深水淺層鉆井作業(yè)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(fā)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(yè)風險分類

按照我國現(xiàn)行定義標準，根據(jù)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(yè)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(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)風險因素。這些風險因素可以根據(jù)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(yè)，即海底泥線以下淺部地層的鉆井作業(yè)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(yè)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(fā)射為主，有時可能存在高壓水層。需要結合三維地震等專業(yè)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(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(jù)巖性計劃好鉆井工藝，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(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作業(yè)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(xiàn)快速體積配比，泵出口泵出混合鉆井液，泵入井筒內實現(xiàn)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(shù)監(jiān)測，合理操作。

2.2 古侵蝕面

圖2 DKD 動態(tài)壓井裝置結構示意圖和現(xiàn)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(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]。

預防措施：作業(yè)前檢查循環(huán)系統(tǒng)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(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(xiàn)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(shù)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(tài)結晶物，形態(tài)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(yè)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(tài)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(yè)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(yè)期間都要制定詳細的應急預案和應對措施。作業(yè)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(huán)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(yè)程序和作業(yè)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(yè)前檢查循環(huán)系統(tǒng)、動力定位系統(tǒng)等設施，確保運轉良好；

(2)做好鉆井作業(yè)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(yè)時加強監(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，停止鉆進，循環(huán)觀察，使用DKD 實現(xiàn)快速壓井。

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

2.6 歷史滑坡區(qū)

歷史滑坡區(qū)是在地質歷史時期，在一定的外界應力觸發(fā)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(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(xiàn)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(yè)期間，ROV 持續(xù)監(jiān)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(guī)水深低，因此對導管作業(yè)固井作業(yè)帶來挑戰(zhàn)。由于軟粘土承載力低，因此還存在導管下入到設計深度后，繼續(xù)作業(yè)對淺層土進行擾動，破壞土體造成導管下沉和井口失穩(wěn)等風險。

預防措施：采用噴射進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(wěn)固導管。噴射法施工，實現(xiàn)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(xù)進行二開井眼鉆進作業(yè)，實現(xiàn)了深水淺層高效鉆井作業(yè)。

控制措施：噴射作業(yè)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(guī)格選型、最危險工況分析，形成井口穩(wěn)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(yè)前地震圖識別、合理鉆井設計進行規(guī)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(qū)、天然氣水合物等，需要在作業(yè)前進行風險識別，并編制風險應急預案，并通過專業(yè)設計、管材優(yōu)選、作業(yè)全過程監(jiān)測和控制來達到降低安全風險、順利完成淺層鉆井作業(yè)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(guī)避為主，能避開就盡量避開，可以選擇以定向鉆井來實現(xiàn)原鉆探目的，如果確實無法規(guī)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(yè)前準備階段、作業(yè)過程中，均需要進行實時監(jiān)測，在鉆進過程中注意鉆領眼井、優(yōu)化鉆井參數(shù)、做好現(xiàn)場應急演練等措施實現(xiàn)安全平穩(wěn)作業(yè)。