浅层气场址工程处理方法探讨

王艳秋

摘 要：在海洋油气开发中，浅层气是一种常见的灾害性地质现象。文中提出了通过孔压静力触探（PCPT）和孔压消散试验（PDT）来测量含气层中的超孔隙压力，定量地评价浅层气对基础稳定性的影响程度，并提出安装减压井的方法降低浅层气地层压力及含气量，该方法既可增加地基土的稳定性又可避免钻井过程中浅层气井喷事故的发生，达到了减轻作业风险、降低成本的目的。

关键词：浅层气 孔压静力触探 孔压消散试验 减压井

中图分类号：TE32 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）06（c）-0071-02

已有工程地质和工程物探调查资料表明，在渤海很多区域都存在或多或少的浅层气，如渤中区块、蓬莱区块、旅大区块都存在较大面积的浅层气富集区。浅层气的存在，会不同程度的降低地基土的承载力，增加基础的沉降和变形；浅层气溢出或喷出，将会导致地层塌陷、地基失稳，严重时破坏上部结构物，危及财产及人员安全。

目前，对含有浅层气地层调查主要是通过工程物探方法来定性评价浅层气分布范圍及其成因等。当发现调查区域地层中有浅层气分布时，如果钻井船或钻井平台直接避开浅层气区势必将会增加油气勘探、开发成本。如果通过某些途径能定量评估含浅层气地层的压力及含气量，即可有针对性地采取相应的预防措施，达到减轻作业风险、降低成本的目的。

国内外也有使用勘探船对浅层气场址含气量评估以及钻孔放气的例子，例如：1983年，在挪威北海的Gullfaks油田34/10区块勘探钻井时，大约60%的井都钻穿了浅层气。为精确掌握浅层气场址地层中的浅层气情况以及在Gullfaks"A"平台到位之前使气砂衰竭，在Gullfaks"A"平台附近钻了许多550 m的调研井。2005年，杭州湾南引桥滩涂区在勘察时发现地层中存在压力较大的浅层气，为了待建设施的安全，对桥址区的浅层气进行了集中排放和零星放气[1]。

1 解决浅层气对工程影响的方法

当在某场址地层中发现浅层气时，应按照以下步骤进行工作。

（1）基于工程物探资料（浅/中地层剖面、二维数字地震剖面）定性评估场址地层中浅层气富集情况，例如：浅层气埋藏深度、范围、类型、含量等。

（2）进行桌面研究，根据定性评价的浅层气富集程度及压力等，评估工程地质钻孔船在浅层气场址进行钻孔的安全性，评估钻井平台是否需要移井位。

（3）如定性评估后，钻井平台不需要移位，则应使用钻孔船定量地评价浅层气对基础稳定性的影响程度，来确定下一步是否有必要安装减压井。

（4）如地基承载力不满足要求或钻井平台钻井时可能发生浅层气井喷，则应安装减压井。

1.1 浅层气对基础稳定性影响评价

评估浅层气在黏土层中对桩承载力影响的程度可依据API RP-2A WSD（2000）中提到的方法[2]。

对于固定式桩基础平台，其单桩极限承载力表达式为：

式中：Q为桩的极限承载力；Qf为桩的表面摩擦力；Qp为桩端承载力；fs为单表表面摩擦力；As为埋入泥面以下桩侧总面积；qp为单位桩端承载力；Ap为桩端面积；为粘聚力系数；Su为粘性土的不排水抗剪强度；为计算点处的有效上覆压力；为不排水抗剪强度与有效上覆压力的比值；u 为超孔隙压力。

从以上分析可看出，由于浅层气的存在会使土体中的超孔隙压力（）增加，因而降低了土体的有效应力（），使土的强度和硬度降低，从而降低了土层的承载力。由此，只要能得到超孔隙压力参数，即可对含气地层的承载力进行分析，进而定量地评价浅层气对基础稳定性的影响程度。孔压静力触探（PCPT）和孔压消散试验（PDT）是一种可以测量地层中超孔隙压力的一种原位测试方法。

1.2 减轻浅层气影响的处理方法

当预定钻井船井场、平台场址发现有浅层气存在，且地基承载力不满足要求时，提前安装减压井能够有效消除浅层气喷发，以及减轻对基础稳定性的影响。该装置工作性能很好，在真的发生浅层气井喷时，可很快地撤离。同钻机上人员和设备暴露于浅层气风险的程度相比，人员和设备暴露于土壤钻孔船上的风险小得多。

1.2.1 作业程序

（1）方案设计：①资料收集及分析；②确定方案（孔数、位置、深度、方法等）；③编制实施计划（作业程序、操作步骤、应急计划等）。

（2）工具材料准备：气体分流器、筛管、排气管上部施放装置（图1）、剪切闸板。

（3）现场安装：①钻孔至预定深度；②将排气管从钻杆中下放到孔里；③将全部钻柱提出井口。

1.2.2 作业安全措施

（1）作业前：①紧急撤离演习；②所有引擎安装自动紧急停止装置；③排气管加装排气帽；④加重泥浆准备、守护船待命；井底BHA位置安装止回浮阀；⑤在接近泥面的钻杆处安装剪切闸板以便紧急撤离。

（2）作业过程中：①确认加重泥浆准备量及泥浆比重；②观察海流及方向变化情况；③关闭甲板所有非防爆设备、关闭舱室门窗及不必要的通风孔；④钻进通过异常区时，确认所有检测仪器有人看管；⑤注意观察所有与浅层气活动有关的现象；⑥避免起、下钻时诱发浅层气溢出的现象。

2 工程实例

2004年7月，在南海乐东区块某平台场址进行工程物探调查时发现：海底以下65～70 m处开始往下，直至海底以下500 m深度范围内，分布浅层气异常反射。为查明浅层气对平台桩基础稳定性的影响以及确认是否需要安装减压井，在平台场址处，完成了一个120 m连续PCPT测试，对潜在含气层进行了PDT测试[3]，测试成果见图2。

根据平台场址的土质参数以及桩的参数[3]，由公式（1）、（2）、（3）、（4）计算得出了单桩的承载力，见表1。

PDT测试结果显示在60 m以下地层中，由浅层气产生的超孔隙压力（EPP） 一般低于100 kPa，属于“较小”等级。由表1可以看出浅层气对单桩承载力影响较小，据此，可不考虑浅层气对桩基承载力的影响，不需要安装减压井。

3 结论

（1）应用PCPT及PDT原位测试结果，能够对含浅层气地层的地基稳定性做出定量评估。

（2）安装减压井是减轻浅层气对基础稳定性影响，以及防范作业安全风险的有效手段，且能很大程度上降低海上油气田开发成本。

（3）浅层气不仅对钻井船和平台安全作业构成潜在危害，在工程地质钻探作业中，也同样可能会遇到危险。因此，对作业人员技术、经验，以及作业船舶的装备能力有较高的要求。

参考文献

[1] 伍军，李上寿，孟庆斌.浅层气富集区海上长大钻孔桩快速施工技术[J].铁道建设，2006（4）：13-21.

[2] AP Institute.Recommended Practice for Planning，Designing and Constructing Fixed Offshore Platforms-Working Stress Design：Upstream Segment[A].American Petroleum Institute[C].1987.

[3] China Oilfield Services Ltd.，Pile group effect and shallow gas study for LD22-1 platform[Z].2007.