王志遠(yuǎn) 張洋洋 張劍波 楊賀民

（中國石油大學(xué)(華東) 石油工程學(xué)院 青島 266580）

0 引 言

天然氣水合物是天然氣和水在高壓低溫條件下形成的非化學(xué)計(jì)量型白色類冰狀晶體水合物，其具有分布廣泛、儲(chǔ)層埋深較淺、儲(chǔ)量巨大（我國海域天然氣水合物資源量約800億t油當(dāng)量）、能量密度較高及清潔等特征。因此，天然氣水合物具有極高的資源開采價(jià)值，被視為未來極具潛力的戰(zhàn)略接替能源，其安全高效的開發(fā)會(huì)影響甚至改變?nèi)蚰茉锤窬帧?/p>

深海鉆探計(jì)劃（Deep Sea Drilling Program，DSDP）、國際大洋鉆探計(jì)劃（Ocean Drilling Program，ODP）、綜合大洋鉆探計(jì)劃（Integrated Ocean Drilling Program，IODP）和國際大洋發(fā)現(xiàn)計(jì)劃（International Oceam Discovery Program，IODP）借助大洋鉆探船，在全球各地進(jìn)行了多個(gè)航次的鉆探并對(duì)海域天然氣水合物的成藏模式與地質(zhì)特征進(jìn)行了表征。截至2022年9月，全球5個(gè)國家開展了共計(jì)13次的水合物試采試驗(yàn)，其中深海海域6次。雖然我國第2輪海域天然氣水合物試采創(chuàng)造了產(chǎn)氣總量和日均產(chǎn)氣量2項(xiàng)世界紀(jì)錄，但根據(jù)目前深水油氣鉆采消耗費(fèi)用反演可知，僅有當(dāng)單井日產(chǎn)氣量≥20萬m時(shí)，水合物鉆采才具有一定的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。顯然，海域天然氣水合物商業(yè)化開采的實(shí)現(xiàn)需要從兩方面著手：一是尋求一種有前景的水合物增產(chǎn)方法，提高開采產(chǎn)能；二是探究水合物經(jīng)濟(jì)化鉆采平臺(tái)，創(chuàng)新水合物儲(chǔ)層安全鉆井技術(shù)。即以“增產(chǎn)能、降成本、保安全”為指導(dǎo)方針，加速對(duì)水合物經(jīng)濟(jì)化鉆采平臺(tái)、安全鉆采技術(shù)的探究。

目前，世界各國關(guān)于海域天然氣水合物經(jīng)濟(jì)化鉆采平臺(tái)、安全鉆井技術(shù)及其實(shí)施工藝均處于探索階段。事實(shí)上，不同地區(qū)的海域天然氣水合物地質(zhì)特征存在些許差異，且水合物井具有常規(guī)油氣井所不具備的特點(diǎn)，但由于水合物鉆采平臺(tái)研發(fā)周期長、耗資巨大且鉆采經(jīng)驗(yàn)極其匱乏，因此世界各國多借鑒深水油氣的鉆采思路來開展相關(guān)工作以積累寶貴的水合物鉆采經(jīng)驗(yàn)。此外，水合物的商業(yè)開采關(guān)系到各個(gè)國家的能源安全問題，因此世界各國關(guān)于水合物鉆采平臺(tái)的研發(fā)數(shù)據(jù)及其相關(guān)的安全鉆井技術(shù)并不互通甚至達(dá)到絕密級(jí)別。鑒于此，本文跟蹤調(diào)研了全球海域天然氣水合物儲(chǔ)層的鉆采現(xiàn)狀，概述了水合物儲(chǔ)層的鉆探及試采平臺(tái)，分析了深水海底鉆機(jī)在水合物儲(chǔ)層中鉆探的應(yīng)用潛力，基于水合物儲(chǔ)層鉆井特點(diǎn)介紹了4種鉆井技術(shù)的應(yīng)用前景，以期為我國海域天然氣水合物的經(jīng)濟(jì)化鉆采平臺(tái)研發(fā)及安全鉆井技術(shù)的發(fā)展提供一定借鑒。

1 全球海域天然氣水合物儲(chǔ)層鉆采現(xiàn)狀

1.1 水合物儲(chǔ)層的鉆探現(xiàn)狀

海域天然氣水合物的經(jīng)濟(jì)化鉆采離不開對(duì)水合物儲(chǔ)層的充分認(rèn)識(shí)，在此過程中水合物儲(chǔ)層的鉆探扮演著重要角色。迄今為止，美國、加拿大、印度、日本、韓國和中國等國家在太平洋東部海域、美國布萊克海臺(tái)、美國墨西哥灣、美國水合物嶺地區(qū)、印度孟加拉灣、日本南海海槽、韓國郁龍盆地及中國南海神狐海域及珠江口盆地等區(qū)域進(jìn)行了多次水合物鉆探工作（如下頁圖1、表1所示）。

表1 全球海域天然氣水合物重點(diǎn)儲(chǔ)層的鉆探活動(dòng)

圖1 全球海域天然氣水合物儲(chǔ)層鉆探區(qū)域

不同于試采井的長周期作業(yè)過程，鉆探井主要目的是獲取地層資料，是一個(gè)相對(duì)短暫的過程，因此很少考慮井眼的長期力學(xué)穩(wěn)定性，以至于常采用無隔水管方式鉆進(jìn)（既不安裝隔水管，也不下入套管）。海域天然氣水合物鉆探的主要內(nèi)核包含：（1）鉆井過程中利用特制鉆頭開展保壓取芯及隨鉆測井（logging while drilling, LWD）工作；（2）鉆井結(jié)束后進(jìn)行電纜測井工作； （3）綜合保壓巖芯數(shù)據(jù)、測井?dāng)?shù)據(jù)、地面地震數(shù)據(jù)和基于三維分布式聲學(xué)傳感器的垂直地震剖面測量（3-D DAS-VSP）數(shù)據(jù)，對(duì)海域天然氣水合物儲(chǔ)層類型、地質(zhì)特征等進(jìn)行表征。

1.2 水合物儲(chǔ)層試采現(xiàn)狀

目前，全球共有5個(gè)國家進(jìn)行了13次天然氣水合物儲(chǔ)層試開采工作，其中陸地凍土區(qū)7次，深海海域6次。中國、日本、加拿大和美國在天然氣水合物鉆采工程與基礎(chǔ)研究上處于領(lǐng)先地位，海域試采區(qū)域主要有日本南海海槽及中國南海神狐海域（如表2所示）。

表2 全球海域天然氣水合物現(xiàn)場試采問題及相關(guān)裝備

據(jù)中國地質(zhì)調(diào)查局報(bào)道：我國于2017年在南海成功開展了第1輪試采（探索性試采），解決了開采安全及開采連續(xù)性問題，發(fā)現(xiàn)探索性試采的短期最高產(chǎn)量（即使是0 ～ 8 d）遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足工業(yè)化和商業(yè)化生產(chǎn)需求；之后，針對(duì)產(chǎn)氣規(guī)模問題于2020年進(jìn)行了為期30天的天然氣水合物第2輪試采（試驗(yàn)性試采），試采累計(jì)產(chǎn)氣總量為86.14×10m，日均產(chǎn)氣2.87×10m，是第1輪試采日產(chǎn)氣量的4.8倍，創(chuàng)造了產(chǎn)氣總量和日均產(chǎn)氣量2項(xiàng)世界紀(jì)錄。我國的兩輪試采成為天然氣水合物產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程中極為關(guān)鍵的一步。

現(xiàn)場試采的生產(chǎn)潛力需要進(jìn)一步評(píng)估。迄今為止，水合物商業(yè)開采對(duì)應(yīng)的產(chǎn)能并無確切的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，為簡單衡量現(xiàn)場試采的技術(shù)水平，諸多學(xué)者常采用固定的臨界產(chǎn)能作為水合物產(chǎn)業(yè)化的產(chǎn)能標(biāo)準(zhǔn)，其中深海區(qū)域水合物產(chǎn)業(yè)化臨界產(chǎn)能為5.0×10m/d。

全球天然氣水合物試采產(chǎn)能與商業(yè)化產(chǎn)能門檻對(duì)比如圖2所示。

圖2 海域天然氣水合物平均日產(chǎn)量與產(chǎn)業(yè)化產(chǎn)能門檻

可知迄今為止僅日本第1次試采及中國第2輪海域試采產(chǎn)能達(dá)到2.0×10m/d，這只達(dá)到商業(yè)化產(chǎn)能水平的4%左右。很明顯，試采產(chǎn)能與商業(yè)化產(chǎn)能門檻仍有2 ～ 3個(gè)數(shù)量級(jí)差距，這意味著大幅度提高產(chǎn)能是實(shí)現(xiàn)天然氣水合物產(chǎn)業(yè)化開采的迫切需要；另一方面，經(jīng)濟(jì)化的鉆采平臺(tái)及其安全的鉆井技術(shù)同樣亟需研發(fā)。

此外，針對(duì)大量出砂引發(fā)的儲(chǔ)層質(zhì)量和能量雙重虧空，諸多依賴儲(chǔ)層條件的防砂技術(shù)被提出并得到現(xiàn)場應(yīng)用，如壓裂礫石充填、割縫篩管、防砂篩網(wǎng)和GeoFORM防砂系統(tǒng)等，但這種依賴關(guān)系鮮有研究，也沒有相關(guān)結(jié)論，表明試采時(shí)間普遍較短情況下，各種技術(shù)手段的防砂效果需進(jìn)一步現(xiàn)場驗(yàn)證。需注意，現(xiàn)存防砂手段及相關(guān)技術(shù)能很好滿足細(xì)粒徑（可達(dá)到10 μm）石英砂的防、擋需求，但一味地防砂擋砂會(huì)不可避免地在井筒附近形成砂堵砂埋，黏質(zhì)土含量較多的儲(chǔ)層更甚，因此，水合物開采必須特別關(guān)注產(chǎn)能與出砂的動(dòng)態(tài)平衡，諸多學(xué)者需要進(jìn)一步開發(fā)專用的防砂設(shè)備及其相關(guān)工具。再者，設(shè)計(jì)防砂介質(zhì)時(shí)，防砂介質(zhì)孔徑的優(yōu)化以及適當(dāng)降低防砂精度可能是值得的。即水合物開采過程中允許一部分小于臨界尺寸的細(xì)砂顆粒從儲(chǔ)層運(yùn)移排出并進(jìn)入井筒，而較大的顆粒在井筒周圍形成“砂橋”，成為過濾后續(xù)細(xì)砂顆粒的屏障，最終找到出砂和防砂間的最優(yōu)策略，并確定井筒附近砂堵和固砂間的折中方案。然而，關(guān)于合理出砂的相關(guān)理論及其裝備，如井筒產(chǎn)能的提高機(jī)理、出砂粒徑閾值的確定、防砂方法及設(shè)備的優(yōu)化與防砂工具詳細(xì)參數(shù)的設(shè)計(jì)等，均需要結(jié)合現(xiàn)場鉆采情況進(jìn)一步確定。

2 海域天然氣水合物鉆采平臺(tái)概述

2.1 大洋鉆探船概述

深海鉆探計(jì)劃（DSDP）、國際大洋鉆探計(jì)劃（ODP）、綜合大洋鉆探計(jì)劃（IODP)和國際大洋發(fā)現(xiàn)計(jì)劃（IODP）是迄今為止地學(xué)領(lǐng)域影響最深、規(guī)模最大的國際合作研究計(jì)劃，在這些研究計(jì)劃的大力支持下，集各種裝備及鉆探技術(shù)于一體的大洋鉆采船成為實(shí)施深水儲(chǔ)層鉆探的常用手段。大洋鉆探40余年來，共有3艘使用頻率較高、服務(wù)年限較長且平臺(tái)裝備較成熟的深海鉆探船，它們分別為DSDP時(shí)期的Glomar Challenger （格羅瑪·挑戰(zhàn)者號(hào)）、ODP時(shí)期開始使用至今的JOIDES Resolution（喬迪斯·決心號(hào)）和IODP時(shí)期新加入的CHIKYU（地球號(hào)），其中格羅瑪·挑戰(zhàn)者號(hào)和喬迪斯·決心號(hào)均由美國建造，后者則為日本所有（如圖3所示）。

圖3 高頻使用的大洋鉆探船[20]

3艘常用大洋鉆探船的參數(shù)對(duì)比如下頁表3所示。

表3 3艘常用大洋鉆探船的參數(shù)對(duì)比

可知，相較早早退役的格羅瑪·挑戰(zhàn)者號(hào)，多次用于海域水合物儲(chǔ)層鉆探的喬迪斯·決心號(hào)具有噸位更大、鉆探水深更高、鉆探能力更強(qiáng)、深水探測技術(shù)更豐富與船上實(shí)驗(yàn)室設(shè)備更先進(jìn)等優(yōu)點(diǎn)，其于2006至2009年經(jīng)過全面升級(jí)改造后，更是延長了該鉆探船的使用年限，預(yù)計(jì)可以服役至2029年。

相較格羅瑪·挑戰(zhàn)者號(hào)和喬迪斯·決心號(hào)的無隔水管鉆探方式，斥資570億日元修建的日本地球號(hào)是世界上首艘且是規(guī)模最大的釆用隔水管鉆探方式的多功能大洋鉆采船。非隔水管鉆探及隔水管鉆探技術(shù)示意圖及優(yōu)缺點(diǎn)分別如下頁圖4和第8頁表4所示。

表4 3種鉆探技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)

圖4 3種鉆探技術(shù)示意圖

可見，兩者均具有明顯的優(yōu)缺點(diǎn)，但考慮到目前超深的深水鉆探深度及鉆井精細(xì)控壓的需求，隔水管鉆探技術(shù)已成為油氣鉆探中的常用技術(shù)。此外，這種閉環(huán)循環(huán)的方式還可以更好地清潔井底、控制泥漿性能。然而，龐大的鉆探船規(guī)模、造價(jià)高昂的隔水管和深水惡劣環(huán)境對(duì)隔水管的不利影響等均表明了新型鉆探技術(shù)提出的必要性。

鑒于此，一種基于泥漿吸入及泥漿回收系統(tǒng)的無隔水管泥漿閉式循環(huán)鉆探技術(shù)（riserless mud recovery drilling，RMR）被鉆井服務(wù)公司提出。

RMR的技術(shù)示意圖以及優(yōu)缺點(diǎn)分別如圖4和表4所示（有關(guān)RMR技術(shù)的進(jìn)一步介紹詳見4.2、4.3章節(jié)），其中泥漿吸入及泥漿回收系統(tǒng)如圖5所示[24-25]。

圖5 無隔水管泥漿吸入及泥漿回收系統(tǒng)

由此可知，基于該系統(tǒng)及雙梯度鉆井的RMR技術(shù)能夠很好地解決隔水管鉆探技術(shù)的應(yīng)用缺陷，將泥漿泵放在海底能使鉆探船規(guī)模接近喬迪斯·決心號(hào)的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)地球號(hào)鉆探船的功能，顯著降低鉆探船規(guī)模及運(yùn)行費(fèi)用，但是這種新型技術(shù)應(yīng)用的可行性需要在多個(gè)深水場地進(jìn)行進(jìn)一步測試。

不過，不論是何種鉆探技術(shù)，目前大洋鉆探船的運(yùn)行費(fèi)用一直居高不下，再加上近年來國際油價(jià)的飛速上漲，對(duì)鉆探計(jì)劃的順利運(yùn)行來說更是雪上加霜。比如最為先進(jìn)的地球號(hào)鉆探船的日花銷高達(dá)50萬美元，如此高昂的花費(fèi)使得鉆探船運(yùn)行時(shí)間大大縮短（每年僅有4個(gè)月左右），其他時(shí)間則通過從事商業(yè)鉆探來補(bǔ)償高昂的運(yùn)行經(jīng)費(fèi)，即便如此，其年運(yùn)行經(jīng)費(fèi)仍需8 000萬美元左右。即使是年運(yùn)行經(jīng)費(fèi)較低的決心號(hào)，也由全年12個(gè)月運(yùn)行調(diào)整至8個(gè)月運(yùn)行以節(jié)約運(yùn)行成本。鑒于此，為了進(jìn)一步提高IODP的執(zhí)行效率且盡可能地節(jié)約管理成本，實(shí)施了精簡IODP的管理機(jī)構(gòu)、組建“平臺(tái)管理委員會(huì)（ECORD）”對(duì)鉆探船進(jìn)行統(tǒng)一管理，以及引入“匹配性項(xiàng)目建議書”新機(jī)制等三大舉措。通過上述改革后發(fā)現(xiàn)，近年來美國決心號(hào)運(yùn)行比較順利。相反，地球號(hào)鉆探船屬于日本政府的國有資產(chǎn)，其運(yùn)行資金主要來自日本文部省的定向撥款，僅有少量資金來自商業(yè)鉆探，這使得地球號(hào)目前仍陷于經(jīng)費(fèi)短缺的困境，制定的計(jì)劃航次多次破產(chǎn)。決心號(hào)和地球號(hào)鉆探船的資金支持情況如表5所示。

表5 決心號(hào)和地球號(hào)鉆探船資金支持情況

此外，還發(fā)現(xiàn)IODP計(jì)劃實(shí)施中，我國投入資金僅占計(jì)劃總預(yù)算的4%左右，我國國籍撰寫匹配性項(xiàng)目建議書的科研人員更是僅占總科研人員的2%，因此我國在大洋鉆探計(jì)劃中的發(fā)言權(quán)較小，參與度大打折扣。

2.2 藍(lán)鯨2號(hào)半潛式平臺(tái)概述

為了助力國內(nèi)深水開發(fā)進(jìn)程，我國斥資上百億建造了Bluewhale（藍(lán)鯨）系列超深水雙鉆塔半潛式鉆井平臺(tái)，其中藍(lán)鯨2號(hào)超深水雙鉆塔半潛式平臺(tái)的國產(chǎn)率達(dá)到60%以上（圖6）。

圖6 藍(lán)鯨2號(hào)半潛式鉆井平臺(tái)正視圖與俯瞰圖

藍(lán)鯨2號(hào)由我國中集來福士海洋工程有限公司設(shè)計(jì)并制造，屬于第7代超深水雙鉆半潛式鉆井平臺(tái)，該平臺(tái)長117 m、寬92.7 m、高118 m，自重43 725 t，最大作業(yè)深度3 658 m，最大鉆井深度15 240 m。鉆井平臺(tái)擁有27 354臺(tái)設(shè)備、1 000多個(gè)子系統(tǒng)、4萬多根管路、5萬多個(gè)報(bào)驗(yàn)點(diǎn)，電纜拉放長度達(dá)120萬 m。經(jīng)濟(jì)方面，該平臺(tái)采用了高效的液壓雙鉆塔和全球領(lǐng)先的閉環(huán)DP-3動(dòng)力定位系統(tǒng)，使得平臺(tái)的作業(yè)效率提高30%，燃油耗費(fèi)節(jié)約10%。2020年，我國借助藍(lán)鯨2號(hào)鉆井平臺(tái)開展了為期30 d的天然氣水合物第2輪試采（試驗(yàn)性試采），創(chuàng)造了產(chǎn)氣總量、日均產(chǎn)氣量2項(xiàng)世界紀(jì)錄。

藍(lán)鯨2號(hào)半潛式鉆井平臺(tái)主要由上部平臺(tái)、下浮體和中間立柱三部分構(gòu)成，具有自航、定位及鉆井功能。該平臺(tái)關(guān)鍵系統(tǒng)與設(shè)備如表6所示。

表6 藍(lán)鯨2號(hào)半潛式平臺(tái)的關(guān)鍵系統(tǒng)與設(shè)備

藍(lán)鯨2號(hào)是我國半潛式平臺(tái)高端制造能力的綜合體現(xiàn)，該平臺(tái)的研制成功宣告著我國成為繼美國、挪威之后第3個(gè)具備設(shè)計(jì)、建造、調(diào)試和使用超深水半潛式鉆井平臺(tái)一體化綜合能力的國家。

半潛式鉆井平臺(tái)結(jié)合水下井口/水下生產(chǎn)系統(tǒng)、海底管網(wǎng)或浮式生產(chǎn)儲(chǔ)卸油裝置很容易被改造為生產(chǎn)平臺(tái)（也稱鉆采平臺(tái)），此時(shí)的半潛式鉆采平臺(tái)兼顧了鉆井、修井及采氣功能。然而，目前關(guān)于鉆探船及半潛式鉆井平臺(tái)運(yùn)行過程中的經(jīng)濟(jì)性數(shù)據(jù)公開較少，且海域天然氣水合物經(jīng)濟(jì)化鉆采平臺(tái)的研發(fā)（鉆井平臺(tái)改造方案的提出、平臺(tái)適用性及經(jīng)濟(jì)性評(píng)估等）或基于現(xiàn)有平臺(tái)裝備及技術(shù)升級(jí)相關(guān)的研究（如平臺(tái)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的建立、經(jīng)濟(jì)評(píng)估模型的提出與井架效率的對(duì)比及評(píng)估等）尚處于起步階段，再加上半潛式平臺(tái)鉆井、試采成本隨水深增加將呈指數(shù)級(jí)增加，因此關(guān)于水合物鉆采平臺(tái)技術(shù)可行性、經(jīng)濟(jì)合理性和有效性的相關(guān)研究迫在眉睫。

3 深水海底鉆機(jī)的應(yīng)用潛力

海底鉆機(jī)是一種專門用于深海和超深水石油鉆探作業(yè)的鉆探設(shè)備，其具有耐高壓、智能化高、能夠進(jìn)行壓力補(bǔ)償?shù)忍攸c(diǎn)，能有效避免海洋環(huán)境和惡劣天氣對(duì)鉆井作業(yè)的干擾，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化鉆完井作業(yè)。國內(nèi)外典型的海底鉆機(jī)及其實(shí)現(xiàn)功能如表7所示。

表7 國內(nèi)外典型的海底鉆機(jī)

值得慶賀的是，我國自主研發(fā)的海牛Ⅱ號(hào)海底大孔深保壓取芯鉆機(jī)系統(tǒng)（如圖7所示），于2021年在超2 000 m的南海水域成功下鉆了231 m，使其成為迄今為止世界唯一1臺(tái)海底鉆深超200 m的海底鉆機(jī)，可有效滿足我國海域天然氣水合物儲(chǔ)層的鉆探需求。

圖7 中國海牛號(hào)海底鉆機(jī)

海底鉆機(jī)是節(jié)約深水鉆探成本的解決方案之一。海底鉆機(jī)在海域天然氣水合物儲(chǔ)層中的應(yīng)用潛力如下頁表8所示。

表8 海底鉆機(jī)在海域天然氣水合物儲(chǔ)層中的應(yīng)用潛力

深水環(huán)境中，海底鉆機(jī)和傳統(tǒng)浮式鉆井裝備所需設(shè)備的對(duì)比如下頁表9所示。

表9 海底鉆機(jī)和傳統(tǒng)浮式鉆機(jī)對(duì)比

由兩表可知，針對(duì)海域天然氣水合物儲(chǔ)層的鉆探，海底鉆機(jī)具有技術(shù)可行性。與大洋鉆探船及半潛式鉆采平臺(tái)所需裝備相比，海底鉆機(jī)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單、空間體積較小、不需要?jiǎng)討B(tài)定位系統(tǒng)且易操作，預(yù)計(jì)海底鉆機(jī)設(shè)備成本和運(yùn)營成本分別會(huì)減少25%和40%。此外，鑒于水深對(duì)海底鉆機(jī)和輔助船舶的不利影響有限，但對(duì)鉆探船或半潛式平臺(tái)影響較大（定位及隔水管配重要求高），因此隨水深增加，海底鉆機(jī)可能會(huì)節(jié)省更多的運(yùn)營成本。當(dāng)海面上輔助船遭遇大風(fēng)浪、暴風(fēng)雨等惡劣天氣時(shí)，海底鉆機(jī)可以繼續(xù)鉆井，或在短時(shí)間內(nèi)直接斷開撓性隔水管，但鉆探船或半潛式平臺(tái)大概率需要停鉆并斷開隔水管，平臺(tái)及時(shí)駛離避險(xiǎn)。針對(duì)海域天然氣水合物的試采階段，目前暫未形成與海底鉆機(jī)配套相關(guān)的開采模式和成套裝備，因此基于海底鉆機(jī)的海域天然氣水合物鉆采方案處于概念階段，其具體的應(yīng)用形式需要進(jìn)一步探究。

4 海域天然氣水合物儲(chǔ)層安全鉆井技術(shù)

4.1 水合物儲(chǔ)層鉆井特征

21世紀(jì)以來，全球海域水合物鉆探過程中的鉆井安全問題如下頁表10所示，本質(zhì)原因在于海域天然氣水合物儲(chǔ)層與常規(guī)油氣儲(chǔ)層不同，其具有以下地質(zhì)及鉆井特征：

表10 全球海域天然氣水合物鉆井安全問題

（1）海域天然氣水合物儲(chǔ)層常賦存在水深＞800 m、海底以下約400 m鉆深的區(qū)域，海底溫度較低（2 ℃ ～ 4 ℃）；

（2）整個(gè)水合物儲(chǔ)層多呈松散未固結(jié)（弱膠結(jié)）狀態(tài)，井壁穩(wěn)定性差，且大多數(shù)海域水合物儲(chǔ)層的多孔基質(zhì)由泥質(zhì)粉砂或砂質(zhì)粉土構(gòu)成，儲(chǔ)層本征滲透率較低（幾毫達(dá)西至幾十毫達(dá)西）；

（3）鉆進(jìn)過程中，海底附近井筒時(shí)刻處于低溫高壓環(huán)境，此時(shí)井筒內(nèi)壁易生成水合物并逐步沉積直至堵塞，導(dǎo)致延誤工期、停產(chǎn)，甚至井筒報(bào)廢；

（4）鉆采過程中，鉆井液侵入地層會(huì)引發(fā)近井地帶水合物的分解，而水合物分解不可控時(shí)會(huì)引起井壁失穩(wěn)，進(jìn)一步演化為井口下陷甚至海底滑坡。此外分解氣體容易從鉆井孔或套管中泄漏出去；

（5）海域天然氣水合物儲(chǔ)層的鉆井安全密度窗口極窄（如圖8所示）， 故井筒壓力精確控制困難，易超出安全密度窗口范圍，造成井筒非侵即漏，甚至井噴。

圖8 海域天然氣水合物鉆井安全密度窗口示意圖

4.2 控壓鉆井技術(shù)

控壓鉆井技術(shù)通過精確控制井筒壓力剖面，能有效解決窄密度窗口的問題，盡可能避免鉆井安全事故，大幅度縮短非生產(chǎn)時(shí)間，降低鉆井成本。近年來，海域天然氣水合物儲(chǔ)層的鉆探力度不斷加大，為最大程度規(guī)避鉆井風(fēng)險(xiǎn)，諸多學(xué)者建議將控壓鉆井技術(shù)應(yīng)用到水合物儲(chǔ)層鉆進(jìn)中，并有望成為未來水合物商業(yè)化開采的重點(diǎn)技術(shù)?；诳貕涸?，控壓鉆井技術(shù)可劃分為恒井底壓力鉆井、泥漿帽鉆井、雙梯度鉆井和HSE控壓鉆井等，其技術(shù)優(yōu)勢(shì)如表11所示。

表11 控壓鉆井技術(shù)分類及優(yōu)勢(shì)

其中雙梯度鉆井在深水段和地層段僅通過組合2種不同密度流體，就能使儲(chǔ)層孔隙壓力與破裂壓力間的余量人為增大，井眼環(huán)空壓力和井底壓力從而得到了較好控制，避免了井漏、井涌事故的發(fā)生（如圖9所示），因此雙梯度鉆井技術(shù)成為控壓鉆井技術(shù)發(fā)展的重中之重。

圖9 雙梯度鉆井技術(shù)示意圖

雙梯度鉆井技術(shù)的分類、控壓原理及代表性產(chǎn)品如下頁表12所示。

表12 雙梯度鉆井技術(shù)的分類、控壓原理及代表性產(chǎn)品

這些雙梯度鉆井技術(shù)國外發(fā)展迅速，已研發(fā)出了較為成熟的鉆井系統(tǒng)，但這種系統(tǒng)在海域天然氣水合物儲(chǔ)層中鮮有應(yīng)用。此外，受限于國外的技術(shù)壟斷與封鎖，目前國內(nèi)尚且處于雙梯度鉆井技術(shù)的基礎(chǔ)理論探究、樣機(jī)室內(nèi)測試和鉆機(jī)系統(tǒng)的研發(fā)階段，研發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的且適用于海域天然氣水合物儲(chǔ)層的雙梯度鉆井系統(tǒng)更是極其迫切?？深A(yù)見的是，在海域天然氣水合物的多次試采推進(jìn)下，控壓鉆井技術(shù)裝備在海域天然氣水合物儲(chǔ)層的應(yīng)用前景廣闊。

鑒于此，本文提出以下建議：

（1）多種控壓方式結(jié)合，協(xié)同控制井筒壓力剖面。例如深水淺層鉆井時(shí)，海水段加空心微球采用雙梯度鉆井，結(jié)合井下測量裝置和井口節(jié)流系統(tǒng)協(xié)同調(diào)節(jié)井底壓力，使之始終位于安全窗口中。開發(fā)適用于海域水合物儲(chǔ)層、更高效的控壓鉆井工藝。

（2）智能材料與控壓鉆井工藝結(jié)合。如將有纜碳纖維復(fù)合材料雙壁連續(xù)管與海域天然氣水合物儲(chǔ)層控壓鉆井技術(shù)結(jié)合，實(shí)時(shí)監(jiān)測水合物分解與生成動(dòng)態(tài)、監(jiān)測鉆井參數(shù)變化，精確計(jì)算井筒壓力剖面；連續(xù)管也可充當(dāng)隔水管為無隔水管鉆井技術(shù)提供基礎(chǔ)，降低水合物開發(fā)鉆完井成本。

（3）加快海域天然氣水合物儲(chǔ)層關(guān)鍵控壓鉆井裝備研發(fā)。海域天然氣水合物儲(chǔ)層處于低溫高壓環(huán)境，需進(jìn)一步提高井下鉆井裝備以及智能材料的的溫壓適應(yīng)范圍，加快關(guān)鍵控壓鉆井裝備（如旋轉(zhuǎn)防噴器、節(jié)流閥、井口連續(xù)循環(huán)裝置和井下測量儀器）的研發(fā)進(jìn)度。

4.3 開路鉆井技術(shù)

開路鉆井技術(shù)是一種新型的深水鉆井技術(shù)，該技術(shù)摒棄了常規(guī)海上鉆井使用的隔水管系統(tǒng)，平臺(tái)承受載荷變小，系泊系統(tǒng)要求隨之降低。需注意的是，無隔水管鉆井必須結(jié)合雙梯度泥漿循環(huán)系統(tǒng)使用，以解決地層壓力窗口過窄的問題?？梢酝ㄟ^減少套管層數(shù)及套管用量，降低鉆井平臺(tái)儲(chǔ)量要求，縮短鉆井工期，達(dá)到節(jié)約鉆井成本與保障鉆井作業(yè)安全性的目的。

作為雙梯度鉆井實(shí)現(xiàn)方案的一種，無隔水管泥漿閉式循環(huán)鉆井技術(shù)（即2.1、4.2章節(jié)提及的RMR技術(shù)，如第7頁圖4所示）基于封閉泥漿循環(huán)系統(tǒng)，顯著減少了泥漿使用量。此外，針對(duì)孔壓較大或淺層氣存在地層，RMR技術(shù)可通過增加導(dǎo)管下入深度并采用高密度鉆井液，以降低淺層流危害；為了避免鉆井過程中近井地帶的水合物分解，司鉆可調(diào)節(jié)海底泵和海面泵進(jìn)出口壓力等方式輕松實(shí)現(xiàn)。目前RMR技術(shù)已應(yīng)用至深水鉆探項(xiàng)目中。挪威Reelwell公司在RMR技術(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，利用雙鉆柱系統(tǒng)替代撓性隔水管，實(shí)現(xiàn)了鉆井流體從兩管之間的環(huán)空再到內(nèi)管的反循環(huán)。IKM公司同樣基于RMR技術(shù)提出了無隔水管泥漿回收技術(shù)（MRR），改進(jìn)后可以有效節(jié)省鉆采平臺(tái)甲板攻堅(jiān)的利用率，并提高了鉆井效率。

總之，無隔水管鉆井技術(shù)在具有自身特點(diǎn)的同時(shí)還擁有雙梯度鉆井技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)海域天然氣水合物儲(chǔ)層安全鉆井的可行方案。此外，結(jié)合海域天然氣水合物井鉆采特點(diǎn)，對(duì)現(xiàn)有無隔水管鉆井系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)升級(jí)極具必要性。

4.4 套管鉆井技術(shù)

套管鉆井技術(shù)與常規(guī)鉆井最重要的區(qū)別是取消了常規(guī)鉆桿，直接通過套管鉆井，一邊鉆進(jìn)一邊下套管，鉆井后立即固井，而其他鉆井方法如泥漿循環(huán)基本相同，套管鉆井作為鉆井工程的一次技術(shù)性革命，與常規(guī)鉆桿鉆井相比具有明顯的優(yōu)勢(shì)（如表13所示）。

表13 套管鉆井技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

目前套管鉆井技術(shù)主要?jiǎng)澐譃榭苫厥帐教坠茔@井技術(shù)、鉆頭可鉆式套管鉆井技術(shù)。其中，前者對(duì)設(shè)備要求高、投入大，其開發(fā)與應(yīng)用尚處在雛形發(fā)展階段，關(guān)于深水鉆井的可回收套管鉆井系統(tǒng)的相關(guān)應(yīng)用比較匱乏；后者已被廣泛采用并取得了良好的效果， 但由于鉆頭不能在鉆井過程中更換，以至于該技術(shù)并不適合較長井深，這對(duì)深水淺層水合物可能具有技術(shù)可行性，但需根據(jù)現(xiàn)場應(yīng)用情況進(jìn)一步評(píng)估。此外，常規(guī)套管鉆井技術(shù)主要由套管充當(dāng)鉆桿來傳遞扭矩，很明顯這種技術(shù)對(duì)套管抗扭要求較高，一旦出現(xiàn)事故則難以處理，并且因鉆頭尺寸遠(yuǎn)大于套管尺寸，鉆進(jìn)過程中易形成不規(guī)則井眼，給固井造成顯著影響，建井成本隨之升高。針對(duì)此問題，廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局提出了一種適用于深水淺層水合物開發(fā)的一體化鉆井管柱及鉆井方法，這種一體化管柱不需要套管提供扭力，避免了外套管與地層間的摩擦及其損壞。鉆井完成后，鉆頭不再回收，間接提高了井口承載力，增加井口穩(wěn)定性。

4.5 連續(xù)管鉆井技術(shù)

連續(xù)管鉆井是采用連續(xù)管完成鉆井的技術(shù)。與常規(guī)鉆井地面系統(tǒng)相比，連續(xù)管鉆井系統(tǒng)的鉆井液循環(huán)與處理系統(tǒng)、井控系統(tǒng)及相關(guān)輔助設(shè)備沒有顯著差異，兩者主要差異在于連續(xù)管鉆機(jī)。該技術(shù)具有特殊適應(yīng)性、快捷高效性、低成本經(jīng)濟(jì)性和低污染環(huán)境友好性等技術(shù)優(yōu)勢(shì)，使其成為近年來的熱門鉆井新技術(shù)，目前已廣泛應(yīng)用于海上油田，相較常規(guī)鉆井，連續(xù)管鉆井技術(shù)優(yōu)勢(shì)及不足如表14所示。

表14 連續(xù)管鉆井技術(shù)優(yōu)勢(shì)及局限性

目前，我國已經(jīng)基本掌握了連續(xù)管開窗、連續(xù)管定向、連續(xù)管鉆進(jìn)參數(shù)優(yōu)選、連續(xù)管側(cè)鉆井設(shè)計(jì)、裝備與鉆具組合、施工操作、井眼質(zhì)量控制等配套技術(shù)，并形成了一套現(xiàn)有裝備和工具條件下的連續(xù)管鉆井技術(shù)。再加上近年來連續(xù)管制造工藝的提升，及可調(diào)節(jié)彎管接頭、彎殼體、可調(diào)節(jié)穩(wěn)定器的應(yīng)用，該技術(shù)有望在海域天然氣水合物儲(chǔ)層鉆井中應(yīng)用。

此外，李根生院士等指出連續(xù)管超臨界CO鉆井、連續(xù)管無水壓裂鉆井、連續(xù)管鉆井與壓裂一體化技術(shù)的研究具有廣闊的發(fā)展前景。具體而言，連續(xù)管超臨界CO鉆井與CO置換埋存的水合物開采方法相結(jié)合、連續(xù)管無水壓裂鉆井與“自生熱輔助降壓”的水合物強(qiáng)化開采方法相結(jié)合、連續(xù)管鉆井與壓裂一體化技術(shù)將鉆井與水合物儲(chǔ)層增產(chǎn)措施相結(jié)合可以完美地實(shí)現(xiàn)天然氣水合物的鉆采一體化，建議學(xué)者可以加大鉆采一體化模塊的研發(fā)進(jìn)度，以促進(jìn)海域天然氣水合物鉆采平臺(tái)及安全鉆井技術(shù)的改革。

5 結(jié) 語

海域天然氣水合物作為一種儲(chǔ)量巨大的清潔可替代能源，其鉆采價(jià)值已引起世界各國巨大關(guān)注。迄今為止，海域天然氣水合物鉆采理論仍處于探索階段，相關(guān)的水合物鉆井平臺(tái)、生產(chǎn)系統(tǒng)及其裝備多借鑒深水油氣實(shí)施，海域天然氣水合物鉆采經(jīng)驗(yàn)處于匱乏境地，水合物試采產(chǎn)能距離產(chǎn)業(yè)化門檻仍有很大一段距離， 水合物鉆采平臺(tái)的整體經(jīng)濟(jì)性較差，且尚未形成有效的海域天然氣水合物儲(chǔ)層安全鉆井技術(shù)。

本文基于全球海域天然氣水合物儲(chǔ)層的鉆采現(xiàn)狀，概述了相關(guān)的水合物鉆采平臺(tái)，指出經(jīng)濟(jì)化鉆采平臺(tái)的研發(fā)或基于現(xiàn)有平臺(tái)裝備及技術(shù)升級(jí)相關(guān)的研究（如平臺(tái)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的建立、經(jīng)濟(jì)評(píng)估模型的提出、井架效率的對(duì)比及評(píng)估等）亟需開展。從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)可行性兩方面分析了深水海底鉆機(jī)的應(yīng)用潛力，指出相較于大洋鉆探船及深水半潛式平臺(tái)，海底鉆機(jī)在設(shè)備成本和運(yùn)營成本方面具有一定優(yōu)勢(shì)。當(dāng)前，針對(duì)海域水合物儲(chǔ)層鉆井特征，大力開展控壓鉆井、開路鉆井、套管鉆井和連續(xù)管鉆井等技術(shù)的探索、升級(jí)研究，為我國海域天然氣水合物經(jīng)濟(jì)化鉆采平臺(tái)的研發(fā)及安全鉆井技術(shù)的發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)和指導(dǎo)，同樣是我們面臨的迫切任務(wù)。