天然气水合物钻探的井控工艺和参数计算

发布时间：2020-07-30 21:48

【摘要】： 鉴于油气资源的日益枯竭,天然气水合物作为一后备新能源已成为目前世界各国关注的焦点。钻探水合物藏时,水合物生成与分解引起的井控难题是阻碍其发展的主要难题之一。本文对天然气水合物钻探井控工艺技术进行探索性研究,旨在为未来钻探水合物藏提供理论依据和技术支撑。 通过实验研究,得到了水合物分解时在不同温度及压力条件下的气体生成量随时间的变化关系,得到了适合水合物钻探井控过程中水合物分解速度模型,为研究水合物钻探井控工艺技术奠定了基础。 针对天然气水合物钻探的特征,综合考虑水合物相变的影响,通过理论分析与推导,建立了水合物钻探井筒多相流流动模型,采用数值方法对模型中的方程组进行了求解,并通过一个算例验证了所建模型,得出的计算结果与理论基本吻合,该模型的建立为水合物钻探水力参数计算打下了基础。 综合分析了海洋天然气水合物钻探及井控相关工艺技术难题,提出了适用于水合物钻探的工艺技术和相关的设备配置;根据水合物的分解特征提出了钻探中如何抑制水合物分解的方法,并针对水合物钻探出现的气侵和溢流问题提出了相应的控制方法以及压井方法和配套的设备。在常规海洋钻井水力参数计算的基础上,结合水合物钻探的工艺技术特征,建立了水合物钻探水力参数计算模型并得到了循环压耗的计算公式及压井参数的计算方法。本文的研究成果可为我国今后开展海洋天然气水合物的钻探提供一定参考价值。
【学位授予单位】：中国石油大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2008
【分类号】：P744.4
【图文】：

图 1-1 天然气水合物分布图Fig 1-1 Gas hydrate distribution graph我国海域内已经发现大量天然气水合物储量，据我国地质调查局的前期调查，仅西沙海槽已初步圈出天然气水合物分布面积 5242 平方千米，水合物中天然气资源量估算达 4.1 万亿立方米。据专家预测，我国南海东沙陆坡、台湾西南陆坡、南沙海槽、冲绳海槽等水深在 350～3200 米范围可能存在大量的天然气水合物资源，可以满足我国今后数百年的需求。我国海域水深在 500 米以上的深水区域约占海域总面积的四分之三。南海北部陆坡区的盆地和南沙海域 13 个新生代沉积盆地部分或全部位于深水区，有些地区水深在 2000 米以上。1.2 天然气水合物的结构研究表明[4]：天然气水合物有三种结构，即Ｉ型、Ⅱ型和 H 型晶格结构。其中Ｉ型、Ⅱ型水合物的结构是 50 年代经 X 射线测定的；而 H 型水合物的结构则是 1987 年经衍

乙烯及卤素小分子等。其中甲烷在数量上占据主要地位。之所以有人，这和它笼状的分子结构有关。水合物中的水分子以立方晶系结晶，体分子作为客体被包含在笼型晶格中。水分子形成刚性笼形晶格，每一个气体分子。水合物每种类型的基础都是十二面体，这种十二面体是由 12 个水分二面体与六面体在一起，在Ⅰ型天然气水合物中，形成 12 个五面体形的晶面；在Ⅱ型天然气水合物中，与六面体一起，形成 12 个五边边形的晶面。十二面体表示为 512，它具有十二个五边形面由五边形结构。51262表示十四面体，它具有十二个五边形、两个六边形面，。十六面体是由四个六边形和十二个五边形面组成，每个六边形边都的孔穴结构最接近球形，可表示为 51264。H 型结构水合物，其结构与含有 512、51268、435663三种孔穴，此 H 型水合物是由甲基环己烷等类-2 所示[5]。

按图1-3 可初步估算天然气水合物形成的最低压力和最高温度[6]。天然气水合物形成温度－压力曲线如图 1-3 所示。Christiansen 和 Sloan[7]评论了笼形水合物生成的机理和动力学研究，比较一致地认为:当非极性分子溶于水中时，它周围的水分子将有序排列形成不稳定的簇团（labileclusters）。它的存在可由溶解时熵的变化和高的热容得到证明。它是不稳定的，但对水合物的生成有重要作用。簇团内非极性分子相互吸引，产生“增水键合”，使聚结成团。这种聚结体的簇团互成平衡。在它们没有达到某个聚结临界值之前，可以增大或缩小；当达到或超过此临界值时，则形成水合物的核。其假设的机理如图 1-4 所示[7]。图 1-3 天然气水合物形成温度－压力曲线Fig 1-3 Gas hydrate generation temperature pressure curve图 1-4 形成水合物的机理假设Fig 1-4

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