深水浅层钻井地质灾害调查与识别技术_吴怡.pdf

书书书第 25 卷 第 1 期重庆科技学院学报(自然科学版)2023 年 2 月深水浅层钻井地质灾害调查与识别技术吴 怡1，2周建良2，3张天玮1杨 进2宋 宇2傅 超2(1 中海油研究总院有限责任公司，北京 100028;2 中国石油大学(北京)，北京 102249;3 中国海洋石油集团有限公司，北京 100005)收稿日期:2022 05 11基金项目:国家自然科学基金重点项目“深水油气钻采井筒压力控制基础研究”(51734010)作者简介:吴怡(1987 )，男，硕士，高级工程师，研究方向为海洋钻完井技术。摘要:系统地阐述了深水浅层地质灾害的成因机理，并讨论其预测及识别问题。根据现有的海洋地质调查成果和测井作业水平，以及各种调查工具的响应特征，提出针对深水浅层地质灾害的定性识别方法。将声波速度这一参数用于其定量分析中，并通过模拟实验获得深水浅层地质灾害的声波特征响应。关键词:深水浅层钻井;地质灾害;浅层气;浅水流;天然气水合物中图分类号:P634文献标识码:A文章编号:1673 1980(2023)01 0001 090前言1985 年，墨西哥湾地区第一口深水井开钻，之后全球范围内的深水油气勘探和开发进程不断加快。据统计，近年来全球约 44%的海洋油气资源分布在水深大于 500 m 的深水区，且约 70%的重大油气发现于深水海域。深水海域已成为全球油气勘探开发的重要领域，特别是在巴西、圭亚那的深水区已发现多个超大型油气田。自 2005 年，我国开始启动深水油气战略选区项目，在开辟新方向的同时也面临新的挑战。在常规浅水区钻完井作业中，通常极少考虑地质灾害问题，而在深水海域作业中却不得不考虑其复杂的地质条件。随着地质灾害导致的深水钻探事故频发，深水浅层钻井地质灾害也逐渐受到关注，只有准确识别其灾害类型及其形成机理才能最大程度地保证深水钻井的成功1 3。随着深水浅层钻井地质灾害研究的不断深入，人们已认识到引起深水浅层钻井地质灾害的因素主要有浅层气、浅水流和天然气水合物。经过 10 余年的研究，已基本探明深水浅层钻井地质灾害的形成机理，也发展了相应的调查与识别技术。在此，我们通过浅层气、浅水流和天然气水合物的形成来归纳分析深水浅层地质灾害的形成机理，并充分讨论其预测与识别问题。1深水浅层地质灾害形成机理11深水浅层气形成机理浅层气是海床下几百米深范围内聚集的无开采价值的小规模天然气藏。当钻井作业中钻过气藏盖层时，压力释放后大量的浅层气会迅速逸出，这就有可能引起井筒气侵、井涌等复杂情况，甚至导致井喷而造成重大安全生产事故。通常，浅层气埋藏深度较浅(一般深度小于 1 500 m)、储量较小，是储存在地热成因或生物成因沉积物中的天然气。浅层气或以含气沉积物(浅层气藏)的形式存在，或在超压状态(浅层气囊)下出现，或直接向海底喷逸。根据有机地球化学及实验地球化学分析，海底浅层气可分为生物甲烷浅层气和热成甲烷浅层气。生物甲烷浅层气的主要成分是甲烷气体(约占98%)，此类浅层气藏是在海底沉积过程中由大量丰1DOI:10.19406/ki.cqkjxyxbzkb.2023.01.007吴怡，等:深水浅层钻井地质灾害调查与识别技术富的生物碎屑和有机质经甲烷菌分解后逐步转化成气体而形成。热成甲烷浅层气主要含金刚烷类化合物，是海底 2 000 m 以下的有机质在高温、高压作用下由干酪根裂解而形成的碳氢化合物，常呈超压状态(高压气囊)，有时也沿岩层孔隙、裂隙或断层面不断上升、运移、聚集而形成浅层气，此类浅层气藏的形成取决于原始有机物质的特性及其所处地质环境4 5。经过地质时期的运移与聚集，所形成的浅层气一般以 4 种形态稳定地埋藏于海底之下(见图 1)。图 1浅层气形态示意图(1)层状浅层气。在埋藏于海底的古湖泊、古河道、古三角洲地区，沉积物中有机质分解成的浅层气与沉积物相伴生，呈大面积层状分布。(2)团(块)状浅层气。由于深海区各沉积物中富集的有机质含量及沉积物孔隙率有差异，因此，浅层气通常并非均匀分布，而是成团或成块地相对富集于各区块。(3)高压气囊浅层气。深部天然气沿岩层的孔隙、裂隙、断层面上升到海底浅部，为不透气层(如黏土)所覆盖。随着时间的推移，压力不断加大，最终形成高压气囊。(4)气底辟浅层气。在长期的强大压力下，高压气囊向上部覆盖层的薄弱处冲挤，从而形成气底辟。气底辟浅层气向海底喷逸的形式有多种，主要呈“烟囱”状、“蘑菇云”状，或呈“火山”状激烈喷发。12深水浅水流形成机理浅水流是指出现异常高压的深水浅层未固结砂体。当钻遇异常高压砂体或在异常高压层位处进行固井操作时，由于井底压力失衡，砂水流会在高压驱动下进入井眼，进而对井壁、套管及井口装置等造成侵蚀，严重破坏井筒的完整性。深水钻井中，若在沉积层顶部钻遇细粒沉积砂层，而沉积砂层压力极高，以致井孔内产生强烈的砂水流，这时就会发生井喷等灾害性事故。这一高压砂层现象通常发生在海底下深度较浅层，即泥线下250 1 200 m 层。浅水流易发生在砂体疏松未固结，具有较大的孔隙度和渗透率，由低渗透的泥岩或页岩覆盖，产状有一定倾斜，形成一定体积规模，且足以产生大量砂水流的地质环境中6 8。地下高压砂岩层的形成源于压实速率不均衡和压实厚度不均衡，其机理如图 2 所示。在不均衡压实区，上覆沉积物快速沉积，同时下部高孔隙沉积层内的高压液体散失时又遭遇密封层的阻碍。密封层即压实层，其沉积速率不高、沉积面2吴怡，等:深水浅层钻井地质灾害调查与识别技术积大、渗透率低，因此压实良好的沉积层形成了密闭层，阻碍了下部沉积层内的高孔隙压力散失。沉积层沉积速率越高，地层孔隙压力就越大。压实厚度不均衡的机理可以用含沙层被包裹于粉砂质页岩的模型来描述:巨大的密闭层覆盖在砂质页岩层上，同时密闭层之上又覆盖着不同厚度的沉积层;较厚的沉积层导致砂质页岩层产生侧向压力，并将压力传递至砂层。如墨西哥湾深水海域，这种现象由于密西西比河的搬运作用而广泛存在。图 2浅水流形成机理示意图13深水浅层天然气水合物形成机理在深水钻井过程中，地层的温度和压力变化会使水合物的稳定状态遭到破坏，其分解后产生的大量气体会导致套管变形、井壁坍塌、井口失稳，或引发一系列问题9 11。天然气水合物是由天然气与水在高压低温条件下形成的笼形结晶物质，主要由以甲烷为主的烃类气体分子和水分子组成，其形成与地质环境和地质条件密切相关。从微观角度来看，天然气水合物为晶状结构，是由一种分子侵入另一种分子所结成的物理组合而形成。如果被侵入的是水分子，则形成的是晶状水合物;如果被侵入的是天然气，则形成的是天然气水合物。广义上，晶状水合物和天然气水合物一般统称为天然气水合物12。天然气水合物一般在低温和高压条件下生成，且压力越大就越不易分解。海底的地层为多孔介质，在温度、压力、气源三者条件都满足的情况下，天然气水合物晶体就会在介质的空隙间生成。2深水浅层钻井地质灾害调查技术现有的海洋深水浅层钻井地质调查可采用单波束、多波束、浅剖面、侧扫声呐(地貌)、电火花剖面、磁力仪、管线仪、扫描声呐、高分辨数字地震(2D/3D)等技术，一般通过船载和拖曳的方式进行作业。对于深水浅层钻井所面临的浅层气、浅水流和天然气水合物浅层地质灾害，通常采用海底浅剖面、电火花剖面、高分辨率数字地震、似海底反射(BS)等调查技术。21海底浅剖面调查技术常用的浅地层剖面仪，其穿透深度为 0 40 m，调频宽度为 1 10 kHz，垂直分辨率为 8 10 cm。应用浅地层剖面仪，可探测沉积地层结构和灾害地质，为井位/平台/管线选址、钻井设计提供浅地层评估数据。22电火花剖面调查技术电火花剖面仪，其发射能量为 50 6 000 J，工作频率为 60 5 000 Hz，穿透深度为海底下 300 1 000 m，垂直分辨率为 0 4 m。应用电火花剖面仪可探测沉积地层结构和灾害性地质情况(0 150 m)，其作用与海底地层浅剖面仪相似，但探测深度更深，分辨率相对较低。23高分辨率数字地震调查技术高分辨率数字地震仪，通常其最小道隔为3.125 m，道容量为 96 120，最大采样率为 16 kHz，带宽为 8 kHz，接收采样间隔时间为 0 2 4 ms，地层穿透深度为 300 1 000 m，垂直分辨率为 2 0 m。采用高分辨率数字地震仪，可探测0 1 000 m 深沉积地层的结构与灾害性地质。24似海底反射调查技术似海底反射调查中用的是地震勘探设备。天然3吴怡，等:深水浅层钻井地质灾害调查与识别技术气水合物沉积层具有较高的速度，而天然气水合物沉积层下的地层一般为烃类气体(游离气)聚集区，声速较低。这样水合物底界的强声阻抗就会产生强反射，从而在地震反射剖面上显示出一个独特的反射界面。此外，由于天然气水合物稳定带界线大致分布于同一海底深度，因此水合物稳定带底面的反射也大致与海底平行。25测井调查技术测井调查是用于油气识别的常规手段之一。随着油气勘探技术的迅速发展，测井调查技术也被引入到浅层地质灾害识别中，所用参数主要包括电阻率、声波时差、密度、中子孔隙度和伽马值等。3深水浅层钻井地质灾害识别技术31浅层气识别技术不同的探测资料显示出的浅层气响应特征也不尽相同13。若地层中含浅层气，且其相关的地球物理特征发生变化时，就会在地层记录剖面上表现出来。这些特征主要包括:(1)声波散射绕射。含浅层气岩层的波阻抗小于其上覆盖沉积层，反射界面的反射系数为负值，从而使含浅层气岩层顶面的反射波极性与不含浅层气岩层顶面的反射波极性相反，造成地震反射波相位倒转、海底反射杂乱，最终出现声波散射绕射的现象。(2)局部空白带。在含浅层气地层中，烃类气体能够吸收部分地震波能量，使得地震剖面上出现局部空白带。(3)“亮点”反射。在含浅层气的地层顶部，其地震反射波振幅异常，出现强振幅，在气层的顶面出现“亮点”反射。(4)麻坑和塌陷坑。浅层气体逸出或喷发，导致海底地震剖面上出现麻坑或大型塌陷坑。(5)“烟囟”状地震剖面。在地震勘探过程中，若受到浅层气体向上运移或喷发的垂向扰动，地震剖面上可能呈现“烟囱”状的图像特征。这种呈现“烟囱”状的地震记录剖面表示存在发生井喷的可能性，需要加以防范。此外，也可以应用地震速度谱识别技术和测井预测识别技术。利用地震波在不同介质中速度不同的特点，反复对道集进行正常时差校正及水平叠加处理，将每种速度下所得的叠加结果并置于速度 双程零炮间距时间平面中，以形成速度谱。岩石中纵波速度(vp)与空隙中的流体性质有关，当岩石含气时纵波速度会明显降低，以此推断地层是否含气。通过浅层气层测井资料分析，发现典型气层的测井响应一般具有高电阻率、高时差、低密度、低中子孔隙度和高伽马值等特征。32浅水流识别技术浅水流层一般具有较高孔隙度、较低密度等特征。在沉积过程中，机械压实作用不平衡导致砂层孔隙压力过高，从而产生较高的孔隙压力，同时降低了沉积颗粒之间的有效应力，使砂粒几乎处于悬浮状态，并呈现出流体的性质。与正常沉积岩层相比，浅水流层具有较低的纵波速度和横波速度，且横波速度降幅相对较大。通过研究发现，浅水流层表现出较高纵横波速比或泊松比特征。这些性质是识别浅水流较明显的标志，所以速度是用于浅水流预测的一个重要参数。根据所用资料的来源，将浅水流的识别方法分为反射地震法和测井法。反射地震法可以用于浅水流的钻前预测，且其预测精度较高，是目前最有效的常用方法。其原理是，根据浅水流的特征，从地震数据中提取有价值的参数进行反演处理，从而预测浅水流。浅水流测井与浅层气测井的不同主要体现在声波参数上。由于声波在浅水流中的速度很小，所以可利用此特点对测井所得声波速度曲线与正常声波曲线进行对比。33天然气水合物识别技术由于水合物层和下覆正常沉积层在地震波速度上有较大差异，所以在地震剖面上出现了 BS 特征(见图 3)，呈现出高振幅、负极性的特点。地震剖面的 BS 特征与水合物层稳定的底界面有关，水合物稳定带的基底通常位于海底之下数百米处的海洋沉积物中，且与海底地形近乎于平行。BS 所代表的天然气水合物与游离气层系相辅相成，二者之间可以转换，其转换率取决于