高温和低压是天然气水合物成藏的基本条件，通常情况下，含水合物地层都处于稳定的温压状态下，地层温度压力一旦改变会极易引起天然气水合物的分解.而钻井过程恰恰是一个改变地层温度压力平衡状态的过程，地层钻开导致压力释放减小，而热交换又会造成温度的变化，因此，钻井过程中面临的首要问题也就是天然气水合物的分解问题.

天然气水合物的饱和度是指在其赋存的沉积地层孔隙中水合物所占的比例，由于水合物与岩石骨架和孔隙水的性质差异较大，因而水合物饱和度的变化，会很大程度上影响含水合物地层的纵横波速度、阻抗、弹性模量以及泊松比等物性参数，而这些物性参数正是利用地球物理方法预测和识别水合物的基础.

除了水合物饱和度，含水合物地层的孔隙度也是影响地层物性参数的另一个重要因素.天然气水合物多形成于具有一定孔隙空间的沉积物中，而含水合物地层的孔隙度会受地层埋藏深度、基质岩性以及水合物分布模式的影响.

含水合物地层的渗透性是指气体和水在水合物地层中流动的能力，其与孔隙中水合物的饱和度有直接关系.通常情况下，水合物充填地层孔隙，会使地层渗透性降低，甚至可能完全封闭孔隙，使渗透系数为零.但在含水合物地层钻探过程中，如果水合物发生大量分解，会使地层的渗透性升高，不利于形成保护井壁的滤饼，这也是井壁失稳坍塌的主要原因所在.

含水合物地层的导热系数与水合物分布模式、孔隙大小、骨架、孔隙中各相的含量有关.研究发现，水合物颗粒的存在促进了石英砂岩颗粒间的热接触，提高了地层的热传导率(Waite et al.，2002).因此，在含水合物地层钻井时，不能把它看成一个等温过程，必须要考虑钻井液与含水合物地层之间的热交换，才能分析温度变化对水合物稳定性的影响.

地层中水合物的存在增加了地层的抗剪强度，而地层强度的大小又与孔隙中水合物的量以及水合物与地层之间的胶结特征有关.孔隙空间中自由气体的存在又会减弱剪切时孔隙压力的响应，减小了水合物提高砂岩强度的作用(Winters et al，2005，2007).因此，在含水合物地层中钻井时，如果水合物大量分解，将会降低井壁围岩的力学参数，使地层的抗破坏能力下降，而容易引发井壁失稳垮塌.

当井眼打开后，钻井液迅速渗入井壁，井壁附近的天然气水合物由于温度和压力的急剧变化而迅速分解成水和天然气，同时，天然气水合物的分解导致地层渗透性提高，使侵入速率增大，不利于形成保护井壁的滤饼.因此从井眼打开到井壁附近天然气水合物完全分解的过程是井壁最易失稳的阶段(涂运中，2010).随着钻井的继续进行，滤饼逐渐形成，透过滤饼的泥浆滤液在压差作用下继续向地层侵入.到侵入后期，孔隙中的气体和水持续增多，孔隙压力继续升高，泥浆滤液渗流基本停止，但天然气水合物在传热作用下还会继续分解，直至在新的孔隙压力条件下达到相平衡.

在含水合物地层钻井时，钻井液温度要高于地层温度，热量会通过骨架传导和侵入流体的对流换热与地层进行热交换，导致地层温度升高从而使井壁附近天然气水合物发生分解，况且天然气水合物分解本身也是一个吸热反应，因而在分析钻井液侵入含水合物地层及对井壁稳定性的影响时，不能把它看成一个等温过程(宁伏龙，2005).

根据上述对钻井液侵入过程和传热特性的分析可知，钻井液的侵入过程实际上是天然气水合物分解、温度场和渗流场的藕合过程，其共同作用并影响井壁附近地层的力学强度、孔隙水压力、毛细管压力、水/气/水合物饱和度、地层渗透率等(Freij-Ayoub et al.，2007；Wen，2004).

图 2

Fig.2

图 2钻井液侵入含水合物地层(涂运中，2010) Fig.2he invasion of drilling fluid to gas hydrate-bearing sediments

由于天然气水合物的存在起到了胶结或骨架支撑的作用，因此在钻井过程中，井壁天然气水合物的迅速分解就会造成井壁坍塌，而分解产生的水增加了井壁地层含水量，进一步降低了地层颗粒间胶结的有效应力，导致井壁失稳.分解产生的气体又影响钻井液的相对密度和流变性，对井壁稳定愈发不利，甚至还可能引发井涌、井喷等钻井事故(Durham et al.，2003).

天然气水合物引起的井壁失稳，可能会造成套管毁坏，还可能导致井径扩大，并由此产生一系列问题，如井眼清洗难度加大、钻柱发生弯曲、封隔器难以坐封、测井困难、固井质量变差、井下工具下入困难等.

天然气水合物分解降低了海底和近表地层的稳定性，沿着气体通道会产生失效面和弱化区域，这可能会导致海底设施的不稳定.在含水合物区域进行海洋钻井时，还需要考虑避免由于天然气水合物分解造成的承载力丧失和海底地基沉陷的危险.若井径扩大，井段的套管被压扁或安装在套管上端的井口装置或防喷器失去承载支撑而发生倾斜、倾倒，将丧失对井内压力的控制，就有可能导致井喷(白玉湖等，2009).

钻井过程中，分解产生的部分气体进入井内，同钻井液一起上返到地面，在这过程中如果井内温压条件合适，它们又会重新形成天然气水合物.在深水作业环境中，天然气水合物的形成不仅会堵塞输送管道、压井管线和井筒，而且还有可能堵塞水下防喷器，导致防喷器无法连接，拖延井控时间，产生严重的井控问题.此外，天然气水合物的形成还可能破坏导向基座和水下生产设备，并在海底设备上形成大量的水合物，影响正常作业.具体表现为(吴华等，2007)：

1)节流压井管线堵塞，无法恢复循环作业；

2)防喷器或防喷器以下的空间发生堵塞，无法检测防喷器之下的井压；

3)隔水管、防喷器或套管与钻具的环空形成堵塞，无法移动钻具；

4)钻具与防喷器之间形成堵塞，使防喷器不能完全被关闭；

5)被关闭的防喷器闸板腔中形成堵塞，不能完全打开防喷器.

天然气水合物的形成不仅仅在海底设备上造成危害，如果在深水钻进过程中，大量气体进入到钻井液中，使钻井液密度降低，钻井压力增加，若此时井筒内温度压力条件合适，就可能在钻井液内形成天然气水合物(吴华等，2007；胡友林和刘恒，2008).钻井液中天然气水合物一旦形成可能会堵塞钻井液循环或钻进系统的其他管路，会导致一系列井眼内恶性事故，如阻止钻杆转动、起下钻极其困难等.

由于形成天然气水合物所需要的水来自钻井液本身，水基钻井液的失水会严重影响其流动特性，造成钻井液中的固相沉析，使井筒中钻井液减少或没有钻井液.同时，天然气水合物的形成是一个高度放热反应(Holder et al.，1987)，钻井液体系的温度就会受到影响，而钻井液的性能随温度要发生一系列的改变.在低温情况下，钻井液的流变性会发生较大变化，主要表现是粘度、切力大幅度上升，而且还可能出现显著的胶凝现象.另一方面，在钻井液中形成的天然气水合物在上升过程中由于温度压力发生变化会逐渐分解，分解释放出的大量气体会影响正常的井控工作，有可能发生井喷事故(吴华等，2007).

图 3

Fig.3

图 3水合物重新形成引起的危害(张凌，2006) Fig.3Damage caused by the re-formation of the gas hydrates

通过前面对水合物钻井风险的分析可以看出，含水合物地层特殊的岩石物理性质导致在深水钻井过程中，钻遇含水合物地层会面临复杂的井内问题，因而在钻井之前，天然气水合物地层的预测工作就显得尤为重要(白玉湖等，2009；叶建良等，2003).准确估计含水合物地层的位置和分布范围，并进一步了解含水合物地层的岩石物理性质，可以指导深水钻井井位的布置以及风险预防措施，在钻井活动开展之前，就将风险发生的可能性降至最低.

在深水钻井过程中，为了第一时间判断是否钻遇含水合物地层，钻进过程中的实时测量就显得至关重要.一方面要密切监视进尺、返出钻井液中气体含量和钻屑状态等参数，尽早检测天然气水合物的显示；另一方面要开展随钻测井工作，随钻测井是将传感器置于钻头上方，在钻头钻穿地层之后数分钟内就可以测得孔隙度、电阻率、自然伽马和其他测井参数，而且测井几乎在钻井的同时进行，钻井液对井壁的侵入处于轻微状态，孔隙度和渗透率尚没有发生明显改变.因此，通过分析随钻测井数据，根据含水合物地层的测井相应特征，及时判断是否钻遇含水合物地层.

如果检测到天然气水合物的存在，则应立即根据井内温度模型模拟结果适当调整钻井液密度、温度、循环量和进尺等钻进参数，在控制气体流入量的同时，采取假定下部有游离气的井喷控制预案进行钻进(白玉湖等，2009；叶建良等，2003).

含水合物地层特殊的岩石物理性质导致在深水钻井过程中，钻遇含水合物地层会面临复杂的井内问题，归结起来，主要是天然气水合物的分解导致的井壁失稳和井内安全控制问题，以及天然气水合物形成导致的流体通路阻塞问题.而避免这些问题发生的关键就在于钻前天然气水合物的预测，以及钻进过程中的实时测量.

地球物理技术以其独特的优势可以在降低水合物钻井风险中发挥重要的作用.利用地球物理手段进行含水合物地层分布区域的预测以及含水合物地层物性参数的估计，可以在钻前就将水合物钻井风险降至最低.而在钻进过程中，利用随钻测井技术进行实时测量，可以为布置风险预防措施起到重要的指导作用.