淺析深水鉆井中水合物的風(fēng)險(xiǎn)與防治措施

胡偉杰

(中國(guó)海洋石油總公司工程技術(shù)部，北京 100010）

深水是21世紀(jì)世界石油工業(yè)的重要區(qū)域和科技創(chuàng)新的前沿，全世界范圍內(nèi)在深水區(qū)域已發(fā)現(xiàn)近30個(gè)、超過(guò)5億桶的大型油氣田。世界油氣資源的增長(zhǎng)50%來(lái)自于海上，主要是深水，深水已經(jīng)成為全球油氣資源的主要接替領(lǐng)域。深水油氣資源的勘探開(kāi)發(fā)一直以來(lái)面臨著很大的大挑戰(zhàn)：挑戰(zhàn)一，深水開(kāi)發(fā)工程裝備；挑戰(zhàn)二，惡劣、復(fù)雜的海洋環(huán)境條件；挑戰(zhàn)三，深水開(kāi)發(fā)工程技術(shù)。而在深水開(kāi)發(fā)工程技術(shù)中，不可回避的就是天然氣水合物的防治技術(shù)，那么水合物是什么樣的一種物質(zhì)，它是怎么形成的？又如何防治呢？

一、水合物的基本概念

天然氣水合物是由天然氣和水組合在一起形成象冰一樣的固體。這種物質(zhì)事實(shí)上是一種分子侵入另一個(gè)分子組成的物理組合，然后形成了晶狀固體。

水合物的形成分兩種情況：

1.天然存在的水合物層

水合物可以形成于海洋地層沉積過(guò)程或極地地下地層中，1975年在黑海的地層沉積中首次發(fā)現(xiàn)了水合物層的存在。水合物層存在的深度和厚度取決于海底溫度、地層壓力、氣體組分、地層水的礦化度以及地溫梯度等。

2.作業(yè)過(guò)程中生成水合物

天然氣水合物是在特定的溫度和壓力條件下生成：一般是低溫和高壓（<10℃，>500米）。水合物形成示意圖（如圖1）可以看到水合物形成和溶解的過(guò)程。水合物的形成與天然氣的組分有很大的關(guān)系。越小分子的烴，越難于形成水合物。甲烷水合物在壓力28bar和溫度1℃時(shí)形成，而其他烴類則在壓力5bar和溫度1℃。通過(guò)研究不同壓力和溫度條件下水合物的溶解點(diǎn)，通過(guò)提高鉆井液的抑制性來(lái)解決水合物的問(wèn)題。鉆井液的抑制性越強(qiáng)，形成水合物的幾率就越低。例如，在壓力 100bar、溫度 24℃的淡水中即可形成水合物，但是在加了抑制劑的鉆井液中溫度需要降低到7℃。

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二、水合物的鉆井風(fēng)險(xiǎn)

1.鉆進(jìn)含有天然氣水合物的地層

鉆進(jìn)大段含有水合物的地層時(shí)將導(dǎo)致嚴(yán)重的風(fēng)險(xiǎn)，鉆井液中大量的熱量會(huì)使天然氣水合物溶解，造成井筒失穩(wěn)、鉆井液氣化，例如在17-1/2"井段，如果鉆進(jìn)1米水合物層，到達(dá)地面后將產(chǎn)生24方天然氣，最終會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的井控問(wèn)題。

在穩(wěn)定壓力下溫度升高（鉆井液帶來(lái)的熱量）或在穩(wěn)定溫度下壓力下降（靜液壓力降低）或兩個(gè)因素同時(shí)影響都會(huì)造成水合物的失穩(wěn)，從而造成水合物的溶解。當(dāng)壓力快速下降時(shí)天然氣水合物也會(huì)快速分解。高的壓力激動(dòng)可能產(chǎn)生裂縫，在水下井口區(qū)周?chē)鷮?dǎo)致氣噴。影響井口穩(wěn)定、套管和井內(nèi)管柱安全。

經(jīng)過(guò)大量的鉆井實(shí)踐，鉆水合物地層的預(yù)防措施主要有：

1）水合物地層深度的落實(shí)；

2）觀察鉆進(jìn)時(shí)鉆遇水合物層的顯示（氣侵，機(jī)械鉆速等）；

3）水合物出現(xiàn)時(shí)，應(yīng)該降低泥漿溫度（使用地面冷卻系統(tǒng)）并加重，以減小氣侵程度，穩(wěn)定地層。提高排量排出氣侵，降低機(jī)械鉆速減少巖屑量；

4）確認(rèn)沒(méi)有水合物的情況下，進(jìn)行起下鉆或甩鉆具等作業(yè)。

2.鉆井過(guò)程中形成天然氣水合物

隨著鉆井作業(yè)水深的增加，由于隔水管和防噴器附近溫度降低，當(dāng)有氣體侵入時(shí)或井控時(shí)長(zhǎng)時(shí)間關(guān)井時(shí)就可能產(chǎn)生水合物。造成井下和地面問(wèn)題，主要表現(xiàn)在：1）由于水合物將泥漿中的水吸收造成泥漿脫水，卡鉆和循環(huán)漏失等問(wèn)題就會(huì)發(fā)生；2）水合物中天然氣處于高壓縮狀態(tài)，一旦溶解，大量天然氣釋放會(huì)造成巨大安全隱患；3）水合物形成后堵塞井控系統(tǒng)，影響井控操作。

一旦天然氣水合物形成，處理水合物的方法有限、實(shí)施困難且可靠性不高。正因如此，如何監(jiān)控和預(yù)防水合物的形成是關(guān)鍵，而井涌控制和監(jiān)測(cè)是關(guān)鍵點(diǎn)。深水鉆井實(shí)踐中預(yù)測(cè)和防止天然氣水合物形成的推薦措施：

1)延長(zhǎng)循環(huán)時(shí)間，監(jiān)測(cè)氣侵泥漿；

2)井控時(shí)盡量縮短關(guān)井時(shí)間，如果長(zhǎng)時(shí)間關(guān)井時(shí)泵入抑制劑段塞；

3)關(guān)井時(shí)在BOP建立內(nèi)循環(huán)；如果條件允許，在泥漿中加入放熱化學(xué)材料，使防噴器組周?chē)臏囟壬撸?/p>

4)優(yōu)化固井設(shè)計(jì)和作業(yè)，使用防氣竄添加劑；

5)鉆井液使用水合物抑制材料。

三、水合物的防治和處理方法

防止水合物形成最直接的方法是減少自由水的存在，添加減低冰點(diǎn)的添加劑也是可選的方案，乙醇和鹽是常用減低冰點(diǎn)的低分子重量的添加劑。圖3顯示了NaCl對(duì)水合物平衡溫度的影響：水合物在線的上方和左向是穩(wěn)定的。鹽的濃度越大，同一壓力條件下的平衡溫度就越高，形成水合物的幾率就越低。因此，在深水鉆井中，鉆井液的設(shè)計(jì)和選擇要充分考慮水合物的抑制方案。

1、鉆井液選擇

在水深大于1500米以后，海底溫度將降至4度以下，鉆井液設(shè)計(jì)需要充分考慮防止水合物形成措施。目前深水鉆井中通常使用的鉆井液有兩種：1）水基鉆井液，深水鉆井中常用到Na－Cl/聚合物鉆井液體系；油基鉆井液或合成基鉆井液，最簡(jiǎn)單的解決水合物防止的問(wèn)題。

1.1 水基鉆井液

在深水鉆井中，多數(shù)作業(yè)者選擇NaCl/聚合物或者NaCl/乙醇來(lái)抑制水合物，每種鉆井液都要適應(yīng)不同的井況。表1顯示了鉆井液選擇的基礎(chǔ)方法：

例如：在以下深水條件下鉆井：水深2500米，海底溫度6℃，鉆井液比重1.15sg，泥漿靜液柱壓力為281bar（4026psi），根據(jù)上表，只有兩種鉆井液可選：

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1）20%NaCl/10%乙二醇：根據(jù)要求的比重和水深，水合物形成的溫度為5.5℃（海底溫度為6℃），我們使用比重為1.15sg的鉆井液可以鉆進(jìn)到2793米，達(dá)到315bar（4500psi）的靜液注壓力；

2）80/20含30%CaCl2水相的合成基泥漿，鉆井過(guò)程中是沒(méi)有水合物風(fēng)險(xiǎn)的。

鹽是有效的水合物抑制劑，他們的抑制效果受到分子量、分子價(jià)和電離度等因素的影響。根據(jù)分子質(zhì)量分級(jí)如下：NaCl＞KCl＞CaCl2＞NaBr＞Na-Formate＞Calcium Nitrate。低分子量的乙二醇是常用的水合物抑制劑，但是存在頁(yè)巖抑制性的問(wèn)題，因此需要加入鹽來(lái)解決頁(yè)巖抑制性的問(wèn)題。當(dāng)?shù)貙悠屏褖毫ζ突蛏蠈犹坠苄幍钠屏褖毫ζ蜁r(shí)，必須使用低密度的鉆井液體系。通過(guò)降低鹽的添加量、提高乙二醇的添加量的方法來(lái)滿足需要，如果不能滿足頁(yè)巖抑制性的需要時(shí)，直接使用油基泥漿。

當(dāng)水深大于1200米以后，由于低溫，高礦化度和乙二醇含量將影響水基鉆井液的流變性。因此，低溫條件下的流變性控制也是深水鉆井液設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵因素。

1.2 油基鉆井液或合成基鉆井液

80／20 合成基鉆井液（水相含30%CaCl2）在壓力70bar到400bar或更高條件下均適用。其實(shí)在油基環(huán)境中氣體的可溶性更高，鉆井液中的油相提高了水合物形成的速度和體積，但是水相中分散的鹽體顆粒提供了大的表面積，快速平衡了水合物的形成速度，因此，油基鉆井液中的水合物抑制性與水相中礦化度含量成正比，如果水相中CaCl2的含量低于15%，在210bar條件下，溫度低于13.6℃時(shí)將會(huì)形成水合物。。

2、水合物處理措施

除了在鉆井液設(shè)計(jì)和體系選擇時(shí)充分考慮水合物抑制方案，在深水鉆井現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)中，也要考慮預(yù)防水合物形成的技術(shù)措施，主要有：1）壓井和節(jié)流管線用乙二醇和鹽水填充；2）發(fā)現(xiàn)氣侵，用乙二醇和鹽水填充到防噴器段；3）水下機(jī)器人定時(shí)向防噴器和井口連接處注入乙二醇等等。

水合物一旦形成并堵塞鉆井通路，就要考慮進(jìn)行處理。深水鉆井中處理水合物堵塞有三種常用的處理措施：1）用連續(xù)油管沖洗，泵入加熱的抑制性段塞（乙二醇＋NaCl）來(lái)消除水合物；2）降低環(huán)空壓力，隔水導(dǎo)管中替入輕泥漿，通過(guò)降低壓力消除水合物；3）起出防噴器。其中最經(jīng)濟(jì)、最簡(jiǎn)單的方法是降低環(huán)空壓力。

四、水合物防治對(duì)鉆井作業(yè)的影響

隨著水深的增加，壓力隨之升高，溫度隨之降低，水合物的風(fēng)險(xiǎn)就增大。

隨著水深的增加，鉆井所需要的鉆井液體積也隨之增加，所需要的水合物抑制劑的量也隨之增加。表2顯示了隨著水深增加，鉆井液體積和所需混合的乙二醇/NaCl（20%NaCl+10%乙二醇）的體積、重量變化（理論計(jì)算結(jié)果）.

通過(guò)表2可以看出隨著水深的增加，配置水基鉆井液所需的NaCl和乙二醇的量是巨大的，這還不包括備用和應(yīng)急處理時(shí)所需要的量，因此在深水鉆井中，就存在后勤供應(yīng)問(wèn)題。需要租用大噸位、大容量的供應(yīng)船。同時(shí)，乙二醇價(jià)格是昂貴的，因此，超深水中使用乙二醇的數(shù)量巨大，費(fèi)用極高。

隨著水深的增加，隔水導(dǎo)管的長(zhǎng)度增加，鉆井液在井筒內(nèi)的循環(huán)溫度和流出溫度都因隔水導(dǎo)管的冷卻效應(yīng)而降低，水深越大，溫度就會(huì)越低。隨著溫度降低，含有10%NaCl和20%乙二醇的水基鉆井液的粘度升高，就會(huì)導(dǎo)致循環(huán)當(dāng)量泥漿密度過(guò)高，重新開(kāi)泵循環(huán)時(shí)會(huì)產(chǎn)生超高壓現(xiàn)象，并造成地面固相處理困難等問(wèn)題。

深水鉆井作業(yè)具有高技術(shù)、高風(fēng)險(xiǎn)、高投入的特點(diǎn)，2010年的墨西哥灣深水井噴漏油事故向全世界敲響了警鐘。水合物是深水所特有的風(fēng)險(xiǎn)，在深水鉆井作業(yè)實(shí)踐中，水合物的預(yù)防和處理，貫穿了工程設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)施工各個(gè)階段，除了以上所述的防治和處理方法和措施外，還需要從井身結(jié)構(gòu)等方面系統(tǒng)的、綜合的考慮。隨著鉆井技術(shù)的發(fā)展和深水鉆井實(shí)踐的深入，水和物的預(yù)防和處理措施也將更加科學(xué)，更加安全。

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