邢希金

(中海油研究總院鉆采研究院，北京 100028)

中國天然氣水合物鉆井液研究進展

邢希金

(中海油研究總院鉆采研究院，北京 100028)

摘要：天然氣水合物是未來的清潔能源，主要賦存于大陸架海洋底部和永久凍土中，目前世界范圍內(nèi)還沒有大規(guī)模的商業(yè)化開發(fā)。現(xiàn)階段共提出熱激發(fā)法、降壓釋放法、注抑制劑法、CO2置換法、固體開采法5類開采方式。天然氣水合物僅保存于低溫高壓環(huán)境，鉆井時易引起水合物分解導致事故，關(guān)鍵在于鉆井液，重點保持力學、化學井壁穩(wěn)定及低溫條件下的流變性。我國天然氣水合物鉆井液的研究成果集中在水基鉆井液體系，主要研發(fā)的鉆井液包括鹵鹽體系、聚合物體系、甲酸鹽體系、聚合醇體系及稀硅酸鹽體系。都具有相對較好的天然氣水合物抑制性與低溫流變性，但仍有待礦場實踐檢驗。未來應加強鉆井液冷卻裝備研制、高效水合物抑制劑的開發(fā)及開展礦場實驗。

關(guān)鍵詞：天然氣水合物；低溫鉆井液；永久凍土；開采方式；可燃冰

Research Progress in Drilling Fluid for Natural Gas Hydrate in China

Xing Xijin

(Drilling&ProductionResearchInstitute,ChinaNationalOffshoreOilCorporationResearchInstitute,

Beijing100028,China)

Abstract:Natural gas hydrates are the future clean energy, mainly storing at the bottom of continental shelf and the perpetually frozen soil. Natural gas hydrates hasn’t been largely commercially developed all over the world. There are 5 development methods for natural gas hydrates at present: increasing formation temperature, depressurization, injecting inhibitors, replacement by CO2and solid mining. Natural gas hydrates only preserve in low temperature and high pressure, the drilling-in fluid of gas hydrate possibly results in some accidents because of easily decomposition and the key of success is the drilling fluid project, the points are to keep stability of mechanics and chemistry and to maintain rheological property in low temperature. The natural gas hydrate development drilling fluid research achievements in China mainly focus on water-based drilling-in fluid, mainly include halide salt drilling fluid system, polymer drilling fluid system, formate drilling fluid system, polyalcohol drilling fluid system and dilute silicate drilling fluid system. They all show good performance on inhibiting natural gas hydrate and rheological property in low temperature, but awaiting test in field experiment. In future, we should strengthen research and development of drilling fluid cooling equipment and highly effective hydrates inhibitors, and carry out field experiment.

Key words:natural gas hydrate; low temperature drilling fluid; frozen soil; develop way; combustible ice

天然氣水合物又稱可燃冰，石油鉆井領(lǐng)域通常簡稱水合物。天然氣水合物的商業(yè)化開采有利于緩解日益嚴峻的油氣能源短缺問題，其作為石油和天然氣的接替能源而倍受全球各國的關(guān)注。作為地球科學和能源工業(yè)的前沿課題，天然氣水合物的開發(fā)技術(shù)研究有著劃時代的意義。天然氣水合物僅能在高壓、低溫條件下穩(wěn)定存在，在鉆探過程中，鉆頭附近地層應力釋放導致地層壓力下降，破壞水合物相態(tài)平衡，誘發(fā)天然氣水合物分解；同時，鉆井過程中鉆具與地層摩擦生熱，如果鉆井液不能及時將產(chǎn)生的熱量帶走，也會改變天然氣水合物原有保存條件，誘發(fā)天然氣水合物分解。所以，在鉆入天然氣水合物層時，井底壓力和溫度的改變，都會破壞天然氣水合物賦存的相態(tài)平衡，誘發(fā)天然氣水合物發(fā)生分解，可能會發(fā)生井涌、溢流、井噴等鉆井事故。因此，在打開天然氣水合物地層時，首先要保證井內(nèi)較低的鉆井液循環(huán)溫度、合理控制井底壓力，確保水合物不至于大量分解；同時避免天然氣水合物在鉆井液循環(huán)系統(tǒng)中再次生成，從而達到安全鉆進的要求。

要實現(xiàn)水合物層的安全鉆井，核心技術(shù)在于鉆井液。天然氣水合物的相平衡性質(zhì)決定了此類地層鉆井與常規(guī)油氣鉆井之間有很大的差異，對鉆井液性能提出了更高的要求。我國已在海底和青藏永久凍土層發(fā)現(xiàn)了天然氣水合物，但尚未開展開采工作，鉆井液技術(shù)的研究也比較少，天然氣水合物鉆井液的研究工作還停留在室內(nèi)研究階段，研究成果鮮見于鉆探現(xiàn)場應用。為此，有必要對天然氣水合物鉆井液技術(shù)的相關(guān)研究成果進行系統(tǒng)總結(jié)，為我國天然氣水合物未來勘探與開發(fā)奠定理論基礎(chǔ)，提供技術(shù)支持。

1 天然氣水合物賦存環(huán)境

天然氣水合物形成并保存于高壓低溫條件，通常存在于大陸架海底地層及高緯度永久凍結(jié)帶。蘇聯(lián)科學家研究發(fā)現(xiàn)，海洋底下是天然氣水合物形成的最佳場所，海洋總面積的90%具有形成天然氣水合物的溫度和壓力條件。海底形成的天然氣幾乎以天然氣水合物形式保存在沉積物中[1]。地質(zhì)學研究認為，天然氣水合物的形成與海洋板塊活動相關(guān)，海洋板塊間的擠壓或拉伸運動導致海底石油和天然氣沿海洋板塊的邊緣裂隙向海底運移，當天然氣運移到深海高壓低溫環(huán)境時，天然氣與水發(fā)生化學作用形成水合物。在陸地上，天然氣水合物主要存在于凍結(jié)巖層，且分布廣泛。

高緯度永久凍結(jié)層，包括永凍淺海地帶的地理環(huán)境均適合天然氣水合物形成，在冰點溫度以上的永凍層之下也發(fā)現(xiàn)有天然氣水合物的存在。2007年5月我國在南海北部鉆獲天然氣水合物[2]；2008年11月，國土資源部在青海省祁連山南緣永久凍土帶(青海省天峻縣木里鎮(zhèn)，海拔4062m)成功鉆獲天然氣水合物實物樣品；2009年6月繼續(xù)鉆探，獲得寶貴的實物樣品，并對樣品進行了室內(nèi)鑒定，獲得一系列原始數(shù)據(jù)[3]。2013年我國珠江口盆地東部海域首次鉆獲了高純度新類型天然氣水合物。

2 天然氣水合物開采方式

天然氣水合物開采的主導思想是將蘊藏于沉積物中的天然氣水合物進行分解，然后加以利用。戴智紅[4]在天然氣水合物研究與開發(fā)現(xiàn)狀中總結(jié)了熱激發(fā)法、降壓釋放法、注抑制劑法等開采方式。世界上唯一商業(yè)化開采天然氣水合物的生產(chǎn)井在俄羅斯西伯利亞麥索雅哈，使用了降壓釋放法和注抑制劑法[5]。也有學者提出了固體開采法、混合開采法。綜合上述觀點，目前已經(jīng)提出的方法可以歸納為5種類型(表1)。

(1)熱激發(fā)法。天然氣水合物在加溫時會分解，利用外界條件對天然氣水合物層進行加熱，當達到一定溫度后就會破壞水合物存在的相平衡，使天然氣水合物分解。注蒸汽和電力(或磁力)加熱是熱激發(fā)法開采水合物的代表性方法。

(2)降壓釋放法。天然氣水合物在降壓時具有分解的特性，通過降低井筒液柱的密度、降低液柱的高度或人工抽吸等方式可以有效降低水合物層的壓力，破壞水合物的相平衡條件，促使其分解。目前降低地層壓力的一種有效方法是開采天然氣水合物層之下的游離氣，通過控制開采壓力來控制水合物分解速率。

(3)注抑制劑法。某些化學添加劑可以改變天然氣水合物形成的相平衡條件，通過向天然氣水合層持續(xù)注入化學添加劑就能夠控制其分解與釋放的速率，從而有效開采天然氣水合物。

(4)CO2置換法。在海洋1500m水深以下，液化的CO2會生成CO2水合物。與甲烷相比，CO2更容易形成水合物，將CO2注入水合物層就有可能將天然氣水合物中的甲烷分子置換出來，控制住CO2的注入速度就可以控制天然氣水合物的開采速度。

(5)固體開采法。將海底固態(tài)天然氣水合物直接取出水面是最初的思路，這種方法演化為混合開采法，或稱為礦泥開采法。采集水合物層的氣、液、固體水合物混合液，將該混合液在作業(yè)船或海上平臺上進行處理，使其進一步分解，最終獲取天然氣。

天然氣水合物開采方式及原理情況見表1。

表1　天然氣水合物開采方式及原理表

無論使用上述哪種方式開采，首先都必須通過鉆井建立水天然氣水合物層與地面或海面的通道，要維持高壓低溫條件才能保證鉆井成功，那么選擇適合的鉆井液工藝就是關(guān)鍵。

3 水合物層鉆井特點

2002年邱存家等[6]對22種鉆井液抑制水合物分解的性能進行評價發(fā)現(xiàn)，乳化鉆井液具有非常強的水合物抑制性乳化鉆井液中天然氣水合物的形成主要受水相中鹽含量控制。水基體系中同等濃度下，鹽抑制水合物的效果依次為NaCl>KCl>NaCOOH>鈣硝酸鹽。在所測試的乙二醇中，乙烯乙二醇具有最好的抑制效果，10%濃度聚乙二醇在單獨使用時也能發(fā)揮高效的抑制作用。

2004年孫濤等[7]在研究天然氣水合物勘探低溫鉆井液性能時發(fā)現(xiàn)，低溫條件下鉆井液的表觀黏度、塑性黏度、動切力及靜切力等流變參數(shù)值較大。鉆井液的低溫增稠作用有利于天然氣水合物鉆探中井壁穩(wěn)定和抑制天然氣水合物分解。

2006年寧伏龍等[8]在研究天然氣水合物水基鉆井液時指出，在鉆井液參數(shù)設(shè)計時除對天然氣水合物的抑制外，相對密度、護壁性和流變性也要重點關(guān)注，這些性能指標對井壁穩(wěn)定和井內(nèi)安全起關(guān)鍵作用。

張凌等[9]總結(jié)了在賦存天然氣水合物的永凍層鉆進時，必須考慮以下因素：溫度升高、壓力降低天然氣水合物很容易分解；天然氣水合物一旦分解將釋放出大量天然氣，體積會膨脹至120～170倍；天然氣水合物的穩(wěn)定條件受天然氣和水的混合成分制約；天然氣水合物的分解反應吸收熱量；水和天然氣在井筒內(nèi)容易再次生成天然氣水合物；目前的研究尚未指出原位狀態(tài)天然氣水合物的物性。

2008年湯鳳林等[10]研究了天然氣水合物層鉆井時井內(nèi)溫度規(guī)程與鉆井液的關(guān)系。在凍土中鉆井時井筒內(nèi)鉆井液溫度變化與多因素相關(guān)，主要取決于凍土的溫度、入口鉆井液溫度、井底破巖產(chǎn)生的熱量、鉆井液的性能和熱交換系數(shù)等。其中入口鉆井液的溫度對井筒溫度規(guī)程的影響較大，建議沖洗介質(zhì)的入口溫度以不導致井壁巖石解凍為宜，實驗獲得鉆井液的入口溫度應低于-2℃，鹽水溶液的入口溫度應低于-3℃。為了保證正常鉆進，鉆井液的溫度宜與井壁巖石的溫度盡量接近，可以選擇冰點低的鉆井液，適當加入降溫添加劑也可以降低鉆井液循環(huán)溫度。

4 對鉆井液的要求

綜合上述文獻，天然氣水合物層的鉆井液應滿足以下要求：

(1)維持合理的鉆井液密度。為了保持井壁力學穩(wěn)定，鉆井液液柱壓力要能夠平衡地層壓力。

(2)保持良好的井壁化學穩(wěn)定性。鉆井液能夠有效抑制泥頁巖水化分散和天然氣水合物生成。

(3)具有良好的低溫流變特性。鉆井液在使用前和使用過程中均應進行低溫冷卻，使其溫度近于天然氣水合物地層的溫度，低溫下鉆井液應滿足泵送要求，避免出現(xiàn)流不動或凝固現(xiàn)象。

(4)較好的攜帶巖屑的能力。鉆井液能夠及時將鉆屑帶出井筒，防止由于天然氣水合物的存在增加鉆井過程中的復雜情況。

(5)可調(diào)的井控能力。天然氣水合物的分解是鉆井面臨的最大安全問題，體現(xiàn)在井控方面是可調(diào)的天然氣水合物抑制能力及鉆井液的密度、流變性等。

(6)滿足環(huán)保方面的要求。無論是海洋還是高原，環(huán)境保護日益嚴格，鉆井液應有利于當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。

5 我國水合物層鉆井液研究進展

以分解抑制法為基礎(chǔ)，國外在天然氣水合物勘探實踐中嘗試過水基鉆井液和油基鉆井液，采用泡沫、乙酸丁酯及氟利昂進行鉆井的實踐，并有相關(guān)報道。國外采用水基鉆井液進行天然氣水合物鉆探較多，在抑制天然氣水合物分解方面，挪威采用無機鹽和其他有機鹽組成的高濃度含鹽鉆井液取得了較好的效果。

據(jù)報道，在熱力學抑制性能上，鹽和蒙皂土、水解聚丙烯酰胺等組成的鉆井液也有較好效果。國外經(jīng)驗表明，水基鉆井液體系在抑制天然氣水合物分解方面優(yōu)于油基鉆井液體系。

近年來，天然氣水合物的勘探與開發(fā)得到了許多國家的重視，我國也加大天然氣水合物勘探開發(fā)技術(shù)的攻關(guān)力度，國家863計劃課題、973計劃及國家自然科學基金都有項目涉及[11]，在天然氣水合物鉆井液的研究方面也取得了一些進展。

2008年陳禮儀等[12]對高原凍土天然氣水合物鉆探低溫鉆井液基礎(chǔ)液進行了研究，通過大量的試驗，對鹵鹽、甲酸鹽、有機醇3類基礎(chǔ)液在常溫和低溫條件下的流變性變化規(guī)律有所認識，并獲得了3類基礎(chǔ)液的凝固點隨濃度的變化規(guī)律，為低溫鉆井液體系研究打下了堅實的基礎(chǔ)。

馮哲等[13]針對凍土中天然氣水合物的鉆探研制了乙二醇復合聚合物抗低溫鉆井液體系，其配方為PVA(125mL)+PHP(50)mL+乙二醇(80mL)+NaCl(35g)，該體系具有較強的抗低溫能力和良好的流變性。同時研究發(fā)現(xiàn)在聚合物鉆井液體系中加入乙二醇后，無論加量多少，鉆井液均為牛頓流體，只對其剪切稀釋性有所影響。

2009年王勝等[14]研究了高原凍土天然氣水合物的賦存環(huán)境特性和鉆井取心工藝技術(shù)特點。在低溫鉆井液基礎(chǔ)液研究基礎(chǔ)上，以15 %NaCl溶液作為基礎(chǔ)液研制了滿足高原凍土天然氣水合物鉆探要求的無固相低溫鉆井液體系。其配方為1000mL水+8‰SW+0.5‰NaOH +15%NaCl+5‰FA。其中FA處理劑為特種高聚物，是為了解決高原凍土天然氣水合物鉆探而研發(fā)的新型增黏劑。

2009年蔣國盛等[15]對海洋天然氣水合物開發(fā)鉆井液進行了研究，對以海水+3.0% NaCOOH+ 3.0% SK-2 +0.2% KPAM+0.1% LV-PAC+0.3% 改性淀粉為基本體系(基液)的甲酸鹽鉆井液進行評價，發(fā)現(xiàn)其低溫(-5～20℃)穩(wěn)定性比較好，但如果不添加天然氣水合物抑制劑，在水深超過l400m后，混入大量天然氣會很容易形成天然氣水合物。而低熱量的動力學抑制劑PVP(K30)能有效提高甲酸鹽鉆井液的天然氣水合物抑制性，其加量在0.5%左右較為合適。

劉天樂等[16]針對海底天然氣水合物地層的特性，在充分考慮現(xiàn)有的常用聚合醇鉆井液體系的基礎(chǔ)上，通過室內(nèi)實驗討論了含動力學抑制劑的聚合醇鉆井液在海底天然氣水合物地層鉆探中的適用性。該體系的配方為人造海水+3%膨潤土+1% LV-PAC+4% SMP-2+10%聚乙二醇+20% NaCl+ l% PVP(K90) +0.5% NaOH。改良的低溫聚合醇鉆井液體系具有很好的頁巖抑制性和流變性，能夠滿足井壁穩(wěn)定、潤滑鉆具、攜帶鉆屑及井眼清潔等要求，且密度適中。推薦的熱力學抑制劑和動力學抑制劑復配使用，不僅能夠有效防止天然氣水合物生成，還可以有效抑制井筒內(nèi)天然氣水合物的重新生成。添加(0.5%～1%) PVP (K90)+ 10% NaCl就可以確保在井筒內(nèi)壓力為18 MPa的低溫環(huán)境下，20h不會生成天然氣水合物。

涂運中等[17]通過大量實驗，得到一種加入無機鹽和動力學抑制劑的稀硅酸鹽鉆井液，其配方為人造海水+2%膨潤土+1% LV-PAC +3% SMP-2+3%硅酸鈉+(10%~ 15%) NaCl+ (0.5%~1%)PV。其研制的硅酸鹽鉆井液不僅能具備攜帶巖屑和清潔井眼的性能，還能有效抑制井壁巖層的水化，抑制天然氣水合物分解，以及控制天然氣水合物在管線的再生成?？梢詽M足深水含天然氣水合物地層鉆進的要求，確保天然氣水合物地層鉆探安全、高效地進行。

鉆探天然氣水合物地層井控風險較高，受鉆井安全(水合物抑制)與環(huán)境保護影響，各國在天然氣水合物地層鉆井時傾向于選擇水基鉆井液體系，目前我國的天然氣水合物鉆井液研究也是沿水基路線發(fā)展，主要研究成果集中在鹵鹽體系、聚合物體系、甲酸鹽體系、聚合醇體系及稀硅酸鹽體系。水是天然氣水合物生成與存在的必要條件，水基鉆井液無疑會給工程作業(yè)帶來問題。在含天然氣水合物地層鉆進時，井眼穩(wěn)定問題是面臨的主要難題之一，天然氣水合物的存在及分解歸根結(jié)底是影響井壁穩(wěn)定的核心因素[18]，因此上述文獻都圍繞天然氣水合物的抑制與低溫流變性開展了大量的室內(nèi)研究工作，所取得的研究成果為未來深入研究奠定基礎(chǔ)。

5 結(jié)束語

與俄羅斯、美國、日本等國家相比，我國在天然氣水合物鉆井液體系方面的研究和應用嚴重滯后。我國的天然氣水合物開發(fā)技術(shù)攻關(guān)尚處于起步階段，借鑒國外的成功經(jīng)驗在室內(nèi)取得了一定研究成果，這些成果尚有待于礦場實鉆的檢驗。在含天然氣水合物地層鉆進時，其核心問題是天然氣水合物的存在及分解導致的井壁穩(wěn)定難題，基于目前的研究，未來在天然氣水合物鉆井液體系研究的同時應重點開展的工作包括以下幾個方面。

(1)針對降低循環(huán)溫度應加強鉆井液冷卻(或冷凍)設(shè)備的研制，特別是適用于海上和高原地區(qū)的近冰點冷卻設(shè)備，配合氣候窗口，選擇在冬季作業(yè)，利用低溫環(huán)境和增加鉆井液地面循環(huán)時間達到冷卻(或冷凍)效果。

(2)研發(fā)類似于國外已在天然氣水合物層鉆井中使用的表面活性蛋白、卵磷脂和聚乙烯吡咯烷酮(PVP)等化學抑制劑或更高效的化學抑制劑。

(3)盡快開展礦場先導試驗，通過礦場應用查找研究中的不足，結(jié)合理論研究完善低溫鉆井液技術(shù)，以滿足我國天然氣水合物勘探開發(fā)的需求。

參考文獻

[1]史斗,鄭軍衛(wèi).世界天然氣水合物研究開發(fā)現(xiàn)狀和前景[J].地球科學進展,1999,14(4):330-339.

[2]何家雄,祝有海,陳勝紅.天然氣水合物成因及在礦特征與南海北部資源前景[J].天然氣科學，2009，20(2)：237-243.

[3]武全萍,劉力健.天然氣水合物資源勘探開發(fā)技術(shù)研究進展[J].化工科技，2010，18(4)：58-62.

[4]戴智紅.天然氣水合物的研究與開發(fā)現(xiàn)狀[J]. 鉆井液與完井液,2005,22(6):51-53.

[5]吳傳芝,趙克斌,孫長青.天然氣水合物開采現(xiàn)狀[J].地質(zhì)科技情報，2008，27(1)：47-52.

[6]邱存家,陳禮儀,朱宗壤.天然氣水合物鉆探中鉆井液的使用[J]．探礦工程，2002，29(4)：36-37.

[7]孫濤,陳禮儀,邱存家,等.天然氣水合物勘探低溫鉆井液體系與性能研究[J].天然氣工業(yè)，2004 ；24(2):61-63.

[8]寧伏龍,吳翔,張凌,等.天然氣水合物地層鉆井時水基鉆井液性能實驗研究[J]. 天然氣工業(yè),2006,26(1):52-55.

[9]張凌,蔣國盛,蔡記華,等.低溫地層鉆進特點及其鉆井液技術(shù)現(xiàn)狀綜述[J].鉆井液與完井液,2006,23(4):69-72.

[10]湯鳳林,張生德,蔣國盛,等.在天然氣水合物地層鉆進時井內(nèi)溫度規(guī)程與鉆井液的關(guān)系[J].地質(zhì)科技情報,2002,21(4):96-99.

[11]張金華,魏偉,魏興華,等.我國天然氣水合物勘探及研究進展[J].非常規(guī)油氣,2014,1(1):75-81.

[12]陳禮儀,王勝,張永勤.高原凍土天然氣水合物鉆探低溫泥漿基礎(chǔ)液研究[J]．地球科學進展，2008，23(5):469-473.

[13]馮哲,徐會文,展嘉佳.乙二醇復合聚合物抗低溫鉆井液體系的試驗研究[J].世界地質(zhì),2008,27(1):95-99.

[14]王勝,陳禮儀,張永勤.天然氣水合物的鉆探無固相低溫鉆井液的研制-用于青藏高原永凍層天然氣水合物的鉆探[J].天然氣工業(yè),2009,29(6)：59-62.

[15]蔣國盛,寧伏龍,張昊,等. 海洋水合物鉆井用甲酸鹽鉆井液體系研究[J]. 西南石油大學學報(自然科學版,2009,31(5)125-129.

[16]劉天樂,蔣國盛,涂運中,等. 海洋水合物地層鉆井用聚合醇鉆井液研究[J].石油鉆采工藝，2009，31(5)：52-55.

[17]涂運中,蔣國盛,張昊,等. 海洋天然氣水合物鉆井的硅酸鹽鉆井液研究[J].現(xiàn)代地質(zhì)，2009，23(2)：224-228.

[18]寧伏龍,蔣國盛,張凌,等. 影響含天然氣水合物地層井壁穩(wěn)定的關(guān)鍵因素分析[J].石油鉆探技術(shù)，2008，36(3)：59-61.

中圖分類號：TE358文獻識別碼：A

作者簡介：邢希金(1981年生)，男，碩士，工程師，主要從事海洋石油開發(fā)鉆完井液及非常規(guī)工作研究工作。郵箱：xingxj2@cnooc.com.cn。