的质量，k g s m ；g 砌为水合物生成速度，k g s m ； 3 2 2 动量方程 丢似欣+ 彳毛成+ 彳f p w r w + 4 巨反巧+ 彳毛“) + 罢( 彳嘎以嘭+ 4 已暖+ 彳瓦户。圪+ 彳巨成呀+ 彳日所嵋) ( 3 - 6 ) 地c o s 口( e g p g + 巳+ e w p w + 塥+ 掣+ 韫= 。 其中，f 辈l 为井筒及隔水管段的摩阻压降； a s 第三章水合物钻探井筒多相流动模型 以上方程中：4 ：环空截面积，m 2 ，在裸眼段，彳= 1 47 e ( d b 2 j t d 川2 ) ； 套管环空， 彳= 百1 刀( d 三。哗一d 2 ) ：隔水管环空，彳= 百1 厅( d ：辩，一d 2 ) ；节流管线，4 = 丢，出；。 e 譬，e 爿，e e e 。分别是产出气，水合物、岩屑、泥浆、自由水的体积分 数，无量纲； ，k ，圪分别是产出气、水合物、岩屑、泥浆、自由水的上返速度， m s ： 颤，p ，p 。，p 。，p 。，p 舻分别是产出气、水合物、岩屑、泥浆、自由水标准 状态下的气的密度，k g m 3 ； r 彬：水合物气固容积比，m 3 m 3r w h ：水合物水固容积比，m 3 m 3 ；口：井斜角， ；p ：压力，p a ；s ：沿流动方向坐标，m 。 3 2 3 能量方程 水合物钻探井筒多相流动的能量方程和深水钻探的基本相同，相关方面的研究模型 也比较多，其中石油大学的高永海针对非稳定流动，将井段分为海底以上和海底以下两 部分，综合考虑井筒内部全部的能量平衡，建立了能量守恒方程【4 5 】。 o ( p g e g n + p ，e t n ) - a 一 o ( w 比g n ) 一+ 掣】_ 2 虿1 ( 。耻百1 ( t 椰】( 3 - 7 ) 知) 刁+ 掣= 可2 ( 瓦椰 ( 3 8 ) 其中n 为总能量( 办+ 去v 2 + g s i n t ? ) ，办为焓，包括内能和压能两部分。 3 3 方程组的求解 d 1 d 1 1 初始条件 为了求解方程组，必须给出压力及流动参数的初始条件。 进行正常钻探时，当刚钻到水合物藏顶部，没有地层流体涌入： e ( s , 0 ) = e g ( s ，0 ) = 0 以踟) 2 瓦万毓 e 。= 1 一e 。 ( 3 - 9 ) ( 3 1 0 ) ( 3 。11 ) 中国石油大学( 华东) 硕】：学位论文 防喷器以卜外仝： ( 踟) 2 茜 ( 3 _ 1 2 ) 隔水管段： 吒拶o ) _ 高 1 3 ) 嘣踟) = 嘏( 3 - 1 4 ) v 。( 2 丽q c ( 3 - 1 5 ) 呕踟) = 器( 3 - 1 6 ) p ( s ，0 ) = p ( s ) ( 3 1 7 ) 其中，q 。为泥浆泵排量；q - 为泥浆泵与增注泵排量之和，即为隔水管中泥浆排量。 相体积分数可由以上式子确定，通过求解以上方程，就可确定初始时刻多相流沿井 涣的爪日昌、谏庸、相佑积分斯等参狮 3 3 2 边界条件 本模型包括钻柱内、钻头、地层渗流、井筒环空、隔水管及节流管线在内的多个模 型的集成，是多个方程多个未知数的非线性方程组，要得到一定的解，还需要以下边界 条件： ( 1 ) 水合物钻进时： ( 2 ) 停泵关井时： p ( o ，f ) = p 。 g 。( ，) = q x q 爿( h ，f ) = q h ( 3 1 8 ) q 。( h ，f ) = q 。 9 。( ，) = q 。 9 2 ( 日，t ) = q p q ( h ，f ) = q 片 q w ( ，f ) = q ， ( 3 - 1 9 ) g 。( h ，r ) = 0 v 。( 0 ，t ) = 1 ，( o ，f ) = v ，( o ，) = 0 第三章水合物钻探井筒多相流动模型 ( 3 ) 循环压井时： p ( h ，r ) = p ，+ p 。 留譬( h ，t ) = 0 q 爿( h ，f ) = 0 9 。( 何，f ) = 0 g 。( h ，f ) = 0 ( 3 2 0 ) 其中：g 耳，q ，q 。分别是产出气，水合物，岩屑的生成速度，k g s ；p ，是地层 压力，p a ；p 。是压井附加压力，p a 。 3 3 3 求解过程 求解方程组采用数值方法，本文采用有限差分迭代方法。以环空内任意两个节点， ，+ 1 从门到疗+ 1 时刻的溢流动态过程为例说明计算的具体步骤，其中，+ 1 节点处在 时刻的参数为己知。 ( 1 ) 例- 少i - - ，限i 发节点j 处bn + 1 时刻的压力为p r ，l + 0 、； ( 2 ) 求解节点_ ，处刀+ 1 时刻的温度丁，根据压力及温度条件判断水合物能否生 成，求解g hj ：+ l 以及地层产出液质量； ( 3 ) 用状态方程确定此时的各相密度肛i ；+ l 、粘度y 等物性参数； ( 4 ) 估算，7 + 1 时刻节点处的各相比率e ，_ 们； ( 5 ) 由连续性方程计算出各相速度v ，； ( 6 ) 用物理方程结合e ，的定义确定e 1 ，若ie y e 1 。i s ，继续下一步计算， 否则返回( 4 ) ，重新计算； ( 7 ) 将已确定的各相参数代入动量方程，求解新的p ? “； ( 8 ) 若旧n ，+ i p 。i - - 3 惯上取r e ，= 2 0 0 0 作为临界值，r e _ 2 0 0 0 时为紊流。天然气水合物钻探时，可根据式( 5 1 0 ) 与( 5 1 1 ) 分别计算出钻具内的雷 诺数与环空流速区的雷诺数后与临界值进行比较，便可判别出钻井液在钻具和环空中流 5 9 第五章水合物钻探水力参数计算 动的流态。 5 2 3 地面管汇压耗计算 水合物藏钻探与深水油气钻探的地面管汇中钻井液流动相同，都是紊流，钻井液在 紊流流态下的剪切速率较高，高剪切速率条件下不同流型钻井液的流变性比较接近，计 算时可将其看作宾汉流体。 地面管汇压耗包括高压管线、立管、水龙带( 包含水龙头) 、方钻杆的压耗总和。 为了计算简便，整个地面管汇的压耗可用一个公式表示： 峨20 7 8 2 x 1 0 - s p , 。s 2 o l s q l 8 2c 毒+ 务+ 务+ 务，( 5 - 1 2 ) 式中：叱为地面管汇压耗，单位是m p a ；厶，l ：，l 3 ，三。和4 ，d ：，d 3 ，d 。分别为地面 高压管线、立管、水龙带( 头) 、方钻杆的长度和内径，长度单位为m ，内径单位为m m 。 5 2 4 钻具内压耗计算 在钻具内，水合物钻探的钻井液流动与常规深水油气钻探基本相同，因此我们在计 算水合物钻探钻具内压耗时可采用深水油气钻探的钻具内压耗公式。 当钻井液的流态为层流时，钻具中的压耗为： p p = 1 2 2 2 x1 0 - s 九喜丢+ 3 1 9 1x1 0 - 2 喜务2 当钻井液的流态为紊流时，钻具中的压耗为： 0 = 8 8 8 9 1 0 3 。1 8 成n 8 2 眇2 丢万 ( 5 - 1 4 ) ，= l 口疗， 式( 5 13 ) 和( 5 1 4 ) 中： 只钻杆内压耗，m p a ； d 州某一相同钻具的内径，r f u t l ； 厶某一相同内径钻具的长度，m ； 在计算钻杆压耗时，若钻杆接头处内径与钻杆本体内径相等或比值大于0 8 5 时， 可直接运用公式( 5 1 3 ) 和( 5 1 4 ) 计算压耗；如接头处内径与本体内径的比值在o 7 0 0 8 5 之间，则要将接头的长度累加在一起，作为一段管柱单独计算出压耗，再与钻杆本 体的压耗相加，才是钻杆的压耗。这样计算出来的钻杆压耗更为准确。 5 2 5 环空压耗计算 中国石油人学( 华东) 硕：学位论文 在环空内，水合物钻探的钻井液流动与常规深水油气钻探的有很大区别，水合物钻 探环空钻井液发生相变，水合物分解出的天然气与自由水改变了环空钻井液的流型，因 此水合物钻探的环空压耗需要根据不同的流型分类计算。 根据对不同相对粗糙度下数据的分析，石油大学的高永海通过实验以及气液两相流 的摩阻系数与雷诺数、空隙率的关系，联合摩阻系数与管壁粗糙度的关系，回归出的摩 擦因子表达式如( 5 1 5 ) ，对于摩阻压降值较小的泡状流型，x = o 2 5 ；在段塞流型下， 石：8 7 5 ，摩阻压耗梯度如式( 5 1 6 ) 【4 5 】。 厂：0 0 6 5 5 了+ 1 8 5 弋- 9 8 * s ( 5 1 5 )，= ，- c - - 一l 一 。 r 署5 ( 1 - e g 广 只= 警( 5 - 1 6 ) 式中：厂摩擦因子，无因次； o c 管壁的相对粗糙度，无因次； e 。空隙率，无因次； r 。环空钻井液的雷诺数，无因次； d d 环空的当量直径，聊； 圪- 钻井液在环空中的流速，m s 。 对于搅动流，因为其流动形态与段塞流相似，实验得到的方程也适合该流型；对 于环雾流，因为实验条件限制，无法得到其摩阻压耗计算公式，采用已有的计算方法【6 l 】。 舢们9 1 面 忉 只= 鲁 式中：气体的表观流速，m s ； r e g _ 气体的雷诺，无因次； o m 环空混和相密度，g c m 3 ； 在计算隔7 k 管环空压耗时，对不同直径的钻具分别计算各段压耗，再进行累加：计 6 l 第五章水合物钻探水力参数计算 算泥线以下环空压耗时，对不同直径井眼和不同直径钻具都要分别计算各段压耗，之后 再进行累加。 5 2 6 循环系统总压耗计算 整个循环系统的压耗等于地面管汇压耗、钻具的压耗、隔水管环空压耗及泥线以下 环空压耗的总和，其表达式为： ， b ，= 峨+ 匕+ 乞+ p o ( 5 - 1 9 ) 计算时根据水合物钻探钻井液流动的实际情况，先判断循环系统各个部分流动的流 型和流态，再根据不同直径的钻具、井眼或套管分成不同段，然后根据不同流型和不同 流态下的管内流或环空流的压耗公式计算循环系统各段的压耗，最后将各段压耗代入式 ( 5 1 9 ) ，求出循环系统总的压耗。 5 3 压井参数计算 天然气水合物钻探过程中，如果发生溢流，关井之后必须采用快速有效的压井方法， 不然水合物分解的天然气就会迅速滑脱上升积聚井口，使井口压力增高。若超过井口装 置或套管承受能力，就会给作业带来严重后果。地层压力、关井立压、关井套压、钻井 液密度等压井水力参数的计算是快速有效压井的关键，也是井控能否成功的关键。 对于压井水力参数的计