南海深水L–1 井區(qū)地層壓力預測技術(shù)研究及應用

李華洋，吳惠梅，2，南 沖，趙寶文，嚴 科，汪全航

（1.長江大學石油工程學院，湖北武漢 430100； 2.長江大學油氣鉆井技術(shù)國家工程實驗室防漏堵漏技術(shù)研究室，湖北武漢 430100）

南海深水、超深水油氣勘探開發(fā)鉆井與陸地或淺水鉆井相比，難度更大，地層沉積速度更快，地層異常壓力時有發(fā)生，很多油氣藏不僅水深、泥線溫度低，而且下部井段存在高壓[1–2]。因此，確定出安全鉆井液密度窗口是確保安全、高效、順利地完成鉆井工作的關鍵。

安全泥漿密度窗口是指地層孔隙壓力與漏失壓力之間的當量密度窗口。與常規(guī)的陸地鉆井相比，深水、超深水鉆井對井壁穩(wěn)定的分析精度要求更高。為防止坍塌、溢流、卡鉆、漏失等問題的發(fā)生，這就要求鉆井液密度必須大于鉆井液安全密度窗口的下限，小于鉆井液安全密度窗口的上限[3]。

在南海西部L–1 井區(qū)壓力預測中，先根據(jù)地震層速度，收集基礎地質(zhì)資料并對各種試驗數(shù)據(jù)整理，保證其準確性；再用伊頓法（Eaton）計算地層孔隙壓力，并用黃榮樽法[4]對地層破裂壓力進行預測，將確定的地應力代入庫倫摩爾強度準則，得出地層坍塌壓力對應的鉆井液密度；最后與現(xiàn)場實測結(jié)果進行比對，分析誤差，提高預測精度，確定地層壓力。

1 地層壓力預測數(shù)學模型

1.1 孔隙壓力預測

L–1 井區(qū)巖性以灰色泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉細砂巖和砂泥巖互層為主。目前常見的孔隙壓力預測方法有伊頓法、有效應力法、等效深度法等。伊頓法是現(xiàn)在應用于深水、超深水地層壓力預測中最常用的有效經(jīng)驗方法之一。該方法在地層正常壓實的基礎上，建立正常壓實趨勢線，結(jié)合地層實際的測井數(shù)據(jù)對偏離正常壓實趨勢線時的地層壓力進行預測計算[5]。對于測井資料和隨鉆資料缺失的井段，則建立基于地震層速度預測孔隙壓力的模型。計算公式為：

式中：kP 為孔隙壓力，MPa；VP 為地層靜壓力，MPa；nP 為靜液柱壓力，MPa；ntΔ 為正常壓實趨勢下的聲波時差，us/ft； tΔ 為通過測井或地震數(shù)據(jù)得到的該深度點的實際聲波時差，us/ft；n 為伊頓指數(shù)。

伊頓指數(shù)可通過隨鉆實際測量的地層孔隙壓力求取，其公式為：

由式（1）可以看出，在靜液柱壓力當量為1.03 g/cm3的條件下，求取上覆巖層壓力及聲波時差值之比，結(jié)合現(xiàn)場實際地層的伊頓指數(shù)，即可計算出地層孔隙壓力大小。

1.2 坍塌壓力預測

地層坍塌壓力當量密度是安全鉆井液密度窗口的下限。從力學的角度來說，造成井壁坍塌的主要原因是井內(nèi)液柱壓力太低，導致井壁周圍巖石所受應力超過巖石本身的強度而產(chǎn)生剪切破壞[6]。泥頁巖的滲透率極低時，如果泥漿性能優(yōu)良，可以不考慮泥漿向地層滲透的情況，而把泥頁巖井壁近似看作不滲透井壁。

由庫倫–摩爾強度準則，得巖石的破壞條件為：

式中：1σ 為最大主應力，MPa；3σ 為最小主應力，MPa；φ 為內(nèi)摩擦角，一般取30°；0τ 為巖石黏聚力，MPa。

由井壁處的周向結(jié)構(gòu)有效應力分析得知，在θ=90°和θ=270°時，井壁有效應力為最大值，井壁坍塌時的有效應力公式為[7]：

式中：rσ 、θσ 分別為在鉆孔壁坍塌有效最大和最小主應力，kN；h1σ 、h2σ 為水平方向不同的地應力，kN；θ 為研究點矢徑與水平最大主應力的夾角，（°）；pP 為破裂壓力，MPa；iP是原始地層壓力，MPa；rθτ為垂向主應力，MPa；α 為有效應力貢獻系數(shù)；無量綱；η 為應力非線性修正系數(shù)，無量綱。

根據(jù)井眼圍巖應力分布規(guī)律以及剪切破壞準則[8]，考慮到地層巖石是非線性彈性體的實際情況，可以建立地層坍塌壓力的計算模型[9]：

式中：mρ 為鉆井液密度，g/cm3；H 為井深，m；cF為黏聚力，MPa。

考慮滲透作用時井壁坍塌處三個主地應力為[10]：

式中： f 為地層孔隙度，%。

將其代入庫倫–摩爾強度準則，得到地層坍塌壓力，推導出鉆井液密度計算公式為[11]：

式中：μ 為巖石泊松比，無量綱；α 為Boit 系數(shù)，無量綱。

1.3 破裂壓力預測

從力學角度來講，地層破裂壓力是由于井內(nèi)鉆井液密度過大，使井壁巖石所受的周向應力超過巖石的拉伸強度而造成的[12]。因此，巖石自身性質(zhì)（如地層裂縫的發(fā)育狀況、彈性系數(shù)和巖層的抗拉強度）是影響破裂壓力大小的主要因素之一。當拉力增大到足以克服巖石的抗拉強度時，圍巖產(chǎn)生破裂，發(fā)生井漏等事故。

聲波測井資料預測破裂壓力是直接應用動態(tài)巖石參數(shù)預測，而對于靜態(tài)巖石參數(shù)則通過動態(tài)參數(shù)代入經(jīng)驗公式計算出。根據(jù)測井得到的地層資料，如地層密度、縱波和橫波時差等計算地層的泊松比、構(gòu)造應力系數(shù)、抗拉強度等參數(shù)進而求得破裂壓力。華北油田、中國石油大學和長江大學合作，提出了一套基于聲波資料預測破裂壓力的方法。計算公式如下：

式中：fP 為破裂壓力，MPa；1ξ 、2ξ 為水平方向上兩個不同方向的地質(zhì)構(gòu)造應力系數(shù)；Sμ 為巖層靜態(tài)泊松比；SE 為巖石靜彈性模量，MPa；S 為上覆巖層壓力，MPa；tS 為巖石抗拉強度，MPa。

式中各參數(shù)，除孔隙壓力用實測壓力或各種孔隙壓力的預測方法確定外，其他參數(shù)均根據(jù)聲波測井資料得出。

2 數(shù)學模型在L–1 井區(qū)的應用

2.1 目標區(qū)塊概況

L–1井是一口位于南海鶯歌海盆地陵水凹陷構(gòu)造中部的直探井，水深988 m，設計井深4 584.3 m。該井自上而下依次鉆遇樂東組、鶯歌海組（一段、二段）、黃流組和梅山組，梅山組A 砂體為主要目的層，其地層壓力系數(shù)為1.74～1.91。為確保L–1 井安全施工，對其進行鉆前井壁穩(wěn)定性分析，結(jié)果表明，該區(qū)塊狀況復雜多變，壓力窗口狹窄，會發(fā)生溢流、卡鉆及井漏等問題。

2.2 地層壓力預測

2.2.1 求取目標地層聲波時差趨勢線方程

在正常壓實地層中，聲波時差值與對應深度地層孔隙度在已知巖性地質(zhì)剖面下呈正比關系?？梢酝茖С銎潢P系式如下：

將公式兩邊取對數(shù)則可轉(zhuǎn)換為下列形式：

式中： tΔ 為聲波時差值，μs/ft；A、B、C 為相關系數(shù)。

由式（10）可以看出，在正常壓實地層中，聲波時差對數(shù)值與井深呈正比，而當遇到異常高壓地層時，關系曲線將明顯偏離正常趨勢線方向，由此可判斷正常壓實地層段與異常高壓地層段（圖1）。

二級學院彼此之間差距較大且業(yè)務交叉過于復雜 同一高職院校的二級學院之間很難平衡發(fā)展，這既有大環(huán)境的影響，又有各自院校自我布局的因素。高職院校受就業(yè)影響非常大，在21世紀初，很多高職院校的計算機專業(yè)非?；鸨?，一個計算機專業(yè)比一個二級學院的人數(shù)還多；再后來，計算機專業(yè)又變成模具設計與制造專業(yè)、國家貿(mào)易專業(yè)等，不同專業(yè)的畸形招生造成不同二級學院的畸形發(fā)展，進而影響二級學院的財務管理很難實施。

圖1 L–1 井聲波時差趨勢線

根據(jù)經(jīng)驗判斷，在井深約2 600 m 時開始出現(xiàn)異常高壓現(xiàn)象，取1 100 ～2 600 m 為正常壓實地層段，并擬合出正常壓實趨勢線，趨勢線方程如下：

由此可反演出正常壓實聲波時差值。

2.2.2 上覆巖層壓力計算

L–1 井為探井，且無鄰井測井資料，因此，根據(jù)鉆前地震層速度資料，運用Gardner 模型得到地層密度數(shù)據(jù)。本文采用密度補足法求取地層密度，在密度補足法中，通過Gardner 模型建立密度–聲波的相關性，進而可計算上部地層密度。計算模型如下：

式中：ρ 為地層密度，g/cm3； tΔ 為實際地層聲波時差，μs/ft；A、B為系數(shù)，本文中均取為0.25。

地層壓力計算中，對上覆巖層的深度進行積分，可求取上覆巖層壓力。

第一段：海水段（井段29.3～1 017.3 m），計算公式為：

第二段：巖層段（井深1 017.3 m 以下），為減小系統(tǒng)的計算誤差，可取目標地層上下層段地層密度的平均值來計算。對深度積分即可求得上覆巖層壓力：

2.2.3 地層壓力計算

將以上計算的各巖石力學參數(shù)，代入伊頓公式，結(jié)合測井資料就可以得到地層孔隙壓力剖面（圖2）。從圖2 可以看出，L–1 井下部地層鶯歌海組和黃流組壓力逐漸上升，表現(xiàn)為異常高壓。將預測結(jié)果與鄰井實測地層壓力進行誤差分析（表1、表2），結(jié)果表明，孔隙壓力的預測值與鄰井實測值之間誤差最大為1.74%；破裂壓力的預測值與鄰井實測點相比，最大誤差15.50%（該點未漏），能滿足工程需要。

圖2 L–1 井地層孔隙壓力剖面

表1 L–1 井地層孔隙壓力預測精度對比

表2 L–1 井地層破裂壓力預測精度對比

3 L–1 井安全鉆井液密度窗口的預測

進行井壁穩(wěn)定性力學分析的目的是得出L–1井安全鉆井液密度窗口，明確不同井段的井壁失穩(wěn)風險，指導不同井段鉆井液密度設計，并對可能鉆遇的溢流、井漏等井壁失穩(wěn)問題進行風險預示。對L–1 井各層位地層壓力統(tǒng)計結(jié)果見表3，并得到該井的地層壓力剖面（圖3）。

由圖3 可知，隨著井深度的增加，坍塌壓力也逐漸增大，但整體坍塌壓力均小于孔隙壓力，所以可將孔隙壓力當量密度視作目標井區(qū)安全鉆井液密度窗口的下限。

由圖3 可知，L–1 井在鶯歌海組二段–梅山組安全泥漿密度窗口急速變窄，故鉆進過程中要嚴格把控井底流壓，避免井壁失穩(wěn)。

表3 L–1 井區(qū)地層分層數(shù)據(jù)預測

4 結(jié)論與建議

（1）深水環(huán)境地質(zhì)條件復雜，在實際生產(chǎn)時，除了要參考預測數(shù)據(jù)，還必須考慮現(xiàn)場施工的影響，如起下鉆、鉆井液循環(huán)等因素的影響。

圖3 L–1 井鉆井液密度剖面

（2）南海西部大部分深水區(qū)域以砂泥巖為主，宜采用伊頓法進行壓力預測，對缺乏測井資料的淺層井段，可借助下部井段的地震層速度資料進行密度分析擬合。

（3）基于目標井區(qū)基礎資料的海量收集，選擇適合本井區(qū)的地層壓力預測數(shù)學模型，經(jīng)計算并與鄰井實測點比較，孔隙壓力預測最大誤差為1.74%，破裂壓力最大誤差為15.50%（該點未漏），預測精度較高，符合工程要求，可以利用壓力預測結(jié)果指導生產(chǎn)。

（4）該井區(qū)下部地層壓力自鶯海歌組和黃流組逐漸上升，異常高壓明顯，尤其以4 000 m 以下黃流組底部到梅山組地層孔隙壓力極高，安全鉆井液密度狹窄，應謹慎設計鉆井液密度，實施控壓鉆井，保證井壁穩(wěn)定，維持井內(nèi)壓力平衡，防止鉆井液密度過高或過低造成溢流、井噴等復雜情況的發(fā)生。

致謝：本文曾得到中科院施錫林老師的悉心指導和幫助,在撰寫過程中還得到項目組同學的支持,謹此一并表示感謝!