楊　進(jìn)　張百靈　周　波　徐　鵬　田瑞瑞（.中國(guó)石油大學(xué)（北京） 石油工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京　049；.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)深圳分公司，廣東深圳　58067）

深水淺層氣地質(zhì)災(zāi)害聲波識(shí)別預(yù)測(cè)技術(shù)

楊進(jìn)1張百靈1周波1徐鵬1田瑞瑞2
（1.中國(guó)石油大學(xué)（北京） 石油工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京102249；2.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)深圳分公司，廣東深圳518067）

淺層氣是深水鉆井作業(yè)面臨的主要地質(zhì)災(zāi)害，做好深水淺層地質(zhì)災(zāi)害準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，能夠?yàn)楹侠淼你@井設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)，進(jìn)一步降低深水鉆井的安全風(fēng)險(xiǎn)，為現(xiàn)場(chǎng)安全作業(yè)提供技術(shù)保障。基于聲波在巖土介質(zhì)中的傳播速度特征，開展了深水淺層地質(zhì)災(zāi)害聲波特征模擬實(shí)驗(yàn)，揭示了海底土中淺層氣的存在對(duì)巖土中聲波傳播速度的影響規(guī)律，以及淺層氣中的壓力變化對(duì)聲波傳播速度的影響關(guān)系，利用模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果建立了淺層氣聲波識(shí)別預(yù)測(cè)模板。現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果表明，深水淺層地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測(cè)模型具有很好的適應(yīng)性，預(yù)測(cè)精度能夠滿足深水鉆井設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)施工的要求，具有很好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

深水；淺層氣；聲波；層速度；預(yù)測(cè)

淺層氣、淺層流和水合物是深水鉆井作業(yè)面臨的主要地質(zhì)災(zāi)害，近幾年國(guó)內(nèi)外深水鉆井作業(yè)所遭遇的淺層地質(zhì)災(zāi)害主要表現(xiàn)為淺層氣。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于淺層氣的預(yù)測(cè)主要是基于鉆前的深水淺層地震資料處理，由于深水淺層地震資料的質(zhì)量限制，常常出現(xiàn)有些深水海域預(yù)測(cè)有淺層氣風(fēng)險(xiǎn)，而在實(shí)際鉆井過(guò)程中沒有發(fā)現(xiàn)淺層氣，會(huì)造成鉆井設(shè)計(jì)誤差大和鉆井材料浪費(fèi)嚴(yán)重，鉆井成本過(guò)高。更為嚴(yán)重的是鉆前預(yù)測(cè)的沒有淺層氣海域，而在實(shí)際鉆井過(guò)程中發(fā)現(xiàn)了淺層氣，會(huì)給現(xiàn)場(chǎng)鉆井作業(yè)帶來(lái)更大的挑戰(zhàn)和安全風(fēng)險(xiǎn)［1-2］。通過(guò)對(duì)存在淺層氣海域已鉆井的測(cè)井資料處理分析，研究了深水海底淺層地震層速度與測(cè)井資料聲波時(shí)差的相關(guān)性，建立了淺層氣聲波識(shí)別模型和預(yù)測(cè)模板。研制了室內(nèi)深水淺層地質(zhì)災(zāi)害模擬實(shí)驗(yàn)裝置，開展了深水淺層地質(zhì)災(zāi)害聲波特征模擬實(shí)驗(yàn)，揭示了巖土中淺層氣壓力變化對(duì)聲波傳播速度的影響關(guān)系，利用模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果建立了淺層氣聲波識(shí)別預(yù)測(cè)模板，以方便現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。

1　聲波傳播速度模型

1.1聲波在巖土中傳播速度模型

聲波在巖土中的傳播速度同巖土力學(xué)參數(shù)的函數(shù)關(guān)系如下［3-4］

式中，vp為縱波速度；vs為橫波速度；λd為波長(zhǎng)；ρ為巖土的等效密度；G為巖土等效剪切模量。

1.2聲波在飽含孔隙流體（氣體）巖石介質(zhì)中的傳

播速度模型

White模型計(jì)算了飽含孔隙流體（氣體）巖石的等效體變模量和剪切模量，計(jì)算縱波和橫波速度［5］

式中，K為飽含孔隙流體（氣體）巖石的等效體變模量；ρ為飽含孔隙流體（氣體）巖石的等效密度；Gd為巖石骨架剪切模量。

2　聲波特征模擬實(shí)驗(yàn)

2.1基本原理

為了確定深水泥線以下沉積物中淺層氣的聲波速度，建立深水淺層氣聲波預(yù)測(cè)模型，設(shè)計(jì)了深水淺層氣聲波特征測(cè)量實(shí)驗(yàn)，用于研究聲波在淺層氣中的傳播規(guī)律及速度特征，依據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，建立深水淺層氣預(yù)測(cè)模型。

鑒于超聲波和地震波在固體介質(zhì)中的傳播速度系屬于同一量級(jí)，而超聲波的波長(zhǎng)又遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于地震波的波長(zhǎng)，在傳播過(guò)程中衰減較慢。因此，以超聲波作為地震波的模擬波，來(lái)研究波在不同深水淺層地質(zhì)災(zāi)害中的傳播速度。遵照相似準(zhǔn)則，實(shí)驗(yàn)選用與地質(zhì)淺層氣氣體成分相同或相近的氣體制作淺層氣模型，模擬與實(shí)際地質(zhì)模型相似的環(huán)境條件，如密閉性、壓力條件等，通過(guò)模擬地震波在淺層氣中傳播的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特點(diǎn)，研究水深給淺層氣聲波速度帶來(lái)的影響，建立壓力與水深、埋深之間的函數(shù)關(guān)系。實(shí)驗(yàn)原理圖和實(shí)驗(yàn)流程如圖1、圖2所示。

圖1　實(shí)驗(yàn)原理

圖2 實(shí)驗(yàn)流程

實(shí)驗(yàn)的主要設(shè)備包括箱體式分層容器為主的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、氣動(dòng)增壓設(shè)備、模擬淺層氣的密閉容器以及聲波測(cè)試儀。

2.2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

分析實(shí)驗(yàn)所測(cè)得的聲波速度，求取固定壓力下不同聲波發(fā)射頻率時(shí)聲波在模擬淺層氣密閉容器中傳播的平均速度（表1）以及固定壓力下不同聲波發(fā)射頻率時(shí)聲波在土層中傳播的平均速度（表2）。

表1　模擬淺層氣區(qū)域巖土聲波速度平均值

表2　土層聲波速度平均值

對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得出：（1）聲波在土層和淺層氣中的傳播速度大小隨著壓力的增大而增大；（2）當(dāng)壓力較小時(shí)，聲波速度隨壓力增大增加速度較快，當(dāng)壓力較大時(shí)，聲波速度增加速度較慢，基本呈冪指數(shù)的函數(shù)關(guān)系，擬合表達(dá)式為

式中，y為聲波速度，m/s；x為氣體內(nèi)部壓力，MPa。

3　聲波識(shí)別預(yù)測(cè)模型建立

由深水淺層氣地質(zhì)災(zāi)害聲波特征模擬實(shí)驗(yàn)，獲得聲波速度在淺層氣中的傳播速度滿足數(shù)學(xué)關(guān)系

式中，vsg為淺層氣中聲波速度，m/s；σv為氣體壓力，MPa。

根據(jù)Power Law 模型，得出淺層氣中的聲波傳播速度與水深H及埋深z之間的數(shù)值關(guān)系

根據(jù)國(guó)內(nèi)外深水淺部沉積物資料的調(diào)研［6-9］可知在泥線以下1 000 m的范圍內(nèi)，沉積物密度一般為1.40~1.80 g/cm3，且近似于線性變化，所以在計(jì)算中ρr在數(shù)值上近似取

則進(jìn)一步得出淺層氣中的聲波傳播速度與水深H及埋深z之間的數(shù)值關(guān)系

建立深水淺層氣地質(zhì)災(zāi)害聲波預(yù)測(cè)模板

當(dāng)水深為500 m時(shí)

當(dāng)水深為1 000 m時(shí)

當(dāng)水深為1 500 m時(shí)

當(dāng)水深為2 000 m時(shí)

當(dāng)水深為2 500 m時(shí)

當(dāng)水深為3 000 m時(shí)

從而可進(jìn)一步分別給出上述水深時(shí)，淺層氣聲波速度隨埋深變化的曲線，如圖3?？梢钥闯觯?/p>

圖3　不同水深條件下淺層氣聲波速度隨海底土深度的變化曲線

（1）同一水深下，淺層氣聲波速度隨淺層氣的埋深增加而增大，但增大速率隨埋深的增加而減小。

（2）淺層氣埋深相同時(shí)，聲波速度隨水深的增加而增大，但水深等值增加時(shí)，聲波速度的增幅減小。

（3）隨水深的增加，淺層氣聲波速度變化范圍減小，如水深為500 m時(shí)，速度變化范圍約為350 m/s，而水深為3 000 m時(shí)，速度變化范圍僅為200 m/s。

（4）水深為500 m時(shí)，淺層氣聲波速度基本為850~1 200 m/s，水深為1 500 m時(shí)，淺層氣聲波速度為1 000~1 400 m/s。

實(shí)踐表明，墨西哥灣500 m水深條件下淺層氣的地震層速度一般為850~1 200 m/s，而在1 500 m水深時(shí)淺層氣的地震層速度反映在1 000~1 500 m/s［10］。這一結(jié)果與本實(shí)驗(yàn)建立的深水淺層氣地質(zhì)災(zāi)害聲波預(yù)測(cè)模板規(guī)律基本一致。

4　現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

南中國(guó)海某調(diào)查區(qū)域內(nèi)海底起伏較大，水深值在1 280.9 m至1 747.4 m之間變化。3口目標(biāo)井水深分別為SS1井水深1 496 m、SS2井水深1 518 m、SS3井水深1 360 m。根據(jù)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)地震層速度原始數(shù)據(jù)的處理，做出目標(biāo)區(qū)塊沉積層地震層速度曲線。根據(jù)目標(biāo)井水深定義淺層地質(zhì)災(zāi)害淺層氣預(yù)測(cè)模型中的水深，做出淺層氣聲波速度曲線。根據(jù)淺層氣地質(zhì)災(zāi)害聲波預(yù)測(cè)模板，得到結(jié)果如圖4~圖6所示。

圖4　目標(biāo)井SS1淺層氣地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測(cè)模板

圖5　目標(biāo)井SS2淺層氣地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測(cè)模板

圖6　目標(biāo)井SS3淺層氣地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測(cè)模板

目標(biāo)井SS1泥線以下600~750 m的范圍內(nèi)地層的地震層速度明顯低于正常沉積層的速度，其速度接近同深度處淺層氣聲波速度預(yù)測(cè)值范圍，由此可以判斷在原目標(biāo)井位600~750 m的范圍內(nèi)可能存在淺層氣風(fēng)險(xiǎn)，在鉆井過(guò)程中需要高度重視。

目標(biāo)井SS2、SS3地層的地震層速度均高于同深度處淺層氣聲波速度，由此可以判斷目標(biāo)井SS2、SS3鉆遇淺層氣的可能性非常小。

利用淺層氣聲波速度預(yù)測(cè)模型對(duì)目標(biāo)井SS1、 SS2、SS3進(jìn)行淺層氣災(zāi)害的預(yù)測(cè)結(jié)果與3D高分辨率地震剖面反應(yīng)的結(jié)果基本一致，表明了深水淺層地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測(cè)模型的合理性與準(zhǔn)確性。

作業(yè)者根據(jù)深水淺層地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測(cè)結(jié)果，對(duì)目標(biāo)井SS1井位進(jìn)行了調(diào)整，3口目標(biāo)井在實(shí)際鉆井作業(yè)中均未鉆遇淺層氣，海上鉆井作業(yè)安全順利。

5　結(jié)論

（1）通過(guò)深水淺層氣地質(zhì)災(zāi)害聲波特征模擬實(shí)驗(yàn)，揭示了水深對(duì)淺層氣聲波速度的影響規(guī)律，建立了深水淺層氣聲波識(shí)別預(yù)測(cè)模板。

（2）存在淺層氣深水海域的海底淺層地震層速度特征與鉆后測(cè)井資料聲波速度具有很好的一致性，兩者有機(jī)地結(jié)合能夠很好地提高淺層氣的預(yù)測(cè)精度。

（3）通過(guò)幾口井的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，深水淺層氣聲波識(shí)別預(yù)測(cè)技術(shù)是可行的，具有很好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

［1］楊進(jìn)，曹式敬. 深水石油鉆井技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)［J］.石油鉆采工藝，2008，30（2）：10-14.

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（修改稿收到日期2015-01-06）

〔編輯付麗霞〕

Geological disaster acoustic wave identification and prediction technology of deepwater shallow gas

YANG Jin1, ZHANG Bailing1, ZHOU Bo1, XU Peng1, TIAN Ruirui2
（1. MOE Key Laboratory of Petroleum Engineering, China University of Petroleum, Beijing 102249, China; 2. Shenzhen Branch of CNOOC, Shenzhen 518067, China）

The shallow gas is a main geological disaster in the deepwater drilling operation. The accurate prediction of deepwater shallow geological disasters is capable of providing a scientific basis for reasonable drilling design, further reducing the safety risks in the deepwater drilling, and providing technical guarantee for the site safe operation. Based on the characteristics of propagation velocity of acoustic wave in the rock and soil medium, the simulation experiment of acoustic wave characteristics of deepwater shallow geological disasters has been conducted, the law of effect of existence of shallow gas in the subsea soil on the propagation velocity of acoustic wave in the rock and soil, and the effect of pressure changes in the shallow gas on the propagation velocity of acoustic wave have been revealed, and the acoustics wave identification and prediction model of shallow gas has been established by virtue of results of simulation experiment. According to the site application results, the prediction model of deepwater shallow geological disasters has favorable adaptability, its prediction precision can meet the requirements of deepwater drilling design and site construction, and it has favorable promotion and application value.

deepwater; shallow gas; acoustic wave; interval velocity; prediction

P631.84

A

1000 – 7393（2015） 01 – 0143 – 04

10.13639/j.odpt.2015.01.037

國(guó)家自然科學(xué)基金“海洋深水淺層鉆井關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)理論研究”（編號(hào)：51434009）；國(guó)家自然科學(xué)基金“深水鉆井表層導(dǎo)管噴射鉆進(jìn)機(jī)理研究”（編號(hào)：51274223）。

楊進(jìn)，1966年生。主要從事海上鉆完井技術(shù)的教學(xué)和研究工作，博士，教授，博士生導(dǎo)師。電話：010-89733204。E-mail：yjin@cup.edu.cn。

引用格式：楊進(jìn)，張百靈，周波，等. 深水淺層氣地質(zhì)災(zāi)害聲波識(shí)別預(yù)測(cè)技術(shù)［J］.石油鉆采工藝，2015，37（1）：143-146.