深水油氣淺層鉆井的“三淺”地質(zhì)災(zāi)害

吳時國，謝楊冰，秦 芹，李清平

(1．中國科學(xué)院海洋研究所，山東青島266071;2．中國科學(xué)院海洋地質(zhì)與環(huán)境重點實驗室，山東 青島266071;3．中海石油研究總院，北京100027)

0 前言

隨著近海老油田區(qū)新發(fā)現(xiàn)難度的增大，人們把目光自然地投向了深水區(qū)，尤其是在巴西深水區(qū)坎波斯盆地發(fā)現(xiàn)許多大型油氣田以后，深水勘探更是不斷升溫，如今已成為世界上最熱的油氣勘探領(lǐng)域［1］。2004年，我國也啟動了深水油氣的戰(zhàn)略選區(qū)項目，開始了我國油氣勘探新的跨越。然而，深海油氣勘探面臨著巨大的挑戰(zhàn)，充滿許多未知的東西，我們對深水油氣鉆井的安全性缺乏必要的認(rèn)識，對許多淺水勘探區(qū)沒有出現(xiàn)的重大地質(zhì)災(zāi)害，如淺水流、天然氣水合物、海底泥石流等缺乏必要的認(rèn)識［2～5］。淺水流(Shallow Water Flow)指海底下淺部地層流動的高速水體，當(dāng)鉆井鉆過該地層后，該高速水體就從鉆孔中噴出，是深水油氣鉆井遇到的主要事故。據(jù)Fugro地質(zhì)服務(wù)公司報道，大約70%深水井都遇到過淺水流問題［3］，如西非近岸、西設(shè)得蘭島、婆羅洲、東南亞海域、挪威海、北海、南菲律賓海和墨西哥灣。墨西哥灣的Deep Star鉆井和完井委員會認(rèn)為淺水流是該區(qū)深水鉆井遇到的最大麻煩［6］。天然氣水合物是由天然氣分子和水分子組成的類似于冰的化合物，存在于低溫高壓環(huán)境中，溫壓條件的破壞導(dǎo)致天然氣水合物發(fā)生分解，可能引起氣候變化、海底滑坡和地層淺層構(gòu)造變化、常規(guī)油氣井平臺損壞等一系列問題，美國、日本、加拿大等國家許多科學(xué)家投入大量精力研究水合物對環(huán)境產(chǎn)生的影響［4］。

中國海洋石油總公司與Husky能源公司在南海北部發(fā)現(xiàn)了巨大氣田，在南海南部牽手菲律賓和越南，開展中菲越合作區(qū)塊的深水勘探。中海油在國外的深水勘探發(fā)展也十分迅速，如在西非岸外、澳大利亞西北大陸邊緣深水勘探也簽訂大量的勘探區(qū)塊，并且大多開始了深水鉆探。據(jù)報道，在這些區(qū)域也遇到上述提及的重大地質(zhì)災(zāi)害，如淺水流、水合物和淺層氣等。然而，關(guān)于深水區(qū)勘探和鉆井安全的地質(zhì)災(zāi)害還沒有研究，因此，開展這些地質(zhì)災(zāi)害的形成機(jī)理和預(yù)測技術(shù)研究是十分必要的。

1 “三淺”地質(zhì)災(zāi)害

1．1 天然氣水合物的地質(zhì)災(zāi)害問題

天然氣水合物，簡稱水合物，又稱“可燃冰”，是由水和天然氣在高壓低溫環(huán)境條件下形成的冰態(tài)、結(jié)晶狀籠形化合物［7］。從墨西哥灣到北海、西非，深水海床、淺層水合物和淺水流影響到深水鉆探、開發(fā)、生產(chǎn)的安全，大約有70%深水井遇到類似問題，水深超過610 m以后，水合物成為深水鉆探開發(fā)的主要難題;含天然氣水合物沉積層一般是未固結(jié)的地層，水合物像流體那樣充填在孔隙空間，或膠結(jié)沉積物顆粒，水合物出現(xiàn)的地層孔隙度降低、速度增加、反射空白、地層滲透率降低等。地層滲透率降低，阻礙下層游離氣向上運移，在孔隙不均勻分析情況下，很容易產(chǎn)生超壓地層。但目前對地層中水合物分解引起的各種災(zāi)害行為的研究還很不深入。

深水鉆井作業(yè)經(jīng)驗規(guī)律如下:水深≤305 m，可能沒有水合物;水深≤457 m，如果沒加水合物抑制劑，水合物形成的可能性較大;水深≤610 m，不加水合物抑制劑，必定生成水合物;水深≥610 m，經(jīng)驗較少，電解質(zhì)抑制劑不起作用。

鉆探開發(fā)過程水合物風(fēng)險:鉆井活動會導(dǎo)致地層的溫度和壓力發(fā)生變化，導(dǎo)致了水合物的不穩(wěn)定，分解產(chǎn)生大量的氣體，會導(dǎo)致一系列的鉆井事故。墨西哥灣、西非、巴西深水作業(yè)中多次遇到水合物堵塞水下防噴器，拖延了井控時間、導(dǎo)致防噴器無法連接、堵塞壓井管線和井筒，產(chǎn)生嚴(yán)重的井控問題(見圖1a);水合物還可能破壞導(dǎo)向基座和水下生產(chǎn)設(shè)備，并在海底設(shè)備上形成大量的水合物，影響正常作業(yè)(見圖1b)。同樣，人類對海底進(jìn)行石油勘探和開發(fā)有關(guān)的鉆井、鋪設(shè)管線等，鉆井把深部熱流體帶入淺部含水合物地層來，將會破壞水合物存在的溫度壓力條件，可能導(dǎo)致水合物分解。在此類地層鉆井時井壁巖層失穩(wěn)垮塌、井涌或井漏等問題會更加突出，當(dāng)井眼打開，引起其膠結(jié)或骨架支撐作用的固態(tài)水合物分解時，分解本身就會使井壁坍塌失穩(wěn)。分解后氣體急驟膨脹，從而引發(fā)事故，使井徑擴(kuò)大、套管被壓扁、井口裝置失掉承載能力，失掉井控手段，出現(xiàn)井涌、井噴，污染周圍環(huán)境，井周出現(xiàn)溶洞，地基下沉，產(chǎn)生海底地基沉降等重大事故，甚至災(zāi)難性的地質(zhì)塌陷、海底滑坡和海水毒化等災(zāi)害。分解產(chǎn)生的部分氣體進(jìn)入井內(nèi)同鉆井液一起上返到地面，在這過程中如果井內(nèi)溫壓條件合適，它們又會重新在鉆井管線和閥門特別是防噴器內(nèi)形成水合物，導(dǎo)致循環(huán)管道被堵塞等鉆井事故發(fā)生。因此，井壁易失穩(wěn)和井內(nèi)事故易發(fā)是水合物地層鉆井的一個主要特性。

圖1 水合物風(fēng)險事故

水合物分解還會對立柱甚至整個鉆井平臺、水下生產(chǎn)設(shè)施、管線、上部設(shè)施造成危害;而且水合物分解產(chǎn)生大量氣體，也可能導(dǎo)致海底滑坡和土體不穩(wěn)，大量的碎屑、塊體流動，將沖塌鉆井平臺，造成巨大財產(chǎn)損失。

水合物分解后，海底地層的力學(xué)性能發(fā)生變化，由此可能導(dǎo)致海底大面積的滑坡。很多海洋石油生產(chǎn)設(shè)施坐落在水合物穩(wěn)定層之上，因此水合物的分解會直接威脅海底油氣生產(chǎn)設(shè)施，導(dǎo)致平臺下沉、管線毀壞等。此外，深水海底管線及水下井口等都會因其長期面臨著水合物而存在著潛在的危險。水合物分解而導(dǎo)致的海底大規(guī)模滑坡如圖2所示。

圖2 水合物分解引起的海底滑坡

為了研究墨西哥灣北部典型水合物特性和鉆井、開發(fā)對水合物的影響，2003年起美國地質(zhì)調(diào)查局、石油公司開始在深水水合物區(qū)域進(jìn)行油氣開發(fā)風(fēng)險評價與控制管理技術(shù)研究，并取得了一些成果。而我國還剛剛開始涉足深水，對水合物的地質(zhì)災(zāi)害分析還不夠深入［4］。

1．2 淺水流的地質(zhì)災(zāi)害問題

淺水流(Shallow Water Flow，簡寫為SWF)災(zāi)害是國外深水鉆探中遇到的地質(zhì)災(zāi)害之一。它是指深水鉆探中鉆遇高壓砂層，在高孔隙壓力驅(qū)動下砂和水激烈流動進(jìn)入井眼里甚至噴出，從而導(dǎo)致了鉆井和鉆進(jìn)平臺損壞的事件。一般發(fā)生在深水區(qū)(超過800 m)海底泥線下幾百米的層位，從深水鉆進(jìn)角度看，是相對淺層的位置，因此這種高壓的砂體流動就叫淺水流［3］。第一個SWF報告見于1985年。SFW問題在墨西哥灣、里海南部，挪威海和北海等地區(qū)已有報道。SWF災(zāi)害可造成的巨大經(jīng)濟(jì)損失見圖3。

圖3 GoM深水鉆井淺水流災(zāi)害

SWF主要出現(xiàn)在一種原位超壓未固結(jié)砂體中(圖4)。超壓的形成被認(rèn)為是快速的沉積并被低滲透的泥覆蓋所致;埋藏較淺未固結(jié)故砂體強(qiáng)度不高;鉆探中如果泥漿壓力不足于平衡孔隙壓力或泥漿壓力過大超過砂體強(qiáng)度，就可以導(dǎo)致SWF發(fā)生。另外，SWF也有可能與天然氣水合物存在有關(guān)。

圖4 SWF砂體地應(yīng)力狀態(tài)

利用SWF砂體物性和形成特征，鉆前可以對SWF砂體的存在性進(jìn)行評估?？焖俚某练e(大于1 mm/年)環(huán)境可作為評估SWF砂體形成的依據(jù)。另外容易形成SWF的砂層常具有較高的縱橫波速度比(Vp/Vs)或泊松比，這也是識別淺水流的地震方法中最常用的參數(shù)。目前用于識別和預(yù)測淺水流的方法包括測井和反射地震兩大類方法。識別和估計淺水流的過高壓性質(zhì)的地球物理測井方法包括鉆井時的測量(MWD)、鉆井之后的測井及VSP測井等方法。反射地震方面，國外研究中主要涉及了幾種用于參數(shù)提取的地震反演方法，如傳統(tǒng)Dix反演、疊后振幅反演、層析反演、疊前振幅反演。國內(nèi)剛開始這方面的研究［3］。

鉆探中SWF問題也可以采取合理的工藝進(jìn)行處理。其原理是要控制好泥漿。SWF砂體中，孔隙壓力與砂體斷裂梯度之間的窗口很窄。如果泥漿重度不足以平衡砂體的孔隙壓力，砂就會流進(jìn)井里;如果泥漿重度過大，砂體就破壞;兩者都導(dǎo)致井控失敗。由于SWF問題的嚴(yán)重性，很有必要在深水鉆探之前進(jìn)行SWF問題的評估。它是鉆井井位確定和鉆井保護(hù)措施的重要依據(jù)。

我國即將進(jìn)入深水鉆探領(lǐng)域，在南海也發(fā)現(xiàn)了淺水流的形成(圖5)。但對SWF問題的解決尚無經(jīng)驗。盡管國際上在深水鉆探領(lǐng)域的先進(jìn)國家(如美國)在對付SWF問題已經(jīng)有了積累，但是要理解和掌握這些經(jīng)驗和技術(shù)需要一個實踐過程。同時也應(yīng)意識到，目前有關(guān)SWF問題的認(rèn)識和防范措施也是初步的，需要進(jìn)一步的研究來提高。為了減輕和避免深水鉆探中可能要面對的SWF災(zāi)害，十分需要如下技術(shù)。

圖5 南海0104測線聲波阻抗剖面(黑線為淺水流區(qū))

(1)SWF形成機(jī)理和數(shù)值模擬分析技術(shù)。SWF砂體中壓實形成超壓機(jī)理、微觀和宏觀流動和破壞機(jī)制。數(shù)值模擬SWF砂體超壓的形成和流動破壞過程，深入和全面理解SWF問題的物理本質(zhì)，指導(dǎo)SWF的識別和防范。

(2)SWF砂體識別(地球物理)技術(shù)。實驗確定SWF砂體的巖石物理性質(zhì)、特別是在低的壓差(圍壓與孔隙壓力差)下縱橫波速度;確定具有SWF傾向砂體的敏感的巖石物理屬性參數(shù)地震響應(yīng)特征，建立巖石物理性質(zhì)與孔隙壓力、孔隙度和沉積物礦物的關(guān)系;形成識別SWF砂體的地球物理物性分析技術(shù)和壓力分析技術(shù)。研究針對淺水流的疊后振幅反演、層析反演、疊前振幅反演等，尤其要發(fā)展疊前全波形反演技術(shù)等研究熱點。

(3)通過SWF層的鉆井技術(shù)，合理的工藝(泥漿和井壁處理等)，防止SWF發(fā)生或?qū)WF破壞的修復(fù)等。

1．3 淺層氣的地質(zhì)災(zāi)害問題

淺層氣是指埋藏深度比較淺(一般在1500 m以內(nèi))、儲量比較小的各類天然氣資源［8］。主要包括生物氣、油型氣、煤層甲烷氣、水溶氣等。在深水油氣勘探開發(fā)、鉆井過程中，淺層氣會造成潛在地質(zhì)災(zāi)害，通常會形成油氣資源開發(fā)受阻，鉆井遭受破壞，從而不可避免地造成巨大經(jīng)濟(jì)損失。通過探測淺層氣位置，研究清楚淺層氣基本特征、成分，可有效避免一些損失。

海底淺層氣還經(jīng)常出現(xiàn)超壓，它是導(dǎo)致井噴的重要原因［5，9］。國際海岸考察理事會(ICES)報導(dǎo)，有22%的井噴是由淺層氣造成的。淺層超壓異常在深水勘探活動中是非常危險的一種災(zāi)害因素，一旦為鉆桿或樁腳穿通，可能引起井口地基土體沖垮、氣體噴逸，平臺起火燃燒。鉆井平臺周圍孔隙壓力的突然減少、土體迅速壓密，地基猛然沉陷導(dǎo)致平臺傾覆。1998年9月7日，威金入勘探者號(Viking Explorer)船在印度尼西亞的望加錫海峽的Bekapir油田打鉆時，鉆遇高壓淺層氣而發(fā)生井噴，并伴隨爆炸，1000多人喪生，鉆探船也沉沒到水下200多米海底。我國南海北部陸坡深水盆地中廣泛分布淺層氣(圖6)，在深水油氣鉆井中應(yīng)避免這類風(fēng)險。

2 基于地球物理預(yù)測的鉆前預(yù)測方法

我國南海北部陸坡盆地是深水油氣勘探的重要靶區(qū)，根據(jù)海底沉積物的巖石物性實驗數(shù)據(jù)分析，通過高分辨率的地震地層分析和多種地震屬性反演，尋找識別淺水流層的地球物理屬性參數(shù);建立淺水流層的巖石物理模型，開展淺水流層的數(shù)值模擬，了解淺水流的形成和流動機(jī)理。采用保幅處理，尤其在地質(zhì)構(gòu)造相對復(fù)雜區(qū)進(jìn)行多種屬性反演，通過疊前反演和疊后反演結(jié)合，獲得含水合物儲層的縱波波阻抗、橫波波阻抗、縱橫波速度比、泊松比、拉梅常數(shù)λ/μ、λρ等，識別淺部沉積層天然氣水合物。利用遺傳算法，在疊前任意控制點進(jìn)行波形反演，建立彈性模型，以該模型為約束進(jìn)行疊后反演，得到可靠的P－阻抗和S－阻抗及其它屬性參數(shù)如縱橫波速度比、泊松比和拉梅參數(shù)等，建立淺水流、天然氣水合物的地球物理識別標(biāo)志［3］。通過建立基于地球物理的預(yù)測方法和技術(shù)，減少深水油氣鉆井的地質(zhì)風(fēng)險。鉆前預(yù)測十分重要。

圖6 珠江口盆地淺層氣的地震識別［8］

3 存在問題與展望

深水區(qū)的油氣勘探開發(fā)還處于剛起步階段，關(guān)于深水鉆井安全，迫切需要進(jìn)一步深入研究，主要存在以下幾個方面的問題。

(1)深水區(qū)沉積物的巖石物性和機(jī)械特性缺乏認(rèn)識，從而導(dǎo)致深水鉆井和深水工程設(shè)計的困難。

(2)深水沉積盆地演化、沉降史、熱演化和沉積充填的特殊性，產(chǎn)生高壓流體，形成如淺水流之類的巨大地質(zhì)災(zāi)害，對于我國來說，剛進(jìn)行初步研究。

(3)大陸坡區(qū)沉積盆地內(nèi)發(fā)育了大量的水合物和淺層氣，已產(chǎn)生巨大的鉆井危害，如何預(yù)防深水區(qū)的水合物的分布及可能的地質(zhì)災(zāi)害，仍是尚未解決的問題。

(4)大陸坡地區(qū)，地形崎嶇，易形成水下滑坡，我們對海底滑坡的形成機(jī)制和產(chǎn)生的巨大災(zāi)害還認(rèn)識較少。

(5)深水區(qū)重大地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)測方法和技術(shù)。隨著深水油氣的勘探開發(fā)深入，我們一定要加大深水鉆井的地質(zhì)災(zāi)害的成因機(jī)理和預(yù)測技術(shù)研究。

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