深水钻井液研究与评价模拟实验装置

徐加放,邱正松

(中国石油大学(华东)石油工程学院,山东青岛266555)

深水钻井液研究与评价模拟实验装置

徐加放,邱正松

(中国石油大学(华东)石油工程学院,山东青岛266555)

分析了我国深水钻井的现状和未来发展趋势,调研分析了深水钻井所面临的困难和深水钻井液必须具备的基本性能。在理论推导并结合实践的基础上,研制了深水低温钻井液基本性能模拟实验装置、深水钻井液水合物生成与抑制评价实验装置以及深水钻井液循环与井壁稳定模拟实验装置等,并对模拟装置的实验可行性和平行性进行了验证。实验结果表明,新研制模拟实验装置控制精度较高、实验平行性较好,能够满足深水钻井液性能测定与评价的基本要求,为我国深水钻井液技术研究奠定了一定的室内实验研究基础。

深水;低温;钻井液;水合物;模拟实验装置

目前,许多国家已经开展了一系列的深海油气勘探开发重大研究计划,甚至把目光瞄准在水深3 000 m的海底油气藏。我国海洋面积广阔,海上石油储量丰富,但深海油气勘探目前尚处于起步阶段[1～3]。国务院《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006～2020年)》中将能源和矿产资源的开发和利用列为“重点领域及其优先主题”,其中包括复杂地质油气资源勘探开发利用和海洋资源的高效开发利用。深水海域油气资源勘探开发既属于复杂地质油气资源又属于海洋资源,因而成为了我国近年勘探开发的重点。国家发改委“十一五”863国家高技术研究发展计划即开展了对南海深水勘探开发关键技术及其装备的先导性研究[1]。

而作为深水钻探的关键技术之一的钻井液,比陆上油气田和浅水区域将面临更多的问题和更大的技术挑战[2]。本文主要针对深水钻井液研究和评价所需设备进行分析和研制,为深水钻井液研究与评价奠定实验基础。

1 深水钻井所面对的主要问题

深水钻井实践表明,与浅水区域相比深水钻井所面临的主要问题有以下几个方面[3-4]。

1.1 钻井液的低温流变性

随水深增加海水温度也越来越低,3 000 m水深海水温度仅为3～4℃,有些地区甚至在0℃左右。温度降低将会给钻井及采油作业带来很多问题。在低温情况下,钻井液的流变性会发生较大变化,黏度、切力大幅度上升,甚至还可能出现胶凝现象,尤其是油基钻井液和合成基钻井液;过低的温度环境也增加了天然气水合物形成的可能性。

1.2 浅层气与天然气水合物

深水钻井遇到的重大潜在危险因素之一是浅层含气砂岩所引起的天然气水合物生成问题。天然气水合物具有类似于冰的结构主要由气体分子和水分子组成,如果压力足够它可以在0℃以上形成。深水钻井作业海底较高的静水压力和较低的环境温度增加了生成天然气水合物的可能性。在节流管线、钻井隔水导管、防喷器以及海底的井口里,一旦形成天然气水合物,就会堵塞气管、导管、隔水管和海底防喷器(BOP)等,从而造成严重的事故[5-7]。

1.3 钻井液用量大,井眼清洗困难

海洋钻井需采用隔水管,3 000 m水深钻井仅隔水管内钻井液就至少约300 m3,因此海洋钻井需要的钻井液体积比其他同样地下深度的钻井液循环总量要大的多。隔水管、套管直径较大,采用常规措施钻井液上返流速很难达到清洗井眼的目的。因此,在钻井过程中使用黏度不同的钻井液以及有规律地短程起下钻具等方法来清除钻屑是有效措施之一。

1.4 海底页岩的稳定性

深水区域远离海岸,风、河水和海水携带的沉积物越发细小,其沉积速度、压实方式以及含水量与陆地明显不同,因而活性大、欠压实,常表现为易于膨胀、分散性高、易漏失等。导致套管层序增加,有的甚至超过9层;而隔水管的大尺寸和深水低温增加了钻井液黏度和循环压力损耗,进一步恶化了井壁不稳定性。

2 用于深水钻井液研究与评价的设备及其研制

2.1 深水钻井液低温基本性能模拟实验装置

深水钻井液研究面临的第一困难即低温环境的模拟,低温下,钻井液黏度、切力上升,特别是油基或合成基钻井液,流变性变差,甚至出现胶凝。因此,深水钻井液研究首先需要解决低温流变问题。

由于国内深水钻井液研究尚处于起步阶段,并无资料可供参考,作者经过精心设计和多方论证,研制了钻井液低温特性模拟实验装置,如图1所示。

图1 深水钻井液低温基本性能模拟实验装置(a.外观;b.主要仪器)Fig.1 Low temperature simulated equipment for deepwater drilling fluids’p roperties (a.appearance;b.mainly instruments)

仪器功能:钻井液低温流变性及中、高压滤失造壁性测定。技术指标:温度-20℃～室温;压力0～5 M Pa。

由于环境温度较低,超出了有些仪器的工作条件,有的甚至不再适用,此时必须进行调整和重新标定后方可使用。

2.2 深水钻井液水合物生成与抑制评价实验装置

天然气水合物是由气体分子和水分子在低温高压条件下形成的具有笼形结构物。一旦有天然气水合物形成,就会堵塞气管、导管、隔水管和海底防喷器(BOP)等,从而造成严重的事故[5-7]。因此,深水钻井液需要具有很强的水合物抑制能力,钻井液成分复杂,对水合物形成的影响规律目前尚不清楚,初步研究结果认为:随黏土浓度的增加,水合物晶体析出的温度上升,对水合物的形成起促进作用;由于无机盐都是热力学抑制剂,在一定程度上可以避免水合物的形成;有机处理剂中的聚乙二醇系列产品也属于热力学抑制剂,5%的乙二醇水溶液抑制水合物效果就比较显著,但随分子量增加抑制效果变弱[8-9]。其它有机处理剂(降黏剂、降失水剂、润滑剂)在正常使用量范围内对水合物有一定的抑制作用,但影响甚微。所以,深水钻井液研究需要的第二套设备便是水合物生成与抑制评价实验装置(图2)。

图2 深水钻井液水合物生成与抑制评价实验装置原理Fig.2 Illustrative diagram of experimental apparatusof hydrate generation and inhibition evaluation

仪器功能:模拟天然气水合物的生成和水合物抑制剂的评价与筛选等。技术指标:压力40 M Pa;温度-20～90℃;搅拌速度0～1 000 r/ min。主要组成:高压反应釜,恒温浴槽,气体增压系统,真空系统,温度控制系统,扭矩仪、搅拌器,数据采集与处理系统等。仪器平行性分析:对水合物抑制装置进行校验,评价水—甲烷体系相平衡点,验证水合物抑制评价实验装置的精确性和平行性,对实验装置的可行性进行分析评价。

实验用甲烷气CH4≥99.9%,其杂质含量分别为(10～6 V/V):O2≤100;N2≤250;C2H6≤600; H2O≤50。结果如图3所示。实验结果表明,新研制的水合物抑制评价实验装置准确可靠,能够用于深水钻井液中水合物生成与抑制实验评价。

图3 水—甲烷体系相平衡曲线Fig.3 Phase equilibrium curveof water-methane system

2.3 深水钻井液循环与井壁稳定模拟系统

深水钻井地层压力窗口更窄,套管层序较多,因此其表层隔水管和表层套管直径较大,钻井液上返流速较低,很难达到井眼净化目的;地层活性大、欠压实、易膨胀、分散、易漏失等,导致套管层序增加;而隔水管的大尺寸和深水低温增加了钻井液黏度和循环压力损耗,进一步恶化了井壁不稳定性。因此,合理确定钻井液排量和上返速度可以起到保证井眼清洁和井下安全,减少套管层序,优选钻井液类型和流变参数,减少井壁失稳,降低钻井成本的作用。

2.3.1 相似性

根据相似原理,动力学相似原理包括几何相似、运动相似和动力相似。几何相似即原型与模型中对应的几何线性尺寸成比例,对应的几何角度相等;运动相似即原型与模型中对应的运动参数如速度、加速度方向一致,大小成比例;动力相似即原型与模型中对应点处受力方向相同,大小成比例。两个几何相似的流动,如果动力相似,则牛顿数必相等;反之,牛顿数相等的两个几何相似的流动,必然是动力相似;故几何相似仅是相似的必要条件,而运动相似和动力相似才是相似的充分条件。

2.3.2 常用相似准数

(1)雷诺数:其物理意义为惯性力与黏性力的比。要保证动力相似,则原型和模型上对应点处惯性力和黏性力的比值必须是相同的。该准数常用在完全封闭的流动,如管道、流量计、风扇、泵,或在流动中物体完全淹没,如车辆、潜水艇、飞机和建筑物。

(2)富劳德数:富劳德数相等也是牛顿数相等的一个特例,其物理意义为惯性力与重力之比。要保证动力相似,则原型和模型对应点处富劳德数必须相同。该准数反映了常用在重力起主要作用的具有自由表面的流体中,如船舶或水上飞机外壳产生的表面波,以及明槽中的流动情况。

(3)欧拉数:欧拉数相等也是牛顿数相等的一个特例,其物理意义为压力与惯性力之比。要保证动力相似,则原型和模型对应点处欧拉数必须相同。该准数反映了在研究淹没在流体中的物体表面上的压力或压强分布时,压力成为起主要作用的力的情况。

两个相似准数在同一个物理现象中,常不能同时满足相似关系,所以不能直接使用牛顿数,而近似采用雷诺数、富劳德数等判别动力相似的原因。2.3.3 深水钻井液循环模拟装置相似性

深水钻井液循环流动属于全封闭的流动,因此可以使用雷诺数作为判断的相似准数。根据雷环空钻井液雷诺数为:

式中:Re为流体雷诺数;D、d分别表示井眼直径和钻具外径;τ0为钻井液动切力;ηp为钻井液塑性黏度。

室内实验与现场钻井液密度相同,返速相等,动切力和塑性黏度相同,若只模拟环空,则D2和d2可根据需要进行设定。

(3)人工井壁设计:为了测试不同钻井液体系和返速对井壁稳定性的影响规律,在模拟井筒上设计一个人工井壁。仪器原理如图4所示。

仪器功能:模拟低温钻井液循环排量、压力损耗、携岩效率、井壁稳定等。技术指标:压力0～3 M Pa;温度-20～90℃;排量0～15 m3/h。仪器诺数相等应该有以下关系式成立:

式中:v为流体的运动速度;l为流动距离;ρ为流体的密度;μ为流体黏度。

在循环装置中,使用钻井液作为循环流体,与实际施工中所使用的流体是相同的。

2.3.4 实验装置参数设计与计算

(1)流速:对于深水钻井液循环模拟系统完全相似是不可能的,因此,只需保证钻井液返速相同即可。根据调研和《海洋钻井手册》,一开钻进一般采用914.4(36英寸)钻头钻进,钻具内外径分别为112 mm和127 mm,钻井液实际排量约为240 m3/ h,即0.0667 m3/s,则钻井液的环空返速为:

钻具内(钻杆)流速为:v=0.0667＊4/3.14＊0.1122=6.770 mm/s

(2)雷诺数相等相似:此时,假设钻井液密度为1.0 g/cm3,动切力为30 Pa,塑性黏度为80 m Pa·s,钻井液符合宾汉流变模式,若雷诺数相等,则:

携岩实验结果见表1。

图4 深水钻井液循环与井壁稳定模拟装置原理Fig.4 Illustrative diagram of deepwater drilling fluids circulation and borehole stability simulation apparatus

表1 钻井液携岩效果Tab.1 Cuttings carrying eff iciency of the drilling fluids

从实验数据可以看出,该装置能够模拟不同颗粒度钻屑在不同井斜角条件下的钻井液携带情况,可满足不同井况深水钻井需要。

3 结论与建议

通过调研分析了我国深水钻井基本现状和发展趋势以及深水钻井面临的困难和深水钻井液应具备的基本性能。

研制了深水低温钻井液基本性能模拟实验装置、深水钻井液水合物生成与抑制评价实验装置以及深水钻井液循环与井壁稳定模拟实验装置,满足了深水钻井液性能测定与评价的基本要求。

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Research and evaluation on stimulating experiment installation of deepwater drilling fluids

Xu Jiafang,Qiu Zhengsong
(Institute of Petroleum Engineering,China University of Petroleum,Qingdao266555)

Present situation and developing current of deepwater drilling was analyzed in our country,and the fundamental performancesw hich deepwater drilling fluidsmust possesswere studied on the base of investigation.In order to deeply research on fundamental performances,hydrate generation and inhibition, circulation and wellbore stability of deepwater drilling fluids,new simulating experiment installation was developed on the basisof combination of theoretical derivation and practices.And the feasibility and parallelism of the instrumentswere inspected,it was showed that the new developed installations have a highly control accuracy and good parallelism,w hich can meet the needs of deepwater drilling,and p rovide references for deepwater drilling fluids research in laboratory in China.

deepwater;low temperature;drilling fluid;hydrate;simulating experiment installation

book=88,ebook=29

TE254+.6;TE927+.3

A

10.3969/j.issn.1008-2336.2010.03.088

1008-2336(2010)03-0088-05

863国家高技术研究发展计划“南海深水油气勘探开发关键技术及装备”(2006AA09A106)

2010-04-02;改回日期:2010-05-14

徐加放,1973年生,男,中国石油大学(华东)副教授,博士。E-mail:xjiafang@upc.edu.cn。