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環境復雜，鉆井面臨諸多風險。本文分析了天然氣水合物的鉆井特點，提出幾點應對措施。

關鍵詞：天然氣水合物；鉆井；應對措施

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物潔凈而被公認為 21 世紀的重要后續能源，其研究已成為當今能源科學研究的熱點之一[1]。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、海洋地質災害及環境災害等[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、富含有機質的新生代陸源沉積[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中起膠結作用，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定性，地層抗破壞能力將下降，導致井壁失穩垮塌[3]。

2.海底天然氣水合物地層鉆井潛在的風險

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，當地層溫度升高、壓力降低時將導致地層中的水合物發生分解，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，規模可能更大，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。

2.2 鉆井所誘發的地質災害

海底天然氣水合物主要發育在合適溫度和壓力條件下的穩定帶中，該區域內的溫度和壓力處于水合物形成和穩定存在的熱力學范圍內。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，水合物分解產生大量的氣體和少量的水，使得處于準膠結穩定態的水合物與海底地層失穩，釋放出的氣體和水為沉積層的大規模移動創造了條件。若分解產生的氣體在沉積層孔隙內不能迅速消散，那么將導致孔隙內產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。

2.3 環境效應

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建議

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。

3.1 精密規劃鉆井方案

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，可設計良好的鉆井方案來達到此目的。天然氣水合物的穩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，但在海洋深水鉆井中，鉆井管線復雜，循環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節鉆井液的密度來實現，然而，根據地層及鉆井條件，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，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，所以靠調節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，根據實際地層特征，對鉆井過程中的溫度和壓力實行聯合控制，在滿足經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。

3.2 采用具有水合物抑制性的水基鉆井液

水合物動力學抑制劑，相對于傳統的熱力學抑制劑，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生堵塞現象。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狀結構與水合物晶體相結合，從而防止和延緩水合物晶體的生長。

參考文獻：

[1]陳光進， 孫長宇， 馬慶蘭. 氣體水合物科學與技術[M].北京： 化學工業出版社， 2008.

[2]涂運中. 海洋天然氣水合物地層鉆井的鉆井液研究[D].武漢： 中國地質大學， 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.