尼日爾三角洲A區(qū)塊異常高壓層鉆進對策

沈國敏，趙增新，趙 群，樊子華，賈正旭，徐嚴芬

（1.中國石化國際石油勘探開發(fā)有限公司，北京100083；2.中國石化河南油田分公司石油工程技術研究院；3.中國石化河南油田分公司第一采油廠）

尼日爾三角洲A區(qū)塊異常高壓層鉆進對策

沈國敏1，趙增新1，趙 群1，樊子華2，賈正旭3，徐嚴芬3

（1.中國石化國際石油勘探開發(fā)有限公司，北京100083；2.中國石化河南油田分公司石油工程技術研究院；3.中國石化河南油田分公司第一采油廠）

尼日爾三角洲異常高壓層的存在嚴重影響鉆井作業(yè)的安全進行，特殊的地質條件造成的噴漏同層給壓井作業(yè)帶來了極大挑戰(zhàn)。探討了該區(qū)異常高壓形成的原因和機理，并在總結A區(qū)塊各種實鉆資料的基礎上，對該區(qū)塊地層壓力進行了預測。利用所獲得的壓力預測方程并結合鉆進過程中的隨鉆測井資料，可以實時預測地層壓力，以便于及時發(fā)現異常高壓層。對A區(qū)塊鉆遇異常高壓層的實例進行了分析，并提出了安全鉆進措施。

尼日爾三角洲；異常高壓；壓力預測；實例分析

尼日爾三角洲盆地位于大西洋幾內亞灣內，是一個正在發(fā)展中的中、新生代大型三角洲，也是世界上最大的海退型三角洲，總面積30×104km2［1］。高壓層長期影響著尼日爾三角洲盆地的鉆井作業(yè)，異常壓力造成的井噴事故以及由此造成的其他事故貫穿于尼日爾三角洲的開發(fā)過程中。中石化集團于2004年開始尼日爾三角洲A區(qū)塊的勘探開發(fā)工作，在勘探初期由于地質與鉆井資料的不充分，對地層壓力特別是地層異常壓力認識不清，井涌后壓井過程中發(fā)生漏失并進而發(fā)生卡鉆事故，造成了巨大的經濟損失。在后續(xù)鉆井過程中，逐漸認識了地層壓力的規(guī)律并制定了異常壓力層鉆進的針對性措施，較好地解決了這一難題。

1 異常高壓形成機理

尼日爾三角洲盆地是典型的海退三角洲沉積地層，泥質沉積物的壓實不平衡（欠壓實）是該沉積盆地中形成異常高壓的主要原因。該盆地在沉降中，大量的沉降作用形成了以碎屑巖為主的巨厚沉積層，厚頁巖層夾有砂巖，大量沉積物的快速沉降導致某些砂巖體完全被頁巖包圍，沉積剖面中泥頁巖含量遠高于其它巖性。不平衡壓實主要是由泥頁巖沉積物的壓實作用所引起的，正常壓實過程中，隨著巖石孔隙度的減小，地層中多余的流體將會通過通道流出地面，壓實與流體排出達到平衡，不會形成異常高壓。但在快速沉積過程中，隨著上覆巖層壓力急劇增加，巖石孔隙率趨向于快速減小，巖石孔隙中流體的排出速度與孔隙率的減小無法平衡，于是部分流體將滯留于孔隙中，孔隙流體排出受阻，壓實作用受到抑制或減弱。當繼續(xù)發(fā)生沉積，上覆地層載荷增加，由于地層中的流體不可壓縮，所以沉積物不能壓實，流體將支承某些蓋層并承擔一部分負荷壓力，從而流體壓力高于靜水壓力形成異常高壓，同時造成地層的欠壓實［2－3］。

2 地層孔隙壓力預測方法

目前利用聲波測井資料檢測地層孔隙壓力是最常用也是比較準確的方法［4－5］，該方法主要用于泥巖地層欠壓實機制下形成的異常高壓預測。

2.1 垂直有效應力

對單一巖性，聲速主要是孔隙度和垂直有效應力的函數。對于處于原始加載應力狀態(tài)下的泥巖地層，其孔隙度又是垂直有效應力的函數，故對于泥巖地層，聲速主要是垂直有效應力的函數。實踐表明，采用式（1）的線性與指數組合形式模型能夠比較合理準確地描述地層中沉積物聲波速度同垂直有效應力變化的函數關系：

式中：V——聲波速度，km／s，Pe——垂直有效應力，MPa；Δt——聲波時差，μs／ft；a，k，b，d——經驗系數。

可以根據上部正常壓實段的聲波速度V和正?？紫秹毫l件下計算所得的有效應力Pe數據來求取上述公式中的經驗系數。

2.2 上覆巖層壓力和垂直有效應力的確定方法

一般采用上覆巖層壓力梯度的理論值為22.7 kPa／m（假設巖石骨架密度為2.5 g／cm3，孔隙度為10%，流體密度為1.0g／cm3）。實際上由于壓實作用及巖性隨深度變化，上覆巖層壓力梯度并不是常數而是深度的函數；而且不同地區(qū)壓實程度、地表剝蝕程度及巖性剖面也有較大差別，故上覆巖層壓力梯度隨深度的變化關系也不一定相同，實際應用時，應根據本地區(qū)地層的具體情況來確定。

某一深度以上地層巖石骨架和孔隙流體總重力產生的壓力可由（2）式確定：

式中：P0——上覆巖層壓力，Pa；Hw——水深（陸上為0），m；H——垂直方向上的深度（按海平面或地表算起），m；ρw——海水密度，kg／m3；φ——孔隙度，0～1；ρf——孔隙流體密度，kg／m3；ρma——巖體骨架密度，kg／m3。

在不同井深處的孔隙度可通過（3）式來計算［6］

式中，ρb——巖石密度，kg／m3。

在尼日爾三角洲地區(qū)，基巖密度ρma可取為2.6 g／cm3，地層孔隙流體密度ρf可取為1.021 g／cm3［6－7］。

確定了上覆巖層壓力并結合實測的地層孔隙壓力，就可根據式（4）確定某給定深度的垂直有效應力，從而根據式（1）擬合求得本區(qū)塊聲波速度與有效垂直應力的關系，建立起地層壓力預測的方法。

上式中Pp為地層孔隙壓力。

2.3 尼日爾三角洲A區(qū)塊地層壓力預測情況

中國石化所屬尼日利亞尼A區(qū)塊位于尼日爾三角洲核心地帶，由于缺乏準確的三維地震資料，該區(qū)塊地層壓力不清，給鉆井施工帶來了各種困難。最為典型的是對該區(qū)異常高壓預測不夠，重視不足，造成了嚴重的事故。通過已鉆井的實鉆資料和測井資料，可以實現對該區(qū)地層壓力的預測。所用的數據為實測地層壓力、聲波時差、密度測井所得的巖石密度。根據聲波時差求得聲波速度，由巖石密度求得巖石孔隙度進而求得上覆巖層壓力，最后求得地層垂直有效應力，利用上述數據對聲波速度V和垂直有效應力Pe按（1）式進行數據擬合，求得的回歸方程可以用于在實鉆過程中利用LWD聲波數據預測地層壓力，以便及時發(fā)現異常壓力。本區(qū)塊已完鉆3口井，根據3口井的測井資料，回歸所得聲波速度V和垂直有效應力Pe間的關系為：

A區(qū)塊壓力與井深、聲波速度與井深關系見圖1、圖2。

圖1 A區(qū)塊壓力與井深的關系

圖2 A區(qū)塊聲波速度與井深關系散點圖

3 現場實例

Kukaku－1探井位于尼日利亞尼日爾三角洲核心地帶，該井設計為直井，設計井深3 505 m。2008年11月14日φ660.4 mm鉆頭一開，2009年1月3日φ311.1 mm井眼鉆至3 130 m時發(fā)生溢流，關井后壓井。在壓井過程中發(fā)生井漏，由于油基泥漿儲備不足，采用海水循環(huán)，導致井塌發(fā)生卡鉆。多次堵漏無效，井口無返出。打水泥塞封固下部井段，三次切割鉆具，由于卡點不斷上移，整個裸眼段鉆具基本被埋，最終于φ339.7 mm套管鞋下58.5 m處切割解卡成功。填井，掃水泥塞至1 794 m并于該處開始側鉆，鉆至3 130 m后完鉆。該事故造成報廢進尺1 335 m，損失作業(yè)時間近50 d，造成經濟損失約940萬美元。

根據鄰區(qū)實鉆井資料，該井在井深3 352 m以上為正常壓力，壓力梯度9.0～11 kPa／m；鄰區(qū)塊已鉆Keremo－1井部分測壓資料顯示，在深度3 569.2 m（H砂組）存在壓力異常。對比待鉆井Kukaku－1井和實鉆井Keremo－1井的地質分層情況，待鉆井Kukaku－1井在3 259.2 m以下可能存在壓力異常。根據異常壓力的分布情況和地層巖性，井身結構和鉆井液性能設計如表1所示，圖3為實鉆井身結構。

發(fā)生井涌的原因主要在于對區(qū)域地層壓力與可能存在的異常高壓認識不清，設計泥漿密度不合理，提前鉆遇H層高壓層時思想準備不足，措施不到位，關井時間長，較高的關井立壓使所需壓井密度較高，壓井泥漿密度與地層漏失當量密度窗口太窄，增加了處理難度。側鉆時根據實鉆地層壓力調整了井身結構并重新設計了泥漿密度，采用調整后的井身結構和泥漿密度順利鉆至完鉆井深。井身結構見圖3，原井眼和側鉆井眼的實鉆泥漿密度見圖4。

表1 Kukaku－1井實鉆井身結構和鉆井液性能設計

圖3 Kukaku－1井實鉆井身結構

4 結論及建議

（1）建立本區(qū)塊較為精確的壓力剖面，特別是對異常高壓層應有明確的提示，井身結構的設計應有針對性，確保鉆遇異常高壓層時的壓井泥漿密度與裸眼井段的漏失當量密度之間有較大的窗口，避免壓井時噴漏同層的出現。

（2）新探區(qū)在缺少相關資料的前提下，鉆進中要跟蹤檢測地層壓力的實時變化并根據跟蹤結果及時調整鉆井液密度以保證井下鉆井的安全。

圖4 Kukaku－1井側鉆和原井眼泥漿密度

（3）根據地層壓實程度、滲透率、孔隙度等參數研發(fā)與地層配伍的噴漏同層條件下高密度隨鉆堵漏鉆井技術。

［1］ 劉新福.尼日爾三角洲油氣分布特征［J］.河南石油，2003，17（增刊）：1－3.

［2］ 高崗，黃志龍，王兆峰，等.地層異常高壓形成機理的研究［J］.西安石油大學學報，2005，20（1）：1－5.

［3］ 梁紅軍，樊洪海，賈立強，等.利用聲波時差檢測地層孔隙壓力的新方法［J］.石油鉆采工藝報，1998，20（2）：1－5.

［4］ 樊洪海.利用聲速檢測欠壓實泥巖異常高壓的簡易方法與運用［J］.石油鉆探技術，2001，29（5）：9－11.

［5］ 樊洪海.測井資料檢測地層孔隙壓力傳統(tǒng)方法討論［J］.石油勘探與開發(fā)，2003，30（4）：72－74.

［6］ Joseph Ajienka，Franck Egbon，Uchechukwu Onwuemena.Deep offshore fracture pressure prediction in the Nigeria Delta［C］.SPE128339.

［7］ O O Owolabi.Prediction of abnormal pressures in the Niger Delta Basin using well logs［C］.SPE21575.

The abnormal high pressure formation in Niger delta severely affected safe drilling operation.The special geological condition that the lost circulation point and over flow formation exist in the same section has brought big challenges for kill well operation.The reason and mechanism for the formation of abnormal high pressure in Niger delta was discussed and the pressure prediction model was presented based on actual drilling and logging data of completed wells in A block.The real time pressure during drilling can be predicted by adopting the prediction model combined with the real time drilling and logging data to detect the abnormal high pressure timely.A case for actual drilling abnormal high pressure in A block was analyzed，detailed and countermeasure for drilling abnormal high pressure formation was suggested.

87Drilling countermeasures for abnormal high pressure formation of A block in Niger delta

Shen Guomin et al（Sinopec International Petroleum Exploration and Development Corporation，Beijing 100083）

Niger delta；abnormal high pressure；pressure prediction；case study

TE242

A

1673－8217（2012）02－0087－03

2011－09－15

沈國敏，高級工程師，碩士，1966年生，2002年畢業(yè)于石油大學（華東）油氣田開發(fā)專業(yè)，主要從事海外項目鉆井技術管理工作。

李金華