深水钻井水合物储层-井筒耦合传热传质特性研究

There are huge reserves of natural gas hydrate in deepwater. Drilling is an indispensable means of deepwater hydrate exploration and development. The unique phase equilibrium property of hydrate determines the particularity and complexity of drilling. A series of complicated problems, such as wellbore instability, seabed formation collapse, blowout and blocking of wellbore and BOP, may happen without proper control of hydrate formation. It is significant for safe drilling to grasp hydrate reservoir-wellbore multiphase flow and heat transfer mechanism. Considering the dynamics mechanism of reservoir-wellbore hydrate production and decomposition, flow characteristics and heat transfer characteristics during drilling of deepwater hydrate formation, we will establish hydrate reservoir-wellbore coupling heat and mass transfer theory considering hydrate phase transition, reveal the interaction mechanism of drilling fluid and hydrate formation and the effect of hydrate decomposition characteristics on dynamic development of temperature - pressure coupling field of reservoir and wellbore, propose a method of controlling formation decomposition and ensuring wellbore safety, and form a theoretical system of safe drilling of deepwater hydrate, which can provide theoretical basis and technical support for safe drilling of deepwater hydrate formation.

深水天然气水合物储量巨大，对深水水合物进行勘探和开发，钻井是必不可少的重要手段。水合物特有的相平衡性质决定了此类地层钻井传热传质特性的特殊性与复杂性，如果控制不当，会引发井壁失稳、海底地层坍塌、井喷、阻塞井筒与防喷器等一系列复杂情况乃至灾难性后果。清楚掌握水合物地层-井筒多相流动及传热机理，进而提出控制手段，对于安全钻进意义重大。本课题将针对深水水合物地层钻井过程，考虑储层、井筒水合物生成与分解动力学机理、流动特性、传热特性，建立考虑水合物相变的地层-井筒耦合传热传质理论，揭示钻井液与水合物地层相互作用机制、水合物分解特性对储层与井筒温度-压力耦合场的动态发展影响规律，提出控制地层分解、保证井筒安全的手段，形成基于温度压力控制的深水水合物安全钻井的理论体系，为我国深水水合物安全钻井提供理论依据与技术支持。

深水钻井开发过程中，随着水深的不断增加，很容易钻遇含水合物储层，引起孔隙内原始水合物相变。而天然气水合物受温压场扰动的影响发生分解，常常伴随着气相、液相以及能量的传递，造成井涌井喷、储层坍塌、海底滑坡等地质灾害。掌握水合物储层-井筒之间的传热传质机理及规律，是解决一系列相关问题的关键。.本课题针对深水水合物储层的钻井过程，设计、搭建了天然气水合物储层开采安全模拟综合实验系统，并利用该实验系统，模拟了深水环境不同温度、压力、循环钻井液盐度、排量等条件下含水合物储层在钻进过程中的温度、压力传递过程，模拟不同注热量、注热介质、注热速率等条件下的水合物开采过程，采集得到了温度、压力、电阻抗、产气量等参数，探究了多孔介质中水合物的分解驱动力，为研究深水水合物储层-井筒传热传质规律提供了基础实验数据。.在水合物动力学基础上，通过无量纲分析，利用相似理论建立天然气水合物实验模型；在能量守恒准则基础上，通过拉普拉斯转换，建立了热分解前缘模型；从井筒-储层耦合传热的角度出发，针对有无隔水管两种工况建立水合物储层-井筒耦合传热模型，提出了井筒温度场解析求解的边界条件处理方法，模拟计算了不同泥浆注入温度、排量、循环时间在不同井深的温度场分布。.分析了深水钻井期间井筒流动参数变化规律、考虑钻头进尺影响的钻井水力参数，在理论与实验结果的基础上，结合天然气水合物相变特点，对深水钻井、测试及集输过程，井筒、储层内水合物的分解与二次生成分布进行了预测；利用改进的双流体模型计算井筒温压场分布，以南海东部某深水气井设计资料为基础，优选了深水气井天然气水合物的预防方法，为深水钻遇水合物储层安全、高效开采提供了理论基础与设计依据。