深水鉆井水合物的風(fēng)險(xiǎn)與防治措施

張穎(中海油能源發(fā)展工程技術(shù)公司， 廣東 深圳 518000)

深水鉆井水合物的風(fēng)險(xiǎn)與防治措施

張穎(中海油能源發(fā)展工程技術(shù)公司， 廣東 深圳 518000)

21世紀(jì)人們對(duì)石油的探索領(lǐng)域已經(jīng)延伸到深水，而且最前沿的科研也都在深水區(qū)域，其已成為獲取油氣資源的主要來源地。研究表明隨著水深的不斷增加，海底壓力越來越大，溫度越來越低，天然氣水合物極易形成。水合物的形成給深水鉆探工作帶來一系列的問題，如影響鉆井液性能、堵塞套管、鉆具、水下防噴器設(shè)備等，所以我們要對(duì)所存在的風(fēng)險(xiǎn)加以分析，并針對(duì)這些風(fēng)險(xiǎn)提出一些防治措施。本文先對(duì)水合物的形成過程進(jìn)行了介紹，然后再此基礎(chǔ)上分析其所存在的風(fēng)險(xiǎn)，并針對(duì)這些風(fēng)險(xiǎn)提出防治措施。

水合物；風(fēng)險(xiǎn)；防治措施

天然氣水合物是由天然氣和水在高于冰點(diǎn)的低溫和一定壓力條件下形成的外觀像冰但晶體結(jié)構(gòu)卻與冰不同的結(jié)晶籠狀固體。其中，水分子借助氫鍵形成主體結(jié)晶網(wǎng)格，網(wǎng)格的空穴內(nèi)充滿了如甲烷、乙烷、丙烷、異丁烷等輕烴或二氧化碳、硫化氫等非輕烴。聽起來可能很陌生，其實(shí)水合物就是一種像冰一樣的透明固體，只是這種固體的成分并不像冰一樣只是水，其除了水還有天然氣，水形成主體結(jié)構(gòu)，天然氣等化合物充填空洞之中。水合物的晶體特征如下表1所示，這種固體一般通過以下兩種途徑形成。

表1 水合物的晶體特征

1 天然存在的天然氣水合物

天然的水合物一般會(huì)存在于海洋地層的沉積過程中或者是位于極地的地下層當(dāng)中，當(dāng)然在這些地方也不必然形成水合物，這與其存在的海水的深度以及所處位置的溫度、壓力等都有密切的關(guān)系，其形成是需要很嚴(yán)格的物理?xiàng)l件的，而并非如我們所說的那么簡(jiǎn)單。

2 在深水作業(yè)的過程中形成的水合物

天然存在的水合物需要一定的條件，當(dāng)然，工業(yè)作業(yè)過程中所形成的水合物也需要條件。其必要的兩個(gè)條件就是低溫和高壓。水合物的形成所需要的溫度和壓力會(huì)因天然氣的組分有很大的關(guān)系。一般情況下，甲烷要形成水合物需要的壓力28bar，溫度為l℃，而其他的烴類需要的壓力則比較低，一般為5bar，溫度依然為l℃。天然氣水合物穩(wěn)定區(qū)與深度及溫度之間的關(guān)系如圖1所示。

所以為了避免水合物的形成，我們有必要對(duì)這些物質(zhì)形成水合物的溫度和壓力進(jìn)行研究。這樣我們就可以通過鉆井液的抑制性提高溫度，來達(dá)到避免這些水合物的形成的目的。而且一般情況下，鉆井液的抑制性與水合物的形成成反比例。

3 鉆井過程中存在的水合物風(fēng)險(xiǎn)

水合物的形成一般會(huì)出現(xiàn)在兩種情況下，一種是鉆井鉆到了含有水合物的地層，一種是在鉆井的過程中因?yàn)閴毫蜏囟冗_(dá)到一定的程度而形成了水合物。以下就對(duì)這兩種情況分別進(jìn)行介紹。

圖1 天然氣水合物穩(wěn)定區(qū)與深度及溫度間的關(guān)系

(1)在鉆井的過程中因?yàn)殂@到了有水合物的地層，出現(xiàn)了水合物風(fēng)險(xiǎn) 當(dāng)鉆井鉆到含有水合物的地層時(shí)，水合物會(huì)出現(xiàn)溶解的現(xiàn)象，因?yàn)殂@液中含有足夠使水合物溶化的熱量，水合物融化的后果是相當(dāng)嚴(yán)重的，這會(huì)造成鉆井的井簡(jiǎn)的穩(wěn)定性降低。因?yàn)楫?dāng)鉆井深入水合物地層時(shí)，地面就會(huì)釋放大量的天然氣，這樣就會(huì)出現(xiàn)井控的問題。因?yàn)橛绊懰衔镄纬傻膬蓚€(gè)必要的因素是壓力和溫度，所以不論是在壓力不變溫度出現(xiàn)變化的情況下還是在溫度不變壓力出現(xiàn)變化的情況下，或者是兩者都出現(xiàn)的變化的情況下，都會(huì)出現(xiàn)水合物的穩(wěn)定性波動(dòng)的情況。水合物的穩(wěn)定降低，就會(huì)出現(xiàn)水合物隨時(shí)分解的情況，這都會(huì)影響鉆井的穩(wěn)定性。

(2)在鉆井過程中因?yàn)闇囟葔毫Φ淖兓纬商烊粴馑衔?在鉆井的深度越來往下的時(shí)候，隔水的管道和防噴器的溫度也就會(huì)隨之而下降，如果這時(shí)有氣體進(jìn)入，就很有可能達(dá)到水合物形成的條件，造成水合物的形成。如果形成水合物，這時(shí)不論在井下還是地面上，都會(huì)出現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)，這些風(fēng)險(xiǎn)主要有以下幾方面：第一種可能出現(xiàn)的問題就是，因?yàn)樗衔镌谛纬蛇^程中要吸收水分，所以泥漿里的水分就會(huì)減少，這時(shí)就會(huì)出現(xiàn)卡鉆等問題，第二個(gè)可能出現(xiàn)的問題是水合物溶解以后，會(huì)產(chǎn)生重大的安全隱患，因?yàn)樵谌芙獾倪^程中會(huì)造成大量的天然氣的釋放；第三個(gè)可能出現(xiàn)的問題就是如果形成水合物，井控系統(tǒng)就會(huì)受影響，具體表現(xiàn)為：①節(jié)流壓井管線堵塞，無法恢復(fù)循環(huán)作業(yè)；②防噴器或防噴器以下的空間發(fā)生堵塞，無法檢測(cè)防噴器之下的壓力；③隔水管、防噴器或套管與鉆具的環(huán)空形成堵塞，無法移動(dòng)鉆具；④鉆具與防噴器之間形成堵塞，使防噴器不能完全被關(guān)閉；⑤被關(guān)閉的防噴器閘板腔中形成堵塞，此時(shí)井控操作就會(huì)受到嚴(yán)重影響。下圖2為典型三相水合物平衡線:

圖2 典型三相水合物平衡線

4 防治水合物的措施和方法

要防治水合物的形成，一般最簡(jiǎn)單也就是最直接的方法就是減少自由水，或者也可以添加可以使冰點(diǎn)降低的添加劑，而實(shí)踐中我們常用的就是乙醇和鹽這兩種添加劑。一般情況下，鹽的濃度越高越好，因?yàn)檫@樣的話在同一壓力下，水的溫度就越高，這樣水合物就更不容易形成。在實(shí)際深水鉆井作業(yè)過程中，經(jīng)常采用鉆井液加鹽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，同時(shí)使用的方式同時(shí)要考慮到鹽的加入對(duì)鉆井液性能的影響。

除了要考慮這些，我們也要注意在技術(shù)方面防治水合物的形成。這些技術(shù)措施主要有以下幾種：第一，在對(duì)壓井和節(jié)流管線進(jìn)行填充的時(shí)候，選擇乙二醇和鹽水；第二，在鉆井過程中，發(fā)現(xiàn)有氣體侵入進(jìn)來的時(shí)候，在防噴器里充滿乙二醇和鹽水。因?yàn)橹灰纬伤衔?，其就?huì)造成鉆井通道的阻塞，這時(shí)我們必須及時(shí)對(duì)這個(gè)問題加以處理。通常情況下會(huì)有以下三種做法：第一種就是用油管進(jìn)行持續(xù)的沖洗，以這種方式對(duì)水合物進(jìn)行消除；第二種就是降低壓力，降低壓力以后，水合物也就會(huì)消除；第三種就是把防噴器起出來。當(dāng)然這三種做法里面最為方便的就是降低壓力，因?yàn)槠渲恍柙诠艿览锛尤肽酀{就可以了。

5 防治水合物的形成對(duì)鉆井作業(yè)的影響

因?yàn)樵阢@井的過程中，鉆的水越深，壓力就會(huì)越高，相應(yīng)的溫度就會(huì)越低，這樣水合物形成的可能性就越大。水的深度的增加，不僅會(huì)使鉆井的液體積會(huì)變大，隔水的管道也就會(huì)申的越長(zhǎng)，這樣就會(huì)產(chǎn)生更多的問題，存在更大的風(fēng)險(xiǎn)。因?yàn)楸緛砩钏@井作業(yè)就是一個(gè)具有高風(fēng)險(xiǎn)性質(zhì)的工程，水合物是其特有的風(fēng)險(xiǎn)，而且貫穿整個(gè)工程的始終，所以我們必須對(duì)這個(gè)問題加以重視，認(rèn)真對(duì)待。只有對(duì)此加以研究，采取更多的防治措施和辦法，這個(gè)工程的進(jìn)行才會(huì)更加的安全。

6 結(jié)語(yǔ)

以上是對(duì)這個(gè)問題的討論，一直圍繞著鉆井過程中水合物的形成以及對(duì)其的防治在探討，因?yàn)槠浯嬖谟谡麄€(gè)鉆井工程的始終，對(duì)整個(gè)工程是否能夠順利進(jìn)行起著非常重要的作用。所以我們必須對(duì)這個(gè)問題加以重視。

[1]張亮,張崇,黃海東,齊東明,張宇,任韶然,吳志明,方滿宗.深水鉆完井天然氣水合物風(fēng)險(xiǎn)及預(yù)防措施——以南中國(guó)海瓊東南盆地QDN-X井為例[J].石油勘探與開發(fā),2014,06:755-762.

[2]吳華.深水鉆井中天然氣水合物預(yù)測(cè)的研究[D].中國(guó)石油大學(xué),2012年08期.