天然气水合物（natural gas hydrate）作为一种新型非常规能源，因其无污染、能量密度大、分布广和储量多等优点吸引了世界各国研究人员的目光（苏明等，2014；苗晓明等， 2022）。截至目前，全球水合物勘探开发地区已超过230处，其碳含量约为现有化石能源碳含量的两倍（李清平等，2022）。因此，加快天然气开发利用，促进其协调稳定发展，对环境保护和能源发展都具有重要意义。

天然气水合物的研究过程中，钻井是至关重要的一环，含水合物地层情况复杂，所需的钻井技术也更加复杂。泥浆侵入水合物地层过程中伴随有相变的发生，这将影响地层的力学性质、电学性质、热力学性质及渗透性质，从而影响钻井过程中地层力学稳定、电阻率测井可靠性及后续注热开采的热量传递与产气速率等（郑明明等，2017）。目前，国内外已经有很多学者针对泥浆侵入水合物层做出一系列研究（Sloan et al.，2003; Ning Fulong et al.，2013a，2013b；邹才能等，2015；景鹏飞，2019；周守为等，2023）。宁伏龙等（2013）模拟研究了高温泥浆侵入海洋含水合物地层过程，发现在泥浆的侵入下，水合物发生分解和再合成可能会导致某一区域水合物饱和度高于原始饱和度，导致测井结果解释失真。张怀文等（2018）基于室内实验，研究了热力学抑制剂对水合物分解的促进作用，且盐类抑制剂的扰动效果比醇类更大。Liao Youqiang et al.（2021）建立了水平井钻井的流-固-热-化全耦合模型，分析了井筒与储层之间的传热传质规律，阐述了较高的钻井液温度是导致水合物分解的直接原因。Zhang Lei et al.（2022）建立了圆柱坐标系下泥浆侵入水合物储层的二维数值模型，区分了有无游离气的情况，研究了不同泥浆温度、盐度情况下不同深度储层在钻井过程中的响应行为。高永海等（2023）建立水平井井筒-储层模型，研究发现井位部署在储层水合物饱和度高的区域有利于缓解泥浆侵入程度，并降低井壁失稳风险。赵珂等（2024）通过数值分析，计算了泥浆侵入作用下，水合物储层沿地层方向的温度变化率和压力变化率。

2007年，我国首次在南海北部神狐海域成功钻获天然气水合物实物样品，并于2017年和2020年，成功进行二轮试采。尽管我国天然气水合物研究已经取得了较为丰硕的研究成果，但还面临着储层精细刻画不足、钻进成本过高、安全隐患大等多方面技术风险。为了克服这些难题，了解钻进过程中井周水合物地层的变化情况极其重要。

基于此，本文依据南海区域水合物储层地质资料，利用TOUGH+HYDRATE软件构建水合物地层模型，模拟水合物储层水平井钻进过程中的泥浆侵入特性，揭示井眼周围温度、压力变化，以及水合物分解状况等信息，并分析泥浆参数特征和地层物性对井壁稳定性的影响。旨在为南海区域水合物储层的准确测井乃至水合物高效开采提供理论依据和工程指导。

1 研究区域和研究方法

1.1 研究区域选择

2020年2月17日，我国海域天然气水合物第二轮试采点火成功，迈开了水合物产业化中的关键一步，本文以该区域水合物作为研究背景。神狐区域水合物储层位于珠江口盆地，介于东沙群岛与西沙海槽之间，海底地形相对平坦（图1）。神狐区域地层温度3.3~3.7℃，地热梯度为45~67℃/km，且底部压力大于10 MPa，满足水合物储层形成的有利温度和压力条件。

研究地区选取2015年，GMGS3中的W17场地，区域内天然气水合物储层可分为三层，分别为水合物层（GHBL）、三相层（TPL）和游离气层（FGL），厚度分别为35 m、15 m、27 m；孔隙度分别为0.35、0.33、0.32；平均渗透率分别为2.9×10^-3 μm²、1.5×10^-3 μm²、7.4×10^-3 μm²，水合物层顶部距离海平面1467 m（Sun Youhong et al.，2019）。水合物矿床示意图如图2所示。

1.2 数值模型

本研究釆用TOUGH+HYDRATE水合物储层数值模拟软件，模拟钻进过程中水合物储层的状态变化。该软件主要用于海洋和冻土地区天然气水合物的开采模拟研究，可以模拟钻进和开采过程中水合物的分解反应、各相之间的相互转换、体系内的能量与质量传递。

模拟网格建立采用笛卡尔坐标系，假设水平井位于水合物层中间，钻孔直径取200 mm，由于泥浆侵入影响范围较小，所以取井眼周围5 m为研究对象。假设地层均质，在钻进方向上（即y方向）取单位厚度作为研究对象，建立二维模型。整个研究区域即x×y×z为10.2 m×1.0 m×10.2 m的长方体，井眼是位于正中间的0.2 m×1.0 m×0.2 m的网格，x方向和z方向上均划分为101个网格，且靠近井眼处网格加密，其中四周边界为非活跃网格。由于笛卡尔坐标的局限性，这里近似将圆孔井眼看作为正方形井眼进行模拟（图3）。

根据W17场地的天然气水合物储层信息和已有地球物理和钻探取芯资料，主要地层物理性质和参数见表1。

计算可得，模型顶部压力为15.012 MPa，模型顶部温度为13.718℃。泥浆和地层孔隙水盐度均设置为3%，且假设均为NaCl。泥浆密度设为1.10×10³ kg/m³，温度取16℃，可算出井眼压力为16.013 MPa。

2 结果和讨论

2.1 泥浆侵入过程中地层物性变化特征

图4描绘了泥浆侵入下井周不同时刻下的储层物性参数分布状态。当井眼打开，泥浆迅速侵入井壁，驱替地层原有液体，导致井壁周围孔隙压力迅速增大。对比压力和温度的分布状况，压力传播速度比温度传播速度快。由于泥浆温度较高，在温差作用下，井周水合物开始分解，产生大量水和气。因此，泥浆侵入含水合物地层还伴随有水合物分解的相变行为。

泥浆侵入10 min时，压力已经扩散到井周1 m，但温度传递范围较小，只有井壁周围的水合物开始分解。当泥浆侵入2 h，压力已经扩散到3 m，受水合物分解吸热影响，温度的传递范围不足0.5 m。此时，井周水合物继续分解，使得井眼周围含水量增加，造成盐度降低。

当泥浆侵入1天时，压力和温度传递已经基本趋于稳定，压力传递已经达到5 m，温度传递范围在1 m。此时井眼附近的水合物已经全部分解并缓慢向外扩张。至第2天，井眼周围压力和温度分布状态已经基本稳定，未出现明显变化。水合物的分解主要发生在井周8 cm范围之内，其中5 cm范围内的水合物已经完全分解。由于该地层渗透率较小，因此泥浆侵入深度较小，仅0.5 m（图4p）。此外，地层传热滞后和水合物分解吸热等因素，导致温度影响范围较小，故水合物分解的范围较小。在此基础上下，后续所有模型的侵入时间均设置为2天。

根据地层物性分布图，在重力因素的影响下，压力向下的传递速度最大，向上的传递速度最小。因此，泥浆向下的侵入程度大于向两边的侵入程度，且向上的侵入程度最小。由于地温梯度和泥浆侵入的各向异性，在距离井眼相同距离时，下部地层的温度往往会略高于上部地层的温度。

模型中未发现游离气体，该地层渗透率较低，泥浆侵入程度较小，且泥浆温度和水合物相平衡温度温差较小，因此水合物的分解程度较小，所产生的气体溶于水中。

2.2 泥浆侵入对含水合物地层的影响

2.2.1 泥浆密度对侵入的影响

含水合物地层钻进过程中，为防止井壁失稳和井喷，常选用密度较大的泥浆（Winters et al.，2004）。但较大密度的泥浆往往会导致井内压力与孔隙水压力之间的压差增大，进而加剧泥浆的侵入程度。同时，压力增大也会在一定程度上抑制水合物的分解，且高压力会增大气体在水中的溶解度，促进水合物的二次合成。为了研究泥浆密度对泥浆侵入该地层的影响，分别考虑密度为1050 kg/m³、1100 kg/m³、1150 kg/m³的三种泥浆对地层的侵入情况（图5）。

对比压力分布图可以发现，泥浆侵入2天后，压力的传递范围均达到5 m，但泥浆密度越大，井眼压力越大，井周的压力值越大。使用高密度泥浆时，由于井孔与孔隙水的压差增大，泥浆的侵入程度也相应增大。泥浆密度为1150 kg/m³时，2天后泥浆已经侵入至0.8 m，泥浆大量涌入含水合物地层，促使温度传递范围增大。大范围的温度升高导致水合物分解范围增大，进一步导致地层渗透率增大，从而促进了泥浆的侵入。

总之，泥浆密度越大，钻进过程中压力和温度传递范围越大，泥浆侵入深度和水合物的分解范围越大。因此，在钻井含水合物地层时，应参考水合物相平衡温压条件，选择合适的泥浆密度，同时控制泥浆温度不得过高。

2.2.2 泥浆温度对侵入的影响

在研究泥浆侵入常规油气地层时，通常将这一过程视为等温侵入，即忽略泥浆温度对其的影响。但是在钻进含水合物地层时，由于相变行为发生，即水合物会吸热分解，对地层温度有一定的影响，因此不能将泥浆侵入简单的看成等温侵入（Bilardo et al.，1996）。

温度高于水合物相平衡温度时，水合物大量分解，泥浆侵入加深。当泥浆温度过低，水合物分解产生的水和气易在井眼内再次合成水合物，导致井筒堵塞。因此，泥浆温度应取一个合适的值，必要时还应当加入动力学抑制剂，抑制水合物储层中的水合物分解，并保证井筒内不会有水合物的再合成。

本文设置温度为12℃、14℃、16℃和18℃四个对照组，研究温度对泥浆侵入水合物层的影响（图6）。井眼所在地层初始温度为13.93℃，此次研究包括泥浆温度低于、高于和大致相等于地层初始温度三种情况。

对比压力分布图发现，泥浆温度的改变对压力的传递无明显影响。当泥浆温度低于井眼周围水合物层温度（12℃），井周地层温度降低，但由于驱替溶解作用，井壁附近的水合物会部分分解。当泥浆温度与井周水合物层温度基本相同（14℃），井周水合物会因少量热传递和驱替溶解作用少量分解，且水合物分解吸热，井眼温度降低，导致井周局部温度异常。

泥浆温度大于井周地层温度时，随着温度的升高，温度传递范围增大，水合物分解程度和分解范围增大，但增大幅度不明显，可能是由于地层渗透率较低，泥浆影响范围较小。当泥浆温度为18℃时，水合物的分解达到一定程度，分解产生的大量水和气体在压差下，受泥浆的驱替向地层深处聚集，使聚集处孔隙水压力升高，由于水合物的分解吸热和温度传递滞后等因素导致分解产生的水和气体合成了二次水合物。二次水合物加上地层原本未分解完的水合物使该区域的水合物饱和度甚至大于初始水合物饱和度，形成一个高饱水合物环带（图6l）。高饱水合物环带会降低地层渗透性，阻碍泥浆的进一步侵入（Konno et al.，2008），同时，孔隙压力的传递滞后将进一步导致更多的水和气滞留在此区域形成二次水合物。

盐度分布图显示，泥浆的侵入深度会随着泥浆温度的升高而增大。在12~18℃之间，泥浆温度每升高2℃，侵入深度增大1~2 cm。

2.2.3 泥浆盐度对侵入的影响

本文将盐全部假定为NaCl，因此盐度即NaCl浓度。NaCl是一种热力学水合物形成抑制剂，有利于水合物分解。同时，盐的导热率很高，比沉积物高3~4倍（Chand et al.，2004），盐度的增加会使液体的导热率提高。因此，泥浆盐度的变化会对水合物分解程度产生显著影响（图7）。

对比泥浆侵入后的地层物性分布图可以发现，当泥浆盐度从0.03提升至0.05时，井周压力、温度分布和泥浆侵入范围无明显变化，但水合物的分解程度和分解范围小幅度增大。其原因是盐度的增加会促进水合物的分解，但0.03和0.05的盐度不足以引起水合物大范围分解，产生的水和气未形成游离气和二次水合物，因此温度和压力的传递保持一致。

当盐度提升至0.08时，压力的传递范围明显减小，且井周出现异常高压（图7c）。高盐度促进水合物的分解，产生大量水和气，部分气体溶于水中，其余则以游离气的形式（图7j）存在于地层中，造成了井周异常高压。同时，水合物分解吸热导致井周温度大幅度降低（图7f）。图7i中显示，水合物分解产生的水和气体在地层深处形成二次水合物，并产生高饱水合物环带，水合物饱和度峰值甚至达到0.38。

因此，为维持井壁稳定，应尽量选用低盐度的泥浆体系，或添加动力学抑制剂、防聚剂以抑制井筒内生成二次水合物，并避免井周水合物大量分解。

2.3 水合物地层物性对泥浆侵入的影响

在钻进含水合物地层时，不同泥浆的参数会有不同的侵入效果，而相同泥浆侵入不同物性地层时，也会有不同的侵入效果。因此在评价泥浆对井周水合物地层的影响时，除考虑泥浆本身特性以外，还应考虑水合物地层本身性能对侵入的影响，本文主要考虑地层孔隙度、绝对渗透率和水合物饱和度。

2.3.1 地层孔隙度对侵入的影响

假设地层各处孔隙度均匀分布，且相互连通。当水合物饱和度一定时，地层孔隙度越大，单位体积内储存水合物的量越大，此外，地层骨架与孔隙水的导热系数不同，因此，孔隙度会影响水合物地层导热率和渗透性。为了研究地层孔隙度对泥浆侵入响应特性的影响，本研究保持泥浆参数不变（温度16℃、密度1100 kg/m³、盐度3%），以地层孔隙度为对照，建立0.3、0.35和0.4三组模型，模拟结果如图8所示。

对比模拟结果可以发现，随着地层孔隙度的增大，温压条件无明显变化，水合物分解速度保持不变，但由于水合物储存量增大，而等量的水合物在更小的体积内发生分解，即水合物分解程度增大，分解范围减小。较小的地层孔隙度中水合物分解范围较大，井周地层渗透性增大，因此泥浆侵入的深度较大。

温度分布图显示，孔隙度为0.4时，温度传递范围最大，孔隙度为0.35时，温度传递范围最小。孔隙度为0.35时，水合物分解程度大于孔隙度为0.3时的分解程度，分解吸收的热量多，使得周围地层温度降低。而当孔隙度为0.4时，地层中水和水合物的含量最大，导热系数最大，温度传递范围最大。

2.3.2 地层绝对渗透率对侵入的影响

地层绝对渗透率是水合物地层的基础物性参数之一，其对泥浆的侵入和水合物的稳定性有很大的影响。地层渗透率越大，泥浆侵入深度就越大、侵入速度越快，水合物分解程度和分解范围越大。此外，水合物分解会导致气泡的形成，从而增加相互连通孔隙内的孔隙水压力，抑制水合物的分解，这种现象常被解释为孔隙介质中的水合物分解自保护机制（Holtzman et al.，2011）。在渗透性高的地层中，水合物分解产生的水和气更容易被泥浆驱走，孔隙中气泡少，使水合物易继续分解；而在渗透性低的地层中，水合物分解的水和气体不能及时运出去，在孔隙中会使孔隙水压力增大，从而抑制水合物的进一步分解。

本研究考虑原地层渗透率（2.9×10^-3 μm²）、小于原地层渗透率（2.9×10^-4 μm²）和大于原地层渗透率（2.9×10^-2 μm²）三种情况（图9）。

模拟结果显示，绝对渗透率增大时，压力和温度传递范围和泥浆侵入深度明显增大，泥浆侵入深度分别为0.2 m、0.5 m和2 m。即绝对渗透率每提升一个数量级，泥浆侵入对周围地层的影响变化显著。

地层绝对渗透率为2.9×10^-4 μm²时，由于渗透率太小，泥浆侵入程度小，温压传递范围小，使井周水合物几乎未发生分解（图9g）。地层绝对渗透率增至2.9×10^-3 μm²时，水合物的分解程度增大，分解范围为10 cm（图9h），但水合物分解程度不足以产生二次水合物和游离气体。

地层绝对渗透率增至2.9×10^-2 μm²时，泥浆大量侵入，泥浆侵入至2 m，温度传递范围大幅度增加。大区域的温压条件改变导致水合物大范围分解，井周0.3 m范围内的水合物完全分解，产生大量水和气，在地层深处发生水合物二次生成，并形成一个高饱水合物环带，环带厚度为0.1 m（图9i），饱和度最高值达到了0.3413，大于地层初始水合物饱和度。由于地层绝对渗透率大，气泡被泥浆驱走，所以未发现游离气体的存在。

2.3.3 地层水合物饱和度对侵入的影响

研究发现，水合物饱和度的增加会引起多孔介质渗透率的急剧下降，水合物饱和度从0增加到15%的过程中，渗透率下降了80%，随着水合物饱和度的继续增加，多孔介质的渗透率开始呈现缓慢下降的趋势，饱和度和渗透率之间的关系曲线呈指数分布（宋永臣等，2010）。水和水合物的导热系数不同，所以不同水合物饱和度的地层导热性能也就不同。

由于钻井过程中泥浆的侵入对水合物沉积物的影响是一个动态的传热传质过程，而传热、传质主要是受水合物沉积物导热性能和渗透性的影响。且水合物饱和度直接影响水合物地层导热率和渗透性，因此在评价泥浆的侵入对井周水合物地层的影响时，应考虑水合物饱和度对泥浆侵入的响应特性。

本研究设置30%、34%和36%三组不同水合物饱和度地层模型，模拟结果见图10。

压力和盐度分布图显示，水合物饱和度越大，压力传递范围越小，泥浆侵入深度越小；水合物饱和度分布图显示，随着饱和度的增大，水合物的分解范围减小，但分解程度增大。饱和度为34%时，温度传递范围最小，可能是受水合物分解吸热影响较大。

水合物饱和度为30%时，地层深处存在部分二次水合物，但饱和度较低，未出现高饱水合物环带。

总之，水合物地层中水合物初始饱和度与泥浆侵入特征存在明显相关性，水合物饱和度越高，泥浆侵入对井周的影响范围越小，但影响程度会更剧烈。

3 结论

设计合适的泥浆体系是水合物地层钻井重中之重，对安全钻井和水合物的高效开采有着重要意义。因此，本文利用TOUGH+HYDRATE，模拟了水基泥浆侵入海洋含水合物地层特性，并分析了不同泥浆性能参数和储层物性参数改变对泥浆侵入的影响，包括：泥浆密度、温度、盐度和地层孔隙度、绝对渗透率、水合物饱和度。主要得出以下结论和认识：

（1）泥浆在含水合物地层中的侵入是一个动态的传热传质过程，并伴随有相变行为。侵入过程中，压力传递先于温度传递。且采用水平井钻进水合物储层过程中，泥浆向下的侵入程度最大，当侵入时间达到1天时，压力和温度传递基本稳定，但水合物会继续分解。

（2）钻进含水合物地层过程中，需选用密度较大的泥浆。但过大的泥浆密度会加剧泥浆侵入程度，影响钻井稳定性和勘探准确性。因此，应根据实际地层条件，选取一个合适值，并在钻进过程中根据实际情况做出调整。另外，泥浆侵入程度会随着泥浆温度和盐度的增大而增大，因此钻进水合物层需采用较低温度和盐度的泥浆，且尽量采用动力学抑制剂或者防聚剂替代热力学抑制剂。

（3）在评价泥浆侵入对井周水合物地层的影响时，除考虑泥浆本身特性以外，还应考虑水合物地层本身性能对侵入的影响。地层孔隙度和水合物饱和度的增大意味着水合物量的增大，这将导致水合物分解程度增大，而分解范围减小。地层绝对渗透率对泥浆侵入的影响显著，地层绝对渗透率取2.9×10^-4 μm²、2.9×10^-3 μm²和2.9×10^-2 μm²时，泥浆侵入深度分别为0.2 m、0.5 m和2 m。此外，取2.9×10^-2 μm²时，地层深处会形成一个厚度为 0.1 m的高饱水合物环带，抑制泥浆的进一步侵入。

参考文献