李慶超 張世闊 楊陽 李發(fā)旺 劉洋 犍昭琦

摘要：我國海域水合物儲量極大，但儲層通常埋藏淺、強度低、成巖性差，鉆井作業(yè)產生的擾動會導致井眼坍塌失穩(wěn)，影響鉆井效率及安全。為此，以南海神狐海域SH2站位為例構建了用于探討水合物儲層鉆井作業(yè)擾動效應的多場耦合數學模型，并通過鉆井液擾動效應試驗對數學模型的適用性進行了驗證，同時探究了鉆井期間近井地帶溫度、孔隙壓力、水合物分解及井眼屈服失穩(wěn)狀況等的擾動演化規(guī)律。研究發(fā)現：①鉆井液侵入對近井地帶溫度的擾動要弱于其對孔隙壓力的影響，鉆井作業(yè)持續(xù)不到6 h就可使模型孔隙壓力被完全擾動，而鉆井24 h僅使井周寬度1.18 m的地層溫度受到影響。②盡管研究工況下井周水合物最終分解范圍達0.408 m，但水合物在鉆井初期分解較快，隨著鉆井作業(yè)的持續(xù)才會逐漸變緩。③近井地帶物性參數主要受水合物分解影響，同時隨應力變化而改變；水合物分解會使地層強度降低，但會使其孔滲性能得到顯著提高。④井周塑性屈服區(qū)域在鉆井過程中會以逐漸降低的速率向外擴展，最終形成環(huán)繞井眼且長軸沿最小水平主應力方向的屈服橢圓，最終井眼擴大率達45.96%。研究結果可為深入理解弱成巖水合物儲層鉆井井壁失穩(wěn)機制的探討提供理論支撐。

關鍵詞：弱成巖儲層；天然氣水合物；井壁穩(wěn)定；多場耦合；水合物分解；鉆井液擾動；神狐海域

0 引 言

近年來，我國油氣資源的海外依存度逐年攀升，緊張的能源局勢亟需天然氣水合物等非常規(guī)油氣資源的補充和替代［1］。天然氣水合物是甲烷等氣體分子與水分子在低溫、高壓環(huán)境下形成的似冰狀晶體［2-3］。天然氣水合物全球分布范圍極廣，主要存在于陸上高寒凍土帶及水深超500 m的海底淺層［4］，儲量極其豐富。據估計，全球天然氣水合物中儲存的有機碳含量為煤炭等常規(guī)化石燃料中有機碳含量的2倍還多［5］。并且，我國海域天然氣水合物儲量約800億 t 油當量［6］，其必將是我國未來重要的油氣接替能源。然而，我國海域天然氣水合物通常埋存于泥線以下300 m以內淺層沉積物中［7］，膠結性和成巖性均極差［8］。鉆井過程中鉆井液侵入水合物層段井周地層時，近井地帶孔隙壓力和溫度均會因受鉆井液擾動而出現不同程度地改變［9］。沉積物孔隙中天然氣水合物的穩(wěn)定性會隨之受到威脅［10］，進而影響井壁和井周地層穩(wěn)定性［11］。

目前，國內外針對水合物儲層鉆井過程中井壁及近井地帶響應特征的相關研究已取得一定進展。寧伏龍等［3，12］構建了用于水合物儲層鉆井過程井壁穩(wěn)定性分析的流-固耦合模型，探究了鉆井液侵入對近井地帶應力分布和水合物分解狀況的影響，開發(fā)了滿足水合物儲層鉆井作業(yè)需求的鉆井液防塌體系。R.FREIJ-AYOUB等［13］建立了水合物儲層井壁穩(wěn)定性分析的多場耦合數學模型，發(fā)現當考慮鉆井液侵入時，井周屈服區(qū)域面積要比不考慮鉆井液侵入時高32%。朱淵等［14］分析了鉆井液溫度影響下的井周圍巖應力分布，發(fā)現當鉆井液與原始儲層間溫差小于2 ℃時，可以保持水合物儲層中井壁的穩(wěn)定。SUN J.X.等［15］分析了水合物儲層鉆井期間井周水合物分布和應力狀態(tài)分布等特征的演化規(guī)律，認為鉆井液溫度和鹽度是影響井周水合物分解的重要因素，且井周有效應力的變化會導致井眼破壞。盡管當前國內外相關研究對于進一步探討水合物儲層鉆井井壁失穩(wěn)規(guī)律有一定幫助，但仍存在如下問題：①目前針對水合物鉆井井壁失穩(wěn)研究相關的數學模型在構建過程中滲流場、溫度場和相變場的耦合處理已較為完善，但三者與變形場的耦合方案不深入；②多數研究未將水合物分解對儲層物性參數的影響考慮在內，井壁失穩(wěn)狀況被嚴重低估。

為此，筆者構建了用于水合物儲層鉆井作業(yè)擾動效應分析的流-固-熱-化多場耦合數學模型，并基于鉆井液擾動效應試驗對數學模型的適用性進行了驗證。同時，以南海北部神狐海域SH2站位為例，分析了鉆井作業(yè)對近井地帶溫度、壓力、水合物飽和度及井眼失穩(wěn)狀況等的擾動演化規(guī)律，以期通過該研究為深入理解并完善南海弱成巖水合物儲層鉆井井壁失穩(wěn)機制提供理論支持。

李慶超，等：弱成巖水合物儲層鉆井作業(yè)擾動效應建模分析

1 工程背景及物理模型

南海北部神狐海域SH2站位水深達1 235 m，且天然氣水合物埋存于泥線以下190～220 m間厚度達30 m的沉積物中［16］。假設半徑為215.9 mm（81/2 in）的水平井井眼軸線沿最大水平主應力方向，且井眼軸線深度為205 m?；诖?，構建了圖1所示的用于探究鉆井作業(yè)對水合物儲層擾動效應的物理模型。

由圖1可知，物理模型是邊長為30 m的正方形平面應變模型，模型Y方向寬度正好涵蓋整個水合物儲層厚度。同時，模型尺寸約為井眼的60倍，可有效避免模擬過程邊界效應的影響。考慮到模型尺寸較小，初始狀態(tài)下模型內沉積物為各向同性材料，但模擬過程材料物性特征受水合物飽和度和有效應力雙重影響。

2 擾動效應多場耦合數學模型

2.1 溫度場方程

忽略熱輻射的前提下，考慮水合物分解和鉆井液侵入對近井地帶溫度的影響，構建了水合物儲層鉆井近井地帶溫度場方程［17］：

3 模型求解與驗證

3.1 模型解耦求解

有限元法在多場耦合數學模型偏微分方程組數值求解方面優(yōu)勢明顯，可用于該數學模型的解耦求解。首先，基于虛位移原理，采用Galerkin法對模型各物理場控制方程分別在空間域上進行離散求解，得到了相應有限元弱積分離散格式。同時，基于全隱式差分方法，對除變形場方程外的其他物理場方程進行時間域上的離散求解。最后，基于Matlab語言對解耦離散后的控制方程弱積分形式進行編程求解。

3.2 適用性驗證

3.2.1 鉆井液擾動效應試驗

為驗證數學模型的適用性，基于鉆井液對含水合物沉積物擾動效應試驗系統(tǒng)（見圖2）開展了試驗。該試驗系統(tǒng)主要由鉆井液循環(huán)系統(tǒng)、聲波收發(fā)系統(tǒng)、數據采集和控制系統(tǒng)、低溫冷庫、高壓反應筒和壓力控制系統(tǒng)等組成。冷庫溫度最低可達-50 ℃，滿足水合物生成的溫度要求。圖2中，高壓反應筒是內徑100 mm、長度320 mm的圓筒狀空間結構，筒殼上以沿軸向125 mm等間距安置3組探頭用以收發(fā)聲波信號。另外，高壓反應筒中含水合物沉積物是根據南海神狐海域SH3站位巖樣粒度分析結果［22］人工配制而成，且沉積物中的甲烷水合物通過“氣過量法”原位合成。人造含水合物沉積物中水合物飽和度為0.432，滲透率為5.1 mD。

試驗過程中，21.25 ℃的鉆井液在鉆井液循環(huán)系統(tǒng)作用下，以14.64 MPa的壓力持續(xù)流經模擬井壁。高壓反應筒內沉積物溫度和壓力在試驗過程中分別被控制為15.25 ℃和14.64 MPa。沉積物中甲烷水合物在試驗中會不斷分解，探頭接收的聲波信號也會不斷發(fā)生變化。因此，通過不同探頭處聲波波速變化狀況進行處理即可確定試驗過程水合物分解前緣位置。

3.2.2 數模試驗

參照鉆井液擾動效應試驗中沉積物尺寸，構建了如圖3所示的驗證模型。模擬過程中，模擬井壁端施加14.64 MPa的壓力邊界條件和21.25 ℃的溫度邊界條件。另外，模型中還需要施加14.64 MPa的初始孔隙壓力、0.432的初始水合物飽和度及15.25 ℃的初始溫度。同時，含水合物沉積物滲透率設置為5.1 mD，導熱系數為1.5 W/（m·K），比熱容為1 950 J/（kg·K）。

表1給出了試驗和模擬條件下水合物分解前緣位置對比結果。由表1可知，水合物分解到任意探頭位置模擬所需時間均稍長于試驗，但差別不大。水合物分解到探頭1時模擬所需時間比試驗長5.45 min。然而，對于探頭2和探頭3，模擬所需時間比試驗分別僅長7.77 min和25.51 min，遠短于各自分析時長。因此，表1結果說明，數學模型可用于水合物儲層鉆井作業(yè)擾動效應的分析研究。

4 水合物儲層鉆井作業(yè)擾動效應分析

4.1 模型離散及模擬所需參數

對圖1所示物理模型進行了網格離散，得到了如圖4所示網格模型。考慮到水合物分解等物理過程在鉆井過程中均發(fā)生在近井地帶，網格離散化時需對近井地帶做加密處理。最終，模型共包含14 400個可同時進行滲流、傳熱、水合物分解及變形分析的網格單元。

模擬過程中，水合物儲層的物性特征設置如下：孔隙度為42.46%，導熱系數為1.5 W/（m·K），比熱容為1 900 J/（kg·K），骨架密度為2 500 g/cm3，水合物飽和度為0.432，滲透率為5.1 mD，初始溫度為13.25 ℃，最大水平主應力為2.327 MPa，最小水平主應力為2.327 MPa，垂向主應力為3.025 MPa，初始內聚力為1.50 MPa，初始內摩擦角為23.5，初始彈性模量為625 MPa，初始泊松比為0.30，孔隙壓力為14.44 MPa。另外，鉆井液的溫度和壓力分別為25.25 ℃和14.20 MPa，鉆井時長為24 h。

4.2 鉆井作業(yè)對井周溫度和壓力的擾動

鉆井作業(yè)對水合物儲層的擾動首先表現為其對近井地帶溫度和孔隙壓力的影響。為此，圖5給出了不同工況下近井地帶溫度（見圖5a）和孔隙壓力（見圖5b）沿路徑AB的分布演化曲線。由圖5a可以看出，鉆井作業(yè)對近井地帶溫度的擾動會隨鉆井作業(yè)的持續(xù)而逐漸變弱。鉆井開始6 h后，溫度擾動前緣已距井壁0.73 m。但是，隨后18 h的鉆井作業(yè)僅使溫度擾動前緣向外推進了0.45 m，最終到達距井壁1.18 m的位置。究其原因可歸結為如下2方面：①傳熱過程中距井壁越遠處溫度越低，傳熱動力越弱；②水合物分解需消耗大量熱量，會進一步削弱傳熱進程。

對比圖5a和圖5b可清晰發(fā)現，鉆井作業(yè)對近井地帶溫度的擾動要明顯弱于其對孔隙壓力的影響。鉆井作業(yè)開始不到6 h就已使模型任意位置處孔隙壓力被擾動。盡管如此，模型任意位置處孔隙壓力仍會在隨后鉆井過程中因受鉆井液繼續(xù)侵入影響而持續(xù)變化。另外，數學模型中用相平衡壓力與孔隙壓力間的差值來確定水合物的穩(wěn)定性和飽和度見式（6）。任意位置處peq-p為正值時表示水合物存在分解風險;而當peq-p為負值時則說明水合物是穩(wěn)定的。圖6給出了peq-p沿路徑AB的分布演化曲線。由圖6可發(fā)現，研究工況下近井地帶水合物穩(wěn)定性會受到威脅，鉆井結束時井周寬約56.33 cm范圍內的水合物存在分解風險。并且，水合物存在分解風險的區(qū)域會隨鉆井作業(yè)而不斷擴展，只是擴展速度會越來越慢。

4.3 鉆井作業(yè)對水合物穩(wěn)定性的影響

盡管圖6可粗略判斷井周水合物存在分解風險的區(qū)域，但實際分解范圍需進一步的定量探究。圖7給出了井周水合物分解演化狀況?；趫D7a中水合物飽和度分布曲線，近井地帶由井壁向外依次被劃分為完全分解區(qū)、分解過渡區(qū)和未分解區(qū)3部分。完全分解區(qū)和未分解區(qū)內水合物飽和度分別為0和0.432，而分解過渡區(qū)內水合物飽和度則在0和0.432之間連續(xù)分布，且其寬度基本不變。定義完全分解區(qū)與分解過渡區(qū)交界為分解前緣。圖7b給出了水合物分解前緣演化關系曲線。由圖7b可看出，盡管水合物分解范圍在鉆井過程中會逐漸擴大，但水合物分解卻會逐漸變弱。當鉆井作業(yè)開始6 h后，水合物分解范圍僅為0.163 m。然而，隨后18 h的鉆進作業(yè)僅使水合物分解前緣向前推進了0.245 m，最終到達距井壁0.408 m的位置。鉆井過程水合物分解逐漸變弱主要是鉆井液向地層的傳熱效應變弱，導致溫度擾動區(qū)域向前推進變慢所致。

鉆井過程井周水合物分解氣侵入井筒會影響井筒流動，威脅鉆井安全。為此，圖8給出了鉆井過程水合物分解氣氣侵量及氣侵速率演化關系曲線。對比圖7b和圖8可發(fā)現，水合物分解前緣和氣侵量演化曲線重合度極高，說明鉆井過程水合物分解氣多數會以侵入氣形式進入井筒。同時，由圖8還可以看出，水合物分解氣會以逐漸降低的速率侵入井筒，這主要是井周水合物分解在鉆井過程中會逐漸變緩所致。鉆井過程最高氣侵速率為68.65 m3/h，出現在鉆井作業(yè)開始后的0.3 h，且單位長度井筒最終累計氣侵量達211.84 m3。盡管最終氣侵速率僅為1.93 m3/h，但211.84 m3的氣侵量足以改變井筒中鉆井液流動形態(tài)，對井筒流動安全構成威脅。然而，水合物分解氣侵入井筒對鉆井液流動的影響不屬于本研究范圍，對此不展開論述。

4.4 近井地帶物性響應特征

圖9給出了鉆井作業(yè)結束時近井地帶各物性特征參數分布云圖。由圖9可知，近井地帶各物性參數總體主要受水合物飽和度變化影響，且大致按完全分解區(qū)、分解過渡區(qū)和未分解區(qū)分布，受應力變化影響相對較弱。盡管如此，不同類型物性特征參數受鉆井過程水合物飽和度和應力變化影響存在差異。

由圖9a和圖9b看來，鉆井過程井周水合物分解會導致近井地帶地層強度和和膠結性變弱，但局部應力集中卻會在一定程度上使其增強。以內聚力為例，水合物分解使完全分解區(qū)內聚力由1.5 MPa變?yōu)?.3 MPa，降幅達80%。然而，未分解區(qū)部分地層內聚力卻因受應力集中影響由1.5 MPa變?yōu)?.8 MPa，增幅為20%。彈性模量等其余力學參數存在類似趨勢。這是由于水合物作為孔隙填充物可將骨架顆粒進一步粘接，并可在一定程度上分擔地層骨架應力，提高地層抗變形能力。同時，鉆井過程井周應力集中使地層更為壓實，地層強度和膠結性會進一步得到增強。

由圖9c和圖9d可發(fā)現，水合物作為孔隙填充物因受鉆井擾動而分解會使地層孔隙空間變大，滲透性提高，利于后續(xù)分解氣開發(fā)。受水合物分解影響，完全分解區(qū)地層孔隙度由23.22%變?yōu)?2.26%，增幅達81.99%；地層滲透率也由5.1 mD變?yōu)?25.85 mD，提高近24倍。另外，鉆井過程井周應力集中會壓實地層，在一定程度上導致地層孔隙度和滲透率降低，但影響遠小于水合物分解的影響。

4.5 井眼屈服失穩(wěn)特征

鉆井過程中近井地帶應力變化及水合物分解會通過改變地層物性特征而影響井眼穩(wěn)定。為此，屈服即失穩(wěn)的約定下，圖10給出了水平井鉆井期間井周屈服失穩(wěn)區(qū)演化云圖。由圖10可發(fā)現，鉆井作業(yè)開始0.13 h后，最小水平主應力方向的井壁下方C點會首先出現塑性屈服（見圖10a），并在此之后屈服范圍沿徑向和周向同時由該點向外擴展（見圖10b），屈服失穩(wěn)區(qū)域逐漸擴大（見圖10c、圖10d）。鉆井作業(yè)12 h后塑性屈服區(qū)域已繞井眼形成塑性貫通區(qū)，形成長軸沿最小水平主應力方向的屈服橢圓（見圖10e），之后井周屈服橢圓繼續(xù)擴大直至鉆井結束（見圖10f）。

為量化水合物儲層鉆井期間井眼失穩(wěn)演化規(guī)律，將井眼擴大率定義為井周屈服區(qū)域面積與井眼截面積的比值。鉆井初期，鉆井作業(yè)擾動效應劇烈，井周水合物分解極快，近井地帶強度軟化區(qū)擴展迅速，井眼擴大率在鉆井作業(yè)持續(xù)12 h后迅速增大為35.67%。之后的鉆井過程中鉆井液擾動效應逐漸變弱，井周水合物分解放緩，近井地帶強度受水合物分解而軟化的區(qū)域向外擴展逐漸變慢。隨后12 h的鉆井作業(yè)僅使井眼擴大率增大10.29%，最終達到45.96%。盡管如此，在合理范圍內提高機械鉆速，盡可能縮短鉆井液浸泡時間是防止不可控井眼坍塌事故發(fā)生的有效方法。

5 結 論

（1）以南海神狐海域SH2站位為背景，弱成巖水合物儲層鉆井過程水合物分解模擬結果與鉆井液擾動效應試驗結果匹配良好，證明水合物儲層鉆井作業(yè)擾動效應分析流-固-熱-化多場耦合數學模型適用于鉆井過程近井地帶水合物相變分解及井壁失穩(wěn)等相關模擬分析。

（2）水合物儲層鉆井作業(yè)對近井地帶溫度的擾動要遠弱于其對孔隙壓力的影響。研究工況下，模型內任意位置處孔隙壓力在鉆井作業(yè)開始不足6 h時就已被擾動，而鉆井結束時近井地帶溫度受鉆井作業(yè)影響的范圍卻僅為1.18 m。

（3）水合物分解劇烈程度在鉆井不同時刻存在差異，鉆井初期水合物分解較為劇烈，分解范圍在鉆井開始6 h時就已達0.163 m。但是，之后18 h的鉆井作業(yè)中水合物分解逐漸變弱，最終的分解前緣距井壁0.408 m。

（4）鉆井過程中近井地帶水合物儲層物性特征參數同時取決于井周水合物分解和應力分布狀況，但主要受水合物分解影響。水合物分解會降低儲層強度，但卻會使儲層孔滲特性得到顯著提高。然而，井周應力集中會使儲層更為壓實，強度得到微弱提高，而滲透性卻有所降低。

（5）鉆井過程井周屈服坍塌首先出現在最小水平主應力方向井壁下方一點的位置，并在隨后鉆井過程中沿軸向和徑向擴展，最終形成繞井眼且長軸沿最小水平主應力方向的屈服坍塌橢圓，井眼擴大率可達45.96%。

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