天然气水合物开釆安全控制模拟进展

摘要：对含水合物沉积物的力学性质研究发现，水合物强度随着围压的增大而增大。在相同围压、不同孔隙压力下，水合物沉积物力学强度随着孔隙压力的降低而降低。18MPa压力条件下，天然气 在钻井液体系和去离子水体系中都极易生成水合物，处理剂聚胺对钻井液体系中天然气水合物的形成具有抑制作用。研究结果可为我国海上水合物试开采的开采安全评估提供基础数据和理论依据。

1.项目概况

开采安全控制技术是天然气水合物开发利用技术的保障，也是天然气水合物作为能源利用的前提。根据中国地质调查局部署，中国科学院广州能源研究所针对天然气水合物开采安全、环境效应、钻井抑制等关键技术和科学问题，通过实验研究和理论分析，开展天然气水合物开采过程的安全性及环境影响和天然气水合物开采的安全控制技术研究，取得了阶段性成果。同时，研制了水合物流动安全系统和钻井液评价系统。研究钻进过程中，井喷控制技术、水合物层固井技术和水合物分解抑制技术形成了一套抑制剂试验、评价体系，获得了具有自主产权的组合型低剂量抑制剂。

2.成果简介

(1)含水合物沉积物力学性质。相同含水率下，分别对5MPa、10MPa、 15MPa和20MPa围压下，含水沉积物、过饱气含水合物沉积物及含冰沉积物的力 学强度进行对比，结果表明气饱和水合 物沉积物的强度小于含冰沉积物，而 大于含水沉积物的强度（图1)。发现含 水合物沉积物力学强度，在相同有效围 压（孔隙压力差）下，随着围压的增大而增大；在相同围压、不同的孔隙压力 下（即不同有效围压下），该强度随着孔 隙压力的降低（即有效围压的增加）而降低。这个现象解释了降压开采中，水 合物的强度随着孔隙压力的降低而降低。根据不同围压下水合物沉积物强度，验证了摩尔库伦屈服准则在水合物沉积物的可行性，但是对于模型的具体参数，在水合物沉积物需要进行修正。

(2 )钻井液体系天然气水合物形成 机制和影响因素。以甲烷、甲乙丙混合气（甲烷92%+乙烷5%+丙烷3%，体积比）和绿峡谷混合气（正戊烷0.208% +异戊烷0.201% + 异丁烷0.493% + 正丁烷0.789% + 丙烷3.13% + 乙烷7.51% + 氮气0.398% + 甲烷，体积比）为气源，分别对钻井液体系和去离子水体系进行了研究（图2)。结果表明：①在10~18MPa、 2~4°C的实验条件下，钻井液体系和去离子水体系都极易生成水合物；②处理 剂聚胺对钻井液体系中天然气水合物的形成具有抑制作用；③实验过冷度越大， 反应推动力越大，天然气水合物越容易 形成；④添加的盐类NaCl能够改变钻井 液水合物形成的相平衡条件，对水合物 形成具有明显的防治作用；⑤搅拌能加快热质传递速率，加快水合物形成过程; ⑥添加20%NaCl和20%的MEG可以有效抑制钻井液水合物的形成。对于绿峡谷气 体，研究的2种钻井液在18MPa、温度低于21C条件下有生成水合物的可能。

3.成果意义

力学性质测试结果对全面评价水合物开采过程中水合物沉积层的力学稳定性、存在的各种风险及其对海底结构物的影响提供了基础数据，将为我国海上天然气水合物试采的力学稳定性分析、防砂控砂等问题提供理论依据。首次对应用于实际油田的钻井液进行水合物动力学和抑制性能研究，以实际深水油气开采过程中所遇到的问题为切人点，结合水合物开采实际，对如何应对水合物开采过程中二次生成水合物的危害防治具有很强的指导意义。(中国科学院广州能源研究所 梁德青 供稿）