海底天然氣水合物地層鉆井建議

朱玲

摘要：天然氣水合物是一種清潔高效能源，對(duì)海底天然氣水合物地層進(jìn)行鉆井是研究海底天然氣水合物及獲得海底地層油氣資源最直接的手段之一，但海底天然氣水合物地層地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，鉆井面臨諸多風(fēng)險(xiǎn)。本文分析了天然氣水合物的鉆井特點(diǎn)，提出幾點(diǎn)應(yīng)對(duì)措施。

關(guān)鍵詞：天然氣水合物；鉆井；應(yīng)對(duì)措施

天然氣水合物因其儲(chǔ)量巨大、分布范圍廣、能量密度高且燃燒產(chǎn)物潔凈而被公認(rèn)為 21 世紀(jì)的重要后續(xù)能源，其研究已成為當(dāng)今能源科學(xué)研究的熱點(diǎn)之一[1]。對(duì)海底水合物地層進(jìn)行鉆井時(shí)可能會(huì)帶來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[2]。

1.海底天然氣水合物地層賦存特性

天然氣水合物在自然界中能夠穩(wěn)定存在，主要取決于溫度、壓力、氣體組分、飽和度和孔隙水組成，其結(jié)晶和生長速度還取決于沉積物顆粒大小、形狀和組成。海底天然氣水合物主要賦存于海底淺表層的新生代地層中，該地層中沉積物主要來源于沉積速率大、富含有機(jī)質(zhì)的新生代陸源沉積[2]。水合物藏上部缺乏壓實(shí)作用，地層的力學(xué)強(qiáng)度較低，地層中的水合物在介質(zhì)中起膠結(jié)作用，水合物的存在會(huì)顯著提高沉積層的力學(xué)強(qiáng)度，若水合物大量分解，將會(huì)降低井壁圍巖的穩(wěn)定性，地層抗破壞能力將下降，導(dǎo)致井壁失穩(wěn)垮塌[3]。

2.海底天然氣水合物地層鉆井潛在的風(fēng)險(xiǎn)

2.1 地層中水合物對(duì)鉆井工程的影響

對(duì)海底天然氣水合物地層鉆井時(shí)，鉆具對(duì)海底地層進(jìn)行破壞導(dǎo)致儲(chǔ)層井壁和井底附近地層應(yīng)力釋放，海底地層壓力降低；在鉆進(jìn)過程中，摩擦產(chǎn)生大量的熱并且鉆井液與地層間的熱交換將引起水合物層的溫度升高；海底水合物層對(duì)溫度、壓力條件極為敏感，當(dāng)?shù)貙訙囟壬?、壓力降低時(shí)將導(dǎo)致地層中的水合物發(fā)生分解，并且鉆井液中的無機(jī)鹽和有機(jī)醇類水合物熱力學(xué)抑制劑也會(huì)促進(jìn)地層中水合物的分解。

海底天然氣水合物層具有較高的靜水壓力和較低的環(huán)境溫度，水合物地層中分解的大量氣體涌入鉆井管線后，使鉆井管線內(nèi)壓力急劇升高，鉆井液與溫度較低的外界地層進(jìn)行熱交換導(dǎo)致自身溫度下降，從而在鉆井管線內(nèi)重新生成水合物；當(dāng)鉆至水合物層之下的游離氣層時(shí)，其壓力可能更高，規(guī)?？赡芨?，當(dāng)大量游離氣涌進(jìn)鉆井管線時(shí)，也會(huì)導(dǎo)致管線中水合物生成。

2.2 鉆井所誘發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害

海底天然氣水合物主要發(fā)育在合適溫度和壓力條件下的穩(wěn)定帶中，該區(qū)域內(nèi)的溫度和壓力處于水合物形成和穩(wěn)定存在的熱力學(xué)范圍內(nèi)。對(duì)海底天然氣水合物地層進(jìn)行鉆井時(shí)，鉆井過程引起的地層壓力下降和溫度上升都將導(dǎo)致水合物分解，水合物分解產(chǎn)生大量的氣體和少量的水，使得處于準(zhǔn)膠結(jié)穩(wěn)定態(tài)的水合物與海底地層失穩(wěn)，釋放出的氣體和水為沉積層的大規(guī)模移動(dòng)創(chuàng)造了條件。若分解產(chǎn)生的氣體在沉積層孔隙內(nèi)不能迅速消散，那么將導(dǎo)致孔隙內(nèi)產(chǎn)生很大的超靜孔隙壓力，使得骨架的有效應(yīng)力減小，沉積層的承載能力降低，引發(fā)海底滑坡、塌陷，甚至海嘯等自然災(zāi)害，對(duì)海底電纜、通訊光纜、鉆井平臺(tái)等造成威脅或破壞。

2.3 環(huán)境效應(yīng)

天然氣水合物的主要成分甲烷是一種溫室效應(yīng)極強(qiáng)的氣體，呈輻射狀活動(dòng)，其溫室效應(yīng)是二氧化碳的21倍[4]。海底水合物層進(jìn)行鉆井時(shí)影響了水合物層的穩(wěn)定性，釋放出大量甲烷，并最終進(jìn)入大氣圈，使大氣中的甲烷濃度隨海底天然氣水合物的分解而增加，對(duì)全球大氣組分變化造成巨大沖擊，影響到全球氣候變化走勢(shì)。

3.海底天然氣水合物地層鉆井建議

海底天然氣水合物地層鉆井所面臨的風(fēng)險(xiǎn)主要來源于地層中的水合物大量快速分解以及鉆井過程在井筒中所形成的水合物，因此，在水合物地層鉆井時(shí)必須要防止地層中的水合物大量分解，同時(shí)也要防止進(jìn)入井筒中的天然氣在鉆井管線中形成水合物。

3.1 精密規(guī)劃鉆井方案

在海底水合物地層進(jìn)行鉆井時(shí)，為防止海底地層中的天然氣水合物大量分解及進(jìn)入鉆井管線中的游離氣形成水合物，可設(shè)計(jì)良好的鉆井方案來達(dá)到此目的。天然氣水合物的穩(wěn)定性受溫度和壓力的嚴(yán)格控制，在海底天然氣水合物地層進(jìn)行鉆井時(shí)，可通過設(shè)計(jì)良好的鉆井方案來控制鉆井過程中的溫度和壓力。對(duì)鉆井過程的溫度的控制可通過控制鉆井液溫度來實(shí)現(xiàn)，但在海洋深水鉆井中，鉆井管線復(fù)雜，循環(huán)過程中鉆井液使用量巨大，并且還需要考慮地層的破壞壓力和鉆井液的流動(dòng)特性等問題。因此通過單一控制鉆井回路中鉆井液的溫度來防止水合物的分解/形成的運(yùn)行成本很高，經(jīng)濟(jì)效益較差，不適用于長時(shí)間鉆井。對(duì)鉆井過程中壓力的控制可通過調(diào)節(jié)鉆井液的密度來實(shí)現(xiàn)，然而，根據(jù)地層及鉆井條件，尤其是海底天然氣水合物地層條件復(fù)雜，鉆井液密度需要控制在一定范圍內(nèi)，為控制鉆井管線中的壓力所需的鉆井液密度并不一定滿足鉆井地層需求，所以靠調(diào)節(jié)鉆井液密度來控制鉆井過程中的壓力仍具有一定的局限性。地層中的水合物只有當(dāng)相平衡狀態(tài)被破壞以后才能分解，而井筒中的游離氣需要達(dá)到相平衡狀態(tài)才能形成水合物，因此在海洋天然氣水合物地層鉆井時(shí)，根據(jù)實(shí)際地層特征，對(duì)鉆井過程中的溫度和壓力實(shí)行聯(lián)合控制，在滿足經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)保證地層中的水合物不會(huì)大量分解并且鉆井管線中也不會(huì)形成水合物。

3.2 采用具有水合物抑制性的水基鉆井液

水合物動(dòng)力學(xué)抑制劑，相對(duì)于傳統(tǒng)的熱力學(xué)抑制劑，其特點(diǎn)是不改變體系生成水合物的熱力學(xué)條件，而是大幅度降低水合物的生成速度，確保在鉆井過程中不發(fā)生堵塞現(xiàn)象。動(dòng)力學(xué)抑制劑能夠使水合物晶粒生長緩慢甚至停止，推遲水合物成核和生長的時(shí)間，防止水合物晶粒聚集長大。在水合物成核和生長初期，動(dòng)力學(xué)抑制劑吸附在水合物晶粒表面，通過氫鍵使活性劑的環(huán)狀結(jié)構(gòu)與水合物晶體相結(jié)合，從而防止和延緩水合物晶體的生長。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳光進(jìn)， 孫長宇， 馬慶蘭. 氣體水合物科學(xué)與技術(shù)[M].北京： 化學(xué)工業(yè)出版社， 2008.

[2]涂運(yùn)中. 海洋天然氣水合物地層鉆井的鉆井液研究[D].武漢： 中國地質(zhì)大學(xué)， 2010.

[3]KVENVOLDEN K A， LORENSON T D. Globaloccurrences of gas hydrate[C]//Proceedings of the 11thinternational offshore and polar engineering conference.Stavanger： USGS， 2001： 462-467.