深水钻井浅层地质灾害及井控措施研究

刘楚桐

（西安石油大学石油工程学院，陕西 西安 710065）

随着陆地油气资源的日渐枯竭及油田中后期开采难度增加，为了保证能源保障安全，全球多个国家已开始进行了海洋深水油气资源勘探与开采。由于海洋地质环境复杂，在此过程中面临的问题也逐渐显现，其中海洋深水钻井浅层地质灾害问题尤为突出[1]。天然气水合物、浅水流及浅层气引起的一系列问题直接影响着深水钻井的安全，解决这些问题对于海洋钻探工作的相关人员来说是巨大的挑战与机遇。因此，了解研究深水钻井浅层地质灾害并采取相应的井控措施对海洋深水钻井工作意义重大，首先为了防止钻井安全事故发生，降低事故发生率，保证人员和财产安全，其次是在遇到浅层地质灾害时，可以为工作人员采取合理的措施提供依据。

故本文在已有的研究基础之上，对深水钻井中常见的天然气水合物、浅水流以及浅层气三种浅层地质灾害的形成与危害、井控措施进行论述。

1 深水浅层灾害的形成及危害

1.1 天然气水合物

在深水海底中，天然气水合物在满足以下三个条件才会生成：1）同时存在较多的烃分子和水分子；2）存在低温、高压的环境；3）具有可作为储存空间的地层。而深水中正好可以提供上述条件，为天然气水合物形成提供便利条件。

天然气水合物形成所需的烃分子来源广泛，主要包括：1）溶解于海水中的甲烷；2）有机质在生物作用下分解出的甲烷；3）非生物因素产生的甲烷。一般情况下说，甲烷在海水中的溶解度较低，因而2）和3）中生成的甲烷在海洋环境下生成水合物的概率较大。

在深水钻井中，钻井液一直在和地层进行了热量交换，当钻至含有大量水合物的地层时，钻井液携带的热量传给水合物，会使水合物的稳定状态被破坏，从而引起水合物分解产生大量气体。这种情况会导致以下情况发生：1）大量气体逸出导致压力迅速增加，使得套管发生变形，严重时压裂套管；2）导致海底坍塌以及井口失稳；3）气体进入井筒伴随钻井液返回，随着途中压力温度变化，气体会剧烈膨胀，引发井喷等事故；4）当压力与温度满足条件时，气体会与井筒内的水形成水合物，堵塞管道，引起重大钻井安全事故。

1.2 浅水流

浅水流的形成原因主要是以下5 个方面：1）不平衡压实作用，沉积层沉积速度较快时，砂体空隙里的水无法及时排出，而且由于上覆水层与地层带来了一定压力，因此该空隙中的压力较高，如图1 所示。2） 差异压实作用，不同上覆沉积物厚度带来的压力不同，较厚的沉积物上覆压力更大，如图2 所示。3）井身结构的薄弱部分是套管鞋，当静液压力大于地层压力时，裂缝将在该部位出现，为浅层砂泥屑运移提供了便捷通道。4）钻井至浅层砂体时，钻井液会给砂体提供压力，引起异常压力的现象发生。5）浅水流灾害也可能是浅层区固井质量较差引起，砂水流会通过导管或者表管段固井产生的窜槽通道上返至海底泥线。

图1 不平衡压实作用示意图

图2 差异压实作用示意图

浅水流给深水钻井带来的危害如下：1）浅水流进入井筒不断冲蚀地层，地层的承载能力被降低，井口失稳发生的概率增加；2）具有较高速度的浅水流会不断冲蚀套管，引起固井质量变差，使套管发生变形；3）会引起井涌或者井喷；4）砂水流会冲向泥线，导致井口装置埋藏，极大可能会破坏井口装置，还会引起井壁失稳。

1.3 浅层气

浅层气的主要包括甲烷、乙烷、氨气等成分，其中甲烷含量高，而且分布范围较广[2]。有机质经过分解后产生的大量气体，形成浅层气。浅层气在裂缝与孔洞内不断移动聚集，并且多数情况下浅层段地层并未压实，内部存在较多的裂缝和孔洞，更加方便浅层气移动。当移动到具备致密、低渗透性能的地层时，浅层气聚集形成气藏，压力逐渐增加。

在钻井作业中，当钻过气藏盖层时，浅层气会大量迅速逸出，气体在逸出海面持续上升的过程中，会不断降低周围海水的密度，从而引起半潜式海上钻井平台倾覆，造成重大安全生产事故。

2 井控措施

2.1 双梯度钻井技术

双梯度技术为了从海底将钻井液和岩屑循环到井口，采用海底防喷器和小口径回流管线。该技术需要将一种特殊装置安装在海底防喷器顶部，将海水与钻井液隔离，待钻井液完成工作后，返回钻井平台。此方法可以将超深水与深水钻井等效为浅水钻井。

2.2 导管喷射钻井技术

该技术在获得钻井作业的同时，将导管下入到井眼内隔离浅部复杂地层，使海上钻井的安全性增加，作业效率提高[3]。

2.3 动态压井法

由于摩擦阻力可以使得井底压力增大，因此该技术主要通过增加钻井液的循环量来提高磨擦阻力，使井底压力与地层压力达到稳定状态，这种方法可以一定程度上解决浅层气和浅层破裂压力梯度低的问题，降低灾害发生率。

2.4 抑制天然气水合物形成的钻井液体系

由上文可知，天然气水合物会给深水钻井带来问题，所以需要在钻井液中添加可以抑制水合物生成的物质，来避免此类问题发生。例如高盐/PHPA 聚合物钻井液体系，该方法环境友好，在抑制水合物生成也有着不错的效果。

3 结论

通过上文的梳理分析，我们可以认识到在深水钻井中仍存在一些问题，其中浅层地质灾害问题较为常见，主要包括天然气水合物、浅水流以及浅层气灾害。为了解决这些问题，可以采用文中所述相应的井控措施，以提高安全性和经济效益。