【摘 要】
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天然气水合物是一种开发潜力巨大的清洁能源,然而其复杂的热物理、力学、分布特性,导致水合物勘探开发过程会面临井壁失稳、水合物堵塞和海底滑坡等地质工程安全问题。这就需要水合物钻井液既能满足对井壁稳定、储层保护的要求,又能抑制井筒中水合物的形成。具有高比表面积纳米材料的出现为水合物钻井液体系的设计提供了一个新的思路,但将其应用到钻井液中关键的问题之一就是其对钻井液添加剂的水合物抑制性能是否产生协同或拮抗
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天然气水合物是一种开发潜力巨大的清洁能源,然而其复杂的热物理、力学、分布特性,导致水合物勘探开发过程会面临井壁失稳、水合物堵塞和海底滑坡等地质工程安全问题。这就需要水合物钻井液既能满足对井壁稳定、储层保护的要求,又能抑制井筒中水合物的形成。具有高比表面积纳米材料的出现为水合物钻井液体系的设计提供了一个新的思路,但将其应用到钻井液中关键的问题之一就是其对钻井液添加剂的水合物抑制性能是否产生协同或拮抗作用。本文针对纳米颗粒应用到钻井液对水合物抑制性要求的问题,从热力学和动力学角度剖析不同条件（表面润湿性、粒径、浓度）纳米碳酸钙溶液和几种深水钻井液添加剂对水合物形成的影响,厘清纳米碳酸钙颗粒的加入是否与钻井液添加剂产生水合物抑制性能的协同或拮抗作用,尝试揭示纳米碳酸钙、添加剂、复配体系对水合物形成的影响机制。总结所得主要的研究结果如下:（1）在搅拌反应釜中,纳米碳酸钙基本不会影响甲烷水合物的相平衡P-T条件,但会显著影响水合物形成动力学。亲水纳米碳酸钙抑制水合物形成,3wt%20nm下的抑制效果最明显,诱导时间提高四倍,气体消耗量和生长速率降低;疏水颗粒促进水合物成核但抑制生长过程,上述结果被认为是亲疏水纳米溶液中颗粒、气体分子、水分子不同的分布特征引起。（2）XC和LV-CMC基本不改变甲烷水合物的相平衡曲线;PAM具有热力学抑制作用,抑制效果随浓度减小而降低,浓度减小到0.5wt%时无明显抑制效果;PVCap在0.3wt%和2wt%浓度表现出相同的热力学促进效果。XC、LV-CMC、PAM、3.5wt%Na Cl和0.3wt%PVCap促进水合物成核,而2wt%PVCap成核抑制效果较为明显;以上材料均抑制了水合物生长过程。（3）纳米碳酸钙与几种添加剂复配基本不产生相平衡角度的协同或拮抗作用,但在形成动力学上存在相互作用。疏水纳米碳酸钙分别与LV-CMC、XC、PAM复配后的诱导时间均大于亲水体系中的结果,抑制水合物成核。研究推测疏水纳米溶液中的疏水微通道和微液滴可能会因为LV-CMC等高分子聚合物的加入而消失,传质性能和成核点因此衰减,延长了水合物成核时间。（4）在钻井液体系研制中,可直接考虑无纳米碳酸钙的钻井液配方的相平衡条件。本研究表明,在加入2wt%PVCap条件下,无论亲水还是疏水纳米碳酸钙与添加剂各种多组分复配体系均完全抑制了水合物成核,为水合物钻井液的配制提供了良好的借鉴。
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