劉坤翔，陳彬，冉旭

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

1 深水淺層鉆井作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)分類

按照我國(guó)現(xiàn)行定義標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)我國(guó)大陸架、大陸坡分布情況，洋流分布和海底地質(zhì)特征，結(jié)合海上鉆井裝備能力和鉆井技術(shù)應(yīng)用狀況，對(duì)海上作業(yè)井進(jìn)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(jié)構(gòu)松軟、海床不穩(wěn)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(yè)風(fēng)險(xiǎn)因素。這些風(fēng)險(xiǎn)因素可以根據(jù)當(dāng)前的活動(dòng)情況可以分為非活動(dòng)性地質(zhì)災(zāi)害和活動(dòng)性地質(zhì)災(zāi)害。深水淺層鉆井作業(yè)，即海底泥線以下淺部地層的鉆井作業(yè)時(shí)，為海水開路鉆進(jìn)，未下入隔水管和防噴器組。此時(shí)，鉆柱泵入海水，底部鉆頭破巖后，由海水?dāng)y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(yè)風(fēng)險(xiǎn)[2]。

2 深水淺層鉆井主要風(fēng)險(xiǎn)及應(yīng)對(duì)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(qiáng)振幅、變頻率的雜亂發(fā)射為主，有時(shí)可能存在高壓水層。需要結(jié)合三維地震等專業(yè)手段進(jìn)行甄別。如南中國(guó)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(jié)合與周圍地層同向軸比較，判斷為振幅異常區(qū)，河道充填物與周圍巖性有差別[3]。

表1 深水淺層鉆井作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)分類

圖1 南中國(guó)海深水B-1 井三維地震圖上可見明顯振幅異常

預(yù)防措施：結(jié)合其他地震資料解釋或技術(shù)，進(jìn)一步確認(rèn)充填物信息，根據(jù)巖性計(jì)劃好鉆井工藝，防止卡鉆。鉆井作業(yè)前檢查泥漿泵等循環(huán)系統(tǒng)及其他設(shè)施，確保運(yùn)轉(zhuǎn)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(dòng)態(tài)壓井裝置((dynamic kill drilling，DKD)是一種未建立正常循環(huán)的深水淺層井段，以壓井方式控制鉆進(jìn)作業(yè)中的淺層氣井涌及淺層水涌動(dòng)等復(fù)雜情況的鉆井技術(shù)，其核心部件為一個(gè)混合器，混合器有兩個(gè)液體泵入口，一般為高密度重漿和海水，通過流量控制計(jì)實(shí)現(xiàn)快速體積配比，泵出口泵出混合鉆井液，泵入井筒內(nèi)實(shí)現(xiàn)快速壓井)。

控制措施：合理設(shè)計(jì)鉆具組合，增加處理卡鉆的能力。鉆進(jìn)古河道深度時(shí)做好鉆井參數(shù)監(jiān)測(cè)，合理操作。

2.2 古侵蝕面

圖2 DKD 動(dòng)態(tài)壓井裝置結(jié)構(gòu)示意圖和現(xiàn)場(chǎng)照片

古侵蝕面多由于附近巖石變化產(chǎn)生，一般原因?yàn)榈貙硬徽辖佑|，反應(yīng)在數(shù)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(yù)防措施：作業(yè)前檢查循環(huán)系統(tǒng)等設(shè)施，確保運(yùn)轉(zhuǎn)良好。計(jì)劃好鉆井工藝，防止卡鉆。

控制措施：合理設(shè)計(jì)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(fēng)險(xiǎn)類型，利用高分辨率數(shù)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(xù)或地層錯(cuò)動(dòng)(圖3)[5]。

預(yù)防措施：獲取準(zhǔn)確斷層信息、充填物質(zhì)及風(fēng)險(xiǎn)；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(xiàn)地層明顯錯(cuò)動(dòng)

控制措施：合理設(shè)計(jì)鉆具組合，增加處理卡鉆的能力。鉆進(jìn)至斷層層位，調(diào)整鉆進(jìn)參數(shù)控制鉆頭機(jī)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(tài)結(jié)晶物，形態(tài)類冰或雪，遇火即可燃燒。水合物氣化時(shí)會(huì)生成大量氣體，同時(shí)伴隨著熱效應(yīng)[6]。

預(yù)防措施：在作業(yè)期間，在防噴器組空腔內(nèi)注入乙二醇，壓井管匯內(nèi)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(nèi)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(xiǎn)的海洋災(zāi)害地質(zhì)因素，一般以層狀、團(tuán)狀、高壓氣囊、氣底辟四種狀態(tài)賦存于海底。一般埋深較淺，難以預(yù)測(cè)且反應(yīng)時(shí)間短，一旦鉆遇，會(huì)以很快速度上竄至海面，氣體上竄過程中由于壓力降低，會(huì)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(xué)探測(cè)手段來獲取，三維地震圖上顯示為振幅異常，并結(jié)合專業(yè)手段可以進(jìn)行甄別[8]。

預(yù)防措施：鑒于淺層氣存在的危害性極大，對(duì)于有淺層氣風(fēng)險(xiǎn)的深水井，在設(shè)計(jì)和鉆井作業(yè)期間都要制定詳細(xì)的應(yīng)急預(yù)案和應(yīng)對(duì)措施。作業(yè)可以參照的技術(shù)措施包括但不限于以下[9]：

(1)在井位處鉆小尺寸領(lǐng)眼井，提前釋放淺層氣風(fēng)險(xiǎn)；

(2)盡可能在淺層氣前下入表層套管下入，建立循環(huán)后用泥漿鉆進(jìn)；

(3)鉆開淺層氣前，組織召開安全會(huì)議，明確淺層氣風(fēng)險(xiǎn)，宣貫應(yīng)急措施、作業(yè)程序和作業(yè)要求，落實(shí)每個(gè)崗位的職責(zé)；

(4)配制足夠的高密度壓井重漿。

海上鉆井設(shè)備和工具選擇包括：

(1)作業(yè)前檢查循環(huán)系統(tǒng)、動(dòng)力定位系統(tǒng)等設(shè)施，確保運(yùn)轉(zhuǎn)良好；

(2)做好鉆井作業(yè)期間的海流圖、風(fēng)向圖，確定移位方向，提前為鉆進(jìn)淺層氣時(shí)做好平臺(tái)緊急避險(xiǎn)；

(3)建議在鉆井平臺(tái)使用DKD。

控制措施：盡可能選擇無隔水管鉆遇，必要時(shí)緊急航行避險(xiǎn)；作業(yè)時(shí)加強(qiáng)監(jiān)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(shí)，停止鉆進(jìn)，循環(huán)觀察，使用DKD 實(shí)現(xiàn)快速壓井。

應(yīng)急處理：無隔水管鉆進(jìn)時(shí)：移離井位。如果已經(jīng)下入隔水管和防噴器組，則按淺層氣關(guān)井程序關(guān)井放噴，進(jìn)行井控壓井作業(yè)。

2.6 歷史滑坡區(qū)

歷史滑坡區(qū)是在地質(zhì)歷史時(shí)期，在一定的外界應(yīng)力觸發(fā)下產(chǎn)生大塊的地層滑動(dòng)或大量的沉積物群體運(yùn)動(dòng)，造成海底滑移、倒塌等毀滅性災(zāi)難。

歷史滑坡區(qū)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(wěn)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(jié)的地層，主要風(fēng)險(xiǎn)在于坐井口后存在井口被埋甚至井報(bào)廢的風(fēng)險(xiǎn)。主要表現(xiàn)為水深圖上顯示等深線較密。

預(yù)防措施：采用高抗彎強(qiáng)度井口；設(shè)置井口合理出泥高度。

控制措施：開鉆前用海底機(jī)器人(remotely operated vehicles，ROV)對(duì)周邊情況進(jìn)行勘探；淺層鉆井作業(yè)期間，ROV 持續(xù)監(jiān)測(cè)海床情況；ROV 配備沖洗工具；表層鉆進(jìn)期間控制ROP，盡量降低對(duì)附近地層的擾動(dòng)。

2.7 土質(zhì)松軟

深水表層存在土質(zhì)松軟、易垮易塌、地層承載力低等特點(diǎn)，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(qiáng)度小于200 kPa，導(dǎo)管下入到表層時(shí)樁基的承載力也比常規(guī)水深低，因此對(duì)導(dǎo)管作業(yè)固井作業(yè)帶來挑戰(zhàn)。由于軟粘土承載力低，因此還存在導(dǎo)管下入到設(shè)計(jì)深度后，繼續(xù)作業(yè)對(duì)淺層土進(jìn)行擾動(dòng)，破壞土體造成導(dǎo)管下沉和井口失穩(wěn)等風(fēng)險(xiǎn)。

預(yù)防措施：采用噴射進(jìn)行深水淺層鉆井作業(yè)，主要原理是采用噴射方式將表層導(dǎo)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(lǐng)眼一并下行，并擠壓周圍海底地層直至設(shè)計(jì)深度，噴射到位后利用周圍地層的黏附力和摩擦力穩(wěn)固導(dǎo)管。噴射法施工，實(shí)現(xiàn)鉆井+下套管一趟完成的技術(shù)，解決了深水鉆井淺層土質(zhì)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(shí)，一開導(dǎo)管下入并吸附完成后，可以解鎖專用工具繼續(xù)進(jìn)行二開井眼鉆進(jìn)作業(yè)，實(shí)現(xiàn)了深水淺層高效鉆井作業(yè)。

控制措施：噴射作業(yè)設(shè)計(jì)需要結(jié)合土體強(qiáng)度、井口載荷、導(dǎo)管尺寸、頂張力值等進(jìn)行綜合考慮分析計(jì)算，得出導(dǎo)管規(guī)格選型、最危險(xiǎn)工況分析，形成井口穩(wěn)定性分析報(bào)告。

3 結(jié)語

針對(duì)古河道/古水道。古侵蝕面等非活動(dòng)性地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)，一般以預(yù)防為主，可以通過作業(yè)前地震圖識(shí)別、合理鉆井設(shè)計(jì)進(jìn)行規(guī)避和預(yù)防。

一些常見的、整體危害性不大的活動(dòng)性地質(zhì)災(zāi)害，如：歷史滑坡區(qū)、天然氣水合物等，需要在作業(yè)前進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別，并編制風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)急預(yù)案，并通過專業(yè)設(shè)計(jì)、管材優(yōu)選、作業(yè)全過程監(jiān)測(cè)和控制來達(dá)到降低安全風(fēng)險(xiǎn)、順利完成淺層鉆井作業(yè)的目的。

對(duì)于風(fēng)險(xiǎn)極高的活動(dòng)性地質(zhì)災(zāi)害，如淺層氣，主要應(yīng)對(duì)手段以規(guī)避為主，能避開就盡量避開，可以選擇以定向鉆井來實(shí)現(xiàn)原鉆探目的，如果確實(shí)無法規(guī)避，則需要進(jìn)行全面的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，并制定風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)急預(yù)案和備用方案，在作業(yè)前準(zhǔn)備階段、作業(yè)過程中，均需要進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，在鉆進(jìn)過程中注意鉆領(lǐng)眼井、優(yōu)化鉆井參數(shù)、做好現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急演練等措施實(shí)現(xiàn)安全平穩(wěn)作業(yè)。