深水鉆井淺層地質(zhì)災(zāi)害及井控措施研究

劉楚桐

（西安石油大學(xué)石油工程學(xué)院，陜西 西安 710065）

隨著陸地油氣資源的日漸枯竭及油田中后期開(kāi)采難度增加，為了保證能源保障安全，全球多個(gè)國(guó)家已開(kāi)始進(jìn)行了海洋深水油氣資源勘探與開(kāi)采。由于海洋地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，在此過(guò)程中面臨的問(wèn)題也逐漸顯現(xiàn)，其中海洋深水鉆井淺層地質(zhì)災(zāi)害問(wèn)題尤為突出[1]。天然氣水合物、淺水流及淺層氣引起的一系列問(wèn)題直接影響著深水鉆井的安全，解決這些問(wèn)題對(duì)于海洋鉆探工作的相關(guān)人員來(lái)說(shuō)是巨大的挑戰(zhàn)與機(jī)遇。因此，了解研究深水鉆井淺層地質(zhì)災(zāi)害并采取相應(yīng)的井控措施對(duì)海洋深水鉆井工作意義重大，首先為了防止鉆井安全事故發(fā)生，降低事故發(fā)生率，保證人員和財(cái)產(chǎn)安全，其次是在遇到淺層地質(zhì)災(zāi)害時(shí)，可以為工作人員采取合理的措施提供依據(jù)。

故本文在已有的研究基礎(chǔ)之上，對(duì)深水鉆井中常見(jiàn)的天然氣水合物、淺水流以及淺層氣三種淺層地質(zhì)災(zāi)害的形成與危害、井控措施進(jìn)行論述。

1 深水淺層災(zāi)害的形成及危害

1.1 天然氣水合物

在深水海底中，天然氣水合物在滿足以下三個(gè)條件才會(huì)生成：1）同時(shí)存在較多的烴分子和水分子；2）存在低溫、高壓的環(huán)境；3）具有可作為儲(chǔ)存空間的地層。而深水中正好可以提供上述條件，為天然氣水合物形成提供便利條件。

天然氣水合物形成所需的烴分子來(lái)源廣泛，主要包括：1）溶解于海水中的甲烷；2）有機(jī)質(zhì)在生物作用下分解出的甲烷；3）非生物因素產(chǎn)生的甲烷。一般情況下說(shuō)，甲烷在海水中的溶解度較低，因而2）和3）中生成的甲烷在海洋環(huán)境下生成水合物的概率較大。

在深水鉆井中，鉆井液一直在和地層進(jìn)行了熱量交換，當(dāng)鉆至含有大量水合物的地層時(shí)，鉆井液攜帶的熱量傳給水合物，會(huì)使水合物的穩(wěn)定狀態(tài)被破壞，從而引起水合物分解產(chǎn)生大量氣體。這種情況會(huì)導(dǎo)致以下情況發(fā)生：1）大量氣體逸出導(dǎo)致壓力迅速增加，使得套管發(fā)生變形，嚴(yán)重時(shí)壓裂套管；2）導(dǎo)致海底坍塌以及井口失穩(wěn)；3）氣體進(jìn)入井筒伴隨鉆井液返回，隨著途中壓力溫度變化，氣體會(huì)劇烈膨脹，引發(fā)井噴等事故；4）當(dāng)壓力與溫度滿足條件時(shí)，氣體會(huì)與井筒內(nèi)的水形成水合物，堵塞管道，引起重大鉆井安全事故。

1.2 淺水流

淺水流的形成原因主要是以下5 個(gè)方面：1）不平衡壓實(shí)作用，沉積層沉積速度較快時(shí)，砂體空隙里的水無(wú)法及時(shí)排出，而且由于上覆水層與地層帶來(lái)了一定壓力，因此該空隙中的壓力較高，如圖1 所示。2） 差異壓實(shí)作用，不同上覆沉積物厚度帶來(lái)的壓力不同，較厚的沉積物上覆壓力更大，如圖2 所示。3）井身結(jié)構(gòu)的薄弱部分是套管鞋，當(dāng)靜液壓力大于地層壓力時(shí)，裂縫將在該部位出現(xiàn)，為淺層砂泥屑運(yùn)移提供了便捷通道。4）鉆井至淺層砂體時(shí)，鉆井液會(huì)給砂體提供壓力，引起異常壓力的現(xiàn)象發(fā)生。5）淺水流災(zāi)害也可能是淺層區(qū)固井質(zhì)量較差引起，砂水流會(huì)通過(guò)導(dǎo)管或者表管段固井產(chǎn)生的竄槽通道上返至海底泥線。

圖1 不平衡壓實(shí)作用示意圖

圖2 差異壓實(shí)作用示意圖

淺水流給深水鉆井帶來(lái)的危害如下：1）淺水流進(jìn)入井筒不斷沖蝕地層，地層的承載能力被降低，井口失穩(wěn)發(fā)生的概率增加；2）具有較高速度的淺水流會(huì)不斷沖蝕套管，引起固井質(zhì)量變差，使套管發(fā)生變形；3）會(huì)引起井涌或者井噴；4）砂水流會(huì)沖向泥線，導(dǎo)致井口裝置埋藏，極大可能會(huì)破壞井口裝置，還會(huì)引起井壁失穩(wěn)。

1.3 淺層氣

淺層氣的主要包括甲烷、乙烷、氨氣等成分，其中甲烷含量高，而且分布范圍較廣[2]。有機(jī)質(zhì)經(jīng)過(guò)分解后產(chǎn)生的大量氣體，形成淺層氣。淺層氣在裂縫與孔洞內(nèi)不斷移動(dòng)聚集，并且多數(shù)情況下淺層段地層并未壓實(shí)，內(nèi)部存在較多的裂縫和孔洞，更加方便淺層氣移動(dòng)。當(dāng)移動(dòng)到具備致密、低滲透性能的地層時(shí)，淺層氣聚集形成氣藏，壓力逐漸增加。

在鉆井作業(yè)中，當(dāng)鉆過(guò)氣藏蓋層時(shí)，淺層氣會(huì)大量迅速逸出，氣體在逸出海面持續(xù)上升的過(guò)程中，會(huì)不斷降低周圍海水的密度，從而引起半潛式海上鉆井平臺(tái)傾覆，造成重大安全生產(chǎn)事故。

2 井控措施

2.1 雙梯度鉆井技術(shù)

雙梯度技術(shù)為了從海底將鉆井液和巖屑循環(huán)到井口，采用海底防噴器和小口徑回流管線。該技術(shù)需要將一種特殊裝置安裝在海底防噴器頂部，將海水與鉆井液隔離，待鉆井液完成工作后，返回鉆井平臺(tái)。此方法可以將超深水與深水鉆井等效為淺水鉆井。

2.2 導(dǎo)管噴射鉆井技術(shù)

該技術(shù)在獲得鉆井作業(yè)的同時(shí)，將導(dǎo)管下入到井眼內(nèi)隔離淺部復(fù)雜地層，使海上鉆井的安全性增加，作業(yè)效率提高[3]。

2.3 動(dòng)態(tài)壓井法

由于摩擦阻力可以使得井底壓力增大，因此該技術(shù)主要通過(guò)增加鉆井液的循環(huán)量來(lái)提高磨擦阻力，使井底壓力與地層壓力達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，這種方法可以一定程度上解決淺層氣和淺層破裂壓力梯度低的問(wèn)題，降低災(zāi)害發(fā)生率。

2.4 抑制天然氣水合物形成的鉆井液體系

由上文可知，天然氣水合物會(huì)給深水鉆井帶來(lái)問(wèn)題，所以需要在鉆井液中添加可以抑制水合物生成的物質(zhì)，來(lái)避免此類問(wèn)題發(fā)生。例如高鹽/PHPA 聚合物鉆井液體系，該方法環(huán)境友好，在抑制水合物生成也有著不錯(cuò)的效果。

3 結(jié)論

通過(guò)上文的梳理分析，我們可以認(rèn)識(shí)到在深水鉆井中仍存在一些問(wèn)題，其中淺層地質(zhì)災(zāi)害問(wèn)題較為常見(jiàn)，主要包括天然氣水合物、淺水流以及淺層氣災(zāi)害。為了解決這些問(wèn)題，可以采用文中所述相應(yīng)的井控措施，以提高安全性和經(jīng)濟(jì)效益。