钻井液侵入含天然气水合物地层特性研究

【摘要】：天然气水合物(Natural Gas Hydrate,简称Gas Hydrate)是由水分子和天然气气体分子组成的具有笼状结构的似冰雪状结晶化合物,属气体水合物范畴。因其外观像冰且遇火即可燃烧,所以又被称作“可燃冰”、“固体瓦斯”或“气冰”。其中,天然气气体的成分包括烃类(CH4、C2H6、C3H8、C4H10等同系物)和非烃类气体(CO2、N2、H2S等),这些气体赋存于水分子笼形格架内。由于形成天然气水合物的主要气体成分是甲烷,故通常将甲烷分子含量超过99%的天然气水合物称为甲烷水合物(Methane Hydrate)。天然气水合物是一种亚稳态物质,只能在低温、高压条件下稳定存在,自然界中主要存在于海底陆架沉积物和极地永冻层下,并且广泛分布于大陆、岛屿的斜坡地带、活动和被动大陆边缘的隆起处、极地大陆架以及海洋和一些内陆湖的深水环境,甚至外太空也可发现其踪迹。 自从上世纪60年代和80年代分别在永久冻土带和海洋区域发现天然气水合物以来,其在资源、环境和全球变化中的重要意义引起了各国政府、各大油气公司和各类学术研究机构的极大关注,成为当前能源和地球科学研究的一大热点。其研究涉及的领域已从最初的天然气管道的流动保障扩展到资源潜力、钻井安全、地质灾害、碳循环与气候变化等。天然气水合物研究水平已在某种程度上反应了一个国家的综合科技实力和可持续发展潜力。 研究表明,未来针对水合物研究的关键任务是将其由基础研究和发展规划向全面的水合物开采等应用性研究转变。由于已成功实施了若干水合物研究项目,并具有近海岸和阿拉斯加永久冻土带富存水合物的先天优势,美国成为水合物研究领域的引领者之一,其制定出2015年前对阿拉斯加北坡冻土区水合物开采、2025年前实现对海洋地区水合物开采的计划。此外,日本、加拿大、德国、英国、俄罗斯、挪威、韩国、印度、中国等国家都开展了大量的水合物研究工作,其中日本也制定了2018年实现水合物商业开采的计划,西班牙、尼日利亚、智利、哥伦比亚、新西兰和秘鲁等也都对水合物研究表现出了浓厚的兴趣。初步勘探和研究表明,我国水合物储量较为丰富,开展水合物相关研究对满足我国能源需求具有重要战略意义,我国已把水合物开发列入“国家中长期(2006-2020年)科技发展规划”中。与宏观政策相适应,我国有关水合物调查研究、技术体系、实验模拟及其与环境、气候有关的科研活动也有较大幅度增加。 勘探工作是进行水合物储层物性、地质成藏等基础研究,资源评价、开采技术等应用研究的主要资料来源和强有力支撑。应用于水合物地层的勘探方法主要包括地质、地球物理、地球化学和钻探取心等四类。其中钻探取心是最为直接的勘探手段,可以直接获取原位水合物地层的样品进行分析；地球物理测井在取心困难的情况下就成为最为接近水合物地层原位状态的勘探方法。这两种方法在水合物勘探中占有重要地位,而这两种勘探方式都离不开钻井。 通常海洋水合物地层压实固结程度较差,在钻井过程中若采用欠平衡钻井方式,则不利于井壁力学平衡。而且水合物还会因减压而分解,导致地层力学强度急剧降低,更不利于井壁稳定和井内安全。因此,维持孔内压力大于地层孔隙压力、同时不高于破裂压力是水合物钻井较为可取的安全方式。在此条件下,钻井液在水力压差的作用下驱走井壁周围地层孔隙中的原生流体(气、水)而侵入地层。钻井实践证明,钻井液侵入会改变井壁围岩特性,比如岩石强度、孔隙压力等。与钻井液侵入常规油气地层所不同的是,受钻具摩擦生热以及钻井液温度影响,钻井液侵入含水合物地层过程中还可能伴随有水合物的分解,从而加速井壁失稳。此外,在众多的地球物理测井属性中,电阻率和声波速度受水合物的影响最突出。由于海洋区域水合物赋存在固结不好的沉积物中,而声波受压实系数的影响较重,因而电阻率测井又比声波测井和其他测井方法更稳定和可靠。但是,钻井过程中钻井液循环和侵入却对电阻率测井有着显著的影响。比如为抑制水合物在井内形成和保护海洋环境,深水油气和水合物钻井通常采用高盐聚合物水基钻井液体系,当高矿化度钻井液滤液侵入时会严重影响储层特征和电阻率测井准确性。而且盐是热力学抑制剂,其随钻井液侵入会使水合物相平衡曲线向左迁移,导致地层中水合物分解,进一步影响测井识别评价、井周地层稳定和井内安全。因此,研究耦合有水合物分解的水基钻井液侵入含水合物地层的动态特性及其对地层的影响规律对钻井安全预防、测井准确识别和评价、水合物储层保护、水合物资源和环境评估等都具有重要意义和应用价值。 针对上述分析,了解钻井液侵入含水合物地层的特性,并采用实验模拟和数值模拟等手段展开研究具有重要意义,据此,论文的主要研究内容和路线包括以下几个方面： (1)分析海洋及冻土区典型水合物储层特征,进行人工岩样的制备研究 水合物散布于砂(岩)层孔隙空间是海洋和冻土区最为典型的水合物储层类型之一,同时也最具开采潜力。论文首先对实际的水合物地层岩石物理性质做详细归纳和总结,在此基础上,分析了分散型水合物砂岩储层的主要矿物组成、岩石颗粒尺寸、孔隙分布及连通性、渗流特性等岩石物理特征；使用自主研发的人工岩心制备装置进行人造岩样的制备,并用其模拟真实水合物储层骨架；使用压汞实验仪和渗透率测量仪对所制人工岩样进行孔隙结构分析和渗透性测试,分析人工岩样的物性特征,得到优选的岩心配方和制备工艺； (2)进行钻井液侵入水合物地层的实验模拟研究 将制备的人造岩心用于模拟实际的水合物沉积层骨架,使用自主研发、委托厂商生产的“天然气水合物渗流开采综合模拟装置”开展钻井液侵入含水合物地层的相关实验研究,旨在了解钻井液侵入过程中地层物性的变化情况,即掌握钻井液侵入过程中水合物分解程度、地层压力、温度、电学性质的变化等基本规律,并与后续的数值模拟研究相互补充和参考； (3)进行钻井液侵入水合物地层的数值模拟研究 在实验模拟受到时间和实验设备功能限制的情况下,通过数值模拟对钻井液侵入水合物地层的相关特性进行了更深入的研究。论文以中国南海神狐海域水合物地层为背景,利用劳伦斯伯克利国家实验室开发的水合物开采数值模拟软件TOUGH+HYDRATE分析了一定条件下钻井液侵入海洋水合物储层的动态过程及其对地层的影响规律,进行了钻井液侵入水合物地层所受的影响因素分析。 本论文共六个部分,主要章节内容包括： 第一章：本章为论文的绪论部分,首先对天然气水合物做了简单介绍,总结了国内外对天然气水合物的研究历程和现状；对其在全球的分布及储量评估等能源意义,以及自然界中的天然气水合物和人为勘探、开发可能带来的环境问题进行了介绍；并对水合物主要勘探计划和进展情况进行了归纳；介绍了水合物勘探的主要方法,集中分析了水合物地层钻井面临的困难和挑战；引出钻井液侵入水合物地层可能带来的一系列问题,指出了论文研究的目的和意义,并介绍了论文研究的主要内容和技术路线。 第二章：本章主要对实际的水合物地层物性进行总结和分析,目的是弄清楚研究对象的基本特征。从微观、中观和宏观三个尺度对原位储层中水合物的分布模式进行了总结和分类；对水合物地层的电学、声学、热学等基本物性,以及孔隙度、水合物饱和度、渗透性、力学性质等储层特性进行了分析和总结,并对通常获取水合物地层物性的实验模拟、实际岩心分析和测井解释三种途径进行了介绍。 第三章：目前实验室内模拟水合物沉积物样品时都未全面考虑样品骨架的物性是否贴近实际自然界中的水合物沉积物骨架,从而导致实验结果很难反映或准确代表自然界中的实际情况。为此,本章在第二章对含水合物地层物性进行总结和分析的基础上,对用于模拟实际水合物地层人造岩心的制备技术进行了研究。从目前常规的人造岩心种类中选取适合研究目标的人造岩心技术,确定所模拟地层的基本物性参数后设计正交实验。通过对所制得岩心进行渗透率和孔隙度测量,对比实际水合物地层资料,对实验结果和岩心配方、工艺进行评价和分析,得到了一套较为合理的模拟水合物地层人造岩心制作的配方和工艺,可配制不同孔隙度和渗透率的人造岩心用于相关实验研究。这一工作弥补了水合物地层天然岩心紧缺的不足,对本研究的实验部分顺利进行,及今后水合物室内实验研究提供了便利,具有重要意义。 第四章：本章主要是通过实验模拟的手段研究钻井液侵入水合物地层的基本规律和特性。首先对钻井液侵入含水合物地层的过程及原理作了定性分析；然后,介绍了本研究开展过程中自主研制的“水合物地层渗流与开采综合模拟装置”,该装置主要设计初衷就是为研究钻井液侵入含水合物地层特性及其对测井的影响机理,同时也包括了其它功能,比如开采方法研究,综合性较强；利用该设备和第三章优选出的人造岩心进行了水合物形成和分解实验,为钻井液侵入实验的开展奠定了基础；使用盐水模拟实际的海洋钻井液,进行了钻井液侵入水合物地层实验,测试了侵入过程中压力、温度及电阻率变化情况,进一步阐述了钻井液侵入会对原位水合物地层产生扰动。 第五章：在实验模拟的基础上,本章通过数值模拟的方法对钻井液侵入水合物地层特性展开了进一步研究。首先介绍了所使用的水合物开采数值模拟软件TOUGH+HYDRATE的基本情况,对理论模型的建立进行了分析；然后,以南海北部神狐海域天然气水合物钻探工程(GMGS-1)为背景,研究了一定条件下钻井液侵入海洋水合物储层的动态过程及其对地层的影响规律,分析了钻井液密度、温度、盐度以及地层绝对渗透率和地层水合物饱和度对钻井液侵入的影响规律。 第六章：阐述了本文所得出的主要结论和认识,论文的主要创新点,提出了存在的不足和建议。 【关键词】：天然气水合物 钻井液侵入 人造岩心 实验模拟 数值模拟
【学位授予单位】：中国地质大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：P618.13;P634
【目录】：

• 作者简介7-9
• 摘要9-12
• ABSTRACT12-19
• 第一章 绪论19-45
• §1.1 天然气水合物研究概述19-26
• 1.1.1 天然气水合物简介19-23
• 1.1.2 国内外研究历程与现状23-26
• §1.2 天然气水合物能源与环境意义26-31
• 1.2.1 全球分布与储量评估26-29
• 1.2.2 环境效应的认识与研究29-31
• §1.3 水合物地层勘探与评价31-42
• 1.3.1 水合物勘探开发研究现状31-33
• 1.3.2 水合物地层主要勘探方法33-41
• 1.3.3 水合物地层钻井存在的主要问题41-42
• §1.4 研究目的和意义42-43
• §1.5 研究内容与技术路线43-45
• 第二章 水合物地层主要物性特征45-56
• §2.1 原位地层水合物的分布模式45-48
• §2.2 水合物地层基本物性及储层特性48-52
• §2.3 水合物地层物性测定与评价方法52-55
• §2.4 本章小结55-56
• 第三章 水合物地层人造岩心的研究与制备56-74
• §3.1 人造岩心研究和应用现状56-58
• 3.1.1 常规人造岩心56-57
• 3.1.2 水合物地层人造岩心57-58
• §3.2 水合物地层人造岩心制备实验58-73
• 3.2.1 典型物性参数的选取58-60
• 3.2.2 实验设备与材料60-62
• 3.2.3 实验设计62-64
• 3.2.4 实验过程64-66
• 3.2.5 结果分析66-73
• §3.3 本章小结73-74
• 第四章 钻井液侵入含水合物地层实验模拟研究74-91
• §4.1 钻井液侵入含水合物地层特征分析74-77
• 4.1.1 钻井液侵入常规油气地层的机理与特征74-75
• 4.1.2 钻井液侵入含水合物地层过程简析75-77
• §4.2 水合物综合渗流模拟实验装置的研制77-81
• 4.2.1 功能设计77-78
• 4.2.2 设备结构与组成78-81
• §4.3 人造岩心中水合物形成与分解实验81-86
• 4.3.1 实验设备与材料81-82
• 4.3.2 实验过程82-83
• 4.3.3 实验结果分析83-86
• §4.4 钻井液侵入水合物地层实验86-90
• 4.4.1 实验模型和条件86-87
• 4.4.2 实验过程87-88
• 4.4.3 侵入过程中地层物性变化88-90
• §4.5 本章小结90-91
• 第五章 钻井液侵入含水合物地层数值模拟研究91-114
• §5.1 原理分析和模型建立91-96
• 5.1.1 模拟软件介绍91-92
• 5.1.2 模型原型的建立92-96
• §5.2 钻井液侵入含水合物地层特性分析96-113
• 5.2.1 模型建立和参数选取96-98
• 5.2.2 侵入过程中地层物性变化规律98-101
• 5.2.3 钻井液密度对侵入的影响101-105
• 5.2.4 钻井液温度对侵入的影响105
• 5.2.5 钻井液盐含量对侵入的影响105-106
• 5.2.6 地层绝对渗透率对侵入的影响106-110
• 5.2.7 地层水合物饱和度对侵入的影响110-113
• §5.3 本章小结113-114
• 第六章 结论和建议114-118
• §6.1 主要结论与建议114-116
• §6.2 论文主要创新点116
• §6.3 不足之处与展望116-118
• 致谢118-120
• 参考文献120-129

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