基于隨鉆測(cè)井資料的地層孔隙壓力監(jiān)測(cè)方法及應(yīng)用

葉 志, 樊洪海, 紀(jì)榮藝, 李朝瑋, 蔡 軍

(1.石油工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中國(guó)石油大學(xué)(北京))，北京 102249；2.中海石油(中國(guó))有限公司湛江分公司，廣東湛江 524057)

在石油鉆井工程中，地層孔隙壓力與鉆井安全和效率密切相關(guān)。準(zhǔn)確地評(píng)估地層孔隙壓力，有助于確定合理的套管層次和鉆井液密度，減少和預(yù)防井下故障的發(fā)生。按照鉆井的先后順序，通常將地層孔隙壓力評(píng)價(jià)方法分為3類(lèi)：鉆前預(yù)測(cè)、隨鉆監(jiān)測(cè)和鉆后檢測(cè)[1-5]。相比于鉆前預(yù)測(cè)和鉆后檢測(cè)，隨鉆監(jiān)測(cè)能夠?qū)崟r(shí)提供較為準(zhǔn)確的孔隙壓力信息。

目前常用的孔隙壓力監(jiān)測(cè)方法大多是基于錄井資料，例如dc指數(shù)法[6]、泥頁(yè)巖密度法[7]、標(biāo)準(zhǔn)鉆速法[8]等。但在遇到某些復(fù)雜地層或者采用特殊鉆井工藝時(shí)，因受多種因素影響，監(jiān)測(cè)精度很難滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)需要。隨鉆測(cè)井是在鉆井過(guò)程中對(duì)巖石物性參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，具有準(zhǔn)確性、實(shí)時(shí)性和適用性等優(yōu)點(diǎn)。目前隨鉆測(cè)井已幾乎函蓋所有的電纜測(cè)井項(xiàng)目，并且服務(wù)成本也在逐步降低[9-11]，因此利用隨鉆測(cè)井資料監(jiān)測(cè)孔隙壓力是未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)。國(guó)外已經(jīng)開(kāi)展了該技術(shù)的研究和應(yīng)用，而國(guó)內(nèi)尚處于起步階段。

筆者研究了一種基于隨鉆測(cè)井資料的地層孔隙壓力監(jiān)測(cè)方法，該方法將隨鉆測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)離散化，實(shí)時(shí)計(jì)算各數(shù)據(jù)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的地層孔隙壓力；此外，可以在監(jiān)測(cè)過(guò)程中實(shí)時(shí)校正計(jì)算結(jié)果和模型，提高孔隙壓力隨鉆監(jiān)測(cè)的精度。

1 隨鉆測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集與處理

1.1 數(shù)據(jù)傳輸

1) 測(cè)井傳感器測(cè)量地質(zhì)參數(shù)，并將測(cè)量結(jié)果傳送給井下下位機(jī)(編碼器)。下位機(jī)對(duì)隨鉆測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行編碼，將其轉(zhuǎn)換為可以傳輸?shù)奶囟ㄐ盘?hào)，如鉆井液脈沖信號(hào)、電磁信號(hào)等。

2) 隨鉆測(cè)井信號(hào)通過(guò)特定傳輸方式傳送至地面井口，由地面上位機(jī)(解碼器)進(jìn)行接收，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行解碼，將其轉(zhuǎn)換為隨鉆測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)，提供給井場(chǎng)服務(wù)器。

3) 井場(chǎng)服務(wù)器根據(jù)需要將各種隨鉆測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)按照WITS格式的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行編排，再利用通訊設(shè)施進(jìn)行傳輸。

4) 根據(jù)采集的隨鉆測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)地層孔隙壓力。

1.2 數(shù)據(jù)處理方法

由于受隨鉆測(cè)井儀器、野外作業(yè)環(huán)境、井壁坍塌以及鉆井液侵入等多種因素的影響，隨鉆測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)存在著誤差和波動(dòng)，甚至?xí)霈F(xiàn)一些錯(cuò)誤的異常點(diǎn)。為了獲得準(zhǔn)確可靠的隨鉆測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)，需要對(duì)隨鉆測(cè)井資料進(jìn)行處理。根據(jù)地層孔隙壓力監(jiān)測(cè)對(duì)隨鉆測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)的要求，制定了隨鉆測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)處理的基本流程：

1) 范圍檢查。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)或統(tǒng)計(jì)方法確定實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的有效范圍(最大值和最小值)，在實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)過(guò)程中根據(jù)數(shù)據(jù)范圍自動(dòng)剔除超出范圍的數(shù)據(jù)點(diǎn)。

2) 環(huán)境因素校正。在隨鉆測(cè)井過(guò)程時(shí)，測(cè)量的數(shù)據(jù)除了與地質(zhì)因素相關(guān)，還受到溫度、井徑、圍巖、鉆井液侵入等環(huán)境因素的影響，為了得到準(zhǔn)確的隨鉆測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)，需要進(jìn)行環(huán)境因素校正。

3) 平滑、濾波和插值。由于施工作業(yè)的影響，隨鉆測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)會(huì)出現(xiàn)一些與地層性質(zhì)無(wú)關(guān)的波動(dòng)和信號(hào)干擾，可以通過(guò)平滑或?yàn)V波有效地抑制和消除信號(hào)干擾。另外，隨鉆測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)受機(jī)械鉆速不均勻以及傳輸方式的影響，傳輸間隔并不一致，有時(shí)候單位深度內(nèi)采集到的測(cè)井參數(shù)數(shù)據(jù)點(diǎn)太少，此時(shí)可以借助插值算法進(jìn)行插值計(jì)算。

4) 時(shí)深轉(zhuǎn)換與校正。如果測(cè)井儀器沒(méi)有提供深度域的測(cè)井資料，需要結(jié)合錄井和鉆井上獲取的時(shí)間深度數(shù)據(jù)，進(jìn)行時(shí)深轉(zhuǎn)換和校正。

5) 標(biāo)準(zhǔn)化。由于不同測(cè)井儀器間以及不同測(cè)井參數(shù)之間的差異，各測(cè)井參數(shù)之間刻度標(biāo)準(zhǔn)和單位標(biāo)準(zhǔn)等會(huì)有一定的差別，有必要對(duì)測(cè)井曲線(xiàn)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。

1.3 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集與處理程序

針對(duì)隨鉆測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)的保密性和需求重復(fù)性，研發(fā)了基于WITS格式和TCP傳輸方式的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集與處理程序。該程序主要具備以下幾個(gè)特點(diǎn)，可以很好地滿(mǎn)足隨鉆地層孔隙壓力監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)需求：

1) 數(shù)據(jù)采集。通過(guò)井場(chǎng)數(shù)據(jù)服務(wù)器分配的IP地址和端口號(hào)進(jìn)行連接，可以實(shí)現(xiàn)隨鉆測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸，在聯(lián)網(wǎng)的情況下可以在任何地點(diǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)地層孔隙壓力。

2) 數(shù)據(jù)共享。采集到數(shù)據(jù)之后，借助網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的數(shù)據(jù)共享和同步，可供多個(gè)用戶(hù)同時(shí)利用采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行工程計(jì)算，解決了資源緊張的問(wèn)題。

3) 數(shù)據(jù)應(yīng)用。該程序處于數(shù)據(jù)流的中間層，能夠避免各個(gè)工程計(jì)算程序直接采集數(shù)據(jù)而造成沖突。

4) 數(shù)據(jù)處理。在進(jìn)行地層孔隙壓力監(jiān)測(cè)之前，提供給用戶(hù)一個(gè)可操作的數(shù)據(jù)處理界面，實(shí)現(xiàn)必要的數(shù)據(jù)處理。

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集與處理程序的軟件體系結(jié)構(gòu)如圖1所示，圖中最外層虛線(xiàn)框表示單個(gè)用戶(hù)界面，各用戶(hù)界面內(nèi)的粗實(shí)線(xiàn)框表示單個(gè)程序進(jìn)程，細(xì)實(shí)線(xiàn)框表示進(jìn)程內(nèi)的各個(gè)功能模塊。首先通過(guò)遠(yuǎn)程傳輸將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集到系統(tǒng)內(nèi)，然后根據(jù)需要可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通訊實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的數(shù)據(jù)共享，最后通過(guò)控制臺(tái)完成數(shù)據(jù)處理，并實(shí)時(shí)將準(zhǔn)確的隨鉆測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)用于地層孔隙壓力監(jiān)測(cè)[12-13]。

2 地層孔隙壓力監(jiān)測(cè)方法

2.1 單點(diǎn)算法

隨鉆測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)一般是以等時(shí)間或者深度間隔采用WITS格式進(jìn)行傳輸。例如，采用EcoScope工具進(jìn)行隨鉆密度測(cè)井時(shí)，采樣間隔為0.152 4 m，這樣每次采集的就是單個(gè)測(cè)井密度點(diǎn)，采集的信息包括數(shù)據(jù)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的深度以及密度測(cè)井值等。

圖1 實(shí)時(shí)采集與處理程序的軟件體系結(jié)構(gòu)Fig.1 Architecture of real time data acquisition & processing program

針對(duì)隨鉆測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)的采樣特點(diǎn)，提出了一種單點(diǎn)算法。該算法假設(shè)每一個(gè)隨鉆測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)點(diǎn)(可以是聲波、密度或者電阻率)對(duì)應(yīng)一個(gè)地層孔隙壓力點(diǎn)，每一個(gè)地層孔隙壓力點(diǎn)只與該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的隨鉆測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)相關(guān)，不考慮前后采樣點(diǎn)之間的互相影響和邏輯關(guān)系，在確定地層孔隙壓力計(jì)算模型之后，每采集一個(gè)隨鉆測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)點(diǎn)，計(jì)算出一個(gè)地層孔隙壓力點(diǎn)，這樣即可根據(jù)實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)點(diǎn)逐點(diǎn)對(duì)地層孔隙壓力進(jìn)行隨鉆監(jiān)測(cè)。

2.2 地層孔隙壓力監(jiān)測(cè)模型

隨鉆測(cè)井和常規(guī)電纜測(cè)井都是對(duì)巖石物理參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，利用這些參數(shù)的變化來(lái)評(píng)估地層孔隙壓力。因此，基于常規(guī)電纜測(cè)井資料的地層孔隙壓力計(jì)算與分析模型同樣適用于隨鉆測(cè)井資料，唯一不同的是用實(shí)時(shí)的隨鉆測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)代替電纜測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)。根據(jù)鄰近已鉆井資料和區(qū)域地質(zhì)信息進(jìn)行分析，優(yōu)選出合適的地層孔隙壓力計(jì)算模型，將其應(yīng)用于目標(biāo)井的隨鉆地層壓力監(jiān)測(cè)。以利用聲波資料評(píng)估地層孔隙壓力的簡(jiǎn)易方法為例[14]，基于單點(diǎn)算法的思路，得到如下形式的單點(diǎn)壓力監(jiān)測(cè)模型：

(1)

式中：vi為任一隨鉆聲波測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)點(diǎn)i對(duì)應(yīng)的聲波傳播速度，km/s；σi為利用i點(diǎn)隨鉆聲波測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)計(jì)算出來(lái)的有效應(yīng)力,MPa；a、k、b、d為模型參數(shù)；ppi為任一隨鉆聲波測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)點(diǎn)i對(duì)應(yīng)的地層孔隙壓力，MPa；poi為i點(diǎn)所在深度地層對(duì)應(yīng)的上覆巖層壓力，MPa。

當(dāng)然，基于隨鉆測(cè)井資料的地層孔隙壓力監(jiān)測(cè)不局限于特定的模型，也不局限于隨鉆聲波數(shù)據(jù)，也可以利用隨鉆密度數(shù)據(jù)或者隨鉆電阻率數(shù)據(jù)進(jìn)行孔隙壓力監(jiān)測(cè)。采用何種模型和何種隨鉆測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)地層孔隙壓力，需要對(duì)目標(biāo)井所在區(qū)域的地質(zhì)情況、異常高壓成因以及隨鉆測(cè)井項(xiàng)目等多種因素進(jìn)行綜合分析，然后再作出合適的選擇。

2.3 監(jiān)測(cè)流程

基于隨鉆測(cè)井資料的地層孔隙壓力監(jiān)測(cè)方法的技術(shù)流程如圖2所示，主要包括以下步驟：

圖2 基于隨鉆測(cè)井資料的地層壓力監(jiān)測(cè)方法的技術(shù)流程Fig.2 Technical processes of pore pressure monitoring method based on LWD data

1) 建立初始地層孔隙壓力監(jiān)測(cè)模型。根據(jù)區(qū)域地質(zhì)信息和鄰井資料選擇合理的初始地層孔隙壓力監(jiān)測(cè)模型，并利用鄰井或者目標(biāo)井上部地層的電纜測(cè)井、地層壓力計(jì)算結(jié)果以及實(shí)測(cè)壓力等數(shù)據(jù)確定出合適的模型參數(shù)。

2) 實(shí)時(shí)采集和處理隨鉆測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)。利用開(kāi)發(fā)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集與處理程序采集處理隨鉆測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)，為地層壓力監(jiān)測(cè)提供可靠度較高的隨鉆測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)。

3) 監(jiān)測(cè)隨鉆地層孔隙壓力。將處理后的隨鉆測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)導(dǎo)入地層孔隙壓力監(jiān)測(cè)模型，對(duì)地層孔隙壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，獲取實(shí)時(shí)的地層孔隙壓力監(jiān)測(cè)結(jié)果。

4) 實(shí)時(shí)校正和調(diào)整。根據(jù)鉆井過(guò)程中獲取的實(shí)測(cè)地層孔隙壓力或鉆井液密度，調(diào)整和校正地層孔隙壓力的監(jiān)測(cè)結(jié)果。根據(jù)已獲取的隨鉆測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)和壓力監(jiān)測(cè)結(jié)果自動(dòng)回歸壓力監(jiān)測(cè)模型的參數(shù)，并將其用于下部待鉆開(kāi)地層的地層孔隙壓力監(jiān)測(cè)，從而保證壓力監(jiān)測(cè)的精度。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

在理論方法研究的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)出隨鉆地層孔隙壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件。該軟件集隨鉆測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集與處理、地層孔隙壓力的隨鉆監(jiān)測(cè)、地層孔隙壓力監(jiān)測(cè)模型的確定、實(shí)時(shí)曲線(xiàn)顯示以及壓力剖面輸出等功能于一體，便于現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。2010年3—12月，在南海鶯瓊盆地進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和全程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

目前，EcoScope和sonicVISION隨鉆測(cè)井儀在南海應(yīng)用最為廣泛。其中，EcoScope儀器的隨鉆測(cè)井參數(shù)包括自然伽馬、井徑、密度和電阻率等，而sonicVISION儀器的隨鉆測(cè)井參數(shù)包括聲波、自然伽馬和電阻率等。鑒于在評(píng)估地層孔隙壓力時(shí)，密度和電阻率資料的敏感性稍差，有時(shí)不能反映孔隙壓力的變化。因而，在進(jìn)行孔隙壓力隨鉆監(jiān)測(cè)時(shí)應(yīng)優(yōu)先選用聲波數(shù)據(jù)，其次選擇密度和電阻率數(shù)據(jù)。

3.1 YC_A井

YC_A井位于瓊東南盆地崖南凹陷崖城 26-2 背斜構(gòu)造上，是一口典型的高溫高壓井。YC_A井應(yīng)用了sonicVISION隨鉆聲波測(cè)井儀器，測(cè)量深度3 400～4 512 m。利用鄰近已鉆井的相關(guān)數(shù)據(jù)確定了地層孔隙壓力監(jiān)測(cè)模型，監(jiān)測(cè)模型選用Bowers模型[3]，并回歸出了適合該區(qū)塊的模型系數(shù)，具體形式如下：

(2)

式中：v0為泥線(xiàn)附近的聲波傳播速度，Bowers模型中給定值為1 524 m/s(5 000 ft/s)；A和B為Bowers模型的參數(shù)。

確定監(jiān)測(cè)模型后，利用隨鉆地層壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件對(duì)其地層孔隙壓力進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖3。為符合工程習(xí)慣，并與鉆井液密度對(duì)比，在該監(jiān)測(cè)軟件中孔隙壓力與上覆巖層壓力均用鉆井液當(dāng)量密度表示。

3.2 DF_B井

DF_B井位于鶯歌海盆地西北部的東方 1-1 構(gòu)造上，該井采用EcoScope隨鉆測(cè)井儀器，測(cè)量深度2 400～3 000 m。由于該儀器不包括隨鉆聲波資料項(xiàng)目，并且密度資料的敏感性稍差，所以采用電阻率測(cè)井資料進(jìn)行壓力監(jiān)測(cè)。利用鄰井資料和該井上部地層的電阻率等資料確定了正常趨勢(shì)線(xiàn)，并選用了Eaton電阻率模型進(jìn)行壓力監(jiān)測(cè)[15]，單點(diǎn)Eaton電阻率模型計(jì)算公式為：

圖3 YC_A井地層孔隙壓力監(jiān)測(cè)剖面Fig.3 Pore pressure monitoring profiles of Well YC_A

(3)

式中：pni為i點(diǎn)對(duì)應(yīng)的正?？紫秹毫?MPa；Ri任一隨鉆電阻率測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)點(diǎn)i對(duì)應(yīng)的電阻率，Ω·m；Rni為i點(diǎn)對(duì)應(yīng)的正常趨勢(shì)線(xiàn)上的正常趨勢(shì)電阻率，Ω·m。

利用隨鉆地層壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件對(duì)DF_A井進(jìn)行全程的地層孔隙壓力監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果如4所示，圖中孔隙壓力與上覆巖層壓力均用鉆井液當(dāng)量密度表示。

3.3 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

收集了YC_A井和DF_B井2口井的實(shí)測(cè)壓力數(shù)據(jù)，并與地層孔隙壓力監(jiān)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如表1所示。從表1可知，2口井壓力監(jiān)測(cè)結(jié)果最大誤差為7.54%，最小誤差為0.86%，在10%以?xún)?nèi)，表明地層孔隙壓力監(jiān)測(cè)能夠滿(mǎn)足精度要求，可以滿(mǎn)足工程需要。現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果表明，該方法能夠利用隨鉆測(cè)井資料實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)地層孔隙壓力，并且具有較高的監(jiān)測(cè)精度和適用性，可以進(jìn)行推廣應(yīng)用。

圖4 DF_B井地層孔隙壓力監(jiān)測(cè)剖面Fig.4 Pore pressure monitoring profiles of Well DF_B

井名深度/m孔隙壓力當(dāng)量密度/(g·cm-3)實(shí)測(cè)值監(jiān)測(cè)值相對(duì)誤差,%YC_A3 2361.6241.610.863 2391.6181.747.54DF_B2 9121.901.786.322 9351.911.853.142 9391.911.881.572 9451.911.872.09

4 結(jié)論及建議

1) 為了提高地層孔隙壓力隨鉆監(jiān)測(cè)的精度，提出了基于隨鉆測(cè)井資料的地層孔隙壓力監(jiān)測(cè)方法。根據(jù)隨鉆測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)的實(shí)時(shí)單點(diǎn)傳輸特性，采用單點(diǎn)算法進(jìn)行計(jì)算，實(shí)現(xiàn)了地層孔隙壓力的隨鉆實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

2) 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明該方法具有較高的精度。此外，在進(jìn)行地層孔隙壓力監(jiān)測(cè)時(shí)，隨鉆聲波測(cè)井資料要優(yōu)于隨鉆密度和電阻率測(cè)井資料。

3) 在今后的研究中，需要考慮地層巖性的變化以及不同成壓機(jī)制的影響，以進(jìn)一步提高地層孔隙壓力的監(jiān)測(cè)精度。

參考文獻(xiàn)
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