鶯瓊盆地樂東區(qū)非欠壓實成因超壓隨鉆監(jiān)測技術(shù)與應(yīng)用*

梁 豪 郭書生 廖高龍

（中海石油（中國）有限公司湛江分公司 廣東湛江 524057）

鶯瓊盆地樂東區(qū)天然氣資源豐富，是南海西部天然氣勘探主戰(zhàn)場與開發(fā)接替區(qū)［1］，該區(qū)發(fā)育的黃流組、梅山組兩套儲層地層壓力系數(shù)均在2.20以上，地層溫度在180℃以上，鉆井安全壓力窗口極窄。此外目的層內(nèi)各砂體間孔隙壓力、破裂壓力也存在差異臺階［2］，進一步導(dǎo)致合理井身結(jié)構(gòu)確定難度極大。由于鉆前的地震預(yù)測結(jié)果精度比較低，層位誤差比較大，所以目前廣泛使用隨鉆地層壓力監(jiān)測技術(shù)來實時了解鉆井各層位的壓力變化，同時可以根據(jù)這一系列的壓力變化調(diào)整鉆井液密度或者修改井身結(jié)構(gòu)設(shè)計［3-4］。樂東10區(qū)前期鉆探了3口探井，采用東方區(qū)地層壓力經(jīng)驗進行隨鉆監(jiān)測，但監(jiān)測結(jié)果誤差極大，3口井在鉆進目的層后頻繁出現(xiàn)井涌／井漏等復(fù)雜情況，導(dǎo)致提前完鉆而未實現(xiàn)地質(zhì)目的。因此，研究更加精細的地層壓力監(jiān)測技術(shù)是確保該區(qū)安全鉆進的關(guān)鍵。目前國內(nèi)外已開展大量相關(guān)研究［5-13］，但不論是地震法還是測井法對于地層壓力的預(yù)監(jiān)測的原理是類似的，一旦地層存在異常高壓（超壓），其孔隙度相對于正常壓力的地層孔隙度要高。反之，一旦某個地層的孔隙度變化超過了其正常的演化趨勢或者是偏離了其正常的趨勢線，就要注意這個現(xiàn)象是否預(yù)示著有超壓的存在。但是僅僅通過孔隙度的變化來預(yù)測超壓，實際上就默認了超壓的形成機制主要是欠壓實作用，無形中否定了其他因素引起的異常壓力情況，此外，也沒有考慮由異常高壓引起的參數(shù)變化在別的因素下也可導(dǎo)致同樣的變化，這都會引起壓力預(yù)監(jiān)測出現(xiàn)誤差。因此，針對樂東區(qū)隨鉆地層壓力監(jiān)測誤差大的現(xiàn)狀，首先深入分析了其地層超壓成因與東方區(qū)的差異，同時深入分析已有井資料，形成了適用于該區(qū)的隨鉆地層壓力監(jiān)測技術(shù)，地層壓力監(jiān)測準確率提高至98%以上，成功指導(dǎo)了后續(xù)一系列超高溫高壓井的成功鉆探，具有較好的推廣應(yīng)用價值。

1 樂東區(qū)地層超壓成因分析

地層超壓按照成因可分為欠壓實、流體膨脹、成巖作用、構(gòu)造擠壓、壓力傳遞5種類型，從原始沉積加載過程力學關(guān)系上可分為符合原始沉積加載機制、符合再次加載機制、符合卸載機制和孔隙度基本不變4種類型。當前主要有6種超壓成因判識方法［14］，包括測井曲線組合法、鮑爾斯法、聲波速度-密度交會圖法、孔隙度對比法、壓力計算反推法以及綜合分析法等，根據(jù)這些方法可形成判別地層超壓成因的綜合圖版，如圖1所示。圖2為樂東區(qū)已鉆探井測井曲線組合圖，可以看出該區(qū)地層埋深約在3 500 m以上時，隨深度增加，各井的聲波時差偏離正常趨勢增大，電阻率減小，密度顯著減小，地層超壓屬欠壓實成因。3 500 m以下聲波速度偏離正常趨勢線，密度減小或保持不變，電阻率規(guī)律不明顯，表現(xiàn)為非欠壓實成因。進一步利用該區(qū)有限資料繪制有效應(yīng)力-聲波與密度-聲波交會圖，如圖3所示，黃流組二段聲波速度發(fā)生反轉(zhuǎn)，同時密度也趨于無變化，地層超壓成因應(yīng)為傳導(dǎo)／流體膨脹成因。為判別識別的超壓成因是否正確，現(xiàn)場引入了實時甲烷碳同位素錄井技術(shù)，分析發(fā)現(xiàn)樂東區(qū)上部地層自生氣源同位素變化為-55.00‰～-52.66‰，平均值為-54.28‰，氣源類型為原油伴生氣，而下部地層超壓段同位素變化范圍為-39.72‰～-38.70‰，平均值為-39.26‰，氣源類型為油型氣-煤型氣?？紤]樂東區(qū)臨近底辟構(gòu)造，根據(jù)同位素的突增趨勢和氣源類型判斷可能有深層流體（他源高壓）進入，同時地層超高溫（＞200℃）進一步使地層流體膨脹，因此綜合判斷該區(qū)下部地層超壓成因為傳導(dǎo)／流體膨脹成因。

圖1 判識地層超壓成因的有效應(yīng)力-聲波速度-密度綜合分析圖版Fig.1 Formation overpressure judgment diagram based on the relationship of effective stress-acoustic velocity-density

圖2 樂東區(qū)已鉆探井測井曲線組合分析圖Fig.2 Comprehensive analysis chart of well logging curves obtained in Ledong

圖3 樂東區(qū)已鉆探井有效應(yīng)力-聲波與密度-聲波交會圖Fig.3 Intersection of effective stress-acoustic wave and density-acoustic wave of the drilled well in Ledong

2 地層壓力監(jiān)測參數(shù)分析

地層壓力監(jiān)測技術(shù)選用的主要參數(shù)包括聲波速度、電阻率、密度、孔隙度、Dc指數(shù)等，其中地層巖石傳導(dǎo)屬性參數(shù)為聲波速度、電阻率，體積屬性參數(shù)為密度與孔隙度。通過室內(nèi)實驗可以發(fā)現(xiàn)巖石傳導(dǎo)屬性比體積屬性對有效應(yīng)力更為敏感，加載過程中聲波速度、密度與電阻率均發(fā)生明顯變化，而卸載過程中變化較小，體積屬性（密度）較傳導(dǎo)屬性（聲波、電阻率）變化小。從力學成因上說，欠壓實成因超壓屬于加載型，而傳遞／流體膨脹型超壓屬于卸載型，地層超壓成因力學機制的不同可能是東方區(qū)地層壓力監(jiān)測經(jīng)驗不能用于樂東區(qū)的原因。

超壓主要通過改變孔喉進而改變測井參數(shù)的響應(yīng)特征［18］。由于欠壓實是對正常壓實的延緩或阻止，“存儲孔”與“連通孔”要大于同深度的正常壓實地層，因此體積屬性與傳導(dǎo)屬性的測井參數(shù)對欠壓實超壓都具有響應(yīng)，表現(xiàn)為高孔隙度、高聲波時差、低密度、低電阻率特征，采用這些參數(shù)進行壓力監(jiān)測精度較高。但對于流體膨脹型超壓而言，流體體積的快速增加使得相對靈活的“連通孔”打開，而剛性的“存儲孔”基本不變，因此僅傳導(dǎo)屬性參數(shù)對其具有響應(yīng)關(guān)系，而體積屬性參數(shù)則無明顯變化。隨著深度繼續(xù)增加，與正常壓實相比較，在深度剖面上常表現(xiàn)為：孔隙度、密度變化很小，而聲波時差、電阻率表現(xiàn)為聲波時差增加，電阻率減小。因此對于卸載型超壓采用聲波時差、電阻率作為監(jiān)測參數(shù)精度較高。但對于樂東區(qū)黃流組、梅山組兩套儲層而言，電阻率受地層流體及灰質(zhì)含量影響較大，為實現(xiàn)該區(qū)地層壓力的準確監(jiān)測，只能選擇聲波時差作為監(jiān)測參數(shù)。

3 地層壓力監(jiān)測模型分析

目前進行地層壓力監(jiān)測的主要方法包括等效深度法、經(jīng)驗系數(shù)法、Eaton法和Bowers法等。前3種方法是基于泥頁巖正常壓實趨勢線的方法，但其最適用于“不平衡壓實過程導(dǎo)致的地層欠壓實”高壓情況，都需要建立正常壓實趨勢線，且假定半對數(shù)坐標系中為直線，主要是經(jīng)驗或半經(jīng)驗?zāi)Ｐ停狈碚摶A(chǔ)。其中Eaton法是目前國內(nèi)外使用最普遍的方法，其表達式如式（1）所示，但最新的研究表明，Eaton指數(shù)具有超壓成因內(nèi)涵，值約為3時表征欠壓實，值約為6時表征流體膨脹或壓力傳遞，同時在馬來西亞Malay盆地流體膨脹型超壓儲層中也得到成功應(yīng)用，Eaton指數(shù)為6。

式（1）中：pp為地層孔隙壓力，MPa；pob為上覆巖層壓力，MPa；ph為正常的靜水壓力，MPa；Δtn為某深度泥頁巖正常趨勢線聲波時差，μs／m；Δto為給定深度實測泥頁巖地層聲波時差，μs／m；N為Eaton指數(shù)，無因次。

Bowers法系統(tǒng)考慮了欠壓實以及欠壓實以外的其他成壓機制，采用垂直有效應(yīng)力與聲波速度之間的原始加載及卸載曲線方程直接計算垂直有效應(yīng)力，利用有效應(yīng)力定理確定孔隙壓力，因此不需要建立正常趨勢線，其加載曲線方程為

式（2）中：V為聲波速度，m／s；σev為垂直有效應(yīng)力，MPa；V0、A、B為模型參數(shù)，由鄰井（V，σev）數(shù)據(jù)（σev由實測地層壓力或正常壓實段數(shù)據(jù)獲得）回歸求得。

卸載曲線方程為

式（3）、（4）中：σmax為卸載開始時的最大垂直有效應(yīng)力，MPa；Vmax為卸載開始時的最大聲波速度，m／s；U為泥頁巖彈塑性系數(shù)，無因次。

但對于Bowers法而言，參數(shù)A、B、U的確定復(fù)雜，難度較大，進而導(dǎo)致應(yīng)用較為困難。利用已鉆井資料，分析認為在Eaton指數(shù)N為6、聲波時差作為監(jiān)測參數(shù)時能夠準確計算黃流組、梅山組2套儲層地層壓力。利用樂東區(qū)已鉆井MDT測壓資料，使用2種方法進行了監(jiān)測結(jié)果的對比，如圖4所示。由于Bowers法在參數(shù)選取上難度較大，總體而言2種方法監(jiān)測結(jié)果基本一致，部分井Bowers法的計算結(jié)果誤差比Eaton法大。

圖4 卸載型超壓不同方法監(jiān)測誤差對比圖Fig.4 Comparison of monitoring errors of different unloading overpressure methods

4 現(xiàn)場應(yīng)用

選用準確的地層壓力監(jiān)測模型與參數(shù)對于解決樂東區(qū)安全鉆探的問題是不夠的，還需要解決儲層內(nèi)多砂體存在壓力臺階的問題，為此，提出利用隨鉆聲波準確標定地層層位，在到達目的層頂部前進行中途VSP測井，反演地層層速度資料，同時運用隨鉆聲波對反演結(jié)果進行約束，實現(xiàn)準確預(yù)測鉆頭前地層界面以及預(yù)測鉆頭前方地層壓力，實現(xiàn)地層壓力界面的精細分析，指導(dǎo)套管合理下深。

樂東X井是樂東10區(qū)第4口超高溫超高壓井，該井鉆至3 834 m進行中途VSP測井。利用上部隨鉆聲波資料約束中途VSP反演結(jié)果，得到了下部地層的速度資料，結(jié)合優(yōu)選的壓力監(jiān)測參數(shù)與模型預(yù)測鉆頭前地層壓力變化情況為：①3 834～4 010 m左右壓力系數(shù)將從當前的1.55上升至1.93；②4 010～4 060 m左右地層壓力系數(shù)先從1.93降至1.65，然后迅速反轉(zhuǎn)上升；③4 100 m后地層壓力整體抬升至2.03。該井鉆探成功后進行了MDT測壓，測壓結(jié)果表明：3 915 m處地層壓力系數(shù)為1.88，4 008 m處地層壓力系數(shù)為1.95，4 048 m處地層壓力系數(shù)為1.66，與預(yù)測結(jié)果一致。

截至目前，在前期樂東10區(qū)多口探井鉆探失利的基礎(chǔ)上，新技術(shù)成功指導(dǎo)后期8口超高溫高壓探井的成功鉆探，地層壓力監(jiān)測水平大幅提高，區(qū)域內(nèi)監(jiān)測精度在98%以上，有力支持了該區(qū)鉆井作業(yè)的安全進行。

5 結(jié)論

1）鶯瓊盆地樂東區(qū)深部地層超壓成因為流體膨脹／傳導(dǎo)型超壓、力學卸載型超壓，超壓成因的差異是欠壓實地層壓力監(jiān)測技術(shù)不能用于該區(qū)的原因。

2）卸載型超壓最優(yōu)監(jiān)測參數(shù)為聲波時差與電阻率，但受儲層流體及灰質(zhì)含量影響，樂東區(qū)深部超壓段電阻率無法準確反應(yīng)地層壓力變化，只能利用聲波時差進行地層壓力監(jiān)測。

3）利用隨鉆聲波準確標定地層層位，在到達目的層頂部前進行中途VSP測井，反演地層速度資料，同時運用隨鉆聲波對反演結(jié)果進行約束，根據(jù)地層超壓類型選擇相應(yīng)的地層壓力監(jiān)測模型與參數(shù)，可實現(xiàn)鉆頭前方地層壓力界面的精細分析。