天然气水合物地层井壁稳定性研究

【摘要】：天然气水合物是由水分子和天然气分子在一定温度和压力下形成的似冰雪状结晶化合物，又称笼形水合物或“可燃冰”。由于形成天然气水合物的气体主要为甲烷，因而也常被称为甲烷水合物。自然界中的天然气水合物主要分布在海洋的大陆边缘和陆上永冻地区，前者占了已发现数量的绝大多数。天然气水合物研究已成为当代地球科学研究和能源工业发展的一大热点，该研究涉及到新一代能源的探查开发、温室效应、全球碳循环和气候变化、古海洋、海洋地质灾害、天然气运输、油气管道堵塞、船艇能源更新和军事防御等，并有可能对地质学、环境科学和能源工业的发展产生深刻的影响。因而世界上许多国家都从各自的关注点对天然气水合物展开了广泛的调查研究。特别是近来能源短缺日益加剧，油气价格又居高不下，使得各国更加关注具有能量密度高、储量大和分布广等特点的天然气水合物，纷纷加大对其勘探和开发研究的力度。对于我国来说，本身油气资源就不足，加之经济的快速发展，导致能源缺口越来越大。专家预测到2010年我国需进口原油接近2亿吨才能满足经济发展需求，仅此一项就要花费好几百亿美元的外汇储备。加之能源结构不合理以及《京都议定书》的正式生效，都迫使我们去寻求可替代的清洁环保新能源。因此，从我国能源战略安全和经济可持续发展角度来说，也应加大对天然气水合物勘探开发的力度。 而要对赋藏在地下一定深处的天然气水合物进行勘探和开发，钻井是必不可少的。天然气水合物的热压力特性决定了此类地层钻井与一般油气地层钻井有很大不同，也导致这类地层钻井面临更加复杂的井内问题。首先在钻井(进)时，储层井壁和井底附近地层应力会释放，地层压力会降低；同时，钻头切削岩石、井底钻具与井壁及岩心的摩擦都会产生大量的热能，此外循环泥浆温度控制不当，这些都可能使孔内温度升高。因此在钻井过程中井壁地层压力和温度的变化将不可避免地导致天然气水合物发生分解。当固态水合物起胶结或骨架支撑作用时，分解本身就会使井壁坍塌。而分解产生的水增加了井壁地层的含水量，使颗粒间的联系减弱，导致井壁不稳；逸出的气体又影响了钻井液的比重和流变性，对井壁稳定愈发不利，甚至还可能引发井涌和井喷等钻井事故。其次钻井过程是一个非绝热过程，钻井液和地层之间的热交换以及水合物的分解吸热都会使井内流体温度和井壁温度发生变化，这种温度变化会影响钻井液的粘度、密度、化学稳定性、井眼周围的应力和孔隙水压力，进而影响井壁稳定和井内安全。最后分解进入井内的气体同钻井液一起上返到地面，在这过程中如果井内温压条件合适，它们又会重新在钻井管线和阀门特别是防喷器内形成水合物，导致意想不到的钻井事故发生。因此井壁稳定和井内安全控制是天然气水合物地层钻井所面临的主要难题。加之水合物地层骨架一般为未固结和半固结的砂岩或泥质砂岩，使得在此类地层钻井时井壁稳定问题尤为突出。而井壁不稳定会导致井壁坍塌，钻具卡钻，井壁破裂，泥浆漏失，以致井的报废，损失大量人力物力。据有关资料 【关键词】：天然气水合物地层 井壁稳定 水合物分解 钻井液渗透 流固耦合 钻井液性能
【学位授予单位】：中国地质大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2005
【分类号】：P744.4
【目录】：

• 研究生学位论文原创性声明4-5
• 作者简介5-7
• 摘要7-10
• ABSTRACT10-14
• 目录14-17
• 第一章 前言17-24
• 1.1 天然气水合物研究概述17-20
• 1.1.1 天然气水合物基本知识17
• 1.1.2 天然气水合物研究现状17-19
• 1.1.3 天然气水合物勘探钻井情况19-20
• 1.2 天然气水合物地层钻井井壁稳定问题20-21
• 1.2.1 天然气水合物地层钻井特点20
• 1.2.2 天然气水合物地层钻井面临的主要问题20
• 1.2.3 井壁稳定研究现状20-21
• 1.3 课题研究目的和意义21-22
• 1.4 课题研究内容与技术路线22-24
• 第二章 水合物地层热物理和力学性质24-38
• 2.1 纯水合物热物理和力学性质24-28
• 2.1.1 水合物导热系数24-25
• 2.1.2 水合物比热25-27
• 2.1.3 水合物分解热27
• 2.1.4 水合物力学性质27-28
• 2.2 水合物在沉积地层中的分布模式28-30
• 2.2.1 Ecker假设29
• 2.2.2 按基质类别和宏观形态分类29
• 2.2.3 Schlumberger观点29-30
• 2.3 水合物地层岩石物性研究30-38
• 2.3.1 水合物地层孔隙度和水合物饱和度30-31
• 2.3.2 水合物地层的渗透性31-32
• 2.3.3 水合物地层的有效导热系数32-33
• 2.3.4 水合物地层力学性质研究33-38
• 第三章 水合物地层井壁稳定的力学原理38-52
• 3.1 井壁失稳概述38-39
• 3.1.1 井壁失稳形式38
• 3.1.2 井壁失稳机理38-39
• 3.2 水合物地层地应力分析39-41
• 3.2.1 地应力概念39
• 3.2.2 原地应力构成39-41
• 3.3 水合物地层井壁应力分析41-46
• 3.3.1 井壁围岩应力分布41-45
• 3.3.2 考虑孔隙压力的井壁围岩有效应力分布45-46
• 3.3.3 井壁有效应力分布46
• 3.4 井壁坍塌和破裂压力计算46-52
• 3.4.1 岩石强度破坏准则介绍47-48
• 3.4.2 井壁坍塌压力计算48-49
• 3.4.3 破裂压力计算49-50
• 3.5.1 安全钻井液密度窗口的确定50
• 3.5.2 井壁力学稳定的影响因素50-52
• 第四章 钻井液侵入水合物地层的特性及对井壁应力场的影响52-88
• 4.1 钻井液在一般油气地层的侵入52-55
• 4.1.1 钻井液侵入地层机理52
• 4.1.2 钻井液侵入油气地层理论计算模型52-54
• 4.1.3 钻井液在油气层的侵入特性与影响因素54-55
• 4.2 水合物在海底沉积层中的分解55-69
• 4.2.1 纯水合物相平衡条件55-56
• 4.2.2 纯水合物分解研究56-61
• 4.2.3 水合物分解数学模型61-64
• 4.2.4 水合物在多孔介质中的分解研究64-68
• 4.2.5 水合物在海底沉积层中的分解特性68-69
• 4.3 钻井液在水合物地层的侵入特性分析研究69-87
• 4.3.1 钻井液侵入过程分析69-70
• 4.3.2 钻井液侵入的传热分析70
• 4.3.3 耦合水合物分解的钻井液侵入数值模型70-74
• 4.3.4 模型简化与有限元模拟分析74-87
• 4.4 钻井液侵入和水合物分解对井壁应力场的影响87-88
• 第五章 考虑钻井液侵入的井壁力学稳定性分析模型88-109
• 5.1 考虑钻井液渗流效应的井壁稳定一般分析模型88-90
• 5.2 流固耦合作用的水合物地层井壁稳定性分析模型90-101
• 5.2.1 流固耦合研究概述90-91
• 5.2.2 流固耦合在井壁稳定性分析中的应用91-92
• 5.2.3 一般渗流流固耦合模型介绍92-96
• 5.2.4 水合物地层流固耦合的渗流方程96-98
• 5.2.5 水合物地层井壁力学稳定的流固耦合分析模型98-101
• 5.3 水合物地层井壁应力有限元模拟计算和分析101-109
• 5.3.1 模拟计算参数101-102
• 5.3.2 模拟计算及结果初步分析102-109
• 第六章 维护水合物地层井壁稳定的钻井液体系研究109-123
• 6.1 水合物地层钻井时钻井液性能讨论109-110
• 6.2 以水合物抑制性为主的钻井液体系110-114
• 6.2.1 水合物抑制剂110-112
• 6.2.2 添加抑制剂的钻井液体系112-114
• 6.3 盐/聚乙二醇钻井液体系防塌性能室内实验研究114-123
• 6.3.1 实验思路115
• 6.3.2 实验装置及实验过程介绍115-117
• 6.3.3 实验结果分析及讨论117-122
• 6.3.4 实验结论和建议122-123
• 第七章 结论和建议123-126
• 7.1 主要结论和认识123-124
• 7.2 论文不足及今后展望124
• 7.3 论文主要创新点124-126
• 致谢126-127
• 参考文献127-138

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