深水鉆井水合物的風險與防治措施

張穎(中海油能源發展工程技術公司， 廣東 深圳 518000)

深水鉆井水合物的風險與防治措施

張穎(中海油能源發展工程技術公司， 廣東 深圳 518000)

21世紀人們對石油的探索領域已經延伸到深水，而且最前沿的科研也都在深水區域，其已成為獲取油氣資源的主要來源地。研究表明隨著水深的不斷增加，海底壓力越來越大，溫度越來越低，天然氣水合物極易形成。水合物的形成給深水鉆探工作帶來一系列的問題，如影響鉆井液性能、堵塞套管、鉆具、水下防噴器設備等，所以我們要對所存在的風險加以分析，并針對這些風險提出一些防治措施。本文先對水合物的形成過程進行了介紹，然后再此基礎上分析其所存在的風險，并針對這些風險提出防治措施。

水合物；風險；防治措施

天然氣水合物是由天然氣和水在高于冰點的低溫和一定壓力條件下形成的外觀像冰但晶體結構卻與冰不同的結晶籠狀固體。其中，水分子借助氫鍵形成主體結晶網格，網格的空穴內充滿了如甲烷、乙烷、丙烷、異丁烷等輕烴或二氧化碳、硫化氫等非輕烴。聽起來可能很陌生，其實水合物就是一種像冰一樣的透明固體，只是這種固體的成分并不像冰一樣只是水，其除了水還有天然氣，水形成主體結構，天然氣等化合物充填空洞之中。水合物的晶體特征如下表1所示，這種固體一般通過以下兩種途徑形成。

表1 水合物的晶體特征

1 天然存在的天然氣水合物

天然的水合物一般會存在于海洋地層的沉積過程中或者是位于極地的地下層當中，當然在這些地方也不必然形成水合物，這與其存在的海水的深度以及所處位置的溫度、壓力等都有密切的關系，其形成是需要很嚴格的物理條件的，而并非如我們所說的那么簡單。

2 在深水作業的過程中形成的水合物

天然存在的水合物需要一定的條件，當然，工業作業過程中所形成的水合物也需要條件。其必要的兩個條件就是低溫和高壓。水合物的形成所需要的溫度和壓力會因天然氣的組分有很大的關系。一般情況下，甲烷要形成水合物需要的壓力28bar，溫度為l℃，而其他的烴類需要的壓力則比較低，一般為5bar，溫度依然為l℃。天然氣水合物穩定區與深度及溫度之間的關系如圖1所示。

所以為了避免水合物的形成，我們有必要對這些物質形成水合物的溫度和壓力進行研究。這樣我們就可以通過鉆井液的抑制性提高溫度，來達到避免這些水合物的形成的目的。而且一般情況下，鉆井液的抑制性與水合物的形成成反比例。

3 鉆井過程中存在的水合物風險

水合物的形成一般會出現在兩種情況下，一種是鉆井鉆到了含有水合物的地層，一種是在鉆井的過程中因為壓力和溫度達到一定的程度而形成了水合物。以下就對這兩種情況分別進行介紹。

圖1 天然氣水合物穩定區與深度及溫度間的關系

(1)在鉆井的過程中因為鉆到了有水合物的地層，出現了水合物風險 當鉆井鉆到含有水合物的地層時，水合物會出現溶解的現象，因為鉆液中含有足夠使水合物溶化的熱量，水合物融化的后果是相當嚴重的，這會造成鉆井的井簡的穩定性降低。因為當鉆井深入水合物地層時，地面就會釋放大量的天然氣，這樣就會出現井控的問題。因為影響水合物形成的兩個必要的因素是壓力和溫度，所以不論是在壓力不變溫度出現變化的情況下還是在溫度不變壓力出現變化的情況下，或者是兩者都出現的變化的情況下，都會出現水合物的穩定性波動的情況。水合物的穩定降低，就會出現水合物隨時分解的情況，這都會影響鉆井的穩定性。

(2)在鉆井過程中因為溫度壓力的變化而形成天然氣水合物 在鉆井的深度越來往下的時候，隔水的管道和防噴器的溫度也就會隨之而下降，如果這時有氣體進入，就很有可能達到水合物形成的條件，造成水合物的形成。如果形成水合物，這時不論在井下還是地面上，都會出現風險，這些風險主要有以下幾方面：第一種可能出現的問題就是，因為水合物在形成過程中要吸收水分，所以泥漿里的水分就會減少，這時就會出現卡鉆等問題，第二個可能出現的問題是水合物溶解以后，會產生重大的安全隱患，因為在溶解的過程中會造成大量的天然氣的釋放；第三個可能出現的問題就是如果形成水合物，井控系統就會受影響，具體表現為：①節流壓井管線堵塞，無法恢復循環作業；②防噴器或防噴器以下的空間發生堵塞，無法檢測防噴器之下的壓力；③隔水管、防噴器或套管與鉆具的環空形成堵塞，無法移動鉆具；④鉆具與防噴器之間形成堵塞，使防噴器不能完全被關閉；⑤被關閉的防噴器閘板腔中形成堵塞，此時井控操作就會受到嚴重影響。下圖2為典型三相水合物平衡線:

圖2 典型三相水合物平衡線

4 防治水合物的措施和方法

要防治水合物的形成，一般最簡單也就是最直接的方法就是減少自由水，或者也可以添加可以使冰點降低的添加劑，而實踐中我們常用的就是乙醇和鹽這兩種添加劑。一般情況下，鹽的濃度越高越好，因為這樣的話在同一壓力下，水的溫度就越高，這樣水合物就更不容易形成。在實際深水鉆井作業過程中，經常采用鉆井液加鹽提高抑制性和井口等易形成水合物的位置注入乙二醇的方式防治水合物的形成，同時使用的方式同時要考慮到鹽的加入對鉆井液性能的影響。

除了要考慮這些，我們也要注意在技術方面防治水合物的形成。這些技術措施主要有以下幾種：第一，在對壓井和節流管線進行填充的時候，選擇乙二醇和鹽水；第二，在鉆井過程中，發現有氣體侵入進來的時候，在防噴器里充滿乙二醇和鹽水。因為只要形成水合物，其就會造成鉆井通道的阻塞，這時我們必須及時對這個問題加以處理。通常情況下會有以下三種做法：第一種就是用油管進行持續的沖洗，以這種方式對水合物進行消除；第二種就是降低壓力，降低壓力以后，水合物也就會消除；第三種就是把防噴器起出來。當然這三種做法里面最為方便的就是降低壓力，因為其只需在管道里加入泥漿就可以了。

5 防治水合物的形成對鉆井作業的影響

因為在鉆井的過程中，鉆的水越深，壓力就會越高，相應的溫度就會越低，這樣水合物形成的可能性就越大。水的深度的增加，不僅會使鉆井的液體積會變大，隔水的管道也就會申的越長，這樣就會產生更多的問題，存在更大的風險。因為本來深水鉆井作業就是一個具有高風險性質的工程，水合物是其特有的風險，而且貫穿整個工程的始終，所以我們必須對這個問題加以重視，認真對待。只有對此加以研究，采取更多的防治措施和辦法，這個工程的進行才會更加的安全。

6 結語

以上是對這個問題的討論，一直圍繞著鉆井過程中水合物的形成以及對其的防治在探討，因為其存在于整個鉆井工程的始終，對整個工程是否能夠順利進行起著非常重要的作用。所以我們必須對這個問題加以重視。

[1]張亮,張崇,黃海東,齊東明,張宇,任韶然,吳志明,方滿宗.深水鉆完井天然氣水合物風險及預防措施——以南中國海瓊東南盆地QDN-X井為例[J].石油勘探與開發,2014,06:755-762.

[2]吳華.深水鉆井中天然氣水合物預測的研究[D].中國石油大學,2012年08期.