深水浅层钻井作业风险及应对措施

刘坤翔，陈彬，冉旭

(1.中海石油(中国)有限公司深圳分公司，广东 深圳 618067； 2.中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，广东 深圳 618067)

1 深水浅层钻井作业风险分类

按照我国现行定义标准，根据我国大陆架、大陆坡分布情况，洋流分布和海底地质特征，结合海上钻井装备能力和钻井技术应用状况，对海上作业井进行井型分类，其中水深大于500 h 为深水井，其中，若水深超过1 500 h，则称为超深水井[1]。

深水浅层一般存在地层结构松软、海床不稳定、海底浅部断层、古河道、天然气水合物、浅层气浅层流等作业风险因素。这些风险因素可以根据当前的活动情况可以分为非活动性地质灾害和活动性地质灾害。深水浅层钻井作业，即海底泥线以下浅部地层的钻井作业时，为海水开路钻进，未下入隔水管和防喷器组。此时，钻柱泵入海水，底部钻头破岩后，由海水携带岩石碎屑返出至海底泥线。由于海水密度较低，且粘度较低、携岩性能差，因此存在较高作业风险[2]。

2 深水浅层钻井主要风险及应对措施

2.1 古河道或古水道沉积

如图1 所示，埋藏古河道或古水道在三维地震图上显示为强振幅、变频率的杂乱发射为主，有时可能存在高压水层。需要结合三维地震等专业手段进行甄别。如南中国海深水B-1 井，在三维地震资料显示一定深度存在振幅异常，结合与周围地层同向轴比较，判断为振幅异常区，河道充填物与周围岩性有差别[3]。

表1 深水浅层钻井作业风险分类

图1 南中国海深水B-1 井三维地震图上可见明显振幅异常

预防措施：结合其他地震资料解释或技术，进一步确认充填物信息，根据岩性计划好钻井工艺，防止卡钻。钻井作业前检查泥浆泵等循环系统及其他设施，确保运转良好。提前备好稠浆，定期清扫保持井眼清洁。建议使用如图2 所示的DKD 动态压井装置((dynamic kill drilling，DKD)是一种未建立正常循环的深水浅层井段，以压井方式控制钻进作业中的浅层气井涌及浅层水涌动等复杂情况的钻井技术，其核心部件为一个混合器，混合器有两个液体泵入口，一般为高密度重浆和海水，通过流量控制计实现快速体积配比，泵出口泵出混合钻井液，泵入井筒内实现快速压井)。

控制措施：合理设计钻具组合，增加处理卡钻的能力。钻进古河道深度时做好钻井参数监测，合理操作。

2.2 古侵蚀面

图2 DKD 动态压井装置结构示意图和现场照片

古侵蚀面多由于附近岩石变化产生，一般原因为地层不整合接触，反应在数字地震图上一般显示为杂乱反射和平行或近平行层理的界面[4]。

预防措施：作业前检查循环系统等设施，确保运转良好。计划好钻井工艺，防止卡钻。

控制措施：合理设计钻具组合，增加处理卡钻的能力。

2.3 断层

断层是深水浅层最常见的风险类型，利用高分辨率数字地震过井剖面上的反射波同向轴变化，可以看到明显的地层不连续或地层错动(图3)[5]。

预防措施：获取准确断层信息、充填物质及风险；注意岩性变化，防止卡钻。

图3 过井位处断层F2 在地震图上呈现地层明显错动

控制措施：合理设计钻具组合，增加处理卡钻的能力。钻进至断层层位，调整钻进参数控制钻头机械钻速。

2.4 天然气水合物

深水海底低温高压条件下，容易形成在海底天然气水合物，易堵塞海底防喷器组管线。天然气水合物是一种固态结晶物，形态类冰或雪，遇火即可燃烧。水合物气化时会生成大量气体，同时伴随着热效应[6]。

预防措施：在作业期间，在防喷器组空腔内注入乙二醇，压井管汇内部替入水合物抑制液(如深水井的水合物抑制液一般为19%盐水和10%乙二醇)，定期用钻井液分别顶替压井阻流管线(管线内部体积)；在井筒静置期间，在防喷器组空腔及压井管汇注入高浓度的水合物抑制剂。

2.5 浅层气

浅层气是一种最危险的海洋灾害地质因素，一般以层状、团状、高压气囊、气底辟四种状态赋存于海底。一般埋深较浅，难以预测且反应时间短，一旦钻遇，会以很快速度上窜至海面，气体上窜过程中由于压力降低，会快速膨胀，从而降低海水密度，危害极大[7]。

可以采用高分辨率声学探测手段来获取，三维地震图上显示为振幅异常，并结合专业手段可以进行甄别[8]。

预防措施：鉴于浅层气存在的危害性极大，对于有浅层气风险的深水井，在设计和钻井作业期间都要制定详细的应急预案和应对措施。作业可以参照的技术措施包括但不限于以下[9]：

(1)在井位处钻小尺寸领眼井，提前释放浅层气风险；

(2)尽可能在浅层气前下入表层套管下入，建立循环后用泥浆钻进；

(3)钻开浅层气前，组织召开安全会议，明确浅层气风险，宣贯应急措施、作业程序和作业要求，落实每个岗位的职责；

(4)配制足够的高密度压井重浆。

海上钻井设备和工具选择包括：

(1)作业前检查循环系统、动力定位系统等设施，确保运转良好；

(2)做好钻井作业期间的海流图、风向图，确定移位方向，提前为钻进浅层气时做好平台紧急避险；

(3)建议在钻井平台使用DKD。

控制措施：尽可能选择无隔水管钻遇，必要时紧急航行避险；作业时加强监控，在可能存在浅层气深度控制钻速；若有可疑浅层/浅层流时，停止钻进，循环观察，使用DKD 实现快速压井。

应急处理：无隔水管钻进时：移离井位。如果已经下入隔水管和防喷器组，则按浅层气关井程序关井放喷，进行井控压井作业。

2.6 历史滑坡区

历史滑坡区是在地质历史时期，在一定的外界应力触发下产生大块的地层滑动或大量的沉积物群体运动，造成海底滑移、倒塌等毁灭性灾难。

历史滑坡区一般海底坡度较大，为越过大陆架之后，在陆坡带水深陡然增加，海床的不稳定和大坡度都促使海底极易形成滑坡和泥石流，滑坡快速沉积形成较厚、松软、高含且未胶结的地层，主要风险在于坐井口后存在井口被埋甚至井报废的风险。主要表现为水深图上显示等深线较密。

预防措施：采用高抗弯强度井口；设置井口合理出泥高度。

控制措施：开钻前用海底机器人(remotely operated vehicles，ROV)对周边情况进行勘探；浅层钻井作业期间，ROV 持续监测海床情况；ROV 配备冲洗工具；表层钻进期间控制ROP，尽量降低对附近地层的扰动。

2.7 土质松软

深水表层存在土质松软、易垮易塌、地层承载力低等特点，表层土一般为含水量高打70% 左右的软粘土，土体不排水抗剪强度小于200 kPa，导管下入到表层时桩基的承载力也比常规水深低，因此对导管作业固井作业带来挑战。由于软粘土承载力低，因此还存在导管下入到设计深度后，继续作业对浅层土进行扰动，破坏土体造成导管下沉和井口失稳等风险。

预防措施：采用喷射进行深水浅层钻井作业，主要原理是采用喷射方式将表层导管下入到位，套管在其自重和钻具组合重力作用下，随钻头钻出的领眼一并下行，并挤压周围海底地层直至设计深度，喷射到位后利用周围地层的黏附力和摩擦力稳固导管。喷射法施工，实现钻井+下套管一趟完成的技术，解决了深水钻井浅层土质疏松、海底低温、破裂压力低和钻入法找井眼困难等难题，同时，一开导管下入并吸附完成后，可以解锁专用工具继续进行二开井眼钻进作业，实现了深水浅层高效钻井作业。

控制措施：喷射作业设计需要结合土体强度、井口载荷、导管尺寸、顶张力值等进行综合考虑分析计算，得出导管规格选型、最危险工况分析，形成井口稳定性分析报告。

3 结语

针对古河道/古水道。古侵蚀面等非活动性地质风险，一般以预防为主，可以通过作业前地震图识别、合理钻井设计进行规避和预防。

一些常见的、整体危害性不大的活动性地质灾害，如：历史滑坡区、天然气水合物等，需要在作业前进行风险识别，并编制风险应急预案，并通过专业设计、管材优选、作业全过程监测和控制来达到降低安全风险、顺利完成浅层钻井作业的目的。

对于风险极高的活动性地质灾害，如浅层气，主要应对手段以规避为主，能避开就尽量避开，可以选择以定向钻井来实现原钻探目的，如果确实无法规避，则需要进行全面的风险评估，并制定风险应急预案和备用方案，在作业前准备阶段、作业过程中，均需要进行实时监测，在钻进过程中注意钻领眼井、优化钻井参数、做好现场应急演练等措施实现安全平稳作业。