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超深水井浅层地质灾害的种类分析_浅层气-论文网

时间:2013-11-23  作者:易远元,王力

论文摘要:深水钻井作为深水油气资源勘探和开发的重要环节,在深水勘探开发中扮演着不可或缺的重要角色。由于深水海洋环境和复杂地质条件的影响,深水钻井面临很多的挑战,本文通过研究国内外相关超深水作业状况,对引起浅层地质灾害的主要种类及形成原因进行了归类分析,为超深水钻探过程中更好的认识各种浅层地质灾害提供了简单的理论依据。
论文关键词:深水钻井,浅层地质灾害,浅层气,水合物,浅水流

1引言

20世纪60年代以来,随着对海洋石油资源勘探开发程度的不断深入,越来越多的海洋地质灾害事件给海洋工程带来了巨大危害和损失。特别是近年来,全球深水油气勘探开发投资快速增长,从2003年的127亿美元增至2007年的约215亿美元。2007年全球深水油气产量约占海上油气总产量的15%,预计未来几年这一比例将提高到20%。

伴随深水油气勘探开发逐渐深入的同时,危及深水钻井安全的海洋地质灾害问题也日益突出,1999年在德克萨斯州里格市召开的高压浅水流钻探会议上,工业部门报告深水钻井大约30%的花费用于解决安全事故,其中大部分是用于因地质灾害而引起的安全事故。

因此,为避免在超深水钻井作业过程中由浅层地质灾害带来的巨大损失、防范安全事故的发生,确保钻井进程顺利实施。在钻井开始之前对井场区域可能存在的浅层地质灾害事故进行正确认识和评估,显得非常有必要。

2引发浅层地质灾害的主要种类分析

由于超深水钻井所涉及的钻井环境温度特殊,钻井液及水泥浆用量大,海底泥页岩的活跃,稳定性差、破裂压力梯度低并伴随有浅层流体以及气体水合物的形成等一系列问题,给作业带来了诸多困难。越来越多的海洋地质灾害事件也说明了这一点。

目前,超深水钻井过程中可能引起的工程地质灾害因素包括海底滑坡、浅部断层、浅层气、天然气水合物、浅层高压水流、古河谷、泥穿刺与泥火山、异常高压、埋藏古河道和潮流沙脊等。而能够引起浅层地质灾害的流体主要是海底浅层气、天然气水合物和浅水流这三种,因此,本文主要对以上三类地质灾害进行了分析。

2.1浅层气

浅层气是指海床1000m以下浅聚积的有机气体,它是大量陆缘碎屑物质带来的丰富的生物碎屑和有机质,在海底沉积时,经甲烷菌分解逐步转化成气体而形成的浅层气藏。海底浅层气主要分布于河口与陆架海区,我国各大河口与陆架海区均有广泛分布,尤以南海浅层气的分布更为典型,如北部湾盆地、莺歌海盆地、琼东南盆地、万安盆地、珠江口盆地、台西南盆地,以及油气富集的广大海区均分布有浅层气。

浅层气一旦生成,它在岩层中时刻都在运移与聚集,因为它不断受到上覆水层、土层、岩层压力的作用,这一作用过程对浅层气的运移极其重要,在经过一定地质时期的运移与聚集后,浅层气一般会被稳定地埋藏于海底之下。通常,浅层气以4种形态赋存于海底(图2-1)。

1)层状浅层气:海底埋藏着的古湖泊、古河道、古三角洲地区,沉积物中的有机质分解成的气体,与沉积物相伴生,呈大面积的层状分布;

2)团(块)状浅层气:由于海区各地沉积物中富集的有机质的含量不同,沉积物孔隙率的大小不同,浅层气通常不是均匀分布的,常常成团(块)地相对富集于某一区块或某几个区块;

3)高压气囊:深部天然气沿岩层的孔隙、裂隙、断层面上升到海底浅部,为不透气层(如粘土)覆盖,随着时间的推移,压力越来越大,形成高压气囊;

4)气底辟:高压气囊在长期强大的压力下,向上部覆盖层的薄弱处冲挤,出现气底辟。图展示了高压气囊先后发生的2次气底辟,浅层气上升了2个层位,它们最终将会冲破全部覆盖层向海底直接喷逸,导致钻井过程中安全事故的发生。

图2-1海底浅层气分布状态图

2.2天然气水合物

天然气水合物是一种以甲烷为主的烃类气体分子与水分子组成的类冰状的固态结晶体,它的形成与地质条件关系密切,如岩性、沉积速率、有机碳含量、沉积环境等。在海洋深水钻井作业中,由于同时存在适当的温度、压力、水和天然气这些条件,所以很容易产生天然气水合物。

图2-2天然气水合物典型剖面图

在超深水钻井过程中,天然气水合物的分解可以产生170多倍的体积增加量,它可能导致地层抗压强度变弱,井眼扩大、固井失败以及井眼清洁方面的问题。深水钻井作业中,天然气水合物的形成不仅是一个经济问题,更是一个安全问题。海底附近或井中溶解的水合物受到冷却后易在隔水管和压井阻流管线上重新凝结,尤其是在节流管线、钻井隔水导管、防喷器以及海底的井口里,一旦形成气体水合物,就会堵塞气管、导管、隔水管和海底防喷器等,从而造成严重的事故。

2.3浅水流

浅层流是海底沉积物中有机质分解的甲烷气体或地层深部油气运移产生的高压气层以及快速沉积产生的高压盐水层。在深水环境下,浅层流的存在形式较为复杂,一般体积较小难以预测;而且,浅层流所处的层位浅,常常突然出现,使报警反应时间短,并可能使浅层流在几乎没有报警的情况下到达地面。浅层流的压力一般较高,一旦井喷,能使井眼迅速卸载,使所有的钻井液喷出,继而失去井控的机会。在产生浅水流的情况下,由于深水表层地层薄弱,一旦发生井喷,还不能强行关井,关井易憋裂地层,使之失去控制,造成更大的井喷、爆炸起火、井口塌陷、钻机烧毁等等事故的发生。许多情况下,由于在浅井段钻进时,一般施工作业人员对浅水流危险性认识不足更易于引起事故;浅层流的主要灾害包括:

1)地层坍塌:浅层流的存在,使沉积物中孔隙水压力增加,地层有效压力相应减小,地层强度变低,浅层流溢出后出现局部塌陷。

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