南海深水水基鉆完井液防水合物技術(shù)

趙學(xué)戰(zhàn)， 方滿宗， 劉和興， 徐一龍， 劉智勤

(中海石油〈中國(guó)〉有限公司湛江分公司，廣東 湛江 524057)

南海深水水基鉆完井液防水合物技術(shù)

趙學(xué)戰(zhàn)， 方滿宗， 劉和興， 徐一龍， 劉智勤

(中海石油〈中國(guó)〉有限公司湛江分公司，廣東 湛江 524057)

深水區(qū)油氣鉆完井作業(yè)相比淺水區(qū)和陸地遇到了很多難題,由于海底壓力增大和低溫的環(huán)境,天然氣水合物已成為影響深水鉆井安全的主要危害之一。目前，國(guó)際上深水鉆完井作業(yè)中通常采用油基鉆井液來(lái)防水合物，但是油基鉆井液環(huán)保風(fēng)險(xiǎn)高，為此在陵水區(qū)塊超深水鉆完井作業(yè)中嘗試采用水基鉆完井液進(jìn)行作業(yè)。鑒于國(guó)內(nèi)無(wú)類似經(jīng)驗(yàn)可循，結(jié)合陵水區(qū)塊超深水井的實(shí)際情況，首先模擬分析了2口井的水合物風(fēng)險(xiǎn)，明確該區(qū)塊水合物形成的條件；其次，針對(duì)水合物形成的風(fēng)險(xiǎn)，篩選合適的抑制劑及鉆完井液配方；在此基礎(chǔ)上，研究出相配套的工藝措施。陵水區(qū)塊深水鉆井作業(yè)的成功實(shí)踐表明，由此形成的一套深水水基鉆完井液防水合物技術(shù)在深水鉆完井作業(yè)中能夠較好地防治天然氣水合物，保障作業(yè)安全，對(duì)后續(xù)類似深水井的作業(yè)具有借鑒意義。

深水鉆井；水基鉆完井液；水合物防治；抑制劑；井筒溫度場(chǎng)

0 引言

在深油氣開發(fā)過(guò)程中，水合物對(duì)井控、測(cè)試、鉆完井液性能及生產(chǎn)過(guò)程產(chǎn)生影響。在鉆完井過(guò)程中，在井筒、隔水管、鉆柱、井口管線和防噴管匯內(nèi)形成氣體水合物，將造成堵塞，給正常鉆進(jìn)和井控作業(yè)帶來(lái)嚴(yán)重影響。具體表現(xiàn)為：壓井管線或地面管線堵塞，無(wú)法建立循環(huán)；在井控情況下，節(jié)流壓井管線被水合物堵塞時(shí)，將會(huì)降低防噴器系統(tǒng)的作用；套管密閉空間中形成的水合物，如果在油氣井生產(chǎn)中受到加熱后分解，則會(huì)使得套管環(huán)空壓力增大，造成套管被擠毀；在防噴器系統(tǒng)內(nèi)部形成水合物時(shí)，將會(huì)引起防噴器閘板的正常開啟和關(guān)閉困難[1]。在深水鉆完井過(guò)程中，由于泥線環(huán)境的低溫和淺層氣體的存在，將引起井筒、隔水管和防噴器控制管線容易形成水合物并導(dǎo)致堵塞，給正常鉆完井作業(yè)帶來(lái)嚴(yán)重制約。新幾內(nèi)亞的某深水鉆井平臺(tái)，在鉆遇異常高壓層引發(fā)溢流，但因水合物生成導(dǎo)致防噴器阻流壓井管被堵塞，無(wú)法進(jìn)行正常壓井循環(huán)作業(yè)，只能強(qiáng)行起鉆，下光鉆桿注水泥塞進(jìn)行處理，給生產(chǎn)時(shí)效帶來(lái)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

在生產(chǎn)測(cè)試過(guò)程中，水合物的形成會(huì)堵塞測(cè)試管柱及地面流程，造成測(cè)試作業(yè)無(wú)法進(jìn)行，無(wú)法取得地層資料；同時(shí)也會(huì)堵塞壓井通道，對(duì)井控帶來(lái)較大隱患；影響測(cè)試環(huán)空壓力操作工具的正常工作，帶來(lái)復(fù)雜情況和事故等。在油氣測(cè)試過(guò)程中，水合物的產(chǎn)生會(huì)給測(cè)試管柱及地面流程管線造成堵塞，使得測(cè)試作業(yè)無(wú)法正常開展，造成地層取資料困難；巴西某深水鉆井平臺(tái)，在進(jìn)行測(cè)試求產(chǎn)時(shí)遭遇水合物堵塞測(cè)試管柱，導(dǎo)致被迫轉(zhuǎn)入棄井作業(yè)，給儲(chǔ)層評(píng)價(jià)工作造成極大影響。因此，為了解決鉆井、測(cè)試過(guò)程中的水合物生成，有必要對(duì)鉆井液防水合物技術(shù)進(jìn)行研究，從而提高生產(chǎn)作業(yè)時(shí)效。

天然氣水合物形成的主要條件是：天然氣和液體混合物中有液相水的存在或含水處于飽和狀態(tài)。天然氣水合物生成的條件是：(1)低溫液體中有氣體的存在；(2)足夠高的壓力和足夠低的溫度。針對(duì)水合物形成條件，抑制水合物生成的最有效的方法就是破壞其生成條件?？偟膩?lái)說(shuō)，防治水合物的措施是創(chuàng)造出與水合物形成相背的條件：高溫、低壓、除去自由水(或降低水露點(diǎn))[2]。

目前，根據(jù)對(duì)天然氣水合物形成條件的研究，水合物的防治措施主要有：脫水法、加熱法、添加化學(xué)抑制劑法。

(1)鉆井過(guò)程中的水合物預(yù)防。在水深>1500 m以后，海底溫度將降至4 ℃以下，鉆井液設(shè)計(jì)需要充分考慮防止水合物的形成。目前深水鉆井中通常使用的鉆井液有2種：①水基鉆井液，深水鉆井中常用到NaCl/聚合物鉆井液體系；②油基鉆井液或合成基鉆井液，最簡(jiǎn)單地解決水合物防治的問(wèn)題。

(2)生產(chǎn)測(cè)試中的水合物預(yù)防。在正常生產(chǎn)過(guò)程中，油氣會(huì)伴隨著地層水一起產(chǎn)出，可以采取井下脈沖或持續(xù)注入熱力學(xué)抑制劑的方法，防止井筒內(nèi)水合物的形成，可用于井下注入的熱力學(xué)抑制劑包括甲醇、乙二醇、二甘醇和三甘醇[3]。

通過(guò)研究確定了LS××-1井鉆完井及開發(fā)過(guò)程中水合物形成的條件和工況，為測(cè)試及生產(chǎn)過(guò)程中制定綜合水合物防治工藝和措施提供依據(jù)，同時(shí)給出了水合物預(yù)防措施及不同工況條件下的鉆完井液抑制劑配方。

1 南海陵水區(qū)塊概況

陵水區(qū)塊位于中國(guó)南海瓊東南盆地深水區(qū)的陵水凹陷東部，海南省三亞市東南偏東方向的南海海域，LS××-1井井位水深1683 m，海底溫度3～4 ℃，采用深水鉆井平臺(tái)海洋石油981鉆探。LS××-1井井身結(jié)構(gòu)如圖1所示。

根據(jù)表1～表3所列的天然氣及地層水組成，進(jìn)行水合物的相平衡曲線計(jì)算，結(jié)算結(jié)果見圖2。

圖1 LS××-1井井身結(jié)構(gòu)圖(1 in=25.4 mm)

表1 天然氣分析數(shù)據(jù)表(C代表碳元素) %mol

表2 地層水各種離子成分

表3 地層水中各無(wú)機(jī)鹽濃度

如圖2所示，曲線左邊為水合物穩(wěn)定區(qū)，如果流體的工作溫度和壓力在穩(wěn)定區(qū)內(nèi)有可能形成水合物。曲線右邊為非水合物穩(wěn)定區(qū)，流體的工作溫度和壓力在非穩(wěn)定區(qū)內(nèi)不會(huì)形成水合物。地層水礦化度的存在對(duì)水合物的形成有一定的抑制作用，使得水合物相態(tài)曲線向左移動(dòng)。

圖2 陵水區(qū)塊水合物相態(tài)曲線預(yù)測(cè)

海底附近井筒內(nèi)處于高壓低溫狀態(tài)，水合物形成的風(fēng)險(xiǎn)極大。假設(shè)在海底井口附近，井筒溫度與海水溫度一致為3～4 ℃(停鉆或關(guān)井狀態(tài))，井筒中充滿純水，則海底附近井筒內(nèi)的靜水壓力為14～15 MPa，在此條件下存在約16.5 ℃的過(guò)冷度(圖中黃點(diǎn))，存在水合物風(fēng)險(xiǎn)。若井筒內(nèi)充滿密度較高的泥漿或是密度較輕的天然氣，海底附近井筒內(nèi)的壓力會(huì)進(jìn)一步提高，水合物形成的風(fēng)險(xiǎn)也會(huì)進(jìn)一步增強(qiáng)。若向地層水中加入一定濃度的抑制劑(如甲醇)，可使天然氣的水合物相態(tài)曲線向左偏移，使得海底附近井筒內(nèi)的溫度和壓力條件處于水合物穩(wěn)定區(qū)外，例如當(dāng)水中含有30%的甲醇時(shí)，海底附近井筒內(nèi)將不存在水合物風(fēng)險(xiǎn)[4]。

2 陵水區(qū)塊深水水基鉆完井液防水合物技術(shù)

2.1 水合物風(fēng)險(xiǎn)分析

根據(jù)井身結(jié)構(gòu)、鉆井液、水力參數(shù)設(shè)計(jì)，進(jìn)行鉆井井筒的溫度壓力場(chǎng)計(jì)算。目標(biāo)氣藏鉆井的水合物相態(tài)見圖3。

圖3 鉆井井筒溫度壓力場(chǎng)及水合物相態(tài)曲線

如圖3所示，井筒環(huán)空溫度場(chǎng)與水合物相態(tài)曲線向交叉的區(qū)域?yàn)樗衔锓€(wěn)定區(qū)。在停鉆過(guò)程中，海面以下300～1963 m井筒內(nèi)處于水合物穩(wěn)定區(qū)，最大過(guò)冷度出現(xiàn)在海底附近井筒內(nèi)，為19 ℃。當(dāng)正常鉆進(jìn)過(guò)程中，由于循環(huán)泥漿被地層溫度加熱，井筒環(huán)空內(nèi)的水合物穩(wěn)定區(qū)間變小，但仍存在水合物風(fēng)險(xiǎn)，最大過(guò)冷度出現(xiàn)在895 m深處，為6.5 ℃。

根據(jù)井身結(jié)構(gòu)、測(cè)試管柱尺寸，進(jìn)行了生產(chǎn)井筒在靜止(關(guān)井)狀態(tài)下的溫度壓力場(chǎng)計(jì)算，目標(biāo)氣藏生產(chǎn)的水合物相態(tài)如圖4所示。

圖4 生產(chǎn)井筒溫度壓力場(chǎng)及水合物相態(tài)曲線

在測(cè)試及生產(chǎn)過(guò)程中，井筒內(nèi)將充滿天然氣和少量地層水，在靜止或關(guān)井狀態(tài)下，井筒內(nèi)的溫度與環(huán)境溫度一致，井筒內(nèi)氣體停止流動(dòng)，氣體產(chǎn)生的重力壓差較小，因此整個(gè)井筒將承受高壓。由圖4可知，在關(guān)井狀態(tài)時(shí)，井筒內(nèi)的壓力在35～45 MPa，從海面至井下1981 m均處于水合物穩(wěn)定區(qū)。最大過(guò)冷度出現(xiàn)在海底附近井筒，為23 ℃[6]。

2.2 抑制劑類型篩選

鉆進(jìn)過(guò)程中，不同工況下(停泵和循環(huán))的水合物風(fēng)險(xiǎn)，選用甲醇、NaCl+甲醇、乙二醇、NaCl+乙二醇等不同的水合物抑制劑配方添加至鉆井液中，相對(duì)應(yīng)的水合物相態(tài)曲線及水合物穩(wěn)定區(qū)如圖5所示。

隨著抑制劑添加濃度的增大，水合物穩(wěn)定區(qū)逐漸減小，最后消失，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)全井筒內(nèi)無(wú)水合物風(fēng)險(xiǎn)。

考慮到抑制劑的成本、使用安全以及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況，推薦采用NaCl+MEG的水合物抑制劑配方作為鉆井液基液，滿足不同鉆井工況下的水合物抑制要求。

為防止清噴測(cè)試過(guò)程中，上涌的天然氣在海底低溫高壓條件下，與測(cè)試液、地層水和泥漿濾液接觸而形成水合物，測(cè)試液中添加不同抑制劑配方時(shí)的水合物形成區(qū)域如圖6所示。

由圖6可知，推薦采用CaCl2+乙二醇的抑制劑配方作為測(cè)試液基液，可考慮進(jìn)一步調(diào)整CaCl2和MEG的含量來(lái)調(diào)整測(cè)試液性質(zhì)，如密度等。在測(cè)試完畢長(zhǎng)時(shí)間關(guān)井過(guò)程中，可向井筒中注入同樣的測(cè)試液體系進(jìn)行壓井[7]。

圖5 鉆井液中添加不同抑制劑配方時(shí)的水合物形成區(qū)域

圖6 測(cè)試液中添加不同抑制劑配方時(shí)的水合物形成區(qū)域

為預(yù)防日常生產(chǎn)過(guò)程中，跟隨天然氣一起產(chǎn)出的少量地層水在井筒內(nèi)形成水合物，采取井下持續(xù)注入甲醇的方法，注入不同濃度甲醇時(shí)的水合物形成區(qū)域見圖7。

圖7 生產(chǎn)過(guò)程中注入不同濃度甲醇時(shí)的水合物形成區(qū)域

由圖7所示，注入甲醇可以有效抑制井筒中水合物的形成。

2.3 抑制劑配方設(shè)計(jì)

圖 in和20 in井段不同抑制劑比例水合物形成區(qū)域

本井段由于受到壓力窗口窄的限制(套管鞋破裂壓力折算成當(dāng)量鉆井液密度為1.21 g/cm3)，鉆井液密度需控制<1.13 g/cm3，因此本井段的鉆井液選用的基液(15%NaCl+3%MEG)壓制水合物生成溫度<14.8 ℃(低于最低循環(huán)溫度的21 ℃)；選用的全效水合物抑制液(15%NaCl+25%MEG)全效水合物抑制液可以把水合物的生成溫度壓制到2.1 ℃[8]。

本井段的鉆井液選用的基液(20%NaCl+3%MEG)壓制水合物生成溫度<11.4℃，低于最低循環(huán)溫度的29 ℃；選用的全效水合物抑制液(20%NaCl+18%MEG)則把水合物的生成溫度壓制到約1.0 ℃。

圖 in和 in井段不同抑制劑比例水合物形成區(qū)域

圖 in目的層井段不同抑制劑比例水合物形成區(qū)域

本井段的鉆井液選用的基液(20%NaCl+3%MEG)壓制水合物生成溫度<12.1 ℃，低于最低循環(huán)溫度的26 ℃；選用的全效水合物抑制液(20%NaCl+18%MEG)則把水合物的生成溫度壓制到約1.5 ℃。

測(cè)試過(guò)程中的抑制劑比例篩選：由圖6可知，推薦采用20%CaCl2+13.04%MEG的抑制劑配方作為測(cè)試液基液[9]。

生產(chǎn)過(guò)程中的抑制劑比例篩選：由圖7可知，在開井生產(chǎn)初期注入35%甲醇可以有效抑制井筒中水合物的形成。

2.4 其他技術(shù)措施

(1)隔離BOP和阻流、壓井管線；(2)靜止作業(yè)前(如電測(cè)等)，水下管柱(壓井管匯、阻流管匯等)和BOP腔室注滿水合物抑制液，并定期頂替；(3)如需關(guān)井，關(guān)井前盡可能將泥漿中的氣體排出[10]；(4)盡量縮短關(guān)井時(shí)間，采用司鉆法壓井；(5)壓井完成后，用水合物抑制液將壓井管匯、阻流管匯、BOP腔室等的泥漿頂替出來(lái)。

3 結(jié)論

(1)海底高壓低溫的特性為深水天然氣井生產(chǎn)測(cè)試中形成水合物提供了有利條件，給深水天然氣鉆井增加了作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。南海西部陵水區(qū)塊海底具有的高壓低溫特性容易導(dǎo)致深水氣井在鉆井測(cè)試過(guò)程中生成水合物，給深水井作業(yè)帶來(lái)極大的風(fēng)險(xiǎn)。

(2)針對(duì)深水天然氣井的特殊性，通過(guò)井筒分段方式建立了井筒溫度分布預(yù)測(cè)模型，預(yù)測(cè)了水合物生成區(qū)域和條件。南海西部鉆井作業(yè)者針對(duì)深水氣井的特點(diǎn)，應(yīng)用井筒分布預(yù)測(cè)模型，得出水合物生成區(qū)域和條件。

(3)實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)了不同水合物抑制劑在正常鉆進(jìn)和測(cè)試期間的水合物抑制效果，并給出了正常鉆進(jìn)和測(cè)試期間的抑制劑配方。

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Deepwater Water-based Mud Hydrate Inhibition Technology in South China Sea/

ZHAOXue-zhan,FANGMan-zong,LIUHe-xing，XUYi-long,LIUZhi-qin

(Zhanjiang Branch-CNOOC, Zhanjiang Guangdong 524057, China)

Compared to shallow water and onshore drilling, a number of technical difficulties are encountered in deepwater drilling and completion. Due to subsea high pressure and low temperature, hydrate has become a main threat to the safety of deepwater drilling and completion operation. Currently, OBM is the priority to prevent hydrate generation in deepwater drilling and completion. However, OBM is not environmental-friendly compared to WBM, so the latter was selected to use in ultra-deep water drilling. In view of the absence of similar experience, according to the actual situation of ultra-deep well in Lingshui block, the hydrate risk of 2 wells are simulated in order to identify hydrate generation condition; on the other hand, aiming at the risk of hydrate generation, proper hydrate inhibitor and drilling & completion fluid are selected. On the above basis, the matching technical scheme has been worked out. By the successful practice of deepwater drilling in Lingshui block, it is proved that WBM hydrate inhibition technology can well prevent hydrate generation during deepwater drilling operation and ensure operation safety, which has great reference and popularization value for the similar deep water well operation.

deepwater drilling; WBM; hydrate inhibition; inhibitor; wellbore temperature field

2016-03-17；

2016-12-14

國(guó)家“十三五”重大專項(xiàng)子課題“深水油氣田開發(fā)鉆完井工程關(guān)鍵技術(shù)研究及配套工藝”(編號(hào)：2016ZX05028001-009)

趙學(xué)戰(zhàn)，男，漢族，1985年生，鉆井總監(jiān)，從事海洋鉆井工藝研究及鉆井監(jiān)督工作，廣東省湛江市坡頭區(qū)南調(diào)路22號(hào)，zhaoxzh@cnooc.com.cn。

P634.6+4

A

1672-7428(2017)02-0006-05