海洋技术▏南黄海西部某风电场区浅层气特征与分析
伴随着我国南黄海西部风电场项目的蓬勃发展，为探明区域内各风机站位间的连井剖面和海底地质灾害分布情况，保障PCPT（原位静力触探试验）测试时作业船舶的安全，采用浅地层剖面仪（TOPAS PS18）、中地层剖面仪（SPARKER）和高分辨率数字地震系统，对重点区域进行了约164km地球物理测线。通过分析调查资料发现，该区域存在大量浅层气，综合PCPT钻孔测试结果进行解释，对浅层气的特征有了一定认识，并分析和探讨了浅层气的成因、压力和灾害影响。
一、风电场区地质概况
风电场区域位于古黄河口（图1），属于含有丰富有机质的三角洲和滨海相沉积，河口区域快速沉积，为微生物的生存和繁殖创造了有利物质和环境基础。该区域断层发育稀少，有利于气体聚集成藏，尤其是第四系中上部发育了一套滨海相黏土层，作为区域性盖层非常有利于浅层气形成和富集。
图1 研究区域位置图
二、浅层气的特征识别
通常，利用浅剖、单道和多道地球物理测线剖面解释浅层气的存在，与其有关的异常反射波特征主要包括：强振幅、极性反转、地层绕射、地层下弯、声学屏蔽和低频波形等。这些特征可能是浅层气的成因，但也可能是岩性、地层突变等原因引起，需要通过测井、地质钻孔取样或PCPT进一步证实。
本文通过对风电场区域调查资料的分析，识别出该区浅层气的特征，主要表现为连续地层反射波发生间断，地层反射杂乱，部分地层反射波被屏蔽且延伸到深部地层中，局部地层反射波因声速异常导致下拉，地层反射高频衰减迅速，地层分辨率降低等，最后通过钻孔PCPT测试证实了浅层气的存在。
⒈浅剖资料上的浅层气特征
通过分析风电场区内浅剖资料（图2、3），发现地层反射波存在强反射、空白或杂乱反射等与浅层气相关的异常反射波特征。顶部埋深最浅约5m，局部有气烟囱，在黏土地层中形成毛刺状，比渤海蓬莱区块封存好，未见浅层气泄露海底，海水中未见气体羽状流，未发现断层。
图2 浅地层剖面图
图3 浅地层剖面图
浅层气呈现强反射，浅剖反射浓度反映含气量与压力的大小，空白带代表含气沉积物。当反射层侧向过渡到含气带时，可以见到这些反射层向下偏移，这是由于含气量增加、声速减小所致（图2）。
⒉电火花资料上的浅层气特征
通过分析风电场区内电火花资料（图4），发现地层反射波存在极性反转，同相轴振幅加强，空白或杂乱反射，气层段低频波形，声速异常导致地层下拉等与浅层气相关的异常反射波特征，未发现断层。浅层气的顶部埋深主要分2种，其中振幅加强区的顶部埋深约12～16m，空白和杂乱反射区的顶部埋深不易识别，需借助浅地层剖面资料，并且该浅层气的特征容易与地层主要为砂质沉积的特征混淆。风电场区内浅部含气地层的高压特征不明显，反映为存在连续地层反射波，可以判定为弥散的浅层气。
图4 电火花地层剖面图
⒊数字地震资料上的浅层气特征
通过仔细判读风电场区内数字地震资料（图5、图6），浅部地层发现弥散气，表现为极性反转，同相轴振幅加强，杂乱反射，气层段低频波形，声速异常导致地层下拉等与浅层气相关的异常反射波特征。未发现断层，弥散气下伏清晰的高压气囊顶部界限埋深约在320～550ms（272～467m）之间变化，推测浅部弥散的浅层气主要是通过地层扩散、渗滤形式运移和散失而形成。局部有气烟囱，特征不太明显，规模不大。钻孔及PCPT测试深度为75m，地质浅孔钻遇高压气风险小。钻孔发生泥浆喷涌的站位主要位于同相轴振幅加强区。
图5 高分辨率数字地震剖面
图6 高分辨率数字地震剖面
⒋钻孔PCPT测试时浅层气特征
采用SMST液压顶驱钻机完成风电场区65个站位的钻孔PCPT测试，其中在37＃、38＃、52＃、53＃、69＃、70＃共6个站位处，提钻约40m时发生了泥浆喷涌现象，浅层气溢出，现场未检测到硫化氢气体含量，综合判断为甲烷气。
图7 钻井时泥浆喷涌情况
其中69＃站位作业时，泥浆从钻杆顶部剧烈喷出，并伴随大块黏土和喷气声（图7），喷至钻台。38＃站位作业时，泥浆从钻杆顶部剧烈喷出，伴有砰砰的响声，时间约为5min，混杂粉质细砂，喷至钻台、司钻房及上层甲板。
为此，船队集思广益，进行讨论并优化了钻井工艺，大致如下：
⑴根据地层情况增加洗井眼频率，尤其是浅层的黏性土层，以尽可能扩大井眼，保持环空通畅，利于井孔内浅层气扩散；
⑵在完成作业起钻之前，加注重泥浆充满钻杆和环空，增加泥浆的静压力；
⑶根据PCPT测试的地层情况，在重点地层（一般为30～45m之间的砂层）范围内，起钻时提前接上顶驱，进行泥浆循环和划眼起钻，将钻杆起到可以卸的位置，观察泥浆压力判断是否有气压，如果有浅层气则持续泥浆循环将浅层气体从钻杆外的环空带出，避免从钻杆内喷出的风险，直到气压接近零为止，再起钻，有效减少起钻的抽活塞作用。
由于优化后的钻井工艺和相应的应急措施安排，泥浆喷涌及浅层气溢出情况得到有效控制，但此工艺增加了单井的作业时间和泥浆消耗，作业成本上升，作业效率降低。
三、风电场区浅层气
⒈风电场区浅层气的成因
众所周知，生物成因气的重要条件是有机物的快速堆积和保存完好，并在还原环境下经厌氧菌吞食和分解，最终变成由甲烷组成的可燃气体。一般生物成因气埋藏较浅，主要分布于河口与大陆架海区，我国沿海各大河口及大陆架海区均广泛分布。
风电场区第四纪全新世主要生气层为海积冲积物，海底浅表层的海相沉积层中的粉土、黏土是良好的区域性盖层。推测风电场区内的浅层气是在第四纪的几次海进、海退中，交替沉积了多套富含有机质物质的淤泥层和砂层，其中的有机腐蚀质产生生物气，经过运移、富集，储存在临近的砂层透镜体或砂层顶部，形成的浅层气藏。
图8 钻井泥浆喷涌示意图
⒉风电场区浅层气压力预估
钻井和PCPT测试过程中未发生泥浆喷涌和浅层气溢出现象，6次井涌和浅层气溢出都是发生在提钻约40m左右，分析可能是钻井过程中由于泥浆循环压力及泥饼作用，对地层中浅层气进行了一定程度的封存，提钻时一般不进行泥浆循环，再加上类似抽活塞作用力，浅层气溢出到井口并聚集形成一定压力而产生泥浆喷涌。
以38＃站位泥浆喷涌为例，如图8所示，钻井泥浆采用ρ＝1.05g/cm3，泥浆喷涌高度约h＝73m，根据公式：P＝ρgh，测算地层中浅层气压力约7.67Pa。
⒊风电场区浅层气灾害分析
风电场区内浅层气的灾害主要包含：含浅层气的沉积物本身往往是不良地层基础，会影响钻孔施工作业，同时对风机的桩基础也会造成危害。
⑴含浅层气的沉积物往往是不良基础
浅层气引起海底土质膨胀，土的骨架受到破坏，减慢了土层固结作用，增大了土层的压缩性。Whelan等对海底淤泥中所含的甲烷浓度和沉积物的抗剪强度之间的关系进行研究表明，由于重力作用产生固结，松散的海底沉积物抗剪强度会随深度增大，而含浅层气的土层中增长率减小，表明浅层气降低土层的抗剪强度。
在外载荷重下，含浅层气土层发生蠕变，并可能导致各向异性滑动，而浅层气释放后，将产生相对较大的沉降量，导致地层基础的下沉或失稳。因此，含浅层气的沉积物往往具有高压缩和低强度特征，是不良的地层基础。
⑵浅层气影响钻孔施工
钻孔作业过程中钻遇含浅层气地层时，由于卸荷作用，气体会逸出甚至强烈井喷，当气量较多、气压较高时，其间歇性喷出势必影响孔壁稳定性，泥沙涌入发生孔内坍塌、埋钻等，甚至造成作业平台沉陷、倾覆甚至发生火灾，严重威胁作业人员安全。在杭州湾大桥水上搁滩钻孔作业时，曾遇气体间歇喷溢，钻探船被频繁抬起后坠落，粉细砂土质发生液化，导致作业设备被掩埋。
⑶浅层气对风电场桩基造成危害
当聚集的高压浅层气溢出时，含气地层压力急剧下降，气体对地层产生冲刷，扰动含气土层及上覆或下伏地层。由于浅层气分布往往不均一，气体压力大小不等，地层承载力存在差异，尤其是在浅层气溢出时，产生不均匀沉降，导致桩基础稳定性存在差异。
四、总结与认识
⑴工程地质钻孔前，工程物探势必先行；⑵发现大量浅层气，其特征主要表现为连续地层反射波发生间断，反射杂乱，部分地层反射波被屏蔽且延伸到深部地层中，局部地层反射波因声速异常导致下拉，反射高频衰减迅速，分辨率降低等；
⑶浅层气封存较好，弥散浅层气埋深最浅约5m，高压气囊顶部埋深最浅约272m，地质浅孔钻遇高压气风险小；
⑷未发现断层，深部热解气难以通过断层向上运移，主要为生物成因沼气；⑸高压气囊下浅层气压力高，可进行经济评价确定其商业开采价值。
【作者简介】文/陈岱新 丁宗国 郝高建 柯萃干 佘稳，均来自中海油田服务股份有限公司物探事业部工程勘察作业公司；第一作者陈岱新，男，1983年出生，工程师，主要从事海洋工程勘察中物探调查和研究工作；文章来自《海洋地质前沿》（2018年第4期），参考文献略，用于学习与交流，版权归作者与出版社共同拥有。
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