黃天佳，李小森，張 郁?，楊 波，王 屹，陳朝陽(yáng)，李 剛

（1.中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所，廣州 510640；2.中國(guó)科學(xué)院廣州天然氣水合物中心，廣州 510640；3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；4.廣州特種承壓設(shè)備檢測(cè)研究院，廣州 510663）

0 引 言

天然氣水合物作為一種能量密度高、儲(chǔ)量大、分布廣、燃燒無(wú)污染的非常規(guī)天然氣資源，受到世界各國(guó)的重視，被認(rèn)為是一種未來(lái)理想的清潔能源，具有非常重要的研究與開(kāi)發(fā)價(jià)值[1]。美國(guó)、俄羅斯、日本、加拿大、中國(guó)等國(guó)家均投入巨資開(kāi)展天然氣水合物勘探、開(kāi)采等方面的研究[2]?，F(xiàn)階段針對(duì)天然氣水合物的研究手段中，鉆井是進(jìn)行天然氣水合物資源勘探、開(kāi)采的一種直接且主要的技術(shù)手段。目前世界上已調(diào)查發(fā)現(xiàn)或間接證明存在天然氣水合物的地區(qū)多達(dá)230處，但分布不均勻，受到特定地質(zhì)構(gòu)造控制明顯，97%分布在各大洋陸緣地區(qū)，僅有少部分分布在陸地凍土區(qū)[3]。由于天然氣水合物物理性質(zhì)的特殊性及其海底成藏環(huán)境的復(fù)雜性，海洋天然氣水合物地層鉆井與常規(guī)油氣鉆井相比，實(shí)施難度更高，需要解決的問(wèn)題也更多。鉆井過(guò)程中可能會(huì)引起水合物地層溫度及壓力的變化，進(jìn)而引起水合物的分解或生成，增加水合物地層鉆井的風(fēng)險(xiǎn)。若這些風(fēng)險(xiǎn)沒(méi)有得到適當(dāng)?shù)奶幚?，可能?huì)導(dǎo)致一系列包括鉆井工程災(zāi)害、海洋地質(zhì)災(zāi)害及環(huán)境災(zāi)害等在內(nèi)的諸多安全問(wèn)題。因此，海洋水合物地層鉆井是一項(xiàng)高難度、高技術(shù)、高風(fēng)險(xiǎn)的綜合性工程[4]。目前，部分學(xué)者針對(duì)天然氣水合物開(kāi)采方法、勘探技術(shù)等方面的研究已做過(guò)詳細(xì)總結(jié)[1,5-7]，但是對(duì)于水合物鉆井安全問(wèn)題研究方面的綜述較少。本文將歸納國(guó)內(nèi)外學(xué)者在這一問(wèn)題上的研究進(jìn)展及所取得的主要成果，這對(duì)于促進(jìn)我國(guó)天然氣水合物產(chǎn)業(yè)化開(kāi)發(fā)利用具有積極意義。

1 天然氣水合物地層鉆井面臨的主要問(wèn)題

海洋天然氣水合物通常存在于水深超過(guò)百米的深水海底面下，如此嚴(yán)酷的鉆井作業(yè)環(huán)境對(duì)鉆井的安全性及可靠性提出了更高的要求。此外，海洋天然氣水合物鉆井的鉆進(jìn)深度淺。如2007年，中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局在中國(guó)南海神狐海區(qū)SH2、SH3和SH7三個(gè)鉆孔中取得天然氣水合物實(shí)物樣品，通過(guò)分析表明研究區(qū)的天然氣水合物層厚度僅為18 ～ 34 m[8]。而且，天然氣水合物井內(nèi)溫度和壓力控制非常重要[9]。若鉆井引起原位水合物地層溫度壓力急劇變化，會(huì)引起水合物的大量分解，引發(fā)一系列鉆井安全問(wèn)題。

圖1 水合物鉆井安全問(wèn)題示意圖（改自文獻(xiàn)[10]）Fig.1 Schematic diagram of hydrate drilling safety issues[10]

海洋天然氣水合物地層鉆井會(huì)面臨較為復(fù)雜的鉆井安全問(wèn)題，需要嚴(yán)格地控制鉆井的各項(xiàng)參數(shù)。天然氣水合物地層鉆井問(wèn)題歸根到底是由于水合物的分解與形成，RUPPEL等[10]總結(jié)了海洋水合物地層鉆井可能出現(xiàn)的安全問(wèn)題，如圖1所示。

1.1 天然氣水合物的分解可能引發(fā)的鉆井安全問(wèn)題

（1）井壁失穩(wěn)。鉆井之前地層處于平衡狀態(tài)，鉆具鉆進(jìn)時(shí)會(huì)破壞地層，導(dǎo)致井壁和井底附近的地層應(yīng)力釋放。另外，當(dāng)固態(tài)水合物起膠結(jié)或骨架支撐作用時(shí)，水合物分解產(chǎn)生的水和氣體會(huì)增加井壁地層含水量與孔隙壓力，使顆粒間的聯(lián)系減弱，降低地層顆粒間膠結(jié)的有效應(yīng)力，導(dǎo)致井壁失穩(wěn)[11]。

（2）鉆井液的侵入。天然氣水合物鉆井過(guò)程中，若采用欠平衡鉆井會(huì)造成水合物在減壓條件下分解，不利于井壁的力學(xué)穩(wěn)定[12]。因此鉆井液的壓力通常會(huì)大于地層流體壓力，這會(huì)使鉆井液在滲透壓差作用下向地層侵入。受鉆具摩擦生熱以及鉆井液溫度的影響，鉆井液侵入水合物地層過(guò)程中可能會(huì)造成水合物的分解。水合物分解會(huì)導(dǎo)致地層滲透率變大，使侵入速率增大，導(dǎo)致無(wú)法形成保護(hù)井壁的濾餅，這會(huì)增加鉆井作業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)。

（3）井口下陷。在含水合物區(qū)域進(jìn)行鉆井時(shí)，地層中天然氣水合物的分解會(huì)造成海床承載能力喪失和海底地基沉陷。若井口發(fā)生下陷，井段的套管會(huì)被壓扁，套管上端的進(jìn)口裝置及防噴器會(huì)由于失去支撐而發(fā)生傾斜、傾倒，因此會(huì)喪失對(duì)井內(nèi)壓力的控制，有可能導(dǎo)致井噴等安全事故。

（4）氣體泄漏。水合物分解產(chǎn)生的大量甲烷氣體如果從鉆井孔或套管中泄露，上升到海面會(huì)使海面浮力喪失，導(dǎo)致海面漂浮設(shè)備傾覆。此外，釋放的甲烷氣體可能會(huì)與海底金屬設(shè)備發(fā)生氧化還原反應(yīng)，腐蝕設(shè)備使其無(wú)法正常工作[10]。

（5）海底滑坡。近年來(lái)研究人員發(fā)現(xiàn)，海底天然氣水合物的分解導(dǎo)致海底巖層穩(wěn)定性降低是產(chǎn)生海底滑坡的一個(gè)重要原因[13]。鉆井過(guò)程中，如果操作不當(dāng)可能會(huì)引發(fā)海底水合物大量分解，海底地層由于失去支撐，容易發(fā)生海底滑坡災(zāi)害，海底滑坡不但會(huì)對(duì)深海油氣鉆探、輸油管道、海底電纜等海底工程設(shè)施造成破壞，還可能引發(fā)海嘯等自然災(zāi)害。

1.2 天然氣水合物的形成可能引發(fā)的鉆井安全問(wèn)題

（1）破壞鉆井設(shè)備。水合物分解產(chǎn)生的氣體進(jìn)入鉆井液內(nèi)后，如果鉆井液內(nèi)的溫度和壓力滿足水合物的生成條件，這些氣體與水會(huì)再次在井筒、鉆柱、井口管線或防噴管匯等設(shè)備內(nèi)生成水合物，造成管路的堵塞，給正常的鉆進(jìn)和井控工作造成嚴(yán)重影響[14]。當(dāng)再生成的水合物突然分解，可能引起井噴、破壞鉆井設(shè)備等安全事故，此外，天然氣水合物在海底設(shè)備上大量形成會(huì)影響海底設(shè)備的正常工作。

（2）改變鉆井液性質(zhì)。天然氣水合物的分解與形成都會(huì)對(duì)鉆井液的性質(zhì)產(chǎn)生影響。天然氣水合物分解產(chǎn)生的大量水與氣體進(jìn)入鉆井液，使得泥漿柱的凈水壓力降低，這會(huì)加速井壁周圍的水合物分解，進(jìn)而產(chǎn)生更多的氣體和水進(jìn)入鉆井液，由此形成惡性循環(huán)。當(dāng)鉆井液是水基鉆井液時(shí)，氣體在鉆井液中形成水合物會(huì)消耗鉆井液中的水分，改變鉆井液的流變性，主要表現(xiàn)為黏度、切力大幅度上升[15]，這會(huì)改變鉆井液的造壁性能，從而影響井壁穩(wěn)定性及鉆井的安全運(yùn)行[16]。

2 海洋天然氣水合物地層鉆井項(xiàng)目

在20世紀(jì)70 ～ 80年代，科學(xué)家通過(guò)深海鉆探計(jì)劃（DSDP）和大洋鉆探計(jì)劃（ODP）在全球多處海域發(fā)現(xiàn)了水合物后，天然氣水合物鉆井試驗(yàn)開(kāi)采、開(kāi)發(fā)工作開(kāi)始快速發(fā)展[15]。30年來(lái)，美國(guó)、加拿大、日本、韓國(guó)、中國(guó)、印度等國(guó)家進(jìn)行了多次天然氣水合物勘探與試采活動(dòng)。本文通過(guò)收集和整理公開(kāi)文獻(xiàn)資料，對(duì)近年來(lái)出現(xiàn)鉆井安全問(wèn)題的鉆探項(xiàng)目進(jìn)行了總結(jié)[17]，如表1所示。

表1 全球主要天然氣水合物鉆探活動(dòng)及出現(xiàn)的鉆井安全問(wèn)題Table 1 The main gas hydrate drilling operations and drilling safety problems around the world

隨著表1中所列的這些勘探試采活動(dòng)的進(jìn)行，一些由水合物引起的鉆井安全問(wèn)題也逐漸暴露出來(lái)。這些安全問(wèn)題輕則影響項(xiàng)目的順利進(jìn)行，重則造成嚴(yán)重的安全事故。

墨西哥灣是全球天然氣水合物發(fā)育的典型地區(qū)之一[27]。2010年4月10日，英國(guó)石油公司（BP公司）位于墨西哥灣的“深水地平線”鉆井平臺(tái)發(fā)生爆炸并引發(fā)大火，之后整個(gè)鉆井平臺(tái)沉入海底，導(dǎo)致大量原油泄漏進(jìn)入墨西哥灣造成大面積原油污染。爆炸事故是由于作業(yè)人員在固井過(guò)程中設(shè)置水泥封口時(shí)產(chǎn)生了化學(xué)熱，與此同時(shí)，作業(yè)人員降低了鉆桿內(nèi)部壓力，試圖再設(shè)另一處水泥封口。在此操作過(guò)程中出現(xiàn)了放熱與降壓兩種變化，這些變化易于引發(fā)水合物的分解。當(dāng)水泥沒(méi)有完全凝固時(shí)，地層孔隙超壓促使甲烷氣泡的生成和向上噴發(fā)，致使該處水泥封口遭到破壞并形成了孔隙，甲烷氣體通過(guò)這些孔隙不斷滲入井筒并向上運(yùn)移，最終逐步上升到海平面，當(dāng)泄露的甲烷彌漫鉆井平臺(tái)后引起了爆炸。事故發(fā)生后，BP公司試圖將水泥罩沉入海底對(duì)漏油點(diǎn)進(jìn)行封堵，但是這一方案在實(shí)施過(guò)程中因?yàn)槌霈F(xiàn)大量天然水合物而無(wú)法實(shí)施。

3 海洋天然氣水合物地層鉆井安全問(wèn)題實(shí)驗(yàn)研究

針對(duì)水合物地層鉆井安全問(wèn)題的實(shí)驗(yàn)研究目前還相對(duì)較少且研究尚淺，主要原因是用于水合物地層鉆井安全問(wèn)題研究的實(shí)驗(yàn)設(shè)備較少且設(shè)備對(duì)鉆井過(guò)程的模擬不完善。由于天然氣水合物穩(wěn)定的條件較為苛刻（高壓低溫），對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的氣密性、安全性、可靠性有較高的要求。目前作者已知的實(shí)驗(yàn)設(shè)備都無(wú)法較為完整地模擬水合物地層鉆井過(guò)程，因此無(wú)法針對(duì)前文所述的一些鉆井安全性問(wèn)題，如井壁失穩(wěn)、氣體泄漏、海底滑坡、水合物重新生成等問(wèn)題，進(jìn)行全面準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)研究。然而，也有一些學(xué)者通過(guò)簡(jiǎn)化鉆井過(guò)程的辦法對(duì)水合物鉆井問(wèn)題進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，內(nèi)容主要集中在水合物鉆井液的性能和鉆井對(duì)海洋水合物地層物性的擾動(dòng)兩個(gè)方面。

3.1 水合物鉆井液性能的研究

天然氣水合物地層鉆井的鉆井液應(yīng)滿足以下要求：①維持合理的鉆井液密度；②保持良好的井壁化學(xué)穩(wěn)定性；③良好的低溫流變特性；④較好的攜帶巖屑能力；⑤可調(diào)的井控能力；⑥滿足環(huán)保方面的要求[29]。天然氣水合物鉆井液性能的實(shí)驗(yàn)研究主要包括鉆井液的密度、黏度、抑制水合物生成能力等方面，目前已發(fā)展出鹵鹽體系、聚合物體系、甲酸鹽體系、聚合醇體系及稀硅酸鹽體系等多種性能優(yōu)良的水合物鉆井液體系。邢希金等[28]和付帆等[29]曾詳細(xì)介紹了水合物抑制劑和鉆井液體系的研究進(jìn)展，本文不再贅述。需要補(bǔ)充的是，學(xué)者們現(xiàn)在逐漸開(kāi)始研究一些“綠色”鉆井液。例如SAIKIA等[30]從豬的胰臟中提取一種糖蛋白作為水合物抑制劑來(lái)配備水合物鉆井液，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明這種鉆井液有較好的水合物生成抑制效果，可以作為一種性能優(yōu)良的天然氣水合物鉆井液添加劑。

3.2 鉆井過(guò)程對(duì)海洋水合物地層物性擾動(dòng)的實(shí)驗(yàn)研究

目前關(guān)于鉆井對(duì)海洋水合物地層物性擾動(dòng)的實(shí)驗(yàn)研究大多數(shù)都將鉆井這個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程簡(jiǎn)化為一種靜態(tài)或者準(zhǔn)靜態(tài)來(lái)研究，即無(wú)鉆頭鉆入過(guò)程。通過(guò)將鉆井處理為一個(gè)靜態(tài)的圓筒的方法來(lái)降低實(shí)驗(yàn)難度及增加實(shí)驗(yàn)可行性。井筒附近的溫度、壓力及電導(dǎo)率變化是目前鉆井問(wèn)題實(shí)驗(yàn)研究的主要研究對(duì)象。通過(guò)測(cè)定這些參數(shù)的變化進(jìn)一步確定井壁周圍的水合物分解速率及分解范圍，以此評(píng)估水合物地層鉆井的安全性。

中國(guó)地質(zhì)大學(xué)劉力[31]研制了一套水合物綜合滲流模擬實(shí)驗(yàn)裝置用于開(kāi)展水合物鉆井的鉆井液入侵問(wèn)題的研究，利用模擬地層中的溫度變化判斷鉆井液侵入深度，利用電阻率變化情況判斷水合物分解前緣位置。從侵入過(guò)程的溫度和壓力曲線對(duì)比發(fā)現(xiàn)，鉆井過(guò)程中地層壓力傳遞要遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于溫度傳遞。鄭明明等[32]進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)這種現(xiàn)象容易導(dǎo)致原位地層中殘余的水和氣體在壓力升高而溫度未變的情況下繼續(xù)生成水合物。

鉆井液循環(huán)過(guò)程中水合物地層的溫度變化及水合物分解狀況是目前水合物地層鉆井實(shí)驗(yàn)的主要關(guān)注對(duì)象。YU等[33]建立了一套研究鉆井液循環(huán)過(guò)程中天然氣水合物的分解及產(chǎn)氣狀況的實(shí)驗(yàn)裝置。實(shí)驗(yàn)在高壓反應(yīng)釜內(nèi)的人造巖心中生成水合物，利用巖心中央布置的一根垂直套管模擬井孔并進(jìn)行鉆井液循環(huán)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明較高的鉆井液溫度會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)氣速率增大及累計(jì)產(chǎn)氣量的增加，而提高鉆井液壓力則有利于降低水合物的分解速率。ZHANG等[34]利用從淺海區(qū)域取得的海泥進(jìn)行甲烷水合物的合成，在反應(yīng)釜兩側(cè)有三對(duì)聲速探頭測(cè)量聲速變化，用以分析鉆井液循環(huán)過(guò)程中水合物的分解狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明水合物地層中的水合物分解速率會(huì)隨著鉆井液溫度的升高而增大，然而當(dāng)?shù)貙又械乃衔镲柡投瘸^(guò)50% 時(shí)，鉆井液溫度對(duì)水合物分解速率的影響會(huì)變小。LI等[35]研制了一套研究海底井口下陷問(wèn)題的實(shí)驗(yàn)裝置用以研究含有不同水合物飽和度巖心的承載能力與井口下陷現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)裝置反應(yīng)釜中央插有一根雙層套管用來(lái)循環(huán)鉆井液，以此模擬鉆井過(guò)程。實(shí)驗(yàn)表明水合物地層鉆井過(guò)程中海底井口下陷可分為開(kāi)始、加速和穩(wěn)定三個(gè)階段，且鉆井液的安全溫度范圍受到井口負(fù)載特性和水合物地層力學(xué)特性的影響。例如當(dāng)?shù)貙訛槿豕探Y(jié)巖心、水合物飽和度為38%時(shí)，鉆井液溫度在4 ～ 8.15℃之間時(shí)井口就可以保持穩(wěn)定。

目前能夠模擬鉆井鉆進(jìn)水合物地層的實(shí)驗(yàn)裝置較少。中國(guó)地質(zhì)大學(xué)竇斌等[36-37]設(shè)計(jì)搭建了一套合成天然氣水合物并可進(jìn)行微鉆實(shí)驗(yàn)的裝置，該實(shí)驗(yàn)裝置可以模擬研究鉆井鉆入過(guò)程井壁附近水合物地層的溫度場(chǎng)變化。結(jié)果表明，鉆桿的轉(zhuǎn)速增加會(huì)加快水合物的分解，但是當(dāng)轉(zhuǎn)速增加到一定程度時(shí)，其分解速率會(huì)受到水合物導(dǎo)熱率的影響而增加緩慢。中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所張郁等[38]設(shè)計(jì)的天然氣水合物鉆井模擬裝置可模擬研究鉆井鉆入水合物地層過(guò)程中井壁周圍的溫度場(chǎng)及壓力的變化，該實(shí)驗(yàn)裝置可以通過(guò)改變不同的鉆井參數(shù)（鉆井液溫度、流速、鉆桿轉(zhuǎn)速、下行速度等）進(jìn)行鉆進(jìn)實(shí)驗(yàn)。

4 海洋天然氣水合物地層鉆井安全問(wèn)題數(shù)值模擬研究

數(shù)值模擬是一種研究水合物鉆井安全問(wèn)題的有效方式。近年來(lái)，在發(fā)展相對(duì)較為成熟的天然氣水合物開(kāi)采數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，學(xué)者們已發(fā)展出用以研究鉆井過(guò)程中鉆井液侵入和井壁穩(wěn)定性問(wèn)題的數(shù)值模型。尤其是關(guān)于鉆井過(guò)程中井壁穩(wěn)定性問(wèn)題，現(xiàn)已發(fā)展出流?熱?固?力多場(chǎng)耦合的數(shù)學(xué)模型。同時(shí)也有不少學(xué)者借助一些專業(yè)軟件對(duì)水合物鉆井井壁穩(wěn)定性問(wèn)題進(jìn)行研究。

4.1 地層鉆井安全問(wèn)題數(shù)值模擬的基本原理

張郁等[39]和 AHMADI等[40]曾對(duì)天然氣水合物分解和開(kāi)采的數(shù)學(xué)模型做過(guò)較為詳細(xì)的總結(jié)。這些模型主要研究不同開(kāi)采方式下（注熱法、降壓法、熱吞吐法等）水合物地層中的水合物分解情況及產(chǎn)氣情況。與水合物開(kāi)采數(shù)學(xué)模型不同的是，鉆井安全問(wèn)題模型考慮的空間范圍較?。ㄍǔ榫谕鈳酌追秶鷥?nèi)）且計(jì)算時(shí)間也較短（短則幾小時(shí)，多則幾天）。最重要的是，鉆井安全模型更關(guān)注鉆井在破壞水合物地層和鉆井液循環(huán)過(guò)程中所引起的水合物分解及水合物分解導(dǎo)致的井壁周圍地層力學(xué)特性的變化。并且，水合物鉆井安全模型的最終目的是優(yōu)化鉆井參數(shù)，提出合理的策略保證鉆井過(guò)程中水合物盡量少分解，以此來(lái)避免前文所述的諸如井壁失穩(wěn)、氣體泄漏、海底滑坡等水合物鉆井安全問(wèn)題的發(fā)生。

4.2 模型回顧

表2列出了已發(fā)展的天然氣水合物鉆井安全問(wèn)題的數(shù)學(xué)模型，模型主要考慮的因素包括傳熱（導(dǎo)熱、對(duì)流等）、傳質(zhì)（氣體、液體）、力學(xué)特性（應(yīng)力、位移等）、水合物分解動(dòng)力學(xué)特性、注入抑制劑等。

表2 天然氣水合物鉆井問(wèn)題數(shù)學(xué)模型Table 2 The mathematical model of gas hydrate drilling problem

如前文所述，鉆井過(guò)程中井壁周圍水合物的分解是引發(fā)鉆井安全問(wèn)題的一個(gè)重要原因。因此很多學(xué)者建立了研究鉆井過(guò)程中井壁周圍水合物分解情況的數(shù)學(xué)模型。MAKOGON等[57]通過(guò)數(shù)學(xué)解析的方法對(duì)水合物地層開(kāi)采井周圍的溫度場(chǎng)及壓力場(chǎng)進(jìn)行求解，其模型在傳熱項(xiàng)中考慮了流體滲流過(guò)程中的節(jié)流效應(yīng)及絕熱效應(yīng)。KHABIBULLIN等[43]在此基礎(chǔ)上，通過(guò)在網(wǎng)格中不斷調(diào)整邊界條件來(lái)模擬鉆井逐漸鉆入地層的動(dòng)態(tài)效果，通過(guò)模擬得到了鉆井過(guò)程中井壁周圍的溫度分布及產(chǎn)氣量隨時(shí)間的變化規(guī)律。LEE等[46]采用這種通過(guò)不斷更新邊界條件來(lái)模擬動(dòng)態(tài)的鉆井過(guò)程的方法開(kāi)展了研究。GOLMOHAMMADI等[47]首次在圓柱坐標(biāo)系中建立鉆井過(guò)程中井壁周圍溫度場(chǎng)分布的數(shù)學(xué)模型，模型將水合物地層分為水合物區(qū)與已分解區(qū)，分別建立數(shù)學(xué)方程并求解，得到了不同鉆井液溫度及壓力與井周圍壓力與溫度分布、流速及分解界面位置的關(guān)系。之后，GAO等[48]在圓柱坐標(biāo)系下建立了井壁與水合物地層之間的傳熱模型，模型考慮了不同鉆井液溫度、流速、循環(huán)時(shí)間及鉆井深度條件下井壁的縱向溫度分布；此外，分別考慮了有鉆井隔水管和無(wú)鉆井隔水管兩種情況下井壁的溫度分布。YU等[33]進(jìn)一步發(fā)展了GAO等[48]的模型，增加了水合物地層中的傳熱傳質(zhì)方程，使得模型可以模擬GAO等模型所求得的不同井壁溫度條件下水合物地層中水合物的分解及產(chǎn)氣情況。

井壁穩(wěn)定性是水合物鉆井安全問(wèn)題數(shù)值模擬的研究重點(diǎn)與熱點(diǎn)。井壁穩(wěn)定性問(wèn)題歸根到底是力學(xué)的問(wèn)題，水合物地層由于水合物的分解而容易導(dǎo)致地層力學(xué)強(qiáng)度急劇降低，不利于井壁穩(wěn)定和井內(nèi)安全。寧付龍[41]從發(fā)展相對(duì)較為成熟的常規(guī)油氣井井壁穩(wěn)定性研究理論體系出發(fā)，較早地對(duì)水合物鉆井的穩(wěn)定性進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，認(rèn)為鉆井液的侵入和水合物的分解會(huì)改變地層有效應(yīng)力，使地層發(fā)生變形，相應(yīng)的地層物性也會(huì)隨之改變，反過(guò)來(lái)作用孔隙中的流體，因此需要從流固耦合角度分析水合物地層井壁穩(wěn)定性。其模型首先構(gòu)建合適的鉆井液侵入數(shù)值模型，然后將鉆井液侵入模型與地層骨架變形控制方程耦合，同時(shí)根據(jù)孔隙彈性介質(zhì)理論建立井壁失穩(wěn)分析模型。FREIJ-AYOUB等[42]也較早地對(duì)水合物鉆井井壁穩(wěn)定性問(wèn)題進(jìn)行研究，其模型考慮了鉆井液與水合物地層之間的傳熱傳質(zhì)、水合物分解的動(dòng)力學(xué)機(jī)制、地層力學(xué)性質(zhì)的變化及不同水合物飽和度的力學(xué)行為準(zhǔn)則四個(gè)方面。FREIJ-AYOUB等[42]的模型由能量守恒方程、質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程、本構(gòu)方程、相容性方程以及用以表征水合物分解速率的 Boyle模型方程構(gòu)成。井壁的力學(xué)行為利用孔隙彈塑性理論進(jìn)行建模，模型選擇Mohr Coulomb準(zhǔn)則計(jì)算坍塌壓力。此外，作者通過(guò)研究提出了水合物地層孔隙度與內(nèi)聚力之間的線性關(guān)系模型，該關(guān)系模型可以實(shí)現(xiàn)地層變形場(chǎng)與力學(xué)場(chǎng)的耦合。沈海超等[44]通過(guò)將天然氣水合物分解效應(yīng)耦合到鉆井液滲流場(chǎng)與巖土變形場(chǎng)中建立了天然氣水合物藏降壓開(kāi)采井的流固耦合數(shù)學(xué)模型。模型選以 Drucker-Prager準(zhǔn)則作為地層巖石坍塌判斷準(zhǔn)則，聯(lián)立流固耦合滲流方程、能量守恒方程以及變形方程對(duì)天然氣水合物開(kāi)采井井壁附近儲(chǔ)層的穩(wěn)定性進(jìn)行數(shù)值模擬，并開(kāi)發(fā)出相應(yīng)分析軟件對(duì)墨西哥灣某水合物藏進(jìn)行了模擬。李令東等[45]在考慮鉆井液與地層熱交換和水合物分解的基礎(chǔ)上，建立了水合物地層井壁穩(wěn)定流固耦合數(shù)學(xué)模型。模型基于有效應(yīng)力原理和彈塑性力學(xué)理論得到巖石骨架變形場(chǎng)方程，采用彈塑性本構(gòu)方程和 Drucker Prager屈服準(zhǔn)則，并借鑒TAN等[58]和FREIJ-AYOUB等[42]關(guān)于地層骨架力學(xué)參數(shù)與水合物飽和度之間關(guān)系的研究成果對(duì)井壁附近的力學(xué)穩(wěn)定性問(wèn)題進(jìn)行分析。

在水合物鉆井的數(shù)值模擬發(fā)展過(guò)程中，一些較為成熟的商業(yè)軟件也被用于水合物鉆井問(wèn)題研究。MORIDIS等[59]在地下水滲流模擬軟件 TOUGH2.0基礎(chǔ)上，于2005年發(fā)展出TOUGH + HYDRAE軟件，該軟件可以描述水合物分解的所有機(jī)理，包括降壓、注熱、加入抑制劑等。NING等[52-53]利用TOUGH +HYDRAE軟件首次建立研究鉆井液侵入水合物地層的數(shù)學(xué)模型，并利用該模型研究了鉆井液參數(shù)及水合物地層的地質(zhì)特性對(duì)侵入過(guò)程的影響。作者以我國(guó)南海GMGS-1項(xiàng)目為背景，著重模擬了鉆井液侵入過(guò)程中井壁周圍溫度、壓力、氣液水合物三相飽和度及孔隙度含鹽度的變化，并進(jìn)一步分析了鉆井液侵入對(duì)井壁穩(wěn)定性及測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)準(zhǔn)確性的影響。RUTQVIST等[51]結(jié)合 TOUGH + HYDRAE和FLAC3D軟件對(duì)水合物鉆井井壁穩(wěn)定性問(wèn)題進(jìn)行了模擬，分別研究了Class3型水合物藏（上下側(cè)封閉的水合物藏）中的水平井與Class2型水合物藏（下側(cè)為水層，上側(cè)封閉的水合物藏）中的垂直井的井壁穩(wěn)定性。SUN等[56]也利用TOUGH + HYDRATE和FLAC3D軟件對(duì)中國(guó)南海神狐海域的SH2號(hào)鉆井的穩(wěn)定性進(jìn)行了模擬，所得結(jié)果與實(shí)地測(cè)得的數(shù)據(jù)吻合較好。除了TOUGH + HYDRATE和FLAC3D軟件之外，ABAQUS軟件也曾被 XU等[54]和SASAKI等[55]用來(lái)對(duì)日本東南海槽的兩個(gè)鉆井項(xiàng)目的井壁穩(wěn)定性進(jìn)行模擬研究。SASAKI等[55]借助ABAQUS軟件建立了二維軸對(duì)稱有限元模型，研究不同鉆井過(guò)程（包括下鉆過(guò)程、固井過(guò)程、水泥硬化/收縮過(guò)程及套管落地過(guò)程）對(duì)未固結(jié)的水合物地層穩(wěn)定性的影響。模型以日本南海海槽的兩個(gè)鉆井項(xiàng)目為背景，主要研究不同鉆井階段對(duì)井壁周圍地層應(yīng)力和應(yīng)變的擾動(dòng)并比較不同階段對(duì)井壁外水合物地層穩(wěn)定性影響的相對(duì)大小。

5 海洋天然氣水合物地層鉆井安全問(wèn)題研究存在的問(wèn)題及建議

近年來(lái)，海洋天然氣水合物地層鉆井安全問(wèn)題的研究取得了一系列的進(jìn)展。然而，現(xiàn)有的研究成果還不足以全面解決海洋天然氣水合物鉆井過(guò)程中可能出現(xiàn)的安全問(wèn)題。很多鉆井安全問(wèn)題無(wú)法通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究或數(shù)值模擬的方法進(jìn)行研究，如海底滑坡、氣體泄漏和破壞鉆井設(shè)備等問(wèn)題。這些問(wèn)題只能在實(shí)地鉆井項(xiàng)目中發(fā)現(xiàn)并積累經(jīng)驗(yàn)。目前的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)及數(shù)學(xué)模型主要研究鉆井液性質(zhì)及其對(duì)水合物分解/生成的影響和鉆井過(guò)程對(duì)井壁周圍地層物性的擾動(dòng)。針對(duì)目前的研究現(xiàn)狀，海洋天然氣水合物鉆井安全問(wèn)題的研究還存在以下問(wèn)題：

（1）海洋天然氣水合物地層的地質(zhì)性質(zhì)還不確定。一方面，海底地質(zhì)條件復(fù)雜，不同區(qū)域及深度的海底沉積物地質(zhì)特性變化較大[60]；另一方面，目前測(cè)井技術(shù)應(yīng)用于非均勻性泥質(zhì)儲(chǔ)層（如裂隙、薄層、互層）及膠結(jié)或骨架支撐形式的水合物儲(chǔ)層時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的誤差[61]。地層地質(zhì)特性（如固有滲透率、水合物飽和度、水合物分散形態(tài)等）是決定天然氣水合物鉆井技術(shù)的關(guān)鍵，準(zhǔn)確的地質(zhì)參數(shù)對(duì)于實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和數(shù)學(xué)模型構(gòu)建具有重要的意義。因此，需要繼續(xù)開(kāi)展復(fù)雜條件下天然氣水合物的物理化學(xué)性質(zhì)等基礎(chǔ)研究，了解復(fù)雜條件下天然氣水合物的形成條件及穩(wěn)定性等基本問(wèn)題。不斷發(fā)展和完善水合物的探測(cè)技術(shù)，側(cè)重于提高水合物地層識(shí)別和評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性。在此過(guò)程中積累鉆井操作經(jīng)驗(yàn)，并為鉆井安全問(wèn)題的研究提供堅(jiān)實(shí)的物性條件基礎(chǔ)。

（2）現(xiàn)有鉆井液體系的研究多數(shù)限于室內(nèi)研究階段，許多實(shí)驗(yàn)中效果較好的抑制劑成本較高，難以投入實(shí)際應(yīng)用。此外，目前對(duì)鉆井液的實(shí)驗(yàn)研究?jī)H重視鉆井液對(duì)水合物生成的抑制作用，對(duì)于鉆井液的流變性、懸浮性及穩(wěn)定井壁性等常規(guī)鉆井液性能研究較少[29]。因此，需要發(fā)展具有儲(chǔ)層保護(hù)能力、抑制水合物生成能力、環(huán)境友好、用量少、成本低、容易獲取、安全穩(wěn)定的水合物鉆井液體系，盡快滿足我國(guó)天然氣水合物勘探開(kāi)采的需求。

（3）水合物地層鉆井實(shí)驗(yàn)設(shè)備的設(shè)計(jì)主要有三個(gè)難點(diǎn)：一是實(shí)驗(yàn)設(shè)備要能夠創(chuàng)造高壓低溫條件用以生成水合物；二是實(shí)驗(yàn)設(shè)備要能夠較為全面地模擬實(shí)際鉆井過(guò)程；三是實(shí)驗(yàn)設(shè)備要能夠快速準(zhǔn)確地探測(cè)到水合物的相態(tài)變化。目前能夠完美解決以上三個(gè)難點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備較少，尤其對(duì)于鉆井這種有旋轉(zhuǎn)機(jī)械的設(shè)備，氣密性難以保證。因此，需要增加研究鉆井安全問(wèn)題實(shí)驗(yàn)設(shè)備的數(shù)量及模擬精度，并且需要較大尺度的實(shí)驗(yàn)?zāi)M裝置用以更加準(zhǔn)確地模擬鉆井過(guò)程。

（4）現(xiàn)有關(guān)于水合物鉆井安全問(wèn)題數(shù)學(xué)模型在水合物地層地質(zhì)參數(shù)設(shè)定、水合物物性參數(shù)設(shè)定、多相流在水合物地層中的運(yùn)移規(guī)律、鉆井液與水合物地層之間的化學(xué)反應(yīng)、水合物在復(fù)雜條件下的相平衡條件、泥餅的形成及其對(duì)井壁穩(wěn)定性的影響等方面還有待完善。此外，需要在目前準(zhǔn)靜態(tài)模型的基礎(chǔ)上發(fā)展能夠模擬鉆井鉆入地層這個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程的多維大尺度數(shù)學(xué)模型或?qū)I(yè)軟件，最終能夠通過(guò)模型或軟件提前預(yù)測(cè)井壁失穩(wěn)、氣體泄漏、海底滑坡及設(shè)備破壞等水合物鉆井安全事故。