胡偉杰
(中國海洋石油總公司工程技術(shù)部,北京 100010)
深水是21世紀世界石油工業(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、超過5億桶的大型油氣田。世界油氣資源的增長50%來自于海上,主要是深水,深水已經(jīng)成為全球油氣資源的主要接替領域。深水油氣資源的勘探開發(fā)一直以來面臨著很大的大挑戰(zhàn):挑戰(zhàn)一,深水開發(fā)工程裝備;挑戰(zhàn)二,惡劣、復雜的海洋環(huán)境條件;挑戰(zhàn)三,深水開發(fā)工程技術(shù)。而在深水開發(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?
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)事實上是一種分子侵入另一個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程。水合物的形成與天然氣的組分有很大的關系。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℃時形成,而其他烴類則在壓力5bar和溫度1℃。通過研究不同壓力和溫度條件下水合物的溶解點,通過提高鉆井液的抑制性來解決水合物的問題。鉆井液的抑制性越強,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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1.鉆進含有天然氣水合物的地層
鉆進大段含有水合物的地層時將導致嚴重的風險,鉆井液中大量的熱量會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1米水合物層,到達地面后將產(chǎn)生24方天然氣,最終會導致嚴重的井控問題。
在穩(wěn)定壓力下溫度升高(鉆井液帶來的熱量)或在穩(wěn)定溫度下壓力下降(靜液壓力降低)或兩個因素同時影響都會造成水合物的失穩(wěn),從而造成水合物的溶解。當壓力快速下降時天然氣水合物也會快速分解。高的壓力激動可能產(chǎn)生裂縫,在水下井口區(qū)周圍導致氣噴。影響井口穩(wěn)定、套管和井內(nèi)管柱安全。
經(jīng)過大量的鉆井實踐,鉆水合物地層的預防措施主要有:
1)水合物地層深度的落實;
2)觀察鉆進時鉆遇水合物層的顯示(氣侵,機械鉆速等);
3)水合物出現(xiàn)時,應該降低泥漿溫度(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,降低機械鉆速減少巖屑量;
4)確認沒有水合物的情況下,進行起下鉆或甩鉆具等作業(yè)。
2.鉆井過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,當有氣體侵入時或井控時長時間關井時就可能產(chǎn)生水合物。造成井下和地面問題,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)漏失等問題就會發(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、實施困難且可靠性不高。正因如此,如何監(jiān)控和預防水合物的形成是關鍵,而井涌控制和監(jiān)測是關鍵點。深水鉆井實踐中預測和防止天然氣水合物形成的推薦措施:
1)延長循環(huán)時間,監(jiān)測氣侵泥漿;
2)井控時盡量縮短關井時間,如果長時間關井時泵入抑制劑段塞;
3)關井時在BOP建立內(nèi)循環(huán);如果條件允許,在泥漿中加入放熱化學材料,使防噴器組周圍的溫度升高;
4)優(yōu)化固井設計和作業(yè),使用防氣竄添加劑;
5)鉆井液使用水合物抑制材料。
防止水合物形成最直接的方法是減少自由水的存在,添加減低冰點的添加劑也是可選的方案,乙醇和鹽是常用減低冰點的低分子重量的添加劑。圖3顯示了NaCl對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,鉆井液的設計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,鉆井液設計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,最簡單的解決水合物防止的問題。
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/乙醇來抑制水合物,每種鉆井液都要適應不同的井況。表1顯示了鉆井液選擇的基礎方法:
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的鉆井液可以鉆進到2793米,達到315bar(4500psi)的靜液注壓力;
2)80/20含30%CaCl2水相的合成基泥漿,鉆井過程中是沒有水合物風險的。
鹽是有效的水合物抑制劑,他們的抑制效果受到分子量、分子價和電離度等因素的影響。根據(jù)分子質(zhì)量分級如下: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,但是存在頁巖抑制性的問題,因此需要加入鹽來解決頁巖抑制性的問題。當?shù)貙悠屏褖毫ζ突蛏蠈犹坠苄幍钠屏褖毫ζ蜁r,必須使用低密度的鉆井液體系。通過降低鹽的添加量、提高乙二醇的添加量的方法來滿足需要,如果不能滿足頁巖抑制性的需要時,直接使用油基泥漿。
當水深大于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計的一個關鍵因素。
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℃時將會形成水合物。。
2、水合物處理措施
除了在鉆井液設計和體系選擇時充分考慮水合物抑制方案,在深水鉆井現(xiàn)場作業(yè)中,也要考慮預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)水下機器人定時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)來消除水合物;2)降低環(huán)空壓力,隔水導管中替入輕泥漿,通過降低壓力消除水合物;3)起出防噴器。其中最經(jīng)濟、最簡單的方法是降低環(huán)空壓力。
隨著水深的增加,壓力隨之升高,溫度隨之降低,水合物的風險就增大。
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(理論計算結(jié)果).
通過表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急處理時所需要的量,因此在深水鉆井中,就存在后勤供應問題。需要租用大噸位、大容量的供應船。同時,乙二醇價格是昂貴的,因此,超深水中使用乙二醇的數(shù)量巨大,費用極高。
隨著水深的增加,隔水導管的長度增加,鉆井液在井筒內(nèi)的循環(huán)溫度和流出溫度都因隔水導管的冷卻效應而降低,水深越大,溫度就會越低。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,就會導致循環(huán)當量泥漿密度過高,重新開泵循環(huán)時會產(chǎn)生超高壓現(xiàn)象,并造成地面固相處理困難等問題。
深水鉆井作業(yè)具有高技術(shù)、高風險、高投入的特點,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險,在深水鉆井作業(yè)實踐中,水合物的預防和處理,貫穿了工程設計和現(xiàn)場施工各個階段,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)展和深水鉆井實踐的深入,水和物的預防和處理措施也將更加科學,更加安全。
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