深水油基钻井液中水合物的生成动力学研究

Deepwater is a key point of growth of the oil and gas production in China. It is a high risk high return industry. In order to reduce the drilling risks, oil based drilling fluid (OBDF) is widely used in the high pressure high temperature deepwater well. Gas hydrate may severely threaten the drilling safety in case of gas kick. However, the microcosmic mechanism of hydrate formation in OBDF and its macro kinetics is not well known so far. Targeting on the hydrate formation problem in OBDF, multi-scale study will be performed by experiments and modeling. Firstly, a high pressure visual micrographic apparatus will be built, the conversion process of water droplet to hydrate particle in OBDF will be experimentally studied on a micrometer scale, the formation mechanism and the controlling factors for water droplets with different sizes and liquid compositions will be revealed. Secondly, the rheological and heat transfer characteristics of hydrate containing OBDF will be experimentally studied by using a high pressure rheometer and a high pressure flow loop, respectively. Rheological equation and heat transfer equation will be established based on the experimental data. Thirdly, the macroscopic rate of hydrate formation in OBDF and the ultimate water conversion ratio at different conditions will experimentally studied in both stirred autoclave and high pressure flow loop. A comprehensive hydrate formation kinetic model will be developed. The knowledge to be gained in this project will provide theoretical fundamental for the development of new hydrate management method in deepwater OBDF.

深水油气开发是我国油气产量的重要增长点，具有高风险高回报的特点。为降低钻井风险，深水高温高压井大多选用油基钻井液。气侵后水合物极易在钻井液中生成从而严重威胁钻井安全。然而，人们对油基钻井液中水合物生成的微观机理和宏观规律都没有清晰的认识。针对深水油基钻井液中生成水合物的问题，本项目将采用实验与模型计算相结合的方法在多尺度上进行研究，首先建立一套高压可视化显微实验装置，在微米尺度上研究水滴向水合物的转化过程，分析不同尺寸和液体组成的水滴形成水合物的机理和控制因素；然后采用高压流变仪和高压环路分别研究水合物生成对油基钻井液的流变性和传热性质的影响规律，建立含水合物的油基钻井液的流变方程和传热方程；最后分别研究搅拌和管流时不同条件下油基钻井液中水合物的宏观生成速率和水的最终转化率，建立油基钻井液中水合物的综合生成动力学模型。拟取得的成果将为开发新型深水油基钻井液中水合物的防治方法提供理论基础。

深水油气钻井中，气侵后水合物极易在钻井液中生成，严重威胁钻井安全。为降低风险，深水油气钻井优选使用油基钻井液。然而，人们对油基钻井液中水合物生成的微观机理和宏观规律仍缺少清晰的认识。针对深水油基钻井液中生成气体水合物的生成动力学问题，本项目研制了微型高压可视化显微实验装置，研究了气水、油水界面水合物的生长机理；研究了搅拌条件下油基钻井液中水合物的生成规律和水合物浆液的流变性；研制了高压摇摆釜实验装置，研究了模拟管流条件下油基钻井中水合物的生成规律。本项目以实验研究为主，结合模型计算，揭示了不同条件下油基钻井液中水合物的微观生长机理和宏观动力学规律，建立了油基钻井液中水合物生成的动力学模型。.本项目的主要发现包括：（1）水合物的生成速率受过冷度、含水率以及盐度的影响。水合物生成速率在低含水率条件下随着过冷低升高而降低，在高含水率条件下，随着过冷度升高而升高。过冷度、含水率相同的条件下盐度越大水合物的生成速率越小。（2）水合物生成后油基钻井液的流变性主要受含水率的影响，同一温度下，含水率越高油基钻井液的粘度越大，同时在水合物生成后油基钻井液的粘度也会增大。（3）水合物的生成量和最终水转化率受过冷度、含水率以及盐度的影响。水合物生成量和最终水转化率随着过冷度增加而增加，随着盐度增加而降低。另外含水率越高水的最终转化率会随之降低。上述发现为油基钻井液中的水合物防治提供了新的认识。.项目组成员分工合作，共同完成了本项目。在本项目的资助下，已发表SCI论文2篇（另在投3篇），授权发明专利4项（国内3项，国际1项），参加国内外学术会议6次（举办会议2次，特邀报告1次），培养硕士生7名。研发的微型高压可视釜和显微实验方法，用于中海油深圳分公司流化16-2油田群井下安全阀下入深度设计实验。项目负责人创办了创办国际水合物青年论坛，已连续举办两届。