一種抑制天然氣水合物分解的高效沖洗液體系性能研究

武治強 (中海油研究總院，北京 100020)

許明標(biāo)，王曉亮 (非常規(guī)油氣湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心(長江大學(xué))，湖北 武漢 430100)

天然氣水合物主要分布在陸地的永凍土地區(qū)和水深超過300m的深水海域[1]。海洋水合物井作業(yè)與傳統(tǒng)海洋石油及天然氣井不同，一是水合物井的水深大，二是水合物井在海底下的鉆進(jìn)深度淺，三是水合物井的井內(nèi)溫度控制較難[2～4]。由于天然氣水合物易分解，為了安全地進(jìn)行水合物開采，控制井內(nèi)溫度不可缺少。在固井作業(yè)中，天然氣水合物的分解易引起環(huán)空氣竄，導(dǎo)致巖層和水泥之間膠結(jié)質(zhì)量差[5]。在天然氣水合物固井施工過程中，沖洗液的作用至關(guān)重要，研究一套適合于天然氣水合物固井用的沖洗液體系，直接關(guān)系到天然氣水合物井能否安全順利開發(fā)。

1 沖洗液的組成

室內(nèi)通過向沖洗劑中加入復(fù)合水合物抑制劑，提高沖洗液的抗凍性及天然氣水合物抑制性；同時，優(yōu)選兩性表面活性劑，提高沖洗效率。室內(nèi)研究的沖洗液FLUSER-L的主要組成：100%海水+20%水合物抑制劑+10%兩性表面活性劑+5%滲透劑+5%降失水劑。

2 沖洗液綜合性能評價

2.1 FLUSER-L沖洗液沖洗性能的評價

圖1 沖洗液評價裝置示意圖

為了模擬井下情況，室內(nèi)采用人工砂巖巖心模擬井壁，將現(xiàn)場的井眼及套管尺寸縮放至室內(nèi)尺寸設(shè)計沖洗效率評價裝置。試驗用的砂巖是采用不同粒徑砂子配制的水泥漿制成的模擬砂巖，并在支撐套上有很多失水孔，以便在加壓的過程中形成壓差，達(dá)到失水及形成濾餅的目的。沖洗液評價裝置如圖1所示。

室內(nèi)采用該裝置評價沖洗液對黏附在套管和井壁上的鉆井液的沖洗效果，結(jié)果如表1所示。用海水模擬沖洗的時候，黏附在套管上的鉆井液不能很好地被沖刷掉，沖洗效率較差；而沖洗液沖洗套管效果明顯，不論接觸時間長短，沖洗效率都是100%，顯示了沖洗液優(yōu)良的沖洗效果。由于鉆井液在壓力作用下失水形成致密的濾餅，因而需要沖洗液在大的流速情況下進(jìn)行沖洗，從而改變井壁的潤濕情況，達(dá)到?jīng)_刷井壁的目的。從評價結(jié)果看出，沖洗液對模擬井壁的沖洗效果較好，沖洗效率達(dá)到91.8%。

2.2 FLUSER-L沖洗液與入井流體的配伍性評價

沖洗液不僅要求具有良好的沖洗性能而且需要與鉆井液和水泥漿具有良好的配伍性[6,7]。室內(nèi)對FLUSER-L沖洗液與鉆井液和水泥漿進(jìn)行配比，評價不同比例流體的流變性，結(jié)果見表2和表3。從表2可以看出，沖洗液具有良好的稀釋作用，與鉆井液混合后其流變性的變化呈現(xiàn)急劇的平穩(wěn)下降，其與鉆井液配伍性較好。從表3數(shù)據(jù)可看出，隨著沖洗液與水泥漿混配比值的增大，體系黏度呈減小趨勢，且在沖洗液與水泥漿混合過程中未有絮凝、分層等現(xiàn)象出現(xiàn)，沖洗液與低水化熱水泥漿具有較好的配伍性。

表1 沖洗效率評價結(jié)果

注：鉆井液為南海現(xiàn)場鉆井液，下同。

表2 沖洗液與鉆井液的配伍性

注1：鉆井液配方為南海現(xiàn)場鉆井液。

注2：μa為表觀黏度；μp為塑性黏度；τ為動切力。

表3 沖洗液與低水化熱固井水泥漿的配伍性

注1：水泥漿配方為 APE水泥(自制)+63%淡水+12%DWR空心玻璃微珠+1%CG88S降失水劑+4%STR低溫增強劑+1.5%ACC早強劑+0.7%CF415L分散劑+6%GEL-Ⅱ相變儲能材料(配方中的百分?jǐn)?shù)為質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)。

注2：Nφ600、Nφ300、Nφ200、Nφ100、Nφ6、Nφ3分別為六速旋轉(zhuǎn)黏度計600、300、200、100、6、3r/min對應(yīng)的讀值。

圖2 海水-甲烷體系所形成的天然氣水合物

圖3 不同試驗溶液隨時間變化釜體壓力變化

圖4 沖洗液侵入水泥漿后放熱量情況

2.3 FLUSER-L沖洗液的水合物抑制性評價

實驗室利用天然氣水合物模擬試驗裝置，針對不同濃度沖洗液的抑制天然氣水合物生成的效果進(jìn)行了評價，海水-甲烷體系作為試驗參照系。通常情況下，海水-甲烷體系在低溫高壓環(huán)境下會逐漸生成天然氣水合物，如圖2。在密閉的環(huán)境中，由于天然氣水合物生成，甲烷氣體體積減小，進(jìn)而引起密閉環(huán)境壓力降低。在試驗時，若密閉釜體內(nèi)的壓力突然降低，一般認(rèn)為在釜體內(nèi)有天然氣水合物生成，若釜體內(nèi)壓力始終未有變化說明未有天然氣水合物生成。

室內(nèi)采用海水、15%沖洗液、30%沖洗液和40%沖洗液進(jìn)行沖洗液的天然氣水合物抑制性評價試驗，評價結(jié)果如圖3所示。隨著養(yǎng)護(hù)時間的延長，海水-甲烷體系反應(yīng)釜體的壓力下降幅度最大。在經(jīng)過10h的養(yǎng)護(hù)后，海水-甲烷體系成功獲得了水合物，15%沖洗液中略有水合物生成，不過很快發(fā)生分解，而30%與40%沖洗液基本保持原來的狀態(tài)。試驗結(jié)果說明，15%沖洗液有一定的水合物抑制作用，但是在長時間養(yǎng)護(hù)過程中不能完全抑制水合物生成，要保證沖洗液具有較好的水合物抑制作用，沖洗液的使用濃度要控制在30%以上。

2.4 FLUSER-L沖洗液對水泥漿水化放熱的影響

FLUSER-L沖洗液主要是應(yīng)用于天然氣水合物地層固井作業(yè)，所以還需要評價沖洗液混入水泥漿中后水泥漿的水化放熱情況，避免因為水泥漿異常放熱影響水合物層固井作業(yè)安全。室內(nèi)評價了5%和10%沖洗液混入水泥漿的水化放熱量情況，結(jié)果如圖4所示。

由圖4可以看出，沖洗液的加入能夠有效降低水泥漿水化凝固過程中的放熱量。5%的沖洗液混入水泥漿中后，水泥漿水化過程中的漿體溫度和放熱量都略有降低。10%沖洗液混入水泥漿中后水泥漿的3d放熱量降低了19J/g。說明沖洗液混入水泥漿中后，水泥漿的水化放熱量呈現(xiàn)降低的趨勢，所以沖洗液不會對低水化熱水泥漿固井產(chǎn)生不利影響。

3 結(jié)論

1)研究的高效沖洗液體系具有良好的井壁和套管沖洗效果，套管模擬沖洗效率高達(dá)100%，井壁模擬沖洗效率高達(dá)91.8%。

2)研究的高效沖洗液體系與入井流體具有良好的配伍性，沖洗液與鉆井液按照不同比例混合，未有沉淀、絮凝分層現(xiàn)象出現(xiàn)；與水泥漿按照不同比例混合，均具有良好的流變性能。

3)研究的高效沖洗液體系具有良好的水合物分解效果，通過室內(nèi)研究表明，30%以上的沖洗液能夠抑制水合物的生成。

4)研究的高效沖洗液體系加入到水泥漿中，能夠有效降低水泥漿的水化熱，10%沖洗液混入水泥漿中后水泥漿的3d放熱量降低了19J/g。

[參考文獻(xiàn)]

[1]孫志高，王如竹，郭開華，等.天然氣水合物研究進(jìn)展[J].天然氣工業(yè)，2001，21(1)：93～96.

[2] 白玉湖，李清平，周建良，等. 天然氣水合物對深水鉆采的潛在風(fēng)險及對應(yīng)性措施 [J].石油鉆探技術(shù)，2009，37(3)：17～21.

[3] Xiuli Wang, Michael J. Natural gas hydrates as an energy source-revisited[J].IPTC 14211，2011.

[4] 李令東，程遠(yuǎn)方，周建良，等. 深水鉆井天然氣水合物地層井壁穩(wěn)定流固耦合數(shù)值模擬[J].中國海上油氣，2012，24(5)：40～45.

[5] 許明標(biāo)，王曉亮，周建良，等. 天然氣水合物固井低熱水泥漿研究[J].石油天然氣學(xué)報(江漢石油學(xué)院學(xué)報)，2014，34(11)：134～137.

[6] Taoutaou S, Ashraf S, Takahashi U, et al. Implementation of a fit-for-purpose cementing technology for the first gas hydrate production in Japan[C]. IPTC17991，2014.

[7] Hannegan D M. Methane hydrate drilling technolog[C]. OTC 17448，2005.