摘要
天然气水合物是一种储量巨大、清洁高效的新型能源，我国海洋天然气水合物资源非常丰富，安全高效开采水合物能够助力实现我国能源结构转型与“双碳”战略目标。水合物储藏具有非成岩、弱胶结与温压敏感性强的特点，水射流技术应用于水合物钻采过程可有效解决常规方法引起的井壁坍塌与地层失稳等工程问题。本文总结了现有的水射流钻采水合物工艺与水射流钻具，分析了水射流冲击作用下含水合物沉积物破碎过程影响因素与破碎机理，最后对水射流技术在水合物钻采过程中的应用研究方向进行了展望，以期为我国海洋天然气水合物钻采技术研究提供参考。
天然气水合物主要以甲烷水合物的形式存在，因其广泛的地理分布和巨大储量成为国际公认的具有巨大开发潜力的新型清洁能源。据估计，中国的海洋天然气水合物资源储量极为丰富，约为800亿t油当量，占中国石油与天然气总资源量的50%左右，其发现和开采有望接替传统能
海洋天然气水合物与常规油气资源在地质储层特性上存在显著差
为解决上述水合物钻采工程难题，水射流技术被应用到水合物钻井过程与开采过程中。水合物储层弱胶结的特点决定了其被水射流破碎、冲蚀的可行性，并且水射流冲击水合物过程不会影响储层的温压条件进而导致原位天然气水合物大范围分解，因此该技术能够较好地保持井壁稳定性及地层稳定性。截止目前，众多学者提出了水射流钻水平井、水射流割缝增透与水射流开采等一系列的钻采工艺，并围绕水射流破碎水合物开展了多方面研究，包括水射流钻具设计、水射流破碎水合物实验与数值模拟研究等。鉴于此，笔者梳理了水射流技术在海洋水合物钻采过程中的应用研究进展，并展望了未来的水射流破碎水合物研究方向，以期为我国海洋天然气水合物钻采技术研究提供参考。
合理高效的水射流钻采工艺与相关钻具研发是进行水射流高效破碎含水合物沉积物及天然气水合物开采的基础。现今学者主要提出了3种水射流钻采工艺和以多种结构的喷嘴为主的配套钻具。
Chen
图1 以气举循环为矿浆输送方式水合物射流开采原
Wang
图2 水合物固态流化开
李根生
图3 空化射流喷射径向水平
(a)下入转向器，锚钉油管;(b)下入带有衬管的连续油管;(c)喷射侧钻径向井井眼，投球憋压剪断销钉;(d)分离连续油管和衬管；1—油管；2—套管；3—油管锚；4—转向器；5—橡皮圈；6—割缝衬管；7—分离器；8—连续油管；9—钢球；10—射流钻头
黄
图4 用于海底天然气水合物开采生成硐室回填装置及回填方
张逸群
图5 喷距h为10d时射流切向速度分
(a)收缩-扩张型空化喷嘴;(b)旋转空化喷嘴
王国荣
图6 压控滑套结构示
在此基础上，唐洋
图7 外流场空泡长
当前室内模拟水射流破碎水合物的实验研究主要集中在2个关键领域：一是分析影响水合物破碎过程的各种因素，二是深入探究水合物破碎的内在机制。Pan
图8 高压低温水射流破碎试验系统示
张逸群
凭借数值模拟能实现流（水射流）固（水合物）耦合作用过程的动态监测，同时可以获取大量的应力场分布与射流流场等信息，已有较多的学者开展了大量基于LS-DYNA软件平台的水射流破碎水合物数值模拟研究工作。而首次使用任意拉格朗日-欧拉方法（ALE）建立了数值模型是Chen
图9 射流速度对冲蚀体积的影
图10 靶距对冲蚀体积的影
图11 喷嘴直径对冲蚀深度的影
赵克
（1）海洋天然气水合物储层普遍具有弱胶结、埋藏浅与非成岩等特点，这决定了水射流高效破碎含水合物沉积物的理论可行性，在水合物钻采过程中水射流技术具有很大的应用潜力。
（2）现有的水射流钻采工艺种类较多，实施原理较为简易，但工程可行性有待进一步验证，并且相应的水射流钻具研发设计尚处于初步阶段，天然气水合物水射流钻采工艺与水射流钻具的改进与完善将会是一个长期持续的研究方向。
（3）水射流破碎含水合物沉积物实验方面已进行了较为广泛的研究，基本阐释了水合物破碎过程的影响因素（主要包括水射流速度、喷嘴结构与环境条件）与水合物破碎模式。然而，目前研究尚未考虑水合物原位温压条件及水合物相变对于沉积物力学性质的影响，需对其破坏机理进一步探索。
（4）水射流破碎含水合物沉积物数值模拟研究也取得了明显进展，水射流破碎过程中流固耦合作用机制与物理场演变过程得到了较为充分的阐释，但目前研究主要是基于有限元理论且水合物力学模型都以岩土体为替代。因此，未来应重点攻关能够真正描述水合物相变与力学性质变化的力学模型，引入离散元理论，从微观层面全面揭示水射流破碎机理。
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