淺層氣場(chǎng)址工程處理方法探討

王艷秋

摘 要：在海洋油氣開(kāi)發(fā)中，淺層氣是一種常見(jiàn)的災(zāi)害性地質(zhì)現(xiàn)象。文中提出了通過(guò)孔壓靜力觸探（PCPT）和孔壓消散試驗(yàn)（PDT）來(lái)測(cè)量含氣層中的超孔隙壓力，定量地評(píng)價(jià)淺層氣對(duì)基礎(chǔ)穩(wěn)定性的影響程度，并提出安裝減壓井的方法降低淺層氣地層壓力及含氣量，該方法既可增加地基土的穩(wěn)定性又可避免鉆井過(guò)程中淺層氣井噴事故的發(fā)生，達(dá)到了減輕作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)、降低成本的目的。

關(guān)鍵詞：淺層氣 孔壓靜力觸探 孔壓消散試驗(yàn) 減壓井

中圖分類號(hào)：TE32 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2017）06（c）-0071-02

已有工程地質(zhì)和工程物探調(diào)查資料表明，在渤海很多區(qū)域都存在或多或少的淺層氣，如渤中區(qū)塊、蓬萊區(qū)塊、旅大區(qū)塊都存在較大面積的淺層氣富集區(qū)。淺層氣的存在，會(huì)不同程度的降低地基土的承載力，增加基礎(chǔ)的沉降和變形；淺層氣溢出或噴出，將會(huì)導(dǎo)致地層塌陷、地基失穩(wěn)，嚴(yán)重時(shí)破壞上部結(jié)構(gòu)物，危及財(cái)產(chǎn)及人員安全。

目前，對(duì)含有淺層氣地層調(diào)查主要是通過(guò)工程物探方法來(lái)定性評(píng)價(jià)淺層氣分布范圍及其成因等。當(dāng)發(fā)現(xiàn)調(diào)查區(qū)域地層中有淺層氣分布時(shí)，如果鉆井船或鉆井平臺(tái)直接避開(kāi)淺層氣區(qū)勢(shì)必將會(huì)增加油氣勘探、開(kāi)發(fā)成本。如果通過(guò)某些途徑能定量評(píng)估含淺層氣地層的壓力及含氣量，即可有針對(duì)性地采取相應(yīng)的預(yù)防措施，達(dá)到減輕作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)、降低成本的目的。

國(guó)內(nèi)外也有使用勘探船對(duì)淺層氣場(chǎng)址含氣量評(píng)估以及鉆孔放氣的例子，例如：1983年，在挪威北海的Gullfaks油田34/10區(qū)塊勘探鉆井時(shí)，大約60%的井都鉆穿了淺層氣。為精確掌握淺層氣場(chǎng)址地層中的淺層氣情況以及在Gullfaks"A"平臺(tái)到位之前使氣砂衰竭，在Gullfaks"A"平臺(tái)附近鉆了許多550 m的調(diào)研井。2005年，杭州灣南引橋?yàn)┩繀^(qū)在勘察時(shí)發(fā)現(xiàn)地層中存在壓力較大的淺層氣，為了待建設(shè)施的安全，對(duì)橋址區(qū)的淺層氣進(jìn)行了集中排放和零星放氣[1]。

1 解決淺層氣對(duì)工程影響的方法

當(dāng)在某場(chǎng)址地層中發(fā)現(xiàn)淺層氣時(shí)，應(yīng)按照以下步驟進(jìn)行工作。

（1）基于工程物探資料（淺/中地層剖面、二維數(shù)字地震剖面）定性評(píng)估場(chǎng)址地層中淺層氣富集情況，例如：淺層氣埋藏深度、范圍、類型、含量等。

（2）進(jìn)行桌面研究，根據(jù)定性評(píng)價(jià)的淺層氣富集程度及壓力等，評(píng)估工程地質(zhì)鉆孔船在淺層氣場(chǎng)址進(jìn)行鉆孔的安全性，評(píng)估鉆井平臺(tái)是否需要移井位。

（3）如定性評(píng)估后，鉆井平臺(tái)不需要移位，則應(yīng)使用鉆孔船定量地評(píng)價(jià)淺層氣對(duì)基礎(chǔ)穩(wěn)定性的影響程度，來(lái)確定下一步是否有必要安裝減壓井。

（4）如地基承載力不滿足要求或鉆井平臺(tái)鉆井時(shí)可能發(fā)生淺層氣井噴，則應(yīng)安裝減壓井。

1.1 淺層氣對(duì)基礎(chǔ)穩(wěn)定性影響評(píng)價(jià)

評(píng)估淺層氣在黏土層中對(duì)樁承載力影響的程度可依據(jù)API RP-2A WSD（2000）中提到的方法[2]。

對(duì)于固定式樁基礎(chǔ)平臺(tái)，其單樁極限承載力表達(dá)式為：

式中：Q為樁的極限承載力；Qf為樁的表面摩擦力；Qp為樁端承載力；fs為單表表面摩擦力；As為埋入泥面以下樁側(cè)總面積；qp為單位樁端承載力；Ap為樁端面積；為粘聚力系數(shù)；Su為粘性土的不排水抗剪強(qiáng)度；為計(jì)算點(diǎn)處的有效上覆壓力；為不排水抗剪強(qiáng)度與有效上覆壓力的比值；u 為超孔隙壓力。

從以上分析可看出，由于淺層氣的存在會(huì)使土體中的超孔隙壓力（）增加，因而降低了土體的有效應(yīng)力（），使土的強(qiáng)度和硬度降低，從而降低了土層的承載力。由此，只要能得到超孔隙壓力參數(shù)，即可對(duì)含氣地層的承載力進(jìn)行分析，進(jìn)而定量地評(píng)價(jià)淺層氣對(duì)基礎(chǔ)穩(wěn)定性的影響程度。孔壓靜力觸探（PCPT）和孔壓消散試驗(yàn)（PDT）是一種可以測(cè)量地層中超孔隙壓力的一種原位測(cè)試方法。

1.2 減輕淺層氣影響的處理方法

當(dāng)預(yù)定鉆井船井場(chǎng)、平臺(tái)場(chǎng)址發(fā)現(xiàn)有淺層氣存在，且地基承載力不滿足要求時(shí)，提前安裝減壓井能夠有效消除淺層氣噴發(fā)，以及減輕對(duì)基礎(chǔ)穩(wěn)定性的影響。該裝置工作性能很好，在真的發(fā)生淺層氣井噴時(shí)，可很快地撤離。同鉆機(jī)上人員和設(shè)備暴露于淺層氣風(fēng)險(xiǎn)的程度相比，人員和設(shè)備暴露于土壤鉆孔船上的風(fēng)險(xiǎn)小得多。

1.2.1 作業(yè)程序

（1）方案設(shè)計(jì)：①資料收集及分析；②確定方案（孔數(shù)、位置、深度、方法等）；③編制實(shí)施計(jì)劃（作業(yè)程序、操作步驟、應(yīng)急計(jì)劃等）。

（2）工具材料準(zhǔn)備：氣體分流器、篩管、排氣管上部施放裝置（圖1）、剪切閘板。

（3）現(xiàn)場(chǎng)安裝：①鉆孔至預(yù)定深度；②將排氣管從鉆桿中下放到孔里；③將全部鉆柱提出井口。

1.2.2 作業(yè)安全措施

（1）作業(yè)前：①緊急撤離演習(xí)；②所有引擎安裝自動(dòng)緊急停止裝置；③排氣管加裝排氣帽；④加重泥漿準(zhǔn)備、守護(hù)船待命；井底BHA位置安裝止回浮閥；⑤在接近泥面的鉆桿處安裝剪切閘板以便緊急撤離。

（2）作業(yè)過(guò)程中：①確認(rèn)加重泥漿準(zhǔn)備量及泥漿比重；②觀察海流及方向變化情況；③關(guān)閉甲板所有非防爆設(shè)備、關(guān)閉艙室門(mén)窗及不必要的通風(fēng)孔；④鉆進(jìn)通過(guò)異常區(qū)時(shí)，確認(rèn)所有檢測(cè)儀器有人看管；⑤注意觀察所有與淺層氣活動(dòng)有關(guān)的現(xiàn)象；⑥避免起、下鉆時(shí)誘發(fā)淺層氣溢出的現(xiàn)象。

2 工程實(shí)例

2004年7月，在南海樂(lè)東區(qū)塊某平臺(tái)場(chǎng)址進(jìn)行工程物探調(diào)查時(shí)發(fā)現(xiàn)：海底以下65～70 m處開(kāi)始往下，直至海底以下500 m深度范圍內(nèi)，分布淺層氣異常反射。為查明淺層氣對(duì)平臺(tái)樁基礎(chǔ)穩(wěn)定性的影響以及確認(rèn)是否需要安裝減壓井，在平臺(tái)場(chǎng)址處，完成了一個(gè)120 m連續(xù)PCPT測(cè)試，對(duì)潛在含氣層進(jìn)行了PDT測(cè)試[3]，測(cè)試成果見(jiàn)圖2。

根據(jù)平臺(tái)場(chǎng)址的土質(zhì)參數(shù)以及樁的參數(shù)[3]，由公式（1）、（2）、（3）、（4）計(jì)算得出了單樁的承載力，見(jiàn)表1。

PDT測(cè)試結(jié)果顯示在60 m以下地層中，由淺層氣產(chǎn)生的超孔隙壓力（EPP） 一般低于100 kPa，屬于“較小”等級(jí)。由表1可以看出淺層氣對(duì)單樁承載力影響較小，據(jù)此，可不考慮淺層氣對(duì)樁基承載力的影響，不需要安裝減壓井。

3 結(jié)論

（1）應(yīng)用PCPT及PDT原位測(cè)試結(jié)果，能夠?qū)瑴\層氣地層的地基穩(wěn)定性做出定量評(píng)估。

（2）安裝減壓井是減輕淺層氣對(duì)基礎(chǔ)穩(wěn)定性影響，以及防范作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)的有效手段，且能很大程度上降低海上油氣田開(kāi)發(fā)成本。

（3）淺層氣不僅對(duì)鉆井船和平臺(tái)安全作業(yè)構(gòu)成潛在危害，在工程地質(zhì)鉆探作業(yè)中，也同樣可能會(huì)遇到危險(xiǎn)。因此，對(duì)作業(yè)人員技術(shù)、經(jīng)驗(yàn)，以及作業(yè)船舶的裝備能力有較高的要求。

參考文獻(xiàn)

[1] 伍軍，李上壽，孟慶斌.淺層氣富集區(qū)海上長(zhǎng)大鉆孔樁快速施工技術(shù)[J].鐵道建設(shè)，2006（4）：13-21.

[2] AP Institute.Recommended Practice for Planning，Designing and Constructing Fixed Offshore Platforms-Working Stress Design：Upstream Segment[A].American Petroleum Institute[C].1987.

[3] China Oilfield Services Ltd.，Pile group effect and shallow gas study for LD22-1 platform[Z].2007.