冻土层钻井井口稳定性研究

发布时间：2020-04-01 08:47

【摘要】：北极、亚北极以及我国的青藏高原、新疆地区广泛发育着大面积的多年冻土,这些区域除了常规油气资源之外还赋存着大量的天然气水合物,存在着极大的开发价值。然而,冻土层钻井面临着巨大的技术挑战,其中井口稳定性是冻土层钻井的关键技术难点之一。由于钻井液与地层间的热交换作用导致冻土层升温融化,冻土的承载力大幅下降,井口和表层导管在井口载荷的作用下容易发生失稳下沉,导致作业中断,严重影响作业安全。因此,开展冻土层钻井过程井口稳定性的研究,为今后冻土层钻井作业提供参考依据就有着至关重要的意义。本文在分析了冻土的基本特征以及冻土层钻井特点、理论计算的基础上,在新疆克拉玛依-20℃左右的环境下进行了多组现场模拟试验,研究了钻井过程中温度变化对于冻土承载力的影响规律,并通过ABAQUS有限元分析软件,对冻土层钻井过程的温度场分布以及井口周围土体的融沉规律进行了数值模拟。在冻土钻井过程中,土体温度的变化趋势可以分为三个部分:平稳上升段、快速上升段和稳定阶段。井口下沉分为平稳下降段、快速下降段和稳定固结段。随着地层温度的逐渐升高,井口开始出现下沉,当地层升高到一定温度区间后,井口开始进入加速下沉阶段,当地层中的冰全部融化之后,井口下沉逐渐趋于稳定,进入稳定固结段。试验和数值模拟结果表明:粘性冻土在-4℃~0℃之间承载力下降最快,在这一区间内井口容易发生剧烈的融沉破坏。因此根据不同的井口载荷和冻土的物理力学参数,可以通过控制钻井液温度或者增加表层导管下入深度的方式提高冻土层钻井的井口稳定性。
【图文】：

天然气水合物,分布区域,全球

研究目的与意义017 年，我国原油进口量为 4.2 亿吨，同比增长 10%，首次超越美最大的原油进口国。石油对外依存度的不断攀升将严重影响到我国制约经济的可持续发展，我国将在能源安全方面面临巨大的挑战我国迫切需要提升自己的原因供给能力，改善能源状况。随着石油竭，钻井技术的不断发展，极地、冷海、冻土地区等需要大量技术的地区已逐渐成为了各国抢占资源的新热点，也成为了我国未来油主要方向之一。土地区蕴含着丰富的油气资源。研究表明，陆地和冷海的天然气水存在永久冻土区域，根据全球天然气水合物分布区域图（图 1.1）显和南极区域存在着约 4120 亿桶油气当量的待开采资源，约为世界资源的 22%。资料显示，北极地区的待开采油气资源约 1000 亿吨了一个新的波斯湾，这些地区的资源开采情况将极大地影响到今后局[2]。

类型分布,油气资源,可燃冰,天然气水合物

第 1 章绪论冻土地区油气资源的勘探开发也是我国今后发展的重点方向之一。中国第三大冻土大国，冻土面积约 2.15 106平方公里，分布范围以东北的大和青藏高原地区为主[3]，蕴含着大量未开采的油气资源(图 1.2)。随着我海域可燃冰(天然气水合物)的开采成功，我国正在逐渐加快推进可燃冰的进程，据资料显示，中国青藏高原覆盖着大量的冻土带，天然气水合物资。同时，我国一直在积极参与和布局极地、冷海等冻土地区油气资源的开，，与多个国家，尤其是俄罗斯等签署了多个区块的油气开发合作项目，这步要求我们在冻土地区的钻井技术需要有更快、更好的发展。
【学位授予单位】：中国石油大学(北京)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TE242

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