南海深水淺層氣致災演變過程及風險評估分析

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聚集的、規模比較小的,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,壓力系數可達1.2 甚至更高。淺層氣規模小,容易忽視其存在,但是因為具有高壓性質,所以在鉆井過程中鉆遇到淺層氣,可能會引起井筒氣侵、井涌等復雜情況,甚至導致井噴。所以對淺層氣的致災機理研究及風險評估尤為重要。

1 深水鉆井過程中淺層氣致災機理

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；

1.5 受到外部載荷的作用時(如鉆井作業等),一旦氣體釋放,土層將會產生較大的沉降量,地層可能發生下陷,從而很有可能引起地質災害的發生。

鉆遇不同規模、不同程度淺層氣的致災機理:

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

(2)較為嚴重淺層氣:破壞鉆井液性能,造成井涌、井眼擴大、影響井壁穩定；

(3)嚴重的淺層氣:可造成井噴失火、地層失穩、平臺坍塌等重大事故。

2 南海淺層氣地質及鉆遇數值模擬模型

以南海北部某區為例,該區域平均滲透率為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,模型建立的基本數據如表1。

表1 地質模型參數

淺層氣層是高壓氣體聚集的結果,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 的規模面積內,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,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 淺層氣噴發具有“壓力- 氣瞬間高速釋放”特征；

3.2 高壓氣囊壓力系數大,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值模擬結果,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 內迅速升高。對比兩圖可以發現,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 層狀淺層氣模擬結果

圖5 淺層高壓氣囊數值模擬結果

4 風險量化分級

首先是臨界氣侵超壓系數的確定,即臨界產氣對應的氣層超壓系數,當地層壓力小于臨界超壓系數所對應的壓力值時,不會發生氣侵、井涌等情況。

按照靜水壓力、海水鉆進計算,井底靜液壓力Ph:

鉆井液循環時井底壓力Phe:

式中:△P 鉆井液循環時的附加壓力,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約為1.145,研究表明,氣體在2-50MPa,5-150℃狀態下體積變化巨大,井底侵入1 單位的氣體噴發至井口體積膨脹約50～100 倍。超壓系數為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,據實際鉆進經驗,氣侵后,井口有明顯顯示的是溢流,約1～2m3泥漿從環空溢出(即井底約1～2m3氣體侵入)時,才會視為氣侵、井涌等災害發生。所以,0.06～0.1m3/s 的氣侵速率完全可以采取適當提高鉆速的方式鉆過,1.15 可以定為臨界氣侵超壓系數。

對淺層氣災害進行量化分級,主要依據的方法是對比分析、現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,結合井筒多相流計算,在不考慮井筒內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,但在井口難以監測。在井口,小于0.1m3的泥漿溢出,在小規模,壓力系數為1.15 的淺層氣層可能出現；

(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)環流(井噴):井筒泥漿全部被氣體噴出,氣體持續噴出。具體數據如表2 所示。

表2 淺層氣危害分級表

5 淺層氣防治方法

根據鉆遇淺層氣風險量化分級,形成了“避(識別規避)、快(加快通過)、壓(動態壓井)、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