淺層氣場址工程處理方法探討

王艷秋

摘 要：在海洋油氣開發中，淺層氣是一種常見的災害性地質現象。文中提出了通過孔壓靜力觸探（PCPT）和孔壓消散試驗（PDT）來測量含氣層中的超孔隙壓力，定量地評價淺層氣對基礎穩定性的影響程度，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定性又可避免鉆井過程中淺層氣井噴事故的發生，達到了減輕作業風險、降低成本的目的。

關鍵詞：淺層氣 孔壓靜力觸探 孔壓消散試驗 減壓井

中圖分類號：TE32 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）06（c）-0071-02

已有工程地質和工程物探調查資料表明，在渤海很多區域都存在或多或少的淺層氣，如渤中區塊、蓬萊區塊、旅大區塊都存在較大面積的淺層氣富集區。淺層氣的存在，會不同程度的降低地基土的承載力，增加基礎的沉降和變形；淺層氣溢出或噴出，將會導致地層塌陷、地基失穩，嚴重時破壞上部結構物，危及財產及人員安全。

目前，對含有淺層氣地層調查主要是通過工程物探方法來定性評價淺層氣分布范圍及其成因等。當發現調查區域地層中有淺層氣分布時，如果鉆井船或鉆井平臺直接避開淺層氣區勢必將會增加油氣勘探、開發成本。如果通過某些途徑能定量評估含淺層氣地層的壓力及含氣量，即可有針對性地采取相應的預防措施，達到減輕作業風險、降低成本的目的。

國內外也有使用勘探船對淺層氣場址含氣量評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區塊勘探鉆井時，大約60%的井都鉆穿了淺層氣。為精確掌握淺層氣場址地層中的淺層氣情況以及在Gullfaks"A"平臺到位之前使氣砂衰竭，在Gullfaks"A"平臺附近鉆了許多550 m的調研井。2005年，杭州灣南引橋灘涂區在勘察時發現地層中存在壓力較大的淺層氣，為了待建設施的安全，對橋址區的淺層氣進行了集中排放和零星放氣[1]。

1 解決淺層氣對工程影響的方法

當在某場址地層中發現淺層氣時，應按照以下步驟進行工作。

（1）基于工程物探資料（淺/中地層剖面、二維數字地震剖面）定性評估場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）進行桌面研究，根據定性評價的淺層氣富集程度及壓力等，評估工程地質鉆孔船在淺層氣場址進行鉆孔的安全性，評估鉆井平臺是否需要移井位。

（3）如定性評估后，鉆井平臺不需要移位，則應使用鉆孔船定量地評價淺層氣對基礎穩定性的影響程度，來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鉆井時可能發生淺層氣井噴，則應安裝減壓井。

1.1 淺層氣對基礎穩定性影響評價

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

對于固定式樁基礎平臺，其單樁極限承載力表達式為：

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總面積；qp為單位樁端承載力；Ap為樁端面積；為粘聚力系數；Su為粘性土的不排水抗剪強度；為計算點處的有效上覆壓力；為不排水抗剪強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使土體中的超孔隙壓力（）增加，因而降低了土體的有效應力（），使土的強度和硬度降低，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，即可對含氣地層的承載力進行分析，進而定量地評價淺層氣對基礎穩定性的影響程度。孔壓靜力觸探（PCPT）和孔壓消散試驗（PDT）是一種可以測量地層中超孔隙壓力的一種原位測試方法。

1.2 減輕淺層氣影響的處理方法

當預定鉆井船井場、平臺場址發現有淺層氣存在，且地基承載力不滿足要求時，提前安裝減壓井能夠有效消除淺層氣噴發，以及減輕對基礎穩定性的影響。該裝置工作性能很好，在真的發生淺層氣井噴時，可很快地撤離。同鉆機上人員和設備暴露于淺層氣風險的程度相比，人員和設備暴露于土壤鉆孔船上的風險小得多。

1.2.1 作業程序

（1）方案設計：①資料收集及分析；②確定方案（孔數、位置、深度、方法等）；③編制實施計劃（作業程序、操作步驟、應急計劃等）。

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

（3）現場安裝：①鉆孔至預定深度；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 作業安全措施

（1）作業前：①緊急撤離演習；②所有引擎安裝自動緊急停止裝置；③排氣管加裝排氣帽；④加重泥漿準備、守護船待命；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）作業過程中：①確認加重泥漿準備量及泥漿比重；②觀察海流及方向變化情況；③關閉甲板所有非防爆設備、關閉艙室門窗及不必要的通風孔；④鉆進通過異常區時，確認所有檢測儀器有人看管；⑤注意觀察所有與淺層氣活動有關的現象；⑥避免起、下鉆時誘發淺層氣溢出的現象。

2 工程實例

2004年7月，在南海樂東區塊某平臺場址進行工程物探調查時發現：海底以下65～70 m處開始往下，直至海底以下500 m深度范圍內，分布淺層氣異常反射。為查明淺層氣對平臺樁基礎穩定性的影響以及確認是否需要安裝減壓井，在平臺場址處，完成了一個120 m連續PCPT測試，對潛在含氣層進行了PDT測試[3]，測試成果見圖2。

根據平臺場址的土質參數以及樁的參數[3]，由公式（1）、（2）、（3）、（4）計算得出了單樁的承載力，見表1。

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

3 結論

（1）應用PCPT及PDT原位測試結果，能夠對含淺層氣地層的地基穩定性做出定量評估。

（2）安裝減壓井是減輕淺層氣對基礎穩定性影響，以及防范作業安全風險的有效手段，且能很大程度上降低海上油氣田開發成本。

（3）淺層氣不僅對鉆井船和平臺安全作業構成潛在危害，在工程地質鉆探作業中，也同樣可能會遇到危險。因此，對作業人員技術、經驗，以及作業船舶的裝備能力有較高的要求。

參考文獻

[1] 伍軍，李上壽，孟慶斌.淺層氣富集區海上長大鉆孔樁快速施工技術[J].鐵道建設，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.