王 磊 胡志强 柯 珂 张 辉 李莅临 闫 莉

(1.中石化石油工程技术研究院有限公司 北京 102206； 2.中国石油大学(北京) 北京 102249)

极地冷海油气储量丰富，开采潜力巨大，战略价值高，已经成为各大国际石油公司关注的热点[1-4]。极地海洋环境常年温度低于0 ℃，浅部地层状态不稳定，极易受扰动分解产生大量气体，一旦钻遇会出现大量气体聚集喷发，冲刷井眼，严重时会导致海底塌陷，平台失稳倾斜，造成井喷、爆炸等灾难性事故[5-7]。目前已有针对天然气水合物地层声波特征和钻前监测的相关研究，Priest等[8]设计了特殊的天然气水合物制备装置测试其声学特性的主要影响因子；杨进 等[9]研究了天然气水合物物理特性与声波速度的关系；唐海雄 等[10]研究深水浅层地质灾害与地震波速度之间的关系；上述研究针对海洋深水区域天然气水合物地层合成和分解的声波特性做出来详细研究，但由于极地冷海浅层天然气水合物地层土质环境和复杂条件不同，直接采用海洋深水天然气水合物层的预测方法会导致结果的偏差，需要开展针对性的方案研究。因此，基于搭建的低温天然气水合物声学特性实验系统和人工水合物试样，研究了天然气水合物地层声波速度在不同参数条件下的变化情况，建立了浅层天然气水合物地层的声学特征响应模型，并对冷海浅层天然气水合物钻井风险进行评估，强化极地冷海浅部天然气水合物地层的识别精度，避免钻遇复杂地质灾害，对极地冷海安全高效勘探具有一定指导意义。

1 低温天然气水合物声学特征模拟实验装置

本实验采用中国石油大学(北京)海洋油气工程实验室研制的低温天然气水合物声学特性实验系统，研究天然气水合物地层声波速度在不同物性参数条件下的变化情况。该系统由浅层土制备实验箱、水合物制备高压反应釜、气液分离器、控制模块与数据测量采集模块等组成。为提供实验所需低温条件，实验场地全天环境温度维持在-30～-10 ℃，满足实验方案设计需求[11-12]。本实验采用100 mm×100 mm×100 mm尺寸的实验箱配置满足极地冷海浅部土层各项指标的土样；制备水合物的圆柱型高压反应釜直径0.14 m，高度0.40 m，高压反应釜内有效容积为2 L，通过精度±0.03铂电阻温度传感器测量温度，可模拟的温度范围在-20～100 ℃；精度0.5%的压力传感器测量压力，压力量程范围在0～25 MPa；采用气液分离器回收天然气水合物制备过程中无法直接排放的甲烷气体，管路尺寸与实验匹配，回收后的甲烷气体可循环实验，装置如图1示。

图1 低温天然气水合物声学特征模拟实验装置

2 低温天然气水合物声学特性模拟实验方案

2.1 先导实验

为水合物浅层土的配比制定最佳方案，研究不同地层比例厚度对声波速度影响的先导实验。实验结果显示，在水合物层厚度确定的前提下，上部土层、水合物层、下部土层厚度比例为1∶2∶1时，声波首波到达时间不易检测判断；比例为4∶2∶4时，声波数据采集更为完整，但由于实验土层较厚，不宜操作；当采用比例为3∶2∶3时，可以兼顾声波数据采集和实验测试操作条件，如图2所示。

图2 不同厚度土层配比的天然气水合物声学先导实验

为验证声波测试实验的可行性和优化实验流程，针对纯干冰层、冰层、干冰与土混合层和冰与土混合层四类与天然气水合物成分物性相近的地层进行实验，实验流程如图3所示。实验连续进行多组测量直至声波速度稳定，提高实验精度，记录此时测量数据，实验结果如表1所示。从实验结果看出，声波在干冰层传递的最快，符合预期结论，同时验证了低温声波测速实验方案的可行性。

图3 不同成分的天然气水合物声学先导实验

表1 声波测试先导实验测试结果

2.2 实验浅层土配置

根据极地区实际钻井取心调研结果[13]，实验配置的浅层土需要满足极地冷海浅层土质各项基本参数指标和实验环境温度。参考国家相关标准的试验土样制备方法[14]，首先通过打碎、曝晒及过筛处理完冻土原状土后，再添加水溶液调配至实验所需的含水率，静置处理72 h，按照设计分层压实处理，同时储备一定量的备用土层,实验浅层土物理性质见表2。

表2 实验浅层土物理性质

2.3 天然气水合物制备

1)排气：制备实验前，打开高压反应釜内腔体，持续注入高浓度的甲烷气体驱替高压反应釜内空气，同时检测高压反应釜装置密封性。

2)加砂：选择颗粒直径范围在200～600 μm的石英砂，将其作为介质材料填充在实验高压反应釜内，通过石英砂颗粒直径的数值来调控所需天然气水合物的孔隙度。

3)注水：控制实验装置注水阀门的开度，缓慢注入质量分数为3.5%的盐水溶液模拟海底液态环境，实验高压反应釜内温度保持在25～30 ℃。盐水溶液中加入浓度为200 mg/L十二烷基硫酸钠作为添加剂，提高天然气水合物的化学合成速度。

4)注气：打开实验反应釜装置注气阀门，同时关闭注水阀门，控制速率缓慢注入99.99%浓度的甲烷气体，时刻关注压力值变化，直至达到12 MPa时停止注气。根据物质守恒定律，制备不同质量分数饱和度的天然气水合物计算公式如下[10]：

(1)

式(1)中：S为所需实验试样的天然气水合物饱和度，无因次；pc为注入的甲烷气体的压力值，MPa；Vc为注入的甲烷气体体积，m3；Mh为甲烷水合物摩尔分子量，g/mol；Z为天然气压缩因子，无因次；R为气体常数，J/(mol·K)；T为实验温度，℃；Vp为样品孔隙体积，m3；ρh为天然气水合物密度，g/cm3。

5)生成：迅速关闭实验装置注气阀门，调节高压反应釜温度维持在0～4 ℃，观察反应釜内压力持续下降，天然气水合物不断生成；为保持釜内压力恒定，启动实验装置注水阀门，继续缓慢注入含量3.5%的盐水溶液，直至釜内不再降低时，所需天然气水合物制备过程结束。

2.4 实验操作流程

校对实验仪器精度，分别对厚度为0.5 m的空气、水和实验浅层土进行声波测试，调节仪器灵敏度，获取声波数据，符合精度要求后，校对实验仪器完毕；按照优化后的水合物浅层土最佳配比方案，将实验箱下部的充填满预先配置的浅层土样，厚度为30 cm；采用实验气囊填充满制备好的天然气水合物试样，高度为20 cm，埋置实验箱下部的浅层土样上；再次将预先配置的浅层土样覆盖在实验箱上部，厚度30 cm；实验箱体配置完毕后，开始采用声波测试仪对实验箱体进行连续测量，记录声波稳定时刻的数据；测量完毕后，释放天然气水合物试样，利用气液分离器回收实验甲烷气体。

2.5 实验数据记录

本实验采用的TH206声波测试仪通过内置的声波计算程序，绘制出目标声波的波形曲线，并在采集器中读取结果，得到不同地层物性参数条件下的天然气水合物的声波传播速度，如表3、4所示。

表3 天然气水合物地层声波速度随饱和度变化测试结果

表4 天然气水合物地层声波速度随孔隙度变化测试结果

2.6 实验结果分析

整理实验结果，绘制出不同地层物性条件下的天然气水合物地层纵波速度变化规律曲线，如图4和图5所示。实验结果看出，天然气水合物纵波声速与饱和度呈正相关性，天然气水合物地层的饱和度越高，其纵波声速值越大，建立天然气水合物地层声波速度随饱和度变化关系式

图4 天然气水合物地层声波速度随饱和度变化曲线

图5 天然气水合物地层声波速度随孔隙度变化曲线

Vg=0.156 8S2+11.846S+2112.5

(2)

式(2)中：Vg为天然气水合物地层声波速度，m/s。

天然气水合物纵波声速与孔隙度呈负相关性，天然气水合物的孔隙度越高，纵波声速值越小，建立天然气水合物地层声波速度随孔隙度变化关系式

Vg=-0.167φ2-10.108+3 040.2

(3)

式(3)中：φ为孔隙度，无因次。

3 浅部天然气水合物地层钻井风险评估

由水合物等效介质理论[15-16]可知，天然气水合物地层声波速度主要受到天然气水合物层埋藏深度、水合物孔隙度、水合物饱和度、沉积物层矿物成分等参数影响。根据文献研究[17]，建立了天然气水合物地层的孔隙度与埋深间的计算模型，其表达式为

φ=φ0e-0.014×(13.31lgA-83.25lgR+2.79)D×10-3

(4)

式(4)中：A为地质年代，Ma；R为岩土厚度与陆源沉积物总厚度的比值，无因次；D为埋藏深度，m；φ0为地层原始孔隙度，%。

根据时均方程[17]，建立含天然气水合物地层沉积物的声波速度计算公式

(5)

式(5)中：Vr为岩石孔隙流体声速，m/s；Vgh为纯天然气水合物声速，m/s；Vm为岩石骨架声速，m/s。

联立公式(2)～(5)，可以将含有天然气水合物地层的物性参数、埋藏深度和声波速度联系起来。根据实验结果，采取控制变量法，固定水合物地层孔隙度物性参数，建立不同水合物地层饱和度条件下，极地冷海浅部天然气水合物地层埋藏深度与声速之间的关系，如图6所示。

图6 天然气水合物地层埋藏深度与声波速度关系曲线

根据天然气水合物地层声学特性模拟实验研究结果，结合极地冷海浅部土质资料参数和天然气水合物地层风险声学特征[18-20]，并将钻遇浅部天然气水合物地层的风险划分为红、橙、黄、蓝四个风险等级，如表5和图7所示。可以看到，纵波速度越慢，钻遇浅部天然气水合物地层的风险越高，其中红色区域代表风险等级高级，设计上应该重新制定井位坐标，避免钻遇天然气水合物区域。

表5 浅部天然气水合物地层的风险等级

图7 钻遇浅部天然气水合物地层风险评估

4 结论与建议

1)天然气水合物在极地冷海浅部地层状态不稳定，钻井过程会导致水合物分解，产生大量气体聚集喷发，易造成井喷、爆炸等灾难性事故。目前针对浅层天然气水合物地层的识别方法主要集中在地震资料反演，缺乏针对浅部天然气水合物地层声学特性的定量描表征，无法开展针对浅部天然气水合物地层的有效风险识别。

2)为对钻井过程中冷海浅部存在的天然气水合物地层进行预测和识别，基于搭建的低温天然气水合物声学特性实验系统和人工水合物试样，开展了人工水合物试样声波速度在不同参数条件下变化规律的研究，建立了浅层天然气水合物地层的声学特征响应模型，可对极地冷海浅层天然气水合物钻井风险进行评估。

3)研究结果表明，浅部天然气水合物的纵波声速与地层饱和度呈正相关，与地层孔隙度呈负相关，钻遇浅部天然气水合物地层风险分为红、橙、黄、蓝四个等级，其中红色风险等级最高，设计上应考虑重新制定井位，避免钻遇天然气水合物区域；通过开展针对冷海浅部天然气水合物地层风险评估，可以有效提高天然气水合物地层的识别精度，避免钻遇复杂地质灾害，能有效指导极地冷海安全高效勘探。