深水鉆井液研究與評價模擬實驗裝置

徐加放,邱正松

(中國石油大學(華東)石油工程學院,山東青島266555)

深水鉆井液研究與評價模擬實驗裝置

徐加放,邱正松

(中國石油大學(華東)石油工程學院,山東青島266555)

分析了我國深水鉆井的現狀和未來發展趨勢,調研分析了深水鉆井所面臨的困難和深水鉆井液必須具備的基本性能。在理論推導并結合實踐的基礎上,研制了深水低溫鉆井液基本性能模擬實驗裝置、深水鉆井液水合物生成與抑制評價實驗裝置以及深水鉆井液循環與井壁穩定模擬實驗裝置等,并對模擬裝置的實驗可行性和平行性進行了驗證。實驗結果表明,新研制模擬實驗裝置控制精度較高、實驗平行性較好,能夠滿足深水鉆井液性能測定與評價的基本要求,為我國深水鉆井液技術研究奠定了一定的室內實驗研究基礎。

深水;低溫;鉆井液;水合物;模擬實驗裝置

目前,許多國家已經開展了一系列的深海油氣勘探開發重大研究計劃,甚至把目光瞄準在水深3 000 m的海底油氣藏。我國海洋面積廣闊,海上石油儲量豐富,但深海油氣勘探目前尚處于起步階段[1～3]。國務院《國家中長期科學和技術發展規劃綱要(2006～2020年)》中將能源和礦產資源的開發和利用列為“重點領域及其優先主題”,其中包括復雜地質油氣資源勘探開發利用和海洋資源的高效開發利用。深水海域油氣資源勘探開發既屬于復雜地質油氣資源又屬于海洋資源,因而成為了我國近年勘探開發的重點。國家發改委“十一五”863國家高技術研究發展計劃即開展了對南海深水勘探開發關鍵技術及其裝備的先導性研究[1]。

而作為深水鉆探的關鍵技術之一的鉆井液,比陸上油氣田和淺水區域將面臨更多的問題和更大的技術挑戰[2]。本文主要針對深水鉆井液研究和評價所需設備進行分析和研制,為深水鉆井液研究與評價奠定實驗基礎。

1 深水鉆井所面對的主要問題

深水鉆井實踐表明,與淺水區域相比深水鉆井所面臨的主要問題有以下幾個方面[3-4]。

1.1 鉆井液的低溫流變性

隨水深增加海水溫度也越來越低,3 000 m水深海水溫度僅為3～4℃,有些地區甚至在0℃左右。溫度降低將會給鉆井及采油作業帶來很多問題。在低溫情況下,鉆井液的流變性會發生較大變化,黏度、切力大幅度上升,甚至還可能出現膠凝現象,尤其是油基鉆井液和合成基鉆井液;過低的溫度環境也增加了天然氣水合物形成的可能性。

1.2 淺層氣與天然氣水合物

深水鉆井遇到的重大潛在危險因素之一是淺層含氣砂巖所引起的天然氣水合物生成問題。天然氣水合物具有類似于冰的結構主要由氣體分子和水分子組成,如果壓力足夠它可以在0℃以上形成。深水鉆井作業海底較高的靜水壓力和較低的環境溫度增加了生成天然氣水合物的可能性。在節流管線、鉆井隔水導管、防噴器以及海底的井口里,一旦形成天然氣水合物,就會堵塞氣管、導管、隔水管和海底防噴器(BOP)等,從而造成嚴重的事故[5-7]。

1.3 鉆井液用量大,井眼清洗困難

海洋鉆井需采用隔水管,3 000 m水深鉆井僅隔水管內鉆井液就至少約300 m3,因此海洋鉆井需要的鉆井液體積比其他同樣地下深度的鉆井液循環總量要大的多。隔水管、套管直徑較大,采用常規措施鉆井液上返流速很難達到清洗井眼的目的。因此,在鉆井過程中使用黏度不同的鉆井液以及有規律地短程起下鉆具等方法來清除鉆屑是有效措施之一。

1.4 海底頁巖的穩定性

深水區域遠離海岸,風、河水和海水攜帶的沉積物越發細小,其沉積速度、壓實方式以及含水量與陸地明顯不同,因而活性大、欠壓實,常表現為易于膨脹、分散性高、易漏失等。導致套管層序增加,有的甚至超過9層;而隔水管的大尺寸和深水低溫增加了鉆井液黏度和循環壓力損耗,進一步惡化了井壁不穩定性。

2 用于深水鉆井液研究與評價的設備及其研制

2.1 深水鉆井液低溫基本性能模擬實驗裝置

深水鉆井液研究面臨的第一困難即低溫環境的模擬,低溫下,鉆井液黏度、切力上升,特別是油基或合成基鉆井液,流變性變差,甚至出現膠凝。因此,深水鉆井液研究首先需要解決低溫流變問題。

由于國內深水鉆井液研究尚處于起步階段,并無資料可供參考,作者經過精心設計和多方論證,研制了鉆井液低溫特性模擬實驗裝置,如圖1所示。

圖1 深水鉆井液低溫基本性能模擬實驗裝置(a.外觀;b.主要儀器)Fig.1 Low temperature simulated equipment for deepwater drilling fluids’p roperties (a.appearance;b.mainly instruments)

儀器功能:鉆井液低溫流變性及中、高壓濾失造壁性測定。技術指標:溫度-20℃～室溫;壓力0～5 M Pa。

由于環境溫度較低,超出了有些儀器的工作條件,有的甚至不再適用,此時必須進行調整和重新標定后方可使用。

2.2 深水鉆井液水合物生成與抑制評價實驗裝置

天然氣水合物是由氣體分子和水分子在低溫高壓條件下形成的具有籠形結構物。一旦有天然氣水合物形成,就會堵塞氣管、導管、隔水管和海底防噴器(BOP)等,從而造成嚴重的事故[5-7]。因此,深水鉆井液需要具有很強的水合物抑制能力,鉆井液成分復雜,對水合物形成的影響規律目前尚不清楚,初步研究結果認為:隨黏土濃度的增加,水合物晶體析出的溫度上升,對水合物的形成起促進作用;由于無機鹽都是熱力學抑制劑,在一定程度上可以避免水合物的形成;有機處理劑中的聚乙二醇系列產品也屬于熱力學抑制劑,5%的乙二醇水溶液抑制水合物效果就比較顯著,但隨分子量增加抑制效果變弱[8-9]。其它有機處理劑(降黏劑、降失水劑、潤滑劑)在正常使用量范圍內對水合物有一定的抑制作用,但影響甚微。所以,深水鉆井液研究需要的第二套設備便是水合物生成與抑制評價實驗裝置(圖2)。

圖2 深水鉆井液水合物生成與抑制評價實驗裝置原理Fig.2 Illustrative diagram of experimental apparatusof hydrate generation and inhibition evaluation

儀器功能:模擬天然氣水合物的生成和水合物抑制劑的評價與篩選等。技術指標:壓力40 M Pa;溫度-20～90℃;攪拌速度0～1 000 r/ min。主要組成:高壓反應釜,恒溫浴槽,氣體增壓系統,真空系統,溫度控制系統,扭矩儀、攪拌器,數據采集與處理系統等。儀器平行性分析:對水合物抑制裝置進行校驗,評價水—甲烷體系相平衡點,驗證水合物抑制評價實驗裝置的精確性和平行性,對實驗裝置的可行性進行分析評價。

實驗用甲烷氣CH4≥99.9%,其雜質含量分別為(10～6 V/V):O2≤100;N2≤250;C2H6≤600; H2O≤50。結果如圖3所示。實驗結果表明,新研制的水合物抑制評價實驗裝置準確可靠,能夠用于深水鉆井液中水合物生成與抑制實驗評價。

圖3 水—甲烷體系相平衡曲線Fig.3 Phase equilibrium curveof water-methane system

2.3 深水鉆井液循環與井壁穩定模擬系統

深水鉆井地層壓力窗口更窄,套管層序較多,因此其表層隔水管和表層套管直徑較大,鉆井液上返流速較低,很難達到井眼凈化目的;地層活性大、欠壓實、易膨脹、分散、易漏失等,導致套管層序增加;而隔水管的大尺寸和深水低溫增加了鉆井液黏度和循環壓力損耗,進一步惡化了井壁不穩定性。因此,合理確定鉆井液排量和上返速度可以起到保證井眼清潔和井下安全,減少套管層序,優選鉆井液類型和流變參數,減少井壁失穩,降低鉆井成本的作用。

2.3.1 相似性

根據相似原理,動力學相似原理包括幾何相似、運動相似和動力相似。幾何相似即原型與模型中對應的幾何線性尺寸成比例,對應的幾何角度相等;運動相似即原型與模型中對應的運動參數如速度、加速度方向一致,大小成比例;動力相似即原型與模型中對應點處受力方向相同,大小成比例。兩個幾何相似的流動,如果動力相似,則牛頓數必相等;反之,牛頓數相等的兩個幾何相似的流動,必然是動力相似;故幾何相似僅是相似的必要條件,而運動相似和動力相似才是相似的充分條件。

2.3.2 常用相似準數

(1)雷諾數:其物理意義為慣性力與黏性力的比。要保證動力相似,則原型和模型上對應點處慣性力和黏性力的比值必須是相同的。該準數常用在完全封閉的流動,如管道、流量計、風扇、泵,或在流動中物體完全淹沒,如車輛、潛水艇、飛機和建筑物。

(2)富勞德數:富勞德數相等也是牛頓數相等的一個特例,其物理意義為慣性力與重力之比。要保證動力相似,則原型和模型對應點處富勞德數必須相同。該準數反映了常用在重力起主要作用的具有自由表面的流體中,如船舶或水上飛機外殼產生的表面波,以及明槽中的流動情況。

(3)歐拉數:歐拉數相等也是牛頓數相等的一個特例,其物理意義為壓力與慣性力之比。要保證動力相似,則原型和模型對應點處歐拉數必須相同。該準數反映了在研究淹沒在流體中的物體表面上的壓力或壓強分布時,壓力成為起主要作用的力的情況。

兩個相似準數在同一個物理現象中,常不能同時滿足相似關系,所以不能直接使用牛頓數,而近似采用雷諾數、富勞德數等判別動力相似的原因。2.3.3 深水鉆井液循環模擬裝置相似性

深水鉆井液循環流動屬于全封閉的流動,因此可以使用雷諾數作為判斷的相似準數。根據雷環空鉆井液雷諾數為:

式中:Re為流體雷諾數;D、d分別表示井眼直徑和鉆具外徑;τ0為鉆井液動切力;ηp為鉆井液塑性黏度。

室內實驗與現場鉆井液密度相同,返速相等,動切力和塑性黏度相同,若只模擬環空,則D2和d2可根據需要進行設定。

(3)人工井壁設計:為了測試不同鉆井液體系和返速對井壁穩定性的影響規律,在模擬井筒上設計一個人工井壁。儀器原理如圖4所示。

儀器功能:模擬低溫鉆井液循環排量、壓力損耗、攜巖效率、井壁穩定等。技術指標:壓力0～3 M Pa;溫度-20～90℃;排量0～15 m3/h。儀器諾數相等應該有以下關系式成立:

式中:v為流體的運動速度;l為流動距離;ρ為流體的密度;μ為流體黏度。

在循環裝置中,使用鉆井液作為循環流體,與實際施工中所使用的流體是相同的。

2.3.4 實驗裝置參數設計與計算

(1)流速:對于深水鉆井液循環模擬系統完全相似是不可能的,因此,只需保證鉆井液返速相同即可。根據調研和《海洋鉆井手冊》,一開鉆進一般采用914.4(36英寸)鉆頭鉆進,鉆具內外徑分別為112 mm和127 mm,鉆井液實際排量約為240 m3/ h,即0.0667 m3/s,則鉆井液的環空返速為:

鉆具內(鉆桿)流速為:v=0.0667＊4/3.14＊0.1122=6.770 mm/s

(2)雷諾數相等相似:此時,假設鉆井液密度為1.0 g/cm3,動切力為30 Pa,塑性黏度為80 m Pa·s,鉆井液符合賓漢流變模式,若雷諾數相等,則:

攜巖實驗結果見表1。

圖4 深水鉆井液循環與井壁穩定模擬裝置原理Fig.4 Illustrative diagram of deepwater drilling fluids circulation and borehole stability simulation apparatus

表1 鉆井液攜巖效果Tab.1 Cuttings carrying eff iciency of the drilling fluids

從實驗數據可以看出,該裝置能夠模擬不同顆粒度鉆屑在不同井斜角條件下的鉆井液攜帶情況,可滿足不同井況深水鉆井需要。

3 結論與建議

通過調研分析了我國深水鉆井基本現狀和發展趨勢以及深水鉆井面臨的困難和深水鉆井液應具備的基本性能。

研制了深水低溫鉆井液基本性能模擬實驗裝置、深水鉆井液水合物生成與抑制評價實驗裝置以及深水鉆井液循環與井壁穩定模擬實驗裝置,滿足了深水鉆井液性能測定與評價的基本要求。

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Research and evaluation on stimulating experiment installation of deepwater drilling fluids

Xu Jiafang,Qiu Zhengsong
(Institute of Petroleum Engineering,China University of Petroleum,Qingdao266555)

Present situation and developing current of deepwater drilling was analyzed in our country,and the fundamental performancesw hich deepwater drilling fluidsmust possesswere studied on the base of investigation.In order to deeply research on fundamental performances,hydrate generation and inhibition, circulation and wellbore stability of deepwater drilling fluids,new simulating experiment installation was developed on the basisof combination of theoretical derivation and practices.And the feasibility and parallelism of the instrumentswere inspected,it was showed that the new developed installations have a highly control accuracy and good parallelism,w hich can meet the needs of deepwater drilling,and p rovide references for deepwater drilling fluids research in laboratory in China.

deepwater;low temperature;drilling fluid;hydrate;simulating experiment installation

book=88,ebook=29

TE254+.6;TE927+.3

A

10.3969/j.issn.1008-2336.2010.03.088

1008-2336(2010)03-0088-05

863國家高技術研究發展計劃“南海深水油氣勘探開發關鍵技術及裝備”(2006AA09A106)

2010-04-02;改回日期:2010-05-14

徐加放,1973年生,男,中國石油大學(華東)副教授,博士。E-mail:xjiafang@upc.edu.cn。