井液侵入水合物储层井壁力学稳定性分析

王 磊

1.中国石化石油工程技术研究院，北京 朝阳 100101；2.中国石油大学（北京）石油工程学院，北京 昌平102249

引言

天然气水合物（Gas Hydrate）是由水和天然气在一定条件下结合形成的晶体状化合物，主要成分是甲烷[1]。研究表明，海洋天然气水合物可分为成岩天然气水合物和非成岩天然气水合物两种，而非成岩天然气水合物储量约占世界天然气水合物总储量的76.5%以上，非成岩天然气水合物为泥质粉砂、没有岩石骨架，水合物本身即“岩石骨架”的天然气水合物[2-4]。特征为胶结强度弱、不稳定、受外界影响易溃散塌陷和无序分解。

在开发海洋天然气水合物过程中，通常使用未冷却的特殊钻井液体系，天然气水合物易分解融入钻井液，随钻井液循环携至地面，再经过特殊气体分离装置将天然气水合物分离出来[5]。这种作业方式下，易造成非成岩天然气水合物分解，导致井壁失稳；同时，钻井液侵入将引起地层的力学、电学、热力学性质及渗透性变化，影响钻井过程中地层力学稳定、电阻率测井可靠性等[6]。

在钻井液侵入水合物井壁稳定性研究方面，国内外学者主要着眼于水合物分解过程在储层中的响应特征。Freij-Ayoub 等建立了水合物沉积物井筒稳定性的全耦合模型，测试了水合物沉积层岩石物理力学性质，探讨井筒稳定性随时间的变化规律，并指导优化钻井液设计[7]。Salehabadi 等进行了钻井液侵入导致水合物分解后的井筒稳定性分析，研究非均匀载荷作用下的水合物储层垮塌诱因[8]。国内对于钻井液侵入影响水合物储层稳定性的研究还处于起步阶段，朱渊等对钻井液温度影响下的水合物井壁稳定性进行了评估，研究表明，钻井液传热范围大于水合物分解范围，随着钻井液分解，井壁周围应力增大，应力集中区也在扩大[9]。

针对海洋天然气水合物储层钻井井壁稳定问题，国内外学者虽然进行了一些研究，但是现有的理论与技术还未能揭示钻井液侵入与储层坍塌压力对天然气水合物储层井壁的耦合作用机制，无法满足非成岩天然气水合物储层作业过程的井壁维稳需求[10-13]。因此，研究天然气水合物钻井中钻井液侵入近井地带的响应过程，评价泥质粉砂岩水合物储层在不同钻井液条件下的储层稳定性，对安全钻井、测井评价、储层保护及气体生产都具有重要意义[14]。

本文拟通过制备不同质量丰度的水合物岩芯，建立不同工程参数与水合物岩芯基础物性变化规律的响应关系，评价低温钻井液体系侵入后水合物井壁稳定性，建立泥质粉砂岩水合物储层的钻井液安全密度和温度窗口。

1 低温钻井液体系影响水合物井壁稳定性实验

天然气水合物储层在钻进时，储层井壁和井底附近地层压力降低；另外，钻头切削岩石、井底钻具与井壁及岩芯的摩擦都会产生大量的热能，这些都可能导致天然气水合物发生分解，进而影响水合物储层的胶结及骨架，使井壁坍塌[15-16]。另外，水合物的分解使得地层含水量增加，减弱了水合物颗粒间胶结程度，也会导致井壁失稳；而水合物分解逸出的气体又影响了钻井液的比重和流变性，对井壁稳定愈发不利，甚至还可能引发井涌和井喷等钻井事故[17]。因此，考虑通过设计室内实验，研究低温钻井液体系在钻进过程中对水合物井壁的影响机理，从而指导解决天然气水合物井壁稳定及井内安全控制问题。

1.1 水合物岩芯制备及物性测试

制备水合物岩芯并进行物性测试，通过制备的岩芯模拟水合物井壁，进行后续的钻井液侵入实验。

1.1.1 天然气水合物岩样制备

天然气水合物岩样声电力学测试装置如图1 所示，该装置主要通过控制制备釜内部温度、压力制备天然气水合物岩样，并能够对制备釜天然气水合物岩样的围压、轴压进行调控，测定岩样的声电力学参数。该装置可实现不同温度和压力条件下水合物相变速率测量，水合物解析气量测量，水合物力学参数测量，水合物储层井壁稳定评价，水合物相变中渗透率、波速、电阻率等物理参数测定，快速取芯等功能[18]。

图1 天然气水合物岩样制备及声电力学测试装置图Fig.1 Device of gas hydrate rock sample preparation and acoustoelectric testing

制备系统主体为天然气水合物制备釜，制备釜内为圆柱状空间，制备釜腔上下由压力控制系统的钢轴封隔，制备釜腔内可装入未胶结的岩样和胶结的岩样制备天然气水合物岩芯。装置主要包括6 部分：制备系统、温度调节系统、压力调节系统、声电测量系统、流体控制系统和数据采集控制系统。装置的主要性能参数如表1 所示。

制备泥质粉砂岩芯，是采用直径小于5 µm 的高岭土和直径小于50µm 的石英砂按照2：1 的比例混合，与环氧树脂混合装入岩芯制备装置。然后通过制备釜制冷及加压将釜内的温度控制在天然气水合物生成的温度范围内，再向制备釜内注入甲烷气体和去离子水进行天然气水合物岩芯制备。实验过程用配制0.3 g/L SDS 溶液代替去离子水开展实验。文献表明[19-23]，少量SDS 溶液可以降低水合物的分解速度，且对水合物声电力学性质几乎没有影响。

1.1.2 泥质粉砂天然气水合物岩芯物性测试

根据研究内容，共制备了泥质粉砂岩芯48 组，利用所制备的岩芯（石英砂+高岭土加砂质量80 g）开展泥质粉砂水合物质量丰度75%∼100%、50%∼75%、25%∼50%和0∼25%的实验；设定实验温度分别为2、4、8 和12◦C，实验压力分别为5、10和12 MPa，在实验条件下进行泥质粉砂水合物岩芯的物性参数测试，共计测试基础物性参数48 组。每个工况计划进行两次实验，实验结果取平均值以确保实验结果的准确性和代表性。

在岩芯制备过程中，需对天然气水合物岩芯的温度和压力参数进行监测，同时，开启电阻率、轴压、围压以及轴向变形的数据采集。采用三轴岩石力学测试系统实验装置，对于制备完成的岩芯进行力学参数的测定，如图2 所示。

图2 三轴力学测试装置Fig.2 Triaxial mechanical testing device

根据物性测量结果，得到不同温度、压力下，水合物质量丰度与电阻率的变化曲线，见图3。

图3 泥质粉砂水合物岩芯电阻率变化Fig.3 Variation of argillaceous silt hydrate core resistivity

可以看出，水合物质量丰度在20%∼80%时，岩芯的电阻率在50∼1 000 Ω·m。岩芯的电阻率随着水合物质量丰度的增加而减小，这是由于制备的岩芯含有水溶液，在水合物生产过程中，岩芯中的水溶液消耗，使得电阻率增大[24]。而岩芯孔隙逐渐被甲烷气和水合物填充，随着水合物质量丰度增大，最终岩芯电阻率逐渐减小。

改变水合质量物丰度及孔隙压力，绘制泥质粉砂水合物岩芯的应力应变曲线如图4 所示。考虑到8 和12◦C下，5 MPa 的孔隙压力作用后并无水合物生成，因此，以4◦C为例绘制应力应变曲线。

图4 泥质粉砂水合物岩芯力学性质测试结果Fig.4 Test results of mechanical properties of argillaceous silt hydrate cores

可以看出，随着水合物质量丰度的增加，泥质粉砂水合物岩芯的应力有明显增大，水合物质量丰度从20%上涨到80%时，应力峰值涨幅最高为86.31%。泥质粉砂水合物在孔隙中的赋存形态随着水合物丰度的增加，从孔隙充填型、骨架支撑型向颗粒胶结型过渡，胶结型泥质粉砂水合物呈现应变软化特征[25-27]。

1.2 钻井液侵入影响水合物储层井壁稳定性实验

制备不同组分、水深和质量丰度的水合物岩芯，利用水合物声电力学测试装置、三轴岩石力学测试系统等实验装置，开展泥质粉砂水合物在不同温度压力，不同质量丰度（0∼100%）时低温钻井液体系作用下水合物井壁稳定性评价实验，开展钻井液侵入后水合物力学特性随温度、压力变化规律评价。

1.2.1 实验设备及材料

泥质粉砂水合物侵入实验所用天然气水合物岩样声电力学测试装置图如图1 所示。制备好水合物岩芯后，保持进水阀门关闭，将海水管线与泥浆泵相连，以便通过海水管线将钻井液高压注入反应釜内。侵入后的力学特性测试实验装置为三轴力学测试系统，如图2 所示，实验过程中的温度、围压、应变等力学参数可由电脑实时采集和保存。钻井液采用两种不同的体系，标记为A 钻井液体系与B 钻井液体系。

1.2.2 实验方案及步骤

根据研究内容，进行不同质量丰度（泥质粉砂水合物质量丰度75%∼100%、50%∼75%、25%∼50%、0∼25%）、注入钻井液当量密度（模拟压力大于、等于、小于模拟储层压力）、温度（大于、等于、小于模拟储层温度）下的低温钻井液侵入水合物储层井壁稳定性评价实验，实验模拟的储层温度4◦C，储层压力10 MPa，钻井液当量密度按储层12 MPa 的静水压力设计，实验温度2、4 和6◦C，实验方案如表2所示。

表2 A、B 两种钻井液体系侵入后水合物储层井壁稳定性评价实验方案Tab.2 Experiment plan for evaluating the wellbore stability of hydrate reservoirs after the invasion of drilling fluids A and B

泥质粉砂水合物岩芯制备设备实物见图5，水合物井壁稳定性具体实验步骤为：

图5 泥质粉砂水合物岩芯制备及数据测量Fig.5 Core samples preparation and data measurement of argillaceous silt hydrate

1）钻井液侵入。水合物岩芯放入反应釜，补充岩芯腔内压力至设定的实验压力，然后关闭反应釜进气阀门，此过程应避免引起已生成的水合物发生分解。

2）关闭进气阀门，打开真空泵，将管线中残留的甲烷和空气等抽出形成负压；然后将进水管线接至钻井液，利用进水管线负压将低温钻井液吸入，快速从岩芯顶部注射进反应釜。

3）关闭钻井液侵入管线入口阀门，打开气驱气体增压泵，利用气压驱动钻井液进入含水合物的岩芯中，此过程记录侵入时间等数据。

4）力学测试。侵入完成后，调节围压至所需值，然后设置轴压和压缩速度，开始三轴压缩实验，记录随水合物质量丰度、温度变化的应力应变等实验数据。

5）实验结束后，首先排出釜内气体，然后卸去围压和轴向荷载，打开反应釜，观察试样（此时岩芯中水合物已基本分解完毕）。

2 实验结果分析

2.1 水合物质量丰度对钻井液侵入后井壁稳定性影响分析

泥质粉砂岩芯实验前后的对比如图6 所示。实验完成后，从反应釜中取出的泥质粉砂岩芯基本散架。讨论不同因素影响下的钻井液侵入效果。实验时，设定实验温度为2◦C，实验压力12 MPa，采用A 钻井液体系对泥质粉砂岩芯进行侵入实验，侵入时间5 min，改变水合物质量丰度20%、40%、60%和80%，记录岩芯偏应力及应变变化规律，如图7所示。

图6 泥质粉砂岩芯侵入实验对比Fig.6 Comparison of argillaceous silt core intrusion experiments

从图7 可以看出，侵入5 min 后小应变范围内（轴向应变小于1.0%）泥质粉砂水合物岩芯应力分别为0.08、0.15、0.30 和0.43 MPa。在轴向应变低于2.5%的侵入过程中力学性质的变化较明显，钻井液侵入后的岩芯出现明显的峰值点。随着水合物质量丰度的增加，质量丰度20%、40%、60% 和80%时对应的应力峰值强度分别为0.61、0.81、1.03和1.28 MPa。不难发现，钻井液在压差的作用下向水合物地层渗透并驱替地层中原有的水和气体，同时引发水合物的分解，侵入地层后井周岩石抗压强度减小，但随水合物质量丰度增加其峰值强度仍然呈现增加的趋势。分析认为，随着轴向应变的增加，应力出现先升高后下降现象的主要原因是在较小的轴向应变范围内（低于2.5%），随着应变的增加，岩芯压缩变形，应力随之增加，但当应变增加较大后，泥质粉砂水合物岩芯中水合物骨架受持续增大的外力和温度压力刺激而发生了变形与分解，产生的气体和水增大了孔隙压力，水合物与泥砂间的稳定结构被破坏，使得地层有效应力降低。

图7 不同水合物质量丰度下的岩芯力学性质Fig.7 The mechanical properties at different hydrate mass abundance

2.2 温度影响钻井液侵入后井壁峰值强度

记录压力12 MPa，不同实验温度下的钻井液侵入峰值强度，如图8 所示。

图8 泥质粉砂水合物岩芯钻井液在不同温度下侵入前后峰值强度变化Fig.8 Variation of strength of muddy silt hydrate core drilling fluid before and after invasion at different temperatures

对比发现，侵入相同时间，B 钻井液体系侵入泥质粉砂水合物岩芯后峰值强度比A 钻井液体系侵入后的峰值强度高0.09∼0.25 MPa。B 钻井液体系侵入泥质粉砂水合物岩芯后峰值强度比未侵入的峰值强度低0.09∼0.38 MPa。无论有无钻井液的侵入，泥质粉砂水合物沉积物强度均随质量丰度的增加而增加。保持其他条件不变，钻井液侵入后的岩芯峰值强度随水合物质量丰度增加而增大，随侵入时间的增加而减小，随钻井液温度增加而减小。与原始的未侵入条件下的岩芯相比，钻井液降低了岩芯的抗压强度。出现这一现象的主要原因是侵入的钻井液改变了水合物沉积物的温度分布，从而导致孔隙中的水合物强度发生变化。钻井液温度越高，水合物颗粒在三轴应力的作用下更容易发生粒间滑动和脱落；起到力学支撑作用的固体水合物含量越多，受到温度和侵入时间的影响将越明显[28]。如果岩芯接触面的温度升高并超出了相平衡区域，则水合物会因为钻井液温度的升高而加速分解。另外，即使钻井液温度低于储层温度，钻井液也会导致储层强度性质的改变。低温钻井液复杂体系中的盐、聚合物、醇类物质等均会影响水合物的相平衡状态，从而影响水合物的形态；泥质粉砂沉积物中含有黏土矿物，会随着钻井液侵入发生水化膨胀，降低储层渗透率，减小岩石的内聚力。总之，钻井液作用下泥质粉砂水合物岩芯中的水合物部分或全部分解，岩芯强度有所下降，峰值点提前出现，钻井液侵入后的力学性质均变化显著。因此，研发并使用具备强抑制性的水合物钻井液将有利于钻井过程对地层岩土力学强度的影响，从而降低储层伤害和地质风险。

2.3 孔隙压力影响岩石抗压强度

设定实验温度为2◦C、水合物质量丰度为40%，测定不同孔隙压力下的岩石抗压强度，如图9 所示。

图9 孔隙压力影响岩石抗压强度Fig.9 Pore pressure affects the compressive strength of rock

实验证实，孔隙压力对纯水合物和含水合物沉积物的刚度、强度有重要影响，即表现为随孔隙压力的增加，含水合物沉积物的刚度和强度将显著提高。分析认为，含水合物沉积物的强度很大程度上由水合物自身的强度和水合物颗粒与土颗粒界面的胶结强度综合决定。水合物颗粒与土颗粒之间的胶结并不是二者直接接触的，而是一层吸附水膜存在于二者之间。因而认为含水合物沉积物中并不存在真正的黏聚力，而把水合物形成对强度的贡献归结于颗粒之间的动力学作用。事实上，水合物颗粒、吸附水膜以及土颗粒三者之间的范德华力对于提高土体（水合物沉积物）的强度起到重要的作用。在实验室合成水合物制备含水合物沉积物试样时，沉积物孔隙中总会存在少部分很难形成水合物的残余水，在持续降温或在增加孔隙压力的条件下，这部分残余水会逐渐过渡为水合物，从而提高含水合物岩石的强度和刚度。

2.4 钻井液类型及侵入时间影响钻井液侵入后井壁峰值强度

将不同侵入时间、钻井液类型影响下的泥质粉砂岩芯应力应变变化统计见图10。

图10 侵入时间及钻井液类型影响水合物井壁应力应变Fig.10 Invasion time and drilling fluid type affect hydrate borehole stress and strain

如图所示，相对于A 钻井液体系侵入10 min后的应力应变曲线，A 钻井液体系侵入5 min 的岩芯在相同应变下，应力均大于A 钻井液体系侵入10 min 的岩芯。但岩芯在侵入5 min 后的力学性质变化更为明显，说明钻井液的侵入过程中，钻井液在岩芯表面形成一层膜，使钻井液侵入速率随时间逐渐下降。

相对于A 钻井液体系侵入5 min 与侵入10 min的应力应变曲线，B 钻井液体系侵入10 min 后在相同应变下，应力均大于A 钻井液体系。在相同的侵入时间10 min 内，A 钻井液体系侵入后应力最高值仅为0.770 30 MPa，而B 钻井液体系侵入后，应力最高值为0.965 01 MPa，B 钻井液体系侵入后的岩芯抗压强度均好于A 钻井液体系，说明B 钻井液体系能更好地减少向岩芯中的侵入量，保持水合物在岩芯中的状态，减少水合物的分解量，使岩芯的力学性质更加稳定。综上所述，钻井液性能会直接影响水合物相平衡状态和分解速度，对储层稳定性影响较大。B 钻井液体系性能整体好于A 钻井液体系，B 钻井液体系侵入后储层稳定性更好。

综合分析表明，钻井液在向水合物地层侵入的过程中，井壁周围水合物发生分解，产生的水和气与侵入的钻井液一起被后续注入的钻井液驱动渗流到地层深处。因此，钻井液在水合物地层的侵入伴随着水合物的分解以及部分热量的传递。随着井壁附近水合物分解，孔隙度增加，导致渗透性相应提高从而加快侵入速度，不利于钻井液固相堆积形成滤饼。因此，从钻井液侵入到水合物完全分解这期间井壁是最不稳定的，滤饼形成也较普通地层慢。到钻井液侵入后期时，孔隙中气体和水越来越多，孔隙压力继续升高。在此阶段内，如果孔隙内温度压力条件合适，部分气体和水又会重新形成水合物。

3 结论

1）建立了以水合物岩芯与基础物性变化规律响应关系为基础的水合物岩芯评价方法，泥质粉砂水合物岩芯电阻率随质量丰度的增加减小。岩芯的电阻率随着水合物质量丰度的增加而减小，这是由于随着水合物质量丰度增大，岩芯孔隙逐渐被甲烷气和水合物填充，岩芯电阻率逐渐减小。在水合物质量丰度20%∼80%时，岩芯的电阻率在50∼1 000 Ω·m。

2）利用岩石三轴力学实验装置，形成了以水合物岩芯与力学参数变化规律响应关系为基础的水合物岩芯评价方法。研究表明，含水合物沉积物的力学性质主要由沉积物胶结强度所决定，这与胶结剂及地层应力等因素密切相关（如黏土、压实作用），且水合物饱和度较高时应变软化破坏较强。随着水合物质量丰度从20%增加至80%，应力峰值涨幅最高为86.31%。泥质粉砂水合物在孔隙中的赋存形态随着水合物丰度的增加，从孔隙充填型、骨架支撑型向颗粒胶结型过渡，胶结型泥质粉砂水合物呈现应变软化特征。

3）利用钻井液侵入评价装置开展钻井液侵入实验，形成了以钻井液侵入后水合物岩芯与力学参数变化规律为基础的评价方法。研究表明，钻井液温度越高，则侵入后近井壁峰值强度降低幅度越大；水合物质量丰度越大，侵入后岩芯的力学参数值变化越大。综合以上分析，钻井液侵入的过程中，水合物井壁稳定性变化规律为，随着井壁周围水合物发生分解，分解产物与侵入的钻井液一同渗流到地层深处。同时，水合物分解造成渗透率提高，进而加快侵入速度，这对钻井液固相堆积形成的滤饼也有不利影响。因此，从钻井液侵入到水合物完全分解这期间井壁是最不稳定的。到钻井液侵入后期时，孔隙中气体和水越来越多，孔隙压力继续升高。在此阶段内，如果孔隙内温度压力条件合适，部分气体和水又会重新形成水合物。