纳米锂皂石对钻井液中水合物形成影响及机理研究

Unconventional energy—Nature gas hydrate (NGH) is an important potential alternative energy which is clean and high-efficiency. It is a hot research topic and has gained a lot of attention currently in academic area, government, and enterprise. Exploration and development of NGH is inseparable from drilling engineering and drilling fluid, but the invasion of drilling fluid will seriously affect the wellbore stability of NGH reservoir. Adding nano blocking agent into drilling fluid is one of the effective ways to weaken the invasion of drilling fluid. The nanoscale laponite has good dispersibility in the water and adding nanoscale laponite into the drilling fluid can not only enhance the plugging performance, but also improve the filtration performance, rheological properties and reservoir protection performance of drilling fluid. However, some studies have shown that the addition of certain kinds of nanoparticles could cause the formation and aggregation of NGH in wellbore that may block the circulation channel. Therefore, how to strengthen the plugging performance of drilling fluid without promoting the formation of hydrate and even have a certain inhibitory effect, is a key problem that whether the nanoscale laponite can be applied to the hydrate drilling fluid. This project utilizes a variety of experimental methods and introduces molecular dynamics simulation to reveal the influence mechanism of nanoscale laponite on the formation of gas hydrate on the basis of clarifying corresponding influence rule. Furthermore, this project will lay a foundation for the development of a new drilling fluid system suitable for marine NGH drilling, especially horizontal well drilling.

非常规能源—天然气水合物是重要的潜在高效清洁油气接替能源，是当前学术界、政府以及企业研究和关注的热点。勘探开发天然气水合物离不开钻井与钻井液，但钻井液的侵入会严重影响含水合物地层的井壁稳定性。在钻井液中添加纳米封堵剂是弱化钻井液侵入的有效途径之一。纳米锂皂石在水中分散性和悬浮性良好，将其引入水合物钻井液不仅能够增强体系的封堵性能，更可提升体系的降滤失性能、流变性能以及储层保护性能。但已有研究表明，某些纳米固相颗粒的加入会促使进入井筒的天然气形成水合物并大量聚集阻塞循环通道。因此，如何在强化钻井液性能的同时又不会促进水合物形成，甚至能够起到一定的抑制作用，是纳米锂皂石能否应用于水合物钻井液所亟需探究的关键性问题。本项目利用多种实验方法，并引入分子动力学模拟，在厘清纳米锂皂石影响水合物形成规律的基础上，揭示影响机理，为适用于海洋天然气水合物钻井，特别是水平井钻井的新型钻井液体系研发奠定基础。

纳米锂皂石无毒无害不会污染环境，其在水中的分散性和悬浮性远强于已被研究的纳米材料（例如纳米SiO2、纳米CaCO3以及纳米TiO2等）。将纳米锂皂石引入水合物钻井液体系不仅能够增强钻井液的流变性能，还可简化钻井液配方，节约生产成本。但已有研究表明，某些纳米固相颗粒的加入会成为水合物成核的“核心”，促使水合物大量聚集阻塞循环通道诱发井内安全事故。本项目对纳米锂皂石影响水合物形成规律及内在机理进行探究和揭示。取得以下成果：.（1）表征了纳米锂皂石微观结构特征，纳米锂皂石水溶胶具有空间网状结构，随着加量增加结构性增强，是提高钻井液携屑性能的关键；.（2）明确了不同类型、不同加量纳米锂皂石对水合物形成及相平衡条件的影响；分析了水合物形成前成后在模拟钻井液中的赋存状态，探明了甲烷水合物形成过程中温度、压力随时间的变化规律，，纳米锂皂石加量为0~2.0wt%时，随着加量增加膨胀率降低，且Laponite RD抑制效果最好；.（3）利用拉曼光谱仪测试了纳米锂皂石与气、液接触界面上光谱特征，引入分子动力学模拟，揭示了纳米锂皂石对水合物形成的抑制机理；.（4）分析了纳米锂皂石对海底沉积物的抑制性，明确了纳米锂皂石流变性及携屑能力，Laponite RD水溶胶携屑性能最佳，有望成为新型水合物钻井液体系设计的新材料；.（5）厘清纳米锂皂石对水合物形成的影响规律，并揭示影响机理，初步建立纳米锂皂石于水合物钻井液体系中的应用准则，得出加量为1.0wt%型号为Laponite RD的纳米锂皂石更适用于构建新型低温水合物钻井液体系。.（6）发表学术论文10篇，其中SCI检索 8篇，EI检索2篇；申请国家发明专利3项。.本项目偏向于应用基础理论研究，未形成创新性技术，1.0wt.%加量的Laponite RD效果最佳，不仅抑制了水合物形成，而且有效强化体系的流变性、沉积物抑制性、携屑能力以及封堵性。后续基于本研究成果，可构建一套适用于海域天然气水合物水平井钻井的新型钻井液体系，有望应用于我国后续水合物试采工程。