任冠龍，孟文波，何玉發(fā)，黃亮，王金堂

（1.中海石油(中國)有限公司湛江分公司,廣東湛江 524057；2.中海油研究總院有限責(zé)任公司,北京 100029；3.中國石油大學(xué)(華東),山東青島 266580）

0 引言

“深海一號”大氣田的成功開發(fā)推動著南海深水油氣資源逐步向超深水、深水高溫高壓領(lǐng)域邁進(jìn)，隨著水深的不斷增加，深水鉆井作業(yè)面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。深水鉆井、井控和陸上及淺水有很大不同，主要體現(xiàn)在：①破裂壓力梯度小造成的窄密度安全窗口；②在泥線處的高壓低溫環(huán)境以及井筒內(nèi)的復(fù)雜溫度環(huán)境，井筒中易形成天然氣水合物；③深水鉆井井口多裝在海底，井口回壓高以及節(jié)流管線的明顯壓力損失，導(dǎo)致深水井筒溫壓場計算方法與陸地不同[1]。特別是在深水鉆井過程中鉆遇含氣地層時，天然氣如果竄入井筒或環(huán)空的鉆井液中，氣體在海底低溫高壓條件下易在鉆井管線、閥門和防噴器內(nèi)形成水合物堵塞井眼、環(huán)空或防噴器，嚴(yán)重影響鉆井作業(yè)。目前在深水鉆井液中添加水合物抑制劑從而使鉆井液具有水合物抑制性是國內(nèi)外常用方法，深水淺層鉆井期間主要是控制水合物抑制劑的濃度，在鉆進(jìn)期間采用半防鉆井液體系和靜止期間采用全防鉆井液體系進(jìn)行鉆井，從而保障作業(yè)安全。但現(xiàn)場淺層鉆井作業(yè)過程一般時間較短，鉆井液體系的頻繁轉(zhuǎn)換不但影響作業(yè)效率，還會導(dǎo)致鉆井液體系復(fù)雜，成本增加[2–3]。

在海洋深水淺層和水合物儲層鉆井時一般在鉆井液中加入熱力學(xué)水合物抑制劑，使水合物的相態(tài)平衡曲線向低溫方向移動，從而抑制水合物固體的生成，常用的有高鹽鉆井液體系、高鹽/聚合醇/PHPA（部分水解聚丙烯酰胺）鉆井液體系以及油基鉆井液體系等[4–6]。以南海某深水氣井淺層鉆井作業(yè)工況為研究對象，在深水表層鉆井液應(yīng)用現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，構(gòu)建鉆進(jìn)模型，結(jié)合水合物相態(tài)曲線對淺層鉆進(jìn)期間的水合物生成風(fēng)險進(jìn)行分析，計算不同工況下的鉆井液水合物抑制性能，開展水合物抑制劑室內(nèi)試驗評價，驗證數(shù)值分析的準(zhǔn)確性，從而對淺層鉆井液體系進(jìn)行配方優(yōu)化，為實際作業(yè)提供技術(shù)指導(dǎo)，保障深水淺層鉆井作業(yè)的安全高效。

1 深水淺層鉆井液應(yīng)用現(xiàn)狀

深水地區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，深水淺層具有土質(zhì)疏松、作業(yè)壓力窗口窄、海底泥線溫度低等特點，給鉆井施工帶來諸多困難，鉆井液應(yīng)用過程中面臨著井壁穩(wěn)定、低溫流變性調(diào)控難度大以及環(huán)境污染等問題。目前南海深水表層鉆井作業(yè)一般采用噴射下導(dǎo)管+二開繼續(xù)鉆進(jìn)技術(shù)，實現(xiàn)一趟管柱一、二開2個井眼同時鉆進(jìn)作業(yè)，有效降低作業(yè)時間和井眼靜置時間，避免了因淺層井眼長時間暴露導(dǎo)致出現(xiàn)井壁垮塌等復(fù)雜情況，確保了表層鉆井作業(yè)安全，提高了深水井的作業(yè)效率[7–9]。深水表層一開、二開鉆井采用開路鉆進(jìn)，即不下入隔水管和BOP組，采用海水進(jìn)行鉆進(jìn)，未建立正常鉆井液泵入和返出循環(huán)流程。由于海水密度較低，無法有效平衡井筒內(nèi)孔隙和坍塌壓力，所以二開井眼及套管下入深度一般不會太深，目前根據(jù)深水海域地質(zhì)特點認(rèn)識與鉆井作業(yè)流程優(yōu)化，二開井眼鉆進(jìn)深度可至泥線以下約1000 m左右。

目前深水井三開鉆井作業(yè)一般為Φ444.5 mm井眼，鉆至目的層以上，四開或五開則為目的層鉆進(jìn)，因此主要針對深水井三開作業(yè)期間鉆井液體系進(jìn)行優(yōu)化研究。深水三開作業(yè)井段通常長達(dá)1000 m以上，作業(yè)過程中需重點關(guān)注井眼清潔、井壁穩(wěn)定、井漏預(yù)防以及水合物預(yù)防等風(fēng)險。目前三開井段常用鉆井液體系為HEM體系，其基本配方組成為：鉆井水+（1%～2%）降濾失劑PF-FLO+（0.3%～0.8%）降濾失劑PF-PAC+（3%～5%）超細(xì)碳酸鈣PF-EZCARB+（0.1%～0.3%）調(diào)節(jié)劑PF-XC+（2%～3%）防泥包潤滑劑PF-UHIB+（1%～2%）強(qiáng)抑制劑聚胺PF-HLUB。為抑制水合物形成，通常在鉆井液配方中加入NaCl或乙二醇構(gòu)建半防或全防鉆井液，正常鉆進(jìn)期間選用半防鉆井液體系，在電測、修理設(shè)備、避臺以及其他需要等待24 h以上的作業(yè)時，選用全防水合物鉆井液體系[10–12]。圖1為不同濃度的鹽類抑制劑對水合物抑制能力的影響，從圖1可以看出，不同濃度的NaCl和KCl對天然氣水合物的抑制能力較強(qiáng)，兩者復(fù)配使用時，抑制性能增強(qiáng)，如在鉆井液體系中加入14%NaCl和6%KCl時，在1500 m水深時，鉆井液中的水合物臨界生成溫度為10.68 ℃，即此時井筒內(nèi)最低循環(huán)溫度高于此溫度時，則無水合物生成。

圖1 不同濃度鹽類抑制劑對天然氣水合物相態(tài)曲線的影響

2 深水淺層鉆井水合物生成風(fēng)險分析

2.1 基本概況

以南海某深水井LX-1為例，該井為直井，水深1570 m，設(shè)計井深4470 m，全井壓力系數(shù)約為1.0～1.07，該井三開Φ444.5 mm井眼從2560 m鉆進(jìn)至3670 m。該井段鉆井液體系選用HEM體系，密度為1.24 g/cm3，鉆進(jìn)期間加入14%NaCl+6%KCl+8%乙二醇構(gòu)建半防鉆井液體系，靜止期間加入25%NaCl+6%KCl+20%乙二醇構(gòu)建全防鉆井液體系。

2.2 鉆井模型建立及校正

根據(jù)該井的設(shè)計概況建立了鉆進(jìn)模型，并結(jié)合實際鉆進(jìn)期間鉆柱組合及鉆進(jìn)參數(shù)，對該井進(jìn)行鉆井工況模擬和計算校核，然后對不同鉆進(jìn)深度的井筒溫度場進(jìn)行預(yù)測，為水合物的生成風(fēng)險提供計算依據(jù)。

1）ECD模擬計算及校正。ECD由鉆井液靜壓力、鉆井液流動摩阻和巖屑附加壓降組成，主要影響因素有鉆井液排量、巖屑濃度、鉆井液密度、鉆井液黏度、機(jī)械鉆速、鉆桿轉(zhuǎn)速和鉆桿偏心和旋轉(zhuǎn)等，在此基礎(chǔ)上建立正常鉆進(jìn)時當(dāng)量鉆井液循環(huán)密度計算公式如下。

式中，ρECD為 當(dāng)量鉆井液循環(huán)密度，g/cm3；ρESD為當(dāng)量鉆井液靜態(tài)密度，g/cm3；ρs為巖屑密度，g/cm3；Ca為環(huán)空 巖屑濃 度；?pa為環(huán)空壓耗，MPa；h為垂深，m。

根據(jù)圖2（a）中計算結(jié)果可以看出，隨巖屑濃度增加，ECD增加。對于Φ444.5 mm井段由于巖屑濃度不高，鉆井液排量影響逐漸減弱，巖屑尺寸和形狀、機(jī)械鉆速對巖屑濃度影響較大，鉆井液密度、有效黏度次之，鉆桿轉(zhuǎn)速影響最小。圖2（b）為LX-1實鉆期間ECD數(shù)據(jù)與模擬計算數(shù)據(jù)對比，從圖中可以看出，ECD實測值與計算值基本吻合，平均誤差為7.8%。

圖2 LX-1井ECD模擬計算與校正

2）井筒溫度場模擬計算及校正。深水鉆井溫壓場主要是深水鉆井井筒傳熱計算模型的研究?，F(xiàn)有深水氣井開發(fā)井筒熱力學(xué)模型中，整個井筒一般均采用地層井段的熱傳遞模式，沒有專門考慮深水海水井段中隔水管內(nèi)外流體的特殊性，忽略了海水井段隔水管與海水、環(huán)空流體間存在受迫熱對流、自然對流以及熱傳導(dǎo)等多種熱量傳遞模式[13]。根據(jù)質(zhì)量、能量守恒原理和傳熱學(xué)原理，在前期研究基礎(chǔ)上建立井筒溫度場的方程如下。

鉆柱內(nèi)溫度場方程：

環(huán)空溫度場方程：

式中，ρ為鉆井液密度，g/cm3；c為鉆井液定壓比熱；t為時間，s；z為軸向坐標(biāo)；Tp和Ta分別為鉆柱內(nèi)和環(huán)空溫度，℃；Ap和Aa分別為鉆柱和環(huán)空流道面積，m2；vp和va分別為鉆柱和環(huán)空內(nèi)鉆井液流速，m/s；qap為 鉆柱內(nèi)鉆井液與環(huán)空換熱量，J；qea為環(huán)空鉆井液與海水或者地層換熱量，J；qp=Apvppfp和qa=Aavapfa分別為鉆柱和環(huán)空內(nèi)摩擦生熱，J，pfp和pfa分別為鉆柱內(nèi)和環(huán)空鉆井液軸向流動摩阻梯度，與鉆井液速度、密度、流變性能、流態(tài)等有關(guān)，隨溫度和壓力變化而變化。

圖3為模擬計算LX-1井鉆至不同井深時的鉆柱和環(huán)空溫度場，圖中實測溫度場為LX-1井三開井段鉆進(jìn)至不同深度時鉆頭處的實際溫度。從圖中可以看出，未鉆進(jìn)時初始溫度場為隨著水深的增加逐漸降低，然后隨著井深的增加逐漸升高，在泥線處溫度最低；當(dāng)三開井段鉆進(jìn)至井深3670 m時，井筒溫度場在海水段保持在25 ℃左右，在泥線處顯著下降，在地層段保持在35～37 ℃左右。與該井鉆至井深3670 m時的實測溫度場基本吻合，平均誤差為4.6%。

圖3 LX-1井不同鉆進(jìn)深度溫度場模擬計算及校正

3）不同鉆進(jìn)深度井筒溫度場預(yù)測。根據(jù)以上鉆井模型和LX-1井鉆進(jìn)參數(shù)，模擬鉆進(jìn)至不同井深時的溫度場曲線，并與實測溫度場進(jìn)行了對比，如圖3所示。從圖3可以看出，當(dāng)從井深2560 m開始鉆進(jìn)時，井筒溫度場隨水深增加逐漸降低，泥線處的溫度最低，此時初始鉆進(jìn)溫度最低為3 ℃，然后隨井深的增加逐漸升高至地層溫度；隨著鉆進(jìn)深度的增加和鉆井液循環(huán)流動，在鉆進(jìn)不同深度時海水段井筒溫度場逐漸升高，地層段井筒溫度場逐漸降低，且三開井段前100 m鉆進(jìn)時井筒溫度場變化較大，后續(xù)井段溫度場處于較穩(wěn)定狀態(tài)，與實鉆測量井筒溫度變化趨勢保持一致。但由于深水井段的特殊性質(zhì)，井筒溫度場在泥線處會始終呈下降的狀態(tài)。

2.3 水合物生成風(fēng)險分析

LX-1井水深為1570 m，屬于超深水井，在超深水淺層低溫氣井中，井筒溫度場表現(xiàn)出與典型深水氣井井筒溫度場不同的趨勢，且該井目標(biāo)儲層屬于低溫儲層，由于地層流體本身溫度較低，在經(jīng)過下部海水段的迅速降溫后，井筒溫度降至接近海水溫度，進(jìn)入上部海水段后，海水溫度開始上升，井筒溫度場停止下降，逐漸呈現(xiàn)反轉(zhuǎn)上漲趨勢[14–15]。

將該井的水合物相態(tài)曲線與不同鉆進(jìn)深度下的井筒溫度場相結(jié)合，將水合物相平衡時的溫度-壓力點，轉(zhuǎn)換至井筒條件下的溫度-深度點，通過將井筒內(nèi)的溫度-井深曲線和水合物相態(tài)曲線進(jìn)行對比就可以得到井筒內(nèi)的水合物生成區(qū)域，判斷水合物的生成風(fēng)險。當(dāng)水合物相態(tài)曲線在井筒溫度曲線右側(cè)形成交叉時，兩曲線所包圍的區(qū)域即為水合物的生成區(qū)域，該區(qū)域在縱向上長度越大，則水合物的生成區(qū)域越大；若在橫向上寬度越大，則水合物的生成過冷度越大，水合物更容易生成，且水合物生成速率越快。

從圖4中可以看出，初始鉆進(jìn)期間的井筒溫度場與水合物相態(tài)曲線相交，存在水合物生成風(fēng)險；隨著鉆井深度的增加，井筒溫度場升高，水合物生成風(fēng)險區(qū)域逐漸減小，當(dāng)鉆進(jìn)至2600 m時，井筒溫度場曲線不再與水合物相態(tài)曲線相交，即不再產(chǎn)生水合物風(fēng)險。且由鉆井期間實測溫度場可知，鉆進(jìn)初期井下溫度也與水合物相態(tài)曲線相交，與模擬計算趨勢保持一致。經(jīng)計算該井不同鉆進(jìn)深度下的水合物生成區(qū)域如表1所示。

圖4 LX-1井不同鉆進(jìn)深度的水合物生成風(fēng)險圖

表1 LX-1井三開鉆進(jìn)期間水合物生成區(qū)域預(yù)測

3 深水淺層鉆井液水合物抑制性優(yōu)化

3.1 數(shù)值模擬優(yōu)化研究

根據(jù)第2節(jié)計算結(jié)果可知，LX-1井三開井段鉆井作業(yè)期間最低循環(huán)溫度為13.72 ℃，靜置期間最低溫度為3 ℃（泥線溫度），結(jié)合水合物相態(tài)曲線模擬計算半防鉆井液和全防鉆井液的水合物抑制性如圖5所示。從圖5中可以看出在同等工況下，半防鉆井液體系形成的水合物臨界生成溫度為8.05 ℃，可滿足三開鉆井最低循環(huán)溫度要求，全防鉆井液體系形成的水合物臨界生成溫度為2.1 ℃，可滿足靜置期間溫度要求，表明2種體系在各自作業(yè)工況下可滿足相應(yīng)的作業(yè)要求。

圖5 鉆井液體系對天然氣水合物的抑制能力

進(jìn)一步將添加有不同抑制劑和不同鉆井液體系形成的水合物相態(tài)曲線與不同鉆進(jìn)深度下的井筒溫度場相結(jié)合，如圖6所示。從圖6中可以看出，當(dāng)添加有鹽類或乙二醇后，水合物相態(tài)曲線均向左移動，當(dāng)添加6%KCl時水合物相態(tài)曲線仍與鉆進(jìn)期間的溫度場相交，而當(dāng)添加14%NaCl+6%KCl時水合物相態(tài)曲線只與鉆進(jìn)準(zhǔn)備時的最低循環(huán)溫度場相交，而不與任何鉆井深度的溫度場曲線相交，說明14%NaCl+6%KCl抑制劑體系雖不如半防鉆井液體系抑制效果好，但已能滿足正常鉆井作業(yè)需要，可以將原半防鉆井液體系（14%NaCl+6%KCl+8%乙二醇）中的乙二醇優(yōu)化刪去，但是不能滿足靜置期間作業(yè)要求。從圖6中還可以看出，只有全防鉆井液體系才可以完成滿足靜置及鉆井期間水合物的抑制需求。但鹽作為水合物抑制劑會帶來一系列腐蝕問題，另外在鉆井液中使用時還要考慮到與其它鉆井液成分的相容性，隨著鹽濃度的升高，鉆井液性能維護(hù)及其調(diào)控愈加困難，而醇具有冰點低，水溶性強(qiáng)，成本低，對水合物的抑制效果好的優(yōu)點。

圖6 鉆井液體系水合物抑制性能優(yōu)化

3.2 實驗優(yōu)化研究

3.2.1 HEM鉆井液體系抑制水合物生成實驗評價

在數(shù)值模擬研究基礎(chǔ)上，室內(nèi)對HEM鉆井液體系的水合物抑制性進(jìn)行了實驗評價，鉆井液體系基本配方如第1節(jié)所述。實驗采用恒轉(zhuǎn)速降溫法評價水合物的形成過程，實驗釜內(nèi)初始?xì)庀嗪鸵合鄩毫?4 MPa。從圖7的實驗結(jié)果中可以看出，未添加抑制劑的實驗釜中在實驗到達(dá)200 min時，釜內(nèi)液相溫度和氣相溫度下降趨勢變緩，釜內(nèi)壓力逐步下降，且轉(zhuǎn)子的扭矩在波動狀態(tài)下逐漸增大，說明釜內(nèi)的氣相和液相減少，水合物逐步形成；而添加5%KCl的實驗釜中，隨著實驗時間的延長，氣相和液相溫度隨夾套溫度的降低逐步降低，但釜內(nèi)壓力沒有變化，轉(zhuǎn)子的扭矩保持恒定，說明沒有水合物的形成，實驗數(shù)據(jù)見表2所示，驗證了3.1節(jié)數(shù)值模擬的正確性，即14%NaCl+6%KCl抑制劑體系即可滿足正常鉆井期間水合物的抑制需求，可以將原半防鉆井液體系（14%NaCl+6%KCl+8%乙二醇）中的乙二醇優(yōu)化刪去。

表2 HEM鉆井液體系的水合物生成抑制性實驗結(jié)果

圖7 HEM鉆井液體系的水合物生成抑制性實驗結(jié)果

3.2.2 HEM鉆井液體系各組分抑制水合物生成實驗評價

為了進(jìn)一步明確HEM鉆井液體系抑制水合物生成機(jī)理，對體系中各組分使用恒速降溫法進(jìn)行了水合物生成抑制性能評價，實驗結(jié)果如圖8所示。以成核溫度作為評價標(biāo)準(zhǔn)可知，各個單劑的水合物生成抑制性能強(qiáng)弱為：PF-FLO

圖8 HEM鉆井液體系各組分對水合物生成抑制性實驗結(jié)果

3.3 HEM鉆井液體系抑制水合物生成機(jī)理

HEM鉆井液體系中包含NaCl、KCl等鹽類和聚合物類等動力學(xué)抑制劑，結(jié)合圖7和圖8的結(jié)果可知，添加抑制劑的HEM鉆井液體系主要由加入的抑制劑組分實現(xiàn)抑制水合物生成，而且抑制能力顯著增強(qiáng)。

熱力學(xué)抑制劑主要通過它干擾水分子間的氫鍵結(jié)合進(jìn)而改變其熱力學(xué)平衡條件，導(dǎo)致水合物氣液平衡曲線向著更低的溫度和更高的壓力方向移動，降低了水合物成核驅(qū)動力，從而減少氣體水合物形成。動力學(xué)抑制劑并不會影響水合物形成過程中的熱力學(xué)平衡條件，而是在一定程度上延緩它，主要是破壞體系中主客體分子的有序結(jié)構(gòu)來干擾水合物的成核速率，抑制水合物晶體的進(jìn)一步生長。因此，通過將熱力學(xué)抑制劑和動力學(xué)抑制劑進(jìn)行復(fù)配，從物理和化學(xué)角度分別作用，達(dá)到協(xié)同增效作用，成為更加經(jīng)濟(jì)環(huán)保高效的抑制體系。圖9為典型的復(fù)配體系抑制水合物作用機(jī)理圖。向HEM鉆井液體系加入NaCl、KCl等，由于Na+、K+離子的親水性，可以干擾水分子形成穩(wěn)定的籠型結(jié)構(gòu)，再向體系中加入聚合物類等動力學(xué)抑制劑后，聚合物分子將吸附在其表面，阻止水分子和晶粒之間進(jìn)一步接觸，使水合物分子無法繼續(xù)生長，從而達(dá)到更好的抑制效果。

圖9 HEM鉆井液體系體系抑制水合物作用機(jī)理

4 結(jié)論

1.在分析深水淺層鉆井液應(yīng)用現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，建立了深水淺層鉆進(jìn)ECD計算模型和井筒溫度場計算模型，結(jié)合實際鉆進(jìn)期間鉆柱組合及鉆進(jìn)參數(shù)對淺層鉆井工況進(jìn)行了模擬計算和校核，與實測數(shù)據(jù)對比模型計算平均誤差小于8%。

2.對深水淺層不同鉆進(jìn)深度的井筒溫度場進(jìn)行了預(yù)測，結(jié)合水合物相態(tài)曲線計算得出鉆進(jìn)期間井筒水合物生成區(qū)域范圍，結(jié)論得出隨著鉆井深度的增加，井筒溫度場升高，水合物生成風(fēng)險區(qū)域逐漸減小，但鉆進(jìn)準(zhǔn)備期間及鉆進(jìn)初期，井筒內(nèi)仍存在水合物生成風(fēng)險。

3.數(shù)值模擬研究得出在HEM體系中加入14%NaCl+6%KCl抑制劑時即能滿足正常鉆井作業(yè)需要，但是不能滿足靜置期間作業(yè)要求；室內(nèi)實驗研究得出加入14%NaCl+6%KCl抑制劑的反應(yīng)釜中未有水合物生成，因此常規(guī)半防鉆井液體系中可以不加入乙二醇，即優(yōu)化為HEM+14%NaCl+6%KCl即可滿足正常鉆進(jìn)期間作業(yè)需求。