5.2.5.1　气体水合物的危害

海洋深水钻井作业环境恶劣，操作条件复杂，其中之一便是钻井液中容易形成天然气水合物。水合物的存在对钻井安全和完井效率有严重威胁，其能堵塞上部环空、防喷器和压井管线，妨碍油井的压力监控，限制钻柱活动，导致钻井液性能变坏，堵塞气管、导管、隔水管，造成钻井事故。

气体水合物对钻井危害很大，它可以阻塞防喷器、压井管线、环空通道，造成钻井事故。水合物的形成会消耗钻井液中的水，使重金属沉降，使钻井液黏度增大，性能下降。水合物返到地面时也会造成危险，甚至威胁作业人员的生命安全，因为1 m3的气体水合物会产生170 m3的气体，它们冲出井口时可能会造成爆炸和火灾。

为了预防和消除气体水合物的危害，对气体水合物的生成及抑制机理进行了室内研究，并对恒流变合成基钻井液的水合物抑制能力进行评价，以防钻井事故的发生。

5.2.5.2　气体水合物的形成原因

导致气体水合物形成的原因很多，其主要原因包括气体中夹带有温度达到或低于水露点的自由水、低温条件和高压条件；次要原因包括高的钻井液流速、压力的波动、各种搅拌的机械作用和混入小块水合物晶体。

深水条件下钻井时，钻井液可提供自由水，海底会遇到低温（40～45℉），钻井液的静水压头将产生高压，在这种条件下，上述导致气体水合物形成的几项主要原因都可能存在。

大量的研究结果表明，气体水合物的生成除了与天然气的组分和自由水的含量有关外，还需要具有一定的温度和压力条件。水合物的形成需要具备三个条件，其中两个为主要条件：天然气必须处于水汽过饱和状态或者有水存在的环境下；必须具有足够高的压力和足够低的温度；另外还需要一个辅助条件：如压力波动、气体流动方向突化而产生搅动、酸性气体的存在、微小水合物晶核的诱导等。因此，有必要在深水用钻井液中添加某种处理剂，能够抑制正常钻井作业时气体水合物的形成。

5.2.5.3　气体水合物抑制剂分析

国外的实验和实践表明，抑制气体水合物的方法很多，除了使用低密度的钻井液以降低泥浆柱的压力外，最常用的就是在钻井液中加入化学处理剂，抑制水合物的形成和聚集，称之为水合物抑制剂。通过对国内外不同种类气体水合物抑制剂的资料调研分析，到目前为止气体水合物抑制剂可分为以下三大类：热力学抑制剂、动力学抑制剂和防聚集剂。

1）热力学抑制剂

目前国外最常用的方法就是在钻井液体系中添加一定量的热力学类水合物抑制剂来防止气体水合物的生成。其作用机理主要是通过添加的抑制剂改变烃类气体分子与钻井液中水分子之间生成气体水合物所需的温度和压力条件，使之在一定温度条件下提高生成水合物所需压力，从而达到抑制气体水合物生成的效果。同时抑制剂与已有的水合物之间进行作用，改变水合物相平衡曲线，使其不稳定而发生分解，从而得以清除。目前热力学抑制剂广泛应用于钻井液抑制气体水合物，它主要包括盐电解质类和醇类两种。

常用的盐类抑制剂包括NaCl、CaCl2、KCl、NaBr、甲酸钠、甲酸钾等，盐的浓度对气体水合物的抑制效果有决定性的影响。气体水合物的抑制效果随盐类的浓度增加而增加。目前国外最常用的抑制气体水合物的钻井液体系就是采用20%NaCl的高盐聚合物钻井液体系。(www.daowen.com)

为了具有更好的抑制气体水合物的能力及提高水敏性地层的抑制性和储层保护能力，体系中往往会加入聚合醇等醇类衍生物。目前常见的醇类抑制剂有甲醇和乙二醇，但该类抑制剂必须应用在高浓度条件下才能表现出较好的效果，当浓度低时不但不能发挥抑制效果，而且还会促进水合物的生成和生长。此外，醇类抑制剂的费用也很高，而甲醇又具有毒性、对环境不友好，考虑到安全环保以及经济的问题，一般情况下不考虑采用甲醇抑制的方法。

2）动力学抑制剂

与改变水合物热力学生成条件的热力学类气体水合物抑制剂不同，动力学类水合物抑制剂的作用原理主要是通过该类处理剂的吸附作用来完成的。在气体水合物生成过程中，动力学类气体水合物抑制剂吸附在水合物晶核表面，控制水合物晶体的生长和聚集，从而延长气体水合物生成的时间。

天然气水合物动力学抑制剂的研究发展很快，目前动力学抑制剂主要包括表面活性剂类、酰胺类聚合物、酮类聚合物以及亚胺类聚合物等。

3）防聚集剂

防聚集剂是近年来应用于储运方面的一种气体水合物抑制剂，其主要特点是加量较少，但必须在体系当中还有一定的油相时才能发挥效果，它在气体水合物晶核表面进行吸附，并通过油相的包裹，从而阻止气体水合物的生长。因此其应用受到一定的限制，只有在钻井液体系当中同时含有水和油的情况下才能起到作用。

能够抑制气体水合物生成的处理剂较多，但应用于钻井液中的相对较少，从以上对气体水合物抑制剂的分类来看，动力学抑制剂及防聚集剂均不能有效改变生成气体水合物所需的压力和温度条件。其主要原理分别是延缓气体水合物的生成或防止水合物结块。从钻井过程中的复杂性考虑，一旦钻井遇到复杂情况需要长时间静止时，动力学抑制剂将很难保证能够有效抑制气体水合物的生成，而防聚集剂的先决条件是钻井液体系当中必须含有一定量的油类，这有悖于海洋环境保护的要求，因此目前广泛应用于钻井液中的气体水合物抑制剂主要是热力学抑制剂类，其中由于盐类抑制剂来源广、成本低，同时能够提高钻井液的抑制性，因此应用最为广泛。

5.2.5.4　深水钻井液抑制水合物能力评价

恒流变合成基钻井液体系是以油基为外相、水为内相乳化而成的一种乳状液，由于天然气在油基中以溶解状态存在，因此，考察合成基钻井液体系的水合物抑制能力主要以水相的抑制能力为主，实验室对不同浓度盐水溶液和钻井液体系的水合物抑制能力进行研究，如图5-9所示。

图5-9　不同浓度氯化钙盐水水合物生成模拟

通过测定不同氯化钙盐水生成水合物的模拟试验，25%的氯化钙水溶液在4℃时水合物的生成压力大于20MPa。由此可以说明，合成基钻井液体系在使用高浓度盐水作内相时，4℃条件下水合物的生成压力大于20MPa，即低于该压力不加抑制剂，钻井液也不会生成气体水合物。