海底天然气水合物地层钻井建议

朱玲

摘要：天然气水合物是一种清洁高效能源，对海底天然气水合物地层进行钻井是研究海底天然气水合物及获得海底地层油气资源最直接的手段之一，但海底天然气水合物地层地质环境复杂，钻井面临诸多风险。本文分析了天然气水合物的钻井特点，提出几点应对措施。

关键词：天然气水合物；钻井；应对措施

天然气水合物因其储量巨大、分布范围广、能量密度高且燃烧产物洁净而被公认为 21 世纪的重要后续能源，其研究已成为当今能源科学研究的热点之一[1]。对海底水合物地层进行钻井时可能会带来一系列包括钻井工程灾害、海洋地质灾害及环境灾害等[2]。

1.海底天然气水合物地层赋存特性

天然气水合物在自然界中能够稳定存在，主要取决于温度、压力、气体组分、饱和度和孔隙水组成，其结晶和生长速度还取决于沉积物颗粒大小、形状和组成。海底天然气水合物主要赋存于海底浅表层的新生代地层中，该地层中沉积物主要来源于沉积速率大、富含有机质的新生代陆源沉积[2]。水合物藏上部缺乏压实作用，地层的力学强度较低，地层中的水合物在介质中起胶结作用，水合物的存在会显著提高沉积层的力学强度，若水合物大量分解，将会降低井壁围岩的稳定性，地层抗破坏能力将下降，导致井壁失稳垮塌[3]。

2.海底天然气水合物地层钻井潜在的风险

2.1 地层中水合物对钻井工程的影响

对海底天然气水合物地层钻井时，钻具对海底地层进行破坏导致储层井壁和井底附近地层应力释放，海底地层压力降低；在钻进过程中，摩擦产生大量的热并且钻井液与地层间的热交换将引起水合物层的温度升高；海底水合物层对温度、压力条件极为敏感，当地层温度升高、压力降低时将导致地层中的水合物发生分解，并且钻井液中的无机盐和有机醇类水合物热力学抑制剂也会促进地层中水合物的分解。

海底天然气水合物层具有较高的静水压力和较低的环境温度，水合物地层中分解的大量气体涌入钻井管线后，使钻井管线内压力急剧升高，钻井液与温度较低的外界地层进行热交换导致自身温度下降，从而在钻井管线内重新生成水合物；当钻至水合物层之下的游离气层时，其压力可能更高，规模可能更大，当大量游离气涌进钻井管线时，也会导致管线中水合物生成。

2.2 钻井所诱发的地质灾害

海底天然气水合物主要发育在合适温度和压力条件下的稳定带中，该区域内的温度和压力处于水合物形成和稳定存在的热力学范围内。对海底天然气水合物地层进行钻井时，钻井过程引起的地层压力下降和温度上升都将导致水合物分解，水合物分解产生大量的气体和少量的水，使得处于准胶结稳定态的水合物与海底地层失稳，释放出的气体和水为沉积层的大规模移动创造了条件。若分解产生的气体在沉积层孔隙内不能迅速消散，那么将导致孔隙内产生很大的超静孔隙压力，使得骨架的有效应力减小，沉积层的承载能力降低，引发海底滑坡、塌陷，甚至海啸等自然灾害，对海底电缆、通讯光缆、钻井平台等造成威胁或破坏。

2.3 环境效应

天然氣水合物的主要成分甲烷是一种温室效应极强的气体，呈辐射状活动，其温室效应是二氧化碳的21倍[4]。海底水合物层进行钻井时影响了水合物层的稳定性，释放出大量甲烷，并最终进入大气圈，使大气中的甲烷浓度随海底天然气水合物的分解而增加，对全球大气组分变化造成巨大冲击，影响到全球气候变化走势。

3.海底天然气水合物地层钻井建议

海底天然气水合物地层钻井所面临的风险主要来源于地层中的水合物大量快速分解以及钻井过程在井筒中所形成的水合物，因此，在水合物地层钻井时必须要防止地层中的水合物大量分解，同时也要防止进入井筒中的天然气在钻井管线中形成水合物。

3.1 精密规划钻井方案

在海底水合物地层进行钻井时，为防止海底地层中的天然气水合物大量分解及进入钻井管线中的游离气形成水合物，可设计良好的钻井方案来达到此目的。天然气水合物的稳定性受温度和压力的严格控制，在海底天然气水合物地层进行钻井时，可通过设计良好的钻井方案来控制钻井过程中的温度和压力。对钻井过程的温度的控制可通过控制钻井液温度来实现，但在海洋深水钻井中，钻井管线复杂，循环过程中钻井液使用量巨大，并且还需要考虑地层的破坏压力和钻井液的流动特性等问题。因此通过单一控制钻井回路中钻井液的温度来防止水合物的分解/形成的运行成本很高，经济效益较差，不适用于长时间钻井。对钻井过程中压力的控制可通过调节钻井液的密度来实现，然而，根据地层及钻井条件，尤其是海底天然气水合物地层条件复杂，钻井液密度需要控制在一定范围内，为控制钻井管线中的压力所需的钻井液密度并不一定满足钻井地层需求，所以靠调节钻井液密度来控制钻井过程中的压力仍具有一定的局限性。地层中的水合物只有当相平衡状态被破坏以后才能分解，而井筒中的游离气需要达到相平衡状态才能形成水合物，因此在海洋天然气水合物地层钻井时，根据实际地层特征，对钻井过程中的温度和压力实行联合控制，在满足经济效益的同时保证地层中的水合物不会大量分解并且钻井管线中也不会形成水合物。

3.2 采用具有水合物抑制性的水基钻井液

水合物动力学抑制剂，相对于传统的热力学抑制剂，其特点是不改变体系生成水合物的热力学条件，而是大幅度降低水合物的生成速度，确保在钻井过程中不发生堵塞现象。动力学抑制剂能够使水合物晶粒生长缓慢甚至停止，推迟水合物成核和生长的时间，防止水合物晶粒聚集长大。在水合物成核和生长初期，动力学抑制剂吸附在水合物晶粒表面，通过氢键使活性剂的环状结构与水合物晶体相结合，从而防止和延缓水合物晶体的生长。

参考文献：

[1]陈光进， 孙长宇， 马庆兰. 气体水合物科学与技术[M].北京： 化学工业出版社， 2008.

[2]涂运中. 海洋天然气水合物地层钻井的钻井液研究[D].武汉： 中国地质大学， 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.