CN109321215A

CN109321215A - 一种适用于天然气水合物地层钻井的水合物分解抑制剂

Info

Publication number: CN109321215A
Application number: CN201811304730.5A
Authority: CN
Inventors: 赵欣; 邱正松; 赵超; 钟汉毅; 黄维安; 徐建根
Original assignee: China University of Petroleum East China
Current assignee: China University of Petroleum East China
Priority date: 2018-11-01
Filing date: 2018-11-01
Publication date: 2019-02-12

Abstract

本发明公开了一种适用于天然气水合物地层钻井的水合物分解抑制剂，包括以下质量百分数的原料：聚3‑亚甲基2‑吡咯烷酮0～100％、卵磷脂0～100％、聚N‑乙烯基吡咯烷酮0～100％。本发明提供的一种适用于天然气水合物地层钻井的水合物分解抑制剂，用于海洋或冻土天然气水合物钻井作业中，可有效抑制水合物分解，提高天然气水合物地层稳定性，避免水合物分解造成的一系列井下事故。

Description

一种适用于天然气水合物地层钻井的水合物分解抑制剂

技术领域

本发明涉及水合物分解抑制剂技术领域，更具体地说是涉及一种适用于天然气水合物地层钻井的水合物分解抑制剂。

背景技术

天然气水合物是在一定的低温高压条件下，由轻烃等小分子气体与水相互作用形成的白色固态结晶物质，可稳定赋存于海洋深水海底及冻土带等低温高压地区。目前估算的全球天然气水合物资源量远高于常规天然气和页岩气的总储量，理论上1m³天然气水合物可含164m³的甲烷和0.8m³的水。因此，天然气水合物被认为是未来具有巨大潜力的接替性能源。

天然气水合物地层主要以软泥岩、砂泥岩等矿物为主，水合物以胶结物及孔隙充填物等形式分布在地层中。在天然气水合物地层钻探中，面临的首要问题就是水合物地层的井壁失稳。首先，天然气水合物的分解会引起地层失稳。天然气水合物的赋存状态对温度和压力极为敏感，钻井过程中，地应力的改变、钻头的摩擦以及钻井液的热传递都会使水合物稳定存在的温度和压力条件被破坏，导致井壁周围水合物分解，井壁失去胶结支撑而垮塌；分解产生的水和气体增大了地层孔隙压力，降低了地层强度；气体侵入导致钻井液密度降低，减小了其对井壁的有效应力支撑，引起井壁失稳，形成恶性循环。钻井过程中水合物地层失稳还会降低地层承载力，影响钻井平台的稳定性，甚至引起海底滑坡等地质灾难。因此，为了高效钻探开发天然气水合物，必须首先建立钻井过程中抑制水合物分解的方法，以提高水合物地层稳定性。

在天然气水合物地层钻探中，钻井液直接与水合物地层接触，是控制井下温度和压力的技术载体，其温度、液柱压力和物理化学性质是保持水合物地层稳定性的关键因素。理论上，可通过降低钻井液温度、提高密度来维持水合物稳定。但是增加密度会加剧钻井液侵入地层，甚至压漏地层；单纯降低钻井液温度很难完全抑制水合物分解，并且需要考虑降温的设备条件、能耗和效率。目前，国内外已经开展了冻土及海洋天然气水合物的取心钻探及试采作业，由于尚未研究得到可有效稳定水合物地层井壁的钻井液处理剂，目前主要通过降温设备对钻井液进行降温，避免或减少水合物的分解引起的严重井壁失稳及安全风险，但作业过程中仍然发生水合物分解导致的取心失败、井壁坍塌等。但目前未见适用于天然气水合物地层钻井的水合物分解抑制剂相关的发明专利。

因此，提供一种适用于天然气水合物地层钻井，通过物理化学作用有效抑制水合物分解，提高钻井过程中水合物地层的稳定性的水合物分解抑制剂是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种适用于天然气水合物地层钻井的水合物分解抑制剂，用于海洋或冻土天然气水合物钻井作业中，可有效提高天然气水合物地层稳定性，避免水合物分解造成的一系列井下事故。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种适用于天然气水合物地层钻井的水合物分解抑制剂，其特征在于，按配方百分比包括以下组分：聚3-亚甲基2-吡咯烷酮0～100％、卵磷脂0～100％、聚N-乙烯基吡咯烷酮0～100％。优选的，在上述一种适用于天然气水合物地层钻井的水合物分解抑制剂中，所述聚3-亚甲基2-吡咯烷酮的制备方法，具体包括以下步骤：

(1)在30～40℃的温度下，将1.0～1.5g氢化钠和11.0～12.0g草酸二乙酯加入到二异丙醚中，搅拌均匀；

(2)将6.0～8.0g 1-叔丁氧羰基-2-吡咯烷酮溶入30～40mL二异丙醚中；

(3)在30～40℃的温度下，将上述步骤(2)得到的混合溶液逐滴加入到上述步骤(1)得到的混合溶液中，并且搅拌48h；

(4)用二异丙醚清洗上述步骤(3)中反应得到的产物；然后溶解在二甲基甲酰胺中，加入多聚甲醛在90～110℃的温度下反应1.5～3h；

(5)将上述步骤(4)中得到的产物冷却，过滤，用硅胶柱层析法提纯，得到1-叔丁氧羰基-3-亚甲基-2-吡咯烷酮；

(6)在烧瓶中加入90～110mg 3-亚甲基2-吡咯烷酮和1.0～1.5mg偶氮二异丁腈，以二甲基亚砜为溶剂反应；反应结束后，用丙酮提纯，过滤后得到聚3-亚甲基2-吡咯烷酮。

优选的，在上述一种适用于天然气水合物地层钻井的水合物分解抑制剂中，所述聚3-亚甲基2-吡咯烷酮的添加量为钻井液质量分数的0.1～1.0％；所述卵磷脂的添加量为钻井液质量分数的0.1～1.0％；所述聚N-乙烯基吡咯烷酮的添加量为钻井液质量分数的0.1～1.0％。

优选的，在上述一种适用于天然气水合物地层钻井的水合物分解抑制剂种，所述卵磷脂为大豆卵磷脂。

优选的，在上述一种适用于天然气水合物地层钻井的水合物分解抑制剂中，所述聚N-乙烯基吡咯烷酮的质量分数为15000～750000。

其中：上述水合物分解抑制剂中的聚3-亚甲基2-吡咯烷酮、卵磷脂和聚N-乙烯基吡咯烷酮，可以单独使用，也可以两两复配使用或三者复配使用。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种适用于天然气水合物地层钻井的水合物分解抑制剂，具有以下优点：

(1)水合物分解是水合物地层钻井面临的关键问题，但目前国内外还未见钻井液水合物分解抑制剂系统研究成果。本发明的水合物分解抑制剂，可吸附在水合物晶体表面，形成吸附膜，阻止气体和水分子向液相传递，从而实现有效抑制天然气水合物分解的目的，降低水合物分解速率，延长水合物完全分解所需的时间。在天然气水合物地层钻井时，可有效抑制水合物分解，提高含水合物地层稳定性。

(2)本发明的水合物分解抑制剂与钻井液具有良好的配伍性。加入钻井液后不会产生沉淀等问题，并不会对钻井液性能造成显著的负面影响，保证了其在钻井液中的适用性。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例公开了一种适用于天然气水合物地层钻井的水合物分解抑制剂，用于海洋或冻土天然气水合物钻井作业中，可有效提高天然气水合物地层稳定性，避免水合物分解造成的一系列井下事故。

一种适用于天然气水合物地层钻井的水合物分解抑制剂，按配方百分比包括以下组分：聚3-亚甲基2-吡咯烷酮0～100％、卵磷脂0～100％、聚N-乙烯基吡咯烷酮0～100％。

为了进一步优化以上技术方案，聚3-亚甲基2-吡咯烷酮的制备方法，具体包括以下步骤：

(3)在30～40℃的温度下，将步骤(2)得到的混合溶液逐滴加入到步骤(1)得到的混合溶液中，并且搅拌48h；

(4)用二异丙醚清洗步骤(3)中反应得到的产物；然后溶解在二甲基甲酰胺中，加入多聚甲醛在90～110℃的温度下反应1.5～3h；

(5)将步骤(4)中得到的产物冷却，过滤，用硅胶柱层析法提纯，得到1-叔丁氧羰基-3-亚甲基-2-吡咯烷酮；

为了进一步优化以上技术方案，聚3-亚甲基2-吡咯烷酮的添加量为钻井液质量分数的0.1～1.0％；卵磷脂的添加量为钻井液质量分数的0.1～1.0％；聚N-乙烯基吡咯烷酮的添加量为钻井液质量分数的0.1～1.0％。

为了进一步优化以上技术方案，卵磷脂为大豆卵磷脂。

为了进一步优化以上技术方案，聚N-乙烯基吡咯烷酮的质量分数为15000～750000。

使用海洋深水钻井液作为基础试液，通过对比例和实施例测试本发明的水合物分解抑制剂抑制水合物分解的效果。实验过程具体如下：

钻井液配方：2％土浆+0.25％FA-367+0.5％PAC-LV+2％SMP+5％KCl+10％NaCl；

对比例：钻井液；

实施例1：钻井液+0.1％聚N-乙烯基吡咯烷酮；

实施例2：钻井液+1.0％聚N-乙烯基吡咯烷酮；

实施例3：钻井液+0.1％卵磷脂；

实施例4：钻井液+1.0％卵磷脂；

实施例5：钻井液+0.1％聚3-亚甲基2-吡咯烷酮；

实施例6：钻井液+1.0％聚3-亚甲基2-吡咯烷酮；

实施例7：钻井液+0.5％聚N-乙烯基吡咯烷酮+0.5％聚3-亚甲基2-吡咯烷酮；

实施例8：钻井液+0.5％聚N-乙烯基吡咯烷酮+0.5％卵磷脂；

实施例9：钻井液+0.5％聚3-亚甲基2-吡咯烷酮+0.5％卵磷脂；

实施例10：钻井液+0.5％N-乙烯基吡咯烷酮+0.5％聚3-亚甲基2-吡咯烷酮+0.5％卵磷脂。

其中上述百分比为钻井液质量分数的百分比。

一、水合物分解效果实验

在清水中加入浓度为500mg/L的SDS作为水合物生成促进剂；在10MPa、2℃条件下，原位生成水合物后，注入对比例或实施例1～10中配制的钻井液抑制剂；实时监测反应釜中温度和压力变化，用水合物分解速率和完全分解所需的时间分析钻井液抑制水合物分解作用。测试结果如表1所示。

表1对比例与实施例抑制水合物分解的效果

结果表明，实施例1～10中的水合物分解抑制剂配方均可改善水合物分解的效果，其中：在钻井液中加入浓度为0.1％的水合物分解抑制剂，钻井液中水合物分解的速率降低，水合物完全分解所需时间增加；随着水合物分解抑制剂浓度增加，抑制水合物分解的作用显著增加。

三种水合物分解抑制剂单独使用时，加量为1％时可将水合物完全分解所需时间从8h提高至15h以上。两两复配使用时，0.5％聚N-乙烯基吡咯烷酮与0.5％卵磷脂复配，0.5％聚3-亚甲基2-吡咯烷酮与0.5％卵磷脂复配抑制作用较强。

二、水合物分解抑制剂对钻井液基本性能的影响实验

①分别观察实施例1～10中的钻井液抑制剂在配制过程中的感官状态。

结果如下：实施例1～10配制的钻井液抑制剂中均未产生沉淀。

聚N-乙烯基吡咯烷酮和聚3-亚甲基2-吡咯烷酮的加入对钻井液的流变性影响显著，因此加量不宜过高；而卵磷脂对钻井液性能影响很小，但加量较高时容易产生气泡。在复配使用时，各水合物分解抑制剂的浓度控制在0.5％以内较为合适。

②分测试对比例及实施例1～10配制溶液的基本性能参数，分析本发明水合物分解抑制剂与钻井液的配伍性。基本性能参数的结果如表2所示。

表2对比例与实施例1～10配制溶液的基本性能参数

结果表明，实施例1～10中的水合物分解抑制剂配方会影响钻井液的流变性和滤失性。其中：在钻井液中加入浓度为0.1％的水合物分解抑制剂，钻井液的表观粘度、塑性粘度和动切力稍有增加，钻井液的API滤失量有所降低；随着水合物分解抑制剂浓度增加，钻井液的表观粘度、塑性粘度和动切力均明显增加，但仍具有良好的流动性，钻井液的API滤失量显著降低。因此，水合物抑制剂的加入不会对钻井液的主要性能造成严重影响。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims

1.一种适用于天然气水合物地层钻井的水合物分解抑制剂，其特征在于，按配方百分比包括以下组分：聚3-亚甲基2-吡咯烷酮0～100％、卵磷脂0～100％、聚N-乙烯基吡咯烷酮0～100％。

2.根据权利要求1所述的一种适用于天然气水合物地层钻井的水合物分解抑制剂，其特征在于，所述聚3-亚甲基2-吡咯烷酮的制备方法，具体包括以下步骤：

3.根据权利要求1所述的一种适用于天然气水合物地层钻井的水合物分解抑制剂，其特征在于，所述聚3-亚甲基2-吡咯烷酮的添加量为钻井液质量分数的0.1～1.0％；所述卵磷脂的添加量为钻井液质量分数的0.1～1.0％；所述聚N-乙烯基吡咯烷酮的添加量为钻井液质量分数的0.1～1.0％。

4.根据权利要求1所述的一种适用于天然气水合物地层钻井的水合物分解抑制剂，其特征在于，所述卵磷脂为大豆卵磷脂。

5.根据权利要求1所述的一种适用于天然气水合物地层钻井的水合物分解抑制剂，其特征在于，所述聚N-乙烯基吡咯烷酮的质量分数为15000～750000。