超深水钻井浅层气识别与后评估

田 波，王跃曾，李思洋

（中海石油深海开发有限公司，广东珠海 519000）

随着深水油气勘探开发不断深入、危及深水钻井作业安全的海洋地质灾害频发，防范事故发生是确保钻井安全与降低成本的最有效措施。井位工程地质调查是在钻井开始之前，对井场区及钻井过程中可能遇上的地质灾害进行评估，预测可能存在危及钻井安全的地质因素，以便在钻井过程中做出相应的防范措施，其中，海底浅层气是引起浅层灾害的主要因素之一。超深水海底上部地层多海底淤泥，地层压实程度低，容易存在浅层气危害。由于存在多解性，完全识别超深水浅层气较为困难；超深水浅层气压力更高，更容易发生井喷，井喷后强行关井易失去控制并造成更大的井喷、爆炸起火、井口塌陷、烧毁钻机等[1]，因此，必须认真对待超深水探井钻井作业中的浅层气识别和防范。

1 超深水海底浅层气介绍

1.1 超深水海底浅层气简介

超深水海底浅层气是指在超深水（水深＞1 500 m）海域海床以下1 500 m范围内聚积的气体，主要成分是生物甲烷气或热成甲烷气。调查表明，在珠江口盆地含有较大范围的浅层气存在，以含气沉积物、连续或不连续层状气藏、超压气囊、气底辟、构造气藏、沿断层运移封闭气藏等形态赋存于地层中[2]。浅层气向海底喷逸的形式主要呈“烟囱”状、“蘑菇云”状或“火山”状等，在海底表面容易形成“麻坑”、“麻坑”群、洼坑及气道等泥面特征，在浅层剖面上海床面出现洼坑、气道，或原来连续的地层突然出现空白或模糊一片等特征；当旁侧声呐与浅层剖面仪同步作业时，记录图像上可以同时观察到浅层气“麻坑”及对应的气体喷逸通道。

1.2 超深水钻井中的浅层气危害

海底浅层气对超深水钻井作业的危害应引起足够重视，浅层气会引起溢流、井喷、火灾、甚至深水钻井平台倾覆等灾难性事故，严重威胁到作业人员的生命安全。根据挪威船级社的调查，33%的气体井喷起源于浅层气，54%的浅层气井喷会导致严重后果[3]。

2 证明浅层气存在的证据

浅层气存在的证据主要有直接证据和间接证据，前者主要是通过地球物理调查、海底沉积物和底水样品的地球化学分析、钻井泥浆等方式获得；后者是通过海底沉积特征、气体渗漏、与甲烷有关的碳酸岩结壳、异常生物群落等现象获得。

2.1 地震剖面中浅层气存在的直接证据

（1）浊积反射：由于声波能量分散而形成的杂乱反射，地震剖面上表现为黑色斑点。（2）增强反射：通常出现在浊积反射侧面，呈连续的强振幅反射。（3）柱状扰动或气烟囱：正常的地震反射层序由于受到孔隙流体，特别是天然气的向上运移而受到扰动或破坏所呈现的垂向反射特征。（4）空白反射：地震剖面上推测由天然气造成的呈补丁状的弱反射或无反射。（5）亮点：含气层顶部所表现出的强振幅，负相位反射。值得注意的是：地震剖面上的亮点存在多解性，“亮点”既可能是“气层”，也可能是“砾石夹层”、“煤层”或“褐煤层”等，另外，亮点的识别受人为影响较大，同时受接收信号处理质量的影响。

2.2 地震剖面中浅层气存在的间接证据

（1）海底表面特征：①麻坑：由逃逸流体（主要为气体）带走海底沉积物形成的海底凹坑。②海底圆丘：海底圆丘可能是麻坑的初级阶段。③泥底辟：泥底辟是由塑性沉积体在浮力作用下向上刺穿另一个塑性沉积体而形成的。④巨大的气体土堆：它们与油气渗漏、天然气水合物和排气型动物有关。⑤强反射海底：旁侧声呐上显示的补丁状强反射海底与穿出海底的扩散流体渗漏有关。

（2）渗漏特征：通过声波或水下摄像可观测到渗漏水柱。在回声探测、旁侧声呐和高精度地震记录上，渗漏流体呈垂直或倾斜的黑色羽状。

（3）与甲烷有关的碳酸盐岩，存在碳酸盐岩结壳的海底，旁侧声呐记录为强反射区。异常生物群落渗漏区生物活动异常。

3 浅层气识别方法

通常情况下，井场调查采用高分辨率地震、多波束测深、旁侧声呐、浅地层剖面等物探方法[4]，查清井场范围内的海底地形地貌、做浅层地质灾害可能性评估等，随着地震勘探技术的发展，对于以动力定位半潜式钻井平台的超深水井场调查则可以利用以油气勘探为目的的三维地震数据进行二维高分辨率处理[5]，以获得井场区的地质资料，以该资料为基础，在室内对井场海底工程地质灾害的可能性做出解释、研究和评估（见表1）。在实际工程中，仅仅研究钻前的浅层地质灾害预测是不够的，还应该对各种可能发生的浅层地质灾害所应采取的措施进行研究，同时做好施工过程中地质灾害的检测、提前预警等工作。

3.1 国外浅层灾害识别

三维数据的使用结合绘图技术使绘制地质灾害和地质特征更加高效和准确（OTC-7968）。高分辨率网格技术确保能够及时识别潜在的气体积聚（OTC-5758）。

3.2 国内外浅层灾害识别

国内常用的浅层灾害的识别方法主要包括：测井、反射地震两大类方法，在每一类方法中又包含有许多具体的应用技术[6，7]。

由表1可知，国内主要通过地震反演方法识别和预测浅层灾害[8，9]。在资料允许的情况下应该综合应用多种方法，尽量增加约束条件，从而最大程度地提高浅层灾害识别和预测的精度。

4 超深水探井浅层灾害预测方法

根据国内外相关经验，对南海东部超深水M井浅层灾害采取针对性方法，用高分辨率二维地震资料反演预测浅层气。下边以“速度反演结合神经网络预测气烟囱体”为例介绍浅层气的识别方法。

4.1 浅层气的预测

对地震资料进行气烟囱体处理，确定浅层气通道。对地震资料进行速度反演（拟声波测井处理），再利用反演得出的声波曲线进行地层压力预测，确定浅层气异常（见图1）。

4.2 浅层气的预测

图1 浅层灾害预测流程图

预测浅层气最有效的方法就是气烟囱体反演方法。气烟囱体反演的主要技术是基于神经网络模式识别（Neural Networks）（见图2），其工作流程为[10-18]：

图2 神经网络模式识别示意图

（1）数据分析－选择属性组。

（2）选择代表性的训练点。

（3）在训练点上计算地震属性。

（4）反馈计算数据到神经网络并训练神经网络。

表1 国内外浅层灾害识别应用技术

（5）利用神经网络预测气烟囱体的技术思路是：

①计算和确定单地震道或多地震道的属性集，这些属性集可以区分气烟囱体和非气烟囱体（见图3）；②利用人为确定的气烟囱体和非气烟囱体处提取的属性来设计和训练一个神经网络（见图4）。

图3 过M井A测线气烟囱体剖面

图4 过M井A测线气烟囱体与能量剖面

4.3 研究结论

从众多反演剖面图可以看出，M井钻遇浅层气的可能性几乎为零。

5 M井浅层灾害识别后评估

对M井进行了浅层地质灾害的识别与预测[19，20]，属于钻前预测。现在钻井工程已经完成，通过收集到的钻井日报以及实钻岩性柱和曲线，对M井浅层灾害识别做出后评估，主要是对比钻前预测结果和实钻情况，判断预测结果。

5.1 工区井场介绍

M井位于中国南海东部，水深2 451 m，是我国第一口自营水深超过2 000 m的探井，设计井深4 000 m。

5.2 M井浅层地质灾害评估

预测的浅层灾害包括浅层气、浅水流及天然气水合物[21]，三种浅层灾害各有特点，预测浅层气运用了气烟囱体反演的方法，通过对比存在浅层气井的气烟囱体，判断：M井出现浅层气的可能性很小。

5.3 后评估结果

通过收集的钻井日报及测井资料并没有发现有浅层气灾害的迹象，实钻过程中没有发现压力异常及其他浅层气引发的事故，在测井曲线和柱状岩性中，除了发现的天然气层段外，测井曲线中并未出现高电阻率、高时差及低密度等现象，确认M井位没有浅层气。

综合上述，钻前预测与钻井实际情况吻合，井区不存在浅层气。

6 认知与建议

（1）在超深水地质条件下，利用高分辨率2-D地震资料，运用“速度反演结合神经网络预测气烟囱体”方法进行超深水浅层气预测，收到了预期效果。

（2）利用高分辨率2-D地震资料，运用“速度反演结合神经网络预测气烟囱体”预测超深水浅层气是一种行之有效的方法，为了增加安全边际，建议在采用这种方法的同时必须结合其他方法进行对比印证。

（3）浅层气井喷防控是超深水钻井作业中最棘手的难题之一，无论钻前研究的结果如何，作业者和承包商都必须高度重视钻前调研、设备配备、应急计划制订、人员培训（含实际操作）、演习和实际监控等工作，必须认清：任何疏漏，都可能导致发生重大灾难。