鉆井液與含水合物地層熱流交換模擬實驗系統設計

＊張杰城 谷同凱 朱霄霄* 胡志強

（1.中國石油大學（北京） 北京 102249 2.油氣生產安全與應急技術應急管理部重點實驗室 北京 102249 3.中石化石油工程技術研究院有限公司 北京 102206）

天然氣水合物是一種高效的清潔能源，常見于深海海底、凍土帶等高壓低溫環境[1]。在含水合物地層鉆井過程中，鉆井液與水合物的熱流交換作用會破壞水合物穩定存在的壓力、溫度條件，造成水合物分解，進而降低近井地層穩定性，導致鉆井失敗，危害鉆井安全[2-3]。因此厘清鉆井液與含水合物地層的熱流交換作用、摸清水合物的分解規律是保障鉆井安全的基礎。

通過設計實驗系統可以幫助此類研究。鄭明明等[4]設計一種模擬鉆井液侵入含水合物模擬地層的實驗系統，研究海洋地層中水合物的形成和由注熱、降壓造成的分解。Waite等[5]設計一種導熱壓力容器，僅能制備圓柱形水合物樣品。宋麗芳[6]使用江蘇拓創公司研制的水合物生成裝置，開展水合物抑制劑評價、模擬水合物的生成過程研究。周建偉[7]設計一種高壓水合物制備系統，研究鉆井液顆粒對水合物生成和分解的影響。許巖[8]設計一種水合物分解實驗系統，反應釜內部有模擬井筒和鉆桿，用于研究鉆井液循環條件下水合物受熱分解的過程，但未考慮裸眼條件下鉆井液對水合物的影響。Sun等[9]設計一種實驗系統，用于研究結合乙二醇和減壓實現水合物的快速產氣。目前，尚未見到一種實驗系統能夠模擬裸眼條件下鉆井液與含水合物地層的熱流交換作用，造成相關機理無法得到深入研究。本文設計一種模擬實驗系統，在制備含水合物模擬地層時，利用分隔管將鉆井液通道與含水合物模擬地層物理分隔；在進行鉆井液與含水合物地層熱流交換實驗時，移除物理分隔，使得鉆井液與含水合物地層直接作用，進而研究裸眼條件下二者的熱流交換作用。

1.鉆井液與含水合物地層熱流交換模擬實驗系統設計方案

鉆井液與含水合物地層熱流交換模擬實驗系統的總體設計，如圖1所示，主要由反應機構、分隔移除機構、數據采集系統、注入計量系統、溫控系統構成。

圖1 鉆井液與含水合物地層熱流交換模擬實驗系統整體結構示意圖

為保證在鉆井液與含水合物地層直接作用，模擬鉆井時的裸眼條件，在筒體上、下封頭作豎直貫穿孔用于放置分隔管。當分隔管處于下腔體底部位置時，通過在反應釜內放入結構砂、注入甲烷和水、調節反應腔內的溫度，制備含水合物模擬地層。含水合物模擬地層制備完成后，通過驅動機構驅動分隔管豎直向上運動至反應釜上封頭位置，模擬鉆井后形成的裸眼條件。通過向環空注入鉆井液，研究鉆井液與含水合物地層的熱流交換作用、水合物的分解規律，為揭示相關機理提供實驗基礎，進而保障含水合物地層鉆井安全。通過數據采集系統采集的壓力和溫度信號來監測水合物分解情況及形狀，并通過計量系統測量水合物分解產生的水與甲烷量，定量評價鉆井液與含水合物地層的熱流交換作用。

2.反應釜結構設計

夾套式反應釜主要由罐體和夾套兩部分組成，罐體由罐體筒體、罐體封頭組成，夾套由夾套筒體和夾套封頭組成[10]。反應釜設計參數，如表1所示。根據設計參數和《化工設備機械基礎》[11]，計算得到的反應釜主要參數，如表2所示。

表1 設計參數表

表2 反應釜主要參數

由于天然氣水合物合成條件苛刻、運行工況復雜，對反應釜的承壓能力要求較高，其安全設計要求普遍高于一般容器，使用ANSYS-workbench對三種情況進行強度校核：夾套無冷凝水壓力，反應釜內有壓力30MPa；夾套有冷凝水壓力，反應釜內無壓力；夾套有冷凝水壓力，反應釜內有壓力30MPa。反應釜在三種情況下應力強度值，如表3所示，第三種情況下的應力強度云圖，如圖2所示。

我們先來聊聊范寬的《雪景寒林圖》，此畫采用全景式構圖，描繪北方山川雪后奇觀，氣勢磅礴，動人心魄。為展現山峰那冒雪出云的場景，他用筆沉穩老辣，作品風貌古拙敦厚，頗有“范寬范兒”。范寬擅長以景造境，他存世的作品雖少，但凡是畫雪之作，必屬精品。這可能是因為別人畫的是雪景，他畫的是雪魂。令范寬想不到的是，在他辭世后近千年，他仍能贏得殊榮——2004年，美國《生活》雜志將范寬評為上一千年對人類最有影響力的百大人物之一。

表3 各部件在三種情況下的最大應力強度值（MPa）

圖2 第三種情況下反應釜整體應力強度應力云圖

計算結果表明，第二種情況的主體應力強度低于設計溫度條件下材料的應力強度Sm，第一種和第三種情況的罐體上下封頭最大應力強度超過相應材料的應力強度Sm。根據標準JB 4732—1995（R2005），首先采用應力分類法對罐體上下封頭進行應力類型評定，再對其最危險區域進行應力線性化處理。應力線性化處理即在該部件應力最大值附近設置穿過壁厚的路徑，獲得路徑上的最大應力值，最大應力值分別與一次薄膜應力（PL）、彎曲應力（Pb）、一次薄膜應力+彎曲應力（PL+Pb）的許用值校核。經分析，第一種和第三種情況的罐體上下封頭的路徑最大應力值均小于PL、Pb、PL+Pb許用值，故反應釜罐體上下封頭均滿足強度要求。

3.數據采集系統

數據采集系統硬件主要由溫度傳感器、壓力傳感器、氣體與液體流量計、數據采集卡組成，采集的主要參數有反應釜內的溫度和壓力、水合物分解時產生的氣體和液體質量[12]，使用數據采集卡采集數據信號，再通過USB接口傳輸到計算機上的LabVIEW軟件系統[13-14]。其中，可以利用反應釜內布置的陣列溫度、傳感器測量水合物生成和分解過程中的溫度變化，結合壓力信號確定水合物分解邊界。由于所生成的含水合物模擬地層大體呈軸對稱圓柱形，溫度分布具有對稱性，陣列傳感器徑向呈十字形排布，如圖3左所示。此外，陣列溫度傳感器在反應釜底部、中部、頂部設置若干個測溫點，如圖3右所示。為確保測溫點不會發生偏移，傳感器固定在高強度碳纖維板上。

圖3 陣列溫度傳感器布局示意圖

4.鉆井液與含水合物地層熱流交換實驗方法

鉆井液與含水合物地層熱流交換實驗前，需要先制備含水合物模擬地層，此時分隔管下放至下極限位置，反應釜與分隔管之間的密閉空間為水合物的反應場所。含水合物模擬地層制備完成后，開始鉆井液與含水合物地層熱流交換實驗，具體步驟為：①打開注氣口閥門，注入氮氣直至反應釜內和分隔管內壓力相同，防止系統壓力降低導致水合物分解；②上提分隔管至上極限位置，形成裸眼條件；③打開鉆井液注入口閥門，通過鉆井液調溫、調壓注入裝置以恒定流量注入設定溫度與壓力的鉆井液；④在鉆井液的熱流作用下，水合物分解后的氣體與液體同砂粒從鉆井液出口流出；⑤采集數據，判斷水合物分解邊界，監測水合物分解情況；⑥流出的氣體和液體經過除砂器與氣液分離器處理，分別通過對應流量計測量流量；⑦實驗完成后，對反應釜內腔內的廢氣和廢液進行處理。

5.結論

本文設計了一種鉆井液與含水合物地層熱流交換模擬實驗系統，提出了相關實驗方法，能夠完成含水合物地層的制備，模擬鉆井液與含水合物地層熱流交換過程。為揭示鉆井液與含水合物地層熱流交換機理提供實驗基礎，同時為水合物相關研究提供實驗系統設計經驗和實驗方法。目前該系統不具備微觀可視化功能，未來可加入低場核磁共振和X-CT射線等相關設備。