天然氣水合物鉆探現狀與鉆井技術

張金華,樊 波,劉瑞江

(1.中國石油勘探開發研究院,北京 100083；2.中國石油集團海洋工程有限公司天津分公司,天津 300451；3.中國石油集團海洋工程有限公司鉆井事業部,天津 300280)

天然氣水合物資源量巨大,且98%以上賦存于海域沉積物中[1],其中,相對較易開采的富砂質沉積體中的天然氣水合物資源量中值約為1 226.4×1012m3[2]。然而,天然氣水合物商業化開發的實現離不開天然氣水合物鉆完井。鉆井是勘探發現和開發天然氣水合物的重要手段,完井工程是指從鉆開天然氣水合物儲層到固井、完井,直至投產的系統工程[3],只有根據天然氣水合物儲層類型和特性選擇最佳的鉆完井方法,才能有效地開發天然氣水合物。目前,中外針對凍土區和海域天然氣水合物已經開展了諸多鉆探活動,并在多個區域進行了天然氣水合物試開采[4],但是鉆完井主要采用直井井身結構及常規油氣作業的鉆完井方式,尚未結合天然氣水合物儲層特性形成一套相對完善的天然氣水合物鉆完井技術系列。

現重點總結當前中外天然氣水合物鉆探情況及其所采用的主要技術,分析天然氣水合物形成與賦存的特殊性及由此造成對鉆完井的挑戰,以期為未來天然氣水合物鉆完井技術的發展提供思路和方向。

1 天然氣水合物鉆探現狀

從全球范圍來看,美國、加拿大、印度、日本、韓國、中國等國家以及大洋鉆探計劃(ocean drilling program,ODP)等國際組織實施了多次天然氣水合物鉆井,并主要通過降壓法對天然氣水合物鉆井進行了試采試驗[5],累計鉆探天然氣水合物井已超過150口[4]，如圖1[1，6-8]所示。

圖1 天然氣水合物鉆探情況[1,6-8]Fig.1 Current status of natural gas hydrate drilling[1,6-8]

1.1 凍土區域

全球凍土區天然氣水合物鉆探主要集中在俄羅斯的麥索亞哈、加拿大的麥肯齊三角洲、美國的阿拉斯加北坡和中國的祁連山凍土區。

1943年，美國學者首次提出自然界中存在天然氣水合物的設想,但未能證實。1963年，在馬哈河(Markha River)進行了勘探井鉆探,發現了氣涌,鉆探所獲得的溫壓等數據表明該處氣體只能以天然氣水合物的形成賦存,馬哈河氣田也被視為發現的第一個天然氣水合物氣田[9]。第一個實現商業化開發的天然氣水合物氣田為俄羅斯的麥索亞哈(Messoyakha)氣田[10],該氣田發現于1967年,天然氣水合物與常規天然氣呈上-下結構共存[11],1969年開始商業化開發,斷續生產到2011年底,天然氣水合物累計產氣量約54×108m3,占總產氣量的41.8%[9]。

麥肯齊凍土區位于加拿大西北地區,是世界上著名的天然氣水合物產地之一,在該地區相繼鉆了Mallik L-38、Mallik 2L-38、Mallik 3L-38、Mallik 4L-38、Mallik 5L-38五口天然氣水合物井,鉆井間的井距為40～100 m[12-13]。1972年加拿大帝國石油公司在加拿大北極地區麥肯齊三角洲勘探常規石油天然氣時,在Mallik L-38井中發現天然氣水合物[14]。2002年,針對鉆探的Mallik 5L-38井,采用加熱法進行了天然氣水合物試采,累計試采124 h,產甲烷氣470 m3。2007—2008年,采用降壓法對Mallik 2L-38井進行了兩次天然氣水合物試開采,產氣周期和累計產氣量分別為12.5 h、830 m3和6.8 d、13 000 m3[15]。

2008年，中國在祁連山凍土區首次鉆獲天然氣水合物實物樣品,同時也是世界中低緯度高山凍土區首次發現天然氣水合物[20]。祁連山凍土區是中國目前在陸域凍土區唯一一處鉆獲天然氣水合物實物樣品的地區。自2008年以來,中國在祁連山凍土區先后實施了26口天然氣水合物調查井和3口試采井,在11口調查井和2口試采井中發現了天然氣水合物。2011年、2016年先后在祁連山木里地區進行了兩次天然氣水合物試采,產氣周期和累計產氣量分別為101 h、95 m3和23 d、1 078.4 m3[21]。

1.2 海域

全球海域天然氣水合物鉆探主要集中在東太平洋海域、布萊克海臺、墨西哥灣、孟加拉灣、日本南海海槽、郁龍盆地和中國南海北部等區域。

國際組織圍繞天然氣水合物開展多個航次的鉆探研究(表1[22])。在深海鉆探計劃(deep sea drilling project,DSDP)期間(1963—1983年)初步開展了天然氣水合物研究,多個航次鉆探發現天然氣水合物賦存顯示。在此基礎上,大洋鉆探計劃(ODP)時期(1984—2003年)開展了天然氣水合物專題研究,例如ODP 164航次致力于對天然氣水合物取樣和含天然氣水合物沉積物特征的認識,ODP 204航次著重于對天然氣水合物形成、賦存機制進行研究[22-23]。整合大洋鉆探計劃(integrated ocean drilling program,IODP)(2003—2013年)311航次首次針對通過同一地震剖面上的多個站位進行鉆探,以便更加深入研究卡斯卡迪亞增生楔天然氣水合物的形成與賦存[24]。國際大洋發現計劃(international ocean discovery program,IODP)(2013—2023年)372航次和375航次圍繞天然氣水合物引起的滑塌開展了鉆探研究[8]。

表1 大洋鉆探活動中發現天然氣水合物的航次與站位[22]Table 1 List of legs and sites discovered hydrates from DSDP,ODP and IODP[22]

2005年,美國能源部聯合雪佛龍等石油公司在墨西哥灣實施“聯合工業計劃”(gulf of mexico gas hydrate joint industry project,GOM JIP)。GOM JIP第1航次于2005年實施,在Keathley Canyon 151(KC 151)和Atwater Valley 13/14(AT 13/14)區域共鉆探7口天然氣水合物井,鉆獲大量的天然氣水合物樣品；2009年在Alamlnos Canyon 21(AC 21)、Walker Ridge 313(WR 313)和Green Canyon 955(GC 955)3個區域開展了GOM JIP第2航次的鉆探,鉆探了7口天然氣水合物井,在預測的粗顆粒砂巖中獲取了飽和度較高的天然氣水合物實物樣品[25]。2017年,德克薩斯大學奧斯汀分校(University of Texas at Austin,UT)與美國地質調查局等單位在GC 955區域開展了UT-GOM2-1航次的天然氣水合物鉆探,共鉆探了兩口井,研究深水區砂質儲層中的天然氣水合物的性質和賦存情況等相關科學問題[8]。

印度于1997年啟動了國家天然氣水合物計劃(indian national gas hydrate program,INGHP),2006年在孟加拉灣開展了INGHP-01航次天然氣水合物鉆探,在喀拉拉-康坎(Kerala-Konkan)盆地、克里希納(Krishna-Godawari)盆地、馬哈納迪(Mahanadi)盆地、安達曼(Andaman)群島共鉆探39口井,證實了天然氣水合物的存在[26]。2015年實施了 INGHP-02航次鉆探,在克里希納(Krishna-Godawari)盆地、馬哈納迪(Mahanadi)盆地鉆探了 25口井,目的是開展粗粒沉積物中天然氣水合物評價,為下步天然氣水合物開發奠定基礎[27]。

2007年,韓國在其東海郁龍(Ulleung)盆地實施了天然氣水合物第1航次鉆探(Ulleung Basin gas hydrate drilling expedition,UBGH-1),開展了隨鉆測井及取芯,以證實郁龍盆地天然氣水合物賦存并評價其資源量。2010年實施了UBGH-2航次天然氣水合物鉆探,共鉆探31口井,進行隨鉆測井或取芯,調查天然氣水合物形成與賦存的地質控制因素,并優選富砂質天然氣水合物儲層,以便下一步開展天然氣水合物試采[28-30]。

日本南海海槽是全球首次實施海域天然氣水合物試采的區域。1999年實施了南海海槽鉆井,在砂質沉積層中發現天然氣水合物,并進一步通過2004年的“Tokai-oki至Kumano-nada計劃”進行鉆探取芯,證實該區域砂質儲層中富含高飽和度天然氣水合物,進而進行了試采井位的部署[7,31-32]。2013年,日本在南海海槽完成1口生產井和多口監測井的鉆探,試采6 d,累計產氣量約12×104m3[33]。2017年在該海域鉆探了兩口生產井進行試采,第一口生產井12 d累計產氣約3.5×104m3,第2口生產井24 d累計產氣約20×104m3[34]。

中國海域天然氣水合物鉆探主要集中在南海北部,自2007年始,由廣州海洋地質調查局(Guangzhou Marine Geological Survey,GMGS)主導在南海北部已開展了5個航次(GMGS1～GMGS5)的天然氣水合物鉆探,并進行了天然氣水合物試采[35-37]。2007年GMGS1、2015年GMGS3和2016年GMGS4的站位部署在神狐海域,通過鉆探取樣,發現了結核狀、脈狀和分散狀等多種天然氣水合物；2013年GMGS2站位部署在東沙海域,通過鉆探取樣,在粉砂質黏土及生物碎屑灰巖中發現塊狀、層狀、脈狀和分散狀等類型的天然氣水合物；2018年的GMGS5調查區域涉及到珠江口盆地、神狐區域、瓊東南盆地和西沙海域,并在前3個區域都通過鉆探和測井獲得了天然氣水合物賦存證據。2017年,在南海神狐海域開展了降壓法試采天然氣水合物,試采周期達60 d,累計產氣量30.9×104m3；2020年，在神狐海域進行了第二輪試采,從2月17日至3月30日,試采持續產氣42 d,累計產氣總量149.86×104m3，日均產氣量3.57×104m3。2017年,中國海油在神狐海域探索了固態流化法試采天然氣水合物。

2 天然氣水合物鉆井技術

以上鉆探現狀表明,當前天然氣水合物鉆探目標主要是證實天然氣水合物的存在和開展天然氣水合物儲層物性評價等,少量鉆井進行了開采試驗研究,因此,在盡量不損傷天然氣水合物儲層條件下開展敏感性鉆探非常有必要,隨鉆測井(logging-while drilling,LWD)已成為鉆探過程中判識天然氣水合物賦存和原位測試天然氣水合物儲層屬性的重要手段[1]。此外,陸域凍土區和海域作為天然氣水合物賦存的兩類區域和環境,決定了其各自的鉆井技術存在一定的差異。

2.1 鉆探設備及施工方式

凍土區天然氣水合物鉆探設備主要借助常規油氣、煤炭等行業的巖心鉆探設備。麥肯齊三角洲和阿拉斯加北坡凍土區天然氣水合物鉆探項目主要由石油公司負責,多采用常規油氣鉆探設備進行鉆探(表2[38]),井型都為直井,并利用LWD中的電阻率等測井數據對天然氣水合物飽和度進行估算。由于凍土層段固態冰顆粒膠結作用,Mallik 3L-38、Mallik 4L-38和Mallik 5L-38在凍土層段的鉆進速率較低(15～20 m/h),Mount Elbert#1和Ignik Sikumi#1鉆進速率為30～40 m/h[1]。在施工過程中,根據地層等情況,靈活調整施工工藝,如以天然氣水合物勘探發現為目標的Mount Elbert#1井,在594 m地層深度前利用水基鉆井液進行鉆探,但鉆探顯示出鉆孔增大現象,這可能是水基泥漿的溫度不能保持接近永凍層地層的溫度,進而造成凍結水的融解,使得地層更為松散,為此,在594 m以下,采用了油基鉆井液替代水基鉆井液,以便在更好的條件下鉆探含天然氣水合物沉積層,并充分利用聲波測井、伽馬測井、磁共振測井等開展天然氣水合物飽和度計算[1,39-40]。在祁連山凍土區天然氣水合物鉆探中,采用了大孔徑繩索取芯、低溫泥漿、半合板鉆具、PVC內管等鉆探施工工藝和取芯技術[41],如DK-2井施工鉆機為黃海機械廠生產的HXY-6B型號鉆機,開孔使用小硬質合金鉆頭鉆進,并下套管及更換繩索取芯鉆具[42]。2016年，祁連山凍土區天然氣水合物試采井鉆探運用了“山”字形水平對接井,利用定向鉆探技術使3口井在天然氣水合物富集層連通,在每口井之間下入水平套管[21]。

表2 凍土區主要天然氣水合物鉆井鉆頭類型及鉆井液[38]Table 2 Types of drilling and drilling fluid used in hydrate drilling in permafrost areas[38]

海域天然氣水合物鉆探項目中,主要選擇的半潛式鉆桿或者鉆探船(表3),通常采用無套管鉆井,以及開展LWD作業。當前,針對不同鉆井目的,鉆井方式有一定差異。對于天然氣水合物勘探井而言,井眼的穩定性長期來看并不是很重要,在鉆井過程中通常無隔水管方式鉆進[43],不安裝隔水管,也不下套管。無套管鉆井能夠加快勘探鉆探的速度,但也可能出現鉆孔穩定性和沖刷等問題,從而降低鉆進速率。例如,墨西哥灣JIP I-Ⅱ航次、印度的INGHP01-02航次、韓國UBGH鉆井都是無套管和防噴器(BOP)鉆探方式。對于無套管天然氣水合物鉆探,關鍵需要保持鉆井液溫度接近地層中天然氣水合物的溫度。在鉆探過程中,可能發生鉆桿堵塞,建議采用倒劃井眼方式。例如,在墨西哥灣 WR 313-G井鉆探過程中,鉆桿在轉盤以下2 817.5 m處堵塞(海水深度2 000 m),最后通過施加了63.5 t的超載提升力得以釋放鉆桿。

表3 海域天然氣水合物鉆探船情況Table 3 Drilling ship used in marine hydrates drilling

對于天然氣水合物試采井而言,井眼的穩定性較為重要。2017年,中國海洋石油集團有限公司在南海北部荔灣3站位依托深水工程勘察船“海洋石油708”實施了天然氣水合物試采,采用無隔水管鉆桿鉆井方式,鉆桿固井的方式固井,然后在鉆桿中下入連續油管作為采氣管柱。2017年,中國南海神狐海域天然氣水合物試采采用“藍鯨1號”半潛式鉆井平臺,導管噴射井段采用海水噴射鉆進,二開井段采用PAD鉆井液施工工藝進行開路鉆進,三開井段采用抑制性水基鉆井液進行鉆井作業,并在鉆入儲層前安裝了隔水管和防噴器[44]。

2.2 完井方式

完井是連接鉆井和生產的關鍵環節,完井系統需考慮ESP(electric submersible pump)的封隔能力滿足所需的壓力下降以減少靜水壓力、ESP封隔器必須能夠承受流體和氣體的壓力差等不確定性[45]。試采實踐顯示天然氣水合物井開發過程中的出砂問題是制約其高效開采的關鍵因素[46-47],大部分在試采過程中都遇到不同程度的地層出砂現象,使得天然氣水合物資源的商業化開采一直沒有實現[48]。天然氣水合物試開采完井主要包括完井方式優選、出砂管理等關鍵技術。目前歷次天然氣水合物試采中使用的完井方式均不同[49],防砂效果也不一致(表4[49])。2002年的Mallik 5L-38試采井采用“裸眼+機械篩管”完井；2007年的Mallik 2L-38采用套管射孔完井,出砂造成電潛泵堵塞,試采被迫終止；同樣針對Mallik 2L-38,2008年下入防砂篩管進行第2次試采作業,連續6 d的時間里面獲得了比較穩定的產能；2013年日本南海海槽天然氣水合物試采井采用“裸眼+礫石充填”完井；日本2017年試采實施的兩口井分別采用先期膨脹GeoForm篩管和井下后期膨脹GeoForm防砂系統完井；2017年中國神狐海域天然氣水合物試采采用“套管完井+水力割縫”完井方式,防砂采用預充填篩管方式,防排結合、以排為主的防砂舉升工藝和防砂篩管工藝。由于天然氣水合物儲層的弱固結/未固結性,防砂參數設計需要考慮地層的多相相變動態環境[50],不建議采用裸眼防砂,可針對具體實踐,優選套管射孔管內礫石循環充填、高速水充填、高密度擠壓礫石充填工藝技術、多粒級充填防砂工藝等方式。

表4 天然氣水合物試采防砂情況[49]Table 4 Sand control during the trial production of natural gas hydrate[49]

2.3 鉆完井液

鉆井液對于凍土區或海域天然氣水合物安全鉆采發揮著重要的作用,深水鉆井時容易在鉆井液中生成天然氣水合物,給深水鉆井帶來極大的危害[51-53],為此,鉆井液需滿足流變性、濾失性、抑制天然氣水合物分解等參數要求,同時又要避免天然氣水合物的二次生成。天然氣水合物勘探使用的主要鉆井液體系有用高鹽/木質素磺酸鹽水基鉆井液體系、高鹽/部分水解聚丙烯酰胺聚合物加聚合醇水基鉆井液體系、油基鉆井液體系以及合成基鉆井液體系。在海底鉆井過程中,為避免鉆頭產生的熱量大量擴散到地層引起天然氣水合物分解,油基泥漿較為理想,然而,油基泥漿對海底環境的污染太大[54]。為此,從抑制天然氣水合物效果、環保角度和成本控制綜合考慮來看,天然氣水合物勘探應首選水基鉆井液體系[55]。

加拿大麥肯齊三角洲Mallik鉆探井采用的鉆井液為卵磷脂-水基泥漿(表2),同時匹配泥漿制冷系統,鉆井井內循環泥漿平均溫度控制在-1～-2 ℃；Mount Elbert#1和Ignik Sikumi#1井的天然氣水合物層段選用油基泥漿,也匹配泥漿制冷系統,其中,Mount Elbert#1井在凍土層段使用了水基泥漿,但發生嚴重鉆孔增大現象[1]。2008年,祁連山DK-1井采用水基泥漿,泥漿采用自然冷卻方式。

海域天然氣水合物鉆探主要以海水作為鉆井液,用于傳輸巖屑到海底。例如,美國GOM JIP I與GOM JIP Ⅱ、印度INGHP-01的天然氣水合物鉆井中,都采用海水作為鉆井液[1]。2017年中國南海神狐海域天然氣水合物試采井鉆探過程中,采用清潔鹽水完井液進行完井作業,有效地抑制了完井過程中天然氣水合物的二次生成,有效地保證了儲層穩定,最大限度地保持了儲層的原有特性。

中外學者開始研究新型鉆井液。Saikia等[56]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良的天然氣水合物鉆井液添加劑；劉天樂等[57]實驗優選出一種適合海洋天然氣水合物地層鉆井用的納米SiO2鉆井液。

2.4 挑戰與展望

天然氣水合物賦存的特殊和復雜的地質環境、天然氣水合物形成與分解的溫壓特征等為天然氣水合物鉆井帶來了諸多挑戰。研究認為,影響鉆井的天然氣水合物特征主要包括天然氣水合物形成與賦存的溫度-壓力特征、以松散沉積物為儲集體的儲層特征、海域天然氣水合物通常位于海底500 m以淺的埋深特征，以及天然氣水合物分解加劇沉積儲層弱化的力學特征等。天然氣水合物的形成與賦存受溫度和壓力條件控制,溫度和壓力的變化將導致天然氣水合物分解與二次生成等相態變化,在天然氣水合物鉆采過程中,尤其是海域天然氣水合物,海底淺層天然氣水合物分解引起沉積層失穩和海底滑坡,同時,天然氣水合物的分解將引起泥漿密度降低,促進天然氣水合物進一步分解,從而造成擴徑甚至井壁坍塌[3,54,58]。與常規油氣相比,天然氣水合物儲層埋藏深度較淺,地層處于未固結狀態。例如,海域天然氣水合物通常位于海底以下0～500 m,儲層主要為新近紀以來松散沉積物[59]。天然氣水合物分解可導致由天然氣水合物弱固結的沉積層變得更為松散,進而發生鉆井平臺失穩和產生海底滑坡等地質災害,給天然氣水合物勘探開發帶來挑戰。

Hannegan等[60]認為陸域和海域天然氣水合物鉆探均面臨著由常規鉆探方法、井底壓力波動、井筒周圍天然氣水合物分解等加劇井筒不穩定性、淺部松散沉積物與天然氣水合物儲層間的窄窗口等方面的挑戰,同時,海域天然氣水合物鉆探還面臨水深、海底溫度、洋流以及海底沉降等方面的挑戰。

針對未來海域天然氣水合物鉆探及開采,應盡量避免天然氣水合物儲層中的壓力波動,保持井筒內溫度-壓力的有效控制,以及襯墊、篩管和完井設施的平衡安裝,同時為了使單井最大化動用儲層可采儲量,提高單井產量,探索天然氣水合物儲層力學特征及本構關系[61-62],保障長期安全穩定開發。針對面臨的挑戰,需開展一系列關鍵技術的攻關研究。

(1)加強海域天然氣水合物定向井、水平井鉆井工藝技術研究。針對海域天然氣水合物儲層埋藏較淺,深水淺部地層松軟,存在淺層造斜工具面難以穩定、造斜率難以達到要求的技術難點,積極探索淺軟地層多分支井或魚骨井等復雜結構井的鉆完井技術。

(2)探索經濟高效的天然氣水合物鉆完井液。天然氣水合物鉆井液存在低溫流變性波動大、海底淺層膠結差易引起井壁失穩和擴徑、打開儲層易引起天然氣水合物分解等技術難題,需針對不同場景、不同鉆探階段,研發適應的天然氣水合物鉆完井液,如泥質粉砂型天然氣水合物鉆井液技術、海域天然氣水合物水平井鉆井液技術等。

(3)探索新型防砂技術。要實現天然氣水合物長期穩定的商業開采,必須攻克出砂問題[50]。目前,天然氣水合物防砂技術沿用傳統油氣開發所使用的防砂技術,針對性及適應性較差,專用防砂完井工具裝備極度缺乏,未來,應探索開發新型防砂完井工具與裝備,促進防砂-完井一體化,形成高效、長效、低成本防砂完井技術。

(4)研發配套海洋工程技術。當前,海域天然氣水合物鉆探主要為大型鉆探船,無形中增加了勘探成本。未來,應完善和發展具備卷式套管的小型鉆探船或者潛式鉆探設備組合,并充分運用控壓鉆井、欠平衡鉆井、套管鉆井、隔熱豎管鉆井等技術,以解決天然氣水合物鉆探過程中可能引起的井口坍塌、井壁失穩、海底滑坡等問題。

3 結論

(1)全球已在麥索亞哈、麥肯齊、阿拉斯加和祁連山等陸地凍土區、以及墨西哥灣、孟加拉灣、日本南海海槽、郁龍盆地和中國南海北部等海域完成了多次天然氣水合物鉆探,并在多個區域開展了天然氣水合物試采,顯示了較好的天然氣水合物勘探開發前景。

(2)天然氣水合物鉆探通常與LWD相結合,并以常規鉆探設備、水基鉆井液為主,其中,海域天然氣水合物鉆探主要選擇半潛式鉆桿或者鉆探船,進行無套管鉆井,通常以海水作為鉆井液。當前天然氣水合物試采井采用的完井方式各不相同,尚未形成有效的完井技術系列。

(3)天然氣水合物形成與賦存的溫度-壓力特征、以松散沉積物為儲集體的儲層特征、海域天然氣水合物通常位于海底500 m以淺的埋深特征，以及天然氣水合物分解加劇沉積儲層弱化的力學特征等決定了天然氣水合物鉆井面臨著井筒及井口穩定性、井筒溫-壓控制要求高、鉆井液安全密度窗口窄等方面的挑戰。

(4)未來應進一步探索控壓鉆井、欠平衡鉆井、套管鉆井、隔熱豎管鉆井等技術在天然氣水合物鉆井中的應用,研究深水淺軟地層水平井鉆完井、分支井或魚骨井等技術,研究及優選潛式鉆探設備組合和經濟環保高效型低溫天然氣水合物鉆完井液。