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基于吉洪诺夫正则化的人造天然气水合物地层骨架数字化制备技术

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中南大学学报（自然科学版） 2021年第3期52卷 876-889页

作者：郑明明王晓宇韦猛刘天乐蒋国盛高震宇成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室四川成都610059 中南大学有色金属成矿预测与地质环境监测教育部重点实验室湖南长沙410083 中国地质大学(武汉)岩土钻掘与防护教育部工程研究中心湖北武汉430074 阿姆斯特丹自由大学数理学院荷兰阿姆斯特丹1081 HV

以地质资料丰富、成藏条件良好的美国阿拉斯加北部斜坡Mount Elbert井Unit C-GH1井段水合物地层为参照对象,将岩心制作工艺、宏观物性和微观孔隙3个方面有机结合,采用控制变量、正交分析以及吉洪诺夫正则化等方法,建立岩心工艺参数、渗... 详细信息

以地质资料丰富、成藏条件良好的美国阿拉斯加北部斜坡Mount Elbert井Unit C-GH1井段水合物地层为参照对象,将岩心制作工艺、宏观物性和微观孔隙3个方面有机结合,采用控制变量、正交分析以及吉洪诺夫正则化等方法,建立岩心工艺参数、渗透率与孔隙度、孔喉直径之间的拟合函数关系及其相应的数学计算模型,从而开发出一套高效快速的人造天然气水合物地层骨架的数字化制备技术。研究结果表明:通过控制变量和正交分析分析得出的最优人造岩心配方与原位水合物目标地层骨架十分相近,宏观物性参数渗透率和孔隙度相对误差分别为2.00%和0.40%,微观孔隙形态主要特征与天然地层骨架趋于一致;岩心制作工艺参数、膨润土添加质量分数、黏结剂添加质量分数、压力和时间与宏观物性渗透率和孔隙度的相关性极高,通过一元回归得出其相关系数均在0.9以上;基于吉洪诺夫正则化进行的多元回归分析得出了高精度的二次渗透率和一次孔隙度预测函数模型,平均测试相对误差分别为2.65%和0.87%;利用所提出的预测模型思路和建立的数学模型可以在已知一方参数的情况下快速计算出岩心的渗透率、孔隙度以及孔喉直径等另外两方参数,从而提高制作工艺参数优选效率与提高人造岩心贴近程度。

关键词：天然气水合物地层人造岩心骨架宏−微观物性吉洪诺夫正则化数学模型数字岩心技术

温度影响天然气水合物地层井壁稳定的有限元模拟

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天然气工业 2012年第8期32卷 74-78,132-133页

作者：李令东程远方梅伟李清平高立超中国石油大学(华东)石油工程学院中海石油研究中心中国石油长城钻探工程公司固井公司

由于天然气水合物特殊的理化性质,水合物地层要比常规地层的井壁稳定问题更加复杂,钻井液温度对天然气水合物地层的稳定性影响将是一个不容忽视的因素。为此,考虑热传导、对流、水合物分解、地层力学性质变化等诸多因素及其相互耦合作用... 详细信息

由于天然气水合物特殊的理化性质,水合物地层要比常规地层的井壁稳定问题更加复杂,钻井液温度对天然气水合物地层的稳定性影响将是一个不容忽视的因素。为此,考虑热传导、对流、水合物分解、地层力学性质变化等诸多因素及其相互耦合作用,建立了温度影响天然气水合物地层井壁稳定的数学模型,并进行有限元求解。最后以国外某深水天然气水合物地层实际取得的地质资料为例,计算分析了钻井液温度对地层水合物分解、地层力学性质变化及井壁稳定的影响规律。结果表明:地层水合物因受热分解会导致地层力学性质急剧变差,进而极易导致地层屈服失稳,选择低温体系钻井液并控制其温度低于水合物相平衡温度,有助于维持井壁稳定,实现安全钻进。

关键词：天然气水合物地层钻井液温度井壁稳定模型有限元模拟地层屈服失稳相平衡温度

基于正交试验法的天然气水合物地层钻井液配方设计

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地质科技情报 2013年第6期32卷 202-206页

作者：刘厚平韩博张凌刘天乐焦如义中国石油天然气管道科学研究院河北廊坊065000 中水北方勘测设计研究有限责任公司天津300222 中国地质大学工程学院武汉430074

在天然气水合物勘探开发过程中,钻井液性能的变化会导致水合物的分解与再形成,从而影响正常的钻进。为了满足水合物勘探所需的稳定钻井液,采用正交试验法,研究了含NaCl、聚合物等不同组分的水合物地层钻井液宏观流变性的变化。以表观黏... 详细信息

在天然气水合物勘探开发过程中,钻井液性能的变化会导致水合物的分解与再形成,从而影响正常的钻进。为了满足水合物勘探所需的稳定钻井液,采用正交试验法,研究了含NaCl、聚合物等不同组分的水合物地层钻井液宏观流变性的变化。以表观黏度、塑性黏度、动切力等为考核指标,通过改变各组分的含量对钻井液配方进行优选,确定了影响钻井液性能的主要因素,用较少的试验次数获得了较全面的试验结果,从而获得适合含天然气水合物地层钻井用的钻井液。

关键词：正交试验法天然气水合物地层流变性钻井液优化设计

深水钻井天然气水合物地层井壁稳定流固耦合数值模拟

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中国海上油气 2012年第5期24卷 40-45,49页

作者：李令东程远方周建良李清平中国石油大学(华东)石油工程学院中海油研究总院

考虑钻井液与地层的热交换和水合物的分解,建立了水合物地层井壁稳定流固耦合数学模型,并开发了有限元程序。实例分析了钻井液压力和温度、原始地层水合物饱和度及施工作业时间等因素对水合物地层井壁稳定的影响,结果表明:随着钻井液温... 详细信息

考虑钻井液与地层的热交换和水合物的分解,建立了水合物地层井壁稳定流固耦合数学模型,并开发了有限元程序。实例分析了钻井液压力和温度、原始地层水合物饱和度及施工作业时间等因素对水合物地层井壁稳定的影响,结果表明:随着钻井液温度、施工作业时间的增加,井眼周围地层水合物分解区域、地层最大屈服区域增大,不利于井壁稳定;随着钻井液压力、原始地层水合物饱和度增加,井眼周围地层水合物分解区域、地层最大屈服区域减小,有利于井壁稳定,因此深水钻井中应选择造壁性能好的低温钻井液并适当增加液柱压力。

关键词：天然气水合物地层井壁稳定流固耦合数值模拟深水钻井

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南海天然气水合物地层固井胶结特性模拟研究

南海天然气水合物地层固井胶结特性模拟研究

作者：杨乐中国石油大学(华东)

学位级别：硕士

南海天然气水合物资源储量巨大,远景资源量达800亿吨油当量。目前,建井开采海洋天然气水合物仍是主要手段,特别是水平井增产效果明显,固井是构建井筒、保障后续压裂等储层改造顺利实施的重要手段,固井质量对水合物储层井筒安全构建及试... 详细信息

南海天然气水合物资源储量巨大,远景资源量达800亿吨油当量。目前,建井开采海洋天然气水合物仍是主要手段,特别是水平井增产效果明显,固井是构建井筒、保障后续压裂等储层改造顺利实施的重要手段,固井质量对水合物储层井筒安全构建及试采增产稳产至关重要。然而,天然气水合物地层松软,难与水泥石形成有效的胶结,不利于天然气水合物降压开采以及压裂改造,目前有关水合物地层固井二界面胶结强度发展规律、地层温度场和应力场的变化规律、水泥环封隔完整性的影响因素等认识不清,难以指导水泥浆性能设计,需针对南海天然气水合物地层固井及固井后的封隔规律进行深入研究,为我国海域天然气水合物地层固井提供技术支持。通过制备天然气水合物模拟地层、设计加工天然气水合物模拟地层固井二界面胶结强度测试装置,评价了水泥浆体系、地层类型、养护时间等对水合物模拟地层固井二界面胶结强度的影响,明确了二界面胶结强度的变化规律;采用粘结接触模拟二界面胶结,建立了天然气水合物地层水平井固井过程有限元分析模型,分析了钻井、水泥浆候凝、硬化阶段的天然气水合物地层温度、地应力变化及固井二界面损伤规律,揭示了固井过程对天然气水合物地层及二界面胶结质量的影响,为水泥浆体系及水泥石性能设计提供指导。研究结果表明:(1)天然气水合物模拟地层固井二界面短期胶结强度低,1天时的胶结强度为0.606 MPa,约为砂岩地层的1/4,使用低密度水泥浆时则为1/5;二界面胶结强度3天时增长最快,最高可达91.6%,5天后胶结强度增长缓慢,胶结强度大小与水泥石抗压强度发展快慢紧密相关。(2)对固井及试采过程分析发现:井底静止温度、水合物层钻井液循环时间、水泥浆放热量、开采方式等主要影响地层温度场,对固井二界面胶结影响较小,相变吸热材料降低水泥水化热的能力比粉煤灰强,对水合物地层温度影响范围小。(3)固井二界面损伤模拟研究表明:低温下,水泥浆早期强度发展慢,二界面胶结强度也低,二界面容易损伤,因此,水合物固井水泥浆应具备较好的低温早强特性;水泥石弹性模量越高,水泥石应力越大,此时固井二界面损伤判据较小,二界面安全,需根据固井水泥环应力和二界面损伤过程优选水泥石力学性能,保证固井封隔质量。

关键词：天然气水合物地层水合物地层固井二界面胶结强度内聚力模型

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多孔介质中天然气水合物生成的主要影响因素

天然气工业 2017年第5期37卷 38-45页

作者： Khlebnikov V.N. Antonov S.V. Mishin A.S. 梁萌 Khamidullina I.V. Zobov P.M. Likhacheva N.V Gushchin P.A. 俄罗斯古勃金国立石油天然气大学

目前有关天然气水合物(以下简称水合物)的研究主要集中在物理化学性质考察和开采(分解)方法探索方面。在进行后者的研究过程中,地层渗流过程的物理模拟至关重要,但目前借助于石油开采研究中广泛应用的填砂管等多孔介质对水合物进行动态... 详细信息

目前有关天然气水合物(以下简称水合物)的研究主要集中在物理化学性质考察和开采(分解)方法探索方面。在进行后者的研究过程中,地层渗流过程的物理模拟至关重要,但目前借助于石油开采研究中广泛应用的填砂管等多孔介质对水合物进行动态过程的研究却鲜有报道。为此,利用河砂填砂管在岩心驱替装置上进行了甲烷水合物生成过程的物理模拟,考察了地层温度、甲烷压力及地层模型性质参数等对水合物生成过程的影响。结果表明:(1)利用冰融水作为地层模型的束缚水可显著提升甲烷水合物的生成速率;(2)多孔介质条件下过程驱动力(即实验压力或温度偏离水合物相平衡对应值的程度)对甲烷水合物的生成起着决定性作用;(3)当甲烷压力高于水合物相平衡压力1.4倍以上,或者实验温度低于相平衡温度3℃以下时,甲烷水合物生成诱导期几乎不随温压条件的变化而变化;(4)渗透率、含水饱和度、润湿性等参数对实验中甲烷水合物的生成率不构成明显影响。

关键词：甲烷水合物多孔介质生成过程天然气水合物地层物理模拟影响因素诱导期生成率

水合物地层低温钻井液对井底岩石表层强度影响

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中国石油大学学报（自然科学版） 2015年第4期39卷 147-153页

作者：刘天乐蒋国盛宁伏龙张凌 CHIXOTKIN V F 王韧王瑜岩土钻掘与防护教育部工程中心湖北武汉430074 中国地质大学工程学院湖北武汉430074 中国地质大学工程技术学院北京100083

由于天然气水合物仅在高压低温条件下稳定存在,为了保持水合物稳定,在钻井过程中宜采用低温钻井液,而在低温条件下钻井液能否对井底岩石表层起到软化作用,对于提高机械钻速具有重要意义。在分析钻井液对井底岩石表层软化作用机制的基础... 详细信息

由于天然气水合物仅在高压低温条件下稳定存在,为了保持水合物稳定,在钻井过程中宜采用低温钻井液,而在低温条件下钻井液能否对井底岩石表层起到软化作用,对于提高机械钻速具有重要意义。在分析钻井液对井底岩石表层软化作用机制的基础上,较系统地建立低温钻井液软化井底岩石表层定量评价方法,以清水为对比浆液,通过试验将6种水合物地层模拟钻井液(分别含有质量分数为0.1%的表面活性剂和有机盐处理剂)在低温条件下对薄片砂岩试样的软化效果进行对比。结果表明:相比于两种有机盐处理剂,含表面活性剂的4种模拟钻井液在低温条件下对岩样软化效果更好,有利于提高岩石破碎效率和机械钻速;4种含表面活性剂钻井液中,含十二烷基硫酸钠(SDS)钻井液对岩样的软化效果最好。

关键词：天然气水合物地层低温钻井液岩石表层强度砂岩试样软化

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一种海洋水合物地层钻井用新型钻井液

地球科学（中国地质大学学报） 2015年第11期40卷 1913-1921页

作者：刘天乐中国地质大学岩土钻掘与防护教育部工程研究中心湖北武汉430074 中国地质大学工程学院湖北武汉430074

随着全球对天然气水合物勘探与开发的关注越来越多,水合物地层钻井技术的研究也得到了日益重视.但是,水合物地层钻井存在井内水合物分解与重新生成从而影响井内安全的严重问题.为了解决这一问题,针对水合物地层的钻井特点,结合现有的纳... 详细信息

随着全球对天然气水合物勘探与开发的关注越来越多,水合物地层钻井技术的研究也得到了日益重视.但是,水合物地层钻井存在井内水合物分解与重新生成从而影响井内安全的严重问题.为了解决这一问题,针对水合物地层的钻井特点,结合现有的纳米材料,通过大量实验优选出一种适合海洋天然气水合物地层钻井用的纳米SiO2钻井液:海水+2%纳米SiO2+3%膨润土+1%Na-CMC+3%SMP-2+1%PVP(K90)+2%KCl,并对其低温常规性能和水合物生成抑制性能进行了实验评价.实验结果表明,该钻井液具有适中的密度、良好的低温流变性和泥页岩水化抑制性,并能够长时间有效抑制近井壁地层中的水合物分解气在钻井液循环系统中重新生成水合物,有利于保障井内安全和钻井作业的顺利实施.

关键词：天然气水合物地层钻井液纳米SiO2 动力学抑制剂低温性能地质工程.

水合物地层用纳米SiO_2钻井液低温性能实验研究

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科学技术与工程 2014年第34期22卷 135-139,149页

作者：王震冯振波刘天乐周欣蒋国盛岩土钻掘与防护教育部工程中心中国地质大学(武汉)工程学院武汉430074 大庆油田有限责任公司钻探工程公司钻井二公司大庆163000

随着全世界越来越多国家对天然气水合物勘探与开发的青睐,相关钻井技术也得到了日益重视。针对水合物地层的钻井特点,结合现有的纳米材料,通过大量实验优选出一种适合海洋天然气水合物地层钻井用的纳米Si O2钻井液:海水+2%纳米Si O2+3%... 详细信息

随着全世界越来越多国家对天然气水合物勘探与开发的青睐,相关钻井技术也得到了日益重视。针对水合物地层的钻井特点,结合现有的纳米材料,通过大量实验优选出一种适合海洋天然气水合物地层钻井用的纳米Si O2钻井液:海水+2%纳米Si O2+3%膨润土+1%Na-CMC(羧甲基纤维素钠)+3%SMP-2(磺甲基酚醛树脂)+1%PVP(K90)(聚乙烯吡咯烷酮)+2%KCl(氯化钾);并对其低温性能和水合物生成抑制性进行了实验评价。实验结果表明,该钻井液具有适中的密度、良好的低温流变性和泥页岩水化抑制性;并能够长时间有效抑制水合物地层分解气在钻井液循环系统中重新生成水合物,有利保障在含水合物不稳定地层中钻井的顺利实施。

关键词：天然气水合物地层钻井液纳米SiO2 动力学抑制剂低温性能