鉆井液侵入海洋含水合物地層的一維數(shù)值模擬研究

寧伏龍，張可霓，吳能友，蔣國盛，張 凌，劉 力，余義兵

1 中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院，武漢 430074

2 美國勞倫斯伯克利國家實驗室，伯克利 94720

3 北京師范大學(xué)水科學(xué)研究院，北京 100875

4 中國科學(xué)院廣州天然氣水合物研究中心，廣州 510640

1 引 言

氣體水合物是由水分子和氣體小分子（分子直徑＜0.9nm）在低溫（通常是不到300K）和高壓（一般大于3.8MPa）條件下接觸而形成的非化學(xué)計量的籠狀結(jié)晶化合物[1］.作為主體的水分子通過氫鍵網(wǎng)絡(luò)形成籠形結(jié)構(gòu)包裹住作為客體的氣體小分子，后者通常為疏水的天然氣分子，典型的如甲烷和二氧化碳?xì)怏w，這些客體小分子通過范德華力維持“籠子”的穩(wěn)定[2-3］.因而，氣體水合物通常也稱為天然氣水合物，或簡稱水合物.自從上世紀(jì)60年代中期和80年代早期分別在永久凍土帶[4］和海洋區(qū)域[5］發(fā)現(xiàn)水合物以來，其在資源、環(huán)境和全球氣候變化中的重要意義引起了各國政府、各大油氣公司和各類學(xué)術(shù)研究機(jī)構(gòu)的極大關(guān)注，成為當(dāng)前地球科學(xué)和能源研究的一大熱點.特別是進(jìn)入21世紀(jì)以來，隨著油氣資源可采量的減少和消耗量的增加，天然氣水合物等非常規(guī)能源的勘探與開發(fā)被正式提上了議事日程.據(jù)Klauda和Sandler[6］估計，僅海域水合物里就儲存有74000Gt的甲烷，是全世界常規(guī)天然氣存量的3個數(shù)量級大，可見其資源量之豐富.因此，海洋水合物勘探與開發(fā)是現(xiàn)今及未來研究的重點.

圖1 鉆井液侵入含水合物沉積地層示意圖Fig.1 Schematic diagram of invasion of drilling fluid into gas hydrate bearing sediment

目前常用的海洋水合物勘探方法主要有地質(zhì)（如海底麻坑、泥火山、地質(zhì)微生物方法等）、地球物理、地球化學(xué)和鉆探取心.地球物理方法應(yīng)用最廣泛[7］，包括地震技術(shù)[8］、測井技術(shù)[9］和最新式的海洋電磁技術(shù)[10］，而鉆探取心則是識別和評價海洋水合物儲層最直接的方式.迄今為止，海洋水合物鉆探及相應(yīng)的地球物理測井活動主要發(fā)生在布萊克海嶺（Blake Ridge）[11］、卡斯凱迪亞大陸邊緣的水合物嶺（Hydrate Ridge）[12］、墨西哥灣[13］、日本南海海槽[14］、中國南海北部陸坡[15］、印度大陸邊緣[16］、韓國東海郁陵盆地[17］等地區(qū).盡管取得了巨大技術(shù)進(jìn)步和豐碩成果，但是仍然有三朵“烏云”籠罩在當(dāng)前海洋水合物勘探開發(fā)的天空上：儲層定量描述不足，開采技術(shù)不過關(guān)和開發(fā)應(yīng)用風(fēng)險不小.而后者就是指勘探開發(fā)過程中引發(fā)的鉆井安全（如井壁失穩(wěn)）、地質(zhì)災(zāi)害、氣候環(huán)境影響等問題.由于海域水合物地層壓實固結(jié)程度較差[18-19］，在鉆探過程中若采用欠平衡鉆井方式，則不利于井壁力學(xué)穩(wěn)定.而且水合物還會在減壓下分解，導(dǎo)致地層力學(xué)強(qiáng)度急劇降低[20-21］，越發(fā)不利于井壁穩(wěn)定和井內(nèi)安全.因此，維持孔內(nèi)壓力大于地層孔隙壓力（但不高于破裂壓力）是水合物鉆井較為可取的安全方式[22］.在此條件下，鉆井液（這里指水基鉆井液）在水力壓差的作用下驅(qū)走井壁周圍地層孔隙中的原生流體（氣、水）而侵入地層（圖1）.鉆井實踐證明，鉆井液侵入會改變井壁圍巖特性，比如巖石強(qiáng)度、孔隙壓力等[23］.與鉆井液侵入常規(guī)油氣地層所不同的是，受鉆具摩擦生熱以及鉆井液溫度影響，鉆井液侵入含水合物地層過程中還可能伴隨有水合物的分解，從而加速井壁失穩(wěn).此外，在眾多的地球物理測井屬性中，電阻率和波速受水合物的影響最突出[9］.由于海洋區(qū)域水合物賦存在固結(jié)性差的沉積物中，而聲波受壓實系數(shù)的影響較重，因此電阻率測井又比聲波測井和其他測井方法更穩(wěn)定和可靠[24-25］.但是，鉆井過程中鉆井液循環(huán)和侵入?yún)s對電阻率測井有著顯著的影響[26］.比如為抑制水合物在井內(nèi)形成和保護(hù)海洋環(huán)境，深水油氣和水合物鉆井通常采用高鹽聚合物水基鉆井液體系[27］，當(dāng)高礦化度鉆井液濾液侵入時會嚴(yán)重影響儲層特征和電阻率測井準(zhǔn)確性.而且鹽是熱力學(xué)抑制劑，其隨鉆井液侵入會使水合物相平衡曲線向左遷移，導(dǎo)致地層中水合物分解，進(jìn)一步影響測井識別評價、井周地層穩(wěn)定和井內(nèi)安全.因此，研究耦合有水合物分解的水基鉆井液侵入含水合物地層的動態(tài)特性及其對地層的影響規(guī)律對水合物安全快速鉆井、測井準(zhǔn)確識別和評價、水合物儲層保護(hù)、水合物資源和環(huán)境評估以及大洋綜合鉆探計劃孔內(nèi)水合物動態(tài)觀測系統(tǒng)實施都具有重要意義和應(yīng)用價值.

在過壓鉆井條件下，鉆井液溫度和鹽度就成為侵入過程中地層水合物穩(wěn)定與否的主要因素.若鉆井液溫度低于相應(yīng)鹽度和壓力條件下的水合物相平衡溫度（圖2A點），則鉆井液在水合物地層的侵入與在常規(guī)油氣地層中的侵入機(jī)理類似.由于海洋水合物穩(wěn)定區(qū)域地層溫度要比相應(yīng)凍土區(qū)高，且原位狀態(tài)點（溫度和壓力）離相平衡線更近（如南海神狐海域，水合物地層溫壓狀態(tài)就在相平衡邊界附近[28］），加之鉆具摩擦生熱和鉆井液中的熱力學(xué)抑制劑存在，常導(dǎo)致鉆井液溫度高于相應(yīng)壓力條件下的水合物相平衡溫度（圖2B點），使得井周水合物發(fā)生分解，因此耦合有水合物分解的鉆井液侵入含水合物地層是海洋水合物勘探開發(fā)鉆井中可能常遇到的情況.

如果忽略次要因素，鉆井液侵入水合物地層主要表現(xiàn)為壓差下鉆井液驅(qū)替滲入水合物地層和溫差（此溫差是鉆井液溫度與相應(yīng)條件下水合物相平衡溫度之間的差異而非鉆井液溫度與地層溫度之間的差異）下水合物被加熱分解.由此，耦合水合物分解的鉆井液侵入過程也可近似描述為流動方向相反的水合物儲層加熱開采過程，從而可利用現(xiàn)有的水合物開采數(shù)值模型進(jìn)行研究，只不過前者作用范圍小，僅限于井眼周圍一個有限的環(huán)形區(qū)[29］，水合物分解也只在井周一定范圍內(nèi)進(jìn)行.據(jù)此，在前期工作基礎(chǔ)上[30-31］，以墨西哥灣水合物區(qū)域為背景，利用勞倫斯伯克利國家實驗室開發(fā)的水合物開采數(shù)值模擬軟件TOUGH+HYDRATE[32］分析了一定條件下鉆井液侵入海洋水合物儲層的動態(tài)過程及其對地層的影響規(guī)律.

圖2 鉆井液溫度和水合物地層溫度關(guān)系圖Fig.2 The possible relations between the temperature of drilling fluid and the temperature of hydrate reservoirs

2 數(shù)值模型

2.1 模擬方法

TOUGH+HYDRATE軟件主要用于海洋和凍土地區(qū)天然氣水合物的開采模擬研究[33-35］，它還可與其它軟件如FLAC3D耦合用于模擬鉆井開采水合物過程中的井壁穩(wěn)定以及儲層變形等[36-37］.該軟件模型是在通用地下水滲流模擬計算程序（TOUGHV2.0）的基礎(chǔ)上結(jié)合水合物狀態(tài)方程（EOSHYDR）發(fā)展而來，模擬計算過程中，每次分步計算中的初始狀態(tài)都是基于前一次分步計算的結(jié)果.模型包括水合物形成和分解的平衡和動力學(xué)兩種模式，考慮四相（氣、液、冰、水合物）、四組分（水合物、水、甲烷、鹽等水溶性抑制劑），各組分存在于各相中[32］，可模擬降壓、注熱、加入抑制劑條件下的水合物分解反應(yīng)、相行為以及相應(yīng)儲層流體的傳熱傳質(zhì)作用[38］.本文研究采用水合物形成和分解的平衡模式，不考慮化學(xué)力學(xué)耦合，忽略擴(kuò)散作用，鉆井液中只含熱力學(xué)抑制劑NaCl.同時假設(shè)水合物均勻分布在孔隙中，地層各向同性，從而使侵入問題簡化為一個一維平面徑向多相流驅(qū)替問題.其中控制侵入過程傳熱傳質(zhì)特性的關(guān)鍵參數(shù)方程主要有地層相對滲透率、毛管力、導(dǎo)熱系數(shù)和孔隙壓力，在本文模擬中采用的相應(yīng)計算方程如下：

1）相對滲透率模型[39］為

式（1）中，krA為液相相對滲透率；krG為氣相相對滲透率；SA為液相飽和度；SG為氣相飽和度；SirA為束縛水飽和度，取值為0.1；SirG為束縛氣飽和度，取值為0.01；n=nG=3.4.

毛管壓力計算公式為[40］

式（2）中，Pcap為毛管壓力；λ取值0.77437；SirA取值0.095；SmxA為最大液相飽和度，取值為1.0；P0為初始壓力，取值為103Pa，Pmax=106Pa.

地層綜合導(dǎo)熱系數(shù)λc計算公式為[41］

式（3）中，SH為水合物飽和度；λHs為只含水合物的沉積地層導(dǎo)熱率，λs為水飽和沉積地層導(dǎo)熱率；海洋環(huán)境下地層內(nèi)無冰出現(xiàn)，因此，SI=0.

由于水合物分布在未固結(jié)的沉積物中，且距海底近，因此可認(rèn)為孔隙水相互連通并與底層水相連，沉積物中孔隙水壓力即為靜水壓力[42］，從而可用下面經(jīng)驗公式計算孔隙水壓力[7］：

式（4）中，Ppw為孔隙水壓力，MPa；Patm為大氣壓，其值為0.101325MPa；h為水深；z為海底沉積物距海底的深度；h和z的單位為m，g為重力加速度，ρsw為平均海水密度，是水深、溫度和鹽度的函數(shù)，通?？扇?035kg／m3[35］.

水合物相平衡模型[43］

式（5）為Lw-H-V三相平衡時溫度和壓力擬合關(guān)系式，Pe為水合物相平衡壓力，MPa；Te為平衡溫度，K.

2.2 模擬參數(shù)

采用軸對稱的圓柱坐標(biāo)系，鉆孔位于圓柱中心處，取鉆孔直徑為150mm，鉆桿直徑取90mm，環(huán)空間隙為30mm.由于泥漿侵入作用范圍小，僅限于井眼周圍一個有限的環(huán)形區(qū)域[29］，因此取井徑的20倍即3m作為井周研究范圍.由于假設(shè)地層均質(zhì)，因此在水合物層中間位置取一厚度為0.1m的薄層做為研究對象，沿徑向剖分成90個單元.鉆孔環(huán)空中相應(yīng)區(qū)域的泥漿被劃分為一個單元格，并設(shè)成固定內(nèi)邊界，即溫度和壓力保持恒定（圖3）.

墨西哥灣北部陸坡是現(xiàn)今海洋水合物勘探開發(fā)的熱點地區(qū)之一[44］，特別是美國能源部（DOE）和雪佛龍石油公司（Chervon）聯(lián)合主導(dǎo)實施了兩個階段的墨西哥灣水合物聯(lián)合工業(yè)計劃（簡稱JIP I和JIP II）取得了豐碩的成果（圖4）[13］.該區(qū)域水合物主要分布在水深500～2000m的海底[45-46］，一般賦藏于海底2m以下的沉積層.水合物飽和度變化也很大[46］，如在JIP II鉆探取心航次中就發(fā)現(xiàn)砂巖中水合物飽和度范圍在50%～90%之間[47］.據(jù)此，模擬中選取的水合物初始飽和度為50%.根據(jù)墨西哥灣已有地球物理和鉆探取心資料，設(shè)定水合物層溫度為8℃，海水深度為800m，水合物層距海底176m.根據(jù)公式（4）算得該處壓力約為10MPa，滿足此鹽度條件下水合物形成和穩(wěn)定的溫壓條件[13］.實際海洋水合物鉆井中，通常選用海水造漿，因此鹽含量與地層孔隙水鹽度相同，取3.5%，并假定全部是NaCl.鉆井液密度設(shè)為1250kg／m3，則計算出侵入處井內(nèi)壓力約為12MPa.侵入處鉆井液溫度設(shè)為15℃，海底飽和水沉積物導(dǎo)熱系數(shù)λs取3.1W·m-1·℃-1，只含水合物沉積物層導(dǎo)熱系數(shù)λHs取0.85W·m-1·℃-1.水合物層孔隙中只包含兩相，分別是水合物相和水相，其中水合物的初始飽和度SH為50%，水的飽和度Sw為50%.水合物層中的海底沉積物密度ρ取2600kg／m3.水合物層的孔隙度Φ取35%.由于缺乏墨西哥灣水合物區(qū)域沉積物絕對滲透率參數(shù)實測值，此處借鑒常規(guī)砂巖地層K取2.96×10-13m2.其它未說明參數(shù)則根據(jù)文獻(xiàn)[28］和[35］取值.主要地層物理性質(zhì)和參數(shù)見表1.

表1 模擬采用的參數(shù)值Table 1 Parameters of formation and drilling fluid in simulations

3 結(jié)果分析

3.1 侵入過程中地層物性變化特征

圖5a—c表明當(dāng)井眼打開后，鉆井液迅速滲入井壁，驅(qū)替地層原有流體和固體顆粒，導(dǎo)致井壁附近地層孔隙壓力、溫度、含水量迅速增加.同時井壁附近水合物受熱分解成水和氣（圖5d），也即侵入過程中還伴隨有相變行為，這是與鉆井液侵入常規(guī)油氣地層的主要區(qū)別.井壁附近（圖5c中距井壁0.75m內(nèi)）含水量高達(dá)100%是因為此區(qū)域內(nèi)水合物已完全分解，從而使得孔隙空間完全被侵入鉆井液和分解產(chǎn)生的水所填充.隨后區(qū)域含水量會急劇降低，甚至低于初始含水飽和度（50%），這是因為水合物還在分解，而侵入驅(qū)替導(dǎo)致氣體飽和度增加，從而使得相應(yīng)的含水飽和度降低（可對比圖5c、圖5d和圖5e 12h后的曲線）.圖5a和圖5b還表明，隨著時間的推移，鉆井液侵入量增多，溫度和壓力逐漸向四周傳遞.在開始階段地層壓差較大，隨著壓力擴(kuò)散，曲線變緩.在井周附近（圖5a距井壁1m內(nèi)），由于水合物分解劇烈，分解程度高，產(chǎn)生的水氣導(dǎo)致孔隙壓力比沒有水合物分解時高[49］.而水合物分解也導(dǎo)致地層滲透性變好，從而使得壓力擴(kuò)散容易，壓力分布曲線變緩，也即意味著水合物分解使得鉆井液侵入導(dǎo)致的孔隙壓力增加幅度值比侵入常規(guī)油氣地層的高.孔隙壓力增大會使骨架應(yīng)力降低，使地層抵抗破壞的能力下降，井壁也就容易失穩(wěn).而且水合物分解還會急劇降低井壁圍巖力學(xué)強(qiáng)度，使地層抵抗破壞的能力下降[20-21，50］，從而加劇井壁失穩(wěn)風(fēng)險.特別是在近井壁區(qū)域，由于受井內(nèi)溫度擾動大，水合物分解比較劇烈，孔隙壓力增加程度高，相應(yīng)也是井壁最脆弱的地帶.因此，耦合水合物分解的鉆井液侵入水合物地層會帶來比常規(guī)海洋深水鉆井作業(yè)更大的井壁失穩(wěn)問題.而在離井壁較遠(yuǎn)處（圖5c中1m之外），由于水合物分解程度低，使得孔隙壓力擴(kuò)散規(guī)律與常規(guī)地層侵入類似.隨著時間的推移，水合物分解程度逐漸增加，井周水合物分解前緣逐漸向地層深處推進(jìn)（圖5d）.開始分解的氣量少，都溶解在孔隙水中，隨著分解程度增加，游離氣量逐漸提高（圖5e）.同時分解也會稀釋地層孔隙水鹽度，使得礦化度降低，加之分解的游離氣體和重新形成的水合物導(dǎo)致在井周存在一個 “較高電阻”環(huán)帶（“較高”是相比較于原始地層電阻率來說，如圖5d—f中距井壁1.8m范圍內(nèi).盡管近井周水合物飽和度降低會相對降低此區(qū)域電阻率值，但是分解產(chǎn)生的游離氣又會使此區(qū)域電阻率升高并超過水合物飽和度降低的影響，因此整體電阻率仍變大[51］.也即在地層離子總數(shù)一定的條件下，水合物分解稀釋作用并不是控制地層高視電阻率的主要因素，分解產(chǎn)生的游離氣體對地層電阻率影響很大.此外由于水合物分解是吸熱反應(yīng)，因此導(dǎo)致井周1m內(nèi)地層溫度急劇降低（圖5b）.從圖5e還可以發(fā)現(xiàn)，侵入導(dǎo)致的孔隙壓力升高和水合物分解吸熱導(dǎo)致的溫度降低（其中還耦合有節(jié)流降溫效應(yīng)）以及傳熱滯后又使得部分分解的氣體與孔隙水反應(yīng)在地層某一位置重新形成水合物（常稱為“二次水合物”[52-53］），使含氣量降低一定值，在相應(yīng)含氣飽和度分布圖上表現(xiàn)為若干“凹坎”.其實鉆井液侵入導(dǎo)致的二次水合物形成機(jī)理類似于用天然氣注入含水合物巖心測試其滲透性，后者在實驗中發(fā)現(xiàn)有額外水合物形成[54］.此外，水合物分解導(dǎo)致的孔隙水鹽度的降低也有利于二次水合物形成[53］.而水合物形成屬于放熱反應(yīng)，因此導(dǎo)致溫度曲線放緩，即溫度降低趨勢變緩，如圖5b所示.總的來看，在模擬條件下，24h后井周0.65m左右的范圍內(nèi)已基本無水合物存在，而此時二次水合物形成位置大約在0.7～1.0m范圍內(nèi)（圖5d—e）.

圖5 侵入過程中不同時刻井周地層物性參數(shù)變化規(guī)律（a）不同時刻井周地層壓力分布圖；（b）不同時刻井周地層溫度隨時間變化規(guī)律；（c）不同時刻井周液態(tài)水量分布；（d）不同時刻井周水合物飽和度分布；（e）不同時刻井周含氣飽和度分布；（f）不同時刻井周鹽度分布.Fig.5 The variation of physical properties of sediment around the borehole as a function of distance during mud invasion（a）The distribution of pore pressure around borehole；（b）The distribution of temperature around borehole；（c）The distribution of water saturation around borehole；（d）The distribution of hydrate saturation around borehole；（e）The distribution of free gas saturation around borehole；（f）The distribution of NaCl concentration around borehole.

3.2 鉆井液密度對侵入的影響

圖6 不同鉆井液密度侵入條件下井周地層物性徑向分布規(guī)律（a）不同鉆井液密度條件下井周地層水合物飽和度分布（t=2h）；（b）不同鉆井液密度條件下井周地層溫度分布（t=2h）；（c）不同鉆井液密度條件下井周地層游離氣含量分布（t=2h）；（d）不同鉆井液密度條件下井周地層水鹽度分布（t=2h）.Fig 6 The distribution of physical properties of sediment around borehole under the invasion conditions of different mud densities（a）The distribution of hydrate saturation around borehole（t=2h）；（b）The distribution of temperature around borehole（t=2h）；（c）The distribution of free gas saturation around borehole（t=2h）；（d）The distribution of NaCl concentration around borehole（t=2h）.

在海洋常規(guī)油氣或水合物鉆井活動中，保證鉆井安全比如防止井壁失穩(wěn)和井涌甚至井噴的常規(guī)做法是增加鉆井液密度，即增加井內(nèi)壓力.井內(nèi)壓力的增加會使井內(nèi)和地層水力壓差變大從而影響鉆井液侵入.在同等溫度和鉆井液鹽度條件下，模擬改變鉆井液密度到1560kg／m3，即侵入處壓力約為15MPa，可以發(fā)現(xiàn)，鉆井液密度越大，侵入越深，熱量傳遞越快越遠(yuǎn)，導(dǎo)致整體水合物分解程度越大（圖6a），剩余水合物量越少.而壓力高時，會加快近井壁地層壓力擴(kuò)散，從而消除部分水合物分解產(chǎn)生的孔隙壓力增加的影響.此外，壓力高也會一定程度上減緩井周附近水合物分解速度，使得溫度降低程度較小，而高壓力也會促使更多的分解氣體重新形成水合物，因而溫度升高程度更大（圖6b）.高壓力也會增加孔隙水中的氣體溶解量，加之更多二次水合物的形成，從而使得地層中無游離氣存在（圖6c）.此外，壓力越高，整體水合物分解程度越大，水合物分解稀釋作用范圍越寬（圖6d）.因此，若鉆井液溫度高于水合物相平衡穩(wěn)定溫度，為更好地維持井壁穩(wěn)定和保證測井準(zhǔn)確性，應(yīng)控制鉆井液密度在合適范圍內(nèi)，而不是越大越好，否則不僅會有壓裂地層的風(fēng)險，反而還會增加井壁失穩(wěn)（因水合物分解程度增加）和測井失真（因水合物分解稀釋作用）概率，最好是采用控制壓力鉆井（MPD）方式.

3.3 鉆井液溫度對侵入的影響

在研究鉆井液侵入常規(guī)油氣地層時，通常將這一過程視為等溫侵入[55］，即忽略鉆井液溫度對其影響[23］.但是在水合物地層，由于有相變的存在，需要考慮溫度效應(yīng).模擬發(fā)現(xiàn)，在同等壓力和鉆井液鹽度條件下，當(dāng)高于水合物穩(wěn)定溫度時，鉆井液溫度越高水合物分解程度越大（圖7a—b），侵入的影響深度越遠(yuǎn)（圖7b—c）.鉆井液侵入的驅(qū)替推擠作用使得分解的氣體和水向地層深處聚集并相應(yīng)地使孔隙水壓力升高，而水合物分解吸熱導(dǎo)致的地層降溫加之傳熱的滯后等因素共同作用又導(dǎo)致分解的氣體和孔隙水重新在地層某處形成二次水合物.二次水合物加上原始未分解完水合物使得該區(qū)域水合物飽和度甚至高于原位水合物飽和度，即形成一個“高飽水合物環(huán)”（圖7b，圖7d），相應(yīng)在含水量分布上存在一個“低飽環(huán)”（圖7c）.鉆井液與地層溫差越大時，此特征越明顯，形成的二次水合物飽和度越大，環(huán)的范圍越寬.而高飽水合物的形成，也降低了地層滲透性[56］，阻礙了鉆井液的侵入，延滯了孔隙壓力擴(kuò)散（圖7d—e），導(dǎo)致有更多的氣體和水滯留在此區(qū)域從而不斷形成二次水合物，最終在地層中出現(xiàn)一個水合物飽和度峰值（圖7b，侵入兩小時后，此位置大約在距井壁0.6m處）.可以推測，隨著時間推移，這個峰值位置和大小是不斷動態(tài)遷移的.此外，溫度越高，水合物分解產(chǎn)生的水也越多，從而導(dǎo)致孔隙水鹽度降低越大，而后續(xù)高飽水合物的形成又導(dǎo)致孔隙水鹽度急劇升高（圖7f）.因此在水合物鉆井過程中應(yīng)嚴(yán)格控制井內(nèi)溫度，盡可能確保鉆井液低溫循環(huán).

圖7 不同鉆井液溫度侵入條件下井周地層物性徑向分布規(guī)律（a）不同鉆井液溫度條件下研究區(qū)域累積分解氣量；（b）不同鉆井液溫度條件下井周水合物飽和度分布（t=2h）；（c）不同鉆井液溫度條件下井周含水量分布（t=2h）；（d）鉆井液侵入過程中“高飽水合物環(huán)”形成示意圖；（e）不同鉆井液溫度下井周地層壓力分布（t=2h）；（f）不同鉆井液溫度條件下井周鹽度分布（t=2h）.Fig.7 The distribution of physical properties of sediment around the borehole under the invasion conditions of different mud temperatures（a）The accumulative gas from hydrate dissociation；（b）The distribution of hydrate saturation（t=2h）；（c）The distribution of water saturation （ t=2h）；（d）The occurrence of high saturation hydrate ring；（e）The distribution of pore pressure （t =2h）；（f）The distribution of NaCl concentration（t=2h）.

3.4 鉆井液鹽含量對侵入的影響

在海洋深水油氣及水合物鉆井時，為改善鉆井液性能并防止水合物在井筒或防噴器處形成和聚集，通常會考慮加入較高含量的一些無機(jī)鹽處理劑比如NaCl和KCl，這些鹽類屬于熱力學(xué)水合物形成抑制劑，也即會有有利于水合物分解.圖8a表明在同等條件下，鉆井液含鹽越高，則鉆井液侵入導(dǎo)致水合物分解程度越大.原因其一是鹽是熱力學(xué)抑制劑，導(dǎo)致水合物相平衡曲線向左遷移從而有利于分解；其二是鹽含量的增加也有利于流體傳熱，因為鹽的導(dǎo)熱率通常比沉積物高3～4倍[57］.由此導(dǎo)致高鹽含量的鉆井液具有更好的導(dǎo)熱性能，熱量能夠更快地在鉆井液和地層之間傳導(dǎo).所以在圖8b中可以發(fā)現(xiàn)水合物分解吸熱導(dǎo)致的地層降溫和二次水合物形成放熱導(dǎo)致的地層升溫都很劇烈，曲線表現(xiàn)的很陡.高鹽含量的鉆井液侵入同樣會產(chǎn)生和較高鉆井液溫度侵入類似的“高飽水合物環(huán)帶”（圖8c）.此外，同樣由于二次水合物的形成，延滯了鉆井液侵入過程中的壓力擴(kuò)散（圖8d），阻礙了鉆井液的持續(xù)侵入.鹽度越高，這一趨勢越明顯.盡管水合物分解產(chǎn)生的水對鉆井液侵入有一定稀釋作用，分解氣也會使電阻率升高，但是高鹽度鉆井液侵入時，仍然最大可能還是表現(xiàn)為“低侵”，即在電阻率測井動態(tài)響應(yīng)特征上，表現(xiàn)為側(cè)向視電阻率下降.因此，在海洋水合物地層鉆井時，應(yīng)盡量選用低礦化度的鉆井液體系，即少添加會影響井周水合物穩(wěn)定和測井結(jié)果的無機(jī)鹽類.

圖8 不同鉆井液鹽度侵入條件下井周地層物性徑向分布規(guī)律（a）不同鉆井液鹽含量下研究區(qū)域累積分解氣量；（b）不同鉆井液鹽含量下井周地層溫度分布（t=2h）；（c）不同鉆井液鹽含量下井周水合物飽和度分布（t=2h）；（d）不同鉆井液鹽含量下井周地層壓力分布（t=2h）.Fig 8 The distribution of physical properties of sediment around the borehole under the invasion conditions of different mud salinities（a）The accumulative gas from hydrate dissociation；（b）The distribution of temperature（t=2h）；（c）The distribution of hydrate saturation e（t=2h）；（d）The distribution of pore pressure（t=2h）.

4 討 論

上述模擬結(jié)果表明在地層物性一定條件下，影響鉆井液侵入含水合物地層的主要因素為鉆井液密度、溫度、鹽度和侵入時間.當(dāng)鉆井液溫度高于地層中水合物穩(wěn)定溫度時，鉆井液侵入會導(dǎo)致井周地層中水合物分解，而分解產(chǎn)生的氣體被侵入的濾液驅(qū)替推擠從而在地層中一定區(qū)域內(nèi)聚集，侵入導(dǎo)致的孔隙水壓力增加、耦合有節(jié)流效應(yīng)的水合物分解吸熱降溫作用以及地層傳熱滯后共同導(dǎo)致聚集的氣體重新形成水合物.因此鉆井液在含水合物地層侵入過程中常耦合有水合物分解以及二次水合物形成，這是與常規(guī)油氣地層侵入的一個主要區(qū)別.甚至在一定條件下形成的二次水合物疊加原位水合物使得該區(qū)域內(nèi)水合物飽和度高于地層原始水合物飽和度，從而在井周形成一個“高飽水合物環(huán)帶”.而水合物分解及其再形成又會反過來改變地層溫度和孔隙水壓力，進(jìn)而影響鉆井液侵入.因此，鉆井液在含水合物地層中的侵入實際上是一個熱（鉆井液與地層溫度差）-液（鉆井液與地層水力壓差導(dǎo)致的侵入）-化（水合物分解和再形成）相互耦合的動態(tài)過程.

事實上，上述侵入過程還應(yīng)包括力學(xué)耦合.如前所示，水合物分解會極大地降低地層力學(xué)強(qiáng)度[20-21，58］.此外，水合物分解和鉆井液侵入還會增加井周含水量和孔隙水壓力.增加的孔隙水壓力通常也被稱為過壓（overpressure）或者超孔隙壓力（excess pore pressure）[59-62］.根據(jù) Biot孔隙介質(zhì)力學(xué)理論[63］，孔隙水壓力增加會相應(yīng)降低地層的有效應(yīng)力從而使井周地層失穩(wěn)風(fēng)險增加[58-59］.特別是對于那些松軟細(xì)粒的以泥質(zhì)含量為主的海洋水合物地層，比如在南海北部陸坡[15］和印度大陸邊緣[16］某些水合物儲層，鉆井液侵入及水合物分解產(chǎn)生的氣侵甚至可能壓裂地層從而形成裂隙[64-65］.因此，耦合有水合物分解的鉆井液侵入會帶來比在常規(guī)油氣地層更嚴(yán)重的井壁失穩(wěn)風(fēng)險，特別是近井壁區(qū)域，如本文模擬案例中的井周0.65m范圍內(nèi).

此外，鉆井液在含水合物地層侵入導(dǎo)致的另一個不可忽視的影響是對測井識別與解釋的干擾.與冰類似，在電阻率測井解釋模型中，地層中的水合物通常被看成不導(dǎo)電組分.因而當(dāng)有水合物存在時，地層電阻率將明顯升高[20，66-67］，在電阻率測井動態(tài)響應(yīng)特征上，表現(xiàn)為較高的視電阻率[9，68-69］.由于目前水合物鉆探大部分都是直接采用海水作為鉆井液，根據(jù)上述模擬結(jié)果可以推測，當(dāng)鉆井液溫度高于地層中水合物相平衡溫度，其侵入可能產(chǎn)生的“高飽水合物環(huán)帶”、水合物分解稀釋作用以及分解產(chǎn)生的游離氣體會共同作用導(dǎo)致在井周可能形成一個“高視電阻率環(huán)帶”.這個高視電阻率帶會使測井獲得的地層電阻率值比實際的大，從而使測井解釋結(jié)果失真.因而在用下列阿爾奇（Archie）公式[70］或者印度尼西亞（Indonesian）方程[71］估算儲層水合物飽和度時，就會產(chǎn)生較大的偏差.

阿爾奇公式為

印度尼西亞方程為

式（6）和（7）中，Rw為地層原生水的電阻率，a和m是阿爾奇常數(shù)，Φ是孔隙度，n是飽和度指數(shù)，Rt是含水合物地層電阻率，Vsh是頁巖含量，Rsh是頁巖電阻率.顯然在其它參數(shù)一定條件下，侵入導(dǎo)致的較高地層電阻率Rt會使得計算出的Sw偏小，也即估算的水合物飽和度SH會偏大.在墨西哥灣JIP計劃水合物鉆探過程中，就發(fā)現(xiàn)通過測井估算的水合物飽和度整體都比通過地震數(shù)據(jù)估算的水合物飽和度高[72］，我們推測導(dǎo)致上述水合物飽和度差異的原因之一很可能就是鉆井液侵入產(chǎn)生的高電阻率影響.同樣，2006年進(jìn)行的印度國家水合物勘探航次（NGHP-01）中，在Krishna-Godavari盆地也發(fā)現(xiàn)利用測井?dāng)?shù)據(jù)并采用常規(guī)阿爾奇公式計算得到的水合物飽和度（≥50%）遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于通過壓力巖心分析估算出的水合物飽和度值（≤26%）[67］.而2007年在南海神狐海域?qū)嵤┑奈覈状魏Ｑ笏衔镢@探計劃（GMGS-1）中，也發(fā)現(xiàn)淺探測電阻率值比深探測電阻率整體上高約0.3Ωm.由淺至深，深、淺探測電阻率值呈緩慢上升趨勢[73］.利用ZKl孔的相關(guān)測井?dāng)?shù)據(jù)，采用快速阿爾奇公式和印度尼西亞方程計算出的水合物飽和度值都高于現(xiàn)場孔隙水淡化分析得到的水合物飽和度，尤其是印度尼西亞公式求出的飽和度值大于50%，而由現(xiàn)場孔隙水淡化分析得到的天然氣水合物飽和度一般小于48%[73］.除了孔隙度誤差、泥質(zhì)含量計算誤差以及參數(shù)m和n的選取誤差外，很可能還包括測井之前鉆井液侵入和水合物分解及再形成導(dǎo)致的地層高電阻率影響.而根據(jù)我們的模擬結(jié)果，甚至可以推測這一誤差超過了前述3個因素.然而當(dāng)鉆井液鹽度高于地層鹽度很多時，模擬發(fā)現(xiàn)鉆井液侵入后地層鹽度仍然升高，即表現(xiàn)為低電阻率侵入，但是水合物分解和再形成則會一定程度削弱這種影響，最終井周鹽度（或礦化度）分布實際上是鉆井液鹽度、水合物分解和再形成程度的綜合結(jié)果.因此，鉆井液侵入和水合物分解及二次水合物形成對水合物測井響應(yīng)特征的影響很復(fù)雜，使得測井解釋難度加大.今后在用測井方法識別和評估海洋水合物資源量時，應(yīng)當(dāng)考慮鉆井液侵入對測井的影響并進(jìn)行適當(dāng)校正.

5 結(jié)論和建議

利用勞倫斯伯克利國家實驗室開發(fā)的水合物開采數(shù)值模擬軟件TOUGH+HYDRATE模擬分析了水基鉆井液侵入海洋含水合物地層過程及其對井周地層的影響，初步掌握了在過平衡鉆井條件下，當(dāng)鉆井液溫度高于地層水合物穩(wěn)定溫度時鉆井液侵入含水合物地層的基本特征：

1）鉆井液在含水合物地層中的侵入過程是一個耦合相變的非等溫非穩(wěn)態(tài)的驅(qū)替滲流和擴(kuò)散過程，伴隨有水合物分解和再形成是鉆井液侵入水合物地層與侵入常規(guī)油氣地層的主要區(qū)別.在一定地層物性條件下，鉆井液侵入過程中影響井周水合物穩(wěn)定和二次水合物形成的主要因素為鉆井液密度、溫度和鹽度.鉆井液侵入的驅(qū)替推擠、耦合節(jié)流降溫效應(yīng)的水合物分解吸熱以及地層傳熱滯后等因素共同作用導(dǎo)致分解的氣體和孔隙水重新形成水合物并可能高于原位水合物飽和度，形成一個“高飽水合物環(huán)帶”.

2）在一定地層物性的條件下，“高飽水合物環(huán)帶”的出現(xiàn)與否主要受鉆井液溫度和鹽度控制.而水合物分解產(chǎn)生的游離氣體、水合物分解稀釋作用以及“高飽水合物環(huán)帶”共同作用可能導(dǎo)致在井周形成一個“高視電阻率環(huán)帶”，從而使測井解釋結(jié)果失真.

3）水合物地層鉆井時，為保證井壁穩(wěn)定、井內(nèi)安全和測井準(zhǔn)確，應(yīng)對鉆井液溫度、密度、鹽度和濾失量進(jìn)行嚴(yán)格控制，防止地層中的水合物大量分解.最好采用控制壓力鉆井方式（MPD），保持較低的正壓差，同時盡量選用低礦化度的含有適量暫堵劑的鉆井液體系，即少添加會影響測井結(jié)果和水合物穩(wěn)定的鹽類，而適量加入暫堵劑則有利于降低井周地層滲透率，降低鉆井液侵入程度.鉆井液循環(huán)則采取低溫快速策略，但是低溫有可能導(dǎo)致分解溢出的游離氣重新在井內(nèi)形成水合物并聚集，因此最好向鉆井液中加入水合物動力學(xué)抑制劑或防聚劑而不是鹽類等熱力學(xué)抑制劑.模擬結(jié)果還表明，當(dāng)鉆井條件超過水合物穩(wěn)定區(qū)域時，在水合物地層即使采用隨鉆測井方式也可能會不準(zhǔn)確，因為鉆井液侵入和水合物分解很迅速，所以測井時最好停鉆較長時間并采用深側(cè)向電阻率測井方式.

總之，鉆井液是實現(xiàn)水合物安全鉆探和儲層精確評估的關(guān)鍵，設(shè)計合適的鉆井液體系是水合物地層鉆井工作中最為重要的一環(huán).后續(xù)還需結(jié)合實際水合物鉆井情況進(jìn)一步研究鉆井液侵入和水合物分解影響范圍以及地層物性如滲透性、孔隙度和水合物飽和度對耦合有水合物分解的鉆井液侵入的影響規(guī)律，從而為今后含水合物地層測井響應(yīng)識別和反演校正、井壁穩(wěn)定評估以及儲層傷害評價奠定堅實的理論基礎(chǔ).

致 謝 感謝美國勞倫斯伯克利國家實驗室的George Moridis博士和斯倫貝謝石油公司研究員徐文躍博士對本文模型建立和理論分析的指導(dǎo).

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