（油气井工程专业论文）天然气水合物储层剪切强度及井壁稳定性研究.pdf

r e s e a r c ho ns h e a rs t r e n g t ha n d w e l l b o r es t a b i l i t y i ng a sh y d r a t ef o r m a t i o n at h e s i ss u b m i t t e df o rt h ed e g r e eo fm a s t e r c a n d i d a t e ：m aq i n g t a o s u p e r v i s o r ：p r o f z h a n gw e i d o n g c o l l e g eo fp e t r o l e u me n g i n e e r i n g c h i n au n i v e r s i t yo fp e t r o l e u m ( e a s t c h i n a ) 1 ； _ 了一 7 f i 殍 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：型日期：年月日 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。 学位论文作者签名：圣壅鱼 指导教师签名：盗丝 日期： 日期： 年 年 月 月 日 日 譬， 一；r， 摘要 随着油气能源需求的不断增长和天然气水合物藏勘探的不断深入，商业开发天然气 水合物已列入议事日程。由于天然气水合物分解前后，水合物赋存地层的力学性质产生 变化，导致水合物钻井中发生井壁破坏的可能性明显增加，因此研究水合物储层的力学 性质和井壁稳定性问题很有必要。本论文针对水合物钻井中保持井壁稳定这一技术问 题，通过实验和理论研究的方法测定了水合物储层的剪切强度，分析了水合物钻井中保 持井壁稳定的温度压力控制，以期对水合物的安全开发提供理论指导和技术支持。 文中研究了天然气水合物的储层物理性质，对储层孔隙度、饱和度、渗透率、导热 系数和力学性质等进行了系统总结。在调研国内外水合物剪切强度实验的基础上，自主 研制了天然气水合物储层剪切强度仪，该仪器可以提供水合物稳定存在的低温高压环 境，并在此环境中对水合物填砂模型进行直接剪切，测定了不同水合物饱和度下的剪切 强度的变化规律。实验发现水合物储层的内聚力和内摩擦角随着水合物饱和度增加而增 加，通过实验曲线的回归，得到了内聚力和内摩擦角随水合物饱和度的变化关系式，为 计算水合物层井壁坍塌压力提供了参数。 通过研究水合物钻井中保持井壁稳定的方法发现，如何确定并控制钻井液的低温高 密度是解决问题的关键，文中在考虑岩屑和地层中水合物分解的情况下，基于质量、动 量、能量守恒原理和传热学理论，利用微元分析和有限差分的方法，建立了环空气液两 相流体的温度压力分布模型，编程求解模型并进行相关参数的敏感性分析。将求取的环 空温度压力值与水合物相态曲线和钻井液安全密度窗口进行对比，提出了保持水合物层 井壁稳定的钻井液临界入口温度和水合物分解压力两个关键参数，并给出了计算方法， 为水合物钻井中钻井液温度和密度的确定提供了依据。 关键字：天然气水合物，力学性质，剪切实验，井壁稳定，温压控制 一， 0 了棚 r e s e a r c ho ns h e a rs t r e n g t ha n dw e l l b o r es t a b i f i t y i ng a s h y d r a t ef o r m a t i o n m aq m g 协o ( 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 yz h a n gw e i d o n g a b s t r a c t w i t ht h eg r o w i n gd e m a n df o ro i la n dg a se n e r g ya n dd e v e l o p i n go fn a t u r a lg a sh y d r a t e s e x p l o r a t i o n , i ti sp l a n n e dt oe x p l o i tg a sh y d r a t e sc o m m e r c i a l l y h o w e v e r , a sar e s u l to fg a s h y d r a t e sd i s s o c i a t i o n , t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fh y d r a t ef o r m a t i o nw o u l dc h a n g e ，a n dt h i s w i l lr e s u l tt ot h ep o s s m i l i t yo fb o r e h o l ed a m a g ea n dr e s e r v o i ru n s t a b l ed u r i n gh y d r a t e s d r i l l i n gp r o c e s s ，s oi t sn e c e s s a r yt os t u d yt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n db o r e h o l es t a b l e p r o b l e m s c o n f r o n t e dw i t ht h ep r o b l e mo fm a i n t a i n i n gr e s e r v o i rs t a b i l i t yi nt h ep r o c e s so f d r i l l i n g , t h i sp a p e rm e a s u r e st h es h e a r i n gs t r e n g t ho fr e s e r v o i rb e a r i n gh y d r a t e sb yt h e o r e t i c a l a n de x p e r i m e n t a lm e t h o d ，a n ds t u d i e dt h es t a b i l i t yo f h y d r a t er e s e r v o i rd u r i n gd r i l l i n gi no r d e r t op r o v i d et h et h e o r e t i c a lg u i d ea n dt e c h n i q u es u p p o r t sf o rs e c u r i t yo ft h en a t u r a lg a sh y d r a t e s e x p l o r a t i o n t h i sp a p e rm a k e sr e s e a r c ho nt h ep h y s i c a lp r o p e r t i e so fh y d r a t e sr e s e r v o i r , a n d s u m m a r i z e st h ep o r o s i t y , s a t u r a t i o n , p e r m e a b i l i t ya n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，e t co fh y d r a t e s r e s e r v o i rs y s t e m a t i c a l l y o nt h eb a s eo fi n v e s t i g a t i o no fs h e a r i n gt e s ta r o u n dt h ew o r l d ，t h e a u t h o rd e v e l o p sas h e a rs t r e n g t hm e a s u r i n ga p p a r a t u so fh y d r a t e sr e s e r v o i r , w h i c hc o u l d p r o v i d et h el o w - t e m p e r a t u r e a n dh i g h - p r e s s u r ec o n d i t i o n so fh y d r a t e se x i s t i n g s t a b l y , m e a s u r e st h es t r e n g t ho fs a n dm o d e l sw i md i f f e r e n ts a t u r a t i o n , a n dg e t st h a tw i t ht h ei n c r e a s e o ft h es a t u r a t i o n , t h ef r i c t i o nc o h e s i o na n df r i c t i o na n g l ew i l li n c r e a s et o o b yr e g r e s s i o no f e x p e r i m e n tc u r v e ，t h i sp a p e rg e t s t h er e l a t i o n s h i po fc o h e s i o na n df r i c t i o na n g l ew i t h s a t u r a t i o n , a n dp r o v i d e sp a r a m e t e r sf o rc a l c u l a t i n gt h ec o l l a p s ep r e s s u r eo fr e s e r v o i rb e a r i n g h y d r a t e s t h ea u t h o rf o u n dt h a tt h ek e yt ot h i sp r o b l e mi sh o wt od e t e r m i n ea n dc o n t r o lt h ed r i l l i n g f l u i dt ob el o w - t e m p e r a t u r ea n dh i g h - d e n s i t yb ys t u d y i n gt h em e t h o do fk e e p i n gb o r e h o l e s t a b l ed u r i n gd r i l l i n gp r o c e s s t a k i n gi n t oa c c o u n to ft h eg a si n v a s i o nd u et or o c kd e b r i sa n d d e c o m p o s i t i o no fg a sh y d r a t e s ，b a s e do nm a s s ，m o m e n t u m ，e n e r g yc o n s e r v a t i o np r i n c i p l ea n d t h et h e o r yo fh e a tt r a n s f e r , w ee s t a b l i s h e dt e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r ed i s t r i b u t i o nm o d e lo f a n n u l a ra i r - l i q u i dt w o p h a s ef l o wb yu s i n gt h em i c r o - e l e m e n ta n a l y s i sa n df i n i t ed i f f e r e n c e m e t h o d ，a n dd i ds e n s i t i v i t ya n a l y s i st oe a c ha f f e c t i n ge l e m e n t s t h r o u g ht h ec o m p a r i s o no f r a n n u l a rs p a c et e m p e r a t u r e & p r e s s u r ea n dt h eh y d r a t ep h a s ec 咒u v e & r e a s o n a b l ed r i l l i n gf l u i d d e n s i t yw i n d o w , w ep r o p o s e dt w ok e yp a r a m e t e r so fh y d r a t ed e c o m p o s i t i o np r e s s u r e a n d c r i t i c a li n l e tt e m p e r a t u r eo fd r i l l i n gf l u i d sw h i c hc a nk e e pb o r e h o l es t a b l ed u r i n gt h eh y d r a t e r e s e r v o i rm i n i n g , a n dg a v et h ec a l c u l a t i o nm e t h o d so ft h e s et w ok e yp a r a m e t e r s k e y w o r d s ：g a sh y d r a t e s ，m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，s h e a rt e s t ，w e l l b o r e s t a b i l i t y , t e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r ec o n t r o l 一 _ ，一 录 第一章前言1 1 1 研究的目的及意义1 1 2 国内外研究现状2 1 2 1 水合物储层剪切强度研究现状。2 1 2 2 水合物钻井技术研究现状3 1 2 3 水合物钻井中的井壁稳定研究现状4 1 3 研究内容与技术路线5 1 3 1 研究内容5 1 3 2 技术路线6 第二章天然气水合物地层的物理性质7 2 1 水合物的结构及形成条件7 2 1 1 水合物的结构7 2 1 2 水合物形成的条件1 0 2 2 水合物地层岩石物性1 2 2 2 1 水合物在沉积层中的分布模式1 2 2 2 2 水合物地层孔隙度和水合物饱和度。1 3 2 2 3 水合物地层的渗透性1 4 2 2 4 水合物地层的导热系数和比热1 5 2 3 水合物地层力学性质研究1 6 2 3 1 纯水合物力学性质。1 6 2 3 2 水合物地层力学性质研究18 2 4 本章小结18 第三章天然气水合物储层剪切强度实验研究。2 0 3 1 实验装置的研制2 0 3 1 1 设计思路2 0 3 1 2 技术方案2 l 3 1 3 剪切仪特点。2 2 3 1 4 剪切仪组成2 3 3 2 天然气水合物储层剪切强度实验2 5 3 2 1 实验流程2 5 3 2 2 水合物饱和度确定2 6 3 2 3 剪切过程分析- 2 6 3 2 4 结果分析2 8 3 3 水合物井壁坍塌压力的计算3 0 3 4 本章小结3 2 第四章天然气水合物井筒温压模型的建立3 3 4 1 假设条件3 3 4 2 模型控制方程3 3 4 2 1 环空流体模型3 4 4 2 2 钻柱流体模型3 7 4 3 参数确定3 8 4 3 1 流体参数3 8 4 3 2 管柱参数4 0 4 3 3 地层参数4 3 4 4 定解条件4 4 4 4 1 温度定解条件4 4 4 4 2 压力定解条件4 4 4 5 本章小结4 5 第五章模型求解与影响因素分析4 6 5 1 求解过程4 6 5 2 模型离散4 7 5 2 1 空间域的离散4 7 5 2 2 时间域的离散4 7 5 2 3 控制方程的离散4 8 5 3 编程计算及结果分析5 3 5 3 1 环空温度分布5 3 5 3 2 环空压力分布5 6 5 4 本章小结6 1 v l i ， 结论与建议6 2 参考文献6 3 致谢。6 7 崞 j ， 丫；坩 中囡杠油大学( 华东) 硕士学位论文 第一章前言 1 1 研究的目的及意义 随着油气资源的巨大消耗，人类在2 1 世纪后期将面临油气资源的严重危机。特别 是作为能源消耗大国的中国，年原油进口已经超过1 亿吨。国内陆上油气田的产量勉强 保持稳定，专家估计短期内很难再有重大突破。天然气水合物是近二十年来在海洋和冻 土带发现的新型能源，具有分布广泛、资源量大、能量密度高、洁净无污染等优势，因 此正受到世界各国的青睐，被认为是未来理想的替代能源【l 】。 2 0 0 7 年6 月我国在南海北部天然气水合物钻探中获得突破性发现，在3 个工作站位 成功取得了水合物实物样品，获取水合物的成功率高达6 0 。因此我国成为第4 个采到 水合物实物样品的国家( 前三个分别为美国、日本和印度) 。通过对这些水合物样品进 行分析，科学家认为我国南海神狐海域的水合物初步预测总量可达1 0 0 亿吨油当量，而 且水合物层厚，饱和度高，均匀分散状呈层分布，显示了我国南海北部天然气水合物资 源具有巨大的能源潜力【2 】。2 0 0 9 年9 月，我国在青海发现天然气水合物，这是世界上第 一次在中低纬度冻土区发现天然气水合物，初略的估算远景资源量至少有3 5 0 亿吨油当 量【3 】，以上数据让我们看到了中国天然气水合物能源开发的美好前景。 通常天然气水合物存在于松散沉积层中，多为泥质胶结的粉砂岩、粉细砂岩，埋藏 深度浅，成岩性差，胶结程度低，结构比较疏松，相比于一般沉积物，水合物沉积物的 岩石强度较弱【4 】。天然气水合物储层还是一个敏感系统，温度和压力的微小变化都会引 起水合物的分解或形成。钻井过程中，由于近井地带水合物的分解，井壁力学性质发生 变化，强度明显减小，很容易导致井壁失稳。另外分解出的天然气侵入环空，随钻井液 上升过程中体积不断变大，致使环空中钻井液密度减小，井底压力减小，从而加剧了井 壁坍塌的发生。如果控制不好将会导致水合物大量分解，引起井涌井喷，井眼报废，甚 至发生钻井船沉落、海底滑坡、环境破坏等严重事故 5 】。可见天然气水合物资源的开发 利用是一项高风险、高难度、高技术的综合性工程。 天然气水合物储层剪切强度是研究井壁稳定必须的力学性质之一，研究水合物储层 的剪切强度对分析水合物分解前后储层力学性质的变化、认识井壁围岩的破坏规律具有 重要而基础的作用。但是就目前的技术和设备水平来说，要制取并保持水合物岩样的原 状性质不变进行室内常规强度实验还很难，适合于测定水合物储层剪切强度的实验设备 很少，并且水合物实验研究周期较长，控制难度较大，因此这方面的数据还非常缺乏。 l 第一章前言 本课题致力于天然气水合物储层剪切强度实验和钻井中的井壁稳定研究，拟采用自 主研制的天然气水合物剪切强度仪测定不同饱和度、不同胶结程度下的储层剪切强度， 为计算水合物分解前后井壁的坍塌压力提供参数。在考虑岩屑和地层中水合物分解的情 况下，建立环空中气液两相流体的温度压力模型，编程求解模型并进行相关参数的敏感 性分析，提出保持水合物层低温高压环境的合理钻井方案，为保持井壁稳定和安全钻进 提供指导。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 水合物储层剪切强度研究现状 天然气水合物储层剪切强度是研究井壁稳定必须的力学性质之一，研究水合物储层 的剪切强度对分析水合物分解前后储层性质的变化、认识井壁围岩的破坏规律具有重要 的作用。由于种种技术和设备的限制，目前这方面的数据还非常缺乏。 w i n t e r s 等【6 】在室内利用声波测量仪和三轴实验仪对孔隙中分别充满水合物和冰的 沉积层的声波特性和力学性质进行测定，研究了不同充填物和不同孔隙度情况下水合物 储层声学和力学性质的的区别。结果表明相比于没有任何充填物的沉积层来说，有水合 物或冰填充的沉积层的波速变大，并且充填物含量以及填充物与岩土颗粒的胶结程度对 声波的增大程度有关。 w i n t e r s 等【刀提出自然界的天然气水合物只有一部分与沉积层的岩土颗粒进行了胶 结，相比之下，实验室内生成的水合物岩心中水合物与岩土颗粒胶结的程度较好。通过 对m a l i k 地区获取的水合物原状岩心进行声学和力学实验也证明了这一点，由此可见实 验室内的水合物沉积物并不能精确反映水合物储层的原状性质，两者的结果是不同的或 存在一定的修正关系。 在加拿大西北m a c k e n z i e 三角洲进行的水合物钻探中获取了水合物原状岩心，加拿 大和日本科学家在三轴控制条件下对原状岩心进行了强度实验，实验结果表明含水合物 岩心的的剪切强度至少是不含水合物岩心的5 倍。 2 0 0 3 年，佐治亚理工学院在实验室对含水合物岩样进行了三轴实验，岩样分别用砂 子、粘土和石英粉三种基质制成，对这三种水合物岩样的体积弹性模量、应力应变曲 线、泊松比和剪切强度等进行测定，并根据莫尔库伦准则研究了石英粉岩样的内聚力 和摩擦角在水合物饱和度为5 0 的条件下和不含水合物条件下的区别。 h y o d o 等【8 】通过室内三轴压缩实验研究了甲烷水合物模拟岩心在不同水合物饱和度 情况下的力学性质，并对水合物对力学性质的影响机理进行了分析，随后对温度和有效 2 - 1 v i 硝 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 围压对力学性质的影响进行了实验验证，最后得出了水合物沉积层力学性质随饱和度、 温度和有效围压变化的定量关系。 m a s u i 等9 】【1 0 1 对日本南海海槽地区钻取的4 个水合物原状岩心和实验室内合成的水 合物岩心进行了三轴压缩试验，对比了原状样和合成样岩心的不同，结果表明合成样岩 心的强度要稍大于原状样，这一点有可能与原状样在获取或搬运过程中的扰动有关。 h y o d o 和c l a y t o n u 】为了解决在实验室合成水合物岩心后保持原状放置到三轴仪上 的技术难题，两人分别在原有实验设备的基础上改装了水合物沉积层合成和剪切一体化 的装置，并利用该装置研究了水合物模拟储层的强度性质。 1 2 2 水合物钻井技术研究现状 目前国内外天然气水合物钻井基本上有两种方法，即分解溶许法和分解抑制法。分 解溶许法是利用常规钻井液，不改变其密度和温度，在钻井过程中对水合物的分解进行 有控制的诱导，钻机上的特殊气体分离装置可以安全处理分解出的气体。分解抑制法是 通过增大钻井液密度和降低钻井液温度的方法，将水合物控制在相平衡状态来防止分 解。一般来说分解容许法对设备的要求高，而且存在风险的可能性较大。分解抑制法只 需预先设定好钻井液的温度和密度，控制起来相对简单，是目前常用的水合物钻井方法。 国内外普遍认为，海洋水合物钻井时应采用半潜式钻井平台或钻探船等浮式钻井装 置。根据我国南海北部陆缘天然气水合物钻探的实际情况，需要设置水深2 0 0 0 - - - 3 0 0 0 m 的海洋钻井装置。由于目前海洋钻井装置主要用于常规油气的钻探，满足水合物钻井的 钻井平台为数很少，若要进行海洋水合物钻探，则必须根据钻进水合物储层的实际需要 对常规海洋钻井装置进行相应的改进【1 2 1 。 天然气水合物钻井时可能遇到多种难题，需要相关技术对井筒内的温度和压力进行 严格控制，以达到稳定水合物储层的目的。国内外普遍认为控制压力钻井方法( m p d ) f l 邑 够精确控制整个井眼的环空压力剖面，可以解决水合物钻井时的许多难题。控制压力钻 井技术使用封闭、承压的钻井液循环系统，可以在循环发生井涌时继续钻进，大大提高 了钻井能力，使接单根时的井底压力更加稳定。该技术包括回压控制、流体密度控制、 环空流体液面控制、循环摩擦控制和井眼几何尺寸控制，m p d 技术是未来发展水合物 钻探技术的首选技术 1 3 1 。 ( 1 ) 水合物钻井必须遵循的原则【1 4 1 开钻前确定水合物储层的深度，并通过地震勘探资料、地温梯度、压力梯度、水 合物平衡曲线和附近已有的钻井资料等条件，尽可能多的获取水合物层的相关信息； 3 第一章前言 钻进中密切监视钻井参数的变化，如钻屑状态、钻头进尺和返出钻井液的气体含 量等，并采用m w d 、l w d 等实时测量技术，尽早检测到水合物的存在； 如果检测结果显示水合物层存在，应当根据水合物层钻井的特殊方案设计调整钻 井参数，这些参数主要包括钻井液的密度、温度，排量以及钻头进尺等，严格控制气体 的分解量和侵入量，如有需要果断采取井喷控制技术体系。 ( 2 ) 水合物钻井的关键技术 由于水合物钻井时出现问题较多，在使用控制压力钻井的基础上，还需要综合考虑 各种配套技术，以解决水合物钻井中遇到的问题 阍，天然气水合物钻井的关键技术概括 如下： 钻井液冷却技术，该技术是为钻井液提供足够的低温条件，保证在现有的钻井液 密度下，水合物层的循环温度处于临界温度以下； 水合物分解抑制剂，钻井液中加入水合物分解抑制剂，通过化学方法抑制水合物 的分解是一种行至有效的方法； 低放热固井水泥，可以减少水泥固化过程中的放热反应，从而减少套管鞋附近水 合物的分解。 1 2 3 水合物钻井中的井壁稳定研究现状 虽然世界多国已有天然气水合物的钻井施工，但由于对水合物沉积层的物理特征及 水合物分解规律的研究还处于起步阶段，认识还不够清楚，因此水合物钻井中的井壁稳 定性研究还很少。另外，进行实际钻井的成本较高，水合物地层的钻井活动非常少，这 方面的经验积累还不足。 水合物层钻井时，由于温度和压力发生变化，井壁附近的水合物分解生成气体和水， 导致钻井液发生气侵，井底压力下降，从而加剧了水合物的分解，产生更多的气体，这 样就形成了恶性循环。总体而言，水合物分解对井壁稳定的影响包括以下几个方面 1 6 】： ( 1 ) 水合物的分解会导致储层渗透率增加、空隙压力降低、弹性模量减少、胶结程度 变差甚至消失，使沉积层的岩石性质发生变化、力学强度减弱，很容易发生井壁破坏； ( 2 ) 气侵使钻井液密度减小，静液柱压力降低，井壁岩石的受力状态发生变化，围压 失去平衡，容易使井壁产生剪切破坏，导致井眼扩大甚至坍塌； ( 3 ) 钻井液气侵使其流变性发生变化，钻井液净化井眼的能力降低，使岩屑沉积，发 生井眼封闭和卡套管等事故。 相关文献指出，天然气水合物沉积层中井壁稳定的模拟需要用到双向力学稳定数值 4 啼 - 叼 ， ，一 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 工具，对沉积层的力学和基于时间的稳定性进行分析【1 7 1 。其中包括以下部分：钻井液与 地层的热量交换和水合物分解的热量转换、钻井参数变化对钻井液与地层之间作用的影 响、天然气水合物分解与再合成的速度随温度和压力的变化规律以及沉积层物理性质的 变化规律。这种数值工具可以模拟保持井眼稳定的机理，也可以得到安全钻井条件下钻 井液的密度、组成和温度等参数。另外还需要估计以下因素( 但不能仅限于此) ：本构模 型的影响，钻井液对储层升温、井壁应力变化、井眼压力变化的影响，水合物分解导致 储层强度降低的影响1 引。 在加拿大m a l l i k 油田西北地区、美国阿拉斯加普拉德霍湾k u p a r u k 地区和日本近海 南开槽地区都进行了水合物的钻井和测井实践。其中在阿拉斯加北斜坡c a s c a d e 油田 的钻井施工中研究了原生水合物的稳定性问题，目的是力求在最小气侵量的情况下安全 钻进，研究的重点放在了量化钻井风险上。 宁伏龙在对水合物力学性质和热物理性质进行研究的基础上，根据常规油气钻井中 井壁稳定的理论和方法，对水合物地层井壁稳定的力学机理、影响因素和稳定井壁的钻 井液技术进行了探讨。考虑了钻井液进入水合物地层的渗流作用对井壁稳定的影响， 把井壁应力场方程和渗流方程进行耦合，建立了水合物井壁力学稳定分析模型。 钻井液的造壁性、滤失量、低温稳定性和水合物抑制性对井壁稳定也有很大影响。 蒋国盛等通过实验研究了以盐聚乙二醇为抑制剂的水基钻井液体系的防塌性能，指出在 设计保持水合物井壁稳定的钻井液体系时，优化聚乙二醇含量和钻井液处理剂类型是非 常重要的。 1 3 研究内容与技术路线 1 3 1 研究内容 ( 1 ) 研制天然气水合物储层剪切强度仪，根据水合物存在的特殊条件，提出研究思路 和解决方案； ( 2 ) 利用天然气水合物剪切强度仪测定水合物储层的剪切强度，研究随饱和度和胶结 程度的变化，水合物储层剪切强度的变化规律，对内聚力和内摩擦角进行定量分析； ( 3 ) 在考虑岩屑和近井地层水合物分解的情况下，应用多相流和传热理论建立环空中 气液两相流体的温度压力模型，编程求解该模型，对相关钻井参数和储层参数进行敏感 性分析； ( 4 ) 根据敏感性分析结果，优选钻井参数使水合物层保持低温高压的环境，预防井壁 水合物分解，保持井壁稳定。 气 第一章前言 1 3 2 技术路线 ( 1 ) 调研国内外天然气水合物储层物理性质方面的研究现状，对影响水合物井壁稳定 的储层物性和力学参数进行系统总结； ( 2 ) 研制天然气水合物储层剪切强度仪，并进行剪切强度实验，测定不同饱和度、不 同胶结程度下储层内聚力和内摩擦角的变化规律； ( 3 ) 考虑岩屑和地层中水合物的分解，利用微元分析的方法，根据多相流连续性方程、 动量方程、能量守恒方程及对应的定解条件，建立环空中气液两相流体的温度压力模型； ( 4 ) 利用v b 语言编写模型求解程序，进行相关钻井参数和储层参数的敏感性分析， 分析这些参数对环空温度压力分布的影响； ( 5 ) 将求取的环空温度压力与水合物相态曲线和钻井液安全密度窗口进行对比，提出 保持水合物层井壁稳定的钻井液临界入口温度和修正的密度窗口。 6 鼙 j 7 ， 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第二章天然气水合物地层的物理性质 天然气水合物地层的物理性质是研究井壁稳定的基础，是整个水合物勘探开发钻井 所需的支持信息。水合物的赋存一方面影响了储层力学强度，另一方面改变了孔隙度和 渗透率等储层属性，这些参数都会对井壁稳定产生影响。因此研究水合物储层的物理性 质是很有必要的。 2 1 水合物的结构及形成条件 2 1 1 水合物的结构 1 8 1 0 年，h u m p h v e yd a v y 首次在实验室条件下用氯气合成了气体水合物，后来陆 续在实验室用h 2 s 、c h 4 、c 2 h 6 、c 2 h 4 、c 2 h 2 、n 2 0 等气体合成了水合物。第一次在实 验室外发现天然气水合物是1 9 3 4 年美国化学家e gh a m m e r s c h m i d t 在俄国的天然气管 道中发现的，在冰点温度上甲烷水合物的形成阻碍了天然气在管道中的流动，这个发现 很快引起了人们对输送天然气中水含量的控制 2 0 】。1 9 6 7 年，前苏联在永久冻土带发现 了第一个水合物沉积层。在m e s s o y a k h a 气田，水合物的埋藏深度主要在0 9 0 0 m 范围 内，估算水合物的储量至少为该气用储量的1 3 ，从1 9 6 9 年至1 9 8 3 年期间，在m e s s o y a k h a 气田，至少有5 0 x 1 0 8 m 3 气是从水合物中释放的。西半球首先在永久冻土带发现水合物 沉积层是1 9 7 2 年a r c o e x x o n 石油公司在阿拉斯加西北部e i l e e n - 2 撑中钻遇的。同年，在 加拿大m a c k e n z i e 三角洲钻探了i m p e r i a l 样，也发现了水合物。随后在俄国、加拿大和阿 拉斯加永久冻土带做了进一步地质调查，从而引起了人们对水合物资源的更加重视【2 1 1 。 天然气水合物主要由天然气和水组成，呈固体状态，其外貌极像冰雪或固体酒精， 点火即可燃烧，因此被称为“可燃冰 【2 2 1 。苏联科学院院士尼基丁于1 9 3 6 年首次提出 了天然气水合物的笼形结构，该理论被沿用至今。1 9 4 8 年p o w e l l 将水合物定义为格子 状的许多混合物组成，格子状意味着笼形物。天然气水合物被称作非化学计量的物质， 这意味着结构水分子形成笼子圈住客体气分子。自然界中的水合物通常形成三种不同的 晶体结构，即i 型、i i 型和h 型。整个水合物结构可形象地看做无数个多边形的笼子堆 积在一起。在自然界产生的这三种结构中，i 型结构是最经常出现的。 7 第二章天然气水合物地层的物理性质 图2 - 1l 型天然气水合物结构图 f i 9 2 - 1 s t r u c t u r eo ft y p eig a sh y d r a t e 在自然界中，i 型结构和i i 型结构水合物是两种互相联系的结构类型。它们是五角 十二面体、十四面体和十六面体三种晶格( 空穴) 类型的不同组合。i 型结构的水合物 为立方晶体结构，其笼状格架中只能容纳一些较小的碳氢化合物，如c h 4 、c 2 h 6 ，还有 一些非碳氢气体，如n 2 、c 0 2 、h 2 s 等。如图2 1 所示，i 型结构天然气水合物由1 2 个 正五边形构成的十二面体( 5 1 2 ) 和由1 2 个正五边形、2 个正六边形构成的十四面体组 成( 5 1 2 6 2 ) 。i i 型结构水合物则由1 2 个正五边形构成的十二面体( 5 1 2 ) 和由1 2 个正五 边形、4 个正六边形构成的十六面体组成( 5 1 2 6 4 ) 组成，i i 型结构的水合物为菱形晶体 结构，其笼形格架较大，不但可以容纳c h 4 、c 2 h 6 ，而且可以容纳较大的，c 3 h 8 和异丁 烷分子【2 3 】。 h 型结构水合物与i 型结构和i i 型结构水合物不同，稳定的h 型结构水合物是一种 二元水合物，即晶体胞腔包括三种大小不同的空穴，且空穴中必须包含两种客体分子， 像甲烷这样的小分子气体占据着两个较小的空穴，而较大的烃类分子则占据一个较大的 空穴。h 型结构水合物晶体胞腔总共包含3 4 个水分子，晶体胞腔中两个较小的空穴， 一个由1 2 个正五边形构成的十二面体( 5 1 2 ) ；另一个由3 个正方形、6 个正五边形、3 个正六边形构成的十二面体( 4 3 5 6 6 3 ) ；较大的一个空穴是由1 2 个正五边形、8 个正六 边形构成的二十面体( 5 1 2 6 8 ) 。从整体上看，h 型结构水合物晶体结构的空间构型为菱 形体 2 4 1 。 h 型结构晶体被称作六方晶体结构，像雪花一样，具有最大的笼形格架，可以容纳 分子直径大于异丁烷的有机气体分子。i i 型和h 型结构的水合物比i 型的要稳定得多， 但自然界产出的水合物以i 型为主。最终自然产生的晶体结构主要取决于这些气的存在， 这些气一般在有机物的分解中形成，所以经常在海底的沉积层中发现【2 5 1 。 8 鼙 弦 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 图2 - 2 三种不同笼型结构示意图 f i 9 2 2 i l l u s t r a t i o no ft h et h r e ed i f f e r e n tg a sh y d r a t ec a g es t r u c t u r e s 图2 - 3 水合物晶体结构 f i 9 2 - 3c r y s t a ls t r u c t u r e so fg a sh y d r a t e s 图2 3 中，( a ) 表示i 型结构，2 m s 6 m l 4 6 h 2 0 表示一个单元，显示c h 4 分子在 m s 和m l 笼子里；( b ) 表示型结构，1 6 m s 8 m l 1 3 6 h 2 0 表示一个单元，显示c h 4 分 子在m s 笼子里，四氢呋喃分子在m l 笼子里；( c ) 表示h 型结构，2 m s 3 m s m l 3 4 h 2 0 表示一个单元，显示c i - h 分子在m s 和m s 笼子里，环己烷分子在m l 笼子里【2 6 1 。 9 第二章天然气水合物地层的物理性质 表2 - 1 水合物晶体特性1 2 7 1 1 2 8 i 水合物i 型i i 型h 型 晶穴结构5 1 2 5 1 2 6 2 5 1 25 1 2 6 45 1 24 1 2 5 6 6 35 1 2 6 8 晶穴规格小大小大小中大 晶穴半径( 1 1 1 2 1 1 )0 3 9 10 4 3 30 3 9 10 4 7 30 3 9 10 4 0 60 5 7 1 晶穴数日261 6832l 晶体结构立方型 菱形 六面体 单位晶包水分子( 衄)4 61 3 63 4 可容纳分子大小( 咖) 0 5 2 o 5 2 d 6 90 7 5 0 9 0 密度( g e r a 3 )0 9 l0 9 4 1 9 5 2 2 1 2 水合物形成的条件 天然气水合物主要存在于海洋的海底沉积物和陆地的永久冻土带中，根据海洋温度 压力分布研究，世界上9 0 的海洋某一深度均有适宜水合物存在的环境。合适的温度压 力条件只是形成水合物的前提，还需要充足的天然气和水作为物质基础和多空隙的沉积 物作为赋存空间，如果这些条件都能满足，便会有天然气水合物的形成。一般来说较年 轻的海洋碎屑沉积层都是欠压实的，沉积层中具有充足的孔隙和大量的孔隙水。天然气 的形成主要包括生物成因和热成因，生物成因是指沉积碎屑中的有机物通过生物作用形 成的浅层气，热成因是指深部地层中通过热作用形成的甲烷气向上迁移过程中进入水合 物稳定存在的温压场。 图2 4 水合物形成的相图2 9 l f i 9 2 - 4 t h ep h a s ed i a g