深水钻井水合物的风险与防治措施

2022-11-21

天然气水合物是由天然气和水在高于冰点的低温和一定压力条件下形成的外观像冰但晶体结构却与冰不同的结晶笼状固体。其中, 水分子借助氢键形成主体结晶网格, 网格的空穴内充满了如甲烷、乙烷、丙烷、异丁烷等轻烃或二氧化碳、硫化氢等非轻烃。听起来可能很陌生, 其实水合物就是一种像冰一样的透明固体, 只是这种固体的成分并不像冰一样只是水, 其除了水还有天然气, 水形成主体结构, 天然气等化合物充填空洞之中。水合物的晶体特征如下表1所示, 这种固体一般通过以下两种途径形成。

1 天然存在的天然气水合物

天然的水合物一般会存在于海洋地层的沉积过程中或者是位于极地的地下层当中, 当然在这些地方也不必然形成水合物, 这与其存在的海水的深度以及所处位置的温度、压力等都有密切的关系, 其形成是需要很严格的物理条件的, 而并非如我们所说的那么简单。

2 在深水作业的过程中形成的水合物

天然存在的水合物需要一定的条件, 当然, 工业作业过程中所形成的水合物也需要条件。其必要的两个条件就是低温和高压。水合物的形成所需要的温度和压力会因天然气的组分有很大的关系。一般情况下, 甲烷要形成水合物需要的压力28bar, 温度为l℃, 而其他的烃类需要的压力则比较低, 一般为5bar, 温度依然为l℃。天然气水合物稳定区与深度及温度之间的关系如图1所示。

所以为了避免水合物的形成, 我们有必要对这些物质形成水合物的温度和压力进行研究。这样我们就可以通过钻井液的抑制性提高温度, 来达到避免这些水合物的形成的目的。而且一般情况下, 钻井液的抑制性与水合物的形成成反比例。

3 钻井过程中存在的水合物风险

水合物的形成一般会出现在两种情况下, 一种是钻井钻到了含有水合物的地层, 一种是在钻井的过程中因为压力和温度达到一定的程度而形成了水合物。以下就对这两种情况分别进行介绍。

(1) 在钻井的过程中因为钻到了有水合物的地层, 出现了水合物风险

当钻井钻到含有水合物的地层时, 水合物会出现溶解的现象, 因为钻液中含有足够使水合物溶化的热量, 水合物融化的后果是相当严重的, 这会造成钻井的井简的稳定性降低。因为当钻井深入水合物地层时, 地面就会释放大量的天然气, 这样就会出现井控的问题。因为影响水合物形成的两个必要的因素是压力和温度, 所以不论是在压力不变温度出现变化的情况下还是在温度不变压力出现变化的情况下, 或者是两者都出现的变化的情况下, 都会出现水合物的稳定性波动的情况。水合物的稳定降低, 就会出现水合物随时分解的情况, 这都会影响钻井的稳定性。

(2) 在钻井过程中因为温度压力的变化而形成天然气水合物

在钻井的深度越来往下的时候, 隔水的管道和防喷器的温度也就会随之而下降, 如果这时有气体进入, 就很有可能达到水合物形成的条件, 造成水合物的形成。如果形成水合物, 这时不论在井下还是地面上, 都会出现风险, 这些风险主要有以下几方面:第一种可能出现的问题就是, 因为水合物在形成过程中要吸收水分, 所以泥浆里的水分就会减少, 这时就会出现卡钻等问题, 第二个可能出现的问题是水合物溶解以后, 会产生重大的安全隐患, 因为在溶解的过程中会造成大量的天然气的释放;第三个可能出现的问题就是如果形成水合物, 井控系统就会受影响, 具体表现为: (1) 节流压井管线堵塞, 无法恢复循环作业; (2) 防喷器或防喷器以下的空间发生堵塞, 无法检测防喷器之下的压力; (3) 隔水管、防喷器或套管与钻具的环空形成堵塞, 无法移动钻具; (4) 钻具与防喷器之间形成堵塞, 使防喷器不能完全被关闭; (5) 被关闭的防喷器闸板腔中形成堵塞, 此时井控操作就会受到严重影响。下图2为典型三相水合物平衡线:

4 防治水合物的措施和方法

要防治水合物的形成, 一般最简单也就是最直接的方法就是减少自由水, 或者也可以添加可以使冰点降低的添加剂, 而实践中我们常用的就是乙醇和盐这两种添加剂。一般情况下, 盐的浓度越高越好, 因为这样的话在同一压力下, 水的温度就越高, 这样水合物就更不容易形成。在实际深水钻井作业过程中, 经常采用钻井液加盐提高抑制性和井口等易形成水合物的位置注入乙二醇的方式防治水合物的形成, 同时使用的方式同时要考虑到盐的加入对钻井液性能的影响。

除了要考虑这些, 我们也要注意在技术方面防治水合物的形成。这些技术措施主要有以下几种:第一, 在对压井和节流管线进行填充的时候, 选择乙二醇和盐水;第二, 在钻井过程中, 发现有气体侵入进来的时候, 在防喷器里充满乙二醇和盐水。因为只要形成水合物, 其就会造成钻井通道的阻塞, 这时我们必须及时对这个问题加以处理。通常情况下会有以下三种做法:第一种就是用油管进行持续的冲洗, 以这种方式对水合物进行消除;第二种就是降低压力, 降低压力以后, 水合物也就会消除;第三种就是把防喷器起出来。当然这三种做法里面最为方便的就是降低压力, 因为其只需在管道里加入泥浆就可以了。

5 防治水合物的形成对钻井作业的影响

因为在钻井的过程中, 钻的水越深, 压力就会越高, 相应的温度就会越低, 这样水合物形成的可能性就越大。水的深度的增加, 不仅会使钻井的液体积会变大, 隔水的管道也就会申的越长, 这样就会产生更多的问题, 存在更大的风险。因为本来深水钻井作业就是一个具有高风险性质的工程, 水合物是其特有的风险, 而且贯穿整个工程的始终, 所以我们必须对这个问题加以重视, 认真对待。只有对此加以研究, 采取更多的防治措施和办法, 这个工程的进行才会更加的安全。

6 结语

以上是对这个问题的讨论, 一直围绕着钻井过程中水合物的形成以及对其的防治在探讨, 因为其存在于整个钻井工程的始终, 对整个工程是否能够顺利进行起着非常重要的作用。所以我们必须对这个问题加以重视。

摘要：21世纪人们对石油的探索领域已经延伸到深水, 而且最前沿的科研也都在深水区域, 其已成为获取油气资源的主要来源地。研究表明随着水深的不断增加, 海底压力越来越大, 温度越来越低, 天然气水合物极易形成。水合物的形成给深水钻探工作带来一系列的问题, 如影响钻井液性能、堵塞套管、钻具、水下防喷器设备等, 所以我们要对所存在的风险加以分析, 并针对这些风险提出一些防治措施。本文先对水合物的形成过程进行了介绍, 然后再此基础上分析其所存在的风险, 并针对这些风险提出防治措施。

关键词：水合物,风险,防治措施