鶯-瓊盆地高溫高壓區域淺層氣鉆井風險評估與防治

張百靈楊進王磊邸鵬偉趙彥琦

1.中國石油大學（北京）；2.中國石化石油工程技術研究院

鶯-瓊盆地高溫高壓區域淺層氣鉆井風險評估與防治

張百靈1楊進1王磊2邸鵬偉1趙彥琦1

1.中國石油大學（北京）；2.中國石化石油工程技術研究院

準確評估淺層氣地質風險并確定合理的防治措施是海上高溫高壓鉆井井控安全控制技術的關鍵環節，依據淺層氣對地震速度產生不同響應的原理，建立了基于淺部地層孔隙度和密度的雙參數鶯-瓊盆地淺部沉積物縱波速度數學模型，結合鶯-瓊盆地部分已鉆井的淺部地震數據和測井資料，形成了鶯-瓊盆地淺部地層巖土縱波速度趨勢線，預測了藍、黃、橙、紅4個風險等級的淺層氣縱波波速變化趨勢，開發了鶯-瓊盆地淺層氣鉆井風險評估圖版，制定了對應的淺層氣鉆井風險防治方案。通過鶯-瓊盆地現場實鉆應用，評估精度達到90%以上，證明了該圖版在鶯-瓊盆地具有較好的成熟度。

淺層氣；風險評估；縱波速度；預測

南海西部鶯-瓊盆地處于高溫高壓區域，底辟構造造成該地區淺部地層氣體較為活躍。現有淺層氣的鉆前預測主要依靠2D/3D地震解釋成熟度，但淺層氣面積小、非連續性差，造成地質勘探有時難以準確預測淺層氣的存在概率和具體層位。

由于淺層氣埋藏淺，該階段的鉆井作業尚未安裝防噴器，一旦鉆遇淺層氣造成噴發，無法關井，對鉆井作業危害極大。同時，鶯-瓊盆地高溫高壓鉆井作業壓力窗口極窄，井身結構復雜，如果淺層氣預測不準確，將造成淺層套管層次增加，導致后續作業空間縮小，作業風險和難度增大。因此，準確度較高的淺層氣鉆井風險評估與防治技術是海上高溫高壓鉆井井控安全評價及風險控制技術的關鍵環節。

正常地層和富含淺層氣的地層對地震速度響應特征不同。依據這一原理，首先通過研究地震數據成熟度較高地區的淺部地層地震速度變化規律，建立了基于淺部地層孔隙度和密度的雙參數鶯-瓊盆地淺部沉積物縱波速度數學模型，形成了正常淺部地層巖土縱波速度趨勢線，并通過測井數據對模型進行了校正。通過進一步研究鉆遇淺層氣區域的地震數據，對比淺層氣地層和正常地層縱波速度趨勢線的差異，分析淺層氣縱波速度偏離正常地層縱波速度的幅度和范圍，將偏離度分析結果和建立的淺部沉積物縱波速度數學模型相結合，探尋淺層氣風險級別和縱波速度響應特征之間的關系，進一步形成淺層氣風險評估圖版，并通過測井數據對圖版的成熟度進行校正。

1 淺層氣鉆井風險評估方法

Drilling risk evaluation method of shallow gas reservoirs

國內外主要的淺層氣風險評價方法。主要有地震剖面識別、地震聲速度譜識別、測井預測技術。

地震剖面識別主要依靠淺層氣在地層記錄剖面上表現出來的地球物理特征變化情況進行識別，具體包括：（1）反射雜亂，聲波散射繞射；（2）出現局部空白帶；（3）氣體層頂面出現“亮點”反射；（4）出現麻坑或大型塌陷坑；（5）呈現“煙囪”狀（具有發生井噴的可能性）。這種方法應用廣泛，但受人為解釋成熟度的影響，且深水成本較大，無法定量描述淺層氣致災程度。

地震聲速度譜識別主要依靠縱波速度降低幅度的大小來推斷地層是否含氣。其識別特征有縱波速度明顯降低，并通過聲波突然間減小來大致判斷氣頂深度。在速度上體現為水平反射層向下傾斜或彎曲，通常在氣體聚集的邊緣帶出現。該方法對地震速度進行反演處理獲取巖石速度及巖石模型的建立是預測的關鍵。

測井預測技術是將測井識別油氣的常規手段應用到淺層氣的識別。識別特征主要有：（1）高電阻率；（2）高時差；（3）低密度；（4）低中子孔隙度；（5）高中子伽馬。該方法受井眼尺寸、地層溫度以及鹽度影響小，但淺部地層不易獲得測井數據。

國內外主要采用地震解釋預測淺層氣的規模和位置，采用測井數據對淺層氣的危害程度進行評估。

2 淺部地層聲學特征模型

Acoustic characteristic model of shallow strata

2.1 巖土性質

Rock and soil properties

受沉積環境的影響，海洋淺層一般具有壓實性差、松軟、易被沖刷、易垮塌等特征，鶯-瓊盆地表層沉積物以黏土、粉砂質黏土、黏土質粉砂為主的細粒海相碎屑巖系，同時伴生了大量底辟、褶皺及斷層構造，通過對東方、崖城等區塊的土質資料、地震數據及測井數據進行分析，鶯-瓊盆地淺部地層巖土分布規律如下：自泥線往下逐層分為以下幾層：非常軟的褐灰色粉質黏土，含水量高、中密實的淺褐灰色細砂、由稍硬到硬的淺褐灰色粉質黏土、中密實的淺褐灰色細砂、硬的褐灰色粉質黏土、淺灰色、綠灰色黏土巖（夾薄層粉砂、細砂，富含生物碎屑）。

土力學性質方面，根據土工測試結果，鶯-瓊盆地0～300 m淺層土性質見表1。

表1 鶯-瓊盆地淺層土性質Table 1 Properties of shallow soil in the Yingqiong Basin

2.2 數學模型

Mathematical model

研究發現，孔隙度與縱波波速的相關性較好［1］，預測海底各類沉積物縱波波速特性的常用方法采用海底沉積物物理性質與聲速測量數據建立縱波波速-孔隙率等的經驗公式［2］。不論淺部地層是否富集淺層氣，作為海洋沉積物，都滿足海底沉積物物理性質與聲速測量的數學關系。不同學者已經提出各自的單參數回歸聲速公式和雙參數回歸聲速公式［3］，考慮淺層氣地層與正常沉積地層在密度和孔隙度方面存在差異，文中選取密度和孔隙度作為參數，建立鶯-瓊盆地淺部地層巖土縱波速度數學模型。

式中，νp為縱波速度，m/s；Ks為多孔介質骨架的體積模量，Pa；G為多孔介質的剪切模量，Pa；n為孔隙度；ρf為孔隙流體密度Kg/m3；ρs為多孔介質基質密度，kg/m3。

依據鶯-瓊盆地土力學性質參數，用該模型對鶯-瓊盆地淺部地層不同土質參數的沉積物聲速進行了反演計算，而且利用部分區塊實際測量數據與反演數據進行了對比，實際測量聲速1 500～3 780 m/ s，通過反演計算得出的聲速1 490～3 600 m/s，結果表明實際測量值在變化趨勢上與反演預測值也較為相符，并基于此建立了鶯-瓊盆地淺部地層巖土（未含淺層氣）縱波速度趨勢線如圖1所示。

圖1 鶯-瓊盆地淺部地層沉積物縱波速度趨勢線Fig.1 P-wave velocity tendency of shallow sediments in the Yingqiong Basin

3 淺層氣鉆井風險評估與防治方案

Drilling risk evaluation and control program of shallow gas reservoirs

3.1 風險評估模型

Drilling risk evaluation model

研究表明，滲漏的天然氣賦存于沉積物孔隙中，能夠改變近表層沉積物的物理性質［4］，顯著地影響沉積物的聲學特征，甚至少量的氣泡也能導致縱波速度大幅度減少。根據國內外學者研究分析得出，含氣量和孔隙度較高的沉積物聲速相對較低［5］。根據新建立的鶯-瓊盆地淺部沉積物縱波速度數學模型，結合鉆遇淺層氣區域的地震數據［6-8］，研究淺層氣地層縱波速度偏離正常地層縱波速度趨勢線的范圍，將淺層氣的井控風險等級分為藍、黃、橙、紅4個風險預警，預測了不同風險等級下淺層氣縱波波速趨勢線，建立了鶯-瓊盆地淺層氣鉆井風險評估模型，并通過測井數據進行了校正，模型如圖2所示。

圖2 鶯-瓊盆地淺層氣鉆井風險評估模型Fig.2 Drilling risk evaluation model of shallow gas reservoirs in the Yingqiong Basin

3.2 風險防治方案

Control program

根據鶯-瓊盆地淺層氣鉆井風險評估模型，結合鶯-瓊盆地實際情況，按照藍、黃、橙、紅4個風險等級研究了對應的淺層氣鉆井風險防治方案。

3.2.1 藍色風險等級 表示無鉆遇淺層氣風險，鉆井設計及施工作業按照正常流程執行。

3.2.2 黃色風險等級 表示淺層氣鉆井風險級別較低，需要在鉆井過程中制定相關應急預案。在無隔水管鉆進階段，未安裝防噴器組，因此井控控制難度較大，建議采用鉆領眼井或者動態壓井的方式應對淺層氣風險；在有隔水管鉆進階段，當淺層氣氣量較小時，主要采取引流排氣，當淺層氣氣量較大時解脫隔水管，對于動力定位鉆井裝置，向上風上流方向移動鉆井裝置至安全位置。

（1）領眼井淺層氣防治方案。領眼井方案即先使用小直徑鉆頭鉆領眼至設計的表層套管深度，確定淺層氣的埋深和流量。下一步離開原井位重新開孔下導管作業，如無淺層氣或氣量極小，可按正常的噴鉆下導管和表層套管作業；如有淺層氣有一定危害程度，應先開孔下導管固井，安裝隔水管和分流器，然后，組合鉆領眼鉆具鉆導眼井，再進行擴孔等作業程序，需壓井按常規壓井流程進行。

具體方案：①組合鉆領眼鉆具。組合方案1：?215.9 mm 鉆頭（不裝噴嘴）+浮閥/ 承托環+?165.1 mm鉆鋌×6根+加重鉆桿+鉆桿。組合方案2：?311.15 mm 鉆頭（不裝噴嘴）+ 浮閥/ 承托環+?203.2 mm鉆鋌×6根+加重鉆桿+鉆桿。②下鉆到海床測斜，如果井斜小于1°，即可開鉆。③用海水鉆進。鉆井參數為：鉆壓20～60 kN，排量1 900 L/min（?215.9 mm 井眼）～3 000 L/min（?311.15 mm 井眼），轉速80～100 r/min。根據沉砂情況，接立柱時可泵入1 500～2 400 L高黏鉆井液清洗井眼。④控制鉆速在25 m/h以內。⑤鉆進期間，下入ROV在海床井口處連續觀察；井口區域及鉆井裝置周圍要有專人連續觀察。⑥當鉆入可疑淺層氣1.5 m 時，當鉆速突然加快時（1.5 m 內），當準備接單根或立柱時要停鉆循環觀察5～10 min。如果發現氣泡，應立即停止鉆進，循環觀察，按下圖3所述程序處理，同時向基地報告情況。 ⑦用海水鉆到下套管深度，用高黏鉆井液將井眼清掃干凈。泵入1.5倍井眼容積的高黏鉆井液到井內后起鉆。⑧組合擴眼鉆具擴眼鉆進。

圖3 ROV觀察到淺層氣氣泡溢出時處理程序流程Fig.3 Flow chart of handling procedure while overflow of shallow gas bubble is observed in ROV

（2）動態壓井淺層氣防治方案。方案設計，流程如圖4所示。①在預定淺層氣風險層位前40 m開始采用海水直接供泥漿泵上水鉆進，并配備胍膠漿和稠膨潤土漿沖掃作業。②鉆進至淺層氣風險層位，馬上采用稠膨潤土漿清掃井眼，接立柱后立即進入動態壓井模式鉆進，配備重鉆井液鉆進，特別注意需提前做好動態壓井裝置混漿速度跟不上泥漿泵排量時的備用方案。③整個動態壓井模式鉆進期間，固控工程師需在現場密切跟蹤動態壓井裝置工作狀況，整個操作過程中必須保證連貫操作以免造成鉆井液浪費導致用量不足。④動態壓井模式鉆進至中完深度后，根據實際剩余的稠膨潤土漿量，最大量地替入稠膨潤土漿清掃井眼。⑤泵入稠漿后立即替入墊漿充滿裸眼。⑥中完后，起鉆如果出現過提需要倒劃眼，泥漿泵上水，小排量進行倒劃眼。

3.2.3 橙色風險等級 表示淺層氣鉆井風險級別處于中等，建議更換井位，避開淺層氣。實在無法避開的井位鉆井作業時，應安裝轉噴器（分流器）。

3.2.4 紅色風險等級 表示淺層氣鉆井風險級別處于高風險，更換井位，避開淺層氣。

圖4 動態壓井方案設計流程圖Fig.4 Design flow chart of dynamic well killing program

4 現場應用

Field application

鶯-瓊盆地A1井鉆前地震勘探預測井點位鉆遇異常體，存在疑似淺層氣風險。將該區域淺層巖土參數及地震速度輸入鶯-瓊盆地淺層氣鉆井風險評估模型，模擬結果顯示該區域淺層氣鉆井風險為黃色等級（如圖5所示），屬于井控風險較低區域，建議在不調整井位，在疑似淺層氣區域采用動態壓井模式鉆進，表層固井做好防氣竄，同時制定相關的應急預案并在施工前做好充分準備。經現場施工，鉆進期間無明顯異常。由此可見，鶯-瓊盆地淺層氣鉆井風險評估模型準確度較好，能夠作為淺層氣鉆井風險評估的有效方法。

圖5 A1井鉆前淺層氣風險評估結果Fig.5 Pre-drilling shallow gas risk evaluation of Well A1

5 結論

Conclusions

（1）建立了基于海底沉積物孔隙度和密度的雙參數鶯-瓊盆地淺部沉積物縱波速度數學模型，形成了鶯-瓊盆地淺部地層巖土縱波速度趨勢線，通過測井數據校正了趨勢線的準確性。

（2）基于鶯-瓊盆地淺部沉積物縱波速度數學模型和地震速度及測井數據的成熟度，建立了研究了鶯-瓊盆地淺層氣鉆井風險評估模型，經現場應用，該模型準確率在90%以上。

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（修改稿收到日期 2016-10-13）

〔編輯 薛改珍〕

Shallow gas well drilling risk assessment and prevention in the Yingqiong Basin area of high temperature and high pressure

ZHANG Bailing1,YANG Jin1,WANG Lei2,DI Pengwei1, ZHAO Yanqi1
1.China Uniνersity of Petroleum (Beijing),Beijing 102249,China;
2.SINOPEC Research Institute of Petroleum Engineering,Beijing 100101,China;

The key link of well control safety technology for offshore HTHP (high temperature and high pressure) well drilling is to evaluate the geological risks of shallow gas reservoirs accurately and prepare control measures rationally.In this paper,the mathematical model on P-wave velocity of shallow sediments in the Yingqiong Basin based on dual-parameter (i.e.porosity and density) of shallow strata was established according to the principle that shallow gas responds to the seismic velocity differently.Then,based on the shallow seismic and logging data of some existing wells in the Yingqiong Basin,the P-wave velocity tendency curve of shallow strata in this basin was plotted,and its four risk levels (blue,yellow,orange and red) were predicted.And finally,drilling risk evaluation chart of shallow gas reservoirs in the Yingqiong Basin was prepared and the corresponding risk control programs were formulated.When this chart was actually applied in the Yingqiong Basin,the evaluation accuracy was over 90%.And it is indicated that this chart is better suitable for the Yingqiong Basin.

shallow gas;risk evaluation;P-wave velocity;prediction

張百靈，楊進，王磊，邸鵬偉，趙彥琦.鶯-瓊盆地高溫高壓區域淺層氣鉆井風險評估與防治［J］.石油鉆采工藝，2016，38（6）：766-770.

TE243

A

1000-7393（ 2016 ） 06-0766-06

10.13639/j.odpt.2016.06.010

:ZHANG Bailing,YANG Jin,WANG Lei,DI Pengwei,ZHAO Yanqi.Shallow gas well drilling risk assessment and prevention in the Yingqiong Basin area of high temperature and high pressure［J］.Oil Drilling &Production Technology,2016,38(6):766-770.

國家重大專項“淺層地質災害識別與風險評價技術研究”（編號：2016ZX05033004-006）；國家自然科學基金“海洋深水淺層鉆井關鍵技術基礎理論研究”（編號：51434009）。

張百靈（1984-），中國石油大學（北京）油氣井工程專業博士研究生，現主要從事海洋鉆完井工程方面的研究工作。電話：15101173681。E-mail:zhangbailing@163.com

楊進（1966-），中國石油大學（北京）石油工程學院教授、博士生導師，主要從事海上鉆完井技術的教學和研究工作。通訊地址：（102249）北京市昌平區府學路18號中國石油大學（北京）石油工程學院。電話：010-89733204。E-mail:yjin@cup.edu.cn