鉆井液與含水合物地層熱流交換模擬實驗系統(tǒng)設(shè)計

＊張杰城 谷同凱 朱霄霄* 胡志強

（1.中國石油大學(xué)（北京） 北京 102249 2.油氣生產(chǎn)安全與應(yīng)急技術(shù)應(yīng)急管理部重點實驗室 北京 102249 3.中石化石油工程技術(shù)研究院有限公司 北京 102206）

天然氣水合物是一種高效的清潔能源，常見于深海海底、凍土帶等高壓低溫環(huán)境[1]。在含水合物地層鉆井過程中，鉆井液與水合物的熱流交換作用會破壞水合物穩(wěn)定存在的壓力、溫度條件，造成水合物分解，進而降低近井地層穩(wěn)定性，導(dǎo)致鉆井失敗，危害鉆井安全[2-3]。因此厘清鉆井液與含水合物地層的熱流交換作用、摸清水合物的分解規(guī)律是保障鉆井安全的基礎(chǔ)。

通過設(shè)計實驗系統(tǒng)可以幫助此類研究。鄭明明等[4]設(shè)計一種模擬鉆井液侵入含水合物模擬地層的實驗系統(tǒng)，研究海洋地層中水合物的形成和由注熱、降壓造成的分解。Waite等[5]設(shè)計一種導(dǎo)熱壓力容器，僅能制備圓柱形水合物樣品。宋麗芳[6]使用江蘇拓創(chuàng)公司研制的水合物生成裝置，開展水合物抑制劑評價、模擬水合物的生成過程研究。周建偉[7]設(shè)計一種高壓水合物制備系統(tǒng)，研究鉆井液顆粒對水合物生成和分解的影響。許巖[8]設(shè)計一種水合物分解實驗系統(tǒng)，反應(yīng)釜內(nèi)部有模擬井筒和鉆桿，用于研究鉆井液循環(huán)條件下水合物受熱分解的過程，但未考慮裸眼條件下鉆井液對水合物的影響。Sun等[9]設(shè)計一種實驗系統(tǒng)，用于研究結(jié)合乙二醇和減壓實現(xiàn)水合物的快速產(chǎn)氣。目前，尚未見到一種實驗系統(tǒng)能夠模擬裸眼條件下鉆井液與含水合物地層的熱流交換作用，造成相關(guān)機理無法得到深入研究。本文設(shè)計一種模擬實驗系統(tǒng)，在制備含水合物模擬地層時，利用分隔管將鉆井液通道與含水合物模擬地層物理分隔；在進行鉆井液與含水合物地層熱流交換實驗時，移除物理分隔，使得鉆井液與含水合物地層直接作用，進而研究裸眼條件下二者的熱流交換作用。

1.鉆井液與含水合物地層熱流交換模擬實驗系統(tǒng)設(shè)計方案

鉆井液與含水合物地層熱流交換模擬實驗系統(tǒng)的總體設(shè)計，如圖1所示，主要由反應(yīng)機構(gòu)、分隔移除機構(gòu)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、注入計量系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)構(gòu)成。

圖1 鉆井液與含水合物地層熱流交換模擬實驗系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)示意圖

為保證在鉆井液與含水合物地層直接作用，模擬鉆井時的裸眼條件，在筒體上、下封頭作豎直貫穿孔用于放置分隔管。當(dāng)分隔管處于下腔體底部位置時，通過在反應(yīng)釜內(nèi)放入結(jié)構(gòu)砂、注入甲烷和水、調(diào)節(jié)反應(yīng)腔內(nèi)的溫度，制備含水合物模擬地層。含水合物模擬地層制備完成后，通過驅(qū)動機構(gòu)驅(qū)動分隔管豎直向上運動至反應(yīng)釜上封頭位置，模擬鉆井后形成的裸眼條件。通過向環(huán)空注入鉆井液，研究鉆井液與含水合物地層的熱流交換作用、水合物的分解規(guī)律，為揭示相關(guān)機理提供實驗基礎(chǔ)，進而保障含水合物地層鉆井安全。通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集的壓力和溫度信號來監(jiān)測水合物分解情況及形狀，并通過計量系統(tǒng)測量水合物分解產(chǎn)生的水與甲烷量，定量評價鉆井液與含水合物地層的熱流交換作用。

2.反應(yīng)釜結(jié)構(gòu)設(shè)計

夾套式反應(yīng)釜主要由罐體和夾套兩部分組成，罐體由罐體筒體、罐體封頭組成，夾套由夾套筒體和夾套封頭組成[10]。反應(yīng)釜設(shè)計參數(shù)，如表1所示。根據(jù)設(shè)計參數(shù)和《化工設(shè)備機械基礎(chǔ)》[11]，計算得到的反應(yīng)釜主要參數(shù)，如表2所示。

表1 設(shè)計參數(shù)表

表2 反應(yīng)釜主要參數(shù)

由于天然氣水合物合成條件苛刻、運行工況復(fù)雜，對反應(yīng)釜的承壓能力要求較高，其安全設(shè)計要求普遍高于一般容器，使用ANSYS-workbench對三種情況進行強度校核：夾套無冷凝水壓力，反應(yīng)釜內(nèi)有壓力30MPa；夾套有冷凝水壓力，反應(yīng)釜內(nèi)無壓力；夾套有冷凝水壓力，反應(yīng)釜內(nèi)有壓力30MPa。反應(yīng)釜在三種情況下應(yīng)力強度值，如表3所示，第三種情況下的應(yīng)力強度云圖，如圖2所示。

我們先來聊聊范寬的《雪景寒林圖》，此畫采用全景式構(gòu)圖，描繪北方山川雪后奇觀，氣勢磅礴，動人心魄。為展現(xiàn)山峰那冒雪出云的場景，他用筆沉穩(wěn)老辣，作品風(fēng)貌古拙敦厚，頗有“范寬范兒”。范寬擅長以景造境，他存世的作品雖少，但凡是畫雪之作，必屬精品。這可能是因為別人畫的是雪景，他畫的是雪魂。令范寬想不到的是，在他辭世后近千年，他仍能贏得殊榮——2004年，美國《生活》雜志將范寬評為上一千年對人類最有影響力的百大人物之一。

表3 各部件在三種情況下的最大應(yīng)力強度值（MPa）

圖2 第三種情況下反應(yīng)釜整體應(yīng)力強度應(yīng)力云圖

計算結(jié)果表明，第二種情況的主體應(yīng)力強度低于設(shè)計溫度條件下材料的應(yīng)力強度Sm，第一種和第三種情況的罐體上下封頭最大應(yīng)力強度超過相應(yīng)材料的應(yīng)力強度Sm。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)JB 4732—1995（R2005），首先采用應(yīng)力分類法對罐體上下封頭進行應(yīng)力類型評定，再對其最危險區(qū)域進行應(yīng)力線性化處理。應(yīng)力線性化處理即在該部件應(yīng)力最大值附近設(shè)置穿過壁厚的路徑，獲得路徑上的最大應(yīng)力值，最大應(yīng)力值分別與一次薄膜應(yīng)力（PL）、彎曲應(yīng)力（Pb）、一次薄膜應(yīng)力+彎曲應(yīng)力（PL+Pb）的許用值校核。經(jīng)分析，第一種和第三種情況的罐體上下封頭的路徑最大應(yīng)力值均小于PL、Pb、PL+Pb許用值，故反應(yīng)釜罐體上下封頭均滿足強度要求。

3.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件主要由溫度傳感器、壓力傳感器、氣體與液體流量計、數(shù)據(jù)采集卡組成，采集的主要參數(shù)有反應(yīng)釜內(nèi)的溫度和壓力、水合物分解時產(chǎn)生的氣體和液體質(zhì)量[12]，使用數(shù)據(jù)采集卡采集數(shù)據(jù)信號，再通過USB接口傳輸?shù)接嬎銠C上的LabVIEW軟件系統(tǒng)[13-14]。其中，可以利用反應(yīng)釜內(nèi)布置的陣列溫度、傳感器測量水合物生成和分解過程中的溫度變化，結(jié)合壓力信號確定水合物分解邊界。由于所生成的含水合物模擬地層大體呈軸對稱圓柱形，溫度分布具有對稱性，陣列傳感器徑向呈十字形排布，如圖3左所示。此外，陣列溫度傳感器在反應(yīng)釜底部、中部、頂部設(shè)置若干個測溫點，如圖3右所示。為確保測溫點不會發(fā)生偏移，傳感器固定在高強度碳纖維板上。

圖3 陣列溫度傳感器布局示意圖

4.鉆井液與含水合物地層熱流交換實驗方法

鉆井液與含水合物地層熱流交換實驗前，需要先制備含水合物模擬地層，此時分隔管下放至下極限位置，反應(yīng)釜與分隔管之間的密閉空間為水合物的反應(yīng)場所。含水合物模擬地層制備完成后，開始鉆井液與含水合物地層熱流交換實驗，具體步驟為：①打開注氣口閥門，注入氮氣直至反應(yīng)釜內(nèi)和分隔管內(nèi)壓力相同，防止系統(tǒng)壓力降低導(dǎo)致水合物分解；②上提分隔管至上極限位置，形成裸眼條件；③打開鉆井液注入口閥門，通過鉆井液調(diào)溫、調(diào)壓注入裝置以恒定流量注入設(shè)定溫度與壓力的鉆井液；④在鉆井液的熱流作用下，水合物分解后的氣體與液體同砂粒從鉆井液出口流出；⑤采集數(shù)據(jù)，判斷水合物分解邊界，監(jiān)測水合物分解情況；⑥流出的氣體和液體經(jīng)過除砂器與氣液分離器處理，分別通過對應(yīng)流量計測量流量；⑦實驗完成后，對反應(yīng)釜內(nèi)腔內(nèi)的廢氣和廢液進行處理。

5.結(jié)論

本文設(shè)計了一種鉆井液與含水合物地層熱流交換模擬實驗系統(tǒng)，提出了相關(guān)實驗方法，能夠完成含水合物地層的制備，模擬鉆井液與含水合物地層熱流交換過程。為揭示鉆井液與含水合物地層熱流交換機理提供實驗基礎(chǔ)，同時為水合物相關(guān)研究提供實驗系統(tǒng)設(shè)計經(jīng)驗和實驗方法。目前該系統(tǒng)不具備微觀可視化功能，未來可加入低場核磁共振和X-CT射線等相關(guān)設(shè)備。