冻土层钻探低温泡沫冲洗液的研究

发布时间：2017-09-25 02:00

  本文关键词：冻土层钻探低温泡沫冲洗液的研究

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【摘要】：近年来,世界各国都在加快开发新能源的脚步,丰富的资源往往伴随着恶劣的开采条件。现有资料表明,天然气水合物主要赋存在冻土地层(冻岩地层)和海底沉积地层中。我国常年冻土区主要分布在青藏高原和漠河盆地,且分布面积广、开发程度低,具有较高的科研和经济价值。自60年代后,我国针对冻土地区的研究开发进程日益加快。但在冻土区钻探施工中,经常会遇到诸多问题,如:冲洗液初始温度与孔内温度存在温差从而导致钻孔内上下部温度分布不均匀;环境温差大引起冲洗液性能变化大;冻结后的冲洗液流变性变差,携粉能力降低,严重影响钻进效率;在特殊孔段钻进时(永冻层或局部蚀变孔段),护壁能力差的冲洗液易造成孔段岩心水化膨胀等问题。这些问题直接导致岩心采取率不足、井壁坍塌、埋钻、憋泵等事故发生概率提高,严重干扰正常钻进,导致施工进度很难保证。减小低温冲洗液对原始冻土层温度场的扰动从而保证钻孔井壁良好的稳定性是目前在冻土区进行钻探取样时面临的难题。俄罗斯冻土地区开采天然气经验表明,在冻土区钻进取样时,使用热传导系数小、失水量多、黏度大的冲洗液效果最好。而泡沫冲洗液体系正好具有以上的性能参数,所以在正确选用钻探工具与钻探工艺的前提下,弄清低温泡沫冲洗液对孔内冻土温度场的影响对保证冻土区井壁安全非常必要。具体研究内容及成果如下:1)根据能量守恒定律,推导了冻土场导热微分方程解析式,探讨了冻土井壁内冲洗液与井壁之间热传导、热辐射以及热对流的作用关系,建立了冲洗液循环与静止情况下井壁温度场分布模型,采用ANSYS数值模拟分析泡沫初始温度、泡沫流速及泡沫密度等相关参数对冻土层井壁温度场的影响规律,发现:泡沫初始温度及泡沫密度是影响井壁温度的主要因素。2)建立了室内冻土温度场检测实验平台,采用正交实验法对实验进行设计,改变泡沫液的参数,对井壁冻土层的温度变化情况进行检测。实验结果表明,影响冻土层温度最主要的因素是泡沫密度和泡沫初始温度,其次是泡沫流速。实验验证了数值模拟结果的正确性。3)经过大量的实验研究,选定了成本低、抗盐性好的非离子APG0810作为泡沫冲洗液的发泡剂;对PAM/XC复合稳泡剂的抗金属离子稳定性的机理性进行了研究,得到了高浓度金属离子条件下,具有良好黏性、流变性及稳泡性的复合稳泡剂。4)将研制的低温泡沫冲洗液成功应用于漠河冻土区水合物钻探施工中,得到了实践的验证,为冻土区钻探施工提供了优良的泡沫冲洗液。
【关键词】：低温泡沫冲洗液 冻土层 井壁 温度场
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：P634.6
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第1章 绪论11-25
• 1.1 研究的目的及意义11-12
• 1.2 国内外研究现状12-20
• 1.2.1 井壁温度场国内外研究现状12-15
• 1.2.2 泡沫钻探技术国内外研究现状15-18
• 1.2.3 低温冲洗液国内外研究现状18-20
• 1.3 研究方案及技术路线20-25
• 1.3.1 研究方案20-21
• 1.3.2 研究内容21-22
• 1.3.3 理论依据22
• 1.3.4 研究方法22-25
• 第2章 泡沫对冻土层井壁温度场影响的理论研究25-43
• 2.1 土与泡沫的热物理参数25-31
• 2.1.1 土的热物理性质25-27
• 2.1.2 泡沫的热物理性质27-31
• 2.2 导热基本问题与求解方法31-38
• 2.2.1 温度场和温度梯度31-32
• 2.2.2 导热基本定律32
• 2.2.3 热导微分方程32-35
• 2.2.4 井壁的导热分析35-38
• 2.3 钻进过程中的井壁温度场模型38-42
• 2.3.1 冲洗液静止时的井壁温度场模型38-40
• 2.3.2 冲洗液循环时井壁温度场模型40-42
• 2.4 本章小结42-43
• 第3章 冻土层井壁温度场数值模拟43-65
• 3.1 温度场基本理论43-45
• 3.2 温度场数值模拟45-64
• 3.2.1 模拟假设45-46
• 3.2.2 物理模型46
• 3.2.3 数学模型46-47
• 3.2.4 边界条件47
• 3.2.5 网格划分47-48
• 3.2.6 数值模拟结果及分析48-64
• 3.3 本章小结64-65
• 第4章 泡沫冲洗液对冻土温度场影响的实验研究65-85
• 4.1 实验平台设计要求65
• 4.1.1 实验目的65
• 4.1.2 实验装置65
• 4.2 实验平台主要设备及实验参数65-75
• 4.2.1 冲洗液循环制冷系统66-68
• 4.2.2 泡沫发生系统68-71
• 4.2.3 实验参数的确定71-75
• 4.3 数据分析75-83
• 4.3.1 循环时冲洗液对井内温度的影响75-81
• 4.3.2 静止时冲洗液对井内温度的影响81-83
• 4.4 本章小结83-85
• 第5章 低温泡沫冲洗液的研制与抗盐机理分析85-102
• 5.1 低温泡沫冲洗液的组成及其性能85-91
• 5.1.1 发泡剂类型85-86
• 5.1.2 选用发泡剂要求与原则86-87
• 5.1.3 发泡剂优选的方法87
• 5.1.4 发泡剂的选择87-89
• 5.1.5 稳泡剂89-91
• 5.2 无机金属离子对PAM/XG的影响研究91-101
• 5.2.1 实验准备91-92
• 5.2.2 实验仪器92
• 5.2.3 实验结果与讨论92-101
• 5.3 本章小结101-102
• 第6章 低温泡沫冲洗液在漠河冻土层钻探中的应用102-117
• 6.1 施工区地质概况与施工概况102
• 6.1.1 区域地质概况102
• 6.1.2 施工概况102
• 6.2 低温泡沫钻进工艺102-113
• 6.2.1 钻探工艺与设备102-105
• 6.2.2 低温空气泡沫钻进设备105-111
• 6.2.3 低温泡沫钻进流程111-113
• 6.3 低温空气泡沫钻进试验效果113-116
• 6.3.1 钻进实验情况113-114
• 6.3.2 数据处理与分析114-116
• 6.4 本章小结116-117
• 第7章 结论与展望117-119
• 7.1 结论117
• 7.2 论文创新点117
• 7.3 展望117-119
• 参考文献119-129
• 作者简介及在学期间所取得的科研成果129-133
• 致谢133-134

【参考文献】

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本文编号：914703