南海深水海域高溫高壓地層破裂壓力預(yù)測模型

謝靜，吳惠梅，樓一珊，翟曉鵬

（長江大學(xué)石油工程學(xué)院，湖北 武漢 430100）

隨著我國油氣勘探由陸地向海洋逐漸推進(jìn)，南海北部海域已成為油氣勘探的主要區(qū)域。其中，瓊東南盆地是該區(qū)域重要的高溫高壓含油氣盆地［1］。對于深水海域鉆井，地層破裂壓力預(yù)測模型不僅可以用來預(yù)測鉆井液安全密度窗口，還能預(yù)防井漏、井噴、井塌等事故的發(fā)生。目前，現(xiàn)有的傳統(tǒng)地層破裂壓力預(yù)測模型均未考慮巖石抗拉強(qiáng)度的影響，而是將巖石抗拉強(qiáng)度視為定值。但大量地質(zhì)資料顯示，巖石力學(xué)性質(zhì)會隨著巖石埋藏深度的變化而發(fā)生明顯變化［2-4］。目前，淺層巖石強(qiáng)度理論是以摩爾-庫侖準(zhǔn)則為代表的線性破壞準(zhǔn)則；深層巖石在高地應(yīng)力環(huán)境下多采用非線性強(qiáng)度準(zhǔn)則，如Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則［5-6］。南海深水環(huán)境下的深部地層處于高溫高壓狀態(tài)，與常規(guī)的陸地或淺水地層相比，深水環(huán)境的砂泥巖抗拉強(qiáng)度隨著深度的增大不再呈明顯的線性正相關(guān)關(guān)系［7-10］?？傊?，傳統(tǒng)深水海域地層破裂壓力預(yù)測模型都有其各自的局限性。為了更精準(zhǔn)地預(yù)測地層破裂壓力，本文在傳統(tǒng)模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合巴西劈裂實驗（獲取巖石抗拉強(qiáng)度）結(jié)果，提出并建立了一種新的考慮砂泥巖抗拉強(qiáng)度的深水海域地層破裂壓力預(yù)測模型，該模型比傳統(tǒng)模型預(yù)測破裂壓力的精度高，對深水海域鉆井具有一定的指導(dǎo)作用。

1 實驗

1.1 試樣

實驗巖樣取自南海北部潿洲12-2油田WZ12-X區(qū)塊流砂港組砂泥巖地層。操作規(guī)程參照GB/T 50266—1999《工程巖體試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》。室內(nèi)將巖樣加工成直徑50 mm、高40 mm的標(biāo)準(zhǔn)試樣，共8個。

1.2 儀器及設(shè)備

采用TAW-2000微機(jī)控制電液伺服巖石三軸實驗機(jī)進(jìn)行巴西劈裂實驗，主要裝置由軸向加壓系統(tǒng)、加溫恒溫系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)3個部分組成。

1.3 步驟

首先，用巖石聲波儀測試各巖樣的縱波速度，篩選出縱波速度相近的8個試樣，測量試樣的直徑及高度；然后，對每個試樣以30℃/min的升溫速率加溫至實驗溫度（分 25，40，60，80，100，140，180，200 ℃ 等 8 個等級），保持恒溫5 h，以確保試樣內(nèi)外溫度均勻，再放置爐內(nèi)，冷卻12 h至常溫；最后，再加熱至實驗溫度，通過巴西劈裂實驗測試每個試樣的抗拉強(qiáng)度。

1.4 結(jié)果分析

由圖1可以看出：溫度在25～40℃時，擬合曲線增幅較小，砂泥巖抗拉強(qiáng)度變化只有0.3 MPa；溫度在40～80℃時，擬合曲線增幅較大，溫度與巖石抗拉強(qiáng)度呈單調(diào)遞增拋物線關(guān)系，隨著溫度升高，當(dāng)溫度為80℃時，巖石抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大，然后開始降低；溫度在80～140℃時，砂泥巖抗拉強(qiáng)度與溫度之間呈單調(diào)遞減拋物線關(guān)系；溫度在140～200℃時，擬合曲線較平緩，砂泥巖抗拉強(qiáng)度變化很小，基本保持在1.1 MPa左右。

圖1 砂泥巖抗拉強(qiáng)度隨溫度的變化

實驗結(jié)果表明，在不同溫度下，砂泥巖抗拉強(qiáng)度會發(fā)生變化。引起砂泥巖抗拉強(qiáng)度增大的主要原因是：在高溫作用下，砂泥巖孔隙度變大，在熱應(yīng)力作用下，大的孔隙結(jié)構(gòu)可以阻止裂紋擴(kuò)展，起到容納變形的作用，使得巖石產(chǎn)生的裂紋相對減少，從而提高砂泥巖的抗拉強(qiáng)度。引起砂泥巖抗拉強(qiáng)度降低的主要原因是：隨著溫度的升高，砂泥巖內(nèi)部水分流失，巖石孔隙度增大，使得抗拉強(qiáng)度降低；在高溫環(huán)境下，砂泥巖中的各類礦物顆粒熱膨脹系數(shù)不同，顆粒間相互約束，變形大的顆粒被壓縮，而變形小的被拉伸。砂泥巖的抗拉能力不如抗壓能力，所以礦物顆粒之間的交界處會產(chǎn)生新裂紋，從而導(dǎo)致砂泥巖抗拉強(qiáng)度降低?？傊诟邷丨h(huán)境下，砂泥巖抗拉強(qiáng)度會隨溫度的升高，先升高、再降低，最后趨于穩(wěn)定。砂泥巖破壞強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度呈線性正相關(guān)關(guān)系（見圖2）。

圖2 砂泥巖破壞強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度的關(guān)系

2 模型建立

2.1 傳統(tǒng)模型

通過調(diào)研國內(nèi)外地層破裂壓力預(yù)測模型發(fā)現(xiàn)，用于深水海域鉆井的地層破裂壓力預(yù)測模型主要有5個，它們均未考慮巖石抗拉強(qiáng)度的影響（見表1）。表中pf為地層破裂壓力，MPa；pp為地層孔隙壓力，MPa；p0為上覆巖層壓力，MPa；ν為泊松比；β為地層構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)；α為畢奧特系數(shù)；Kss為構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)；Srt為巖石抗壓強(qiáng)度，MPa；c為常數(shù)，取值為 1/2～1/3。

表1 傳統(tǒng)地層破裂壓力預(yù)測模型統(tǒng)計

2.2 巖石抗拉強(qiáng)度計算

南海瓊東南盆地L-X區(qū)塊深部地層以砂泥巖為主，利用該區(qū)聲波測井資料可計算出砂泥巖的抗拉強(qiáng)度。根據(jù)縱波速度和橫波速度（由縱波速度估算），可計算出動態(tài)彈性模量Ed及動態(tài)泊松比νd：

式中：ρ為巖石密度，g/cm3；υp為縱波速度，m/s；υs為橫波速度，m/s。

利用自然伽馬測井資料，采用相對值法［13］計算泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù) φcl，并根據(jù)大量室內(nèi)實驗資料［14-15］，擬合砂泥巖抗壓強(qiáng)度Ssc與Ed，φcl之間的關(guān)系為

根據(jù)抗拉系數(shù)k（取值在0.10～0.25），計算出砂泥巖抗拉強(qiáng)度St，計算公式為

2.3 巖石抗拉強(qiáng)度與地層深度的關(guān)系

由式（2）、（3）計算得到的深水區(qū)域巖石抗拉強(qiáng)度發(fā)現(xiàn)，地層深度在1 500～5 000 m時，巖石抗拉強(qiáng)度與地層深度呈對數(shù)關(guān)系（見圖3），不同于常規(guī)的線性正相關(guān)關(guān)系。結(jié)合實驗分析認(rèn)為：巖石抗拉強(qiáng)度受地層深度的影響，主要體現(xiàn)在巖石變形性質(zhì)、強(qiáng)度特性及破壞特征等方面。隨著地層深度的增大，巖石圍壓不斷升高，導(dǎo)致巖石出現(xiàn)脆性—延性的轉(zhuǎn)化，使得巖石變形性質(zhì)發(fā)生了改變。因此，地層深度在1 500～5 000 m時，巖石抗拉強(qiáng)度受深度影響而發(fā)生明顯變形。

圖3 L-X區(qū)塊深部地層巖石抗拉強(qiáng)度與地層深度的關(guān)系

2.4 深水海域地層破裂壓力預(yù)測模型

針對深水海域鉆井，傳統(tǒng)地層破裂壓力預(yù)測模型均未考慮砂泥巖抗拉強(qiáng)度。筆者基于Anderson模型，提出了預(yù)測深水海域地層破裂壓力時應(yīng)考慮砂泥巖抗拉強(qiáng)度的影響，并建立了新的深水海域地層破裂壓力預(yù)測模型，即：

式中：H為地層深度，m；ψ為地層深度影響系數(shù)。

ψ與地層深度的關(guān)系曲線見圖4。

圖4 L-X區(qū)塊深部地層深度影響系數(shù)與地層深度的關(guān)系

新模型綜合考慮了砂泥巖抗拉強(qiáng)度的影響，對傳統(tǒng)模型在深水海域地層的應(yīng)用進(jìn)行了補(bǔ)充。傳統(tǒng)模型是基于最小地層破裂壓力等于地應(yīng)力，最大地層破裂壓力等于上覆巖層壓力來推導(dǎo)的。但在深水海域鉆井，通常巖石會處于高溫高壓狀態(tài)，實際破裂壓力會大于地層壓力。在高溫環(huán)境下，砂泥巖孔隙度很大，由于熱應(yīng)力的影響，大的孔隙結(jié)構(gòu)將阻止裂紋擴(kuò)展，砂泥巖抗拉強(qiáng)度增大。隨著地層埋深的加大，砂泥巖抗拉強(qiáng)度隨著溫度與壓力的變化而變化，當(dāng)溫度在140～200℃時，砂泥巖抗拉強(qiáng)度趨于穩(wěn)定?？傊?，地層破裂壓力的大小與巖石抗拉強(qiáng)度密不可分。

3 模型應(yīng)用

瓊東南盆地位于南海北部大陸邊緣，水深介于300～3 000 m，是新生代形成的斷陷盆地，其地質(zhì)條件復(fù)雜，受復(fù)雜斷塊、巖性突變及構(gòu)造運(yùn)動等因素的影響，異常壓力帶分布規(guī)律性不明顯。盆地邊緣異常壓力帶較少，異常高壓地層埋藏較深；而往盆地中央異常壓力帶增多，異常高壓地層埋藏變淺，異常壓力地層的頂部起伏較大，且壓力過渡帶不明顯，壓力系數(shù)突然增大的現(xiàn)象較為普遍［16-19］。目前常用的地層破裂壓力預(yù)測方法都存在一定的局限性，預(yù)測和實測結(jié)果差別較大。在淺水區(qū)域，實際資料證實了傳統(tǒng)模型預(yù)測鉆前地層破裂壓力的精度較高，但只考慮了地層速度與正常壓實趨勢的差異性，還需用壓實趨勢進(jìn)行地層破裂壓力校正。對于深水海域高溫高壓區(qū)域，特別是異常高壓層段尤其不適用。

基于此，采用本文建立的新模型，對L-X井目的層（樂東組—梅山組）進(jìn)行了地層破裂壓力預(yù)測［20-24］。該井位于瓊東南盆地陵水S構(gòu)造中部，所在目標(biāo)區(qū)底辟構(gòu)造及微裂隙發(fā)育，可以有效溝通烴源巖和深淺部目的層，具有垂向近源運(yùn)移的有利條件［25-29］。

3.1 地層孔隙壓力與地應(yīng)力計算

利用Eaton模型對L-X區(qū)塊地層孔隙壓力及地應(yīng)力當(dāng)量密度（表征地層破裂壓力的參數(shù)）進(jìn)行了計算（見表 2）。

表2 L-X區(qū)塊地層孔隙壓力與地應(yīng)力當(dāng)量密度

計算結(jié)果顯示，該區(qū)L-X井處于高壓系統(tǒng)，地層孔隙壓力當(dāng)量密度分布在1.031～1.992 g/cm3。應(yīng)用經(jīng)驗分層地應(yīng)力模型計算得到，L-X區(qū)塊上覆巖層壓力當(dāng)量密度分布在1.033～2.011 g/cm3，最大水平主應(yīng)力當(dāng)量密度分布在1.011～1.985 g/cm3，最小水平主應(yīng)力當(dāng)量密度分布在0.989～1.939 g/cm3。

3.2 地層破裂壓力預(yù)測

根據(jù)表2中的數(shù)據(jù)，采用傳統(tǒng)地層破裂壓力預(yù)測模型和新模型，對L-X井地層破裂壓力當(dāng)量密度進(jìn)行了預(yù)測；然后繪制出L-X井地層破裂壓力預(yù)測結(jié)果對比圖（見圖5），并結(jié)合實測資料，對模型預(yù)測結(jié)果進(jìn)行了誤差分析（見表3）。

圖5 L-X井模型預(yù)測結(jié)果對比

表3 L-X井模型預(yù)測誤差分析

由圖5、表3可知：1）模型預(yù)測結(jié)果與實測值之間均存在一定的誤差，尤其是Eaton模型、Hubbert-Willis模型及黃氏模型，預(yù)測值誤差都有大于10%的，不能滿足實際工程的需求，傳統(tǒng)模型中Anderson模型和Stephen模型預(yù)測結(jié)果相對準(zhǔn)確，誤差均值在4.0%以內(nèi)，而本文模型預(yù)測結(jié)果誤差在0.54%～0.98%，平均值為0.7%，預(yù)測效果最佳。2）深水海域鉆井過程中，本文模型預(yù)測的地層破裂壓力最為準(zhǔn)確，尤其是對圖5中第3個實測點(diǎn)（井深4 209.90 m）的預(yù)測，傳統(tǒng)模型沒有考慮巖石抗拉強(qiáng)度受深度影響，所以預(yù)測值都偏小。針對L-X區(qū)塊及鄰近區(qū)域進(jìn)行地層破裂壓力預(yù)測時，可借鑒本文模型。

4 結(jié)論

1）在高溫高壓環(huán)境下，巖石抗拉強(qiáng)度隨溫度的升高，先升高、再降低，最后趨于穩(wěn)定；地層破裂壓力與砂泥巖抗拉強(qiáng)度呈線性正相關(guān)。因此，針對深水海域鉆井，選用地層破裂壓力預(yù)測模型時需考慮高溫作用對巖石抗拉強(qiáng)度的影響。

2）本文建立了考慮抗拉強(qiáng)度的地層破裂壓力預(yù)測模型，且能夠滿足深水海域鉆井的需求。傳統(tǒng)模型中只有Anderson模型和Stephen模型預(yù)測結(jié)果相對準(zhǔn)確，與實測值平均誤差在4.0%以內(nèi)。本文模型預(yù)測的平均誤差只有0.7%，更符合實際工程需求。

3）針對深水海域鉆井，傳統(tǒng)地層破裂壓力預(yù)測模型均未考慮巖石抗拉強(qiáng)度的影響，而本文模型考慮了砂泥巖的抗拉強(qiáng)度，并發(fā)現(xiàn)深水海域地層砂泥巖抗拉強(qiáng)度與地層深度呈對數(shù)關(guān)系，驗證了深水海域高溫高壓環(huán)境下考慮砂泥巖抗拉強(qiáng)度是符合實際的。