深水淺層淺水流災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)與防災(zāi)方法研究

申屠俊杰 ，林伯韜 , ，陸吉 ,

1 中國(guó)石油大學(xué)(北京) 油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249

2 中國(guó)石油大學(xué)(北京) 石油工程學(xué)院，北京 102249

3 中國(guó)石油大學(xué)(北京) 人工智能學(xué)院，北京 102249

0 引言

隨著全球經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展以及工業(yè)技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步，能源需求量也在不斷增加。近些年來，世界油氣資源勘探開發(fā)不斷深入，陸上油氣資源勘探已相對(duì)成熟，對(duì)全球油氣儲(chǔ)量的增長(zhǎng)貢獻(xiàn)值較低[1]。海洋油氣資源具有潛力大，探明率低的特點(diǎn)，自2000年以來，海上油氣探明儲(chǔ)量及產(chǎn)量持續(xù)增長(zhǎng)并趕超陸上，已逐漸成為全球油氣資源的戰(zhàn)略接替區(qū)[2]。同時(shí)，海洋油氣開發(fā)也向著“深海、深層、非常規(guī)”的目標(biāo)不斷前進(jìn)。近10年油氣新發(fā)現(xiàn)中74%為海洋油氣資源，其中深水油氣資源占23%，超深水油氣資源占36%，深水油氣日產(chǎn)量達(dá)到1030萬桶/日。目前世界上已形成“兩豎一橫”的3個(gè)深水勘探熱點(diǎn)地區(qū)，即環(huán)大西洋、東非東部大陸邊緣和新特提斯盆地帶西段，深水地區(qū)已成為未來油氣資源勘探與開發(fā)的主戰(zhàn)場(chǎng)[3-6]。

然而，由于深水環(huán)境的特殊性，深水鉆探作業(yè)面臨著比陸上更為嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，由地質(zhì)災(zāi)害引起的鉆井事故屢見不鮮。深水淺層地質(zhì)災(zāi)害是深海鉆探作業(yè)中最常見，也是造成影響和破壞最大的問題，包括淺層氣、淺水流和天然氣水合物等，其中又以淺水流災(zāi)害最為嚴(yán)重，也最受關(guān)注[7]。淺水流災(zāi)害是指深水淺層區(qū)域發(fā)育的超壓砂體。超壓砂體觸發(fā)后極易導(dǎo)致井底壓力失衡，高速砂水流侵入井筒，對(duì)鉆井作業(yè)產(chǎn)生極大危害。深水之星海底技術(shù)委員會(huì)(DeepStar)認(rèn)為淺水流災(zāi)害是墨西哥灣深水鉆井所面臨的最嚴(yán)重的問題之一[8]；Fugro地質(zhì)服務(wù)公司的報(bào)告顯示全球70%的深水井都遭遇過淺水流災(zāi)害[9]。墨西哥灣的一項(xiàng)調(diào)查表明，位于淺水流災(zāi)害發(fā)育地區(qū)的106口井在淺水流災(zāi)害防治措施上共花費(fèi)1.75億美元，平均單井花費(fèi)160萬美元[10,11]。

我國(guó)深水油氣資源開發(fā)方興未艾，南海地區(qū)油氣資源儲(chǔ)量占全國(guó)總量的三分之一，其中深海儲(chǔ)量占70%，具有巨大的開采價(jià)值。目前，南海的鉆探作業(yè)中也已發(fā)現(xiàn)了淺水流災(zāi)害的形成[7]。為保證深海油氣資源的經(jīng)濟(jì)安全開采，必須重視淺水流災(zāi)害問題，做好預(yù)測(cè)和防治工作。

1 淺水流災(zāi)害基礎(chǔ)研究

1.1 淺水流災(zāi)害的基本概念及危害

“淺水流”(Shallow Water Flow, SWF)是指出現(xiàn)異常高壓的深水淺層未固結(jié)砂體，屬于常見的淺層地質(zhì)災(zāi)害。當(dāng)鉆遇異常高壓砂體或在異常高壓層位處進(jìn)行固井操作時(shí)，由于井底壓力失衡，砂水流在高壓驅(qū)動(dòng)下進(jìn)入井眼，對(duì)井壁、套管及井口裝置等造成侵蝕，嚴(yán)重破壞井筒完整性[7,12-14]。如圖1所示。需要注意的是，淺水流通常發(fā)生在深海區(qū)域內(nèi)，由于異常高壓砂體發(fā)育在泥線下相對(duì)水深較淺的范圍內(nèi)，故用“淺”來描述[15]。目前業(yè)界對(duì)于深水淺層的具體范圍的界定仍未統(tǒng)一，國(guó)內(nèi)外不同學(xué)者對(duì)深水淺層的概念有著不同的解釋，在綜合已有文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上[7,12,14]，可將深水淺層界定為水深400 m以下，泥線下250～1000 m范圍內(nèi)。淺水流的形成一般需要滿足3個(gè)主要條件[16]：疏松、未固結(jié)的砂質(zhì)沉積物，低滲透率的泥質(zhì)封閉層以及異常高壓。異常高壓是指砂體的孔隙壓力高于埋深處的靜水壓力值，有效應(yīng)力小于正常值的現(xiàn)象。異常高壓亦稱超壓，超壓狀態(tài)可通過超壓比率來描述[17]，其表達(dá)式為

圖1 淺水流災(zāi)害示意圖Fig.1 Schematic diagram of SWF hazard

其中，P為流體壓力，MPa；Ph為靜水壓力，MPa，σv為上覆壓力，MPa。當(dāng)?shù)貙油耆潘淮嬖诔瑝簳r(shí)，流體壓力等于靜水壓力，即P=Ph，λ*=0；當(dāng)?shù)貙油耆慌潘貙訃?yán)重超壓時(shí)，流體壓力等于上覆壓力，即P=σv，λ*=1。

淺水流災(zāi)害對(duì)鉆井作業(yè)造成的影響和破壞極大，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面[10,11,14,18-21]：

(1)磨蝕套管或使其受力不均勻，造成套管屈曲報(bào)廢；

(2)侵蝕井壁，在超壓砂層處形成展布的空穴，造成井眼擴(kuò)大甚至井壁坍塌；

(3)造成固井竄槽，影響固井質(zhì)量；

(4)沖刷出的泥砂在井口堆積，掩埋井口其報(bào)廢；

(5)超壓砂體液化流動(dòng)導(dǎo)致地層承載力降低，造成海底結(jié)構(gòu)物塌陷；

(6)延長(zhǎng)鉆井作業(yè)時(shí)間，增加了施工成本。

1.2 淺水流災(zāi)害形成原理

目前最常見，也是破壞性最大的誘因便是原生超壓砂體，屬于原生機(jī)理[10,11,14,20,21]，這種由地質(zhì)成因造成的超壓砂體超壓程度更高。除原生超壓砂體之外，一些次生機(jī)理也是引發(fā)淺水流的潛在因素，如次生裂縫、次生壓力儲(chǔ)存以及固井竄槽引起異常壓力傳遞等[21-22]。但這些由人為引起的淺水流一般超壓程度較低，對(duì)鉆井作業(yè)的影響較小。

研究表明，超壓砂體具有多種成因，與地質(zhì)作用、構(gòu)造作用和沉積速度等均有關(guān)，目前公認(rèn)的成因有：

(1)機(jī)械不平衡壓實(shí)作用[10-11,20]

機(jī)械不平衡壓實(shí)作用可簡(jiǎn)稱為壓實(shí)作用。由壓實(shí)作用引發(fā)的超壓砂體較為常見。壓實(shí)作用通常伴隨著快速沉積的特點(diǎn)，墨西哥灣受淺水流嚴(yán)重影響的Mississippi Canyon區(qū)塊沉積速率達(dá)到1 mm/a。根據(jù)孔隙水的來源，壓實(shí)作用又可細(xì)分為不平衡壓實(shí)作用和差異壓實(shí)作用兩種[22]。不平衡壓實(shí)作用是指由于上部物質(zhì)沉積速度較快，對(duì)下部地層的載荷迅速增加，來自下部地層的孔隙水被周圍低滲透的泥巖或頁巖包圍來不及排出，造成孔隙壓力增大，有效應(yīng)力降低，形成異常高壓(圖2(a)）。差異壓實(shí)作用是指上覆沉積物的厚度不同，對(duì)下部地層的載荷有差異，導(dǎo)致較厚沉積下的較高的上覆巖層壓力驅(qū)使粉砂質(zhì)頁巖中的孔隙水進(jìn)行橫向及向上運(yùn)移，其中部分橫向運(yùn)移的孔隙水儲(chǔ)存于砂體中，從而形成異常高壓(圖2(b)）。淺水流發(fā)育區(qū)的水動(dòng)力特征與該區(qū)塊的沉積作用類型密切相關(guān)[23]，沉積速率越快，上覆沉積層厚度越大，砂體孔隙壓力也就越高。在超壓嚴(yán)重的砂體中，沉積的砂礫顆粒近似懸浮狀態(tài)。

圖2 壓實(shí)作用：(a)不平衡壓實(shí)作用；(b)差異壓實(shí)作用(改自Alberty等[21])Fig.2 Compaction effect: (a) Unbalanced compaction; (b) Differential compaction (Modified from Alberty et al[21])

(2)成巖作用[16]

成巖作用的實(shí)質(zhì)是黏土成分的脫水作用與蝕變。當(dāng)溫度達(dá)到65～120 ℃時(shí)，在鉀長(zhǎng)石的催化作用下，蒙脫石轉(zhuǎn)變?yōu)橐晾Ｔ谶@個(gè)過程中，蒙脫石的層間水被排出并成為孔隙水，使得孔隙壓力升高，有效應(yīng)力降低，形成異常高壓。此外，某些巖石中含有的水分由于快速沉積來不及釋放，在埋藏穩(wěn)定后才逐漸排出，也會(huì)形成異常高壓。

(3)浮力作用[23]

浮力作用主要由油氣與孔隙水的密度差異造成。若砂體中的孔隙水被油氣替換，由于油氣與孔隙水存在的密度差，孔隙會(huì)在浮力作用下產(chǎn)生一定膨脹，從而導(dǎo)致孔隙內(nèi)流體壓力升高。

(4)構(gòu)造抬升或侵蝕[11]

地質(zhì)構(gòu)造也會(huì)導(dǎo)致淺水流的形成。若地層由于地質(zhì)構(gòu)造的變動(dòng)被快速抬升，從埋深較深處來到淺部地層，且地層封閉性較好，來不及與外界平衡壓力。隨著孔隙水的膨脹，將會(huì)形成異常高壓。此外，若地質(zhì)構(gòu)造使得地層發(fā)生傾斜，砂體重心位置發(fā)生變化從而導(dǎo)致砂體內(nèi)部各部分間應(yīng)力失衡，導(dǎo)致異常高壓的產(chǎn)生。

(5)水熱增壓作用[24]

水熱增壓作用主要由孔隙流體和周圍巖石骨架的熱膨脹系數(shù)的差異造成。隨著地層的埋深逐漸增加，地層溫度也不斷增大，孔隙流體受熱膨脹并導(dǎo)致異常高壓。

(6)天然氣水合物分解[15,25-26]

研究表明，淺水流產(chǎn)生的水以淡水為主，這與淺水流砂體的沉積環(huán)境不符，而天然氣水合物的分解產(chǎn)物中含有大量淡水，同時(shí)水合物分解時(shí)的體積膨脹也是破壞砂體結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生異常高壓的潛在因素。此外，天然氣水合物發(fā)育區(qū)域與淺水流災(zāi)害區(qū)域的位置大致重合，且鉆遇水合物層后，水合物分解以及淺水流發(fā)生都具有一定的時(shí)間滯后等現(xiàn)象也都證明了天然氣水合物分解這一成因的合理性。

2 淺水流災(zāi)害識(shí)別及預(yù)測(cè)技術(shù)

2.1 淺水流砂體巖石物理特征及識(shí)別標(biāo)志

淺水流砂體通常表現(xiàn)出疏松、未固結(jié)、高滲透率、高孔隙度、分選性較差的特點(diǎn)，砂體顆粒之間幾乎不存在膠結(jié)。從地應(yīng)力的角度來說，高孔隙壓力和低有效應(yīng)力使得砂體顆粒近乎懸浮在地層流體中，地層呈現(xiàn)出近似流體的性質(zhì)，具有抗壓不抗剪的特點(diǎn)。地震波通過淺水流砂體時(shí)，縱波速度Vp和橫波速度Vs均發(fā)生下降，但橫波速度的降幅比縱波更大，因此在地球物理屬性上表現(xiàn)出高Vp/Vs值和高泊松比的特點(diǎn)[9,27]。對(duì)于典型的淺水流砂層，其Vp/Vs值至少可達(dá)到10的數(shù)量級(jí)，泊松比大于0.49。

綜合淺水流砂體的發(fā)育環(huán)境、巖石物理特征及地球物理屬性，其識(shí)別標(biāo)志可歸納為以下幾點(diǎn)[13-14]：

(1)合理的埋存位置：目標(biāo)砂體位于水深400 m以下，泥線下250～1000 m范圍內(nèi)，屬于淺水流的發(fā)育深度；

(2)屬于快速沉積區(qū)：目標(biāo)砂體所在的區(qū)域沉積速度較高，一般大于1 mm/a；

(3)砂體被低滲透層覆蓋：低滲透層能阻止砂體排水泄壓，是形成超壓砂體的必要條件；

(4)Vp/Vs值較大：Vp/Vs值是判定存在異常高壓的主要依據(jù)。

2.2 淺水流砂體預(yù)測(cè)方法

2.2.1 測(cè)井法

測(cè)井法包括隨鉆測(cè)量(MWD)、隨鉆測(cè)壓(PWD)、鉆后測(cè)井以及垂直地震剖面(VSP)測(cè)井等方法。在考慮成本及安全性的基礎(chǔ)上，深水的特殊環(huán)境對(duì)測(cè)井方法和裝備的優(yōu)選提出了難題。目前應(yīng)用較廣泛的測(cè)井方法為MWD和PWD。圖3為PWD方法在淺水流發(fā)育區(qū)域的響應(yīng)示意圖，可以看出測(cè)深1650～1700 m處平均當(dāng)量泥漿密度(PWD Eqv Mud wt Avg)發(fā)生突變,顯示該深度發(fā)育有異常高壓砂體，即存在淺水流災(zāi)害的潛在風(fēng)險(xiǎn)。此外，墨西哥灣在進(jìn)行實(shí)際操作后，還提出了伽馬射線測(cè)量、多傳感器電阻率測(cè)量等MWD方法[11]。在實(shí)際應(yīng)用中，測(cè)井法通常與反射地震法配合使用，以達(dá)到最優(yōu)化預(yù)測(cè)效果。在墨西哥灣Ursa區(qū)塊的深水鉆井操作中，PWD和LWD方法應(yīng)用于鉆井全階段，保證了鉆井作業(yè)安全進(jìn)行[28,29]。在Garden Banks區(qū)塊的磁力影響區(qū)，陀螺隨鉆(GWD)的應(yīng)用代替MWD為鉆井操作提供了定向控制和風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)[30]。此外，VSP測(cè)井資料還可用于標(biāo)定地震波速度場(chǎng)，減小預(yù)測(cè)結(jié)果誤差[31]。

圖3 PWD對(duì)淺水流災(zāi)害響應(yīng)(改自Cameron[12])Fig.3 Response of PWD to the SWF hazard (Modified from Cameron[12])

2.3.2 反射地震法

反射地震法屬于鉆前預(yù)測(cè)方法，具有經(jīng)濟(jì)有效、預(yù)測(cè)精度高的優(yōu)勢(shì)，也是目前最常用的方法。在缺少鄰井資料的情況下，地震資料是預(yù)測(cè)淺層地質(zhì)災(zāi)害的唯一可行方法。利用地震速度預(yù)測(cè)淺水流的步驟主要包括：(1)獲取地震速度；(2)校正地震速度；(3)關(guān)聯(lián)地震速度與巖石速度；(4)建立巖石模型，將速度與有效應(yīng)力、孔隙度相關(guān)聯(lián)；(5)根據(jù)地震速度和巖石模型獲得地應(yīng)力信息。

在利用反射地震法預(yù)測(cè)淺水流時(shí)，Vp/Vs值是幫助識(shí)別淺層地質(zhì)災(zāi)害以及辨別災(zāi)害類型的有效依據(jù)之一[27,32]。淺水流災(zāi)害于1985年首次被發(fā)現(xiàn)。在過去的深水鉆探實(shí)踐中，國(guó)外已形成了較為成熟的基于地震振幅資料的淺水流預(yù)測(cè)方法。淺水流的預(yù)測(cè)一般通過高質(zhì)量的3D地震勘測(cè)資料與2D高分辨率地震勘測(cè)資料來實(shí)現(xiàn)[33-34]。在墨西哥灣的鉆井實(shí)踐中，操作人員通過3D地震資料發(fā)現(xiàn)了在較大面積中發(fā)育的連續(xù)砂體，隨后經(jīng)過2D地震詳探，進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)了帶有密封層的斷塊砂體，從而成功預(yù)測(cè)到淺水流的發(fā)育[35]。相比于常規(guī)3D地震資料，高分辨率地震資料能更好地區(qū)分地震相和沉積特征。王海平等[36]、周波等[37]利用高分辨率地震資料分別對(duì)渤海、西非某區(qū)塊以及南海荔灣深水海域進(jìn)行了淺層地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測(cè)分析，取得了良好的預(yù)測(cè)效果。

根據(jù)地震振幅資料獲得縱橫波速度比等有效信息是淺水流超壓砂體預(yù)測(cè)中的關(guān)鍵步驟，為了提高地震速度場(chǎng)擬合的精確性，研究人員提出了多種反演方法。Mallick等[38]根據(jù)AVO(振幅隨炮檢距的變化)原理和遺傳算法，提出了一種基于常規(guī)3D地震資料及巖石模型的疊前反演方法。該方法能夠準(zhǔn)確描述Vp、Vs、泊松比、體密度等地層信息并根據(jù)由此準(zhǔn)確識(shí)別淺水流砂體。如圖4所示，圖4(a)中聲波速度、地層巖石密度和泊松比在同一位置處產(chǎn)生較大偏移，由此可判斷淺水流該處存在淺水流超壓砂體發(fā)育；圖4(b)中某幾個(gè)深度的地層處Vp/Vs值出現(xiàn)異常峰值，在與鄰井資料進(jìn)行對(duì)比后，也可確定淺水流超壓砂體在相應(yīng)地層處的發(fā)育情況。Lu等[39]通過對(duì)3D地震資料進(jìn)行彈性反演，得到縱橫波速比等信息。將該反演結(jié)果與鄰井資料以及Fugro公司所做出的預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比后，發(fā)現(xiàn)該反演結(jié)果中Vp/Vs值的異常顯示處與實(shí)際的淺水流發(fā)育層位吻合良好。Dutta等[40]通過全波形疊前反演得出墨西哥灣Clastic Tertiary盆地某區(qū)域的孔隙壓力和泊松比剖面，為巖性預(yù)測(cè)和地質(zhì)災(zāi)害評(píng)估提供了依據(jù)。吳時(shí)國(guó)等[41]基于高分辨率的2D和3D數(shù)據(jù)，采用了混合地震反演方法。該方法將疊前反演和疊后反演進(jìn)行了有效結(jié)合，能夠?qū)^大地震數(shù)據(jù)體進(jìn)行彈性反演，從而獲得淺水流預(yù)測(cè)所需的各種參數(shù)。在對(duì)南海北部白云凹陷實(shí)施地震勘測(cè)后，發(fā)現(xiàn)反演結(jié)果與深水水道砂體局部發(fā)育位置具有很好的疊合關(guān)系。此外，Dix反演方法[42]、層析反演方法[43]等也能有效地從地震資料中擬合得到速度場(chǎng)信息，為淺水流預(yù)測(cè)提供合理依據(jù)。

圖4 疊前地震反演結(jié)果及淺水流區(qū)域識(shí)別: (a)速度、密度、泊松比；(b)Vp/Vs值；(改自Mallick等[38])Fig.4 Pre-stack seismic inversion results and identification of the SWF area: (a) Velocity, Density, Poisson’s ratio; (b) Vp/Vs value (Modified from Mallick et al[38])

3 淺水流災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法

深海淺層地質(zhì)災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)工作需要系統(tǒng)地對(duì)潛在的災(zāi)害類型及其可能造成的影響進(jìn)行評(píng)估，并對(duì)其發(fā)生概率及危害性進(jìn)行定量預(yù)測(cè)?！叭蚩茖W(xué)”及“全球系統(tǒng)科學(xué)”概念的融入則使得深海地質(zhì)災(zāi)害評(píng)價(jià)工作更系統(tǒng)化，更符合全球化、多學(xué)科融合的要求和趨勢(shì)[44-45]。

3.1 淺水流災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的必要性

深海地質(zhì)災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)工作具有其必要性，在實(shí)際生產(chǎn)過程中，根據(jù)問題的嚴(yán)重程度不同將會(huì)采取不同的策略，從而最大限度地減少鉆井和經(jīng)濟(jì)損失。以淺水流災(zāi)害為例，輕微的淺水流對(duì)鉆井作業(yè)幾乎無影響，而嚴(yán)重的淺水流則會(huì)對(duì)鉆井操作和工具造成極大影響，甚至致使油井報(bào)廢。一項(xiàng)調(diào)查顯示，在墨西哥灣的74口深水井中，僅有9口井因淺水流問題未能完鉆，占12%；39口井曾鉆遇淺水流，但在采取相應(yīng)措施后仍鉆至目標(biāo)層位，占53%。如表1所示。

表1 淺水流對(duì)墨西哥灣深水井影響情況(改自Alberty等[20])Table 1 Influence of shallow water on deep-water wells in the Gulf of Mexico (Modified from Alberty et al[20])

因此，淺水流災(zāi)害的預(yù)測(cè)及評(píng)價(jià)作業(yè)不應(yīng)局限于超壓砂體位置等信息的獲取，更需要結(jié)合實(shí)測(cè)信息與物理模型對(duì)淺水流災(zāi)害可能達(dá)到的危害程度進(jìn)行預(yù)估。完善且準(zhǔn)確的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，有利于油井順利完鉆，節(jié)省時(shí)間、人力、裝備等成本。

3.2 淺水流災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型研究

隨著室內(nèi)實(shí)驗(yàn)條件和數(shù)值模擬技術(shù)的不斷發(fā)展，近年來已有一些研究從不同角度對(duì)淺水流災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)開展了定量分析，并建立了相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型。Ren等[47]建立了模擬淺水流上噴的兩相流數(shù)值模型，并進(jìn)一步分析典型工況下超壓砂體孔隙壓力、規(guī)模、孔隙度及鉆速等因素對(duì)砂水流噴出速率的影響，其結(jié)果表明超壓程度的小幅度增長(zhǎng)可導(dǎo)致砂水噴出量劇烈增加。孫金等[48]針對(duì)淺水流災(zāi)害引起的井眼坍塌問題，提出了基于流固耦合理論的井眼穩(wěn)定數(shù)值模型，并分別根據(jù)Mohr-Coulomb準(zhǔn)則和最大拉應(yīng)力準(zhǔn)則判斷砂體破壞模式，研究井周最大破壞半徑的影響因素。研究結(jié)果表明超壓程度、砂體埋深、地應(yīng)力及內(nèi)摩擦角等因素對(duì)井眼坍塌均存在一定影響。季雯宇等[49]在固液兩相流和沖蝕理論的基礎(chǔ)上，提出了三維流場(chǎng)模型，并開展了砂水流對(duì)套管環(huán)空沖蝕率的數(shù)值模擬研究，并揭示了流速、質(zhì)量流率、粒徑等因素對(duì)沖蝕率的影響。Gao等[50]、Wang等[51]提出了深水環(huán)境下耦合井筒和地層間的熱傳遞模型，考慮環(huán)空多相流體流動(dòng)行為，分析了井筒與地層的溫度分布和鉆井液傳熱導(dǎo)致的水合物的分解，可用于預(yù)測(cè)水合物分解引起淺層砂體的孔隙壓力的動(dòng)態(tài)變化，從而分析出潛在的淺水流災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)。

Shi等[52]根據(jù)淺水流砂體的觸發(fā)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)并實(shí)施了真三軸條件下的超壓砂體泄壓實(shí)驗(yàn)，探究砂體在壓力釋放過程中的流動(dòng)及變形機(jī)理。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象顯示壓力釋放區(qū)存在沙礫聚集，且泄壓點(diǎn)上下的砂層均向其流動(dòng)。在其研究基礎(chǔ)上，Shentu等[53]設(shè)計(jì)了淺水流砂體流動(dòng)破壞過程可視化實(shí)驗(yàn)裝置，并提出了基于流固耦合理論的離散元方法-計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(DEMCFD)數(shù)值模型，分析了多種因素對(duì)固態(tài)砂噴出量的影響。其實(shí)驗(yàn)及模擬結(jié)果顯示砂體超壓程度、孔隙度、粒徑等均對(duì)固態(tài)砂噴出量具有一定影響，且影響機(jī)制不同。此外，根據(jù)實(shí)驗(yàn)及模擬所得數(shù)據(jù)，Shentu等[53]選取了某一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)作為基準(zhǔn)點(diǎn)，對(duì)所有數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行了歸一化處理，獲得了初始超壓(超靜孔隙水壓力)、孔隙度、砂礫半徑的相對(duì)坐標(biāo)值，如公式(2)～(4)所示。

其中，Pa,φa,Ra為基準(zhǔn)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的初始超壓(MPa)、孔隙度及砂礫半徑(mm)；Pb,φb,Rb為其它各數(shù)據(jù)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的初始超壓(MPa)、孔隙度及砂礫半徑(mm)；PD,φD,RD則為各數(shù)據(jù)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的初始超壓(MPa)、孔隙度及砂礫半徑(mm)的相對(duì)坐標(biāo)值。利用Shentu等[53]通過離散元數(shù)值模擬得到的結(jié)果數(shù)據(jù)，將淺水流案災(zāi)害例的風(fēng)險(xiǎn)程度與對(duì)應(yīng)超壓砂體的相對(duì)孔隙度、砂粒半徑及初始超壓關(guān)聯(lián)，如圖5所示。淺水流災(zāi)害案例依風(fēng)險(xiǎn)程度由不同顏色及形狀的實(shí)心點(diǎn)表示。進(jìn)一步地，應(yīng)用機(jī)器學(xué)習(xí)中的支持向量機(jī)(Support Vector Machines，SVM)方法，將三種不同風(fēng)險(xiǎn)程度的數(shù)據(jù)點(diǎn)分類并劃定數(shù)據(jù)邊界(見圖5)。SVM方法能夠較好地解決小樣本、非線性等問題，因此適用于本研究在有限樣本條件下進(jìn)行數(shù)據(jù)分類操作[54,55]。最終，依托圖5所示的預(yù)測(cè)圖版，現(xiàn)場(chǎng)工程人員能夠根據(jù)估算的超壓和測(cè)錄井獲取的孔隙度、砂粒半徑，預(yù)先判定該區(qū)塊淺水流災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)程度。

圖5 淺水流災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)圖版(數(shù)據(jù)來自Shentu等[53])Fig.5 SWF risk prediction chart (Data from Shentu et al[53])

3.3 淺水流災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法制定

現(xiàn)階段淺水流災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)工作的重點(diǎn)仍落在鉆前預(yù)測(cè)上，以地震信息和鄰井資料為主要依據(jù)，形成了一套初步評(píng)價(jià)鉆井風(fēng)險(xiǎn)的工作流程，包含以下步驟[56]：(1)地質(zhì)初探，初步識(shí)別潛在淺水流災(zāi)害的地形地貌特征(如沉積速度大于1 mm/a的快速沉積區(qū))；(2)建立海底觀測(cè)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)勘探開發(fā)區(qū)域的地質(zhì)災(zāi)害響應(yīng)情況；(3)地球物理初步評(píng)價(jià)，利用測(cè)井、反射地震等地球物理方法對(duì)目標(biāo)區(qū)塊進(jìn)行調(diào)查，獲取超壓砂體位置、壓力分布剖面等信息。

本文在現(xiàn)有淺水流災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法的基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn)，提出了一套新的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系。風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)工作不只局限在鉆前預(yù)測(cè)上，而應(yīng)形成一個(gè)完整體系并貫穿于鉆井作業(yè)的始終。新的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法根據(jù)鉆井作業(yè)時(shí)間和環(huán)節(jié)主要可分為鉆前風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)、鉆時(shí)風(fēng)險(xiǎn)分析以及鉆后信息統(tǒng)計(jì)3個(gè)部分。

其中，鉆前風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)主要包括地質(zhì)初探、地震反演信息及鄰井資料的分析。初步識(shí)別淺水流發(fā)育區(qū)域并獲得超壓砂體發(fā)育深度、地層壓力剖面等信息，為總體鉆井方案的制定提供依據(jù)。鉆時(shí)風(fēng)險(xiǎn)分析主要根據(jù)鉆進(jìn)過程中獲得的實(shí)時(shí)參數(shù)，如巖屑信息、真實(shí)地層壓力信息等，結(jié)合風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)模型對(duì)淺水流災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)做出實(shí)時(shí)評(píng)估和修正，并對(duì)鉆井方案進(jìn)行修正。此外，海底實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)也為這一環(huán)節(jié)工作提供了及時(shí)直觀的信息。油井完鉆后，對(duì)鉆井信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和歸納，記錄鉆進(jìn)過程中的施工參數(shù)變化情況，淺水流災(zāi)害的鉆遇情況及嚴(yán)重程度等信息，為該區(qū)域及其它相似區(qū)塊的鉆井作業(yè)提供經(jīng)驗(yàn)和依據(jù)。

4 淺水流災(zāi)害防控措施及防災(zāi)方法

除了鉆前勘探與風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)，鉆井作業(yè)的實(shí)施也是決定深水井是否成功構(gòu)建的關(guān)鍵因素。淺水流對(duì)于鉆井作業(yè)的影響體現(xiàn)在多方面，包括鉆井液密度窗口較窄，磨蝕損壞套管壁面，影響固井質(zhì)量等。采取針對(duì)淺水流問題的預(yù)防與控制措施采用適當(dāng)?shù)募夹g(shù)與工具，是降低淺水流危害程度的有效方法。

4.1 井控措施

鉆井液密度窗口較窄是淺水流區(qū)域鉆井作業(yè)最顯著的特點(diǎn)之一。淺水流超壓砂體具有高孔隙壓力和低有效應(yīng)力的特點(diǎn)，其孔隙壓力值與破裂壓力值非常接近，增加了超壓砂層處的井控難度。目前應(yīng)對(duì)淺水流問題的鉆井方案有3種，分別是：過平衡鉆井并采用隔水管和加重鉆井液；無隔水管欠平衡鉆井，采用海水鉆井液以及壓井液；無隔水管并使用加重鉆井液鉆井。前兩種方法為墨西哥灣Ursa區(qū)塊所主要采用的方法，但這兩種方法都具有局限性：前者可能會(huì)壓裂地層，破壞地層結(jié)構(gòu)；后者可能增大引發(fā)淺水流的概率[30]。因此，有必要采取井控措施來保證淺水流區(qū)域的正常作業(yè)，降低淺水流造成的破壞。

4.1.1 壓井方法

在選用無隔水管欠平衡鉆井方案進(jìn)行鉆井作業(yè)時(shí)，需要隨時(shí)做好應(yīng)對(duì)淺水流的準(zhǔn)備，壓井措施是能夠有效控制淺水流災(zāi)害的井控措施之一。當(dāng)砂水流進(jìn)入井筒時(shí)，應(yīng)當(dāng)立即采取壓井措施控制砂水流的高速流動(dòng)并下套管固井。壓井液的當(dāng)量密度高于鉆井液，當(dāng)淺水流砂體壓力較高時(shí)，可提高壓井液注入量到兩倍于井筒環(huán)空體積[46]。需要注意的是，壓井液的當(dāng)量密度及使用量需根據(jù)井底壓力和地層破裂壓力實(shí)時(shí)調(diào)整，精準(zhǔn)控制環(huán)空液柱壓力，以確?？刂茰\水流的同時(shí)不壓裂地層。李迅科等[57]研制了深水表層動(dòng)態(tài)壓井裝置，能夠真實(shí)反映鉆井工況并測(cè)量數(shù)據(jù)，根據(jù)地面計(jì)算機(jī)的分析結(jié)果控制井下壓力。該裝置在南海深水井LW6-1-1井的鉆井作業(yè)中成功應(yīng)用，取得的良好的井控效果。

4.1.2 非常規(guī)導(dǎo)管

將高強(qiáng)度的非常規(guī)導(dǎo)管下入到淺水流發(fā)育層位并固井，能夠封堵超壓砂層，起到預(yù)防淺水流災(zāi)害的作用。相較于常規(guī)導(dǎo)管，非常規(guī)導(dǎo)管的下入深度更深，且安裝方法也有區(qū)別。常規(guī)導(dǎo)管的下入深度一般為120～150 m，通過錘入法下入井中；非常規(guī)導(dǎo)管的下入深度可超過500 m，采用鉆入法隨鉆下入井中[21]。非常規(guī)導(dǎo)管能夠預(yù)防淺水流災(zāi)害并防止套管屈曲[58]。研究表明，安裝非常規(guī)導(dǎo)管是目前處理淺水流問題最為有效的方法[21]。

4.1.3 滲透率減損

滲透率減損方法的實(shí)質(zhì)是利用聚合密封劑對(duì)超壓砂層進(jìn)行化學(xué)封堵，以降低砂水流進(jìn)入井筒的滲透性。此外，用于封堵砂層的凝膠液在附著凝固后還能提高該層位的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，拓寬鉆井液密度窗口，有助于維持井筒完整性，有利于后續(xù)的鉆進(jìn)、下套管固井等工作，還能提高固井水泥與井壁間的密封性[8]。滲透率減損方法通常選取淺水流發(fā)育層上部的某一點(diǎn)作為密封點(diǎn)，將鉆頭下至該密封點(diǎn)后通過鉆頭水眼泵注凝膠密封劑。待密封劑凝固后，即可起到封堵砂層、強(qiáng)化地層的效果。凝固時(shí)間視凝膠液組分、環(huán)境溫度以及激活劑含量而定。此外，與該方法配套的鉆井液頂替技術(shù)和軟件監(jiān)控系統(tǒng)也相繼被提出[59]。

4.2 鉆井工作液體系優(yōu)化

鉆井工作液包括鉆井液和固井水泥漿等液體，鉆井工作液的優(yōu)選對(duì)于淺水流區(qū)域的鉆井作業(yè)具有重要意義。合理的鉆井工作液體系能夠幫助維持井底壓力平衡，控制井筒與地層間的流體交換，保證一定的井壁強(qiáng)度，提升固井質(zhì)量，防止固井竄槽。

4.2.1 鉆井液

理想的鉆井液體系能夠維持井底壓力平衡并為井壁提供化學(xué)保護(hù)。室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)證明，CaCl2鉆井液能較好地控制淺水流問題[60]。CaCl2鉆井液不僅能夠降低超壓砂層滲透率，還有助于保持井眼清潔并防止泥頁巖水化。同時(shí)，該鉆井液體系較為靈活，經(jīng)特殊處理后能適用于各種情況，且易于操作。其它添加劑，例如樹脂、聚合物、硅酸鹽等，也可應(yīng)用于鉆井液中，起到強(qiáng)化地層的作用[61]。此外，鉆井液最好能在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行調(diào)配，以應(yīng)對(duì)各種突發(fā)情況，這也對(duì)鉆井液體系提出了一定的要求。

4.2.2 固井水泥漿

固井操作和固井質(zhì)量是有效降低淺水流危害的重要因素。鉆遇淺水流的深水井極易發(fā)生井涌，且井底溫度較低，因此需要特殊設(shè)計(jì)的固井水泥漿，要求其能夠在短時(shí)間內(nèi)固化，且固化后具有一定強(qiáng)度，能抵御高速砂水流的沖擊。泡沫水泥是對(duì)淺水流發(fā)育層進(jìn)行固井操作的首要選擇[61-63]。其優(yōu)點(diǎn)包括：(1)頂替效率大大提升；(2)固化期間體積膨脹率較高，且固化后強(qiáng)度較高，能有效封隔超壓砂層；(3)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)方便。此外，隨著油氣工業(yè)的不斷發(fā)展，輕量化泡沫水泥得到發(fā)展，該水泥漿體系僅使用液體添加劑和波特蘭水泥即可完成，易于在平臺(tái)上直接配置使用，進(jìn)一步提升了鉆井作業(yè)工作效率[64]。

4.3 淺水流災(zāi)害“動(dòng)態(tài)”防災(zāi)方法及流程

淺水流災(zāi)害的防災(zāi)工作需建立在理論研究的基礎(chǔ)上，并著眼于現(xiàn)場(chǎng)方案的制定與實(shí)施，形成有效的防災(zāi)流程及體系。結(jié)合上文所述的淺水流風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系與防控措施，本文提出了一套“動(dòng)態(tài)”防災(zāi)方法與流程。如圖6所示，該防災(zāi)流程主要由淺水流災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及鉆井方案與對(duì)策研究?jī)煞矫鏄?gòu)成，其中風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估工作是鉆井方案的制定依據(jù)，鉆井方案的實(shí)施又為下階段的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估工作提供了信息。兩者互為依據(jù)，相互補(bǔ)充，貫穿于鉆井作業(yè)的全過程，并且在不同階段都能反映當(dāng)前實(shí)際情況并做出對(duì)策，形成一套動(dòng)態(tài)的防災(zāi)機(jī)制。

圖6 淺水流災(zāi)害“動(dòng)態(tài)”防災(zāi)流程Fig.6 “Dynamic” process of the SWF hazard prevention

5 結(jié)論與展望

淺水流災(zāi)害是深海鉆探作業(yè)中最常見，也最嚴(yán)重的淺層地質(zhì)災(zāi)害之一，對(duì)石油工業(yè)造成了巨大損失和影響。我國(guó)南海深水區(qū)的石油開發(fā)工作中也發(fā)現(xiàn)了淺水流的存在，為保證勘探和開發(fā)工作的順利進(jìn)行，必須重視淺水流災(zāi)害問題，采取適當(dāng)?shù)姆罏?zāi)策略與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方案。本文總結(jié)了國(guó)內(nèi)外對(duì)淺水流災(zāi)害的研究結(jié)論，介紹了淺水流災(zāi)害的概念、主要成因、識(shí)別與預(yù)測(cè)技術(shù)、預(yù)防及控制方法等內(nèi)容，同時(shí)提出了新的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)方案及防災(zāi)流程，得到結(jié)論如下。

淺水流災(zāi)害的實(shí)質(zhì)是異常高壓的深水淺層未固結(jié)砂體，其主要成因是快速沉積和機(jī)械不平衡壓實(shí)作用。目前對(duì)淺水流災(zāi)害進(jìn)行識(shí)別與預(yù)測(cè)的方法主要有測(cè)井法和反射地震法兩種。反射地震法是最常用的方法，主要通過Vp/Vs值的異常變化實(shí)現(xiàn)淺水流超壓砂體的識(shí)別。淺水流災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)作業(yè)在作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)還處于較為粗糙的、以經(jīng)驗(yàn)為主的階段。目前廣泛應(yīng)用的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法以鉆前預(yù)測(cè)為主，缺乏整體性和延續(xù)性。近些年來涌現(xiàn)的淺水流災(zāi)害相關(guān)的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬研究為淺水流風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)工作提供了良好的理論依據(jù)，需要不斷推動(dòng)該項(xiàng)工作的發(fā)展和完善。本文提出了一套新的淺水流風(fēng)險(xiǎn)體系，將風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)工作貫穿于鉆井作業(yè)的全過程。

淺水流災(zāi)害的預(yù)防和控制作業(yè)主要包括井控措施和工作液體系優(yōu)化，是淺水流區(qū)域鉆井作業(yè)方案的重要組成部分。通過結(jié)合該風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系與相關(guān)預(yù)防控制技術(shù)相結(jié)合，提出一套“動(dòng)態(tài)”防災(zāi)方法與流程，能夠有效提高淺水流區(qū)域鉆井作業(yè)的質(zhì)量與安全性。

結(jié)合以上內(nèi)容與淺水流災(zāi)害防災(zāi)方法的研究現(xiàn)狀，提出如下展望：

(1)加強(qiáng)淺水流流動(dòng)破壞機(jī)制基礎(chǔ)研究。超壓砂體結(jié)構(gòu)失穩(wěn)所伴隨的流動(dòng)破壞是淺水流災(zāi)害最顯著的特征之一，明確超壓砂體的臨界物理特征、力學(xué)強(qiáng)度、壓力條件與淺水流強(qiáng)度關(guān)系等特性，對(duì)淺水流災(zāi)害的防止工作具有重要意義。

(2)發(fā)展地球物理識(shí)別技術(shù)。地球物理信息是淺水流災(zāi)害預(yù)測(cè)工作的重要依據(jù)，高精度、大范圍的地震勘測(cè)技術(shù)將極大地推動(dòng)淺水流災(zāi)害預(yù)測(cè)的進(jìn)步；詳實(shí)、準(zhǔn)確的地震反演信息能為鉆井方案的制定和調(diào)整提供重要指導(dǎo)。

(3)拓寬人工智能的應(yīng)用。人工智能技術(shù)的引入對(duì)淺水流風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)工作具有重大意義，能夠增強(qiáng)評(píng)價(jià)結(jié)果的全面性和可靠性[65-67]。利用人工智能及大數(shù)據(jù)技術(shù)，可對(duì)三維地震數(shù)據(jù)和測(cè)井資料實(shí)現(xiàn)快速精細(xì)解釋和智能識(shí)別?；跈C(jī)器學(xué)習(xí)方法，可有效劃分?jǐn)?shù)據(jù)類型，獲取數(shù)據(jù)邊界并預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)走勢(shì)。此外，通過大數(shù)據(jù)分析和云計(jì)算，可快速分析現(xiàn)場(chǎng)工況并調(diào)整作業(yè)方案。