深水钻井井筒内天然气水合物形成机理及预防研究

论文摘要

在深水油气钻探过程中,节流压井管线、隔水管、防喷器及海底井口等部位在钻遇天然气层后均易聚集天然气水合物,给深水油气钻探开发安全带来不利影响。因此,研究深水钻井井筒环空水合物的生成机理,探讨合理的防治措施,对深水油气钻探开发具有重要且深远的意义。基于质量、动量、能量守恒原理及传热学理论,建立了钻井过程中井筒环空压力和温度分布的计算模型并进行了求解。计算结果表明,循环钻进期间,为了防止隔水管内温度太低而形成水合物,应保证隔水管的保温层完好,并尽量增大循环排量;停止循环时,随着关井时间的增加,井筒内流体温度逐渐接近外界环境温度,使得有可能形成水合物。以相平衡理论为基础,应用统计热力学建立了天然气水合物的分子热力学模型,在此基础上,通过修正逸度系数得到了电解质体系的天然气水合物预测模型;通过UNIQUAC模型确定非电解质抑制剂富水相中水的活度系数,获得了醇类体系的天然气水合物预测模型。设计了水合物形成及分解的室内实验方案,并进行了纯水合物体系、无机盐类添加剂、醇类添加剂、有机聚合物类泥浆添加剂和商用聚合醇抑制水合物实验,得到不同添加剂在不同质量百分数情况下的水合物生成及分解曲线,对实验结果拟合回归获得多种添加剂的水合物预测相态曲线;通过过冷度对比的方法,对各类添加剂的抑制水合物形成能力大小进行判断,并最终给出合理钻井液配方。在实验数据的基础上,引入新的模型参数——相对活性K_A,提出了新的水合物预测方法,并结合无机盐实验结果验证了新方法的可行性。在理论和实验研究的基础上,开发了天然气水合物生成预测软件,针对加入的不同抑制剂、不同抑制剂浓度、不同天然气组分等情况,软件均能提供水合物生成温度、压力区域的预测结果。结合本文研究成果,根据天然气水合物的产生机理,从升温、降压和添加剂三个方面分析了防治天然气水合物的有效措施;并针对某些特殊的气井作业,介绍了蒸汽换热器和逐级节流防止水合物的方法。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 本文的研究目的及意义
• 1.2 国内外研究现状分析
• 1.2.1 天然气水合物热力学相平衡理论研究进展
• 1.2.2 天然气水合物室内实验研究进展
• 1.2.3 深水钻井过程中钻井液体系研究
• 1.2.4 水合物抑制剂研究进展
• 1.3 本文的研究内容
• 1.4 小结
• 2 深水钻井井筒温度、压力分布规律
• 2.1 海水温度场
• 2.2 井筒温度场模型建立
• 2.2.1 模型假设条件
• 2.2.2 基本方程
• 2.2.3 比焓梯度
• 2.2.4 焦耳—汤姆逊系数
• 2.2.5 流体热损失
• 2.2.6 数学模型的建立
• 2.3 模型求解
• 2.4 模型中相关参数的确定
• 2.5 具体算例
• 2.6 小结
• 3 深水钻井井筒内环空天然气水合物形成预测模型
• 3.1 预测方法
• 3.1.1 图解法
• 3.1.2 经验公式法
• 3.1.3 平衡常数法
• 3.1.4 热力学模型法
• 3.2 分子热力学模型
• 3.2.1 纯模型
• 3.2.1.1 水合物相模型
• 3.2.1.2 富水相模型
• 3.2.1.3 平衡方程
• 3.2.1.4 水合物生成条件的计算
• 3.2.2 电解质体系模型
• 3.2.3 醇体系模型
• 3.3 模型算例
• 3.4 小结
• 4 深水钻井天然气水合物形成及分解室内实验
• 4.1 实验装置
• 4.2 实验方法
• 4.2.1 实验药品及配备
• 4.2.2 实验方案
• 4.2.3 实验形成水合物过程
• 4.2.4 实验分解水合物过程
• 4.3 实验结果及分析
• 4.3.1 基础体系数据
• 4.3.2 有机聚合物类抑制水合物实验
• 4.3.3 无机盐类抑制水合物实验
• 4.3.4 醇类抑制水合物实验
• 4.3.5 商用聚合醇抑制水合物实验
• 4.3.6 泥浆配方实验
• 4.4 模型改进
• 4.4.1 无机盐体系（电解质）
• 4.4.2 醇类体系
• 4.5 改进模型算例
• 4.6 小结
• 5 气体水合物热力学预测软件
• 5.1 软件简介
• 5.2 软件的编制
• 5.2.1 理论基础
• 5.2.2 模块构成
• 5.3 软件主要功能
• 5.4 软件计算实例
• 5.4.1 纯甲烷水合物预测
• 5.4.2 混合烃体系水合物预测
• 5.4.3 添加盐类抑制剂水合物预测
• 5.4.4 泥浆添加剂水合物预测
• 5.5 小结
• 6 深水钻井预防天然气水合物形成措施
• 6.1 天然气水合物案例
• 6.2 钻井过程中防治水合物措施
• 6.3 加入抑制剂量的确定
• 6.4 小结
• 7 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间取得的研究成果
• 攻读博士学位期间取得的学术成果
• 攻读博士学位期间参与的主要科研项目
• 致谢
• 作者简介