油气井水合物地层钻井与固井

郑明明，博士，副教授，四川省天府峨眉计划青年人才（四川省青年千人），西藏自治区水力发电工程学会高边坡专委会、环保专委会委员，地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室固定研究人员，成都理工大学环境与土木工程学院教师。 刘天乐，博士，教授， 万人计划青年拔尖人才，中国地质大学工程学院教师。 胡云鹏，博士，特聘研究员，成都理工大学环境与土木工程学院教师，地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室固定研究人员。 郑少军，博士（后），中国地质大学工程学院博士后。

第一章油气井水合物地层钻井与固井现状(1)

第一节南海油气和水合物资源分布(1)

一、南海油气资源分布(1)

二、南海水合物资源分布(3)

第二节水合物地层钻井与固井国内外研究现状(5)

一、水合物地层钻井研究现状(5)

二、水合物地层固井研究现状(7)

第三节南海油气资源开采中的水合物问题(9)

参考文献(11)

第二章含水合物沉积物物性特征(18)

第一节含水合物沉积物孔渗性质(18)

一、含水合物沉积物孔隙结构(18)

二、含水合物沉积物主要物性(19)

第二节含水合物沉积物微观孔隙与宏观物性响应(22)

一、孔隙水合物观测(22)

二、孔隙水合物形成过程温度和电阻变化(24)

三、孔隙水合物分解过程孔隙结构动态特性(27)

参考文献(30)

第三章模拟水合物地层人造岩心(32)

第一节人造岩心技术研究现状(32)

第二节人造岩心制备工艺(33)

一、人造岩心制备仪器与材料选择(33)

二、人造岩心制备流程(35)

三、制备工艺对岩心孔隙分布的影响(36)

第三节人造岩心均匀性评价(37)

一、人造岩心均匀性评价方法(37)

二、人造岩心均匀性分析(38)

第四节水合物地层骨架渗透与孔隙性质模拟(39)

一、实验仪器与材料(40)

二、目标地层的选择与模拟方案(40)

三、很优人造岩心配方优选(44)

四、主要因素对孔隙结构的影响机理(48)

第五节水合物地层骨架力学性质模拟(55)

一、人造岩心制备与力学测试(55)

二、人造岩心力学性质(57)

参考文献(61)

第四章钻井液与水合物地层响应(65)

第一节水合物与钻井液侵入问题研究现状(65)

第二节水合物地层钻井液侵入模拟(66)

一、目标模拟地层选取与钻井液侵入模型建立(66)

二、实验仪器与材料(67)

三、天然气水合物形成和钻井液侵入(69)

第三节人造岩心骨架配方优选(70)

第四节水合物形成与钻井液侵入过程水合物地层物性响应(72)

一、水合物形成过程地层物性变化(72)

二、钻井液侵入过程近井壁地层物性变化(73)

第五节水合物地层钻测井启示(76)

一、侵入深度与电阻率测井方法的关系(76)

二、钻井工艺对地层物性的影响机理(77)

参考文献(79)

第五章固井水泥浆与水合物地层响应(82)

第一节固井过程地层物性与高压气水反侵研究现状(82)

第二节固井过程井周水合物地层物性响应(83)

一、原位水合物地层固井模型(83)

二、固井过程中井周水合物地层物性变化(89)

三、不同固井工艺下地层物性变化规律(91)

四、不同地质条件下地层物性变化规律(97)

第三节水合物分解高压游离气水反侵行为(104)

一、高压游离气水反侵行为判别(104)

二、反侵过程二界面区域气水运移规律(105)

三、主要固井工艺参数对反侵烈度的影响(107)

四、不同地质条件下高压游离气水反侵烈度(110)

第四节高压游离气水反侵的临界条件判别模型(112)

一、临界条件判别模型构建依据(112)

二、临界条件判别模型建立(113)

三、模型准确性分析与临界判别条件(117)

参考文献(118)

第六章水合物地层控热固井水泥浆(122)

第一节相变微胶囊控热固井水泥浆(122)

一、相变微胶囊及其制备(122)

二、相变微胶囊的性能表征(125)

三、相变微胶囊固井水泥浆性能评价(130)

四、相变微胶囊固井水泥浆在水合物地层的热效应(133)

第二节液体减轻剂控热固井水泥浆(134)

一、液体减轻剂及其在水泥浆中的应用(135)

二、液体减轻剂控热固井水泥浆的制备(136)

三、液体减轻剂控热固井水泥浆性能评价(137)

四、液体减轻固井水泥浆在水合物地层的热效应(140)

第三节固体减轻剂控热固井水泥浆(141)

一、固体减轻剂及其在水泥浆中的应用(141)

二、固体减轻剂控热固井水泥浆的制备(145)

三、固体减轻剂控热固井水泥浆性能评价(148)

四、固体减轻剂固井水泥浆在水合物地层的热效应(152)

参考文献(154)

第一章油气井水合物地层钻井与固井现状

第一节南海油气和水合物资源分布

一、南海油气资源分布

充足的能源供应和环境保护对人类的可持续发展至关重要，早已成为世界各国面临的关键问题。我国石油和天然气对外依存度逐年攀升，2021年分别达到73.5%和42.0%，能源安全形势日趋严峻[1.2]。而国内近海油气资源极为丰富，主要集中于珠江口、北部湾、渤海湾、东海、琼东南和莺歌海等几大盆地，约占近海石油和天然气地质资源量的86%和96%3]。国内深水油气勘探虽然起步较晚，但进展迅速。自2005年至今，南海北部先后发现了14个大中型深水油气田，极具战略意义3]

我国南海海域广阔、油气资源丰富，呈“外油内气”环带状分布特征。近岸陆架区烃源岩主要为中深湖相或海相泥岩烃源岩，以生油为主;远岸陆坡区或陆架区烃源岩主要为海陆过渡相烃源岩及陆源海相沉积，局部深层下伏中深湖相烃源岩，以生气为主[。多数沉积盆地部分或全部位于深水区，储量丰富，其中约50%蕴藏量位于深水区，主要分布于中建南、珠江口和文莱一沙巴三大盆地。相关盆地内天然气约60%蕴藏于深水区，主要分布于中建南、琼东南、曾母和珠江口四大盆地。上述南海沉积盆地内，石油待探明地质资源量超过2.00X10l0t,天然气待探明地质资源量超过3.0X103m’，其中约一半资源位于200~500m的深水、超深水海域，未来勘探开发潜力大，是我国油气资源勘探开发的重要战略接续区[5]。

(一)中建南盆地

中建南盆地是位于我国南海西部的较大型新生代沉积盆地，面积约为10000km’，约2/3的面积位于我国传统海域内。盆地内水深50~400m，主体水深超过10m。盆地总体呈北北东走向，北面是琼东南盆地和莺歌海盆地，南邻万安盆地和南薇西盆地，西接南海西部陆架，东连西南海盆，构造位置较特殊[6]。中建南盆地为新生代走滑一拉张叠合盆地，生、储、盖、圈、保等石油地质条件良好，古新统一中始新统含油气系统具有良好的油气远景;上始新统一渐新统含油气系统中部具良好的油气远景，南、北两侧含油气远景较差;下中新统-中中新统含油气系统，其中部含油气远景较好，其他部较差。盆地以生油为主，总资源量约为36亿吨，为一良好的油气远景沉积盆地。

(二)琼东南盆地

琼东南盆地是典型的大陆边缘型断陷裂谷盆地，位于海南岛南部海域，面积约3.4X10 km’，呈北东走向，新生代油气地质条件较复杂，具有发育多套烃源岩的复合含油气系统，富含以天然气为主的多种油气资源，常规油气资源量分别约为3.05X108t和2.7X108m38.9]。琼东南盆地早期油气勘探活动主要集中于盆地西部水深<300m的浅水区，而盆地70%油气资源主要集中于目前油气勘探程度尚低、水深>300m的深水区域。盆地中央坳陷带的渐新统烃源岩为最有利发育区且生烃潜力大，其次为北部坳陷带和中部隆起区。目前勘探发现的中央坳陷带深水气田群气源供给主要来自渐新统崖城组煤系烃源岩及半封闭浅海相陆源烃源岩，而北部坳陷带广大区域油气来源则主要为始新统湖相烃源岩。

(三)曾母盆地

曾母盆地面积约1.69X10 km’，其中位于我国南海九段线内的面积占12.7X10‘km?，其东部约有1.7X10 km’的区域位于婆罗洲岛上，整个盆地形状近似于一个三角形。盆地多处发育规模较大的滩礁和暗沙，自南而北，水深由40m变化至1800m，盆地大部分区域位于200m水深线之下，总体地势平坦，通过海底等深线可在海底局部观察到较为明显的海底峡谷。油气分布具有南油北气的特征。石油主要分布于曾母盆地东南侧的东巴林坚凹陷和南康台地，石油可采储量分别为1.18X10°t和0.43 X10t，分别占盆地石油可采储量的71.52%和26.06%。天然气主要分布于南康台地、西部斜坡和西巴林坚凸起，其天然气可采储量分别为1.60、1.32 和0.23万亿立方米，分别占盆地天然气可采储量的48.96%、40.33%和6.99%[12]。

本书通过对深水油气区含水合物地层钻井和固井过程的研究，阐述了钻井过程钻井液对近井壁地层的物性影响规律、固井过程水泥浆水化放传热规律和高压游离气水反侵的临界判别条件，建立了利用相变微胶囊水泥浆配合不同固井工艺进行水合物安全固井的方法。本书还介绍了相变微胶囊、全液体减轻剂、固体减轻剂等多种类型的控热固井水泥浆体系，以及围绕控热材料的设计、选材、制备及其与水泥浆的配伍性等进行的的研究。