何 勇，唐翠萍，梁德青

（中國科學院廣州能源研究所，中國科學院天然氣水合物重點實驗室，廣州 510640）

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海底天然氣水合物地層鉆井潛在風險及控制措施*

何 勇，唐翠萍，梁德青?

（中國科學院廣州能源研究所，中國科學院天然氣水合物重點實驗室，廣州 510640）

摘 要：天然氣水合物是一種清潔高效能源，廣泛分布于大陸永久凍土帶和海洋環(huán)境中，其中海洋環(huán)境又以海洋大陸斜坡和深海盆地為主。對海底天然氣水合物地層進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)境復雜，鉆井面臨諸多風險。本文通過綜合分析海底天然氣水合物地層的儲層特性，探討了海底地層中天然氣水合物分解與再形成對鉆井工程的影響、可能誘發(fā)的地質(zhì)災害及環(huán)境效應，并提出了相應的應對措施，以期為我國海底天然氣水合物地層鉆井提供參考。

關(guān)鍵詞：天然氣水合物；鉆井；風險；控制

0 前 言

天然氣水合物因其儲量巨大、分布范圍廣、能量密度高且燃燒產(chǎn)物潔凈而被公認為21世紀的重要后續(xù)能源，其研究已成為當今能源科學研究的熱點之一[1]。自然界中，天然氣水合物主要分布于陸地永久凍土帶與海底的大陸邊緣地區(qū)，全球約有90%的海洋水域為天然氣水合物賦存的潛在場所[2]。鉆井是研究并獲取海底水合物最直接的手段之一，然而對海底水合物地層進行鉆井時可能會帶來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)的諸多問題[3-4]。究其原因，主要是由于在對海底天然氣水合物地層進行鉆井時，鉆井過程極易引發(fā)海底地層溫度和壓力發(fā)生變化而導致水合物分解，從而影響鉆井安全；另外，天然氣水合物的大量分解將導致海底地質(zhì)滑坡，并且水合物分解釋放大量甲烷氣體，其溫室效應極強，釋放到大氣圈將會破壞全球環(huán)境[5-6]。

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?？刂铺烊粴馑衔镄纬珊唾x存的因素受到海洋中一系列構(gòu)造和沉積作用的影響，在不同的時間尺度上導致多種可能的動力學反應[7]。這些因素使得水合物出現(xiàn)在陸地永久凍土帶和大陸斜坡、邊緣海和內(nèi)陸海等深水環(huán)境中的幾率較高。

凍土帶天然氣水合物在較低的溫度和壓力下形成，由于受地溫梯度的影響，其蘊藏深度一般較淺。相對于凍土帶，大陸邊緣的深水區(qū)有機碳供應量充足，并且具有較高的沉積速率，目前所發(fā)現(xiàn)的水合物絕大多數(shù)都集中在這類地區(qū)，從整體上來說，海底天然氣水合物占所有天然產(chǎn)出水合物的絕大多數(shù)。從這個角度上來看，對海底天然氣水合物進行鉆井研究更具有價值。

天然氣水合物屬于沉積礦產(chǎn)，受壓力與地溫梯度的影響，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、富含有機質(zhì)的新生代陸源沉積[2]。水合物藏上部缺乏壓實作用，地層的力學強度較低，地層中的水合物在介質(zhì)中起膠結(jié)作用，水合物的存在會顯著提高沉積層的力學強度，若水合物大量分解，將會降低井壁圍巖的穩(wěn)定性，地層抗破壞能力將下降，導致井壁失穩(wěn)垮塌[8]。

2 海底天然氣水合物地層鉆井潛在的風險

海底天然氣水合物一般賦存于水深超過500 m的深水區(qū)，相對于傳統(tǒng)的海洋油氣鉆井，其水深大，海底環(huán)境惡劣（高壓、低溫）。在鉆井過程中，海底水合物層受鉆井過程的擾動，鉆井液在溫差和壓差驅(qū)動下不可避免地侵入地層發(fā)生傳熱傳質(zhì)作用，導致地層中水合物分解，由于鉆井處于高壓低溫環(huán)境中，分解產(chǎn)生的氣體及下層游離氣將會在鉆井液中形成水合物從而引發(fā)鉆井安全事故；地層中水合物大面積快速分解將會誘發(fā)海底地質(zhì)滑坡，而甲烷作為一種效應極強的溫室氣體，水合物分解產(chǎn)生的大量甲烷進入大氣將會對大氣的熱輻射性能造成重大改變，進而影響全球氣候[5,9]。

2.1 地層中水合物對鉆井工程的影響

對海底天然氣水合物地層鉆井時，鉆具對海底地層進行破壞導致儲層井壁和井底附近地層應力釋放，海底地層壓力降低；在鉆進過程中，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；海底水合物層對溫度、壓力條件極為敏感，當?shù)貙訙囟壬?、壓力降低時將導致地層中的水合物發(fā)生分解，并且鉆井液中的無機鹽和有機醇類水合物熱力學抑制劑也會促進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行熱交換導致自身溫度下降，從而在鉆井管線內(nèi)重新生成水合物；當鉆至水合物層之下的游離氣層時，其壓力可能更高，規(guī)?？赡芨?，當大量游離氣涌進鉆井管線時，也會導致管線中水合物生成[11]。

如圖1所示，海底水合物層鉆井管線內(nèi)形成水合物后，將會造成鉆井管線堵塞，嚴重影響正常的鉆井工作。鉆井過程中所形成的水合物對鉆井所產(chǎn)生的影響具體表現(xiàn)有：①水合物的形成將會導致節(jié)流管線、壓井管線堵塞，使循環(huán)作業(yè)無法進行；②水合物堵塞防噴器或防噴器以下的空間將導致無法檢測防噴器下的壓力；③水合物的形成將會使鉆具無法移動；④水合物的形成將會使防噴器無法完全打開或關(guān)閉；⑤所生成的水合物在管線中循環(huán)時，由于溫度和壓力發(fā)生變化，極易分解產(chǎn)生大量的氣體使管線內(nèi)壓力升高影響井控工作，甚至導致井噴；⑥管線內(nèi)水合物的分解容易引起氣侵，氣體進入井筒后形成超高壓會導致井漏、井噴及套管損壞等事故；⑦水合物的分解也會使得沉積物倒塌，造成井壁失穩(wěn)[12-14]。

圖1 水合物地層鉆井潛在的風險（據(jù)劉力[10]，修改）Fig. 1 Potential risks of drilling in marine gas hydrate bearing sediments

海底天然氣水合物地層鉆井中，天然氣水合物的形成對鉆井液性能也有顯著影響。當水合物形成所需的大量氣體進入到鉆井液中時，鉆井液與大量的氣體一起循環(huán)，將導致鉆井液密度降低，鉆井壓力增加；天然氣水合物形成將消耗鉆井液中大量的水，導致鉆井液失水而使其流變性發(fā)生改變，而且在鉆井液中會出現(xiàn)固相沉析，從而使鉆井過程中僅有少量鉆井液流動而無法滿足鉆井需求[11]。另外，當鉆井液中形成天然氣水合物后，鉆井液密度增加，影響鉆進速度。同時，天然氣水合物的形成是一個放熱反應，水合物形成時會向鉆井液中釋放大量的熱量，鉆井液的溫度就會受到明顯影響，溫度改變從而使鉆井液的性能也發(fā)生改變。由于鉆井過程的擾動及鉆井過程中溫度和壓力條件的變化，鉆井液中所形成的天然氣水合物也可能發(fā)生分解，當水合物開始分解時（水合物的分解是吸熱反應），鉆井液的溫度也會降低，鉆井液的性能隨溫度將發(fā)生一系列變化。在低溫條件下，鉆井液基本流變特性表現(xiàn)為表觀粘度、塑性粘度、屈服值和靜切力均增大，鉆井液有向凝析方向轉(zhuǎn)化的趨勢，而且井底和井口鉆井液密度的不均衡性，極易使鉆井液中的固相顆粒沉積，從而影響鉆井液的性能[15-16]。

2.2 鉆井所誘發(fā)的地質(zhì)災害

圖2 海底天然氣水合物的相圖（據(jù)Max[18]，修改）Fig. 2 Phase diagram for natural gas hydrate in seafloor

從海底天然氣水合物的相平衡圖（圖2）可以看出，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)定存在的熱力學范圍內(nèi)。對海底天然氣水合物地層進行鉆井時，鉆井過程引起的地層壓力下降和溫度上升都將導致水合物分解，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，甚至海嘯等自然災害，對海底電纜、通訊光纜、鉆井平臺等造成威脅或破壞[17]。

2.3 環(huán)境效應

天然氣水合物的主要成分甲烷是一種溫室效應極強的氣體，呈輻射狀活動，其溫室效應是二氧化碳的21倍[4]。海底水合物層進行鉆井時影響了水合物層的穩(wěn)定性，釋放出大量甲烷，并最終進入大氣圈，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。

3 海底天然氣水合物地層鉆井風險控制措施

通過上述分析，海底天然氣水合物地層鉆井所面臨的風險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必須要防止地層中的水合物大量分解，同時也要防止進入井筒中的天然氣在鉆井管線中形成水合物。目前，國內(nèi)外對水合物地層進行鉆井時，根據(jù)鉆井過程是否允許水合物的大量分解將水合物地層鉆井方法分為分解抑制法和分解容許法兩大類。分解抑制法主要是通過控制井筒內(nèi)溫度、壓力并采用合適的水合物抑制劑使地層中的水合物處于相平衡狀態(tài)，不發(fā)生分解或只有少量分解；分解容許法主要是采用適當?shù)姆椒ㄕT發(fā)地層中的水合物分解，但分解是被控制的?，F(xiàn)普遍認為采用分解抑制法比較妥當，以下將詳述水合物地層鉆探時采用的若干分解抑制法[19]。

3.1 采用良好的鉆井方案

在海底水合物地層進行鉆井時，為防止海底地層中的天然氣水合物大量分解及進入鉆井管線中的游離氣形成水合物，可設(shè)計良好的鉆井方案來達到此目的。

天然氣水合物的穩(wěn)定性受溫度和壓力的嚴格控制，在海底天然氣水合物地層進行鉆井時，可通過設(shè)計良好的鉆井方案來控制鉆井過程中的溫度和壓力。對鉆井過程的溫度的控制可通過控制鉆井液溫度來實現(xiàn)，但在海洋深水鉆井中，鉆井管線復雜，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/形成的運行成本很高，經(jīng)濟效益較差，不適用于長時間鉆井。對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，根據(jù)實際地層特征，對鉆井過程中的溫度和壓力實行聯(lián)合控制，在滿足經(jīng)濟效益的同時保證地層中的水合物不會大量分解并且鉆井管線中也不會形成水合物。

近年來，隨著鉆井設(shè)備制造技術(shù)的發(fā)展，在設(shè)計海洋深水鉆井方案時，常采用氣液分離裝置對鉆井管線中的氣相和液相進行分離來防止天然氣水合物的形成。2013年日本在其南海海槽進行全球首例海洋水合物試開采，在確定鉆井方案時，通過在鉆井管線中安裝氣體分離器和電子深潛泵對管線中的氣液相進行分離以防止水合物的形成（圖3）。SAKURAI等對試開采過程中氣液相分離后鉆井管線中水合物形成的可能性進行了實驗模擬，實驗結(jié)果表明，通過氣液分離裝置對管線中的氣相和液相進行分離后，水合物開始形成時會有少量附著于管壁，隨著管線中液相的流動，所形成的水合物由于受到擾動，部分會發(fā)生分解，部分以很小的顆粒分散于液相中，液相中水合物量極少不足以堵塞管線，并且對管線中溫度和壓力監(jiān)測顯示，管線中少量水合物的形成和分解對壓力和溫度的影響較小。在隨后的試開采中，在鉆井管線中安裝氣體分離器和電子深潛泵對管線中的氣相和液相進行分離，實際試開采中未發(fā)生天然氣水合物堵塞管道事故。實驗室模擬及實際應用證明，在鉆井管線中設(shè)計氣液分離裝置能夠有效地防止管線中水合物的形成[20-21]。

圖3 日本水合物開采系統(tǒng)示意圖（據(jù)SAKURAI等[21]，修改）Fig. 3 The diagram of hydrate production test system in Japan

3.2 采用油基鉆井液

油基鉆井液是一類完全以非（弱）極性油品作為連續(xù)相的鉆井液，油基鉆井液中自由水含量較少，其形成水合物的幾率較小。廣義的油基鉆井液包括老式柴油基鉆井液、低毒礦物油基鉆井液和合成油基鉆井液。由于油基鉆井液具有很強的泥頁巖抑制性，能夠有效維持井壁穩(wěn)定，鉆進過程中復雜情況很少發(fā)生，其使用過程中維護非常簡單，體系穩(wěn)定性好，曾在油氣開發(fā)中廣泛使用。

20世紀80年代以來，基于對油氣開采成本和環(huán)境保護的考慮，曾廣泛應用于油氣田開采的老式柴油基鉆井液逐漸被低毒礦物油基鉆井液和合成基鉆井液所取代。礦物油基鉆井液是反相乳化鉆井液與局部注射液，由特別石蠟基油相、多種乳化劑、分散劑等各種鉆井液處理劑配制而成，礦物油基鉆井液的毒性主要由其中所加入的乳化劑和分散劑所決定，為保證礦物油基鉆井液的低毒性，常使用的乳化劑和分散劑有氨基脂肪酸、妥爾油脂肪酸和改性咪唑因等。合成基鉆井液是以人工合成或改性的有機物為連續(xù)相，鹽水為分散相，在加入各種鉆井液處理劑組成，使用的合成基液有醋類、醚類、聚α-烯烴、醛酸醇等[22-25]。

低毒礦物油基鉆井液和合成基鉆井液除具有普通油基鉆井液的各項優(yōu)點外，兩者都具有較好的環(huán)境接受性，適用范圍更廣泛，但在環(huán)境極敏感海域，低毒礦物油基鉆井液的使用也受到一定的限制。相對于低毒礦物油基鉆井液，合成基鉆井液更易于生物降解，對環(huán)境無污染，鉆井污水、鉆屑和廢棄鉆井液均可向海洋排放；其閃點比礦物油基鉆井液高，凝固點要低。

鑒于低毒礦物油基鉆井液和合成基鉆井液的以上優(yōu)點，在海底天然氣水合物地層進行鉆井時，海底地層條件復雜，并且具有較高的壓力和較低的溫度，為保證井壁穩(wěn)定、保護水合物地層及防止鉆井管線中形成水合物，在鉆井過程中為保證鉆井安全，可采用低毒礦物油基鉆井液或合成基鉆井液。

3.3 采用具有水合物抑制性的水基鉆井液

水基鉆井液是一種以水為分散介質(zhì)，以粘土、加重劑及各種化學處理劑為分散相的溶膠懸浮體混合體系。水基鉆井液具有成本低、配制處理維護簡單，處理劑來源廣、可供選擇的類型多、性能容易控制等優(yōu)點，并具有較好的保護油氣層效果，因此其在國內(nèi)外油氣田作業(yè)中被廣泛應用。在選用水基鉆井液對水合物地層進行鉆井時，為防止鉆井管線中形成水合物，目前在實際操作中最常用的方法是向鉆井液中加入水合物抑制劑，抑制水合物的形成與聚集。根據(jù)其對水合物的抑制機理可分為熱力學抑制劑、動力學抑制劑和防聚劑[26]。

在實際生產(chǎn)中為了有效抑制水合物的形成，向鉆井液中加入足量的熱力學抑制劑（如鹽類、醇類），使水合物的生成溫度低于管線溫度或生成壓力高于管線操作壓力，從而防止管線中水合物的生成[27]。通過加入熱力學抑制劑來抑制鉆井管線中水合物的形成已在生產(chǎn)中得到廣泛使用，但熱力學抑制劑的加入要求濃度較高，使用量一般較大，成本較高。此外，當鹽濃度較高時，對鉆井液的維護及鉆井液成分的調(diào)控就顯得十分困難，并且高濃度鹽類的加入加快了鉆井設(shè)備的腐蝕，單獨通過向鉆井液中加入鹽類來控制鉆井管線中水合物的形成受到一定的限制。醇類的添加會影響天然氣水合物晶體的形態(tài)及結(jié)晶凝聚特征，對于低級醇類，甲醇具有毒性，其應用面臨著環(huán)境保護問題，乙二醇高昂的成本也限制了其使用。

水合物動力學抑制劑，相對于傳統(tǒng)的熱力學抑制劑，其特點是不改變體系生成水合物的熱力學條件，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。動力學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間，防止水合物晶粒聚集長大。在水合物成核和生長初期，動力學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[1,16]。

動力學抑制劑用于油氣勘探現(xiàn)場試驗已接近20來年。從應用現(xiàn)狀來看，動力學抑制劑具有抑制效果好、用量少、經(jīng)濟成本低等優(yōu)點，應用前景更廣泛。Acro于1995年在北海南部氣田測試了Gaffix VC-713的應用情況，BP于1995?1996年間采用基于TBAB和VCap聚合物的混合物在另一個北海南部氣田進行了六次現(xiàn)場試驗，以上兩例在處理過冷度為8℃ ~ 10℃下均獲得成功[1]。2001年FU等人在石油工程學會會議上介紹了乙烯基己內(nèi)酰胺和乙烯基甲基乙酰胺共聚物在陸地和海上的油氣田的成功使用情況[28]。2006年KELLAND對動力學抑制劑的研究和應用進行了總結(jié)，特別介紹了全球各大石油公司（ExxonMobile、Shell及IFP等）動力學抑制劑的研究情況[29]。

防聚劑（AA）是一些聚合物或表面活性劑，實際使用中的效果理論上并不取決于過冷度的大小，它并不是抑制水合物的生成，而是使水合物顆粒懸浮在油相中處于分散狀態(tài)。防聚劑一般加入濃度低，但卻能有效的防止水合物晶粒的聚結(jié)，使水合物晶體在鉆井管線中輸送而不堵塞管線。

相對于動力學抑制劑，防聚劑的應用較晚，其效率受到鹽、聚合物和水等組分的影響。防聚劑主要有烷基芳香族鹽類、烷基聚苷類化合物、四元銨類化合物、聚醚聚胺類化合物及含有酰亞胺基的非離子兩性化合物等。防聚劑分散性能有限，僅在油水相共存時才可使用。它的加入可使油水相乳化，使水分散成小水滴，防止水合物的形成，其作用效果與油相組成含水量有關(guān)，即防聚劑與油氣體系中水合物的抑制具有選擇性[12,30]。

4 結(jié) 論

在對海底天然氣水合物地層進行鉆井時，由于受鉆進過程的擾動，地層中水合物失穩(wěn)大量分解從而誘發(fā)工程地質(zhì)災害，并且鉆井管道內(nèi)具有水合物生成的溫度和壓力條件，分解氣大量涌入鉆井管道將導致水合物形成也會對鉆井工程造成危害，因此在水合物地層進行鉆井時，既要防止地層中的水合物大量分解，又要防止鉆井過程中水合物的形成。目前除美國和日本分別在墨西哥灣和南海海槽水合物地層進行鉆井試驗過，未見其他海域天然氣水合物地層鉆井相關(guān)報道。海底天然氣水合物地層鉆井涉及到制造裝備、海洋工程、地質(zhì)災害等學科的前沿技術(shù)，未來我國對水合物地層進行鉆井時，可借鑒美國和日本的相關(guān)技術(shù)與經(jīng)驗，充分了解地層資料，綜合多種方法，采用良好的鉆井方案，控制鉆井過程的溫度和壓力，實施良好的井控措施，并選用符合地層特性且具有水合物抑制性的鉆井液，使海底水合物地層鉆井安全、高效、可控。

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何 勇（1984- ），男，碩士，助理研究員，主要從事天然氣水合物研究。

梁德青（1970- ），男，博士，研究員，博士生導師，主要從事天然氣水合物研究。

The Potential Risks of Drilling in Marine Gas Hydrate Bearing Sediments and the Corresponding Strategies

HE Yong, TANG Cui-ping, LIANG De-qing
(CAS Key Laboratory of Gas Hydrate, Guangzhou Institute of Energy Conversion, Chinese Academy of Science, Guangzhou 510640, China)

Abstract:Natural gas hydrate is a clean and efficient energy source which is widely distributed in marine continental slope and deep sea basin. Though drilling is one of the most efficient way for gas hydrate research and getting resources, the complex geological environment in marine gas hydrate bearing sediments leads to drilling faces many risks. The characteristics of marine gas hydrate bearing sediments were analyzed. The influences to the drilling engineering, the potential geological hazards, and environmental effects caused by natural gas hydrate decomposition and formation were summarized in this paper. The corresponding countermeasures are put forward. It could be as a reference for drilling in marine gas hydrate bearing sediments.

Key words:natural gas hydrate; drilling; risk; control

作者簡介：

通信作者：?梁德青，E-mail：liangdq@ms.giec.ac.cn

基金項目：國家自然科學基金（41406103）；國家海洋地質(zhì)專項項目（GHZ2012006003）；中國科學院知識創(chuàng)新工程重要方向項目（KGZD-EW-301）

* 收稿日期：2015-11-09

修訂日期：2015-12-24

文章編號：2095-560X（2016）01-0042-06

中圖分類號：TK01；P744.4

文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.2095-560X.2016.01.007