冻土区裂隙性地层中水合物形成机理及相态研究
苏凯1, 2, 张国彪1, 2, 孙友宏1, 2, 李胜利1, 2, 郭威1, 2    
1. 吉林大学建设工程学院, 吉林长春 130021;
2. 复杂条件钻采技术国土资源部重点实验室(吉林大学), 吉林长春 130021
摘要: 天然气水合物广泛充填于冻土地层裂隙中,钻探冻土地层裂隙中的天然气水合物需要先对其合成、分布和相态进行研究。基于祁连山地区裂隙性地层特征制作了人工岩心,进行了天然气水合物的形成及相平衡实验;利用A.H.Mohammadi提出的天然气水合物热力学模型,预测了NaCl和KCl溶液中天然气水合物的相平衡条件,并分析其在含盐低温钻井液条件下的相平衡偏移问题。实验得出,天然气水合物主要分布在岩心的裂隙面及端面;压力为4 MPa时,质量分数为5%和10%的NaCl溶液中天然气水合物的相平衡温度分别降低了约2.2 K和4.6 K,质量分数为10%的KCl溶液中天然气水合物的相平衡温度降低了3.4 K。研究结果表明:冻土地层裂隙中的天然气水合物由大量块状水合物和极少量孔隙充填型水合物组成,其相平衡条件与宏观水相中一致,在相同盐度下NaCl对天然气水合物相平衡的影响大于KCl。
关键词: 天然气水合物    裂隙    冻土    钻井液    相平衡    
Formation Mechanism and Phase State of Hydrates in Fractured Layers of Permafrost
SU Kai1, 2, ZHANG Guobiao1, 2, SUN Youhong1, 2, LI Shengli1, 2, GUO Wei1, 2    
1. College of Construction Engineering, Jilin University, Changchun, Jilin, 130021, China;
2. Key Laboratory of Drilling and Production Technology under Complex Conditions, Ministry of Land and Resources(Jilin University), Changchun, Jilin, 130021, China
Abstract: Natural gas hydrate is widely distributed in the fractured layers of permafrost. In order to explore gas hydrate in the fractured layers of permafrost, it is necessary to study its formation, distribution and phase state. In this paper, the formation and phase equilibrium experiments of gas hydrate were conducted on the artificial cores which were prepared in reference to the characteristics of fractured layers in the area of Qilian Mountains. The phase equilibrium of hydrate in NaCl and KCl solutions were predicted according to the gas hydrate thermodynamic model created by A.H.Mohammadi, and the phrase equilibrium migration of hydrate in drilling fluids under the conditio of low temperature and salt bearing was discussed. It is shown by experimental results that gas hydrate is mainly distributed at the fracture surface and end surface of samples. When the pressure is 4 MPa, the phase equilibrium temperature of hydrate in NaCl solutions that have mass fraction of 5% and 1% declined about by 2.2 K and 4.6 K, respectively, and that in KCl solution with mass fraction of 10% decreased by 3.4 K. Research results indicated that the gas hydrate in fractured layers of permafrost is mostly in the massive form and slightly filled in the pores, and its phase equilibrium condition is consistent with that in macroscopic water phase. And under the same salinity, the effect of NaCl on the phase equilibrium of gas hydrate is greater than that affected by KCl.
Key words: natural gas hydrate    fracture    permafrost    drilling fluid    phase equilibrium    

天然气水合物是在低温和高压条件下由水分子和气体分子组成的类冰状笼形化合物,主要分布于海底和冻土带[1]。天然气水合物因具有特殊的热物理力学性质而有别于常规能源。因此,勘探开发天然气水合物的前提是弄清其分布形态及相平衡条件。近年来,国内外学者对此做了大量工作。A.H.Mohammadi等人[2]测定了甲烷在NaCl、KCl和CaCl2等3种盐溶液中的相平衡曲线,并给出了不同盐溶液中天然气水合物的相平衡预测模型。T.Maekawa等人[3]在274.0~287.1 K温度下测试了甲烷水合物在不同浓度正丙醇和异丙醇溶液中的相平衡条件。H.Najibi等人[4]研究了甲烷水合物在盐类和醇类混合溶液中的相平衡情况,发现在盐和醇的共同作用下天然气水合物的相平衡偏移更大。孙始财等人[5]采用不同粒径的石英砂模拟了多孔介质中甲烷水合物的合成并测定了其相平衡条件,认为其影响的临界粒径为160~200目。上述研究主要集中在电解质溶液、有机质体系和多孔介质方面,然而,冻土层中泥岩、页岩和部分砂岩等因发育各类裂缝(层间缝、构造缝、成岩缝等),在充足的物源条件和适当的温压条件下易在裂隙中形成天然气水合物[6]。通过研究中国祁连山木里地区冻土和美国水合物脊、美国墨西哥湾、印度沿海、韩国Uleung盆地等海洋中的储层类型和天然气水合物赋存形态及特征可知[7, 8, 9, 10, 11, 12],裂隙性地层中天然气水合物分布广泛,资源丰富,物性特征变化较大。为此,针对祁连山冻土区裂隙性地层中天然气水合物的赋存特征,在室内合成了天然气水合物并测定了其相平衡条件,讨论了钻探过程中天然气水合物在冻土区低温钻井液下的相平衡偏移问题,并提出了相关防治措施。

1 天然气水合物的合成及相平衡实验 1.1 实验材料及装置

在祁连山木里地区,结构致密、裂隙发育的泥岩是含天然气水合物地层的主要岩性之一[13],其裂隙宽度在毫米级到厘米级之间[14],平均裂隙走向为43°~63°[15]。基于上述岩性和裂隙性质特征,在已钻取的泥岩岩心的基础上,经人工修整,制成了人造裂隙岩心,如图1(a)所示。此外,为准确获取实验中裂隙岩心内部的温度,用水电钻在岩心轴向钻取了温度测试孔,如图1(b)所示。实验所用甲烷气体的纯度为99.99%,蒸馏水为实验室自制。

图1 人造裂隙岩心 Fig.1 Artificially fractured cores

图2所示为天然气水合物相平衡实验装置。实验装置主要由反应釜、控温系统和数据采集系统组成。反应釜净容积为254.5 mL,最大承压20 MPa;釜体上部安装热电阻温度传感器(PT100)和压力传感器(PTX1517);温度传感器探针可伸入裂隙岩心样品中,精度±0.1 K;压力传感器最大量程为25 MPa,精度±0.2%;控温系统为恒温水浴,其控温范围为248.15~363.15 K;数据采集系统可实时记录温度、压力等参数的变化。

图2 天然气水合物相平衡实验装置示意 Fig.2 Sketch of phase equilibrium experiment apparatus for gas hydrate 1.气瓶;2.压力表;3.减压阀;4.截止阀;5.放空阀;6.恒温水浴; 7.反应釜;8.温度传感器;9.压力传感器;10.无纸记录仪;11.电脑
1.2 实验方法 1.2.1 裂隙内天然气水合物的形成

首先将裂隙岩心装入反应釜中,并倒入蒸馏水静置2 h,使裂隙岩心饱和蒸馏水;然后将釜中剩余的蒸馏水倒出,安装好反应釜并置于恒温水浴中;将恒温水浴调至实验温度,并向反应釜中注入一定量的甲烷气体并排出,反复3次以排净反应釜内空气;最后向反应釜内注入甲烷气体至高于该实验温度下的相平衡压力约3 MPa,为了生成更多的天然气水合物,合成过程中需进行补压;当系统压力保持6 h不变,可认为天然气水合物合成结束。

1.2.2 相平衡实验

由于实验拟采用不透明体系,因此只能通过定容法测定天然气水合物分解过程中的温度和压力来确定其相平衡条件。用定容法分解天然气水合物时,有连续升温和逐步升温2种升温方式[5]。连续升温方式,即使升温速度非常小,温度也不断处于变化之中,无法获得真正的平衡状态;而逐步升温方式,测试精度更高,可重复性更强,且实验时间更短[16]

合成天然气水合物之后,将恒温水浴温度调至相平衡实验的初始温度,并适当打开放空阀,使系统压力缓慢下降至低于该实验温度对应的相平衡压力0.5 MPa,关闭放空阀。此时系统压力因天然气水合物分解而缓慢上升,如能维持体系压力平衡12 h不变,则可认为该压力为实验温度对应的相平衡压力。然后,将恒温水浴温度升高0.5 K,并重复上述步骤。

2 实验结果分析 2.1 冻土裂隙性地层中天然气水合物的形成特点

合成实验结束后,打开反应釜,天然气水合物的分布情况如图3所示。

图3(a)可以看出,形成的天然气水合物主要充填在岩心的裂隙中并在上端面以裂隙为轴线向两侧扩展,少量分布在反应釜内壁上。而从图3(b)可以看出岩心内部的情况,天然气水合物均匀分布在各个方向的裂隙面上。天然气水合物形成机理为,裂隙性岩心饱和蒸馏水后,因裂隙面的毛细作用和泥岩矿物的强吸水性,使蒸馏水主要分布于裂隙面和岩心孔隙中,见图4(a);通入甲烷气体后,气体在裂隙中的蒸馏水中溶解扩散;岩心表面因孔隙微小,传质阻力过大,只溶解在岩心表层一定深度,见图4(b);一段时间之后,裂隙面因拥有充足的气源和水源,天然气水合物大量成核并开始形成,而岩心表层只在一定深度内有少量天然气水合物形成,见图4(c);最终,天然气水合物充填整个裂隙面,因两侧尺寸限制,向上部自由面扩展延伸,而在岩心表面形成一层薄的天然气水合物膜后就停止,见图4(d)

图3 裂隙岩心中天然气水合物的分布 Fig.3 The distribution of gas hydrate in fractured cores
图4 天然气水合物形成过程 Fig.4 The formation process of gas hydrate
2.2 裂隙对天然气水合物相平衡的影响

图5为天然气水合物相平衡实验结果与文献[17, 18]所述块状天然气水合物的相平衡对比情况。

图5可以看出,实验结果与文献结果吻合程度较高,表明裂隙地层中天然气水合物的相平衡与块状天然气水合物的相平衡相似,裂隙性质对水合物相平衡条件的影响很小。分析认为:尽管有研究表明微小孔隙的存在会改变天然气水合物的相平衡条件[19],但泥岩结构致密,孔隙尺寸微小,孔隙之间的孔喉更为狭窄,只有十几纳米,因而总体影响不大[20]。孔隙毛细压力的计算式为:

式中:pc为孔隙毛细管压力,N;F为界面形状因子;γsl为天然气水合物-液相之间的比表面能(表面张力),N·m;θ 为天然气水合物和孔隙壁面之间的接触角,(°);rc为孔隙半径,m。

由式(1)知,孔隙毛细管压力随孔隙半径的减小而增大。因此,孔喉内的毛细管压力极大,天然气水合物在孔隙间渗透过程中难以克服孔喉的毛细管压力,而被“卡断”,难以向岩心内部生长延伸,只在岩心表面形成一层薄膜后就停止(见图6)。因此,孔隙中天然气水合物的合成量很小,对相平衡的影响可忽略。裂隙面因具有优越的形成条件,形成了大量的天然气水合物。然而其裂隙宽度(大于1 mm)远大于D.J.Turner等人[21]实验得到的毛细作用对天然气水合物形成条件造成影响的临界尺寸(60 nm)。因此,裂隙中天然气水合物的相平衡条件受裂隙的影响微小,实际钻进中可忽略。

图5 天然气水合物相平衡实验结果与文献结果的对比 Fig.5 Comparison of the experimental results of gas hydrate phase equilibrium and literature data
2.3 低温钻井液中天然气水合物的相平衡偏移

在冻土带钻探天然气水合物时,为避免井壁因冻土融化和天然气水合物分解而失稳,常采用含盐低温钻井液。然而,盐作为强热力学抑制剂会导致天然气水合物的相平衡曲线向左偏移,现场作业中需要考虑。A.H.Mohammadi等人[2]在大量实验的基础上,建立了含盐环境下天然气水合物的相平衡预测模型,其表达式为:

式中:T为含热力学抑制剂环境下天然气水合物的分解温度,K;T0为相同压力条件下块状天然气水合物的分解温度,K;ΔT为两种体系分解温度的偏差,K。

ΔT可表示为:

式中:W为相应抑制剂在溶液中的质量分数,%;p为系统压力,kPa;p0为273.15 K时纯水体系中天然气水合物的分解压力,kPa;C1C2C3C4C5C6为常数,具体数值可在文献[2]中查找,其中NaCl和KCl溶液的数值见表1

图6 天然气水合物在孔隙中的生长示意 Fig.6 Sketch for gas hydrates growth in pores
表1 式(3)中不同盐类的计算常数 Table 1 Constants in formula(3)for different salts
盐类 C1 C2 C3 C4 C5 C6 适用范围(质量分数),%
KCl 35.340 13.750 243.300 4.056×10-2 7.994×10-1 2.250×10-5 0~26.5
NaCl 30.500 6.770 80.960 3.858×10-2 7.140×10-1 2.200×10-5 0~31.5

根据上述模型计算了天然气水合物在纯水及质量分数为5%和10% 的NaCl、KCl溶液中的相平衡条件,见图7

图7可看出,NaCl和KCl溶液中天然气水合物的相平衡曲线相对纯水体系中的天然气水合物相平衡曲线都向左偏移,天然气水合物的稳定区域减小,气体和溶液的区域扩大。

以NaCl溶液为例,与纯水中天然气水合物相平衡温度相比,随着NaCl质量分数的增大,相同压力下天然气水合物相平衡温度的降低幅度增大。例如,压力为4 MPa,NaCl质量分数为5%和10%时,天然气水合物相平衡温度分别降低了约2.2 K和4.6 K,原因是天然气水合物的相平衡条件主要受到水的活度影响[22],水的活度降低,天然气水合物的平衡温度降低。盐的存在会降低溶液中水的活度,且其质量分数越大水的活度越低。此外,相同质量分数下,NaCl溶液中天然气水合物的相平衡温度降低幅度大于KCl溶液。例如,压力为4 MPa时,质量分数为10% 的NaCl和KCl溶液中天然气水合物的相平衡温度分别降低了4.6 K和3.4 K,其原因是水的活度受电解质溶液中阴阳离子、离子半径、电荷数量等的影响。阳离子的半径越小、化合价越高,与水分子的静电作用力越大,水的活度降低越大[23]。根据化学元素周期理论,对于Na+和K+而言,两者电荷数相同,但Na+的离子半径为0.095 nm,小于K+的离子半径为0.133 nm。因此,在相同质量分数的NaCl和KCl溶液中,前者水的活度更低,对天然气水合物相平衡的影响更大。

图7 不同质量分数NaCl和KCl溶液中天然气水合物的相平衡条件 Fig.7 Phase equilibrium conditions of gas hydrate in NaCl and KCl solutions with different mass fractions

综合上述分析可知,钻探冻土区裂隙性地层中的天然气水合物过程中存在水合物分解的隐患,需要采取一定措施。例如,调整钻井液配方,尽可能降低钻井液温度,使之低于或接近于天然气水合物的相平衡温度;适当增大钻井液密度,保持钻进过程中天然气水合物层的高压环境,控制其分解;当钻遇天然气水合物层时,适当提高钻速,以快速通过该层,缩短钻井液和天然气水合物层的接触时间。

3 结 论

1) 冻土区裂隙性地层中天然气水合物形成模拟实验表明,天然气水合物主要分布在岩心的裂隙面中,岩心表面只形成一层薄的水合物膜。

2) 冻土区裂隙性地层中,天然气水合物的相平衡条件与宏观水相中一致,原因是绝大部分天然气水合物分布在尺寸较大(大于1 mm)的裂隙中,为块状天然气水合物,少量天然气水合物因地层内部的孔喉存在极大的毛细管压力而分布在裂隙表面的孔隙中。冻土裂隙性地层中水合物整体上表现为块状水合物的相平衡性质。

3) 冻土区天然气水合物钻探用的含盐低温钻井液会导致天然气水合物的相平衡向左偏移。相同压力下,天然气水合物的相平衡偏移程度随盐度增加而增大,且在相同盐度条件下,NaCl对天然气水合物相平衡的影响大于KCl。

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苏凯, 张国彪, 孙友宏, 李胜利, 郭威
SU Kai, ZHANG Guobiao, SUN Youhong, LI Shengli, GUO Wei
冻土区裂隙性地层中水合物形成机理及相态研究
Formation Mechanism and Phase State of Hydrates in Fractured Layers of Permafrost
石油钻探技术, 2016, 44(02): 93-98
Petroleum Drilling Techniques, 2016, 44(02): 93-98.
http://dx.doi.org/10.11911/syztjs.201602016

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收稿日期: 2015-11-13
改回日期: 2016-02-24

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