田 波，王躍曾，李思洋

（中海石油深海開發(fā)有限公司，廣東珠海 519000）

隨著深水油氣勘探開發(fā)不斷深入、危及深水鉆井作業(yè)安全的海洋地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，防范事故發(fā)生是確保鉆井安全與降低成本的最有效措施。井位工程地質(zhì)調(diào)查是在鉆井開始之前，對井場區(qū)及鉆井過程中可能遇上的地質(zhì)災(zāi)害進行評估，預(yù)測可能存在危及鉆井安全的地質(zhì)因素，以便在鉆井過程中做出相應(yīng)的防范措施，其中，海底淺層氣是引起淺層災(zāi)害的主要因素之一。超深水海底上部地層多海底淤泥，地層壓實程度低，容易存在淺層氣危害。由于存在多解性，完全識別超深水淺層氣較為困難；超深水淺層氣壓力更高，更容易發(fā)生井噴，井噴后強行關(guān)井易失去控制并造成更大的井噴、爆炸起火、井口塌陷、燒毀鉆機等[1]，因此，必須認真對待超深水探井鉆井作業(yè)中的淺層氣識別和防范。

1 超深水海底淺層氣介紹

1.1 超深水海底淺層氣簡介

超深水海底淺層氣是指在超深水（水深＞1 500 m）海域海床以下1 500 m范圍內(nèi)聚積的氣體，主要成分是生物甲烷氣或熱成甲烷氣。調(diào)查表明，在珠江口盆地含有較大范圍的淺層氣存在，以含氣沉積物、連續(xù)或不連續(xù)層狀氣藏、超壓氣囊、氣底辟、構(gòu)造氣藏、沿斷層運移封閉氣藏等形態(tài)賦存于地層中[2]。淺層氣向海底噴逸的形式主要呈“煙囪”狀、“蘑菇云”狀或“火山”狀等，在海底表面容易形成“麻坑”、“麻坑”群、洼坑及氣道等泥面特征，在淺層剖面上海床面出現(xiàn)洼坑、氣道，或原來連續(xù)的地層突然出現(xiàn)空白或模糊一片等特征；當(dāng)旁側(cè)聲吶與淺層剖面儀同步作業(yè)時，記錄圖像上可以同時觀察到淺層氣“麻坑”及對應(yīng)的氣體噴逸通道。

1.2 超深水鉆井中的淺層氣危害

海底淺層氣對超深水鉆井作業(yè)的危害應(yīng)引起足夠重視，淺層氣會引起溢流、井噴、火災(zāi)、甚至深水鉆井平臺傾覆等災(zāi)難性事故，嚴重威脅到作業(yè)人員的生命安全。根據(jù)挪威船級社的調(diào)查，33%的氣體井噴起源于淺層氣，54%的淺層氣井噴會導(dǎo)致嚴重后果[3]。

2 證明淺層氣存在的證據(jù)

淺層氣存在的證據(jù)主要有直接證據(jù)和間接證據(jù)，前者主要是通過地球物理調(diào)查、海底沉積物和底水樣品的地球化學(xué)分析、鉆井泥漿等方式獲得；后者是通過海底沉積特征、氣體滲漏、與甲烷有關(guān)的碳酸巖結(jié)殼、異常生物群落等現(xiàn)象獲得。

2.1 地震剖面中淺層氣存在的直接證據(jù)

（1）濁積反射：由于聲波能量分散而形成的雜亂反射，地震剖面上表現(xiàn)為黑色斑點。（2）增強反射：通常出現(xiàn)在濁積反射側(cè)面，呈連續(xù)的強振幅反射。（3）柱狀擾動或氣煙囪：正常的地震反射層序由于受到孔隙流體，特別是天然氣的向上運移而受到擾動或破壞所呈現(xiàn)的垂向反射特征。（4）空白反射：地震剖面上推測由天然氣造成的呈補丁狀的弱反射或無反射。（5）亮點：含氣層頂部所表現(xiàn)出的強振幅，負相位反射。值得注意的是：地震剖面上的亮點存在多解性，“亮點”既可能是“氣層”，也可能是“礫石夾層”、“煤層”或“褐煤層”等，另外，亮點的識別受人為影響較大，同時受接收信號處理質(zhì)量的影響。

2.2 地震剖面中淺層氣存在的間接證據(jù)

（1）海底表面特征：①麻坑：由逃逸流體（主要為氣體）帶走海底沉積物形成的海底凹坑。②海底圓丘：海底圓丘可能是麻坑的初級階段。③泥底辟：泥底辟是由塑性沉積體在浮力作用下向上刺穿另一個塑性沉積體而形成的。④巨大的氣體土堆：它們與油氣滲漏、天然氣水合物和排氣型動物有關(guān)。⑤強反射海底：旁側(cè)聲吶上顯示的補丁狀強反射海底與穿出海底的擴散流體滲漏有關(guān)。

（2）滲漏特征：通過聲波或水下攝像可觀測到滲漏水柱。在回聲探測、旁側(cè)聲吶和高精度地震記錄上，滲漏流體呈垂直或傾斜的黑色羽狀。

（3）與甲烷有關(guān)的碳酸鹽巖，存在碳酸鹽巖結(jié)殼的海底，旁側(cè)聲吶記錄為強反射區(qū)。異常生物群落滲漏區(qū)生物活動異常。

3 淺層氣識別方法

通常情況下，井場調(diào)查采用高分辨率地震、多波束測深、旁側(cè)聲吶、淺地層剖面等物探方法[4]，查清井場范圍內(nèi)的海底地形地貌、做淺層地質(zhì)災(zāi)害可能性評估等，隨著地震勘探技術(shù)的發(fā)展，對于以動力定位半潛式鉆井平臺的超深水井場調(diào)查則可以利用以油氣勘探為目的的三維地震數(shù)據(jù)進行二維高分辨率處理[5]，以獲得井場區(qū)的地質(zhì)資料，以該資料為基礎(chǔ)，在室內(nèi)對井場海底工程地質(zhì)災(zāi)害的可能性做出解釋、研究和評估（見表1）。在實際工程中，僅僅研究鉆前的淺層地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測是不夠的，還應(yīng)該對各種可能發(fā)生的淺層地質(zhì)災(zāi)害所應(yīng)采取的措施進行研究，同時做好施工過程中地質(zhì)災(zāi)害的檢測、提前預(yù)警等工作。

3.1 國外淺層災(zāi)害識別

三維數(shù)據(jù)的使用結(jié)合繪圖技術(shù)使繪制地質(zhì)災(zāi)害和地質(zhì)特征更加高效和準(zhǔn)確（OTC-7968）。高分辨率網(wǎng)格技術(shù)確保能夠及時識別潛在的氣體積聚（OTC-5758）。

3.2 國內(nèi)外淺層災(zāi)害識別

國內(nèi)常用的淺層災(zāi)害的識別方法主要包括：測井、反射地震兩大類方法，在每一類方法中又包含有許多具體的應(yīng)用技術(shù)[6，7]。

由表1可知，國內(nèi)主要通過地震反演方法識別和預(yù)測淺層災(zāi)害[8，9]。在資料允許的情況下應(yīng)該綜合應(yīng)用多種方法，盡量增加約束條件，從而最大程度地提高淺層災(zāi)害識別和預(yù)測的精度。

4 超深水探井淺層災(zāi)害預(yù)測方法

根據(jù)國內(nèi)外相關(guān)經(jīng)驗，對南海東部超深水M井淺層災(zāi)害采取針對性方法，用高分辨率二維地震資料反演預(yù)測淺層氣。下邊以“速度反演結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測氣煙囪體”為例介紹淺層氣的識別方法。

4.1 淺層氣的預(yù)測

對地震資料進行氣煙囪體處理，確定淺層氣通道。對地震資料進行速度反演（擬聲波測井處理），再利用反演得出的聲波曲線進行地層壓力預(yù)測，確定淺層氣異常（見圖1）。

4.2 淺層氣的預(yù)測

圖1 淺層災(zāi)害預(yù)測流程圖

預(yù)測淺層氣最有效的方法就是氣煙囪體反演方法。氣煙囪體反演的主要技術(shù)是基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模式識別（Neural Networks）（見圖2），其工作流程為[10-18]：

圖2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模式識別示意圖

（1）數(shù)據(jù)分析－選擇屬性組。

（2）選擇代表性的訓(xùn)練點。

（3）在訓(xùn)練點上計算地震屬性。

（4）反饋計算數(shù)據(jù)到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)并訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

表1 國內(nèi)外淺層災(zāi)害識別應(yīng)用技術(shù)

（5）利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測氣煙囪體的技術(shù)思路是：

①計算和確定單地震道或多地震道的屬性集，這些屬性集可以區(qū)分氣煙囪體和非氣煙囪體（見圖3）；②利用人為確定的氣煙囪體和非氣煙囪體處提取的屬性來設(shè)計和訓(xùn)練一個神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（見圖4）。

圖3 過M井A測線氣煙囪體剖面

圖4 過M井A測線氣煙囪體與能量剖面

4.3 研究結(jié)論

從眾多反演剖面圖可以看出，M井鉆遇淺層氣的可能性幾乎為零。

5 M井淺層災(zāi)害識別后評估

對M井進行了淺層地質(zhì)災(zāi)害的識別與預(yù)測[19，20]，屬于鉆前預(yù)測?，F(xiàn)在鉆井工程已經(jīng)完成，通過收集到的鉆井日報以及實鉆巖性柱和曲線，對M井淺層災(zāi)害識別做出后評估，主要是對比鉆前預(yù)測結(jié)果和實鉆情況，判斷預(yù)測結(jié)果。

5.1 工區(qū)井場介紹

M井位于中國南海東部，水深2 451 m，是我國第一口自營水深超過2 000 m的探井，設(shè)計井深4 000 m。

5.2 M井淺層地質(zhì)災(zāi)害評估

預(yù)測的淺層災(zāi)害包括淺層氣、淺水流及天然氣水合物[21]，三種淺層災(zāi)害各有特點，預(yù)測淺層氣運用了氣煙囪體反演的方法，通過對比存在淺層氣井的氣煙囪體，判斷：M井出現(xiàn)淺層氣的可能性很小。

5.3 后評估結(jié)果

通過收集的鉆井日報及測井資料并沒有發(fā)現(xiàn)有淺層氣災(zāi)害的跡象，實鉆過程中沒有發(fā)現(xiàn)壓力異常及其他淺層氣引發(fā)的事故，在測井曲線和柱狀巖性中，除了發(fā)現(xiàn)的天然氣層段外，測井曲線中并未出現(xiàn)高電阻率、高時差及低密度等現(xiàn)象，確認M井位沒有淺層氣。

綜合上述，鉆前預(yù)測與鉆井實際情況吻合，井區(qū)不存在淺層氣。

6 認知與建議

（1）在超深水地質(zhì)條件下，利用高分辨率2-D地震資料，運用“速度反演結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測氣煙囪體”方法進行超深水淺層氣預(yù)測，收到了預(yù)期效果。

（2）利用高分辨率2-D地震資料，運用“速度反演結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測氣煙囪體”預(yù)測超深水淺層氣是一種行之有效的方法，為了增加安全邊際，建議在采用這種方法的同時必須結(jié)合其他方法進行對比印證。

（3）淺層氣井噴防控是超深水鉆井作業(yè)中最棘手的難題之一，無論鉆前研究的結(jié)果如何，作業(yè)者和承包商都必須高度重視鉆前調(diào)研、設(shè)備配備、應(yīng)急計劃制訂、人員培訓(xùn)（含實際操作）、演習(xí)和實際監(jiān)控等工作，必須認清：任何疏漏，都可能導(dǎo)致發(fā)生重大災(zāi)難。