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文|苏墨栀
编辑|苏墨栀
前言
海洋深水钻遇可燃冰地层时，伴随传质传热的钻井液侵入行为会对近井壁地层的力学稳定产生重要影响，对地层物性的改变同时影响后续测井的质量和精度。
因此，文章以墨西哥湾水合物联合工业计划中的KeathleyCanyon井151-3井段水合物储层作为研究对象。
首先利用压制胶结法制备了物性参数贴近实际的人造地层骨架，然后通过实验研究了原位储层地质与钻井工艺条件下钻井液侵入过程中近井壁地层的物性响应规律。
分析了传质传热行为对地层温度、压力和电阻率的影响，得出了温差和压差的影响机理，建立了侵入深度与时间的函数关系。
结果表明，通过正交试验优选的人造储层骨架孔隙度和电阻率与原位地层十分接近，分别相差1.29％和4.0％。
压力的影响范围远快于温度和电阻率，而三者的影响范围都与时间呈现极强的数学关系。
水合物的分解随着侵入深度的增加相继发生，表现为电阻率的变化，分解产生的游离气水向地层深处运移，易在温压变化范围之间区域重新形成水合物，呈现出高饱和水合物带。
在地层破裂压力范围内，正压差对保持水合物相稳定起积极作用，从而有利于近井壁地层的稳定，而温差作用则恰为相反。
现场钻井过程中，可通过提高钻井液密度、盐度，降低滤失量和添加抑制剂来减小对地层的影响。12h的电阻率变化深度约为0.65m。
因此，电阻率测井作业中要获取未扰动水合物储层的电阻率数据，应减少钻测井之间的时间间隔，可采用随钻测井，或可采用探测深度合适的测井方法，如深侧向测井。
天然气水合物
天然气水合物(以下简称水合物)是由碳氢化合物和水分子在高压(≥3.8MPa)和低温(≤26.85℃)条件下结合形成的似冰状结晶化合物。
其广泛分布在海洋沉积物区和陆上永久冻土区，储量十分丰富仅海洋里的储量就比全球常规天然气储量大三个数量级，对于缓解日益减少的油气资源的紧张局面具有重要意义，已被各国视为未来石油和天然气的可替代能源。
目前，美国、加拿大、英国、日本和中国都已在海洋水合物开采技术方面取得了巨大的进步和突破。
然而，对于水合物的商业化开采，仍有一些技术问题需要解决。
首先，水合物开采会造成一些安全隐患和事故，如甲烷泄漏、海底滑坡和地面塌陷。
这些问题都与井壁的力学稳定性密切相关。为了保证钻井过程中井壁的安全性和稳定性，通常使用微过平衡钻井方式，即保持钻孔中的压力略高于地层的孔隙压力。
同时，这种压差会造成钻井液侵入到储集层中。与常规油气相比，钻井液侵入水合物储层除了传质和传热，其主要区别在于伴随有相变的发生，水合物在低温、高压条件下处于稳定状态。
但在钻井过程中，若采用欠平衡式钻井方式，水合物将会因为减压而导致分解，并且当钻井液侵入水合物地层时，受钻井液温度的影响，也导致水合物分解。
这也将导致力学性质、电学性质、热学性质和渗透性发生变化，从而影响水合物储层的力学稳定、测井方法的可靠性以及产气速率和总量。
此外，温度和压力的变化会影响水合物的稳定性，孔隙水盐度的变化会改变水合物相平衡曲线，以上说明钻井液侵入行为与储层物性之间有密切关系。
因此，为了确保安全钻井、测井评价准确性以及甲烷气体产量，对钻井液侵入过程中水合物储层物性变化的研究必不可少。
钻井液侵入相关的室内试验
大部分实验主要集中于热流注入下的产气规律研究。
李淑霞等通过注热开采水合物实验，研究了注入热水温度、速度和时间对水合物分解的影响，得出了随着注热水温度变高，速度变快，则水合物分解速度加快，产气峰值增大，但能量效率变低。
孙可明等通过热激法开采水合物实验和ABAQUS模拟软件，研究了水合物加热分解界面变化规律，得出了升高温度有利于加快水合物分解界面移动速率。
刘丽国通过采用两段式注热开采水合物实验，研究了第1次和第2次注热对甲烷产量的影响，得出了第2次注热分解水合物的产气量低于第1次，且第2次注热分解水合物的产气量随着饱和度的增加而增加。
郑明明等通过大规模钻井液侵入实验，研究了钻井液侵入水合物地层的动态过程及规律，得出了钻井液侵入过程中，压力的传递速度快于温度，且钻井液温度为导致水合物分解的主要原因。
周欣等通过TOUGH+HYDRATE数值模拟软件，研究了钻井液侵入含水合物地层时的流动规律及其对储层物性的影响，得出了钻井液的驱替速率与侵入压力呈正相关，且水合物极易受钻井液的温度和盐度的影响而分解。
针对水合物地层传质传热方面的研究已有一定的进展。
而大多实验所用样品尺寸仍未涵盖钻井液侵入的有效影响范围，且部分所制备的人造沉积物物性参数和实验环境条件与原位条件差异较大，难以保证结果的准确性和对现场钻井的指导作用。
因此，制备物性参数接近原位地层的大尺寸人造储层骨架，开展与原位地层温压环境条件接近的高仿真实验模拟研究具有重要的意义。
基于此，本文选取墨西哥湾天然气水合物地层为模拟对象，制备物性参数与原位地层贴近的人造地层骨架。
在原位温度、压力、电阻率和钻井工艺条件下，开展长度1.2m的一维钻井液侵入模拟试验，旨在分析钻井液侵入对水合物储层主要物性(温度、压力和电阻率)的影响与机理，建立主要物性影响范围与侵入时间的定量函数关系。
目标模拟地层的选取与钻井液侵入模型的建立
全球海洋区域进行的几次科学钻探中，墨西哥湾水合物联合工业计划中部分井段水合物储层成藏条件好，测井质量高，取心量大，岩心数据丰富，便于人造模拟地层骨架制备工作的开展。
联合工业计划是于2005年春季在墨西哥湾北部的Minibasin省启动的一个为期35天的钻井项目，在AtwaterValley和KeathleyCanyo区块(如图2所示)累计共获取了144m的岩心，并进行了相关的物性测试。
结果表明，该地区水合物储层厚度大且饱和度高，具有良好的天然气水合物勘探前景。因此，本文选取KeathleyCanyon#151-3孔海底236m深处的天然气水合物储层作为研究对象，制备物性参数贴近的人造水合物储层骨架并在原位条件下进行钻井液侵入模拟实验。
实验仪器和材料
高仿真物理模型的制备和侵入过程的实现是研究中最重要的部分。所采用的实验装置主要包括人造岩心制备装置和天然气水合物开采及渗流模拟系统，人造岩心制备装置可用于制备直径为50mm、长度不超过900mm的人造岩心柱。
天然气水合物开采及渗流模拟系统由反应釜、压力系统、温度控制系统、钻井液循环系统、气水注入系统、数据测量及采集系统组成。
它可以实现多孔介质中天然气水合物的形成和分解，不同温度和压力差条件下钻井液侵入，以及高度还原原位地层温度、压力、电阻率等条件。
可通过达西定量和波义尔定律测量骨架渗透率和孔隙度，实验过程中可实时测量和采集温度、压力、电阻率、进出气液量等数据。
天然气水合物形成和钻井液侵入
根据现场地球物理测井和岩心分析等数据，可确定钻井工艺参数和储层主要物性参数，海水盐度约3.5%，水深约800m，再结合目标水合物储层深度，可计算出孔隙压力为10MPa。
井口钻井液密度为1250kg/m3(含岩屑)，井眼内目标层位钻井液压力为12MPa，温度为15℃。
实验过程中的温度、压力和钻井液配方均基于现场条件，海水选用3.5%氯化钠溶液模拟。钻井液侵入模拟前，人造岩心孔隙中水合物的形成必不可少，主要实验参数如表1所示。
结论
1)钻井液的侵入过程伴随着热量和物质的传递，压力的变化比温度快得多，使原位孔隙水和甲烷继续形成水合物，从而导致电阻率轻微增加。
当温度升高使得温压条件越过相平衡临界状态后，孔隙中的水合物开始分解。过程中电阻率的变化主要受水合物饱和度(形成和分解)的影响。
2)在压差的驱替作用下，钻井液逐渐从井壁沿孔隙通道运移到地层深处，水合物分解产生的水和甲烷也随原始的水和甲烷迁移，在温压前缘之间的区域(较高的孔隙压力和较低的温度)易重新形成水合物，从而在井眼周围形成环状高饱和水合物带，表现为高电阻率。
3)钻井液与地层之间的温差是水合物分解的主要因素，而压差则相反。在现场钻井中，低温高密度钻井液有助于保持水合物的稳定，从而降低水合物分解对地层力学强度的影响，但高密度钻井液所形成的压差应控制在地层“安全窗口”内，以避免压力过高压裂地层。
4)钻井液侵入深度与时间密切相关。侵入12h后，水合物分解深度达到0.65m，为防止水合物地层的扰动而造成的测井失真，应选择测量深度范围较大的电阻率测井方法，且钻井与测井的间隔应尽可能缩短，如随钻测井。
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