深水油基钻井液中抑制水合物形成的实验研究.pdf

第 3 O卷第 3期 2 0 0 9年 5月 石 油 学 报 ACTA PETROI EI SI NI CA Vo 1 ． 3 0 No ． 3 Ma y 20 0 9 文章 编 号 0 2 5 3 2 6 9 7 2 0 0 9 0 3 0 4 4 0 0 4 深水油基钻 井液 中抑制水合物形成 的实验研究 宁伏龙 张 凌’ 蒋国盛 涂运 中 史茂 勇 1 ．中国地质大学工程学院 湖北武汉4 3 1 0 7 4 ； 2 湖北汉科新技术股份有限公司 湖北荆州4 3 4 0 0 0 摘要在温度为 4 ℃、 压力为 2 0 MP a条件下， 利用 水合物综合模拟实验 系统 ， 对用 于南海深水钻井的油基钻井液体系进行 了抑制水 合物生成的评价实验。结果表 明， 由于天然气在油相中的溶解度远高于在水 中的溶解度 ， 油基钻井液又是分散的乳化液， 使得 油基 钻 井液 中水 合物形成的诱 导时间比水基钻井液中少 。因此含水的油基钻井液体系在深水环境 下 高压 和低温 很容易生成天然 气 水合物 ， 含水量越高， 生成的量越大。所以在钻 井作业过程 中， 要适 当降低 泥浆 中水的含 量， 增加泥浆密度， 防止地层水和 气大 量进 入 井内随油基钻 井液一起循环 。高浓度 乙二醇能较好地抑制油基钻 井液 中水合物的形成 。为 了达到最佳抑制效果， 可在钻 井液中 配合 加 入 适 量聚 合 醇 与 无 机 盐 。 关键词 油基钻井液； 天然气水合物 ； 含水量 ； 溶解度 ； 抑制剂 ； 实验研 究 中图分类号 TE 2 5 4 文献标识码 A Ex p e r i me nt a l s t u d y o n i n hi b i t i o n o f hy d r a t e i n o i l _ b a s e d d r i l l i n g f l u i d f o r d e e p wa t e r d r i l l i n g NI NG F u l o n g ZHANG Li n g J I ANG Gu o s h e n g TU Yu n z h o n g S HI Ma o y o n g 1 ．Fa c u l t y o f En gi n e e r i n g，C h i n a Un i v e r s i t y o f Ge o s c i e n c e s ，Wu h a n 4 3 0 0 7 4，C h i n a； 2 ．Hu b e i Ha n k e Te c h n o l o g y Co mp a n y，Lt d ． ，J i n gz h o u 4 3 4 0 0 0 ，C h i n a Ab s t r a c t Oi l b a s e d dr i l l i n g f l ui ds OBDFwe r e u s e d i n d e e pwa t e r dr i l l i n g o f So ut h Chi n a Se a ．The f or ma t i on c h ar a c t e r i s t i c s of g a s hy dr a t e i n oi l b a s e d dr i l l i n g f l ui d we r e i nv e s t i g a t e d u nd e r t h e c o nd i t i o ns o f 4℃ a nd 2 0 M Pa by us i n g t h e e x pe r i m e nt a l s y s t e m of ga s hy dr a t e i nt e g r a t i v e s i m u l a t i o n．Th e e x pe r i me n t s s howe d t ha t t he i ndu c t i o n t i me o f hy dr a t e f or m a t i o n i n OBDF i s l e s s t h a n t ha t i n wa t e r - b a s e d d r i l l i n g f l u i d b e c a u s e n a t u r a l g a s s o l u b i l i t y i n o i l i s g r e a t l y h i g h e r t h a n t h a t i n wa t e r ，a n d OB DF i s d i s p e r s i v e e mu l s i o n ．h me a n s t h a t t he f o r ma t i o n of g a s h yd r at e i n t h e oi l b a s e d d r i l l i ng f l u i d wa s e a s i e r a nd q ui c ke r t h a n t ha t i n t he wa t e r - b a s e d d r i l l i ng f l ui d un de r t he c o ndi t i o n o f de e p wa t e r hi g h p r e s s ur e a n d l O W t e mpe r a t ur e ． The hi gh e r c o nt e n t of wa t e r i n o i l b as e d dr i l l i ng f l uid c ou l d g e n e r a t e l a r g e a mo u n t o f h y d r a t e ， I n t h e d e e p wa t e r d r i l l i n g p r o c e s s ，t h e c o n t e n t o f wa t e r i n t h e o i l b a s e d d r i l l i n g f l u i d s h o u l d b e r e ～ d u e e d ，a n d t h e d e n s i t y o f d r i l l i n g f l u i d s h o u l d i n c r e a s e a n d p r e v e n t t h e f o r ma t i o n wa t e r a n d g a s f r o m e n t e r i n g i n t o we l l b o r e ． Hi g h - d o s a g e e t h y l e n e g l y c o l c a n e f f e c t i v e l y i n h i b i t g a s h y d r a t e f r o m f o r mi n g i n t h e o i l b a s e d d r i l l i n g f l u i d ．Ad d i t i o n o f p r o p e r p o l y o l o r i n ～ o r g a n i c s a l t s s u c h a s p o l y e t h y l e n e g l y c o l a n d Na C I c a n e f f e c t i v e l y i n h i b i t h y d r a t e f r o m f o r mi n g i n t h e o i l b a s e d d r i l l i n g f l u i d ． Ke y w o r d s o i l b a s e d d r i l l i n g f l u i d s ；g a s h y d r a t e ；wa t e r c o n t e n t ；s o l u b i l i t y；i n h i b i t o r ；e x p e r i me n t a l s t u d y 近年来 海上油 气 田开 发 的钻 井 水深 不 断增 加 ， 由 此 面临 的技 术挑 战也 越来 越 复杂 ， 其 中之 一 就 是水 合 物危害。在海洋深水 钻井过程 中， 如果钻遇浅层含气 砂 岩 ， 气体进 入钻井 液 ， 在海 底低温 和高压 作用下 就容 易形成气体水合物 ， 从而堵塞井筒、 环空或防喷器， 严 重影 响钻井 作 业 的顺 利进 行 _ 1 ] 。因此 ， 从 2 世 纪 9 年代初开始 ， 国外在深水钻井时就采取了严格的措施 来抑制天然气水合物的形成 。 在深水钻井液 中添加某些处理剂， 使钻井液具有 水合物抑制性， 成为深水钻井时抑制天然气水合物形 成的主要措施l 2 。在海洋深水 和水 合物地层钻井 时， 一般加入热力学水合物抑制剂 ， 而加入动力学抑制 剂的钻井液使用情况还在探索中。在深水钻井液体系 上， 最常用的是高盐／ P HP A聚合物加聚合醇钻井液 体系和合成基钻井液体 系 。由于油基和含油的合 成基钻井液在保护储层和提高钻速方面所具有 的优 点 ， 国内外也 常在 深 水 钻 井 中采 用 此类 钻井 液 体 系 。 笔者通过水合物综合实验系统 ， 对准备用于南海深水 钻井的油基钻井液体系进行了水合物生成和抑制性评 价实验， 初步掌握了油基钻井液在深水条件下的水合 基金项 目 国家高技术研究发展计划 8 6 3 项 目 2 0 0 6 AA0 9 Z 3 1 6 和国家 自然科学基金项 目 No ． 5 0 7 0 4 0 2 8 联合资助。 作者简介 宁伏龙 ， 男 ， 1 9 7 7年 8月生， 2 1 0 5年获中国地质大学 武汉 博士学 位， 现为中国地 质大学 武 汉 工程学院副教授 ， 主要从事天然气 水合物 勘探开发 、 海 洋油气钻井开发方面的研究。E ma i l n f l z x c u g ． e d u ． C F I 第3期宁伏 龙等深水油 基钻 井液中抑制水合物形成的实验研究4 41 物形成特 征及相应 的抑制措施。 1 油基钻井液水合物实验 1．1 实验装置与 材 料 采用自行研制的天然气水合物 综合 模拟实验 系 统，其基本组成如图1所示。主要包括①钛合金高压 可视反应釜，体积约为3L，釜体周 围开有4个观察 窗 口，可安装用于 显微观察的耐高压透明晶体，其最高工 作压力 为25M Pa；在安 装 盲盖条件下，最高工作压力 为50M Pa，反应釜4个观察窗口全部采 用 盲盖密 封； ②改造的可编程高低温实验 箱，提供反 应 所需的 温度 环境；③压力控制系统包括高压控制台、空压机 和真空 泵 ，高压控制 台带有 超压保护机构；④数据采集 与控制 系统，采集和处理模拟实验系统 中的数据 ，计算机通过 反应釜内的压力传感器检测 系统压力，超压时自动接 通高压控制台上的超压保护机构，实现自动泄 压；⑤高 压气源，提供水合物合成所 需 的甲烷或天然气。 气 源 压力表 截粤目j pi增i J 压泵 - fl茸 州髫 孽 ＼ 一 ／il蓁 『[二 二二期 一 ；I 反应釜 I II l l科 一j 辚 誉 图1天然气水合物综合模拟 实验系统 F i g ．1T he synthetic experimentalsystem ofgashydrate simulation 实验所 用的甲烷气体由武汉弘盛工业气体有限公 司提供，纯 度为 99．99％ 。测试的钻 井 液体系为湖北 汉科有限公司所配的将用 于南海深水 钻井的油基钻井 液，其基 液配方 为密度 为0 ．62g／cm 。 的汽化油 2％ 乳 化剂 0．5 ％ S P 一 11％ LP 一 12％SV 一 3 0．5％SV 一 14，其 中百分 数 为质量分 数，S V 一 3 、SV 一 14和LP 一 1为 增黏剂，SP 一 1为润 湿剂。 在实验中采用经过 去离子处 理的蒸馏 水。 1．2 实验原理与过程 采用恒容实验方法，由于生成水合物时伴 随有 热 量放出，所以水 合物生成 时反应釜内会 有温度 升高和 压力降低的现象，因此用这 些变化来评 价 油基钻井液 水合物生成和抑制剂的抑制情况 。首先把各系统按 图 1的方式连接 。通 过高压控 制台，用蒸馏水对 反应釜 及高压管道进行清洗，然后用甲烷气体吹扫管路 ，确保 反应釜及管道内没有残 留液体。在试压检查系统无泄 漏后，打开真空泵，将配置好的钻 井 液吸入反应 釜中。 开启增压泵，以约2M Pa／min的增压速度缓慢 向反应 釜中泵人甲烷气体到20MPa模拟2 0001TI水深，待 反应釜内压力稳定后，关闭气源和控 制台上的高压针 阀，静置 一 段 时间约12h，让反应釜内气体和液体充 分混合。静置完成后，启动高低温实验箱，设定温度为 4u C ，以3℃／h的降温速度冷却反应釜 。打开数据采集 系统，对反应釜内部 的温度液相、气相 的温度和 压力 以及反应釜外的环境温度进 行 测 量和实时保存。达到 预定 实验时 间后，保持高低温实验箱内低温 环境，释放 釜内气体，拆开反应釜，观察是否有水合物生成。 2 实验结果及分析 2．1 油基钻井液含水量对 水合物 生成的影响 首先测试 的 油基钻井液配方为2L的 汽 化油 2％乳化剂0．5％ S P 一 1 1％LP - 1 2％S V 一 3 0．5％ S V 一 14 10％水，通人甲烷气 体，在4℃ 、20MPa下维 持4 h，发现压力有轻微下降，温度 略 微 升高图2。 芒 譬 、 R 幽 p 、 越 赠 图2含 水量 为10％油 基钻井液测试 的温度 与压力变化 曲线 F i g．2 Temperatureandpressurechanges ofoil ‘ baseddri l ling frui dswith10％watercontent 开盖观察 到 有少 量水 合物生成。随后增加 含水量 到 30％，在同样的温度 、压力和实验时间下，发现 反应釜 压力有明显下降[图3a]，开盖后观察 到有水合物生 成且量比较多[图 3b] 。说 明 随 着油 基钻 井 液中 含 水量的增加，水合物的生成量 也增加。 2．2 油基钻井液体系对水合物生成动力学特征的影响 上述油基钻 井 液 体 系 在4℃、20M Pa下维持4h 就有 水合物生成，而将同样体积 的蒸馏水注人反应釜。 通入甲烷气体，保持相同条件，发现压力无明显变化， 开盖后未发现水合物存在。随后 重复相同步骤，增加 实验时间，发现 8h后压力开始下降，同时温度 升高。 这种趋势 一 直持续到约30h结束，说明这期间有水合 物生成图4。随后 继 续 维持 10h，发现这期间温度 和 压力都无变化，说明绝大部分水合物都是在8 ～ 30h 规加堰MH 他m 8 64 2 石油学报 2009年 第3【l卷 内生成。开盖 后证实确有大量水合物生成 。 通过与上述含水的油基钻井液 中形成水合物 的时 间和数量 进行对比发现，纯水 中生成水合物的速度比 日 山 皇 、 R 幽 时 间Is a测试曲线 p 、 魁 赠 b开益观察 图3含水 量 为30％油基钻井液实验后开盖观察图 F ig．3Oi l based dri llingfrui dswith30％water content intheuncappedautoclave 日 山 岂 、 长 出 p 、 越 赠 图4纯水体系中水合物 生 成情况 F i g．4 Gashydrate ationinpure watersystem 较慢，但生成量比油 基钻 井 液 多。油基钻井液体系生 成水合物所需的诱导 时间比在纯水 中短。由于 甲烷在 油 相中的溶 解度很高，远远大于在 水相中的溶 解 度[ 1 “ ，而油基或含油的合成基钻井液又是分散的乳 化 液，这就增大了溶解气体和水相的接触面 。因此，在油 基钻井液 中水合物更易形成。由于油 基中含 水量较 低，缺乏充足的主体分子 ，从而导致油基中水合物生成 的量较少。 Dalmazzone等人 口叫 用差示扫描 量 热法 DS C通过实验也发现了水合物在油基钻井液 中形成 的动力学特征。 2．3 油基钻井液抑制性评价实 验 将配 置 的 1．6 L汽化油 2％乳化剂 1％有机土 ．5％SP 一 1 1％L P 一 1 10％水 的 油基钻井液注入 反应釜，按相同温度和压力 实验 ，持续20h。发现这 个 过程中温度和 压力都有较 大 变化，开盖后观察到有不 少水合物存在，而有机土颗粒的存在也使得水合物 品 核的形 成和生 长比较容易。随后向该体系中加入质量 分数 为35 ％的乙二醇作为 热 力学 抑制 剂，在 相 同时 间、初始压力和 温度条件下 ，实验过程中未发现温度和 压力 的 变化，开 盖后钻 井 液 表面未有 水合 物存在 图5中反应釜内边缘仍然有少许水合物生成，主要是 由于在这些位置抑制剂无 法发挥有效作用而导致的， 说明乙二醇 对 油基钻井液抑制水合物生成有效果。但 用手伸入钻井 液内部后发现仍然存在少量水 合物颗 粒。 L ,JJH 乙二醇含 量到4 0％，重复上述操作，发现钻 井液内部水合物颗粒 更小 ，数量也更少。因此高浓 度 的乙二醇含量有利于油基钻井 液 抑制水合物形 成，同 时也说 明仅仅依靠单 一 醇类不能完全抑制高压 下油基 钻井液 中水合物形成 ，应当在10％的水中加入适量的 无机盐配合抑制。没有 采 用 低 剂量的动 力学 抑制剂， 是由于在实验前发现它们很难溶于油 基钻 井液中，无 法较好地分散到油系的水相 中。 图5添 加抑制剂 后 的油基钻 井液实验开盖观察 图 F i g ．5P ictureofO BDFwithhyd ra teinhibitor inthe uncappedautoclave 3 结论与建议 1在深水环境下超过100 m，含水的未添加 水合物抑制剂的油基钻井液体系遇天然气会很容易生 成天然气水合物，含水量越多，水合物生成量越大。因 此在油基钻井液钻井作业中，要 适当降低泥浆中水的 含量，增加泥浆比重，防止地层水和气大量进入井 内随 第 3期 宁伏龙 等 深水油基钻井液 中抑制水合 物形成 的实验研究 4 4 3 钻井液循环， 否则很可能 引发水合 物阻塞 ， 导致 钻井 事故。 2 通过与纯水中的水合物生成情况进行对 比分 析 ， 发 现油基 钻井 液 中水 合 物 形 成 的诱 导 时 间 比其 在 水基钻井液中的短。这是由于天然气在油相 中的溶解 度很高 ， 远远大于其在水相中的溶解度 ， 加之油基或含 油的合成基钻井液又是分散 的乳化液 ， 这无 疑增大 了 溶解的气体和水相的接触面积 ， 因此在相同条件下更 容易生成水合物。同时也说明在深水中使用水基钻井 液时 ， 若没有添加合适或足够量抑制剂 ， 应避免长时间 循环或停钻 。 3 热 力学抑 制 剂 乙二醇 可 以较好 地 抑制 油 基钻 井 液 中的水合 物形 成 。为 达 到最 佳 抑 制 效果 ， 可 同 时 加入 适 量无 机 盐 ， 如 Na C 1 和 C a C 1 。此 外 ， 已有 研 究 表明， 生物聚合物 X C 、 聚合醇 如 J L x B 对气体水 合 物 的形 成有 一定 抑 制作 用 ， 可考 虑 在 深 水 油基 钻井 液 中使 用 。 4 目前在深海 区域依然存在水合物阻塞问题。 由于油基钻 井 液体 系在 高 压 下更 易 生成 水 合 物 ， 因此 在设计深水钻井液时尤其要注意。今后还应进一步研 究水合物形成后对油基钻井液性能参数及后续钻井活 动 的影响规 律 。 [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] 参 考 文 献 李巍 ， 黄进军 ， 刘远翔 ， 等． 钻井液处理剂 对气体水合物 形成的影 响研究[ J ] ．西南石油学院学报 ， 2 0 0 5 ， 2 7 6 6 2 6 4 ． I ． i We i 。 Hu a n g J i n j u n ， L i u Yu a n x i a n g ， e t a 1 ．Th e i n f l u e n c e o f d r i l l i n g f l u i d a d d i t i v e s o n t h e f o r ma t i o n o f g a s h y d r a t e [ J ] ． J o u r n a l of S o u t h we s t Pe t r o l e u m I ns t i t u t e ， 2 0 0 5， 2 7 6 6 2 6 4 ． 蒋国盛， 张凌 ， 黎忠 文， 等． 深水海底钻进 泥浆 中使用 的天然 气水 合物抑制剂 [ J ] ． 中国海上油气 地质 ， 2 0 0 1 ， 1 5 5 3 6 8 3 7 0 ． J i a ng Gu o s he n g， Zh a n g Li n g， Li Z h o ng we n， e t a 1 ． Hy d r a t e i n h i h i t o r s o f mu d u s e d i n d e e p o c e a n d r il l i n g [ J ] ． Ch i n a Of f s h o r e Oi l a n d Ga s Ge o l o g y ， 2 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c i e t y o f Of f s h o r e a n d Po l a r En g i ne e r s ， 2 0 0 1 5 1 7 5 2 7 ． 宁伏龙． 天然气水合物地层井 壁稳定性研究[ D ] ． 武汉 中国地质 大学 ， 2 0 0 5 ． Ni n g Fu l o n g ． Re s e a r c h on we l l h o r e s t a b i l i t y i n g a s h y d r a t e f o r ma ri o n [ D ] ． Wu h a n C h i n a Un i v e r s i t y o f Ge o s e i e n c e s ， 2 0 0 5 ． Le e J D， En g l e z o s P． Un u s u a l ki n e t i c i n h i bi t o r e f f e c t s o n g a s hy - d r a t e f o r ma t i o n [ J ] ． C h e mi c a l E n g i n e e r i n g S c i e n c e ， 2 0 0 6 ， 6 1 5 1 3 68 1 3 7 6 ． Le d e r h o s J P， L o n g J P， S u m A， e t a 1 ． Ef f e c t i v e k i n e t i c i nh i b i t o r s f o r n a t u r a l g a s h y d r a t e s [ J ] ． C h e mi c a l En g i n e e r i n g S c i e n c e ， 1 9 9 6 ， 5 1 8 1 2 21 1 2 2 9 ． 张凌 ． 天然气水合物赋存地层钻井液试验研究[ D ] ． 武汉 中 国地 质大学 ， 2 0 0 6 ． Zh a n g Li n g ． Th e e xp e r i me n t a l r e s e a r c h o n d r i l l i n g f l u i d s s y s t e m u s e d i n t h e g a s h y d r a t e b e a r i n g f 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P e t r o l e o n l S c i e n c e a n d En g i n e e r i n g， 1 9 9 9， 2 3 2 7 1 81 ． Da l ma z z o ne D ， Kh a r r a t M ， Fo u c o n n i e r B， e t a 1 ． Th e r mo d y n a mi c s t u d y o f s e v e r a l h y d r a t e s i n d i s p e r s e d s y s t e ms u s i n g d i f f e r e n t i a l s c a n ni n g c a l o r i me t r y t he Fo u r t h I n t e r n a t i o n a l Co nf e r e n c e o n Ga s Hy d r a t e s ， Yo k o h a ma ， J a p a n ， Ma y 1 9 - 2 3 ， 2 0 0 2 [ c ] ． Yo k o h a ma I CG| { 4， 2 0 0 2 ． 收稿日 期2 0 0 8 1 0 1 2 改回日 期2 0 0 9 0 1 1 7 编 辑 仇 学艳 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载