天然气水合物储层剪切强度及井壁稳定性研究

论文摘要

随着油气能源需求的不断增长和天然气水合物藏勘探的不断深入,商业开发天然气水合物已列入议事日程。由于天然气水合物分解前后,水合物赋存地层的力学性质产生变化,导致水合物钻井中发生井壁破坏的可能性明显增加,因此研究水合物储层的力学性质和井壁稳定性问题很有必要。本论文针对水合物钻井中保持井壁稳定这一技术问题,通过实验和理论研究的方法测定了水合物储层的剪切强度,分析了水合物钻井中保持井壁稳定的温度压力控制,以期对水合物的安全开发提供理论指导和技术支持。文中研究了天然气水合物的储层物理性质,对储层孔隙度、饱和度、渗透率、导热系数和力学性质等进行了系统总结。在调研国内外水合物剪切强度实验的基础上,自主研制了天然气水合物储层剪切强度仪,该仪器可以提供水合物稳定存在的低温高压环境,并在此环境中对水合物填砂模型进行直接剪切,测定了不同水合物饱和度下的剪切强度的变化规律。实验发现水合物储层的内聚力和内摩擦角随着水合物饱和度增加而增加,通过实验曲线的回归,得到了内聚力和内摩擦角随水合物饱和度的变化关系式,为计算水合物层井壁坍塌压力提供了参数。通过研究水合物钻井中保持井壁稳定的方法发现,如何确定并控制钻井液的低温高密度是解决问题的关键,文中在考虑岩屑和地层中水合物分解的情况下,基于质量、动量、能量守恒原理和传热学理论,利用微元分析和有限差分的方法,建立了环空气液两相流体的温度压力分布模型,编程求解模型并进行相关参数的敏感性分析。将求取的环空温度压力值与水合物相态曲线和钻井液安全密度窗口进行对比,提出了保持水合物层井壁稳定的钻井液临界入口温度和水合物分解压力两个关键参数,并给出了计算方法,为水合物钻井中钻井液温度和密度的确定提供了依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 前言
• 1.1 研究的目的及意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 水合物储层剪切强度研究现状
• 1.2.2 水合物钻井技术研究现状
• 1.2.3 水合物钻井中的井壁稳定研究现状
• 1.3 研究内容与技术路线
• 1.3.1 研究内容
• 1.3.2 技术路线
• 第二章 天然气水合物地层的物理性质
• 2.1 水合物的结构及形成条件
• 2.1.1 水合物的结构
• 2.1.2 水合物形成的条件
• 2.2 水合物地层岩石物性
• 2.2.1 水合物在沉积层中的分布模式
• 2.2.2 水合物地层孔隙度和水合物饱和度
• 2.2.3 水合物地层的渗透性
• 2.2.4 水合物地层的导热系数和比热
• 2.3 水合物地层力学性质研究
• 2.3.1 纯水合物力学性质
• 2.3.2 水合物地层力学性质研究
• 2.4 本章小结
• 第三章 天然气水合物储层剪切强度实验研究
• 3.1 实验装置的研制
• 3.1.1 设计思路
• 3.1.2 技术方案
• 3.1.3 剪切仪特点
• 3.1.4 剪切仪组成
• 3.2 天然气水合物储层剪切强度实验
• 3.2.1 实验流程
• 3.2.2 水合物饱和度确定
• 3.2.3 剪切过程分析
• 3.2.4 结果分析
• 3.3 水合物井壁坍塌压力的计算
• 3.4 本章小结
• 第四章 天然气水合物井筒温压模型的建立
• 4.1 假设条件
• 4.2 模型控制方程
• 4.2.1 环空流体模型
• 4.2.2 钻柱流体模型
• 4.3 参数确定
• 4.3.1 流体参数
• 4.3.2 管柱参数
• 4.3.3 地层参数
• 4.4 定解条件
• 4.4.1 温度定解条件
• 4.4.2 压力定解条件
• 4.5 本章小结
• 第五章 模型求解与影响因素分析
• 5.1 求解过程
• 5.2 模型离散
• 5.2.1 空间域的离散
• 5.2.2 时间域的离散
• 5.2.3 控制方程的离散
• 5.3 编程计算及结果分析
• 5.3.1 环空温度分布
• 5.3.2 环空压力分布
• 5.4 本章小结
• 结论与建议
• 参考文献
• 致谢