地層壓力監(jiān)測(cè)方法改進(jìn)及在鉆井中的應(yīng)用

楊天方 ， 薛曉軍 ，付聯(lián)名

1中國(guó)石油大學(xué)（北京）克拉瑪依校區(qū) 2中國(guó)石油西部鉆探地質(zhì)研究院3 中國(guó)石油新疆油田分公司

0 引言

準(zhǔn)噶爾盆地在形成過(guò)程中受構(gòu)造、沉積、巖性等多重因素影響，普遍存在異常高壓，縱向上主要存在三個(gè)高壓系統(tǒng)，上部超壓系統(tǒng)（發(fā)育在新生界和白堊系）、中部超壓系統(tǒng)（發(fā)育在侏羅系）和下部超壓系統(tǒng)（發(fā)育在三疊系及以下層位）［1-2］。盆地異常地層孔隙壓力的廣泛存在，給油氣勘探、開(kāi)發(fā)帶來(lái)了很大的困難，如何準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)的掌握地層孔隙壓力是鉆井安全［3-4］的首要關(guān)注問(wèn)題。

1 地層壓力監(jiān)測(cè)方法的改進(jìn)

目前地層孔隙壓力監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)方法還存在著精度不夠高、適應(yīng)面不廣的缺陷［5-7］。地層孔隙壓力監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展，一方面要適應(yīng)復(fù)雜多樣的地質(zhì)環(huán)境和新的鉆井工藝技術(shù)要求；另一方面還要將傳統(tǒng)方法不斷完善，在理論機(jī)理和技術(shù)方法方面加強(qiáng)研究。dc指數(shù)法在準(zhǔn)噶爾盆地已得到廣泛應(yīng)用，通過(guò)將dc指數(shù)法與測(cè)井資料的結(jié)合［8］，確定監(jiān)測(cè)地層孔隙壓力模型及其參數(shù)，以期提高對(duì)孔隙壓力監(jiān)測(cè)精度。

1. 1 隨鉆測(cè)井監(jiān)測(cè)孔隙壓力方法及其修正

計(jì)算地層孔隙壓力模型有正常趨勢(shì)線伊頓（Eaton）法、簡(jiǎn)易方法。Eaton［9］建立地層孔隙壓力與測(cè)井參數(shù)間的關(guān)系式如下：

式中: Gp—地層孔隙壓力梯度當(dāng)量密度，g/cm3；Go—為上覆巖層壓力梯度當(dāng)量密度，g/cm3；Gh—h處的有效垂直壓力梯度當(dāng)量密度，g/cm3；m—區(qū)域地層系數(shù)；k—實(shí)際測(cè)井參數(shù)（聲波、電阻率等）；kn—趨勢(shì)線上的測(cè)井參數(shù)值。

利用密度測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)可計(jì)算出實(shí)際的上覆巖層壓力梯度。在計(jì)算上覆巖層壓力梯度的過(guò)程中，為了計(jì)算結(jié)果精確，需要對(duì)密度測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步校正。

利用簡(jiǎn)易方法描述泥質(zhì)沉積物的聲波速度與垂直有效應(yīng)力的函數(shù)關(guān)系：

式中：V—聲波速度，m/s；σv—垂直有效應(yīng)力，MPa；a、b、c、d—模型的曲線回歸系數(shù)。

通過(guò)該模型可利用聲波速度確定正常壓實(shí)或欠壓實(shí)泥巖地層的垂直有效應(yīng)力，再利用Terzaghi線性方程［10］計(jì)算地層孔隙壓力，建立聲波速度與地層孔隙壓力的關(guān)系模型，從而用聲波速度測(cè)井資料檢測(cè)地層孔隙壓力。

1. 2 上覆巖層壓力梯度計(jì)算及外推計(jì)算

利用處理過(guò)的密度測(cè)井深度數(shù)據(jù)直接插值可求得上覆巖層壓力梯度［11-12］。

在測(cè)井過(guò)程中，由于技術(shù)限制不能獲得深部或淺部的上覆巖層壓力梯度數(shù)據(jù)。經(jīng)研究，提出了式（3），可獲得較好的外推計(jì)算效果：

式中：Go—某一深度的上覆巖層壓力梯度當(dāng)量密度，g/cm3；h—深度，m；a、b、c、d—該模型的曲線回歸系數(shù)。

1. 2. 1 基于錄井資料的孔隙壓力監(jiān)測(cè)方法

在錄井現(xiàn)場(chǎng)，利用dc指數(shù)法對(duì)地層孔隙壓力的監(jiān)測(cè)過(guò)程中，監(jiān)測(cè)結(jié)果受到多種因素的影響。通過(guò)對(duì)鉆頭磨損及壓差的修正，提高dc指數(shù)法監(jiān)測(cè)結(jié)果的精度。

（1） dc指數(shù)法監(jiān)測(cè)地層孔隙壓力。

當(dāng)鉆進(jìn)異常高壓地層時(shí)，由于高壓地層欠壓實(shí)，孔隙度增大，機(jī)械鉆速相應(yīng)地升高。假設(shè)鉆井條件（鉆井水力因素和鉆頭類(lèi)型）和巖性不變（泥巖為軟地層），可得到d指數(shù)方程。

d指數(shù)法的前提就是保證鉆井液密度不變，但在鉆井過(guò)程中難以做到。為了消除鉆井液密度的影響，提出了修正d指數(shù)，即dc指數(shù)。

式中：ρn—正常壓力段地層流體密度，g/cm3；

ρo—實(shí)際使用的鉆井液密度，g/cm3。

通過(guò)伊頓建立的地層孔隙壓力與dc指數(shù)的換算公式可計(jì)算出地層孔隙壓力值［12］。

傳統(tǒng)dc指數(shù)計(jì)算模型中已考慮機(jī)械鉆速、鉆壓、鉆頭尺寸、轉(zhuǎn)速、鉆井液密度等因素，但是對(duì)鉆頭的磨損、壓差等未充分考慮。

（2）鉆頭磨損修正。

不同類(lèi)型鉆頭的磨損［13-14］對(duì)dc指數(shù)計(jì)算的影響也不相同。對(duì)牙輪銑齒鉆頭來(lái)講，采用Bourgoyne和Young［12］試驗(yàn)數(shù)據(jù)提出的鉆速與磨損之間的簡(jiǎn)單關(guān)系式來(lái)進(jìn)行修正鉆速：

式中：vROP—機(jī)械鉆速，m/h； K—與鉆頭、鉆井液有關(guān)的常數(shù)； r—鉆頭磨損量；a7—與鉆頭類(lèi)型相關(guān)的一個(gè)指數(shù)，與鉆頭IADC編碼相關(guān)。

通過(guò)對(duì)牙輪鑲齒鉆頭磨損與鉆速關(guān)系的分析，Galle和Woods［15］建立了一個(gè)近似的鉆頭磨損方程。（3）壓差的修正。

對(duì)于正常壓力地層d指數(shù)與井深和壓差的修正規(guī)律可從現(xiàn)有的鉆井模式中推導(dǎo)得出。對(duì)Bourgoyne和Young［12］鉆速模式的修正已從鉆速系數(shù)中分離出壓差的影響系數(shù)：

式中：m—壓差影響系數(shù)；Δp—壓差，MPa；Db—鉆頭直徑，mm；W—鉆壓，kN；d'—由壓差影響系數(shù)折算出的鉆壓指數(shù)。

通過(guò)統(tǒng)計(jì)規(guī)律，可將d'與指數(shù)d合并可建立正常壓力的趨勢(shì)線方程dn：

式中：h—井深，m；ρm—實(shí)際鉆井液密度，g/cm3；ρf—地層孔隙壓力等效密度，g/cm3； A'、B'、C'—方程系數(shù)。

利用諾瑪納公式［12］與式（7）可得：

通過(guò)以上計(jì)算即可用地層孔隙壓力等效密度來(lái)代表經(jīng)過(guò)壓差修正的地層孔隙壓力梯度。

2 應(yīng)用實(shí)例

2. 1 SM井區(qū)

該井區(qū)鉆探目的主要是探索卡因迪克—沙灣凹陷白堊系清水河組底部超覆尖滅帶白堊系低位域三角洲河道砂體。該井區(qū)通過(guò)聯(lián)井對(duì)比分析，利用修正后的dc方法監(jiān)測(cè)地層壓力結(jié)果，得到SM井區(qū)各井dc指數(shù)趨勢(shì)線的斜率（見(jiàn)表1）。經(jīng)綜合分析，確定沙門(mén)井區(qū)dc指數(shù)法趨勢(shì)線斜率為0.000 14。

表1 SM井區(qū)已鉆井dc指數(shù)趨勢(shì)線斜率分布表

將SM井區(qū)dc指數(shù)相關(guān)參數(shù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果應(yīng)用到SM011井的地層壓力監(jiān)測(cè)中，確定該井的dc指數(shù)趨勢(shì)線斜率為0.000 14，可利用該趨勢(shì)線回歸計(jì)算地層壓力系數(shù)。SM011井自清水河組中部至三疊系為異常高壓地層，實(shí)測(cè)該井4 960.00 ～4 608.00 m的地層孔隙壓力計(jì)算其系數(shù)為1.64。

鉆揭該段地層時(shí)，選用的鉆頭直徑為215.9 mm，實(shí)際使用的鉆井液密度為1.34 ～ 1.74 g/cm3，利用線性趨勢(shì)線回歸該井段地層壓力系數(shù)為1.55，與實(shí)測(cè)誤差為0.09；修正后的dc指數(shù)法監(jiān)測(cè)該段的地層孔隙壓力梯度當(dāng)量密度利用式（8）計(jì)算結(jié)果為1.61 g/cm3（見(jiàn)圖1）（與地層壓力系數(shù)相當(dāng)），與實(shí)測(cè)值誤差為0.03。

圖1 SM011井地層壓力剖面

本井在井深4 540.9 m之前，使用鉆井液密度1.49 ～ 1.58 g/cm3，鉆井過(guò)程中實(shí)時(shí)氣測(cè)，后放氣，單根氣效應(yīng)明顯，鉆至井深4 540.9 m時(shí)發(fā)生油氣侵，并伴有溢流出現(xiàn)。利用改進(jìn)后的地層壓力監(jiān)測(cè)方法后，現(xiàn)場(chǎng)將鉆井液密度由1.58 g/cm3上調(diào)至1.72 g/cm3。本井在4 540.9 m多次發(fā)生溢流，通過(guò)精確監(jiān)測(cè)地層壓力變化，安全高效完成鉆井作業(yè)。通過(guò)以上應(yīng)用表明，經(jīng)過(guò)修正的dc指數(shù)方法計(jì)算的地層孔隙壓力值與實(shí)測(cè)值的誤差進(jìn)一步減小，更接近實(shí)際的地層孔隙壓力。

2. 2 MS1井

MS1井鄰井鉆探資料表明該區(qū)地層壓力系統(tǒng)復(fù)雜，正常壓實(shí)、壓力過(guò)渡帶、高壓和超高壓并存，地層壓力跨度大，給井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化和鉆井液密度的合理使用帶來(lái)諸多困難。

參照MS1中完測(cè)井聲波速度趨勢(shì)線的分析，根據(jù)密度測(cè)井及Terzaghi方程確定MS1井聲波速度與地層孔隙壓力的計(jì)算模型。

侏羅系以下地層：

式中：V—聲波速度，m/s；Pe—地層孔隙壓力梯度當(dāng)量密度，g/cm3。

在圖2中，梯度值均以當(dāng)量密度單位換算。侏羅系三工河組4 470 m地層進(jìn)入異常高壓區(qū)。進(jìn)入高壓區(qū)后，地層壓力系數(shù)逐漸增至1.90，5 300 ～6 360 m為超高壓地層，地層壓力系數(shù)最高至2.10。由于井段6 300 ～ 7 500 m壓力系數(shù)略微降低，在1.85 ～ 1.93之間變化。

圖2 MS1井地壓力監(jiān)測(cè)層壓力

7 134 ～ 7 160 m處的壓力系數(shù)實(shí)測(cè)值為1.89，利用式（9）計(jì)算模型得到的壓力系數(shù)為1.88。利用線性回歸計(jì)算的dc指數(shù)法監(jiān)測(cè)壓力系數(shù)為1.83，修正后的dc指數(shù)法監(jiān)測(cè)該段的地層孔隙壓力梯度當(dāng)量密度利用式（8）計(jì)算結(jié)果為1.87 g/cm3，表明修正后的dc方法監(jiān)測(cè)精度較高。鉆揭該段地層時(shí)，實(shí)際使用的鉆井液密度為1.62 ～ 1.78 g/cm3?？紤]dc指數(shù)監(jiān)測(cè)結(jié)果，最終確定該段使用鉆井液密度為1.75 ～ 1.90 g/cm3。

3 結(jié)論和認(rèn)識(shí)

（1）在欠壓實(shí)地區(qū)，對(duì)dc指數(shù)監(jiān)測(cè)地層壓力方法中的鉆頭磨損、壓差因素的修正，結(jié)合區(qū)域趨勢(shì)線和上覆巖層壓力計(jì)算模型方法，能夠提高dc方法地層壓力監(jiān)測(cè)的精確度。

（2）對(duì)壓力系統(tǒng)比較復(fù)雜的地層系統(tǒng)，利用測(cè)井資料建立的聲波時(shí)差與地層壓力計(jì)算模型與經(jīng)修正的dc指數(shù)比較而言，該計(jì)算模型較精確。