鶯-瓊盆地高溫高壓區(qū)域淺層氣鉆井風(fēng)險評估與防治

張百靈楊進(jìn)王磊邸鵬偉趙彥琦

1.中國石油大學(xué)（北京）；2.中國石化石油工程技術(shù)研究院

鶯-瓊盆地高溫高壓區(qū)域淺層氣鉆井風(fēng)險評估與防治

張百靈1楊進(jìn)1王磊2邸鵬偉1趙彥琦1

1.中國石油大學(xué)（北京）；2.中國石化石油工程技術(shù)研究院

準(zhǔn)確評估淺層氣地質(zhì)風(fēng)險并確定合理的防治措施是海上高溫高壓鉆井井控安全控制技術(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，依據(jù)淺層氣對地震速度產(chǎn)生不同響應(yīng)的原理，建立了基于淺部地層孔隙度和密度的雙參數(shù)鶯-瓊盆地淺部沉積物縱波速度數(shù)學(xué)模型，結(jié)合鶯-瓊盆地部分已鉆井的淺部地震數(shù)據(jù)和測井資料，形成了鶯-瓊盆地淺部地層巖土縱波速度趨勢線，預(yù)測了藍(lán)、黃、橙、紅4個風(fēng)險等級的淺層氣縱波波速變化趨勢，開發(fā)了鶯-瓊盆地淺層氣鉆井風(fēng)險評估圖版，制定了對應(yīng)的淺層氣鉆井風(fēng)險防治方案。通過鶯-瓊盆地現(xiàn)場實鉆應(yīng)用，評估精度達(dá)到90%以上，證明了該圖版在鶯-瓊盆地具有較好的成熟度。

淺層氣；風(fēng)險評估；縱波速度；預(yù)測

南海西部鶯-瓊盆地處于高溫高壓區(qū)域，底辟構(gòu)造造成該地區(qū)淺部地層氣體較為活躍?，F(xiàn)有淺層氣的鉆前預(yù)測主要依靠2D/3D地震解釋成熟度，但淺層氣面積小、非連續(xù)性差，造成地質(zhì)勘探有時難以準(zhǔn)確預(yù)測淺層氣的存在概率和具體層位。

由于淺層氣埋藏淺，該階段的鉆井作業(yè)尚未安裝防噴器，一旦鉆遇淺層氣造成噴發(fā)，無法關(guān)井，對鉆井作業(yè)危害極大。同時，鶯-瓊盆地高溫高壓鉆井作業(yè)壓力窗口極窄，井身結(jié)構(gòu)復(fù)雜，如果淺層氣預(yù)測不準(zhǔn)確，將造成淺層套管層次增加，導(dǎo)致后續(xù)作業(yè)空間縮小，作業(yè)風(fēng)險和難度增大。因此，準(zhǔn)確度較高的淺層氣鉆井風(fēng)險評估與防治技術(shù)是海上高溫高壓鉆井井控安全評價及風(fēng)險控制技術(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

正常地層和富含淺層氣的地層對地震速度響應(yīng)特征不同。依據(jù)這一原理，首先通過研究地震數(shù)據(jù)成熟度較高地區(qū)的淺部地層地震速度變化規(guī)律，建立了基于淺部地層孔隙度和密度的雙參數(shù)鶯-瓊盆地淺部沉積物縱波速度數(shù)學(xué)模型，形成了正常淺部地層巖土縱波速度趨勢線，并通過測井?dāng)?shù)據(jù)對模型進(jìn)行了校正。通過進(jìn)一步研究鉆遇淺層氣區(qū)域的地震數(shù)據(jù)，對比淺層氣地層和正常地層縱波速度趨勢線的差異，分析淺層氣縱波速度偏離正常地層縱波速度的幅度和范圍，將偏離度分析結(jié)果和建立的淺部沉積物縱波速度數(shù)學(xué)模型相結(jié)合，探尋淺層氣風(fēng)險級別和縱波速度響應(yīng)特征之間的關(guān)系，進(jìn)一步形成淺層氣風(fēng)險評估圖版，并通過測井?dāng)?shù)據(jù)對圖版的成熟度進(jìn)行校正。

1 淺層氣鉆井風(fēng)險評估方法

Drilling risk evaluation method of shallow gas reservoirs

國內(nèi)外主要的淺層氣風(fēng)險評價方法。主要有地震剖面識別、地震聲速度譜識別、測井預(yù)測技術(shù)。

地震剖面識別主要依靠淺層氣在地層記錄剖面上表現(xiàn)出來的地球物理特征變化情況進(jìn)行識別，具體包括：（1）反射雜亂，聲波散射繞射；（2）出現(xiàn)局部空白帶；（3）氣體層頂面出現(xiàn)“亮點”反射；（4）出現(xiàn)麻坑或大型塌陷坑；（5）呈現(xiàn)“煙囪”狀（具有發(fā)生井噴的可能性）。這種方法應(yīng)用廣泛，但受人為解釋成熟度的影響，且深水成本較大，無法定量描述淺層氣致災(zāi)程度。

地震聲速度譜識別主要依靠縱波速度降低幅度的大小來推斷地層是否含氣。其識別特征有縱波速度明顯降低，并通過聲波突然間減小來大致判斷氣頂深度。在速度上體現(xiàn)為水平反射層向下傾斜或彎曲，通常在氣體聚集的邊緣帶出現(xiàn)。該方法對地震速度進(jìn)行反演處理獲取巖石速度及巖石模型的建立是預(yù)測的關(guān)鍵。

測井預(yù)測技術(shù)是將測井識別油氣的常規(guī)手段應(yīng)用到淺層氣的識別。識別特征主要有：（1）高電阻率；（2）高時差；（3）低密度；（4）低中子孔隙度；（5）高中子伽馬。該方法受井眼尺寸、地層溫度以及鹽度影響小，但淺部地層不易獲得測井?dāng)?shù)據(jù)。

國內(nèi)外主要采用地震解釋預(yù)測淺層氣的規(guī)模和位置，采用測井?dāng)?shù)據(jù)對淺層氣的危害程度進(jìn)行評估。

2 淺部地層聲學(xué)特征模型

Acoustic characteristic model of shallow strata

2.1 巖土性質(zhì)

Rock and soil properties

受沉積環(huán)境的影響，海洋淺層一般具有壓實性差、松軟、易被沖刷、易垮塌等特征，鶯-瓊盆地表層沉積物以黏土、粉砂質(zhì)黏土、黏土質(zhì)粉砂為主的細(xì)粒海相碎屑巖系，同時伴生了大量底辟、褶皺及斷層構(gòu)造，通過對東方、崖城等區(qū)塊的土質(zhì)資料、地震數(shù)據(jù)及測井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行分析，鶯-瓊盆地淺部地層巖土分布規(guī)律如下：自泥線往下逐層分為以下幾層：非常軟的褐灰色粉質(zhì)黏土，含水量高、中密實的淺褐灰色細(xì)砂、由稍硬到硬的淺褐灰色粉質(zhì)黏土、中密實的淺褐灰色細(xì)砂、硬的褐灰色粉質(zhì)黏土、淺灰色、綠灰色黏土巖（夾薄層粉砂、細(xì)砂，富含生物碎屑）。

土力學(xué)性質(zhì)方面，根據(jù)土工測試結(jié)果，鶯-瓊盆地0～300 m淺層土性質(zhì)見表1。

表1 鶯-瓊盆地淺層土性質(zhì)Table 1 Properties of shallow soil in the Yingqiong Basin

2.2 數(shù)學(xué)模型

Mathematical model

研究發(fā)現(xiàn)，孔隙度與縱波波速的相關(guān)性較好［1］，預(yù)測海底各類沉積物縱波波速特性的常用方法采用海底沉積物物理性質(zhì)與聲速測量數(shù)據(jù)建立縱波波速-孔隙率等的經(jīng)驗公式［2］。不論淺部地層是否富集淺層氣，作為海洋沉積物，都滿足海底沉積物物理性質(zhì)與聲速測量的數(shù)學(xué)關(guān)系。不同學(xué)者已經(jīng)提出各自的單參數(shù)回歸聲速公式和雙參數(shù)回歸聲速公式［3］，考慮淺層氣地層與正常沉積地層在密度和孔隙度方面存在差異，文中選取密度和孔隙度作為參數(shù)，建立鶯-瓊盆地淺部地層巖土縱波速度數(shù)學(xué)模型。

式中，νp為縱波速度，m/s；Ks為多孔介質(zhì)骨架的體積模量，Pa；G為多孔介質(zhì)的剪切模量，Pa；n為孔隙度；ρf為孔隙流體密度Kg/m3；ρs為多孔介質(zhì)基質(zhì)密度，kg/m3。

依據(jù)鶯-瓊盆地土力學(xué)性質(zhì)參數(shù)，用該模型對鶯-瓊盆地淺部地層不同土質(zhì)參數(shù)的沉積物聲速進(jìn)行了反演計算，而且利用部分區(qū)塊實際測量數(shù)據(jù)與反演數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比，實際測量聲速1 500～3 780 m/ s，通過反演計算得出的聲速1 490～3 600 m/s，結(jié)果表明實際測量值在變化趨勢上與反演預(yù)測值也較為相符，并基于此建立了鶯-瓊盆地淺部地層巖土（未含淺層氣）縱波速度趨勢線如圖1所示。

圖1 鶯-瓊盆地淺部地層沉積物縱波速度趨勢線Fig.1 P-wave velocity tendency of shallow sediments in the Yingqiong Basin

3 淺層氣鉆井風(fēng)險評估與防治方案

Drilling risk evaluation and control program of shallow gas reservoirs

3.1 風(fēng)險評估模型

Drilling risk evaluation model

研究表明，滲漏的天然氣賦存于沉積物孔隙中，能夠改變近表層沉積物的物理性質(zhì)［4］，顯著地影響沉積物的聲學(xué)特征，甚至少量的氣泡也能導(dǎo)致縱波速度大幅度減少。根據(jù)國內(nèi)外學(xué)者研究分析得出，含氣量和孔隙度較高的沉積物聲速相對較低［5］。根據(jù)新建立的鶯-瓊盆地淺部沉積物縱波速度數(shù)學(xué)模型，結(jié)合鉆遇淺層氣區(qū)域的地震數(shù)據(jù)［6-8］，研究淺層氣地層縱波速度偏離正常地層縱波速度趨勢線的范圍，將淺層氣的井控風(fēng)險等級分為藍(lán)、黃、橙、紅4個風(fēng)險預(yù)警，預(yù)測了不同風(fēng)險等級下淺層氣縱波波速趨勢線，建立了鶯-瓊盆地淺層氣鉆井風(fēng)險評估模型，并通過測井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行了校正，模型如圖2所示。

圖2 鶯-瓊盆地淺層氣鉆井風(fēng)險評估模型Fig.2 Drilling risk evaluation model of shallow gas reservoirs in the Yingqiong Basin

3.2 風(fēng)險防治方案

Control program

根據(jù)鶯-瓊盆地淺層氣鉆井風(fēng)險評估模型，結(jié)合鶯-瓊盆地實際情況，按照藍(lán)、黃、橙、紅4個風(fēng)險等級研究了對應(yīng)的淺層氣鉆井風(fēng)險防治方案。

3.2.1 藍(lán)色風(fēng)險等級 表示無鉆遇淺層氣風(fēng)險，鉆井設(shè)計及施工作業(yè)按照正常流程執(zhí)行。

3.2.2 黃色風(fēng)險等級 表示淺層氣鉆井風(fēng)險級別較低，需要在鉆井過程中制定相關(guān)應(yīng)急預(yù)案。在無隔水管鉆進(jìn)階段，未安裝防噴器組，因此井控控制難度較大，建議采用鉆領(lǐng)眼井或者動態(tài)壓井的方式應(yīng)對淺層氣風(fēng)險；在有隔水管鉆進(jìn)階段，當(dāng)淺層氣氣量較小時，主要采取引流排氣，當(dāng)淺層氣氣量較大時解脫隔水管，對于動力定位鉆井裝置，向上風(fēng)上流方向移動鉆井裝置至安全位置。

（1）領(lǐng)眼井淺層氣防治方案。領(lǐng)眼井方案即先使用小直徑鉆頭鉆領(lǐng)眼至設(shè)計的表層套管深度，確定淺層氣的埋深和流量。下一步離開原井位重新開孔下導(dǎo)管作業(yè)，如無淺層氣或氣量極小，可按正常的噴鉆下導(dǎo)管和表層套管作業(yè)；如有淺層氣有一定危害程度，應(yīng)先開孔下導(dǎo)管固井，安裝隔水管和分流器，然后，組合鉆領(lǐng)眼鉆具鉆導(dǎo)眼井，再進(jìn)行擴(kuò)孔等作業(yè)程序，需壓井按常規(guī)壓井流程進(jìn)行。

具體方案：①組合鉆領(lǐng)眼鉆具。組合方案1：?215.9 mm 鉆頭（不裝噴嘴）+浮閥/ 承托環(huán)+?165.1 mm鉆鋌×6根+加重鉆桿+鉆桿。組合方案2：?311.15 mm 鉆頭（不裝噴嘴）+ 浮閥/ 承托環(huán)+?203.2 mm鉆鋌×6根+加重鉆桿+鉆桿。②下鉆到海床測斜，如果井斜小于1°，即可開鉆。③用海水鉆進(jìn)。鉆井參數(shù)為：鉆壓20～60 kN，排量1 900 L/min（?215.9 mm 井眼）～3 000 L/min（?311.15 mm 井眼），轉(zhuǎn)速80～100 r/min。根據(jù)沉砂情況，接立柱時可泵入1 500～2 400 L高黏鉆井液清洗井眼。④控制鉆速在25 m/h以內(nèi)。⑤鉆進(jìn)期間，下入ROV在海床井口處連續(xù)觀察；井口區(qū)域及鉆井裝置周圍要有專人連續(xù)觀察。⑥當(dāng)鉆入可疑淺層氣1.5 m 時，當(dāng)鉆速突然加快時（1.5 m 內(nèi)），當(dāng)準(zhǔn)備接單根或立柱時要停鉆循環(huán)觀察5～10 min。如果發(fā)現(xiàn)氣泡，應(yīng)立即停止鉆進(jìn)，循環(huán)觀察，按下圖3所述程序處理，同時向基地報告情況。 ⑦用海水鉆到下套管深度，用高黏鉆井液將井眼清掃干凈。泵入1.5倍井眼容積的高黏鉆井液到井內(nèi)后起鉆。⑧組合擴(kuò)眼鉆具擴(kuò)眼鉆進(jìn)。

圖3 ROV觀察到淺層氣氣泡溢出時處理程序流程Fig.3 Flow chart of handling procedure while overflow of shallow gas bubble is observed in ROV

（2）動態(tài)壓井淺層氣防治方案。方案設(shè)計，流程如圖4所示。①在預(yù)定淺層氣風(fēng)險層位前40 m開始采用海水直接供泥漿泵上水鉆進(jìn)，并配備胍膠漿和稠膨潤土漿沖掃作業(yè)。②鉆進(jìn)至淺層氣風(fēng)險層位，馬上采用稠膨潤土漿清掃井眼，接立柱后立即進(jìn)入動態(tài)壓井模式鉆進(jìn)，配備重鉆井液鉆進(jìn)，特別注意需提前做好動態(tài)壓井裝置混漿速度跟不上泥漿泵排量時的備用方案。③整個動態(tài)壓井模式鉆進(jìn)期間，固控工程師需在現(xiàn)場密切跟蹤動態(tài)壓井裝置工作狀況，整個操作過程中必須保證連貫操作以免造成鉆井液浪費導(dǎo)致用量不足。④動態(tài)壓井模式鉆進(jìn)至中完深度后，根據(jù)實際剩余的稠膨潤土漿量，最大量地替入稠膨潤土漿清掃井眼。⑤泵入稠漿后立即替入墊漿充滿裸眼。⑥中完后，起鉆如果出現(xiàn)過提需要倒劃眼，泥漿泵上水，小排量進(jìn)行倒劃眼。

3.2.3 橙色風(fēng)險等級 表示淺層氣鉆井風(fēng)險級別處于中等，建議更換井位，避開淺層氣。實在無法避開的井位鉆井作業(yè)時，應(yīng)安裝轉(zhuǎn)噴器（分流器）。

3.2.4 紅色風(fēng)險等級 表示淺層氣鉆井風(fēng)險級別處于高風(fēng)險，更換井位，避開淺層氣。

圖4 動態(tài)壓井方案設(shè)計流程圖Fig.4 Design flow chart of dynamic well killing program

4 現(xiàn)場應(yīng)用

Field application

鶯-瓊盆地A1井鉆前地震勘探預(yù)測井點位鉆遇異常體，存在疑似淺層氣風(fēng)險。將該區(qū)域淺層巖土參數(shù)及地震速度輸入鶯-瓊盆地淺層氣鉆井風(fēng)險評估模型，模擬結(jié)果顯示該區(qū)域淺層氣鉆井風(fēng)險為黃色等級（如圖5所示），屬于井控風(fēng)險較低區(qū)域，建議在不調(diào)整井位，在疑似淺層氣區(qū)域采用動態(tài)壓井模式鉆進(jìn)，表層固井做好防氣竄，同時制定相關(guān)的應(yīng)急預(yù)案并在施工前做好充分準(zhǔn)備。經(jīng)現(xiàn)場施工，鉆進(jìn)期間無明顯異常。由此可見，鶯-瓊盆地淺層氣鉆井風(fēng)險評估模型準(zhǔn)確度較好，能夠作為淺層氣鉆井風(fēng)險評估的有效方法。

圖5 A1井鉆前淺層氣風(fēng)險評估結(jié)果Fig.5 Pre-drilling shallow gas risk evaluation of Well A1

5 結(jié)論

Conclusions

（1）建立了基于海底沉積物孔隙度和密度的雙參數(shù)鶯-瓊盆地淺部沉積物縱波速度數(shù)學(xué)模型，形成了鶯-瓊盆地淺部地層巖土縱波速度趨勢線，通過測井?dāng)?shù)據(jù)校正了趨勢線的準(zhǔn)確性。

（2）基于鶯-瓊盆地淺部沉積物縱波速度數(shù)學(xué)模型和地震速度及測井?dāng)?shù)據(jù)的成熟度，建立了研究了鶯-瓊盆地淺層氣鉆井風(fēng)險評估模型，經(jīng)現(xiàn)場應(yīng)用，該模型準(zhǔn)確率在90%以上。

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（修改稿收到日期 2016-10-13）

〔編輯 薛改珍〕

Shallow gas well drilling risk assessment and prevention in the Yingqiong Basin area of high temperature and high pressure

ZHANG Bailing1,YANG Jin1,WANG Lei2,DI Pengwei1, ZHAO Yanqi1
1.China Uniνersity of Petroleum (Beijing),Beijing 102249,China;
2.SINOPEC Research Institute of Petroleum Engineering,Beijing 100101,China;

The key link of well control safety technology for offshore HTHP (high temperature and high pressure) well drilling is to evaluate the geological risks of shallow gas reservoirs accurately and prepare control measures rationally.In this paper,the mathematical model on P-wave velocity of shallow sediments in the Yingqiong Basin based on dual-parameter (i.e.porosity and density) of shallow strata was established according to the principle that shallow gas responds to the seismic velocity differently.Then,based on the shallow seismic and logging data of some existing wells in the Yingqiong Basin,the P-wave velocity tendency curve of shallow strata in this basin was plotted,and its four risk levels (blue,yellow,orange and red) were predicted.And finally,drilling risk evaluation chart of shallow gas reservoirs in the Yingqiong Basin was prepared and the corresponding risk control programs were formulated.When this chart was actually applied in the Yingqiong Basin,the evaluation accuracy was over 90%.And it is indicated that this chart is better suitable for the Yingqiong Basin.

shallow gas;risk evaluation;P-wave velocity;prediction

張百靈，楊進(jìn)，王磊，邸鵬偉，趙彥琦.鶯-瓊盆地高溫高壓區(qū)域淺層氣鉆井風(fēng)險評估與防治［J］.石油鉆采工藝，2016，38（6）：766-770.

TE243

A

1000-7393（ 2016 ） 06-0766-06

10.13639/j.odpt.2016.06.010

:ZHANG Bailing,YANG Jin,WANG Lei,DI Pengwei,ZHAO Yanqi.Shallow gas well drilling risk assessment and prevention in the Yingqiong Basin area of high temperature and high pressure［J］.Oil Drilling &Production Technology,2016,38(6):766-770.

國家重大專項“淺層地質(zhì)災(zāi)害識別與風(fēng)險評價技術(shù)研究”（編號：2016ZX05033004-006）；國家自然科學(xué)基金“海洋深水淺層鉆井關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)理論研究”（編號：51434009）。

張百靈（1984-），中國石油大學(xué)（北京）油氣井工程專業(yè)博士研究生，現(xiàn)主要從事海洋鉆完井工程方面的研究工作。電話：15101173681。E-mail:zhangbailing@163.com

楊進(jìn)（1966-），中國石油大學(xué)（北京）石油工程學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師，主要從事海上鉆完井技術(shù)的教學(xué)和研究工作。通訊地址：（102249）北京市昌平區(qū)府學(xué)路18號中國石油大學(xué)（北京）石油工程學(xué)院。電話：010-89733204。E-mail:yjin@cup.edu.cn