深水淺層鉆井作業風險及應對措施

劉坤翔，陳彬，冉旭

(1.中海石油(中國)有限公司深圳分公司，廣東 深圳 618067； 2.中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司，廣東 深圳 618067)

1 深水淺層鉆井作業風險分類

按照我國現行定義標準，根據我國大陸架、大陸坡分布情況，洋流分布和海底地質特征，結合海上鉆井裝備能力和鉆井技術應用狀況，對海上作業井進行井型分類，其中水深大于500 h 為深水井，其中，若水深超過1 500 h，則稱為超深水井[1]。

深水淺層一般存在地層結構松軟、海床不穩定、海底淺部斷層、古河道、天然氣水合物、淺層氣淺層流等作業風險因素。這些風險因素可以根據當前的活動情況可以分為非活動性地質災害和活動性地質災害。深水淺層鉆井作業，即海底泥線以下淺部地層的鉆井作業時，為海水開路鉆進，未下入隔水管和防噴器組。此時，鉆柱泵入海水，底部鉆頭破巖后，由海水攜帶巖石碎屑返出至海底泥線。由于海水密度較低，且粘度較低、攜巖性能差，因此存在較高作業風險[2]。

2 深水淺層鉆井主要風險及應對措施

2.1 古河道或古水道沉積

如圖1 所示，埋藏古河道或古水道在三維地震圖上顯示為強振幅、變頻率的雜亂發射為主，有時可能存在高壓水層。需要結合三維地震等專業手段進行甄別。如南中國海深水B-1 井，在三維地震資料顯示一定深度存在振幅異常，結合與周圍地層同向軸比較，判斷為振幅異常區，河道充填物與周圍巖性有差別[3]。

表1 深水淺層鉆井作業風險分類

圖1 南中國海深水B-1 井三維地震圖上可見明顯振幅異常

預防措施：結合其他地震資料解釋或技術，進一步確認充填物信息，根據巖性計劃好鉆井工藝，防止卡鉆。鉆井作業前檢查泥漿泵等循環系統及其他設施，確保運轉良好。提前備好稠漿，定期清掃保持井眼清潔。建議使用如圖2 所示的DKD 動態壓井裝置((dynamic kill drilling，DKD)是一種未建立正常循環的深水淺層井段，以壓井方式控制鉆進作業中的淺層氣井涌及淺層水涌動等復雜情況的鉆井技術，其核心部件為一個混合器，混合器有兩個液體泵入口，一般為高密度重漿和海水，通過流量控制計實現快速體積配比，泵出口泵出混合鉆井液，泵入井筒內實現快速壓井)。

控制措施：合理設計鉆具組合，增加處理卡鉆的能力。鉆進古河道深度時做好鉆井參數監測，合理操作。

2.2 古侵蝕面

圖2 DKD 動態壓井裝置結構示意圖和現場照片

古侵蝕面多由于附近巖石變化產生，一般原因為地層不整合接觸，反應在數字地震圖上一般顯示為雜亂反射和平行或近平行層理的界面[4]。

預防措施：作業前檢查循環系統等設施，確保運轉良好。計劃好鉆井工藝，防止卡鉆。

控制措施：合理設計鉆具組合，增加處理卡鉆的能力。

2.3 斷層

斷層是深水淺層最常見的風險類型，利用高分辨率數字地震過井剖面上的反射波同向軸變化，可以看到明顯的地層不連續或地層錯動(圖3)[5]。

預防措施：獲取準確斷層信息、充填物質及風險；注意巖性變化，防止卡鉆。

圖3 過井位處斷層F2 在地震圖上呈現地層明顯錯動

控制措施：合理設計鉆具組合，增加處理卡鉆的能力。鉆進至斷層層位，調整鉆進參數控制鉆頭機械鉆速。

2.4 天然氣水合物

深水海底低溫高壓條件下，容易形成在海底天然氣水合物，易堵塞海底防噴器組管線。天然氣水合物是一種固態結晶物，形態類冰或雪，遇火即可燃燒。水合物氣化時會生成大量氣體，同時伴隨著熱效應[6]。

預防措施：在作業期間，在防噴器組空腔內注入乙二醇，壓井管匯內部替入水合物抑制液(如深水井的水合物抑制液一般為19%鹽水和10%乙二醇)，定期用鉆井液分別頂替壓井阻流管線(管線內部體積)；在井筒靜置期間，在防噴器組空腔及壓井管匯注入高濃度的水合物抑制劑。

2.5 淺層氣

淺層氣是一種最危險的海洋災害地質因素，一般以層狀、團狀、高壓氣囊、氣底辟四種狀態賦存于海底。一般埋深較淺，難以預測且反應時間短，一旦鉆遇，會以很快速度上竄至海面，氣體上竄過程中由于壓力降低，會快速膨脹，從而降低海水密度，危害極大[7]。

可以采用高分辨率聲學探測手段來獲取，三維地震圖上顯示為振幅異常，并結合專業手段可以進行甄別[8]。

預防措施：鑒于淺層氣存在的危害性極大，對于有淺層氣風險的深水井，在設計和鉆井作業期間都要制定詳細的應急預案和應對措施。作業可以參照的技術措施包括但不限于以下[9]：

(1)在井位處鉆小尺寸領眼井，提前釋放淺層氣風險；

(2)盡可能在淺層氣前下入表層套管下入，建立循環后用泥漿鉆進；

(3)鉆開淺層氣前，組織召開安全會議，明確淺層氣風險，宣貫應急措施、作業程序和作業要求，落實每個崗位的職責；

(4)配制足夠的高密度壓井重漿。

海上鉆井設備和工具選擇包括：

(1)作業前檢查循環系統、動力定位系統等設施，確保運轉良好；

(2)做好鉆井作業期間的海流圖、風向圖，確定移位方向，提前為鉆進淺層氣時做好平臺緊急避險；

(3)建議在鉆井平臺使用DKD。

控制措施：盡可能選擇無隔水管鉆遇，必要時緊急航行避險；作業時加強監控，在可能存在淺層氣深度控制鉆速；若有可疑淺層/淺層流時，停止鉆進，循環觀察，使用DKD 實現快速壓井。

應急處理：無隔水管鉆進時：移離井位。如果已經下入隔水管和防噴器組，則按淺層氣關井程序關井放噴，進行井控壓井作業。

2.6 歷史滑坡區

歷史滑坡區是在地質歷史時期，在一定的外界應力觸發下產生大塊的地層滑動或大量的沉積物群體運動，造成海底滑移、倒塌等毀滅性災難。

歷史滑坡區一般海底坡度較大，為越過大陸架之后，在陸坡帶水深陡然增加，海床的不穩定和大坡度都促使海底極易形成滑坡和泥石流，滑坡快速沉積形成較厚、松軟、高含且未膠結的地層，主要風險在于坐井口后存在井口被埋甚至井報廢的風險。主要表現為水深圖上顯示等深線較密。

預防措施：采用高抗彎強度井口；設置井口合理出泥高度。

控制措施：開鉆前用海底機器人(remotely operated vehicles，ROV)對周邊情況進行勘探；淺層鉆井作業期間，ROV 持續監測海床情況；ROV 配備沖洗工具；表層鉆進期間控制ROP，盡量降低對附近地層的擾動。

2.7 土質松軟

深水表層存在土質松軟、易垮易塌、地層承載力低等特點，表層土一般為含水量高打70% 左右的軟粘土，土體不排水抗剪強度小于200 kPa，導管下入到表層時樁基的承載力也比常規水深低，因此對導管作業固井作業帶來挑戰。由于軟粘土承載力低，因此還存在導管下入到設計深度后，繼續作業對淺層土進行擾動，破壞土體造成導管下沉和井口失穩等風險。

預防措施：采用噴射進行深水淺層鉆井作業，主要原理是采用噴射方式將表層導管下入到位，套管在其自重和鉆具組合重力作用下，隨鉆頭鉆出的領眼一并下行，并擠壓周圍海底地層直至設計深度，噴射到位后利用周圍地層的黏附力和摩擦力穩固導管。噴射法施工，實現鉆井+下套管一趟完成的技術，解決了深水鉆井淺層土質疏松、海底低溫、破裂壓力低和鉆入法找井眼困難等難題，同時，一開導管下入并吸附完成后，可以解鎖專用工具繼續進行二開井眼鉆進作業，實現了深水淺層高效鉆井作業。

控制措施：噴射作業設計需要結合土體強度、井口載荷、導管尺寸、頂張力值等進行綜合考慮分析計算，得出導管規格選型、最危險工況分析，形成井口穩定性分析報告。

3 結語

針對古河道/古水道。古侵蝕面等非活動性地質風險，一般以預防為主，可以通過作業前地震圖識別、合理鉆井設計進行規避和預防。

一些常見的、整體危害性不大的活動性地質災害，如：歷史滑坡區、天然氣水合物等，需要在作業前進行風險識別，并編制風險應急預案，并通過專業設計、管材優選、作業全過程監測和控制來達到降低安全風險、順利完成淺層鉆井作業的目的。

對于風險極高的活動性地質災害，如淺層氣，主要應對手段以規避為主，能避開就盡量避開，可以選擇以定向鉆井來實現原鉆探目的，如果確實無法規避，則需要進行全面的風險評估，并制定風險應急預案和備用方案，在作業前準備階段、作業過程中，均需要進行實時監測，在鉆進過程中注意鉆領眼井、優化鉆井參數、做好現場應急演練等措施實現安全平穩作業。