天然气水合物是由水分子和碳氢气体分子化合形成的笼状结构的、类似于冰雪状的结晶化合物。因为天然气水合物的碳氢气体主要成分为甲烷，所以也被称为甲烷水合物。天然气水合物在自然界中主要分布在陆上永冻地区和海洋的大陆边缘，其中后者占了已发现数量的绝大多数。天然气水合物广泛存在于全球的深海底层和永久结冰带，因其储量巨大、能量密度高、分布广泛等特点，被认为是21世纪最理想的替代能源。当今，天然气水合物研究已经成为地球科学研究领域和能源研究领域的研究热点，特别是涉及到温室效应、全球碳循环和气候变化、天然气运输、油气管道堵塞、新一代能源的探查开发、船艇能源更新和军事防御、古海洋研究、海洋地质灾害等，其将对环境科学、能源供应、地质学产生广泛而深刻的影响。加强对天然气水合物的研究，这对于改变我国长期以煤炭为主要的能源消费结构，降低温室气体排放以及利用水合物技术存储CO2这一温室气体都将具有重要的意义。所以，全球许多国家都把天然气水合物研究视为战略研究。　　 如果要对埋藏在海底一定深处的天然气水合物进行勘探和开采，必须进行钻井。水合物的温度压力特征决定了在这类地层钻井与普通的油气储层中钻井有很大不同，这将使在这类地层中钻井的问题更加复杂化。天然气水合物大部分赋存在海底沉积层中，而海底沉积物通常是没有固结、欠固结甚至裂隙发育十分充分的多孔隙介质体。在钻井时，由于压力和温度的变化将导致水合物发生分解，对于某些水合物起胶结或骨架支撑作用的沉积层，天然气水合物的分解将导致井壁坍塌。同时，水合物分解产生的水和气体将使地层的压力升高，弱化了颗粒间的联系，从而导致井壁不稳；另一方面分解产生的气体引起钻井液的比重和流变性的变化，这对于井内安全和井壁稳定不利。　　 通常情况下，含水合物沉积层的渗透率较高，钻井液在温差和压差作用下侵入含水合物地层而发生传热传质作用，这将导致井壁四周天然气水合物的分解。同时，钻井液侵入所传递的压力和天然气水合物分解产生的气体和水将导致地层孔隙压力和含水合物地层含水量增加，进而导致井壁力学强度的下降。同时，天然气水合物分解后，含水合物地层的相对渗透率、气/水/水合物饱和度改变，地层性质的改变又影响钻井液对含水合物地层的侵入。所以，钻井液侵入含水合物地层的强烈程度不仅受压力差、温度差、滤液性质、泥饼性状、地层渗透性、毛细管压力等因素影响外，同时受到天然气水合物的填充形式、水合物分解速度、水合物饱和度的影响，钻井液对含水合物地层的侵入与天然气水合物分解对侵入的影响耦合在一起，对井壁四周的力学性质、毛细管压力、孔隙水压力、地层渗透性、水饱和度产生影响。所以，当对天然气水合物地层井壁稳定性分析、水合物储层污染的评价和水合物地层测井响应进行评价时，则必须对钻井液侵入含水合物地层的特性与机理进行深入研究，并通过建立对应的侵入模型和数值模拟软件，对钻井液侵入含水合物地层进行模拟，这对于指导今后在含水合物层中进行钻井作业活动具有重要的意义。　　 这篇文章所使用的模拟软件TOUGH+HYDRATE v1.0，主要用于天然气水合物开采模拟研究，由美国劳伦斯伯克利国家实验室开发。TOUGH+HYDRATE v1.0是多成分，多相流和热流的TOUGH2模拟软件的继任者。它通过标准FORTRAN95/2003编写，并利用了所有的面向对象的能力和这种语言的强化的计算特征。T+H通过解决质量和热平衡的耦合方程，能够模仿非等温气体释放，相行为和复杂地质介质中流体和热的流动。代码可以模拟地下天然甲烷水合物矿藏的开采（在冻土或者海洋沉积物中）以及在多孔介质/压裂介质中的水合物分解/形成的实验室试验。在利用T+H模拟钻井液侵入含水合物地层时，建立的模型需要考虑泥饼的形成对钻井液侵入的影响。　　 本课题研究来源于国家自然科学基金-《钻井液侵入含天然气水合物地层的动力学特性及其耦合数值模拟研究》。在充分分析了天然气水合物及其蕴含地层的物理及力学性质的基础上，结合天然气水合物自身的吸热分解特点，对钻井液侵入含水合物地层的特征和机理进行了研究。本文以墨西哥湾地区——这一水合物全球发育最显著的地区含水合物地层为例，通过建立三维圆柱坐标模型，在收集墨西哥湾地区水合物地层物理力学性质参数的基础上，模拟钻井液侵入含水合物地层的机理和特征，模拟的结果表明：当含水合物地层物理性质参数相同时，钻井液与含水合物地层的压力差和温度差越大，则钻井液侵入深度越深，侵入的范围越宽，热量传递的越远，侵入所导致的水合物分解程度越大，即钻井液侵入的影响就越大；当含水合物地层物理性质参数相同时，钻井液含抑制剂浓度越高，钻井液侵入含水合物地层的深度就越深，范围更宽，所引起的水合物分解就越多，也就是钻井液侵入的影响越大；当含水合物地层物理性质参数相同时，当含水合物地层的渗透率越大时，钻井液侵入所造成的影响深度就越深，钻井液侵入的范围就越大，含水合物地层渗透率对钻井液侵入含水合物地层的影响体现在传质上，模拟的结果分析中可以看出，在高渗透率地层区域，测井将受到地层渗透率大小的强烈影响。