天然气水合物层钻井井筒水合物动态分解位置检测方法

摘要

本发明公开了一种天然气水合物层钻井井筒水合物动态分解位置检测方法，特别是一种应用于海洋天然气水合物的勘探钻井或者开采钻井领域的天然气水合物层钻井井筒水合物动态分解位置检测方法。本发明提供一种可以实时采集数据，检测准确度高，并且可以实时检测处动态变化的水合物分解位置的天然气水合物层钻井井筒水合物动态分解位置检测方法。包括以下几个步骤：A、按照钻井井深位置范围划分节点；B、将参数代入多相流模型计算混合泥浆密度分布和环空压耗；C、计算立管压力；D、比较计算立管压力与监测立管压力。本申请通过地面监测立压的变化，计算并实时预测水合物动态分解位置，有效降低海洋天然气水合物层钻井风险、减少损失。

说明书

技术领域

本发明涉及一种天然气水合物层钻井井筒水合物动态分解位置检测方法，特别是一种应用于海洋天然气水合物的勘探钻井或者开采钻井领域的天然气水合物层钻井井筒水合物动态分解位置检测方法。

背景技术

天然气水合物又称“可燃冰”，是一种高密度、高热值的非常规能源(1m³天然气水合物可以释放出164m³甲烷气和0.8m³水)，其主要以层的形式存在于海底岩层之间，且资源量极为丰富。海洋天然气水合物层钻井过程中，水合物颗粒随钻井液上返到钻井平台，此过程中的管流不同于常规油气钻井过程：天然气水合物在上返过程中，压力不断降低、温度不断升高，至一定位置后，天然气水合物发生分解，使井筒压力变化明显，进一步造成井控安全的一些列问题，对海上钻井安全产生巨大风险。

目前，国内外对海洋天然气水合物层钻井中天然气水合物在井筒上返过程中的分解位置有一定研究，能在一定程度上实现海洋天然气水合物层钻井中水合物分解位置预测。现有方法中有学者通过天然气水合物相平衡曲线，结合环空井筒中温度、压力变化，预测天然气水合物分解位置变化，但是现有天然气水合物相平衡曲线主要应用为稳态条件下，并且水合物分解位置是理论计算结果，不能完全反映实际海洋天然气水合物层钻井中水合物动态分解实时位置的变化。专利CN102865066A公开了一种含天然气水合物相变的深水井筒多相流动实验装置及方法，可以实现含深水井筒内天然气水合物分解对井筒规律影响的模拟，但是其并未提出一种实时有效的天然气水合物分解位置预测方法。专利CN104198674A公开了一种管输天然气水合物形成在线预警装置及方法，可以计算出监测点处水相中水合物抑制剂和盐分浓度，结合采集到的气相压力、组分和温度参数实现预警，但是其需要复杂的数据在线采集模块，在海洋钻井中无法有效应用。因此现有技术中还没有一种可以实时采集数据，操作简单，检测准确度高，并且可以实时检测处动态变化的水合物分解位置的天然气水合物层钻井井筒水合物动态分解位置检测方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种可以实时采集数据，操作简单，检测准确度高，并且可以实时检测处动态变化的水合物分解位置的天然气水合物层钻井井筒水合物动态分解位置检测方法。

为解决上述技术问题本发明采用的天然气水合物层钻井井筒水合物动态分解位置检测方法，包括以下几个步骤：

A、按照钻井井深位置范围划分节点，根据钻井工况和钻井返出参数计算出钻井的气相流量、液相流量和固相流量，并选择其中一个节点作为下一步骤的计算节点。

B、将气相流量、液相流量和固相流量以及所选计算节点的井深代入多相流模型中得出混合泥浆密度分布和环空压耗。

C、将前述步骤的混合泥浆密度分布和环空压耗代入井筒压力模型中得出计算立管压力；

D、将计算立管压力与监测立管压力进行比较，如果计算立管压力与监测立管压力相等则天然气水合物分解位置为所选计算节点的井深位置，如果计算立管压力与监测立管压力不相等则选择下一个相邻节点作为计算节点并重复步骤B至步骤D。

进一步的是，将D步骤中得出的不同时间的天然气水合物分解位置拟合成曲线，通过曲线预测下一时刻天然气水合物分解位置。

本发明的有益效果是：本申请通过地面监测立压的变化，结合井筒返出参数，根据井筒压力模型、井筒多相流模型，计算并实时预测水合物动态分解位置，其需要采集的数据少，并且能够及时为水合物分解所造成的井控安全等一系列问题的处理提供指导，有效降低海洋天然气水合物层钻井风险、减少损失。

附图说明

图1是本发明中的海洋天然气水合物层钻井中井筒压力关系示意图；

图2是本发明中的根据气、液相表观流速判定多相流流型的模板示意图；

图3是本发明中的通过立压实时预测水合物分解位置的方法示意图；

图4是本发明中的立压变化和水合物分解位置趋势示例图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图2所示，本发明的天然气水合物层钻井井筒水合物动态分解位置检测方法，包括以下几个步骤：

A、按照钻井井深位置范围划分节点，根据钻井工况和钻井返出参数计算出钻井的气相流量、液相流量和固相流量，并选择其中一个节点作为下一步骤的计算节点；

B、将气相流量、液相流量和固相流量以及所选计算节点的井深代入多相流模型中得出混合泥浆密度分布和环空压耗；

C、将前述步骤的混合泥浆密度分布和环空压耗代入井筒压力模型中得出计算立管压力；

D、将计算立管压力与监测立管压力进行比较，如果计算立管压力与监测立管压力相等则天然气水合物分解位置为所选计算节点的井深位置，如果计算立管压力与监测立管压力不相等则选择下一个相邻节点作为计算节点并重复步骤B至步骤D。

为了使计算的天然气水合物分解位置与钻井的深度位置对应，将钻井深度划分成若干个长度区间，每个长度区间对应一个节点，具体实施时可以给划分好的节点编号，例如井深最深处的节点编为1号节点，在1号节点上方并且紧邻1号节点的为2号节点，并依次将剩下的节点编号。在计算时可以选择最深处的1号节点作为初始节点，进行第一次计算，如果1号节点不是天然气水合物的分解位置，则可以选择与其相邻的2号节点进行计算，依次类推直至算出准确的天然气水合物的分解位置。根据钻井工况和钻井返出参数计算出钻井的气相流量、液相流量和固相流量可采用现有的计算方法进行。

海洋天然气水合物层钻井中，水合物发生分解时，井筒中钻井液的物理性质会发生相应变化，如钻井液密度、流量等，从而影响到钻柱内及环空井筒压力的平衡状态，进而使地面上监测到的立管压力等参数发生相应变化。其中，立压指作业过程中立管上的压力值，反映的是钻井液在钻柱、钻头水眼及环空中的压力损失，在数值上近似于等于整个循环系统压力损失，也近似等于循环泵压，可以通过监测得到。

在常规正常钻进情况下，井筒内的流体循环满足质量守恒定律，即钻井液的总量不会发生变化；而海洋天然气水合物层钻井过程中，天然气水合物随钻井液在环空井筒中上返至一定位置会发生分解，分解产生天然气会使环空井筒中压力发生变化，破坏原有的压力平衡，引起压力波动，从而表征到立压监测的变化上。如图1，海洋天然气水合物层钻井过程中，井筒压力关系可以表示为：

p_d+p_md＝Δp_df+Δp_af+Δp_db+p_ma

式中：p_d为立管压力，MPa；p_md、p_ma分别为钻柱内、环空中液柱压力，单位分别为：MPa；Δp_df、Δp_af、Δp_db分别为钻柱内、环空中、钻头压耗，单位均为MPa。

天然气水合物在环空中随钻井液上返至一定位置发生分解后，环空中液柱压力和摩阻压耗可以分别表示为：

p_ma＝ρ_mixgh_d+ρ_mg(h-h_d)(2)

Δp_af＝Δp_af1+Δp_af2(3)

式中：ρ_m为钻井液与水合物岩屑混合密度，单位为g/cm³；ρ_mix为水合物分解产生天然气与钻井液和剩余水合物岩屑混合密度，单位为g/cm³；h、h_d分别为井深、天然气水合物分解位置，单位无km；Δp_af1、Δp_af2分别为天然气水合物分解位置上部、下部的环空压耗，单位为MPa。

当天然气水合物发生分解后，钻柱内液柱压力p_md、钻井液在钻杆中压耗Δp_df、钻井液钻头压耗Δp_db基本不发生变化，而环空中液柱压力p_ma会由于水合物分解位置上部混合钻井液密度ρ_mix的降低而减小，且钻井液在环空中的压耗会由于井筒流动特征的变化而发生变化，根据井筒压力关系，反映到监测立压p_d的变化上。

根据监测到的立压变化计算水合物分解位置时，根据钻井工况和返出参数监测，得到返出气、液、固相流量，作为初始条件，并结合多相流模型如图2计算得到某一节点内混合泥浆密度分布和环空压耗；进而根据井筒压力关系计算立压，并与监测立压比较是否相等；如不相等则循环迭代计算下一节点内混合泥浆密度分布和环空压耗，并计算立压再次比较；以此循环至计算所得立压与监测立压相等，则说明天然气水合物分解位置即为此计算节点处。同时，随着分解的进行，立压将会不断变化，采用上述方法不断迭代，实时计算并预测出水合物动态分解位置的变化。

本发明的通过立压实时预测水合物分解位置的方法如图3所示。在海洋天然气水合物层钻井过程中，根据钻井工况和返出参数监测，得到返出气、液、固相流量，通过多相流模型计算第一个节点内混合泥浆密度分布和环空压耗，并根据井筒压力关系计算立压，与井口监测立压相比较；如果不相等则循环迭代下一节点计算，直至计算立压与井口监测立压相等则说明水合物分解位置即为节点位置。通过系统不断实时迭代计算从而预测水合物分解位置。

首先假设天然气水合物不分解，通过井筒压力关系计算得到立压：如果计算得到立压与实测立压相一致，说明此时天然气水合物在井筒中未发生分解或还未钻遇天然气水合物层；如果计算得到立压比实测立压大，说明此时天然气水合物在井筒中已经发生分解，根据井口返出气、液、固相流量，结合多相流模型和井筒压力关系迭代计算得到天然气水合物分解位置；如果监测的立压比计算得到立压小且不发生变化，说明天然气水合物动态分解位置已经达到稳定状态；如果监测的立压随时间仍在不断减小，则说明天然气水合物分解位置在不断下移，此时根据监测立压并结合返出参数实时计算，对天然气水合物动态分解位置实时预测，直到监测的立压降低至某一稳定状态。

立压监测数据可以用来计算并得到天然气水合物分解的实时位置，从而通过立压的变化来表征海洋天然气水合物层钻井水合物分解位置的变化，为施工人员进一步采取措施提供实时数据支撑。

将D步骤中得出的不同时间的天然气水合物分解位置拟合成曲线，通过曲线预测下一时刻天然气水合物分解位置。，随着分解的进行，立压将会不断变化，采用上述方法不断迭代，实时计算并预测出水合物动态分解位置的变化。

结合图4作进一步说明，该图表示的是立压随时间的变化以及实时反映出的天然气水合物分解位置随时间变化情况，其中横坐标是时间，纵坐标是立压和天然气水合物分解位置。A、B、C、D、E分别代表五处不同的钻井时间，时间A～B处，立压未发生变化，且与假设天然气水合物不分解时计算得到的立压p_d0相等，表明天然气水合物未发生分解；时间B～C处，立压降低较快，说明天然气水合物刚开始分解，环空井筒压力降低，其分解位置迅速向下移动；时间C～D处，立压降低减慢，说明随着天然气水合物分解位置的下移，井筒温度的降低占主要因素，其下移速度变缓；时间D～E处，立压保持稳定，说明环空井筒压力降低与井筒温度降低效果相当，天然气水合物持续分解，但其分解位置基本稳定。天然气水合物分解位置的变化过程中，应及时结合井筒压力变化采取必要措施，以保证海洋天然气水合物钻井的安全进行。