深水淺層淺水流災害風險評價與防災方法研究

申屠俊杰 ，林伯韜 , ，陸吉 ,

1 中國石油大學(北京) 油氣資源與探測國家重點實驗室，北京 102249

2 中國石油大學(北京) 石油工程學院，北京 102249

3 中國石油大學(北京) 人工智能學院，北京 102249

0 引言

隨著全球經濟的快速發展以及工業技術的持續進步，能源需求量也在不斷增加。近些年來，世界油氣資源勘探開發不斷深入，陸上油氣資源勘探已相對成熟，對全球油氣儲量的增長貢獻值較低[1]。海洋油氣資源具有潛力大，探明率低的特點，自2000年以來，海上油氣探明儲量及產量持續增長并趕超陸上，已逐漸成為全球油氣資源的戰略接替區[2]。同時，海洋油氣開發也向著“深海、深層、非常規”的目標不斷前進。近10年油氣新發現中74%為海洋油氣資源，其中深水油氣資源占23%，超深水油氣資源占36%，深水油氣日產量達到1030萬桶/日。目前世界上已形成“兩豎一橫”的3個深水勘探熱點地區，即環大西洋、東非東部大陸邊緣和新特提斯盆地帶西段，深水地區已成為未來油氣資源勘探與開發的主戰場[3-6]。

然而，由于深水環境的特殊性，深水鉆探作業面臨著比陸上更為嚴峻的挑戰，由地質災害引起的鉆井事故屢見不鮮。深水淺層地質災害是深海鉆探作業中最常見，也是造成影響和破壞最大的問題，包括淺層氣、淺水流和天然氣水合物等，其中又以淺水流災害最為嚴重，也最受關注[7]。淺水流災害是指深水淺層區域發育的超壓砂體。超壓砂體觸發后極易導致井底壓力失衡，高速砂水流侵入井筒，對鉆井作業產生極大危害。深水之星海底技術委員會(DeepStar)認為淺水流災害是墨西哥灣深水鉆井所面臨的最嚴重的問題之一[8]；Fugro地質服務公司的報告顯示全球70%的深水井都遭遇過淺水流災害[9]。墨西哥灣的一項調查表明，位于淺水流災害發育地區的106口井在淺水流災害防治措施上共花費1.75億美元，平均單井花費160萬美元[10,11]。

我國深水油氣資源開發方興未艾，南海地區油氣資源儲量占全國總量的三分之一，其中深海儲量占70%，具有巨大的開采價值。目前，南海的鉆探作業中也已發現了淺水流災害的形成[7]。為保證深海油氣資源的經濟安全開采，必須重視淺水流災害問題，做好預測和防治工作。

1 淺水流災害基礎研究

1.1 淺水流災害的基本概念及危害

“淺水流”(Shallow Water Flow, SWF)是指出現異常高壓的深水淺層未固結砂體，屬于常見的淺層地質災害。當鉆遇異常高壓砂體或在異常高壓層位處進行固井操作時，由于井底壓力失衡，砂水流在高壓驅動下進入井眼，對井壁、套管及井口裝置等造成侵蝕，嚴重破壞井筒完整性[7,12-14]。如圖1所示。需要注意的是，淺水流通常發生在深海區域內，由于異常高壓砂體發育在泥線下相對水深較淺的范圍內，故用“淺”來描述[15]。目前業界對于深水淺層的具體范圍的界定仍未統一，國內外不同學者對深水淺層的概念有著不同的解釋，在綜合已有文獻的基礎上[7,12,14]，可將深水淺層界定為水深400 m以下，泥線下250～1000 m范圍內。淺水流的形成一般需要滿足3個主要條件[16]：疏松、未固結的砂質沉積物，低滲透率的泥質封閉層以及異常高壓。異常高壓是指砂體的孔隙壓力高于埋深處的靜水壓力值，有效應力小于正常值的現象。異常高壓亦稱超壓，超壓狀態可通過超壓比率來描述[17]，其表達式為

圖1 淺水流災害示意圖Fig.1 Schematic diagram of SWF hazard

其中，P為流體壓力，MPa；Ph為靜水壓力，MPa，σv為上覆壓力，MPa。當地層完全排水，不存在超壓時，流體壓力等于靜水壓力，即P=Ph，λ*=0；當地層完全不排水，地層嚴重超壓時，流體壓力等于上覆壓力，即P=σv，λ*=1。

淺水流災害對鉆井作業造成的影響和破壞極大，主要體現在以下幾個方面[10,11,14,18-21]：

(1)磨蝕套管或使其受力不均勻，造成套管屈曲報廢；

(2)侵蝕井壁，在超壓砂層處形成展布的空穴，造成井眼擴大甚至井壁坍塌；

(3)造成固井竄槽，影響固井質量；

(4)沖刷出的泥砂在井口堆積，掩埋井口其報廢；

(5)超壓砂體液化流動導致地層承載力降低，造成海底結構物塌陷；

(6)延長鉆井作業時間，增加了施工成本。

1.2 淺水流災害形成原理

目前最常見，也是破壞性最大的誘因便是原生超壓砂體，屬于原生機理[10,11,14,20,21]，這種由地質成因造成的超壓砂體超壓程度更高。除原生超壓砂體之外，一些次生機理也是引發淺水流的潛在因素，如次生裂縫、次生壓力儲存以及固井竄槽引起異常壓力傳遞等[21-22]。但這些由人為引起的淺水流一般超壓程度較低，對鉆井作業的影響較小。

研究表明，超壓砂體具有多種成因，與地質作用、構造作用和沉積速度等均有關，目前公認的成因有：

(1)機械不平衡壓實作用[10-11,20]

機械不平衡壓實作用可簡稱為壓實作用。由壓實作用引發的超壓砂體較為常見。壓實作用通常伴隨著快速沉積的特點，墨西哥灣受淺水流嚴重影響的Mississippi Canyon區塊沉積速率達到1 mm/a。根據孔隙水的來源，壓實作用又可細分為不平衡壓實作用和差異壓實作用兩種[22]。不平衡壓實作用是指由于上部物質沉積速度較快，對下部地層的載荷迅速增加，來自下部地層的孔隙水被周圍低滲透的泥巖或頁巖包圍來不及排出，造成孔隙壓力增大，有效應力降低，形成異常高壓(圖2(a)）。差異壓實作用是指上覆沉積物的厚度不同，對下部地層的載荷有差異，導致較厚沉積下的較高的上覆巖層壓力驅使粉砂質頁巖中的孔隙水進行橫向及向上運移，其中部分橫向運移的孔隙水儲存于砂體中，從而形成異常高壓(圖2(b)）。淺水流發育區的水動力特征與該區塊的沉積作用類型密切相關[23]，沉積速率越快，上覆沉積層厚度越大，砂體孔隙壓力也就越高。在超壓嚴重的砂體中，沉積的砂礫顆粒近似懸浮狀態。

圖2 壓實作用：(a)不平衡壓實作用；(b)差異壓實作用(改自Alberty等[21])Fig.2 Compaction effect: (a) Unbalanced compaction; (b) Differential compaction (Modified from Alberty et al[21])

(2)成巖作用[16]

成巖作用的實質是黏土成分的脫水作用與蝕變。當溫度達到65～120 ℃時，在鉀長石的催化作用下，蒙脫石轉變為伊利石。在這個過程中，蒙脫石的層間水被排出并成為孔隙水，使得孔隙壓力升高，有效應力降低，形成異常高壓。此外，某些巖石中含有的水分由于快速沉積來不及釋放，在埋藏穩定后才逐漸排出，也會形成異常高壓。

(3)浮力作用[23]

浮力作用主要由油氣與孔隙水的密度差異造成。若砂體中的孔隙水被油氣替換，由于油氣與孔隙水存在的密度差，孔隙會在浮力作用下產生一定膨脹，從而導致孔隙內流體壓力升高。

(4)構造抬升或侵蝕[11]

地質構造也會導致淺水流的形成。若地層由于地質構造的變動被快速抬升，從埋深較深處來到淺部地層，且地層封閉性較好，來不及與外界平衡壓力。隨著孔隙水的膨脹，將會形成異常高壓。此外，若地質構造使得地層發生傾斜，砂體重心位置發生變化從而導致砂體內部各部分間應力失衡，導致異常高壓的產生。

(5)水熱增壓作用[24]

水熱增壓作用主要由孔隙流體和周圍巖石骨架的熱膨脹系數的差異造成。隨著地層的埋深逐漸增加，地層溫度也不斷增大，孔隙流體受熱膨脹并導致異常高壓。

(6)天然氣水合物分解[15,25-26]

研究表明，淺水流產生的水以淡水為主，這與淺水流砂體的沉積環境不符，而天然氣水合物的分解產物中含有大量淡水，同時水合物分解時的體積膨脹也是破壞砂體結構，產生異常高壓的潛在因素。此外，天然氣水合物發育區域與淺水流災害區域的位置大致重合，且鉆遇水合物層后，水合物分解以及淺水流發生都具有一定的時間滯后等現象也都證明了天然氣水合物分解這一成因的合理性。

2 淺水流災害識別及預測技術

2.1 淺水流砂體巖石物理特征及識別標志

淺水流砂體通常表現出疏松、未固結、高滲透率、高孔隙度、分選性較差的特點，砂體顆粒之間幾乎不存在膠結。從地應力的角度來說，高孔隙壓力和低有效應力使得砂體顆粒近乎懸浮在地層流體中，地層呈現出近似流體的性質，具有抗壓不抗剪的特點。地震波通過淺水流砂體時，縱波速度Vp和橫波速度Vs均發生下降，但橫波速度的降幅比縱波更大，因此在地球物理屬性上表現出高Vp/Vs值和高泊松比的特點[9,27]。對于典型的淺水流砂層，其Vp/Vs值至少可達到10的數量級，泊松比大于0.49。

綜合淺水流砂體的發育環境、巖石物理特征及地球物理屬性，其識別標志可歸納為以下幾點[13-14]：

(1)合理的埋存位置：目標砂體位于水深400 m以下，泥線下250～1000 m范圍內，屬于淺水流的發育深度；

(2)屬于快速沉積區：目標砂體所在的區域沉積速度較高，一般大于1 mm/a；

(3)砂體被低滲透層覆蓋：低滲透層能阻止砂體排水泄壓，是形成超壓砂體的必要條件；

(4)Vp/Vs值較大：Vp/Vs值是判定存在異常高壓的主要依據。

2.2 淺水流砂體預測方法

2.2.1 測井法

測井法包括隨鉆測量(MWD)、隨鉆測壓(PWD)、鉆后測井以及垂直地震剖面(VSP)測井等方法。在考慮成本及安全性的基礎上，深水的特殊環境對測井方法和裝備的優選提出了難題。目前應用較廣泛的測井方法為MWD和PWD。圖3為PWD方法在淺水流發育區域的響應示意圖，可以看出測深1650～1700 m處平均當量泥漿密度(PWD Eqv Mud wt Avg)發生突變,顯示該深度發育有異常高壓砂體，即存在淺水流災害的潛在風險。此外，墨西哥灣在進行實際操作后，還提出了伽馬射線測量、多傳感器電阻率測量等MWD方法[11]。在實際應用中，測井法通常與反射地震法配合使用，以達到最優化預測效果。在墨西哥灣Ursa區塊的深水鉆井操作中，PWD和LWD方法應用于鉆井全階段，保證了鉆井作業安全進行[28,29]。在Garden Banks區塊的磁力影響區，陀螺隨鉆(GWD)的應用代替MWD為鉆井操作提供了定向控制和風險預測[30]。此外，VSP測井資料還可用于標定地震波速度場，減小預測結果誤差[31]。

圖3 PWD對淺水流災害響應(改自Cameron[12])Fig.3 Response of PWD to the SWF hazard (Modified from Cameron[12])

2.3.2 反射地震法

反射地震法屬于鉆前預測方法，具有經濟有效、預測精度高的優勢，也是目前最常用的方法。在缺少鄰井資料的情況下，地震資料是預測淺層地質災害的唯一可行方法。利用地震速度預測淺水流的步驟主要包括：(1)獲取地震速度；(2)校正地震速度；(3)關聯地震速度與巖石速度；(4)建立巖石模型，將速度與有效應力、孔隙度相關聯；(5)根據地震速度和巖石模型獲得地應力信息。

在利用反射地震法預測淺水流時，Vp/Vs值是幫助識別淺層地質災害以及辨別災害類型的有效依據之一[27,32]。淺水流災害于1985年首次被發現。在過去的深水鉆探實踐中，國外已形成了較為成熟的基于地震振幅資料的淺水流預測方法。淺水流的預測一般通過高質量的3D地震勘測資料與2D高分辨率地震勘測資料來實現[33-34]。在墨西哥灣的鉆井實踐中，操作人員通過3D地震資料發現了在較大面積中發育的連續砂體，隨后經過2D地震詳探，進一步發現了帶有密封層的斷塊砂體，從而成功預測到淺水流的發育[35]。相比于常規3D地震資料，高分辨率地震資料能更好地區分地震相和沉積特征。王海平等[36]、周波等[37]利用高分辨率地震資料分別對渤海、西非某區塊以及南海荔灣深水海域進行了淺層地質災害預測分析，取得了良好的預測效果。

根據地震振幅資料獲得縱橫波速度比等有效信息是淺水流超壓砂體預測中的關鍵步驟，為了提高地震速度場擬合的精確性，研究人員提出了多種反演方法。Mallick等[38]根據AVO(振幅隨炮檢距的變化)原理和遺傳算法，提出了一種基于常規3D地震資料及巖石模型的疊前反演方法。該方法能夠準確描述Vp、Vs、泊松比、體密度等地層信息并根據由此準確識別淺水流砂體。如圖4所示，圖4(a)中聲波速度、地層巖石密度和泊松比在同一位置處產生較大偏移，由此可判斷淺水流該處存在淺水流超壓砂體發育；圖4(b)中某幾個深度的地層處Vp/Vs值出現異常峰值，在與鄰井資料進行對比后，也可確定淺水流超壓砂體在相應地層處的發育情況。Lu等[39]通過對3D地震資料進行彈性反演，得到縱橫波速比等信息。將該反演結果與鄰井資料以及Fugro公司所做出的預測結果進行對比后，發現該反演結果中Vp/Vs值的異常顯示處與實際的淺水流發育層位吻合良好。Dutta等[40]通過全波形疊前反演得出墨西哥灣Clastic Tertiary盆地某區域的孔隙壓力和泊松比剖面，為巖性預測和地質災害評估提供了依據。吳時國等[41]基于高分辨率的2D和3D數據，采用了混合地震反演方法。該方法將疊前反演和疊后反演進行了有效結合，能夠對較大地震數據體進行彈性反演，從而獲得淺水流預測所需的各種參數。在對南海北部白云凹陷實施地震勘測后，發現反演結果與深水水道砂體局部發育位置具有很好的疊合關系。此外，Dix反演方法[42]、層析反演方法[43]等也能有效地從地震資料中擬合得到速度場信息，為淺水流預測提供合理依據。

圖4 疊前地震反演結果及淺水流區域識別: (a)速度、密度、泊松比；(b)Vp/Vs值；(改自Mallick等[38])Fig.4 Pre-stack seismic inversion results and identification of the SWF area: (a) Velocity, Density, Poisson’s ratio; (b) Vp/Vs value (Modified from Mallick et al[38])

3 淺水流災害風險評價方法

深海淺層地質災害的風險評價工作需要系統地對潛在的災害類型及其可能造成的影響進行評估，并對其發生概率及危害性進行定量預測?！叭蚩茖W”及“全球系統科學”概念的融入則使得深海地質災害評價工作更系統化，更符合全球化、多學科融合的要求和趨勢[44-45]。

3.1 淺水流災害風險評價的必要性

深海地質災害的風險評價工作具有其必要性，在實際生產過程中，根據問題的嚴重程度不同將會采取不同的策略，從而最大限度地減少鉆井和經濟損失。以淺水流災害為例，輕微的淺水流對鉆井作業幾乎無影響，而嚴重的淺水流則會對鉆井操作和工具造成極大影響，甚至致使油井報廢。一項調查顯示，在墨西哥灣的74口深水井中，僅有9口井因淺水流問題未能完鉆，占12%；39口井曾鉆遇淺水流，但在采取相應措施后仍鉆至目標層位，占53%。如表1所示。

表1 淺水流對墨西哥灣深水井影響情況(改自Alberty等[20])Table 1 Influence of shallow water on deep-water wells in the Gulf of Mexico (Modified from Alberty et al[20])

因此，淺水流災害的預測及評價作業不應局限于超壓砂體位置等信息的獲取，更需要結合實測信息與物理模型對淺水流災害可能達到的危害程度進行預估。完善且準確的風險評價，有利于油井順利完鉆，節省時間、人力、裝備等成本。

3.2 淺水流災害風險評價模型研究

隨著室內實驗條件和數值模擬技術的不斷發展，近年來已有一些研究從不同角度對淺水流災害的風險開展了定量分析，并建立了相關風險評價模型。Ren等[47]建立了模擬淺水流上噴的兩相流數值模型，并進一步分析典型工況下超壓砂體孔隙壓力、規模、孔隙度及鉆速等因素對砂水流噴出速率的影響，其結果表明超壓程度的小幅度增長可導致砂水噴出量劇烈增加。孫金等[48]針對淺水流災害引起的井眼坍塌問題，提出了基于流固耦合理論的井眼穩定數值模型，并分別根據Mohr-Coulomb準則和最大拉應力準則判斷砂體破壞模式，研究井周最大破壞半徑的影響因素。研究結果表明超壓程度、砂體埋深、地應力及內摩擦角等因素對井眼坍塌均存在一定影響。季雯宇等[49]在固液兩相流和沖蝕理論的基礎上，提出了三維流場模型，并開展了砂水流對套管環空沖蝕率的數值模擬研究，并揭示了流速、質量流率、粒徑等因素對沖蝕率的影響。Gao等[50]、Wang等[51]提出了深水環境下耦合井筒和地層間的熱傳遞模型，考慮環空多相流體流動行為，分析了井筒與地層的溫度分布和鉆井液傳熱導致的水合物的分解，可用于預測水合物分解引起淺層砂體的孔隙壓力的動態變化，從而分析出潛在的淺水流災害風險。

Shi等[52]根據淺水流砂體的觸發特點，設計并實施了真三軸條件下的超壓砂體泄壓實驗，探究砂體在壓力釋放過程中的流動及變形機理。實驗現象顯示壓力釋放區存在沙礫聚集，且泄壓點上下的砂層均向其流動。在其研究基礎上，Shentu等[53]設計了淺水流砂體流動破壞過程可視化實驗裝置，并提出了基于流固耦合理論的離散元方法-計算流體動力學(DEMCFD)數值模型，分析了多種因素對固態砂噴出量的影響。其實驗及模擬結果顯示砂體超壓程度、孔隙度、粒徑等均對固態砂噴出量具有一定影響，且影響機制不同。此外，根據實驗及模擬所得數據，Shentu等[53]選取了某一個數據點作為基準點，對所有數據點進行了歸一化處理，獲得了初始超壓(超靜孔隙水壓力)、孔隙度、砂礫半徑的相對坐標值，如公式(2)～(4)所示。

其中，Pa,φa,Ra為基準點所對應的初始超壓(MPa)、孔隙度及砂礫半徑(mm)；Pb,φb,Rb為其它各數據點所對應的初始超壓(MPa)、孔隙度及砂礫半徑(mm)；PD,φD,RD則為各數據點所對應的初始超壓(MPa)、孔隙度及砂礫半徑(mm)的相對坐標值。利用Shentu等[53]通過離散元數值模擬得到的結果數據，將淺水流案災害例的風險程度與對應超壓砂體的相對孔隙度、砂粒半徑及初始超壓關聯，如圖5所示。淺水流災害案例依風險程度由不同顏色及形狀的實心點表示。進一步地，應用機器學習中的支持向量機(Support Vector Machines，SVM)方法，將三種不同風險程度的數據點分類并劃定數據邊界(見圖5)。SVM方法能夠較好地解決小樣本、非線性等問題，因此適用于本研究在有限樣本條件下進行數據分類操作[54,55]。最終，依托圖5所示的預測圖版，現場工程人員能夠根據估算的超壓和測錄井獲取的孔隙度、砂粒半徑，預先判定該區塊淺水流災害的風險程度。

圖5 淺水流災害風險預測圖版(數據來自Shentu等[53])Fig.5 SWF risk prediction chart (Data from Shentu et al[53])

3.3 淺水流災害風險評價方法制定

現階段淺水流災害的風險評價工作的重點仍落在鉆前預測上，以地震信息和鄰井資料為主要依據，形成了一套初步評價鉆井風險的工作流程，包含以下步驟[56]：(1)地質初探，初步識別潛在淺水流災害的地形地貌特征(如沉積速度大于1 mm/a的快速沉積區)；(2)建立海底觀測系統，實時監測勘探開發區域的地質災害響應情況；(3)地球物理初步評價，利用測井、反射地震等地球物理方法對目標區塊進行調查，獲取超壓砂體位置、壓力分布剖面等信息。

本文在現有淺水流災害風險評價方法的基礎上對其進行了改進，提出了一套新的風險評價體系。風險評價工作不只局限在鉆前預測上，而應形成一個完整體系并貫穿于鉆井作業的始終。新的風險評價方法根據鉆井作業時間和環節主要可分為鉆前風險預測、鉆時風險分析以及鉆后信息統計3個部分。

其中，鉆前風險預測主要包括地質初探、地震反演信息及鄰井資料的分析。初步識別淺水流發育區域并獲得超壓砂體發育深度、地層壓力剖面等信息，為總體鉆井方案的制定提供依據。鉆時風險分析主要根據鉆進過程中獲得的實時參數，如巖屑信息、真實地層壓力信息等，結合風險預測模型對淺水流災害風險做出實時評估和修正，并對鉆井方案進行修正。此外，海底實時監測系統也為這一環節工作提供了及時直觀的信息。油井完鉆后，對鉆井信息進行統計和歸納，記錄鉆進過程中的施工參數變化情況，淺水流災害的鉆遇情況及嚴重程度等信息，為該區域及其它相似區塊的鉆井作業提供經驗和依據。

4 淺水流災害防控措施及防災方法

除了鉆前勘探與風險預測，鉆井作業的實施也是決定深水井是否成功構建的關鍵因素。淺水流對于鉆井作業的影響體現在多方面，包括鉆井液密度窗口較窄，磨蝕損壞套管壁面，影響固井質量等。采取針對淺水流問題的預防與控制措施采用適當的技術與工具，是降低淺水流危害程度的有效方法。

4.1 井控措施

鉆井液密度窗口較窄是淺水流區域鉆井作業最顯著的特點之一。淺水流超壓砂體具有高孔隙壓力和低有效應力的特點，其孔隙壓力值與破裂壓力值非常接近，增加了超壓砂層處的井控難度。目前應對淺水流問題的鉆井方案有3種，分別是：過平衡鉆井并采用隔水管和加重鉆井液；無隔水管欠平衡鉆井，采用海水鉆井液以及壓井液；無隔水管并使用加重鉆井液鉆井。前兩種方法為墨西哥灣Ursa區塊所主要采用的方法，但這兩種方法都具有局限性：前者可能會壓裂地層，破壞地層結構；后者可能增大引發淺水流的概率[30]。因此，有必要采取井控措施來保證淺水流區域的正常作業，降低淺水流造成的破壞。

4.1.1 壓井方法

在選用無隔水管欠平衡鉆井方案進行鉆井作業時，需要隨時做好應對淺水流的準備，壓井措施是能夠有效控制淺水流災害的井控措施之一。當砂水流進入井筒時，應當立即采取壓井措施控制砂水流的高速流動并下套管固井。壓井液的當量密度高于鉆井液，當淺水流砂體壓力較高時，可提高壓井液注入量到兩倍于井筒環空體積[46]。需要注意的是，壓井液的當量密度及使用量需根據井底壓力和地層破裂壓力實時調整，精準控制環空液柱壓力，以確?？刂茰\水流的同時不壓裂地層。李迅科等[57]研制了深水表層動態壓井裝置，能夠真實反映鉆井工況并測量數據，根據地面計算機的分析結果控制井下壓力。該裝置在南海深水井LW6-1-1井的鉆井作業中成功應用，取得的良好的井控效果。

4.1.2 非常規導管

將高強度的非常規導管下入到淺水流發育層位并固井，能夠封堵超壓砂層，起到預防淺水流災害的作用。相較于常規導管，非常規導管的下入深度更深，且安裝方法也有區別。常規導管的下入深度一般為120～150 m，通過錘入法下入井中；非常規導管的下入深度可超過500 m，采用鉆入法隨鉆下入井中[21]。非常規導管能夠預防淺水流災害并防止套管屈曲[58]。研究表明，安裝非常規導管是目前處理淺水流問題最為有效的方法[21]。

4.1.3 滲透率減損

滲透率減損方法的實質是利用聚合密封劑對超壓砂層進行化學封堵，以降低砂水流進入井筒的滲透性。此外，用于封堵砂層的凝膠液在附著凝固后還能提高該層位的結構強度，拓寬鉆井液密度窗口，有助于維持井筒完整性，有利于后續的鉆進、下套管固井等工作，還能提高固井水泥與井壁間的密封性[8]。滲透率減損方法通常選取淺水流發育層上部的某一點作為密封點，將鉆頭下至該密封點后通過鉆頭水眼泵注凝膠密封劑。待密封劑凝固后，即可起到封堵砂層、強化地層的效果。凝固時間視凝膠液組分、環境溫度以及激活劑含量而定。此外，與該方法配套的鉆井液頂替技術和軟件監控系統也相繼被提出[59]。

4.2 鉆井工作液體系優化

鉆井工作液包括鉆井液和固井水泥漿等液體，鉆井工作液的優選對于淺水流區域的鉆井作業具有重要意義。合理的鉆井工作液體系能夠幫助維持井底壓力平衡，控制井筒與地層間的流體交換，保證一定的井壁強度，提升固井質量，防止固井竄槽。

4.2.1 鉆井液

理想的鉆井液體系能夠維持井底壓力平衡并為井壁提供化學保護。室內實驗和現場經驗證明，CaCl2鉆井液能較好地控制淺水流問題[60]。CaCl2鉆井液不僅能夠降低超壓砂層滲透率，還有助于保持井眼清潔并防止泥頁巖水化。同時，該鉆井液體系較為靈活，經特殊處理后能適用于各種情況，且易于操作。其它添加劑，例如樹脂、聚合物、硅酸鹽等，也可應用于鉆井液中，起到強化地層的作用[61]。此外，鉆井液最好能在現場進行調配，以應對各種突發情況，這也對鉆井液體系提出了一定的要求。

4.2.2 固井水泥漿

固井操作和固井質量是有效降低淺水流危害的重要因素。鉆遇淺水流的深水井極易發生井涌，且井底溫度較低，因此需要特殊設計的固井水泥漿，要求其能夠在短時間內固化，且固化后具有一定強度，能抵御高速砂水流的沖擊。泡沫水泥是對淺水流發育層進行固井操作的首要選擇[61-63]。其優點包括：(1)頂替效率大大提升；(2)固化期間體積膨脹率較高，且固化后強度較高，能有效封隔超壓砂層；(3)現場作業方便。此外，隨著油氣工業的不斷發展，輕量化泡沫水泥得到發展，該水泥漿體系僅使用液體添加劑和波特蘭水泥即可完成，易于在平臺上直接配置使用，進一步提升了鉆井作業工作效率[64]。

4.3 淺水流災害“動態”防災方法及流程

淺水流災害的防災工作需建立在理論研究的基礎上，并著眼于現場方案的制定與實施，形成有效的防災流程及體系。結合上文所述的淺水流風險評價體系與防控措施，本文提出了一套“動態”防災方法與流程。如圖6所示，該防災流程主要由淺水流災害風險評估及鉆井方案與對策研究兩方面構成，其中風險評估工作是鉆井方案的制定依據，鉆井方案的實施又為下階段的風險評估工作提供了信息。兩者互為依據，相互補充，貫穿于鉆井作業的全過程，并且在不同階段都能反映當前實際情況并做出對策，形成一套動態的防災機制。

圖6 淺水流災害“動態”防災流程Fig.6 “Dynamic” process of the SWF hazard prevention

5 結論與展望

淺水流災害是深海鉆探作業中最常見，也最嚴重的淺層地質災害之一，對石油工業造成了巨大損失和影響。我國南海深水區的石油開發工作中也發現了淺水流的存在，為保證勘探和開發工作的順利進行，必須重視淺水流災害問題，采取適當的防災策略與風險評估方案。本文總結了國內外對淺水流災害的研究結論，介紹了淺水流災害的概念、主要成因、識別與預測技術、預防及控制方法等內容，同時提出了新的風險預測評價方案及防災流程，得到結論如下。

淺水流災害的實質是異常高壓的深水淺層未固結砂體，其主要成因是快速沉積和機械不平衡壓實作用。目前對淺水流災害進行識別與預測的方法主要有測井法和反射地震法兩種。反射地震法是最常用的方法，主要通過Vp/Vs值的異常變化實現淺水流超壓砂體的識別。淺水流災害的風險評價作業在作業現場還處于較為粗糙的、以經驗為主的階段。目前廣泛應用的風險評估方法以鉆前預測為主，缺乏整體性和延續性。近些年來涌現的淺水流災害相關的室內實驗與數值模擬研究為淺水流風險評價工作提供了良好的理論依據，需要不斷推動該項工作的發展和完善。本文提出了一套新的淺水流風險體系，將風險評價工作貫穿于鉆井作業的全過程。

淺水流災害的預防和控制作業主要包括井控措施和工作液體系優化，是淺水流區域鉆井作業方案的重要組成部分。通過結合該風險評價體系與相關預防控制技術相結合，提出一套“動態”防災方法與流程，能夠有效提高淺水流區域鉆井作業的質量與安全性。

結合以上內容與淺水流災害防災方法的研究現狀，提出如下展望：

(1)加強淺水流流動破壞機制基礎研究。超壓砂體結構失穩所伴隨的流動破壞是淺水流災害最顯著的特征之一，明確超壓砂體的臨界物理特征、力學強度、壓力條件與淺水流強度關系等特性，對淺水流災害的防止工作具有重要意義。

(2)發展地球物理識別技術。地球物理信息是淺水流災害預測工作的重要依據，高精度、大范圍的地震勘測技術將極大地推動淺水流災害預測的進步；詳實、準確的地震反演信息能為鉆井方案的制定和調整提供重要指導。

(3)拓寬人工智能的應用。人工智能技術的引入對淺水流風險評價工作具有重大意義，能夠增強評價結果的全面性和可靠性[65-67]。利用人工智能及大數據技術，可對三維地震數據和測井資料實現快速精細解釋和智能識別。基于機器學習方法，可有效劃分數據類型，獲取數據邊界并預測數據走勢。此外，通過大數據分析和云計算，可快速分析現場工況并調整作業方案。