大北–克深地區(qū)窄窗口異常壓力隨鉆預(yù)監(jiān)測技術(shù)研究

馮 偉

長江大學(xué)錄井技術(shù)與工程研究院，湖北 荊州

大北–克深地區(qū)窄窗口異常壓力隨鉆預(yù)監(jiān)測技術(shù)研究

馮 偉

長江大學(xué)錄井技術(shù)與工程研究院，湖北 荊州

從現(xiàn)有的地層壓力預(yù)測方法出發(fā)，介紹了窄窗口鉆井的相關(guān)概念和大北–克深地區(qū)的異常高壓的分布特征及成因，系統(tǒng)分析了國內(nèi)外解決異常壓力問題的主要預(yù)監(jiān)測方法，并對不同壓力成因的隨鉆壓力預(yù)測方法做了歸類劃分。針對大北–克深地區(qū)的異常高壓分布特征和成因，提出了基于多參數(shù)、定層位的隨鉆壓力監(jiān)測模型，并統(tǒng)計了該方法在多口井的實驗結(jié)果，為其他窄窗口超高壓監(jiān)測提供了實用參考。

大北–克深地區(qū)，窄窗口，異常壓力，隨鉆監(jiān)測

Copyright ? 2017 by author, Yangtze University and Hans Publishers Inc.

This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY).

http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

Received: Jun.28th, 2017; accepted: Aug.28th, 2017; published: Oct.15th, 2017

AbstractThis paper introduced the related concepts of narrow window drilling and the distribution characteristics and causes of abnormal high pressure in Dabei-Keshen area based on current stratigraphic pressure prediction method, and systematically analyzed the main prediction methods of abnormal pressure at home and abroad, and it also classified the pressure prediction methods while drilling.A pressure monitoring while drilling model is developed based on multi-parameters and fixed horizons according to the characteristics and causes of anomalous high pressure distribution in Dabei-Keshen area.The research provides a practical reference for other ultra-high pressure monitoring in narrow windows.

KeywordsDabei-Keshen Area, Narrow Window, Abnormal Pressure, Monitoring While Drilling

1.引言

塔里木盆地庫車坳陷屬南天山構(gòu)造帶的前陸盆地，北臨南天山褶皺帶，南抵塔北隆起，克拉蘇構(gòu)造帶位于其中部，演化受大北–克拉蘇斷裂帶控制。大北–克深地區(qū)位于克拉蘇構(gòu)造帶克拉蘇斷裂下盤克深區(qū)。

大北–克深地區(qū)古近系復(fù)合鹽膏層平均厚1232 m，最厚達(dá)5177 m。該復(fù)合膏鹽層間既存在膏鹽巖等異常高壓層，也存在白云巖等較低壓力層，地層壓力情況極為復(fù)雜。尤其是普遍存在超高壓鹽水層(最高達(dá)2.46 g/cm3)，壓力系統(tǒng)復(fù)雜，鉆井復(fù)雜事故頻發(fā)。根據(jù)統(tǒng)計，僅近年的13口井在該層段累計發(fā)生復(fù)雜事故83次，累計漏失泥漿6923 m3，累計損失時間778 d，而且由此造成的成本增加非常高，極大地影響到了油田生產(chǎn)的順利進(jìn)行。

在膏泥巖地段，鉆井易縮徑、易污染鉆井液，壓力系統(tǒng)復(fù)雜，易溢流、井漏、卡鉆。高溫、高壓，易井漏，鉆井液性能維護(hù)困難等一系列難題往往與地層壓力有關(guān)[1]。因此，在異常壓力極為發(fā)育的大北–克深地區(qū)，更加準(zhǔn)確地預(yù)知待鉆揭地層的異常壓力，對于工程的順利進(jìn)行至關(guān)重要。同時，該區(qū)也是國內(nèi)壓力最為復(fù)雜的地區(qū)之一，研究成果對于其他復(fù)雜壓力地區(qū)的施工安全保障也具有重要的借鑒及推廣意義。

現(xiàn)有的地層壓力預(yù)測方法已經(jīng)使用了幾十年，對安全快速鉆井做出了重要貢獻(xiàn)。但隨著鉆井技術(shù)的不斷發(fā)展，其局限性也逐漸暴露出來，其主要缺陷或難點如下：

1)不適用于非泥巖地層，對于較復(fù)雜的地層無法獲得真正連續(xù)的地層孔隙壓力剖面。

2)傳統(tǒng)方法只考慮了由欠壓實引起的異常壓力。大量研究發(fā)現(xiàn)，異常壓力是由多種因素綜合引起的，如欠壓實、烴類生成、構(gòu)造和斷裂、水熱增壓、蒙脫石脫水、地層升沉變化、永久凍土等[2][3]。

3)正常趨勢線的確定往往帶有主觀性，需要在大量的檢測實踐中修改完善，檢測實踐經(jīng)驗的多少和正確與否對檢測地層壓力結(jié)果影響很大。

4)對于非連續(xù)沉積地層而言，需要建立多條趨勢線，有時在某些層段甚至還無法建立趨勢線，增加了趨勢線建立的難度。

5)檢測參數(shù)受多種因素的影響，其變化不一定都是地層壓力變化引起的。

6)嚴(yán)格來說，在半對數(shù)坐標(biāo)系中泥巖正常壓實趨勢線為直線的結(jié)論并不完全正確，因為隨壓實程度的提高，聲波速度增加的程度將逐漸變慢，達(dá)到一定的深度后聲波速度將幾乎不再隨深度變化，而不是沿傳統(tǒng)的正常趨勢線無限延伸下去。

對異常地層壓力的時空演化和分布規(guī)律研究，不僅對指導(dǎo)勘探目標(biāo)的確定、評價有利的儲層區(qū)段分布具有一定的戰(zhàn)略意義，而且在為目標(biāo)鉆探、科學(xué)鉆井提供壓力預(yù)測剖面，指導(dǎo)鉆井液設(shè)計，保護(hù)油層等方面都具有重要的實際意義。

2.窄窗口的概念及庫車凹陷異常壓力分布特征

2.1. 窄窗口的概念

窄窗口(鉆井安全窗口小)，即在鉆某一地層過程中，鉆井液可以選擇的密度范圍很小。窄窗口易發(fā)生鉆井復(fù)雜情況，鉆井液密度超出此范圍造成井漏，低于此范圍造成井壁坍塌掉塊。

窄窗口產(chǎn)生的主要原因是鉆遇地層的地層壓力和坍塌壓力較高，漏失壓力和破裂壓力較低。窄窗口容易造成井涌、井漏、坍塌及卡鉆等鉆井事故。

窄窗口鉆井安全的一項重要技術(shù)就是壓力預(yù)測技術(shù)，如果能夠很好地解決壓力預(yù)測問題，就可以很好地確定窄窗口甚至擴(kuò)大窄窗口的安全作業(yè)區(qū)間，提高鉆井安全[4]。

2.2. 庫車前陸盆地異常壓力分布特征

2.2.1. 滲透性巖層內(nèi)異常壓力平面分布特征

滲透性地層內(nèi)的壓力可根據(jù)鉆桿測壓及重復(fù)地層測試獲得，庫車前陸盆地的異常壓力主要發(fā)育于三疊系至新近系，總體上各個地層異常高壓分布特征基本一致，即前陸沖斷帶為異常高壓，以克拉蘇構(gòu)造帶異常壓力最高，秋里塔格構(gòu)造帶東部迪那、東秋地區(qū)也具有較高的異常壓力，而南部平緩背斜帶基本為正常壓力系統(tǒng)。

庫車前陸盆地下白堊統(tǒng)異常壓力的總體特征為北部超壓、強超壓，向南有變低的趨勢，南部平緩構(gòu)造帶基本為正常壓力，表現(xiàn)為近似開放的流體系統(tǒng)?？死K構(gòu)造帶北部地區(qū)為強超壓，壓力系數(shù)在 1.85以上，多在1.95～2.10之間，其中TB2井、KL2井、DQ8井下白堊統(tǒng)達(dá)到2.0以上，過剩壓力差別大，KL1井、KL2井等過剩壓力在23～37 MPa，TBZ井、DQS井過剩壓力在46～51 MPa；大北地區(qū)、迪那地區(qū)下白堊統(tǒng)表現(xiàn)為超壓，壓力系數(shù)多在1.55～1.65之間，過剩壓力變化相對較小，多在26～33 MPa；南部的QL1井、YT1井、YD2井、T1井、T2井下白堊統(tǒng)基本為常壓系統(tǒng)，壓力系數(shù)在1.0左右，過剩壓力多在 0～1 MPa。

庫車前陸盆地古近系異常壓力的總體特征與下白堊統(tǒng)較為相似，表現(xiàn)為北部超壓、強超壓，向南超壓程度有變低的趨勢，南部平緩構(gòu)造帶基本為正常壓力，克拉蘇構(gòu)造帶北部、秋里塔格構(gòu)造帶的東秋、迪那地區(qū)為強超壓，壓力系數(shù)多在1.90～2.20之間，過剩壓力差別大，KL3井過剩壓力在25～32 MPa，TB2井、KL2井過剩壓力在36～43 MPa，DQ8井、DN3井、DN11井過剩壓力在52～56 MPa。南部的卻勒、羊塔克、英買力、牙哈、提爾根等地區(qū)基本為常壓系統(tǒng)，壓力系數(shù)大都在 1.0左右，卻勒地區(qū)局部地層壓力系數(shù)達(dá)到1.4左右，表現(xiàn)為異常高壓特征。

庫車前陸盆地新近系克拉蘇–依奇克里克構(gòu)造帶主要表現(xiàn)為正常壓力特征，僅個別構(gòu)造表現(xiàn)為異常高壓特征，壓力系數(shù)最高在1.2～1.5之間，如KL1井、MN1井等處。秋里塔格構(gòu)造帶東部的DN2井、DN11井構(gòu)造壓力系數(shù)在2.1左右，表現(xiàn)為強超壓，過剩壓力在50～56 MPa之間，是新近系超壓程度最大的地區(qū)。

2.2.2. 滲透性巖層內(nèi)異常壓力縱向分布

庫車前陸盆地滲透性巖層異常壓力在三疊系、侏羅系、白堊系、古近系和新近系均有發(fā)育，在深度分布上普遍具有從上向下由常壓到超壓的變化，該變化在克拉蘇–依奇克里克構(gòu)造帶尤為突出，秋里塔格構(gòu)造帶東部表現(xiàn)為超高壓的特征。

克拉蘇構(gòu)造帶中，各構(gòu)造地層的超壓特征總體上隨深度變化而變化：從淺部到3000 m左右，是超壓不斷增強的階段，壓力系數(shù)由1.0增加至2.0左右；3000～4200 m，壓力系數(shù)在2.0左右，為強超壓，過剩壓力較大，在25～45 MPa之間，KL2井、KL3井氣藏都位于該深度段；4200 m以下，超壓程度降低，壓力系數(shù)在1.6左右，但過剩壓力仍然較大，在30～45 MPa之間，主要分布在克拉蘇深部區(qū)帶，個別表現(xiàn)為接近常壓，如KC1井。在縱向上，個別井壓力隨深度沿靜水壓力梯度增加，反映了流體在該層段內(nèi)基本連通，構(gòu)成一個統(tǒng)一的壓力系統(tǒng)，如DB2井；個別井壓力隨深度變化復(fù)雜，過剩壓力相差較大，未構(gòu)成一個統(tǒng)一的壓力系統(tǒng)，另外，各構(gòu)造之間過剩壓力變化較大，明顯不是一個壓力系統(tǒng)。

依奇克里克構(gòu)造帶中，異常高壓隨埋深變化總體上有以下規(guī)律：淺部2000 m以上表現(xiàn)為異常高壓較低，壓力系數(shù)在1.3～1.5之間，過剩壓力較小，5 MPa左右；深部異常高壓有所增大，YN2井、TZ2井等處較為明顯，過剩壓力較大，在25～35 MPa左右，YN4井、YS4井等異常高壓仍較低，壓力系數(shù)在1.3～1.5之間，過剩壓力在5～15 MPa左右。各構(gòu)造過剩壓力變化復(fù)雜，各構(gòu)造之間未構(gòu)成一個統(tǒng)一的流體壓力系統(tǒng)。

3.庫車前陸盆地異常地層壓力成因類型

庫車前陸沖斷帶喜馬拉雅晚期經(jīng)歷了強烈構(gòu)造擠壓，TB2井、KL2井、KL3井、DQ8井、DQ5井、DN3井、DN2井及克拉蘇深部區(qū)帶DB2井、KS2井、DB3井等構(gòu)造鹽下儲層壓力系數(shù)達(dá)到了1.6以上，最大達(dá)到 2.2左右，為異常高壓或超高壓。目前，對鹽下儲層內(nèi)異常高壓或超高壓成因仍有爭議，可歸納為以下幾點：構(gòu)造擠壓和充氣增壓；構(gòu)造擠壓和構(gòu)造抬升；構(gòu)造擠壓與欠壓實；欠壓實、天然氣充注與構(gòu)造擠壓；構(gòu)造擠壓和他源超壓。

構(gòu)造擠壓已被確認(rèn)是庫車前陸盆地超壓形成的一個重要因素；構(gòu)造抬升傾向于形成異常低壓而非異常高壓。實測資料表明，TB2井、DQ8井等構(gòu)造的鹽下超高壓儲層為含氣水層或水層，所以天然氣充注作用引起的超壓機(jī)制針對氣藏可能是有效的。

綜合庫車前陸盆地實際地質(zhì)條件和前人對該盆地異常壓力形成因素的研究，認(rèn)為庫車前陸盆地異常壓力形成主要受控于壓實、構(gòu)造擠壓、超壓傳遞和生烴等作用，其中生烴增壓作用針對侏羅系、三疊系烴源巖是有效的；對于現(xiàn)今氣藏，天然氣柱的浮力對異常壓力也有一定貢獻(xiàn)；另外，膏鹽巖蓋層的封蓋作用為異常高壓形成后的保存提供了強有力的保證。

4.異常地層壓力的隨鉆預(yù)測方法

隨鉆地層孔隙壓力監(jiān)測是利用鉆井過程中實時測量得到的鉆井地質(zhì)數(shù)據(jù)來評估地層孔隙壓力的技術(shù)。在目前國內(nèi)鉆井作業(yè)中，普遍使用隨鉆地層孔隙壓力監(jiān)測技術(shù)。這是因為鉆前的地震預(yù)測結(jié)果精度比較低，層位誤差比較大，很難反映實際的地層壓力變化。所以，必須在鉆井施工過程中開展隨鉆地層壓力監(jiān)測，來實時監(jiān)測地層孔隙壓力的變化，以便能及時發(fā)現(xiàn)井下復(fù)雜情況，調(diào)整鉆井液密度和修改井身結(jié)構(gòu)設(shè)計。

目前，國內(nèi)比較有效的隨鉆地層孔隙壓力監(jiān)測方法有dc指數(shù)法、巖石強度法和泥頁巖密度法。由于地層孔隙壓力評估受到各大石油公司的普遍重視，近幾十年來，地層孔隙壓力評估技術(shù)得到了很大的發(fā)展。但是，由于受到傳統(tǒng)思路的束縛，各種地層孔隙壓力評估技術(shù)并沒有得到實質(zhì)性的突破，僅僅對以前各種評估技術(shù)進(jìn)行修正和完善。如：在地層壓力檢測中采用對數(shù)式正常趨勢線；用聲波時差預(yù)測地層孔隙壓力的方法；根據(jù)頁巖電阻率精確測定地層孔隙壓力的再校正技術(shù)；dc指數(shù)正常趨勢線分析；壓差校正可提高dc指數(shù)地層壓力檢測精度；地層壓力的地震預(yù)測等。

隨著三維地震的發(fā)展，利用地震資料進(jìn)行地層孔隙壓力預(yù)測的技術(shù)也逐漸向三維方向發(fā)展。在國外已取得一定成就。

在測井資料方面，由于國外測試技術(shù)及各種井下配套工具的先進(jìn)性，隨鉆測井已成為現(xiàn)實可行的技術(shù)[3]。該技術(shù)為地層孔隙壓力隨鉆預(yù)測提供了更可靠的數(shù)據(jù)，在一定程度上促進(jìn)了地層孔隙壓力預(yù)測技術(shù)的發(fā)展。但是，隨鉆測井的費用很高，在我國難以普及應(yīng)用。

在鉆井工程中，找到地震層速度、錄井資料、測井資料和地層孔隙壓力之間關(guān)系式是非常重要的。由于上述數(shù)據(jù)很復(fù)雜，分析它們很困難，不能精確建立反映數(shù)據(jù)間相互關(guān)系的物理關(guān)系式，并限制了理解和使用信息的能力。而且，即使利用如常規(guī)最小二乘法，部分最小二乘法和非線性二次部分最小二乘法等強有力的統(tǒng)計計算工具，也只能從上述數(shù)據(jù)中抽取線性和簡單非線性信息。如果要使非線性輸入、輸出變換得到的先驗信息有效，灰色理論方法不失為一種有效的手段。

在現(xiàn)有鉆井技術(shù)的限制下，除極少數(shù)特殊情況外，鉆井過程中所鉆遇的巖石均是沉積巖。沉積巖的成巖過程是一個緩慢而漫長的過程。因此，可把沉積巖的成巖過程看成是一個連續(xù)的過程，所有的沉積巖層都是連續(xù)的，除非沉積巖成巖以后發(fā)生地殼運動。另一方面，傳統(tǒng)的異常高壓地層的形成機(jī)理認(rèn)為，壓實作用、水熱增壓、蒙脫石的脫水作用是異常高壓地層形成的主要原因。不管是哪種原因，傳統(tǒng)方法均認(rèn)為是某局部地層存在過多的液體無法及時向鄰近地層排泄完，從而形成的局部異常高壓。這樣，在微觀上孔隙相互連通的沉積巖中，異常高壓地層和正常壓實地層之間必然存在過渡帶。綜上所述，地層孔隙壓力曲線的變化趨勢線必然是連續(xù)、緩慢變化的，不存在跳躍點。當(dāng)用連續(xù)函數(shù)模擬地層孔隙壓力曲線時，可用該函數(shù)預(yù)測鉆頭下部未鉆開地層的地層孔隙壓力。

壓力預(yù)測計算的方法很多，都具有各自相應(yīng)的適用范圍，根據(jù)不同的壓力成因，可將各預(yù)測方法的適用性進(jìn)行歸納總結(jié)(見表1)。

5.大北–克深地區(qū)的隨鉆預(yù)監(jiān)測方法

由于大北–克深地區(qū)壓力成因極為復(fù)雜，因此，除采用各方法對壓力進(jìn)行計算預(yù)測之外，還要對各壓力預(yù)測方法的結(jié)果進(jìn)行對比，經(jīng)過篩選之后選定了幾種比較適合于研究區(qū)的方法，主要包括反算dc指數(shù)法和多參數(shù)動態(tài)監(jiān)測法。

隨鉆監(jiān)測前要建立監(jiān)測模型，分別采用反算dc指數(shù)法和多參數(shù)動態(tài)監(jiān)測法建立不同的監(jiān)測模型[5]。多參數(shù)動態(tài)監(jiān)測法監(jiān)測模型的建立工作流程如圖1所示。在欠壓實層位采用反算dc指數(shù)法的模型監(jiān)測，在高壓層則采用多參數(shù)動態(tài)監(jiān)測法建立的模型計算壓力。圖2是大北–克深地區(qū)XXX井的實測壓力系數(shù)與預(yù)測壓力系數(shù)對比圖，可以看出，符合率較高。

Table 1.The applicable methods for abnormal pressure (with different origins)prediction while drilling表1.不同成因異常壓力適用的隨鉆預(yù)測方法

Figure 1.The working process of establishment of monitoring model by using multi-parameter dynamic monitoring method圖1.多參數(shù)動態(tài)監(jiān)測法監(jiān)測模型建立的工作流程圖

Figure 2.The contrast between the actually measured pressure coefficient and predicted pressure coefficient圖2.大北–克深地區(qū)XXX井的實測壓力系數(shù)與預(yù)測壓力系數(shù)對比圖

為了驗證上述方法的可靠程度，選取了克深地區(qū)10口井進(jìn)行建模，計算出來的壓力系數(shù)與實際壓力系數(shù)對比結(jié)果見表2，可以看出，克深地區(qū)10口井采用多參數(shù)動態(tài)監(jiān)測法和反算dc指數(shù)法的結(jié)果準(zhǔn)確度都在90%以上，多參數(shù)動態(tài)監(jiān)測法符合率均值為97.29%，反算dc指數(shù)法符合率均值為90.23%。大北地區(qū) 6口井建模計算出來的壓力系數(shù)與實際壓力系數(shù)對比結(jié)果見表3，可以看出，多參數(shù)動態(tài)監(jiān)測法符合率均值為95.93%，反算dc指數(shù)法符合率均值為85.19%，反映出結(jié)合了人工智能的多參數(shù)動態(tài)監(jiān)測法準(zhǔn)確性更高?？傮w看來，上述方法在大北–克深地區(qū)的壓力預(yù)測結(jié)果都較為可靠。

Table 2.The effect of validated 10 wells in Keshen area表2.克深地區(qū)10口井的驗證效果

Table 3.The effect of validated 6 wells in Dabei area表3.大北地區(qū)6口井的驗證結(jié)果

6.結(jié)論

1)通過對大北–克深地區(qū)地層壓力特征的分析，認(rèn)為庫車地區(qū)超壓分布廣，成因類型復(fù)雜多樣，以構(gòu)造擠壓、生烴增壓和壓力傳導(dǎo)影響最大，大北–克深地區(qū)在古近系底部和白堊系均普遍存在超壓。

2)對不同壓力成因的隨鉆壓力預(yù)測方法做了歸類劃分。由于大北–克深地區(qū)壓力成因極為復(fù)雜，除采用各方法對壓力進(jìn)行計算預(yù)測之外，還對各壓力預(yù)測結(jié)果進(jìn)行了對比。經(jīng)實測壓力驗證，反算dc指數(shù)法和多參數(shù)動態(tài)監(jiān)測法在大北–克深地區(qū)的壓力預(yù)測結(jié)果較為可靠。

3)采用基于多參數(shù)、定層位建模的監(jiān)測方法要比單一的建模方法符合率更高。

References)

[1]艾池, 馮福平, 李洪偉.地層壓力預(yù)測技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].石油地質(zhì)與工程, 2007, 21(6): 71-73, 76.

[2]卞從勝, 柳廣弟.異常地層壓力的綜合預(yù)測方法及其在營爾凹陷的應(yīng)用[J].地質(zhì)科技情報, 2009, 28(4): 1-6.

[3]蔡軍.基于三維地質(zhì)建模的地層壓力預(yù)測方法及應(yīng)用研究[D]: [碩士學(xué)位論文].東營: 中國石油大學(xué), 2011.

[4]周英操, 楊雄文, 方世良, 等.窄窗口鉆井難點分析與技術(shù)對策[J].石油機(jī)械, 2010, 38(4): 2-7.

[5]王志站, 慈興華.東營凹陷異常壓力隨鉆預(yù)測與監(jiān)測[M].北京: 石油工業(yè)出版社, 2011.

[編輯]龔丹

知網(wǎng)檢索的兩種方式：

1.打開知網(wǎng)頁面http://kns.cnki.net/kns/brief/result.aspx?dbPrefix=WWJD下拉列表框選擇：[ISSN]，輸入期刊ISSN：2471-7185，即可查詢

2.打開知網(wǎng)首頁http://cnki.net/左側(cè)“國際文獻(xiàn)總庫”進(jìn)入，輸入文章標(biāo)題，即可查詢

投稿請點擊：http://www.hanspub.org/Submission.aspx

期刊郵箱：jogt@hanspub.org

Study on Monitoring Abnormal Pressure in Narrow Window While Drilling in Dabei-Keshen Area

Wei Feng
Research Institute of Logging Technology and Engineering, Yangtze University, Jingzhou Hubei

2017年6月28日；錄用日期：2017年8月28日；發(fā)布日期：2017年10月15日

馮偉(1978-)，男，碩士，講師，主要從事錄井專業(yè)本科教育和軟件設(shè)計與開發(fā)。

文章引用: 馮偉.大北–克深地區(qū)窄窗口異常壓力隨鉆預(yù)監(jiān)測技術(shù)研究[J].石油天然氣學(xué)報, 2017, 39(5): 39-46.

10.12677/jogt.2017.395065