水基纳米钻井液中水合物形成机制的研究

Natural gas hydrate is a potential energy resource for the 21st century. The invasion of drilling fluid during hydrate reservoir drilling will seriously affect the stability of wellbore and the identification and evaluation of well logging. With the addition of nanoparticles, the anti-filtration and pore or fracture plugging ability of the drilling fluid can be effectively improved, thus the wellbore stability enhancement. However, the application of this method to hydrate drilling may promote the formation and aggregation of hydrates in wellbores, which can increase accident risk in production. This project focuses on the effects of nanoparticles on hydrate formation in water-based drilling fluid, intends to investigate the coupling relationship of the migration and distribution of methane and the formation of hydrates in fluids. The goal of this project is to clarify the feedback effect of surface wettability of nanoparticles on mass transfer, and understand the influence of hydrophilic and hydrophobic nanopaticles with different concentrations on hydrate formation thermodynamics and kinetics, and finally reveal the mechanism for this influence. Our work can provide a guidance for type selection and amount addition of nanoparticles, and the corresponding design of method for inhibiting and anti-agglomerant of hydrate.

天然气水合物作为21世纪的潜在替代能源，其钻井过程中钻井液侵入会严重影响含水合物地层的井壁稳定性和测井识别与评价。加入纳米颗粒是提高钻井液抗滤失性、裂隙封堵性，从而降低钻井液侵入并增强井壁稳定性的有效方法之一，但是应用到水合物钻井却又可能促进井内水合物形成和聚集进而诱发井内安全事故。因此本项目着眼于纳米颗粒对水基钻井液中水合物形成的作用机制，拟运用激光拉曼光谱等微观和宏观实验观测手段深入研究含纳米颗粒流体中甲烷的迁移分布和水合物的形成过程；阐明纳米颗粒表面润湿性对流体中气液间质量传递的反馈作用；掌握加入不同浓度亲水性和疏水性纳米颗粒对水基钻井液中水合物形成的热力学和动力学影响规律；进而揭示纳米颗粒对水合物形成促进或抑制作用的内在机理；为后续的含水合物地层钻井液体系纳米颗粒类型的优选和加量以及相应的水合物抑制防聚方法设计奠定基础。

天然气水合物钻井过程中钻井液侵入会严重影响含水合物地层的井壁稳定性和测井识别与评价。加入纳米颗粒是提高钻井液抗滤失性、裂隙封堵性，从而降低钻井液侵入并增强井壁稳定性的有效方法之一，但是应用到水合物钻井却又可能促进井内水合物形成和聚集进而诱发井内安全事故。本项目利用宏微观实验方法从传热和传质角度研究了纳米颗粒对水基钻井液中甲烷水合物形成的影响规律和机理进行了较系统研究。.首先利用激光拉曼光谱测定了甲烷在含亲水性和疏水性纳米碳酸钙流体中的扩散系数；以及H–Lw相平衡时饱和甲烷浓度及H–Lw–V三相平衡温压条件，基于热力学原理，进一步计算了水合物分解对应的体积变化、水合数、吉布斯自由能变、熵变和焓变等热力学性质；并对比分析了加入纳米颗粒对水溶液中甲烷水合物二相平衡浓度的影响。其次在优选分散剂的基础上，研究了加入不同类型、粒径、添加量的纳米CaCO3和CMC对甲烷水合物形成宏观动力学影响规律；同时，实验模拟了纯水中甲烷水合物生长的微观动力学过程，观测到界面反应与质量传输耦合的动力学过程，并建立了相应的通量控制动力学模型。最后，结合分子动力学理论从纳米颗粒对流体传热和传质特性等方面探讨了纳米颗粒对水溶液中水合物形成的影响机制，一定程度上揭示了亲水性纳米CaCO3抑制水合物形成和疏水性纳米CaCO3促进水合物形成的内在机理。上述研究为指导后续的钻井液用纳米颗粒类型的优选和加量以及相应的水合物抑制防聚方法设计奠定了基础。进一步研发纳米钻井液体系有望应用到水合物地层钻井和深水油气钻井中。