黃天佳，李小森，張 郁?，楊 波，王 屹，陳朝陽，李 剛

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

0 引 言

天然氣水合物作為一種能量密度高、儲量大、分布廣、燃燒無污染的非常規(guī)天然氣資源，受到世界各國的重視，被認為是一種未來理想的清潔能源，具有非常重要的研究與開發(fā)價值[1]。美國、俄羅斯、日本、加拿大、中國等國家均投入巨資開展天然氣水合物勘探、開采等方面的研究[2]。現(xiàn)階段針對天然氣水合物的研究手段中，鉆井是進行天然氣水合物資源勘探、開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，實施難度更高，需要解決的問題也更多。鉆井過程中可能會引起水合物地層溫度及壓力的變化，進而引起水合物的分解或生成，增加水合物地層鉆井的風險。若這些風險沒有得到適當?shù)奶幚?，可能會導致一系列包括鉆井工程災害、海洋地質(zhì)災害及環(huán)境災害等在內(nèi)的諸多安全問題。因此，海洋水合物地層鉆井是一項高難度、高技術(shù)、高風險的綜合性工程[4]。目前，部分學者針對天然氣水合物開采方法、勘探技術(shù)等方面的研究已做過詳細總結(jié)[1,5-7]，但是對于水合物鉆井安全問題研究方面的綜述較少。本文將歸納國內(nèi)外學者在這一問題上的研究進展及所取得的主要成果，這對于促進我國天然氣水合物產(chǎn)業(yè)化開發(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題

海洋天然氣水合物通常存在于水深超過百米的深水海底面下，如此嚴酷的鉆井作業(yè)環(huán)境對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深度淺。如2007年，中國地質(zhì)調(diào)查局在中國南海神狐海區(qū)SH2、SH3和SH7三個鉆孔中取得天然氣水合物實物樣品，通過分析表明研究區(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，會引起水合物的大量分解，引發(fā)一系列鉆井安全問題。

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

海洋天然氣水合物地層鉆井會面臨較為復雜的鉆井安全問題，需要嚴格地控制鉆井的各項參數(shù)。天然氣水合物地層鉆井問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)的鉆井安全問題

（1）井壁失穩(wěn)。鉆井之前地層處于平衡狀態(tài)，鉆具鉆進時會破壞地層，導致井壁和井底附近的地層應(yīng)力釋放。另外，當固態(tài)水合物起膠結(jié)或骨架支撐作用時，水合物分解產(chǎn)生的水和氣體會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，導致井壁失穩(wěn)[11]。

（2）鉆井液的侵入。天然氣水合物鉆井過程中，若采用欠平衡鉆井會造成水合物在減壓條件下分解，不利于井壁的力學穩(wěn)定[12]。因此鉆井液的壓力通常會大于地層流體壓力，這會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程中可能會造成水合物的分解。水合物分解會導致地層滲透率變大，使侵入速率增大，導致無法形成保護井壁的濾餅，這會增加鉆井作業(yè)的風險。

（3）井口下陷。在含水合物區(qū)域進行鉆井時，地層中天然氣水合物的分解會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，井段的套管會被壓扁，套管上端的進口裝置及防噴器會由于失去支撐而發(fā)生傾斜、傾倒，因此會喪失對井內(nèi)壓力的控制，有可能導致井噴等安全事故。

（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，上升到海面會使海面浮力喪失，導致海面漂浮設(shè)備傾覆。此外，釋放的甲烷氣體可能會與海底金屬設(shè)備發(fā)生氧化還原反應(yīng)，腐蝕設(shè)備使其無法正常工作[10]。

（5）海底滑坡。近年來研究人員發(fā)現(xiàn)，海底天然氣水合物的分解導致海底巖層穩(wěn)定性降低是產(chǎn)生海底滑坡的一個重要原因[13]。鉆井過程中，如果操作不當可能會引發(fā)海底水合物大量分解，海底地層由于失去支撐，容易發(fā)生海底滑坡災害，海底滑坡不但會對深海油氣鉆探、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)海嘯等自然災害。

1.2 天然氣水合物的形成可能引發(fā)的鉆井安全問題

（1）破壞鉆井設(shè)備。水合物分解產(chǎn)生的氣體進入鉆井液內(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，給正常的鉆進和井控工作造成嚴重影響[14]。當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對鉆井液的性質(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入鉆井液，使得泥漿柱的凈水壓力降低，這會加速井壁周圍的水合物分解，進而產(chǎn)生更多的氣體和水進入鉆井液，由此形成惡性循環(huán)。當鉆井液是水基鉆井液時，氣體在鉆井液中形成水合物會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行[16]。

2 海洋天然氣水合物地層鉆井項目

在20世紀70 ～ 80年代，科學家通過深海鉆探計劃（DSDP）和大洋鉆探計劃（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開采、開發(fā)工作開始快速發(fā)展[15]。30年來，美國、加拿大、日本、韓國、中國、印度等國家進行了多次天然氣水合物勘探與試采活動。本文通過收集和整理公開文獻資料，對近年來出現(xiàn)鉆井安全問題的鉆探項目進行了總結(jié)[17]，如表1所示。

表1 全球主要天然氣水合物鉆探活動及出現(xiàn)的鉆井安全問題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的進行，一些由水合物引起的鉆井安全問題也逐漸暴露出來。這些安全問題輕則影響項目的順利進行，重則造成嚴重的安全事故。

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，英國石油公司（BP公司）位于墨西哥灣的“深水地平線”鉆井平臺發(fā)生爆炸并引發(fā)大火，之后整個鉆井平臺沉入海底，導致大量原油泄漏進入墨西哥灣造成大面積原油污染。爆炸事故是由于作業(yè)人員在固井過程中設(shè)置水泥封口時產(chǎn)生了化學熱，與此同時，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。當水泥沒有完全凝固時，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，甲烷氣體通過這些孔隙不斷滲入井筒并向上運移，最終逐步上升到海平面，當泄露的甲烷彌漫鉆井平臺后引起了爆炸。事故發(fā)生后，BP公司試圖將水泥罩沉入海底對漏油點進行封堵，但是這一方案在實施過程中因為出現(xiàn)大量天然水合物而無法實施。

3 海洋天然氣水合物地層鉆井安全問題實驗研究

針對水合物地層鉆井安全問題的實驗研究目前還相對較少且研究尚淺，主要原因是用于水合物地層鉆井安全問題研究的實驗設(shè)備較少且設(shè)備對鉆井過程的模擬不完善。由于天然氣水合物穩(wěn)定的條件較為苛刻（高壓低溫），對實驗設(shè)備的氣密性、安全性、可靠性有較高的要求。目前作者已知的實驗設(shè)備都無法較為完整地模擬水合物地層鉆井過程，因此無法針對前文所述的一些鉆井安全性問題，如井壁失穩(wěn)、氣體泄漏、海底滑坡、水合物重新生成等問題，進行全面準確的實驗研究。然而，也有一些學者通過簡化鉆井過程的辦法對水合物鉆井問題進行實驗研究，內(nèi)容主要集中在水合物鉆井液的性能和鉆井對海洋水合物地層物性的擾動兩個方面。

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驗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]曾詳細介紹了水合物抑制劑和鉆井液體系的研究進展，本文不再贅述。需要補充的是，學者們現(xiàn)在逐漸開始研究一些“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配備水合物鉆井液，實驗結(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 鉆井過程對海洋水合物地層物性擾動的實驗研究

目前關(guān)于鉆井對海洋水合物地層物性擾動的實驗研究大多數(shù)都將鉆井這個動態(tài)過程簡化為一種靜態(tài)或者準靜態(tài)來研究，即無鉆頭鉆入過程。通過將鉆井處理為一個靜態(tài)的圓筒的方法來降低實驗難度及增加實驗可行性。井筒附近的溫度、壓力及電導率變化是目前鉆井問題實驗研究的主要研究對象。通過測定這些參數(shù)的變化進一步確定井壁周圍的水合物分解速率及分解范圍，以此評估水合物地層鉆井的安全性。

中國地質(zhì)大學劉力[31]研制了一套水合物綜合滲流模擬實驗裝置用于開展水合物鉆井的鉆井液入侵問題的研究，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。從侵入過程的溫度和壓力曲線對比發(fā)現(xiàn)，鉆井過程中地層壓力傳遞要遠遠快于溫度傳遞。鄭明明等[32]進一步發(fā)現(xiàn)這種現(xiàn)象容易導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驗的主要關(guān)注對象。YU等[33]建立了一套研究鉆井液循環(huán)過程中天然氣水合物的分解及產(chǎn)氣狀況的實驗裝置。實驗在高壓反應(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行鉆井液循環(huán)。實驗結(jié)果表明較高的鉆井液溫度會導致產(chǎn)氣速率增大及累計產(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)域取得的海泥進行甲烷水合物的合成，在反應(yīng)釜兩側(cè)有三對聲速探頭測量聲速變化，用以分析鉆井液循環(huán)過程中水合物的分解狀態(tài)。實驗結(jié)果表明水合物地層中的水合物分解速率會隨著鉆井液溫度的升高而增大，然而當?shù)貙又械乃衔镲柡投瘸^50% 時，鉆井液溫度對水合物分解速率的影響會變小。LI等[35]研制了一套研究海底井口下陷問題的實驗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。實驗裝置反應(yīng)釜中央插有一根雙層套管用來循環(huán)鉆井液，以此模擬鉆井過程。實驗表明水合物地層鉆井過程中海底井口下陷可分為開始、加速和穩(wěn)定三個階段，且鉆井液的安全溫度范圍受到井口負載特性和水合物地層力學特性的影響。例如當?shù)貙訛槿豕探Y(jié)巖心、水合物飽和度為38%時，鉆井液溫度在4 ～ 8.15℃之間時井口就可以保持穩(wěn)定。

目前能夠模擬鉆井鉆進水合物地層的實驗裝置較少。中國地質(zhì)大學竇斌等[36-37]設(shè)計搭建了一套合成天然氣水合物并可進行微鉆實驗的裝置，該實驗裝置可以模擬研究鉆井鉆入過程井壁附近水合物地層的溫度場變化。結(jié)果表明，鉆桿的轉(zhuǎn)速增加會加快水合物的分解，但是當轉(zhuǎn)速增加到一定程度時，其分解速率會受到水合物導熱率的影響而增加緩慢。中國科學院廣州能源研究所張郁等[38]設(shè)計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程中井壁周圍的溫度場及壓力的變化，該實驗裝置可以通過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）進行鉆進實驗。

4 海洋天然氣水合物地層鉆井安全問題數(shù)值模擬研究

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

4.1 地層鉆井安全問題數(shù)值模擬的基本原理

張郁等[39]和 AHMADI等[40]曾對天然氣水合物分解和開采的數(shù)學模型做過較為詳細的總結(jié)。這些模型主要研究不同開采方式下（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。與水合物開采數(shù)學模型不同的是，鉆井安全問題模型考慮的空間范圍較?。ㄍǔ榫谕鈳酌追秶鷥?nèi)）且計算時間也較短（短則幾小時，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)過程中所引起的水合物分解及水合物分解導致的井壁周圍地層力學特性的變化。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程中水合物盡量少分解，以此來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題的數(shù)學模型，模型主要考慮的因素包括傳熱（導熱、對流等）、傳質(zhì)（氣體、液體）、力學特性（應(yīng)力、位移等）、水合物分解動力學特性、注入抑制劑等。

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

如前文所述，鉆井過程中井壁周圍水合物的分解是引發(fā)鉆井安全問題的一個重要原因。因此很多學者建立了研究鉆井過程中井壁周圍水合物分解情況的數(shù)學模型。MAKOGON等[57]通過數(shù)學解析的方法對水合物地層開采井周圍的溫度場及壓力場進行求解，其模型在傳熱項中考慮了流體滲流過程中的節(jié)流效應(yīng)及絕熱效應(yīng)。KHABIBULLIN等[43]在此基礎(chǔ)上，通過在網(wǎng)格中不斷調(diào)整邊界條件來模擬鉆井逐漸鉆入地層的動態(tài)效果，通過模擬得到了鉆井過程中井壁周圍的溫度分布及產(chǎn)氣量隨時間的變化規(guī)律。LEE等[46]采用這種通過不斷更新邊界條件來模擬動態(tài)的鉆井過程的方法開展了研究。GOLMOHAMMADI等[47]首次在圓柱坐標系中建立鉆井過程中井壁周圍溫度場分布的數(shù)學模型，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鉆井隔水管兩種情況下井壁的溫度分布。YU等[33]進一步發(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題數(shù)值模擬的研究重點與熱點。井壁穩(wěn)定性問題歸根到底是力學的問題，水合物地層由于水合物的分解而容易導致地層力學強度急劇降低，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)，較早地對水合物鉆井的穩(wěn)定性進行了數(shù)值模擬研究，認為鉆井液的侵入和水合物的分解會改變地層有效應(yīng)力，使地層發(fā)生變形，相應(yīng)的地層物性也會隨之改變，反過來作用孔隙中的流體，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]也較早地對水合物鉆井井壁穩(wěn)定性問題進行研究，其模型考慮了鉆井液與水合物地層之間的傳熱傳質(zhì)、水合物分解的動力學機制、地層力學性質(zhì)的變化及不同水合物飽和度的力學行為準則四個方面。FREIJ-AYOUB等[42]的模型由能量守恒方程、質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程、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。井壁的力學行為利用孔隙彈塑性理論進行建模，模型選擇Mohr Coulomb準則計算坍塌壓力。此外，作者通過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)系模型可以實現(xiàn)地層變形場與力學場的耦合。沈海超等[44]通過將天然氣水合物分解效應(yīng)耦合到鉆井液滲流場與巖土變形場中建立了天然氣水合物藏降壓開采井的流固耦合數(shù)學模型。模型選以 Drucker-Prager準則作為地層巖石坍塌判斷準則，聯(lián)立流固耦合滲流方程、能量守恒方程以及變形方程對天然氣水合物開采井井壁附近儲層的穩(wěn)定性進行數(shù)值模擬，并開發(fā)出相應(yīng)分析軟件對墨西哥灣某水合物藏進行了模擬。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)學模型。模型基于有效應(yīng)力原理和彈塑性力學理論得到巖石骨架變形場方程，采用彈塑性本構(gòu)方程和 Drucker Prager屈服準則，并借鑒TAN等[58]和FREIJ-AYOUB等[42]關(guān)于地層骨架力學參數(shù)與水合物飽和度之間關(guān)系的研究成果對井壁附近的力學穩(wěn)定性問題進行分析。

在水合物鉆井的數(shù)值模擬發(fā)展過程中，一些較為成熟的商業(yè)軟件也被用于水合物鉆井問題研究。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)特性對侵入過程的影響。作者以我國南海GMGS-1項目為背景，著重模擬了鉆井液侵入過程中井壁周圍溫度、壓力、氣液水合物三相飽和度及孔隙度含鹽度的變化，并進一步分析了鉆井液侵入對井壁穩(wěn)定性及測井數(shù)據(jù)準確性的影響。RUTQVIST等[51]結(jié)合 TOUGH + HYDRAE和FLAC3D軟件對水合物鉆井井壁穩(wěn)定性問題進行了模擬，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軟件對中國南海神狐海域的SH2號鉆井的穩(wěn)定性進行了模擬，所得結(jié)果與實地測得的數(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]用來對日本東南海槽的兩個鉆井項目的井壁穩(wěn)定性進行模擬研究。SASAKI等[55]借助ABAQUS軟件建立了二維軸對稱有限元模型，研究不同鉆井過程（包括下鉆過程、固井過程、水泥硬化/收縮過程及套管落地過程）對未固結(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鉆井項目為背景，主要研究不同鉆井階段對井壁周圍地層應(yīng)力和應(yīng)變的擾動并比較不同階段對井壁外水合物地層穩(wěn)定性影響的相對大小。

5 海洋天然氣水合物地層鉆井安全問題研究存在的問題及建議

近年來，海洋天然氣水合物地層鉆井安全問題的研究取得了一系列的進展。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程中可能出現(xiàn)的安全問題。很多鉆井安全問題無法通過實驗研究或數(shù)值模擬的方法進行研究，如海底滑坡、氣體泄漏和破壞鉆井設(shè)備等問題。這些問題只能在實地鉆井項目中發(fā)現(xiàn)并積累經(jīng)驗。目前的室內(nèi)實驗及數(shù)學模型主要研究鉆井液性質(zhì)及其對水合物分解/生成的影響和鉆井過程對井壁周圍地層物性的擾動。針對目前的研究現(xiàn)狀，海洋天然氣水合物鉆井安全問題的研究還存在以下問題：

（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，目前測井技術(shù)應(yīng)用于非均勻性泥質(zhì)儲層（如裂隙、薄層、互層）及膠結(jié)或骨架支撐形式的水合物儲層時會產(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，準確的地質(zhì)參數(shù)對于實驗設(shè)計和數(shù)學模型構(gòu)建具有重要的意義。因此，需要繼續(xù)開展復雜條件下天然氣水合物的物理化學性質(zhì)等基礎(chǔ)研究，了解復雜條件下天然氣水合物的形成條件及穩(wěn)定性等基本問題。不斷發(fā)展和完善水合物的探測技術(shù)，側(cè)重于提高水合物地層識別和評價的準確性。在此過程中積累鉆井操作經(jīng)驗，并為鉆井安全問題的研究提供堅實的物性條件基礎(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，許多實驗中效果較好的抑制劑成本較高，難以投入實際應(yīng)用。此外，目前對鉆井液的實驗研究僅重視鉆井液對水合物生成的抑制作用，對于鉆井液的流變性、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)展具有儲層保護能力、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，盡快滿足我國天然氣水合物勘探開采的需求。

（3）水合物地層鉆井實驗設(shè)備的設(shè)計主要有三個難點：一是實驗設(shè)備要能夠創(chuàng)造高壓低溫條件用以生成水合物；二是實驗設(shè)備要能夠較為全面地模擬實際鉆井過程；三是實驗設(shè)備要能夠快速準確地探測到水合物的相態(tài)變化。目前能夠完美解決以上三個難點的實驗設(shè)備較少，尤其對于鉆井這種有旋轉(zhuǎn)機械的設(shè)備，氣密性難以保證。因此，需要增加研究鉆井安全問題實驗設(shè)備的數(shù)量及模擬精度，并且需要較大尺度的實驗模擬裝置用以更加準確地模擬鉆井過程。

（4）現(xiàn)有關(guān)于水合物鉆井安全問題數(shù)學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移規(guī)律、鉆井液與水合物地層之間的化學反應(yīng)、水合物在復雜條件下的相平衡條件、泥餅的形成及其對井壁穩(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動態(tài)過程的多維大尺度數(shù)學模型或?qū)I(yè)軟件，最終能夠通過模型或軟件提前預測井壁失穩(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。