深水钻井环境因素调查评价方法和流程研究❋

张异彪， 黄 涛,2， 李 斌， 李玉剑,2， 杨文达

(1.中石化海洋石油工程有限公司上海物探分公司，上海201208； 2.同济大学，上海200092)

深水钻井环境因素调查评价方法和流程研究❋

张异彪1， 黄 涛1,2， 李 斌1， 李玉剑1,2， 杨文达1

(1.中石化海洋石油工程有限公司上海物探分公司，上海201208； 2.同济大学，上海200092)

本文总结了深水区12种主要灾害地质因素的成因、危害及其识别方法，介绍了深水钻井环境因素调查评价的主要方法，包括：水文气象桌面研究、利用油气勘探三维地震资料进行深水浅层地质致灾因素评价、水文气象现场观测、深水工程物探调查和深水工程地质勘察等，建立了深水钻井环境因素调查评价的总体流程。有别于浅水钻井井场调查，深水钻井环境因素调查评价应遵循“从区域到局部，由面到点，先概略后精细”的原则，从海区、勘查区、三维地震调查区、井场区、井位等不同层次，分别采用分析文献资料、利用油气勘探三维地震资料进行浅层地质致灾因素评价以及进行井场外业调查等方式进行研究，充分利用上一层次的研究成果，用于指导下一层次的研究。采用这种方法，既能不失全貌，满足对较大范围环境因素概貌的掌握，又能经济地、有针对性的实现对重点区域、部位的精细调查评价。同时，要特别重视利用油气勘探三维地震资料进行浅层地质致灾因素评价，它是研究深水地质灾害的重要手段，而且根据实际情况，能替代部分甚至全部的井场外业调查。

深水；钻井；井场调查；地质灾害

海洋油气勘探开发中的“深水”是一个相对的、动态的概念。以往认为超过大陆架平均深度200 m的海域即为深水，1998年左右认为水深超过300 m海域是为深水[1]，2002年在巴西召开的世界石油大会将水深400 m以内的海域称为常规水深，400～1 500 m水深称为深水，超过1 500 m为超深水[2]。深水油气和天然气水合物的勘探开发是未来的热点。

深水钻井作业除了巨大水深带来的挑战外，还有一点就是深水区复杂的环境因素。主要原因就是油气勘探的深水区，一般位于陆坡上和陆坡外缘，其地质条件远比大陆架浅水区复杂。深水区环境复杂程度是浅水陆架区所不能比拟的，深水钻井相比浅水区面临着更多的风险因素。深水钻井事故常常会引起巨大财产损失，对环境造成严重污染，甚至造成人员伤亡，产生极大的社会影响。在钻井之前，对拟钻探的井场进行调查，探测识别井场工区存在的灾害性地质和水文气象环境因素，就可以调整井位规避风险或是提前作出预案和应对措施。深水钻井环境因素调查评价是保障深水钻井安全的关键技术。

国内深水井场调查起步较晚，深水工程物探调查以深拖拖体搭载为主，较少利用自有AUV(水下自主机器人)进行调查，技术方法上以文献跟踪研究为主[3]。作为一项重要技术方法，国外较早开展了利用油气勘探三维地震资料进行深水浅层地质致灾因素评价[4-21]。国内目前缺少对深水钻井环境因素调查评价的系统性总结。中石化在国内较早开展了利用油气勘探三维地震资料进行深水浅层地质致灾因素评价[22-25]。本文在中石化国内外深水区块钻井环境因素评价实践的基础上，对深水钻井环境因素调查评价的方法和流程进行总结。

1 影响深水钻井安全的主要环境因素

水面、水体、海床、浅部地层直至深部地层，对钻井平台自身安全和钻井作业产生危害的潜在致灾因素有：水面以上的气象致灾因素，如台风、飓风等灾害性天气；与海水水层有关的海洋水文致灾因素，如波浪、潮汐、海流、海啸、内波、等深流、近底强流等；海床及地层中的地质致灾因素，对于深水区而言，主要的地质致灾害因素包括：海底不规则地形地貌、海底障碍物、海床的冲刷侵蚀、浅表地层的不良工程地质条件、斜坡失稳和海底重力流、浅水流砂体、天然气水合物、浅层气、古河谷、浅部断层、底辟和气液逸出。表1从地质成因、对钻井作业的危害和地球物理探测识别三个方面对上述12种深水区主要灾害地质因素进行了总结。其中，浅水流砂体、天然气水合物和斜坡失稳是深水区特有或常见的，需要重点关注。

表1深水区12种主要灾害地质因素类型、成因、危害和识别
Table 1 The mechanism, harm and identification of the 12 main geohazards in deep water

Note:①Type；②Cause；③Harmfulness；④Identification；⑤Abnormal topographic features；⑥Seabed obstacles；⑦Seabed scour and erosion；⑧Slope failure and submarine mass movement；⑨SWF,Shallow water flow；⑩Gas hydrate；Sallow gas；Sallow active faults；Buried channels；Mud or salt diapir；Seabed fluid flow；Seabed sediments and sallow soils layers with poor geotechnical properties

按照环境因素的类型，可以将以上这些致灾因素分为灾害地质因素、灾害气象因素和灾害水文因素。大气、水体和海底是一个相互作用的整体系统，在对工区进行潜在灾害评价时，不能将各种致灾因素割裂开来，需要综合考虑。

2 深水钻井环境因素调查评价的主要方法

深水钻井环境因素调查评价是对工区内水面以上、海水层、海床、海底以下地层中可能存在的、所有有可能影响平台本身安全和钻井安全的致灾因素以及影响工程施工的限制性条件进行调查分析，包括气象、物理海洋及地质等各个专业，贯穿于平台就位、钻井等油气勘探开发的各个环节。深水钻井环境因素调查评价主要包括地质因素调查评价和水文气象因素调查评价，其中灾害地质因素评估是深水钻井环境因素调查评价的主要内容。

深水钻井环境因素调查评价的主要方法有两种：一是在收集、分析已有资料的基础上，进行室内的桌面研究，包括水文气象桌面研究和利用油气勘探三维地震资料进行浅层地质致灾因素评价等；二是进行外业调查(包括工程物探调查、工程地质勘察和海洋水文气象现场观测)，进一步获取实测数据和样品后对井场的致灾地质因素、工程地质条件和水文气象条件进行精细评估。

2.1 水文气象桌面研究

主要内容包括收集工区所在海域的历史水文气象资料，分析井场区海域的气象、水文背景条件；分析工区特征性的气象和水文致灾因素(如台风、内波等)；计算分析井场区海域不同季节风、波浪和海流的平均值及极值。

2.2 利用油气勘探三维地震资料进行浅层地质致灾因素评价

通常在水深较大的工区，才能使用三维地震资料进行浅部地层的解释。水深在750 m以上时，利用常规三维地震资料评估浅层地质灾害取得的效果比较好。其主要原因是水深较浅时，海水中的一次交混回响在地震道上会和浅部地层的信号叠加在一起。在地质灾害评估中，主要关注的是海底以下1 000 m以内地层，海底浅部地层的声速一般在2 000 m/s左右，海水中的声速一般在1 500 m/s左右，为此水深一般应在750 m以上，这样海水的一次交混回响才能在时间上滞后于浅部地层的有效信号，从而不对浅部地层的有效信号造成干扰。

以油气勘探为目的的三维地震所用震源容量大、电缆排列长、沉放深度深，相对井场高分辨率地震而言，所获资料普遍存在偏移距大、分辨率低的现象。所以，应对三维地震资料进行针对浅层的高分辨率处理。根据三维地震资料的品质，采用的浅层高分辨率处理方法、流程、参数可能不同，但“高分辨率、高保真度、高信噪比”的“三高”处理应是原则。

针对浅层的高分辨率处理一般在三维叠前时间偏移道集数据上进行。主要方法有：适当选取近道近偏移距数据处理以提高分辨率；加强处理中的反褶积、子波处理、谱白化等合理扩展有效频带、提高分辨率；合理应用叠后去噪手段，尽可能地提高资料的信噪比；注意相对振幅保持(见图1)。

图1 浅部地层高分辨处理前后剖面对比(左：处理前，右：处理后)Fig.1 A seismic profile before(left) and after(right) processing of resolution improving

利用三维地震资料，可以达到以下目的：一是通过拾取海底反射时间，经时深转换得到水深数据，制作海底地形图，用以评价工区内有无明显的不稳定斜坡和不利于施工的地形地貌(见图2)；二是识别浅部地层(主要为泥线以下1 000 m深度内)中规模较大的灾害地质因素。

图2 尼日利亚某深水区块利用三维地震 资料评价海底地形地貌Fig.2 Using 3D seismic to evaluate seabed topography (a block in Nigeria )

2.3 水文气象现场观测

当认为海洋气象、水文桌面研究获得的结论，不满

足需要时；或是发现工区气象、水文条件复杂，在钻井期间有可能出现灾害性的气象、水文因素时，有必要布点进行有针对性的外业观测。

通过较长周期(一般需一年或以上)的现场定点观测，获得实测气象水文数据，在此基础上进行统计和模拟分析，精确计算工区风、浪、流等要素的平均值、极值等，研究掌握工区灾害性气象水文因素的规律。

2.4 工程物探调查

工程物探调查的目的是：调查井场水深、地形地貌，了解井场内有无影响正常钻井的异常地貌和海底障碍物；探测浅部地层中有可能产生钻井灾害的地质因素。

深水井场调查所采用的物探调查内容和浅水区并无太大差异，但一般需要采用深拖拖体或AUV(水下自主机器人)作为载体，将各种物探设备组合在其中，以靠近海底的方式进行勘察，以获取高分辨率、高信噪比的调查数据(见表2)。深拖的作业效率较低，是一种过渡型的调查方式。

表2 深水工程物探调查方法的作业方式和仪器要求Table 2 Deep water geophysical survey methods, main requirements on instruments and their characteristics

Note:①Surveying methods；②Ways of operation；③Requirements on instruments；④Characteristics；⑤Multi-bean echo-sounder；⑥Side-scan sonar；⑦Magnetic surverying；⑧Sub-bottom profiler；⑨2D high-resolution seismic survey

深水井场调查中，有两种多波束测深作业方式：一是船载多波束测深。通过船底或船舷方式安装深水多波束测深系统。二是将高分辨率多波束测深系统安装在深拖或AUV中作业，施放至距海底数十米的高度贴近海底作业。后者的水深测量精度高于前者，是深水井场调查中水深测量的主要方式。前者，主要用于正式作业前踏勘或水深不太大(数百米)时的井场调查。

深水井场调查中，侧扫声呐有两种作业方式：一是声呐拖鱼加装重型沉深器，利用长缆单独拖曳作业。二是将侧扫声呐置于AUV或深拖拖体中以贴近海底方式作业，相对前者可获得较高分辨率的声纳影像，作业效率更高。

深水井场调查中使用的地层剖面仪主要由以下几种：一是船载式的深水地层剖面仪，其探测深度有限；二是拖曳式的地层剖面仪，采用电火花或气枪震源，能获得海底以下数十几米至百米的地层剖面资料，但分辨率有限；三是置于AUV或深拖拖体中的地层剖面仪，可获得海底以下十几米至数十米的高分辨率地层剖面资料，是深水井场调查中的主要的地层剖面调查方法。

在无三维地震资料或经三维地震资料进行地质灾害解释后，仍不能满足要求的井场区，应进行专门针对浅部地层的二维高分辨率多道地震调查。在深水井场调查中，利用二维高分辨率多道地震调查可以获得海底以下千米以内地层的高分辨地震剖面。为了激发和获取更多的高频地震信号，一般采用小容量气枪震源，且震源和接收电缆采用浅沉放的作业方式，一般沉放深度不超过4 m。

如发现海底出露或浅埋的铁磁性障碍物或疑存物时(海底管道、电缆、光缆、铁质沉船等)，可通过磁力仪进行探测。深水井场调查中的磁力调查，主要有长缆单独拖曳和在深拖拖体的尾部拖曳两种作业方式，作业效率均较低。采用长缆单独拖曳的作业方式时，由于要求采用深拖的作业方式，拖体一般离船较远，故无需考虑船舶磁性的影响；采用在深拖拖体的尾部拖曳的作业方式时，一般与深拖拖体的距离应在8 m以上，以降低深拖拖体对磁力仪的干扰。

2.5 工程地质勘察

工程地质勘察的目的是：调查海床及浅表地层的土的物理力学性质，以对钻井平台水下设施的基础或浮式平台锚泊系统的基础进行稳定性分析和评价。

深水工程地质勘察的主要内容和浅水区基本上是一样的。主要方法有：一是海底底质取样：采用重力、重力活塞、振动活塞、蚌式、箱式等取样器；二是工程地质钻探取芯：采用旋转钻进绳索取芯方式，全取芯或按一定间距获取岩土样品；三是土工原位测试：主要有静力触探(CPT)、十字板剪切试验等方法,最常用的是静力触探(CPT)试验；四是土工试验：在现场或陆地实验室进行土工试验，获取岩土物理及力学参数。除此以外，必要时需要采集底层水和土样品进行腐蚀性参数测定。

和浅水区不同的是，由于水深巨大，取样或原位测试设备在海面释放后，经过巨大的海水，在海床上的落点与释放点会有较大偏侈。需要在取样或原位测试设备上安装水下声学定位系统，才能获得采样或原位测试点的准确位置。同时深水取样和原位测试设备的体积、重量均较大，对绞车功率、缆绳张力均有较高要求，同时巨大的水深对缆绳长度也有较高要求。

3 深水钻井环境因素调查评价的实施流程

深水钻井灾害地质因素调查评价主要可分为以下几个步骤：

(1) 收集工区所在海域的地质、构造等资料进行桌面研究，概略了解工程地质条件、灾害地质因素类型、分布等。

(2) 评估、处理三维地震资料，分析其是否满足进行灾害地质因素评价的条件，若是满足，则以三维地震资料为基础，进行水深、地形地貌、浅层灾害地质解释以初步了解工区范围灾害地质因素分布特征和复杂程度。

(3)在第二步得到的灾害地质因素约束条件下，决定是否对已确定的井位进行微调。在最终井位确定后，以三维地震资料为基础对每个井场进行较为细致的灾害地质因素解释评估。

(4)根据三维地震资料进行灾害地质因素评价，能否建立起对钻井安全方面的足够信心。若是不能，则进一步进行外业深水井场调查。设计深水井场调查方案时，要充分利用已掌握的工区灾害地质因素特征，有针对性的进行设计。一般来说，进行深水井场调查时，工程物探和工程地质勘察应分步进行，有先有后。在工程物探结束后，进行处理解释，对工区地质情况有更深了解后，再更有针对性的设计工程地质勘察的方案。

(5)对采集的工程物探、工程地质资料进行处理解释，进行综合分析，形成最终评估报告，评估井场的工程地质条件和灾害地质因素，指导平台就位和钻井。

同样，深水钻井水文气象因素调查评价也是在收集井场所在海域的水文气象前人资料基础上，重点分析工区有无灾害性水文气象因素如台风、内波等，分析其时空分布特征，或根据需要进行现场观测，最后编制报告和相关图件。

图3建立了深水钻井环境因素调查评价的流程。

4 结论

(1)利用油气勘探采集的三维地震资料评估深水井场灾害地质因素是深水区特有的技术，能够经济、高效地评价井场区浅部地层地质致灾因素和海底地形地貌。大部分情况下，运用此方法后无需再进行针对浅部地层地质致灾因素分析的二维高分辨率多道地震调查；在勘探阶段，如果工区地质背景比较简单，有时可只利用此技术即可，而无需再进行外业调查。

图3 深水钻井环境因素调查评价流程图Fig.3 Flow chart of deep water drilling site survey and evaluation

(2)深水地质灾害往往规模大、延伸广，如果仅从小范围的井场区去解释可能只涉及到一个大的灾害性地质体的冰山一角。这对钻井是非常危险的。深水钻井环境因素调查评价应遵循“从区域到局部，由面到点，先概略后精细”的总体思路，从海区、勘查区、三维地震调查区、井场区、井位等不同层次，分别采用分析文献资料、利用常规三维地震资料以及进行井场外业调查等方式进行研究，充分利用上一层次的研究成果，用于指导下一层次的研究。采用这种思路，能既不失全貌，满足对海底较大范围概貌的掌握，又能经济地、有针对性的实现对重点区域、重点部位的精细调查。

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Abstract: Geological, meteorological and metaocean hazards are the main environmental factors that affect drilling safety. 12 types of geohazards and its forming mechanism, harm and geophysical characteristics are studied. The main deep water environmental surveying and evaluation methods are studied, including: meteorological and metaocean desktop study, geohazards study using 3D seismic data for petroleum exploration, meteorological and metaocean in-situ surveying, drilling site geophysical surveying and engineering geological investigation. A procedure for deep water drilling site environmental hazards surveying and evaluation is established. Unlike shallow water drilling site investigation, deep water drilling site investigation shall be conducted following the principle offromregionaltolocal,fromwholeareatoapoint,firstoverviewtheninsight. Different levels of study in sea area, block, 3D seismic area, drilling area and drilling site shall be conducted using documents, 3D seismic data and field survey data. By using this procedure, the overall situation of the drilling site can be grasped, and the key area can be specifically studied. Study geohazards using 3D seismic data is an economic geohazards evaluation method in deep water and it can replace some field survey in some conditions.

Key words: deep water； drilling； drilling site investigation； geohazards

责任编辑 徐 环

Procedure and Methods of Deep Water Drilling Site Environmental Hazards Surveying and Evaluation

ZHANG Yi-Biao1， HUANG Tao1,2， LI Bin1， LI Yu-Jian1,2， YANG Wen-Da1

(1 Shanghai Geophysical Branch, Sinopec Offshore Oilfield Services Company，Shanghai 201208, China；2 Tongji University，Shanghai 200092, China)

TE52

A

1672-5174(2017)10-154-08

10.16441/j.cnki.hdxb.20160482

张异彪，黄涛，李斌，等.深水钻井环境因素调查评价方法和流程研究[J].中国海洋大学学报(自然科学版), 2017, 47(10): 154-161.

ZHANG Yi-biao， HUANG Tao，LI Bin，et al.Procedure and methods of deep water Drilling site environmental hazards surveying and evaluation [J].Periodical of Ocean University of China, 2017, 47(10): 154-161.

中石化科研项目“深水井场地质灾害调查技术与评价方法研究”(JP10003)资助 Supported by Sinopec Research Project:Surveying and Evaluation of Deepwater Drilling Site Geohazards(JP10003)

2017-05-21；

2017-07-18

张异彪(1969-)，男，高级工程师。E-mail：zyb@sopgc.com