深水鉆井淺層地質災害及井控措施研究

劉楚桐

（西安石油大學石油工程學院，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采難度增加，為了保證能源保障安全，全球多個國家已開始進行了海洋深水油氣資源勘探與開采。由于海洋地質環境復雜，在此過程中面臨的問題也逐漸顯現，其中海洋深水鉆井淺層地質災害問題尤為突出[1]。天然氣水合物、淺水流及淺層氣引起的一系列問題直接影響著深水鉆井的安全，解決這些問題對于海洋鉆探工作的相關人員來說是巨大的挑戰與機遇。因此，了解研究深水鉆井淺層地質災害并采取相應的井控措施對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生，降低事故發生率，保證人員和財產安全，其次是在遇到淺層地質災害時，可以為工作人員采取合理的措施提供依據。

故本文在已有的研究基礎之上，對深水鉆井中常見的天然氣水合物、淺水流以及淺層氣三種淺層地質災害的形成與危害、井控措施進行論述。

1 深水淺層災害的形成及危害

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條件才會生成：1）同時存在較多的烴分子和水分子；2）存在低溫、高壓的環境；3）具有可作為儲存空間的地層。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源廣泛，主要包括：1）溶解于海水中的甲烷；2）有機質在生物作用下分解出的甲烷；3）非生物因素產生的甲烷。一般情況下說，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行了熱量交換，當鉆至含有大量水合物的地層時，鉆井液攜帶的熱量傳給水合物，會使水合物的穩定狀態被破壞，從而引起水合物分解產生大量氣體。這種情況會導致以下情況發生：1）大量氣體逸出導致壓力迅速增加，使得套管發生變形，嚴重時壓裂套管；2）導致海底坍塌以及井口失穩；3）氣體進入井筒伴隨鉆井液返回，隨著途中壓力溫度變化，氣體會劇烈膨脹，引發井噴等事故；4）當壓力與溫度滿足條件時，氣體會與井筒內的水形成水合物，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 個方面：1）不平衡壓實作用，沉積層沉積速度較快時，砂體空隙里的水無法及時排出，而且由于上覆水層與地層帶來了一定壓力，因此該空隙中的壓力較高，如圖1 所示。2） 差異壓實作用，不同上覆沉積物厚度帶來的壓力不同，較厚的沉積物上覆壓力更大，如圖2 所示。3）井身結構的薄弱部分是套管鞋，當靜液壓力大于地層壓力時，裂縫將在該部位出現，為淺層砂泥屑運移提供了便捷通道。4）鉆井至淺層砂體時，鉆井液會給砂體提供壓力，引起異常壓力的現象發生。5）淺水流災害也可能是淺層區固井質量較差引起，砂水流會通過導管或者表管段固井產生的竄槽通道上返至海底泥線。

圖1 不平衡壓實作用示意圖

圖2 差異壓實作用示意圖

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

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]。有機質經過分解后產生的大量氣體，形成淺層氣。淺層氣在裂縫與孔洞內不斷移動聚集，并且多數情況下淺層段地層并未壓實，內部存在較多的裂縫和孔洞，更加方便淺層氣移動。當移動到具備致密、低滲透性能的地層時，淺層氣聚集形成氣藏，壓力逐漸增加。

在鉆井作業中，當鉆過氣藏蓋層時，淺層氣會大量迅速逸出，氣體在逸出海面持續上升的過程中，會不斷降低周圍海水的密度，從而引起半潛式海上鉆井平臺傾覆，造成重大安全生產事故。

2 井控措施

2.1 雙梯度鉆井技術

雙梯度技術為了從海底將鉆井液和巖屑循環到井口，采用海底防噴器和小口徑回流管線。該技術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。此方法可以將超深水與深水鉆井等效為淺水鉆井。

2.2 導管噴射鉆井技術

該技術在獲得鉆井作業的同時，將導管下入到井眼內隔離淺部復雜地層，使海上鉆井的安全性增加，作業效率提高[3]。

2.3 動態壓井法

由于摩擦阻力可以使得井底壓力增大，因此該技術主要通過增加鉆井液的循環量來提高磨擦阻力，使井底壓力與地層壓力達到穩定狀態，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題，降低災害發生率。

2.4 抑制天然氣水合物形成的鉆井液體系

由上文可知，天然氣水合物會給深水鉆井帶來問題，所以需要在鉆井液中添加可以抑制水合物生成的物質，來避免此類問題發生。例如高鹽/PHPA 聚合物鉆井液體系，該方法環境友好，在抑制水合物生成也有著不錯的效果。

3 結論

通過上文的梳理分析，我們可以認識到在深水鉆井中仍存在一些問題，其中淺層地質災害問題較為常見，主要包括天然氣水合物、淺水流以及淺層氣災害。為了解決這些問題，可以采用文中所述相應的井控措施，以提高安全性和經濟效益。