钻井液与含水合物地层热流交换模拟实验系统设计

＊张杰城 谷同凯 朱霄霄* 胡志强

（1.中国石油大学（北京） 北京 102249 2.油气生产安全与应急技术应急管理部重点实验室 北京 102249 3.中石化石油工程技术研究院有限公司 北京 102206）

天然气水合物是一种高效的清洁能源，常见于深海海底、冻土带等高压低温环境[1]。在含水合物地层钻井过程中，钻井液与水合物的热流交换作用会破坏水合物稳定存在的压力、温度条件，造成水合物分解，进而降低近井地层稳定性，导致钻井失败，危害钻井安全[2-3]。因此厘清钻井液与含水合物地层的热流交换作用、摸清水合物的分解规律是保障钻井安全的基础。

通过设计实验系统可以帮助此类研究。郑明明等[4]设计一种模拟钻井液侵入含水合物模拟地层的实验系统，研究海洋地层中水合物的形成和由注热、降压造成的分解。Waite等[5]设计一种导热压力容器，仅能制备圆柱形水合物样品。宋丽芳[6]使用江苏拓创公司研制的水合物生成装置，开展水合物抑制剂评价、模拟水合物的生成过程研究。周建伟[7]设计一种高压水合物制备系统，研究钻井液颗粒对水合物生成和分解的影响。许岩[8]设计一种水合物分解实验系统，反应釜内部有模拟井筒和钻杆，用于研究钻井液循环条件下水合物受热分解的过程，但未考虑裸眼条件下钻井液对水合物的影响。Sun等[9]设计一种实验系统，用于研究结合乙二醇和减压实现水合物的快速产气。目前，尚未见到一种实验系统能够模拟裸眼条件下钻井液与含水合物地层的热流交换作用，造成相关机理无法得到深入研究。本文设计一种模拟实验系统，在制备含水合物模拟地层时，利用分隔管将钻井液通道与含水合物模拟地层物理分隔；在进行钻井液与含水合物地层热流交换实验时，移除物理分隔，使得钻井液与含水合物地层直接作用，进而研究裸眼条件下二者的热流交换作用。

1.钻井液与含水合物地层热流交换模拟实验系统设计方案

钻井液与含水合物地层热流交换模拟实验系统的总体设计，如图1所示，主要由反应机构、分隔移除机构、数据采集系统、注入计量系统、温控系统构成。

图1 钻井液与含水合物地层热流交换模拟实验系统整体结构示意图

为保证在钻井液与含水合物地层直接作用，模拟钻井时的裸眼条件，在筒体上、下封头作竖直贯穿孔用于放置分隔管。当分隔管处于下腔体底部位置时，通过在反应釜内放入结构砂、注入甲烷和水、调节反应腔内的温度，制备含水合物模拟地层。含水合物模拟地层制备完成后，通过驱动机构驱动分隔管竖直向上运动至反应釜上封头位置，模拟钻井后形成的裸眼条件。通过向环空注入钻井液，研究钻井液与含水合物地层的热流交换作用、水合物的分解规律，为揭示相关机理提供实验基础，进而保障含水合物地层钻井安全。通过数据采集系统采集的压力和温度信号来监测水合物分解情况及形状，并通过计量系统测量水合物分解产生的水与甲烷量，定量评价钻井液与含水合物地层的热流交换作用。

2.反应釜结构设计

夹套式反应釜主要由罐体和夹套两部分组成，罐体由罐体筒体、罐体封头组成，夹套由夹套筒体和夹套封头组成[10]。反应釜设计参数，如表1所示。根据设计参数和《化工设备机械基础》[11]，计算得到的反应釜主要参数，如表2所示。

表1 设计参数表

表2 反应釜主要参数

由于天然气水合物合成条件苛刻、运行工况复杂，对反应釜的承压能力要求较高，其安全设计要求普遍高于一般容器，使用ANSYS-workbench对三种情况进行强度校核：夹套无冷凝水压力，反应釜内有压力30MPa；夹套有冷凝水压力，反应釜内无压力；夹套有冷凝水压力，反应釜内有压力30MPa。反应釜在三种情况下应力强度值，如表3所示，第三种情况下的应力强度云图，如图2所示。

我们先来聊聊范宽的《雪景寒林图》，此画采用全景式构图，描绘北方山川雪后奇观，气势磅礴，动人心魄。为展现山峰那冒雪出云的场景，他用笔沉稳老辣，作品风貌古拙敦厚，颇有“范宽范儿”。范宽擅长以景造境，他存世的作品虽少，但凡是画雪之作，必属精品。这可能是因为别人画的是雪景，他画的是雪魂。令范宽想不到的是，在他辞世后近千年，他仍能赢得殊荣——2004年，美国《生活》杂志将范宽评为上一千年对人类最有影响力的百大人物之一。

表3 各部件在三种情况下的最大应力强度值（MPa）

图2 第三种情况下反应釜整体应力强度应力云图

计算结果表明，第二种情况的主体应力强度低于设计温度条件下材料的应力强度Sm，第一种和第三种情况的罐体上下封头最大应力强度超过相应材料的应力强度Sm。根据标准JB 4732—1995（R2005），首先采用应力分类法对罐体上下封头进行应力类型评定，再对其最危险区域进行应力线性化处理。应力线性化处理即在该部件应力最大值附近设置穿过壁厚的路径，获得路径上的最大应力值，最大应力值分别与一次薄膜应力（PL）、弯曲应力（Pb）、一次薄膜应力+弯曲应力（PL+Pb）的许用值校核。经分析，第一种和第三种情况的罐体上下封头的路径最大应力值均小于PL、Pb、PL+Pb许用值，故反应釜罐体上下封头均满足强度要求。

3.数据采集系统

数据采集系统硬件主要由温度传感器、压力传感器、气体与液体流量计、数据采集卡组成，采集的主要参数有反应釜内的温度和压力、水合物分解时产生的气体和液体质量[12]，使用数据采集卡采集数据信号，再通过USB接口传输到计算机上的LabVIEW软件系统[13-14]。其中，可以利用反应釜内布置的阵列温度、传感器测量水合物生成和分解过程中的温度变化，结合压力信号确定水合物分解边界。由于所生成的含水合物模拟地层大体呈轴对称圆柱形，温度分布具有对称性，阵列传感器径向呈十字形排布，如图3左所示。此外，阵列温度传感器在反应釜底部、中部、顶部设置若干个测温点，如图3右所示。为确保测温点不会发生偏移，传感器固定在高强度碳纤维板上。

图3 阵列温度传感器布局示意图

4.钻井液与含水合物地层热流交换实验方法

钻井液与含水合物地层热流交换实验前，需要先制备含水合物模拟地层，此时分隔管下放至下极限位置，反应釜与分隔管之间的密闭空间为水合物的反应场所。含水合物模拟地层制备完成后，开始钻井液与含水合物地层热流交换实验，具体步骤为：①打开注气口阀门，注入氮气直至反应釜内和分隔管内压力相同，防止系统压力降低导致水合物分解；②上提分隔管至上极限位置，形成裸眼条件；③打开钻井液注入口阀门，通过钻井液调温、调压注入装置以恒定流量注入设定温度与压力的钻井液；④在钻井液的热流作用下，水合物分解后的气体与液体同砂粒从钻井液出口流出；⑤采集数据，判断水合物分解边界，监测水合物分解情况；⑥流出的气体和液体经过除砂器与气液分离器处理，分别通过对应流量计测量流量；⑦实验完成后，对反应釜内腔内的废气和废液进行处理。

5.结论

本文设计了一种钻井液与含水合物地层热流交换模拟实验系统，提出了相关实验方法，能够完成含水合物地层的制备，模拟钻井液与含水合物地层热流交换过程。为揭示钻井液与含水合物地层热流交换机理提供实验基础，同时为水合物相关研究提供实验系统设计经验和实验方法。目前该系统不具备微观可视化功能，未来可加入低场核磁共振和X-CT射线等相关设备。