探井孔隙壓力復(fù)合預(yù)測(cè)方法研究

陳子劍，鄧金根，蔚寶華

(1.油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249；2.中國(guó)石油大學(xué)，北京 102249)

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探井孔隙壓力復(fù)合預(yù)測(cè)方法研究

陳子劍1，2，鄧金根1，2，蔚寶華1，2

(1.油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249；2.中國(guó)石油大學(xué)，北京 102249)

針對(duì)常規(guī)探井孔隙壓力計(jì)算模型選擇困難、計(jì)算參數(shù)反演誤差大的問(wèn)題，運(yùn)用水力連通方法和斷層穩(wěn)定性方法完善計(jì)算參數(shù)，提高孔隙壓力預(yù)測(cè)精度。結(jié)果表明：利用水力連通原理對(duì)參考井孔隙壓力測(cè)試結(jié)果進(jìn)行修正可以有效提高計(jì)算參數(shù)反演的精度；對(duì)于任意穩(wěn)定斷層，存在地層孔隙壓力上限值，當(dāng)斷層傾角為65.2 °時(shí)該值最小，該結(jié)論可用于進(jìn)一步校正計(jì)算參數(shù)。實(shí)踐表明，該方法預(yù)測(cè)的孔隙壓力精度可達(dá)92.75%以上，具有良好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

西湖凹陷；異常高壓；孔隙壓力預(yù)測(cè)；斷層穩(wěn)定性方法；水力連通方法；參數(shù)反演

0 引 言

目前孔隙壓力預(yù)測(cè)方法主要是利用經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃偷卣饠?shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)合鄰井?dāng)?shù)據(jù)對(duì)計(jì)算參數(shù)進(jìn)行反演，從而得到鉆前預(yù)測(cè)孔隙壓力[1-4]。但常規(guī)方法還存在以下問(wèn)題：當(dāng)可參考的鄰井?dāng)?shù)據(jù)不足時(shí)，反演的計(jì)算參數(shù)精度較低；異常高壓成壓機(jī)制多樣，單一的計(jì)算模型無(wú)法適用于所有的成壓機(jī)制[5]；深層地震數(shù)據(jù)精度不足，對(duì)深層孔隙壓力預(yù)測(cè)具有極大的不確定性。隨著勘探程度提高和地質(zhì)環(huán)境愈加復(fù)雜，常規(guī)孔隙壓力預(yù)測(cè)方法已經(jīng)不能滿足要求。為此，結(jié)合常規(guī)方法、水力連通方法和斷層穩(wěn)定性方法，提出了多種方法結(jié)合的探井孔隙壓力復(fù)合預(yù)測(cè)方法，并在東海西湖凹陷的深探井進(jìn)行了應(yīng)用，效果顯著，有效指導(dǎo)了現(xiàn)場(chǎng)鉆井。

1 復(fù)合預(yù)測(cè)方法研究

常規(guī)孔隙壓力預(yù)測(cè)方法存在計(jì)算參數(shù)反演不準(zhǔn)確和方法選擇困難的問(wèn)題。對(duì)于一個(gè)多種成壓機(jī)制共同作用導(dǎo)致的異常高壓，無(wú)法確定合理的預(yù)測(cè)模型，即使選擇了合理的預(yù)測(cè)模型，預(yù)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性很大程度上取決于計(jì)算參數(shù)。因此，彌補(bǔ)常規(guī)孔隙壓力預(yù)測(cè)方法的不足關(guān)鍵在于如何修正預(yù)測(cè)模型的參數(shù)。

1.1 水力連通方法

在常規(guī)孔隙壓力預(yù)測(cè)中，雖然通過(guò)鄰井的反演獲得了計(jì)算參數(shù)，但為了進(jìn)一步提高預(yù)測(cè)精度，已鉆井的孔隙壓力實(shí)測(cè)結(jié)果往往被直接用于計(jì)算參數(shù)的校正。值得注意的是，不同井的地質(zhì)構(gòu)造和地層沉積各有差異，海洋鉆井中水深也會(huì)有差異，因此，直接采用鄰井的孔隙壓力測(cè)試結(jié)果進(jìn)行校正會(huì)導(dǎo)致較大的誤差，需要進(jìn)行孔隙壓力測(cè)試結(jié)果的轉(zhuǎn)化，利用轉(zhuǎn)換后的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行校正。

張金才[6]認(rèn)為地層壓力的轉(zhuǎn)化應(yīng)該符合飽和地層水力連通原理，如式(1)。Aadnoy[7]也提出了考慮水深影響的地層壓力測(cè)試結(jié)果校正方法。二者的區(qū)別在于張金才采用了地層流體密度，而Aadnoy則采用了海水密度。

p2p=p1p+ρfg(H2p-H1p)

(1)

式中：H1p為已鉆井的壓力測(cè)試點(diǎn)深度，m；H2p為待鉆井的壓力測(cè)試點(diǎn)深度，m；p1p為已鉆井地層壓力，MPa；p2p為未鉆井地層壓力，MPa；g為重力加速度，m/s2；ρf為地層流體密度，g/cm3。

但是，地層壓力的形成是由于地質(zhì)沉積和構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的作用，而上述方法忽略了地層沉積的層序性特征，會(huì)造成壓力校正的重大誤差。因此，有必要首先根據(jù)不同井的地層分層進(jìn)行深度校正，再根據(jù)水力連通性原理進(jìn)行壓力轉(zhuǎn)化，如圖1所示。假設(shè)連通地層的壓力為等比例分布，定義地層轉(zhuǎn)化系數(shù)為壓力測(cè)試點(diǎn)深度占該地層的比例。根據(jù)已鉆井的地層分層和壓力測(cè)試數(shù)據(jù)可求得地層轉(zhuǎn)化系數(shù)。

(2)

式中：k為地層轉(zhuǎn)化系數(shù)；H1t為已鉆井的壓力測(cè)試點(diǎn)所在地層的頂部深度，m；H2t為待鉆井的壓力測(cè)試點(diǎn)所在地層的頂部深度，m；H1b為已鉆井的壓力測(cè)試點(diǎn)所在地層的底部深度，m；H2b為待鉆井的壓力測(cè)試點(diǎn)所在地層的底部深度，m。

圖1 地層壓力校正示意圖

根據(jù)待鉆井的預(yù)測(cè)地層分層求出校正的地層壓力測(cè)試點(diǎn)深度，結(jié)合式(1)、(2)，可知待鉆井預(yù)測(cè)點(diǎn)的壓力系數(shù)為：

(3)

式中：ρ1p為已鉆井的地層孔隙壓力系數(shù)；ρ2p為未鉆井的地層孔隙壓力系數(shù)。

1.2 斷層穩(wěn)定性方法

斷層是地殼中普遍發(fā)育的一種地質(zhì)構(gòu)造，是油氣運(yùn)移的重要通道之一，對(duì)油氣的保存具有重要意義。當(dāng)斷層間隙中的孔隙流體壓力足夠大時(shí)，斷層容易發(fā)生滑動(dòng)，導(dǎo)致油氣通過(guò)斷層進(jìn)行運(yùn)移從而釋放孔隙壓力，直到重新達(dá)到穩(wěn)定[8]。因此，對(duì)于穩(wěn)定的斷層，能夠承受的孔隙壓力具有一個(gè)上限。而這個(gè)上限值可以對(duì)孔隙壓力計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證和校正，如果孔隙壓力超過(guò)地層壓力上限值，說(shuō)明預(yù)測(cè)孔隙壓力有誤。

對(duì)于斷層發(fā)育地區(qū)，由于斷層弱面已經(jīng)產(chǎn)生，斷層滑動(dòng)幾乎不需要克服巖石固有剪切強(qiáng)度，此時(shí)斷層面發(fā)生滑動(dòng)只需要滿足Byerlee定律[9]。以正斷層為例，斷層面滑動(dòng)最容易發(fā)生在上覆巖層壓力與水平最小地應(yīng)力作用的截面上，結(jié)合該斷層面上的有效正應(yīng)力與有效剪應(yīng)力[8]，可得：

(4)

利用式(4)對(duì)斷層傾角求導(dǎo)，可得斷層面首先達(dá)到滑動(dòng)條件的角度：

(5)

式中：βcriti為臨界斷層傾角，°；μ一般取0.85，所以βcriti≈65.2 °，即如果地殼中存在這各種取向的斷層面，則傾角為65.2 °的斷層面最容易滑動(dòng)。

由式(4)可知，隨著斷層間隙流體壓力不斷增大，斷層面上的摩擦力會(huì)逐漸減小，當(dāng)摩擦力不足以克服剪應(yīng)力時(shí)，斷層便會(huì)發(fā)生滑動(dòng)，此時(shí)斷層中的流體釋放，孔隙壓力會(huì)降低直至斷層達(dá)到新的穩(wěn)定狀態(tài)，因此，斷層穩(wěn)定條件下能夠承受的孔隙壓力具有一個(gè)上限值。

結(jié)合式(4)、(5)可得孔隙壓力上限的最小值：

(6)

結(jié)合分層地應(yīng)力計(jì)算模型[10]可得：

(7)

式中：εh、εH均為應(yīng)力構(gòu)造系數(shù)，h為深度，m；α為有效應(yīng)力系數(shù)；μs為地層靜態(tài)泊松比，Es為彈性模量，可由動(dòng)態(tài)泊松比和彈性模量轉(zhuǎn)化。

2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用分析

東海西湖凹陷位于東海陸架盆地浙東坳陷東部，該區(qū)普遍存在高壓狀態(tài)，成壓機(jī)制包括欠壓實(shí)、烴類生成和構(gòu)造地應(yīng)力加載[11]。P1井為西湖凹陷的一口高溫高壓探井，預(yù)鉆井深超過(guò)5 000 m，鄰近已鉆井B1井發(fā)生了嚴(yán)重的溢流。選擇Eaton模型并參考B1井壓力數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)P1井孔隙壓力當(dāng)量密度，預(yù)測(cè)結(jié)果顯示P1井孔隙壓力當(dāng)量密度在P9層之后逐漸增大，最大可達(dá)1.72 g/cm3(圖2)。然而該地區(qū)平湖組下部的孔隙壓力當(dāng)量密度普遍在1.80 g/cm3以上，該預(yù)測(cè)結(jié)果明顯偏小。為進(jìn)一步確認(rèn)合理的孔隙壓力，利用水力連通方法和斷層穩(wěn)定性方法對(duì)P1井孔隙壓力進(jìn)行校正。

圖2 P1井地層孔隙壓力當(dāng)量密度預(yù)測(cè)

利用水力連通方法對(duì)參考井P1、B1井的孔隙壓力實(shí)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化結(jié)果如表1所示。利用斷層穩(wěn)定性方法，確定P1井孔隙壓力當(dāng)量密度上限最小值。圖2對(duì)比了常規(guī)預(yù)測(cè)方法結(jié)果與復(fù)合方法測(cè)試結(jié)果，常規(guī)預(yù)測(cè)方法結(jié)果比水力連通方法轉(zhuǎn)化的實(shí)測(cè)結(jié)果小，因此該井孔隙壓力當(dāng)量密度大于1.72 g/cm3。另一方面，該井孔隙壓力當(dāng)量密度上限最小值在P12層可達(dá)2.02 g/cm3，說(shuō)明當(dāng)孔隙壓力當(dāng)量密度超過(guò)2.02 g/cm3時(shí)，斷層很可能發(fā)生活動(dòng)導(dǎo)致孔隙壓力釋放，因此，孔隙壓力當(dāng)量密度不應(yīng)超過(guò)2.02 g/cm3。

表1 地層壓力實(shí)測(cè)值校正

圖3為復(fù)合方法預(yù)測(cè)的P1井孔隙壓力當(dāng)量密度與實(shí)鉆情況對(duì)比，預(yù)測(cè)P1井孔隙壓力當(dāng)量密度從P9層逐漸增大，在P11層之后超過(guò)1.20 g/cm3，最高可達(dá)1.92 g/cm3。進(jìn)入P12層之前，實(shí)際泥漿密度基本大于或接近地層孔隙壓力當(dāng)量密度，氣侵量不大；進(jìn)入P12層之后，泥漿密度略低于預(yù)測(cè)的孔隙壓力當(dāng)量密度，氣侵量明顯增大。P1井最終獲得2個(gè)有效的實(shí)測(cè)壓力點(diǎn)，實(shí)測(cè)壓力與預(yù)測(cè)地層孔隙壓力當(dāng)量密度的誤差分別為7.25%和2.69%，說(shuō)明復(fù)合方法預(yù)測(cè)的孔隙壓力與地層實(shí)際情況基本吻合。

圖3 P1井實(shí)鉆情況

3 結(jié) 論

(1) 對(duì)于探井，由于鄰井孔隙壓力實(shí)測(cè)結(jié)果有限，并且地層差異較大，可能導(dǎo)致常規(guī)孔隙壓力預(yù)測(cè)方法的參數(shù)反演存在較大的誤差。同時(shí)，復(fù)雜地區(qū)異常高壓往往是多種機(jī)制共同導(dǎo)致的，很難區(qū)分主次關(guān)系，因此，難以確定合理的孔隙壓力預(yù)測(cè)方法。

(2) 當(dāng)采用鄰井孔隙壓力實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行計(jì)算參數(shù)校正時(shí)，可以利用水力連通方法對(duì)鄰井的孔隙壓力實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行轉(zhuǎn)換，從而避免地層差異導(dǎo)致的誤差。

(3) 當(dāng)斷層間隙流體壓力增大到一定程度時(shí)，容易引起斷層滑動(dòng)和流體釋放，因此，地層所能承受孔隙壓力具有一個(gè)上限。傾角為65.2 °的斷層最容易發(fā)生滑動(dòng)，此時(shí)孔隙壓力上限值最小，該角度下的孔隙壓力上限值也可以用于孔隙壓力預(yù)測(cè)的計(jì)算參數(shù)校正。

(4) 東海西湖的深探井孔隙壓力預(yù)測(cè)實(shí)踐表明，探井孔隙壓力復(fù)合預(yù)測(cè)方法能夠有效提高孔隙壓力預(yù)測(cè)精度，保證鉆井安全，對(duì)探井孔隙壓力預(yù)測(cè)提供了新的理論支撐。

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編輯 朱雅楠

10.3969/j.issn.1006-6535.2016.01.006

20150902；改回日期：20151116

國(guó)家自然科學(xué)基金“氣體鉆井井壁失穩(wěn)與井眼凈化機(jī)理研究”(51134004)

陳子劍(1988-)，男， 2011年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)(北京)石油工程專業(yè)，現(xiàn)為該校油氣井工程專業(yè)在讀博士研究生，主要從事巖石力學(xué)和地質(zhì)力學(xué)方面的研究。

蔚寶華(1973-)，男，副教授，1996年畢業(yè)于江漢石油學(xué)院石油工程系鉆井工程專業(yè)，2006年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)(北京)油氣井工程專業(yè)，獲博士學(xué)位，現(xiàn)從事油氣井井壁穩(wěn)定和出砂預(yù)測(cè)研究。

TE172.4

A

1006-6535(2016)01-0025-03