南海深水淺層氣致災(zāi)演變過程及風(fēng)險評估分析

陳樹恩

(中海石油(中國)有限公司,北京 100010)

淺層氣是指在海床以下幾百米以內(nèi)聚集的、規(guī)模比較小的,不具有開采價值的天然氣藏,其主要成分是甲烷等天然氣。一般淺層氣層上部具有上覆的蓋層,來自地層深處的氣體在淺層氣層位聚集,使得淺層氣具有高壓性質(zhì),壓力系數(shù)可達1.2 甚至更高。淺層氣規(guī)模小,容易忽視其存在,但是因為具有高壓性質(zhì),所以在鉆井過程中鉆遇到淺層氣,可能會引起井筒氣侵、井涌等復(fù)雜情況,甚至導(dǎo)致井噴。所以對淺層氣的致災(zāi)機理研究及風(fēng)險評估尤為重要。

1 深水鉆井過程中淺層氣致災(zāi)機理

淺層氣超壓形成及危害的演變過程主要包括(圖1):

圖1 深水鉆遇淺層氣層危害示意圖

1.1 深部地層原生氣形成之后,在地層巖石中不斷地運移和聚集,在低滲沉積物中垂直運移,在高滲巖層中沿地層傾斜方向運移；

1.2 氣體沿著巖石孔隙、裂縫及斷層等通道運移至海底淺層,遇到低滲蓋層后聚集,隨著時間的推移,壓力不斷升高,由此形成高壓氣層；

1.3 高壓氣層長期處于高壓的環(huán)境下而得不到釋放,會沖擊和擠壓上部覆蓋層薄弱的地方,而形成氣底辟；

1.4 高壓氣囊演化成氣底辟,淺層氣上升,可能沖破其上部全部的覆蓋層直接向海底噴發(fā)；

1.5 受到外部載荷的作用時(如鉆井作業(yè)等),一旦氣體釋放,土層將會產(chǎn)生較大的沉降量,地層可能發(fā)生下陷,從而很有可能引起地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。

鉆遇不同規(guī)模、不同程度淺層氣的致災(zāi)機理:

(1)輕微及中等淺層氣:導(dǎo)致氣侵,影響鉆井液或水泥漿性能,形成水合物及堵塞；

(2)較為嚴(yán)重淺層氣:破壞鉆井液性能,造成井涌、井眼擴大、影響井壁穩(wěn)定；

(3)嚴(yán)重的淺層氣:可造成井噴失火、地層失穩(wěn)、平臺坍塌等重大事故。

2 南海淺層氣地質(zhì)及鉆遇數(shù)值模擬模型

以南海北部某區(qū)為例,該區(qū)域平均滲透率為633×10-3μm2,分布范圍為293-2512×10-3μm2。通過對瓊東南盆地的巖層的地球物理特征的研究,認為該區(qū)域滲透率平均為651×10-3μm2,孔隙度平均為0.213。對于模型的孔滲飽特征,采用MATLAB 隨機數(shù)的方式,孔隙度在0.23-0.25,滲透率在550-600×10-3μm2,平均含氣飽和度0.73。所以確定模型淺層氣區(qū)域頂點位于水深1500m,海域海底泥線下500m處,模型建立的基本數(shù)據(jù)如表1。

表1 地質(zhì)模型參數(shù)

淺層氣層是高壓氣體聚集的結(jié)果,高壓氣囊和氣底辟呈背斜狀的拱起,層狀和團狀則呈大范圍的分布。將四種淺層氣分類合為聚集期與高壓期兩類,建立了層狀和高壓氣囊形態(tài)的兩種淺層氣模型來模擬鉆進中的氣體侵入和噴出行為。如圖2 為層狀淺層氣,在100×100m 的規(guī)模面積內(nèi),鉆遇了10m 的淺層氣層,圖3 為高壓氣囊模型,模擬了100×100m范圍內(nèi),自頂部至底部厚度為10m 的淺層氣模型。

圖2 層狀淺層氣層

圖3 高壓淺層氣氣囊模型

3 模擬結(jié)果分析

模擬中,以20m/h 的鉆速分別鉆遇兩種類型淺層氣層,即層狀淺層氣及高壓氣囊。得出了以下認識:

3.1 淺層氣噴發(fā)具有“壓力- 氣瞬間高速釋放”特征；

3.2 高壓氣囊壓力系數(shù)大,氣噴速率更高；

3.3 淺層氣井噴時,氣噴速率理論上可達30 萬立方米/h,甚至更高。

圖4、圖5 是層狀淺層氣和高壓氣囊的數(shù)值模擬結(jié)果,可以看出,在鉆進至淺層氣層時,淺層氣體會急速噴出,在極短的時間內(nèi)達到最高值,兩種類型的淺層氣均有此特點,氣體的累積噴出量在不斷積累,在鉆至淺層氣層的0.2-0.4h 內(nèi)迅速升高。對比兩圖可以發(fā)現(xiàn),層狀淺層氣氣體噴出最大速率約為35×104m3/h,達峰值后速率迅速降低,而高壓氣囊的最大氣體噴出速率約為70×104m3/h,且峰值后速率下降較慢。氣體累計噴出速率,高壓氣囊累計約為25.6×104m3,層狀淺層氣約為25.2×104m3。

圖4 層狀淺層氣模擬結(jié)果

圖5 淺層高壓氣囊數(shù)值模擬結(jié)果

4 風(fēng)險量化分級

首先是臨界氣侵超壓系數(shù)的確定,即臨界產(chǎn)氣對應(yīng)的氣層超壓系數(shù),當(dāng)?shù)貙訅毫π∮谂R界超壓系數(shù)所對應(yīng)的壓力值時,不會發(fā)生氣侵、井涌等情況。

按照靜水壓力、海水鉆進計算,井底靜液壓力Ph:

鉆井液循環(huán)時井底壓力Phe:

式中:△P 鉆井液循環(huán)時的附加壓力,油井一般為1.5-3.5MPa,氣井一般為3-5MPa,這里取值為3MPa。

將井底壓力換算為超壓系數(shù)約為1.145,研究表明,氣體在2-50MPa,5-150℃狀態(tài)下體積變化巨大,井底侵入1 單位的氣體噴發(fā)至井口體積膨脹約50～100 倍。超壓系數(shù)為1.15時,氣體噴出速率的峰值約為2×104m3/h,即5.6m3/s。將其換算至井底,約為0.06～0.1m3/s,據(jù)實際鉆進經(jīng)驗,氣侵后,井口有明顯顯示的是溢流,約1～2m3泥漿從環(huán)空溢出(即井底約1～2m3氣體侵入)時,才會視為氣侵、井涌等災(zāi)害發(fā)生。所以,0.06～0.1m3/s 的氣侵速率完全可以采取適當(dāng)提高鉆速的方式鉆過,1.15 可以定為臨界氣侵超壓系數(shù)。

對淺層氣災(zāi)害進行量化分級,主要依據(jù)的方法是對比分析、現(xiàn)場實際及井筒多相流計算。在本研究中,對比淺水流的分類方法,結(jié)合井筒多相流計算,在不考慮井筒內(nèi)油氣相變及氣體水合物相變的情況下,計算氣侵后將井筒內(nèi)所有泥漿頂替出的井底侵入速率,將淺層氣4 個等級,分別是輕微流(輕微氣侵),泡狀流(早期井涌),段塞流(井涌)和環(huán)流(井噴),如圖6 所示。

圖6 淺層氣危害分級

四級危害的具體解釋為:

(1)輕微流(輕微氣侵):氣體開始侵入井底,但在井口難以監(jiān)測。在井口,小于0.1m3的泥漿溢出,在小規(guī)模,壓力系數(shù)為1.15 的淺層氣層可能出現(xiàn)；

(2)泡狀流(早期井涌):中等氣侵,井口約有0.1-1m3泥漿溢出,在井底氣侵速率約10-100sm3/s；

(3)段塞流(井涌):大量氣體侵入井筒；(4)環(huán)流(井噴):井筒泥漿全部被氣體噴出,氣體持續(xù)噴出。具體數(shù)據(jù)如表2 所示。

表2 淺層氣危害分級表

5 淺層氣防治方法

根據(jù)鉆遇淺層氣風(fēng)險量化分級,形成了“避(識別規(guī)避)、快(加快通過)、壓(動態(tài)壓井)、棄(棄井新鉆)”的防治體系,具體如表3 所示。

表3 淺層氣防治體系