钻井液侵入含天然气水合物地层的机理与特征分析.pdf
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1、收稿日期:2009207212 编辑:杨 勇基金项目:国家自然科学基金项目(50704028);教育部博士点基金项目“钻井液循环与侵入条件下的水合物分解动力学特性研究”(20070491017)作者简介:涂运中(1979),男,现正攻读地质工程专业博士学位,主要从事天然气水合物勘探开发研究工作。钻井液侵入含天然气水合物地层的机理与特征分析涂运中1,宁伏龙1,蒋国盛1,吴能友2,张 凌1(1.中国地质大学岩土钻掘与防护教育部工程研究中心,武汉430074;2.中国科学院广州能源研究所,广州510640)摘 要:海洋含天然气水合物地层是具有渗透性的多孔介质体,钻进过程中钻井液不可避免地会与它发生能
2、量和物质交换,从而影响测井响应、井壁稳定和储层评价。在过压钻井条件下,水基钻井液驱替侵入含天然水合物地层和温差下热传导导致的天然气水合物分解是耦合在一起的,其侵入可描述为一个包含相变的非等温非稳态渗流扩散过程。分析了天然气水合物在多孔介质中的分解特性,指出了多孔介质中天然气水合物分解的影响因素,通过钻井液侵入含天然气水合物地层与侵入常规油气地层的比较,提出了借鉴天然气水合物开采渗流模型建立钻井液侵入数值模型的思路。关键词:含天然气水合物地层;钻井液;天然气水合物分解;侵入特性;模型中图分类号:P634.6 文献标志码:A 文章编号:100027849(2010)0320110204 天然气水合
3、物(以下简称水合物)具有储量大、能量密度高等特点,是一种具有很大潜力的替代能源。由于自然界中的绝大多数水合物分布在大陆边缘、斜坡带等深水区1,要对水合物资源进行勘探和开发,安全可靠的钻井技术是顺利实施的关键。海底含水合物地层一般为多孔介质体,在钻井时钻井液侵入地层,原位水合物受热分解,会对测井识别、井壁稳定和储层评价等造成影响2。因此,研究钻井液侵入含水合物地层的特性及规律对于水合物资源的勘探与开发具有非常重要的意义。1 钻井液侵入含水合物地层机理由于海洋水合物埋藏不深(海底以下01 000m),地层固结程度较差,若采用欠平衡钻井方式,不利于井壁力学平衡,而且水合物还会在降压时分解,导致地层强
4、度急剧降低3,易引发井壁坍塌等事故。因此,维持孔内压力大于地层孔隙压力是在含水合物地层中钻井比较安全的方式。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流体(气、水)而侵入地层,直到静水压力与毛细管压力达到平衡。在过压钻井条件下,温度是影响水合物稳定的主要因素。由于海洋水合物稳定区温度较低,若温度高于水合物相平衡温度则钻井液侵入含水合物沉积地层,会使其中的水合物吸热发生分解;此外,钻井液中添加的水合物生成抑制剂同样不利于地层中水合物的稳定。水合物分解会改变地层孔隙度、渗透性、孔隙压力等参数,反过来又影响钻井液在地层中的侵入。因此,不能将钻井液侵入含水合物地层看成是一个等温变化过
5、程,这是与钻井液侵入传统油气地层的主要区别。因此,在含水合物地层钻井过程中钻井液侵入地层主要表现为压差下钻井液驱替渗入含水合物地层和温差下水合物被加热分解(图1),二者耦合在图1 钻井液侵入水合物沉积地层示意图Fig.1Schematic diagram of invasion of drilling fluid into gas hydrate bearing sediment第29卷 第3期2010年 5月 地 质 科 技 情 报Geological Science and Technology Information Vol.29No.3May2010一起,发生传热传质作用,并影响井壁附
6、近地层的力学强度、孔隙水压力、毛细管压力、水 气 水合物饱和度、地层渗透率、波速以及电阻率等参数。2 水合物在多孔介质中的分解特性与纯水合物分解相比,有关多孔介质中气体水合物分解的研究报道很少,并且多集中在水合物的热力学性质和分解条件,即相平衡研究方面4。Yousif等5研究了气2水2水合物三相的动量、质量传递规律,提出了一个多孔介质中水合物降压分解模型,通过对模型求解,他们认为多孔介质中气体水合物的分解是一个受传质控制的过程。Handa等6研究了硅胶孔内甲烷水合物的分解条件,结果表明三相平衡压力比纯气体水合物的高20%100%。Uchida等7考察甲烷水合物在石英玻璃中的分解时,观察到在特定
7、压力下,多孔介质中水合物的分解温度显著降低,其研究结果表明多孔介质中水合物的分解温度主要与孔径有关,孔径越小平衡温度变化越大。Sun等8建立了多孔介质中甲烷水合物的生成和分解三维模拟方法,包含4组分(水合物、水、甲烷和盐)和5相态(水合物相、气相、液相、冰和盐),建立了水合物生成和分解的本征动力学方程。他们通过实验研究发现,体系中不含盐时,溶液和冰之间的传热阻力增大。若在体系中加入盐、升高初始温度、降低外部压力、增加边界的传热效率都会增大水合物分解速率。他们认为,水合物在纯水体系和在多孔介质体系中反应的差别不是由于水合物本征动力学引起的,而是由不同体系中传质和传热的差别造成的,因此可应用Kim
8、2Bishnoi模型来描述多孔介质体系水合物分解的动力学性质。Tsimpanogiannis等9用热激法考察了多孔介质中的水合物。通过加热分解海洋沉积物中的甲烷水合物,研究了影响水合物分解速率的各种因素。实验结果表明多孔介质的渗透性是影响水合物分解速率的主要因素。他们认为由于沉积物的渗透性低,在水合物分解前缘形成超高的分解孔隙压力,导致多孔介质层破裂,水合物暴露出来而继续分解。结合上述多孔介质中水合物分解的研究结果以及相应水合物相平衡条件,将海底沉积层水合物的分解特性归纳为以下几点:海底多孔介质中水合物的分解主要受温度、压力、多孔介质的渗透性和盐度等因素控制。多孔介质中水合物的分解速度主要受体
9、系传质和传热控制,可以用Kim2Bishnoi动力学方程来描述。海底水合物分解是在一个受限的孔隙空间内进行的,水合物的分解会显著增大孔隙压力,增大程度取决于沉积层的渗透系数和温度的变化。如果地层渗透性很小而水合物受热很快,则分解产生的气体和水不能及时流走,导致孔隙压力迅速增大10。因而相对于等压来说,要使水合物完全分解需要更多热量,即在恒定加热速度下,完全分解需要更长时间。3 耦合水合物分解的钻井液侵入特性3.1钻井液侵入过程分析当井眼打开后,钻井液迅速渗入井壁,驱替地层原有流体和固体颗粒,导致井壁附近含水量增大,同时井壁附近的水合物被加热,分解成水和气,不仅使井壁附近含水量进一步加大,而且水
10、合物的分解导致地层渗透性提高,使钻井液的侵入速率增大,不利于形成保护井壁的滤饼。因此从井眼打开到井壁附近水合物完全分解的过程是井壁最易失稳的阶段。随着钻进的进行,滤饼逐渐形成,透过滤饼的泥浆滤液在压差作用下继续向地层侵入。由于此时温度变化不大,水合物的分解相对较慢,钻井液的侵入和水合物分解产生的气体使孔隙压力增大,也限制了水合物的分解速度。到侵入后期,孔隙中的气体和水持续增多,孔隙压力继续升高,泥浆滤液的渗流基本停止,但水合物在传热作用下还会继续分解,直至在新的孔隙压力条件下达到相平衡,这一阶段物质的交换主要以扩散形式进行。在整个侵入进程中,都伴有传热作用,主要通过岩石骨架的热传导、侵入流体的
11、对流换热、水合物的吸热进行,传热使岩石骨架温度升高、孔隙流体(包括原有水气及水合物分解产生的水气)温度升高、水合物相变分解。当侵入稳定后,井眼周围的侵入剖面可划分为4个区域(图2)。第 层为含滤饼的滤液区,与钻井液直接作用,该层无水合物,也不存在游离气体,只含溶有气体和矿物离子的水。第 层为水和游离气区,也无水合物存在。在第 层中,水(包括泥浆滤液中的水、水合物分解出的水以及原生水)、气(水合物分解出的气体和原生气)和水合物三相共存,处于动态平衡。最后一层即第 层是保持原状性质的含水合物地层,与钻井液滤液以及水合物分解产生的气体及水不发生作用。因此,整个侵入过程是一个耦合相变的非等温非稳态的驱
12、替扩散过程,可以描述为钻井液滤液前缘和水合物分解相边界层的移动问题,其实质是一个动力学和热力学平衡问题。3.2钻井液侵入特征在钻进含水合物地层时,随着钻进的进行,钻井液侵入量逐渐增多,孔隙压力逐渐增大,但地层孔隙111第3期 涂运中等:钻井液侵入含天然气水合物地层的机理与特征分析 图2 水合物地层钻井液侵入带Fig.2Invasion zone of drilling fluid in gas hydrate containingformation流体驱替程度并不一定加剧,这就是与常规油气地层侵入的主要区别。水合物分解产生的水和气使孔隙压力增大的幅度比常规油气地层大,导致驱替压差减小,因而在相
13、同初始压力和地层条件下,若存在水合物分解,则钻井液在含水合物地层中的侵入速率和深度比常规油气地层小。此外,在含水合物地层中,钻井液的侵入范围受温度影响较大。钻井液温度越高,水合物分解越剧烈,钻井液侵入阻力越大,侵入前缘深度会相应减小,但由于侵入时的传热使更深处的水合物分解,其影响范围会扩大。另外,当钻井液侵入常规油气地层时,钻井液中的固相颗粒会对储层产生伤害,导致地层渗透率降低。而侵入含水合物地层时,填充孔隙的水合物分解则使渗透率增大,因此评价钻井液侵入对含水合物地层的伤害时,必须考虑钻井液温度、固相含量以及水合物饱和度。归纳起来,影响钻井液侵入含水合物地层的主要因素包括:井内液柱和地层的正压
14、差;钻井液温度,体现在对水合物分解的影响;滤饼渗透率;气、水的相对渗透率以及钻井液浸泡时间等。4 钻井液侵入含水合物地层数值模型 构建合适的侵入数值模型既可以更准确地掌握钻井液在含水合物地层中的侵入特征及对井壁附近地层温度场、孔隙水压力、水及气饱和度等参数的影响规律,也是研究含水合物地层测井响应、井壁稳定和储层伤害评价的有效途径。基于前文的机理分析,可以把钻井液侵入含水合物地层的过程看作一个非等温渗流扩散以及耦合相变(水合物分解)的过程,即可以描述为流动方向相反的水合物储层加热或降压开采。因此,可借鉴已有的天然气水合物开采渗流模型来构建钻井液侵入含水合物地层模型。国外关于水合物开采渗流数值模拟
15、方法很多,也建立了很多研究模型。例如,Holder等11提出了采用降压分解水合物的数学模型,模型以地层中热量和质量的传递为基础,他们认为地层中的传热为水合物的分解提供了能量。Makogon12假设气体水合物的降压分解过程类似于固体熔化,提出了用于描述天然气在多孔介质中移动以及热传递的基本方程,但是他的模型忽略了水合物分解产生的水的影响,实际上水的存在会阻碍水合物分解。Moridis等13在加拿大马更些三角洲的Mallik钻位利用通用的数值模拟程序TOU GH+HYDRATE模拟了深海以及永冻地区的甲烷气体释放、相行为和流动特征,其数学模型通过求解耦合的质量和能量守恒方程来实现。但钻井液侵入与水
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