海洋天然气水合物地层钻井安全问题研究进展*

黄天佳，李小森，张 郁†，杨 波，王 屹，陈朝阳，李 刚

（1.中国科学院广州能源研究所，广州 510640；2.中国科学院广州天然气水合物中心，广州 510640；3.中国科学院大学，北京 100049；4.广州特种承压设备检测研究院，广州 510663）

0 引 言

天然气水合物作为一种能量密度高、储量大、分布广、燃烧无污染的非常规天然气资源，受到世界各国的重视，被认为是一种未来理想的清洁能源，具有非常重要的研究与开发价值[1]。美国、俄罗斯、日本、加拿大、中国等国家均投入巨资开展天然气水合物勘探、开采等方面的研究[2]。现阶段针对天然气水合物的研究手段中，钻井是进行天然气水合物资源勘探、开采的一种直接且主要的技术手段。目前世界上已调查发现或间接证明存在天然气水合物的地区多达230处，但分布不均匀，受到特定地质构造控制明显，97%分布在各大洋陆缘地区，仅有少部分分布在陆地冻土区[3]。由于天然气水合物物理性质的特殊性及其海底成藏环境的复杂性，海洋天然气水合物地层钻井与常规油气钻井相比，实施难度更高，需要解决的问题也更多。钻井过程中可能会引起水合物地层温度及压力的变化，进而引起水合物的分解或生成，增加水合物地层钻井的风险。若这些风险没有得到适当的处理，可能会导致一系列包括钻井工程灾害、海洋地质灾害及环境灾害等在内的诸多安全问题。因此，海洋水合物地层钻井是一项高难度、高技术、高风险的综合性工程[4]。目前，部分学者针对天然气水合物开采方法、勘探技术等方面的研究已做过详细总结[1,5-7]，但是对于水合物钻井安全问题研究方面的综述较少。本文将归纳国内外学者在这一问题上的研究进展及所取得的主要成果，这对于促进我国天然气水合物产业化开发利用具有积极意义。

1 天然气水合物地层钻井面临的主要问题

海洋天然气水合物通常存在于水深超过百米的深水海底面下，如此严酷的钻井作业环境对钻井的安全性及可靠性提出了更高的要求。此外，海洋天然气水合物钻井的钻进深度浅。如2007年，中国地质调查局在中国南海神狐海区SH2、SH3和SH7三个钻孔中取得天然气水合物实物样品，通过分析表明研究区的天然气水合物层厚度仅为18 ～ 34 m[8]。而且，天然气水合物井内温度和压力控制非常重要[9]。若钻井引起原位水合物地层温度压力急剧变化，会引起水合物的大量分解，引发一系列钻井安全问题。

图1 水合物钻井安全问题示意图（改自文献[10]）Fig.1 Schematic diagram of hydrate drilling safety issues[10]

海洋天然气水合物地层钻井会面临较为复杂的钻井安全问题，需要严格地控制钻井的各项参数。天然气水合物地层钻井问题归根到底是由于水合物的分解与形成，RUPPEL等[10]总结了海洋水合物地层钻井可能出现的安全问题，如图1所示。

1.1 天然气水合物的分解可能引发的钻井安全问题

（1）井壁失稳。钻井之前地层处于平衡状态，钻具钻进时会破坏地层，导致井壁和井底附近的地层应力释放。另外，当固态水合物起胶结或骨架支撑作用时，水合物分解产生的水和气体会增加井壁地层含水量与孔隙压力，使颗粒间的联系减弱，降低地层颗粒间胶结的有效应力，导致井壁失稳[11]。

（2）钻井液的侵入。天然气水合物钻井过程中，若采用欠平衡钻井会造成水合物在减压条件下分解，不利于井壁的力学稳定[12]。因此钻井液的压力通常会大于地层流体压力，这会使钻井液在渗透压差作用下向地层侵入。受钻具摩擦生热以及钻井液温度的影响，钻井液侵入水合物地层过程中可能会造成水合物的分解。水合物分解会导致地层渗透率变大，使侵入速率增大，导致无法形成保护井壁的滤饼，这会增加钻井作业的风险。

（3）井口下陷。在含水合物区域进行钻井时，地层中天然气水合物的分解会造成海床承载能力丧失和海底地基沉陷。若井口发生下陷，井段的套管会被压扁，套管上端的进口装置及防喷器会由于失去支撑而发生倾斜、倾倒，因此会丧失对井内压力的控制，有可能导致井喷等安全事故。

（4）气体泄漏。水合物分解产生的大量甲烷气体如果从钻井孔或套管中泄露，上升到海面会使海面浮力丧失，导致海面漂浮设备倾覆。此外，释放的甲烷气体可能会与海底金属设备发生氧化还原反应，腐蚀设备使其无法正常工作[10]。

（5）海底滑坡。近年来研究人员发现，海底天然气水合物的分解导致海底岩层稳定性降低是产生海底滑坡的一个重要原因[13]。钻井过程中，如果操作不当可能会引发海底水合物大量分解，海底地层由于失去支撑，容易发生海底滑坡灾害，海底滑坡不但会对深海油气钻探、输油管道、海底电缆等海底工程设施造成破坏，还可能引发海啸等自然灾害。

1.2 天然气水合物的形成可能引发的钻井安全问题

（1）破坏钻井设备。水合物分解产生的气体进入钻井液内后，如果钻井液内的温度和压力满足水合物的生成条件，这些气体与水会再次在井筒、钻柱、井口管线或防喷管汇等设备内生成水合物，造成管路的堵塞，给正常的钻进和井控工作造成严重影响[14]。当再生成的水合物突然分解，可能引起井喷、破坏钻井设备等安全事故，此外，天然气水合物在海底设备上大量形成会影响海底设备的正常工作。

（2）改变钻井液性质。天然气水合物的分解与形成都会对钻井液的性质产生影响。天然气水合物分解产生的大量水与气体进入钻井液，使得泥浆柱的净水压力降低，这会加速井壁周围的水合物分解，进而产生更多的气体和水进入钻井液，由此形成恶性循环。当钻井液是水基钻井液时，气体在钻井液中形成水合物会消耗钻井液中的水分，改变钻井液的流变性，主要表现为黏度、切力大幅度上升[15]，这会改变钻井液的造壁性能，从而影响井壁稳定性及钻井的安全运行[16]。

2 海洋天然气水合物地层钻井项目

在20世纪70 ～ 80年代，科学家通过深海钻探计划（DSDP）和大洋钻探计划（ODP）在全球多处海域发现了水合物后，天然气水合物钻井试验开采、开发工作开始快速发展[15]。30年来，美国、加拿大、日本、韩国、中国、印度等国家进行了多次天然气水合物勘探与试采活动。本文通过收集和整理公开文献资料，对近年来出现钻井安全问题的钻探项目进行了总结[17]，如表1所示。

表1 全球主要天然气水合物钻探活动及出现的钻井安全问题Table 1 The main gas hydrate drilling operations and drilling safety problems around the world

随着表1中所列的这些勘探试采活动的进行，一些由水合物引起的钻井安全问题也逐渐暴露出来。这些安全问题轻则影响项目的顺利进行，重则造成严重的安全事故。

墨西哥湾是全球天然气水合物发育的典型地区之一[27]。2010年4月10日，英国石油公司（BP公司）位于墨西哥湾的“深水地平线”钻井平台发生爆炸并引发大火，之后整个钻井平台沉入海底，导致大量原油泄漏进入墨西哥湾造成大面积原油污染。爆炸事故是由于作业人员在固井过程中设置水泥封口时产生了化学热，与此同时，作业人员降低了钻杆内部压力，试图再设另一处水泥封口。在此操作过程中出现了放热与降压两种变化，这些变化易于引发水合物的分解。当水泥没有完全凝固时，地层孔隙超压促使甲烷气泡的生成和向上喷发，致使该处水泥封口遭到破坏并形成了孔隙，甲烷气体通过这些孔隙不断渗入井筒并向上运移，最终逐步上升到海平面，当泄露的甲烷弥漫钻井平台后引起了爆炸。事故发生后，BP公司试图将水泥罩沉入海底对漏油点进行封堵，但是这一方案在实施过程中因为出现大量天然水合物而无法实施。

3 海洋天然气水合物地层钻井安全问题实验研究

针对水合物地层钻井安全问题的实验研究目前还相对较少且研究尚浅，主要原因是用于水合物地层钻井安全问题研究的实验设备较少且设备对钻井过程的模拟不完善。由于天然气水合物稳定的条件较为苛刻（高压低温），对实验设备的气密性、安全性、可靠性有较高的要求。目前作者已知的实验设备都无法较为完整地模拟水合物地层钻井过程，因此无法针对前文所述的一些钻井安全性问题，如井壁失稳、气体泄漏、海底滑坡、水合物重新生成等问题，进行全面准确的实验研究。然而，也有一些学者通过简化钻井过程的办法对水合物钻井问题进行实验研究，内容主要集中在水合物钻井液的性能和钻井对海洋水合物地层物性的扰动两个方面。

3.1 水合物钻井液性能的研究

天然气水合物地层钻井的钻井液应满足以下要求：①维持合理的钻井液密度；②保持良好的井壁化学稳定性；③良好的低温流变特性；④较好的携带岩屑能力；⑤可调的井控能力；⑥满足环保方面的要求[29]。天然气水合物钻井液性能的实验研究主要包括钻井液的密度、黏度、抑制水合物生成能力等方面，目前已发展出卤盐体系、聚合物体系、甲酸盐体系、聚合醇体系及稀硅酸盐体系等多种性能优良的水合物钻井液体系。邢希金等[28]和付帆等[29]曾详细介绍了水合物抑制剂和钻井液体系的研究进展，本文不再赘述。需要补充的是，学者们现在逐渐开始研究一些“绿色”钻井液。例如SAIKIA等[30]从猪的胰脏中提取一种糖蛋白作为水合物抑制剂来配备水合物钻井液，实验结果表明这种钻井液有较好的水合物生成抑制效果，可以作为一种性能优良的天然气水合物钻井液添加剂。

3.2 钻井过程对海洋水合物地层物性扰动的实验研究

目前关于钻井对海洋水合物地层物性扰动的实验研究大多数都将钻井这个动态过程简化为一种静态或者准静态来研究，即无钻头钻入过程。通过将钻井处理为一个静态的圆筒的方法来降低实验难度及增加实验可行性。井筒附近的温度、压力及电导率变化是目前钻井问题实验研究的主要研究对象。通过测定这些参数的变化进一步确定井壁周围的水合物分解速率及分解范围，以此评估水合物地层钻井的安全性。

中国地质大学刘力[31]研制了一套水合物综合渗流模拟实验装置用于开展水合物钻井的钻井液入侵问题的研究，利用模拟地层中的温度变化判断钻井液侵入深度，利用电阻率变化情况判断水合物分解前缘位置。从侵入过程的温度和压力曲线对比发现，钻井过程中地层压力传递要远远快于温度传递。郑明明等[32]进一步发现这种现象容易导致原位地层中残余的水和气体在压力升高而温度未变的情况下继续生成水合物。

钻井液循环过程中水合物地层的温度变化及水合物分解状况是目前水合物地层钻井实验的主要关注对象。YU等[33]建立了一套研究钻井液循环过程中天然气水合物的分解及产气状况的实验装置。实验在高压反应釜内的人造岩心中生成水合物，利用岩心中央布置的一根垂直套管模拟井孔并进行钻井液循环。实验结果表明较高的钻井液温度会导致产气速率增大及累计产气量的增加，而提高钻井液压力则有利于降低水合物的分解速率。ZHANG等[34]利用从浅海区域取得的海泥进行甲烷水合物的合成，在反应釜两侧有三对声速探头测量声速变化，用以分析钻井液循环过程中水合物的分解状态。实验结果表明水合物地层中的水合物分解速率会随着钻井液温度的升高而增大，然而当地层中的水合物饱和度超过50% 时，钻井液温度对水合物分解速率的影响会变小。LI等[35]研制了一套研究海底井口下陷问题的实验装置用以研究含有不同水合物饱和度岩心的承载能力与井口下陷现象。实验装置反应釜中央插有一根双层套管用来循环钻井液，以此模拟钻井过程。实验表明水合物地层钻井过程中海底井口下陷可分为开始、加速和稳定三个阶段，且钻井液的安全温度范围受到井口负载特性和水合物地层力学特性的影响。例如当地层为弱固结岩心、水合物饱和度为38%时，钻井液温度在4 ～ 8.15℃之间时井口就可以保持稳定。

目前能够模拟钻井钻进水合物地层的实验装置较少。中国地质大学窦斌等[36-37]设计搭建了一套合成天然气水合物并可进行微钻实验的装置，该实验装置可以模拟研究钻井钻入过程井壁附近水合物地层的温度场变化。结果表明，钻杆的转速增加会加快水合物的分解，但是当转速增加到一定程度时，其分解速率会受到水合物导热率的影响而增加缓慢。中国科学院广州能源研究所张郁等[38]设计的天然气水合物钻井模拟装置可模拟研究钻井钻入水合物地层过程中井壁周围的温度场及压力的变化，该实验装置可以通过改变不同的钻井参数（钻井液温度、流速、钻杆转速、下行速度等）进行钻进实验。

4 海洋天然气水合物地层钻井安全问题数值模拟研究

数值模拟是一种研究水合物钻井安全问题的有效方式。近年来，在发展相对较为成熟的天然气水合物开采数学模型的基础上，学者们已发展出用以研究钻井过程中钻井液侵入和井壁稳定性问题的数值模型。尤其是关于钻井过程中井壁稳定性问题，现已发展出流−热−固−力多场耦合的数学模型。同时也有不少学者借助一些专业软件对水合物钻井井壁稳定性问题进行研究。

4.1 地层钻井安全问题数值模拟的基本原理

张郁等[39]和 AHMADI等[40]曾对天然气水合物分解和开采的数学模型做过较为详细的总结。这些模型主要研究不同开采方式下（注热法、降压法、热吞吐法等）水合物地层中的水合物分解情况及产气情况。与水合物开采数学模型不同的是，钻井安全问题模型考虑的空间范围较小（通常为井壁外几米范围内）且计算时间也较短（短则几小时，多则几天）。最重要的是，钻井安全模型更关注钻井在破坏水合物地层和钻井液循环过程中所引起的水合物分解及水合物分解导致的井壁周围地层力学特性的变化。并且，水合物钻井安全模型的最终目的是优化钻井参数，提出合理的策略保证钻井过程中水合物尽量少分解，以此来避免前文所述的诸如井壁失稳、气体泄漏、海底滑坡等水合物钻井安全问题的发生。

4.2 模型回顾

表2列出了已发展的天然气水合物钻井安全问题的数学模型，模型主要考虑的因素包括传热（导热、对流等）、传质（气体、液体）、力学特性（应力、位移等）、水合物分解动力学特性、注入抑制剂等。

表2 天然气水合物钻井问题数学模型Table 2 The mathematical model of gas hydrate drilling problem

如前文所述，钻井过程中井壁周围水合物的分解是引发钻井安全问题的一个重要原因。因此很多学者建立了研究钻井过程中井壁周围水合物分解情况的数学模型。MAKOGON等[57]通过数学解析的方法对水合物地层开采井周围的温度场及压力场进行求解，其模型在传热项中考虑了流体渗流过程中的节流效应及绝热效应。KHABIBULLIN等[43]在此基础上，通过在网格中不断调整边界条件来模拟钻井逐渐钻入地层的动态效果，通过模拟得到了钻井过程中井壁周围的温度分布及产气量随时间的变化规律。LEE等[46]采用这种通过不断更新边界条件来模拟动态的钻井过程的方法开展了研究。GOLMOHAMMADI等[47]首次在圆柱坐标系中建立钻井过程中井壁周围温度场分布的数学模型，模型将水合物地层分为水合物区与已分解区，分别建立数学方程并求解，得到了不同钻井液温度及压力与井周围压力与温度分布、流速及分解界面位置的关系。之后，GAO等[48]在圆柱坐标系下建立了井壁与水合物地层之间的传热模型，模型考虑了不同钻井液温度、流速、循环时间及钻井深度条件下井壁的纵向温度分布；此外，分别考虑了有钻井隔水管和无钻井隔水管两种情况下井壁的温度分布。YU等[33]进一步发展了GAO等[48]的模型，增加了水合物地层中的传热传质方程，使得模型可以模拟GAO等模型所求得的不同井壁温度条件下水合物地层中水合物的分解及产气情况。

井壁稳定性是水合物钻井安全问题数值模拟的研究重点与热点。井壁稳定性问题归根到底是力学的问题，水合物地层由于水合物的分解而容易导致地层力学强度急剧降低，不利于井壁稳定和井内安全。宁付龙[41]从发展相对较为成熟的常规油气井井壁稳定性研究理论体系出发，较早地对水合物钻井的稳定性进行了数值模拟研究，认为钻井液的侵入和水合物的分解会改变地层有效应力，使地层发生变形，相应的地层物性也会随之改变，反过来作用孔隙中的流体，因此需要从流固耦合角度分析水合物地层井壁稳定性。其模型首先构建合适的钻井液侵入数值模型，然后将钻井液侵入模型与地层骨架变形控制方程耦合，同时根据孔隙弹性介质理论建立井壁失稳分析模型。FREIJ-AYOUB等[42]也较早地对水合物钻井井壁稳定性问题进行研究，其模型考虑了钻井液与水合物地层之间的传热传质、水合物分解的动力学机制、地层力学性质的变化及不同水合物饱和度的力学行为准则四个方面。FREIJ-AYOUB等[42]的模型由能量守恒方程、质量守恒方程、动量守恒方程、本构方程、相容性方程以及用以表征水合物分解速率的 Boyle模型方程构成。井壁的力学行为利用孔隙弹塑性理论进行建模，模型选择Mohr Coulomb准则计算坍塌压力。此外，作者通过研究提出了水合物地层孔隙度与内聚力之间的线性关系模型，该关系模型可以实现地层变形场与力学场的耦合。沈海超等[44]通过将天然气水合物分解效应耦合到钻井液渗流场与岩土变形场中建立了天然气水合物藏降压开采井的流固耦合数学模型。模型选以 Drucker-Prager准则作为地层岩石坍塌判断准则，联立流固耦合渗流方程、能量守恒方程以及变形方程对天然气水合物开采井井壁附近储层的稳定性进行数值模拟，并开发出相应分析软件对墨西哥湾某水合物藏进行了模拟。李令东等[45]在考虑钻井液与地层热交换和水合物分解的基础上，建立了水合物地层井壁稳定流固耦合数学模型。模型基于有效应力原理和弹塑性力学理论得到岩石骨架变形场方程，采用弹塑性本构方程和 Drucker Prager屈服准则，并借鉴TAN等[58]和FREIJ-AYOUB等[42]关于地层骨架力学参数与水合物饱和度之间关系的研究成果对井壁附近的力学稳定性问题进行分析。

在水合物钻井的数值模拟发展过程中，一些较为成熟的商业软件也被用于水合物钻井问题研究。MORIDIS等[59]在地下水渗流模拟软件 TOUGH2.0基础上，于2005年发展出TOUGH + HYDRAE软件，该软件可以描述水合物分解的所有机理，包括降压、注热、加入抑制剂等。NING等[52-53]利用TOUGH +HYDRAE软件首次建立研究钻井液侵入水合物地层的数学模型，并利用该模型研究了钻井液参数及水合物地层的地质特性对侵入过程的影响。作者以我国南海GMGS-1项目为背景，着重模拟了钻井液侵入过程中井壁周围温度、压力、气液水合物三相饱和度及孔隙度含盐度的变化，并进一步分析了钻井液侵入对井壁稳定性及测井数据准确性的影响。RUTQVIST等[51]结合 TOUGH + HYDRAE和FLAC3D软件对水合物钻井井壁稳定性问题进行了模拟，分别研究了Class3型水合物藏（上下侧封闭的水合物藏）中的水平井与Class2型水合物藏（下侧为水层，上侧封闭的水合物藏）中的垂直井的井壁稳定性。SUN等[56]也利用TOUGH + HYDRATE和FLAC3D软件对中国南海神狐海域的SH2号钻井的稳定性进行了模拟，所得结果与实地测得的数据吻合较好。除了TOUGH + HYDRATE和FLAC3D软件之外，ABAQUS软件也曾被 XU等[54]和SASAKI等[55]用来对日本东南海槽的两个钻井项目的井壁稳定性进行模拟研究。SASAKI等[55]借助ABAQUS软件建立了二维轴对称有限元模型，研究不同钻井过程（包括下钻过程、固井过程、水泥硬化/收缩过程及套管落地过程）对未固结的水合物地层稳定性的影响。模型以日本南海海槽的两个钻井项目为背景，主要研究不同钻井阶段对井壁周围地层应力和应变的扰动并比较不同阶段对井壁外水合物地层稳定性影响的相对大小。

5 海洋天然气水合物地层钻井安全问题研究存在的问题及建议

近年来，海洋天然气水合物地层钻井安全问题的研究取得了一系列的进展。然而，现有的研究成果还不足以全面解决海洋天然气水合物钻井过程中可能出现的安全问题。很多钻井安全问题无法通过实验研究或数值模拟的方法进行研究，如海底滑坡、气体泄漏和破坏钻井设备等问题。这些问题只能在实地钻井项目中发现并积累经验。目前的室内实验及数学模型主要研究钻井液性质及其对水合物分解/生成的影响和钻井过程对井壁周围地层物性的扰动。针对目前的研究现状，海洋天然气水合物钻井安全问题的研究还存在以下问题：

（1）海洋天然气水合物地层的地质性质还不确定。一方面，海底地质条件复杂，不同区域及深度的海底沉积物地质特性变化较大[60]；另一方面，目前测井技术应用于非均匀性泥质储层（如裂隙、薄层、互层）及胶结或骨架支撑形式的水合物储层时会产生较大的误差[61]。地层地质特性（如固有渗透率、水合物饱和度、水合物分散形态等）是决定天然气水合物钻井技术的关键，准确的地质参数对于实验设计和数学模型构建具有重要的意义。因此，需要继续开展复杂条件下天然气水合物的物理化学性质等基础研究，了解复杂条件下天然气水合物的形成条件及稳定性等基本问题。不断发展和完善水合物的探测技术，侧重于提高水合物地层识别和评价的准确性。在此过程中积累钻井操作经验，并为钻井安全问题的研究提供坚实的物性条件基础。

（2）现有钻井液体系的研究多数限于室内研究阶段，许多实验中效果较好的抑制剂成本较高，难以投入实际应用。此外，目前对钻井液的实验研究仅重视钻井液对水合物生成的抑制作用，对于钻井液的流变性、悬浮性及稳定井壁性等常规钻井液性能研究较少[29]。因此，需要发展具有储层保护能力、抑制水合物生成能力、环境友好、用量少、成本低、容易获取、安全稳定的水合物钻井液体系，尽快满足我国天然气水合物勘探开采的需求。

（3）水合物地层钻井实验设备的设计主要有三个难点：一是实验设备要能够创造高压低温条件用以生成水合物；二是实验设备要能够较为全面地模拟实际钻井过程；三是实验设备要能够快速准确地探测到水合物的相态变化。目前能够完美解决以上三个难点的实验设备较少，尤其对于钻井这种有旋转机械的设备，气密性难以保证。因此，需要增加研究钻井安全问题实验设备的数量及模拟精度，并且需要较大尺度的实验模拟装置用以更加准确地模拟钻井过程。

（4）现有关于水合物钻井安全问题数学模型在水合物地层地质参数设定、水合物物性参数设定、多相流在水合物地层中的运移规律、钻井液与水合物地层之间的化学反应、水合物在复杂条件下的相平衡条件、泥饼的形成及其对井壁稳定性的影响等方面还有待完善。此外，需要在目前准静态模型的基础上发展能够模拟钻井钻入地层这个动态过程的多维大尺度数学模型或专业软件，最终能够通过模型或软件提前预测井壁失稳、气体泄漏、海底滑坡及设备破坏等水合物钻井安全事故。