北極永凍區(qū)鉆井地層壓力預(yù)測方法

范西哲 李 曉 吳永川 張居貴 樓一珊 劉善勇 朱 亮

1. 中海油田服務(wù)股份有限公司鉆井事業(yè)部 2.長江大學(xué)石油工程學(xué)院3. 陜西省油氣井及儲層滲流與巖石力學(xué)重點實驗室 4. 長江大學(xué)錄井技術(shù)與工程研究院

0 引言

北極地區(qū)油氣資源潛力巨大，據(jù)統(tǒng)計該地區(qū)已探明原油儲量約400×108m3，天然氣儲量約80×1012m3，石油和天然氣儲量分別占全球總儲量的13%和30%[1-3]。然而，由于北極地區(qū)常年處于低溫環(huán)境、自然條件非常惡劣、基礎(chǔ)設(shè)施相對匱乏、生態(tài)環(huán)境極為敏感、對環(huán)境保護(hù)要求嚴(yán)苛，造成極地鉆井施工難度大，作業(yè)成本和風(fēng)險高，在北極進(jìn)行石油鉆探面臨巨大挑戰(zhàn)[4-5]?，F(xiàn)階段，僅有美國、俄羅斯和挪威等少數(shù)國家有極地鉆井作業(yè)的經(jīng)驗，相關(guān)基礎(chǔ)理論和工程技術(shù)尚不成熟[6-7]。北極海域地層廣泛分布凍土層和天然氣水合物，鉆井過程中由于切削摩擦以及鉆井液與地層間的熱交換，使得凍土融化、水合物分解，造成地層欠壓實，承載力低，安全密度窗口窄，易發(fā)生井壁失穩(wěn)、井漏等井下故障。

準(zhǔn)確預(yù)測地層壓力，對于套管程序設(shè)計、安全鉆井液密度確定以及減少油層污染等方面都具有很大的經(jīng)濟(jì)價值和科學(xué)意義[8-9]。關(guān)于地層壓力的預(yù)測方法，國內(nèi)外學(xué)者開展了大量研究，Eaton[10]采用電阻率、dc指數(shù)和聲波時差等參數(shù)，建立了依賴正常壓實曲線的壓力預(yù)測模型。Fillippone[11]基于流體速度和巖石骨架速度的關(guān)系開展了孔隙壓力預(yù)測方法的研究。Bowers[12]根據(jù)聲波時差和地層密度的變化規(guī)律，提出了由加載和卸載過程產(chǎn)生的異常壓力確定方法，樊洪海等[13]綜合考慮孔隙度、泥質(zhì)含量和有效應(yīng)力的影響，建立砂巖地層聲波速度經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，程遠(yuǎn)方等[14]通過室內(nèi)試驗確定了碳酸鹽巖地層有效應(yīng)力與縱波速度的關(guān)系，并以有效應(yīng)力原理為基礎(chǔ)，提出了裂縫發(fā)育地層孔隙壓力預(yù)測模型。上述研究成果中對于正常趨勢線和經(jīng)驗參數(shù)的選擇有較大的人為主觀性，需對區(qū)塊地質(zhì)特征有較深的認(rèn)識。目前，極地鉆井理論與技術(shù)還處于起步階段，俄羅斯、挪威和美國等國家主要開展極地鉆井裝備的研發(fā)[9]，鮮有關(guān)于極地鉆井理論的相關(guān)文獻(xiàn)資料。為此，以北極喀拉海海域冰層為工程背景，通過調(diào)研大量文獻(xiàn)并結(jié)合前期鉆井資料，分析了研究區(qū)塊構(gòu)造和沉積特征，以Eaton法為基礎(chǔ)，考慮密度變化與聲波偏量的關(guān)系，計算了該地區(qū)孔隙壓力，建立了該區(qū)塊三壓力剖面，研究結(jié)果旨在了解北極永凍層地層壓力系統(tǒng)，為日后在該地區(qū)進(jìn)行極地深海鉆井提供借鑒。

1 研究地區(qū)地質(zhì)特征

1.1 喀拉海海域構(gòu)造特征

喀拉海海域是西伯利亞盆地向北冰洋延伸的一部分，位于新地島東部，面積約88×104km2（圖1），研究海域平均海水深度為118 m，最深處為620 m，從巴倫支海地區(qū)主要構(gòu)造單元分布圖及構(gòu)造剖面圖可以看出，新地島皺褶系判斷為走滑斷層，喀拉海海域3個主應(yīng)力關(guān)系為：最大水平主應(yīng)力＞上覆巖層壓力＞最小水平主應(yīng)力。

圖1 喀拉海海域位置圖

1.2 喀拉海海域沉積特征

目標(biāo)區(qū)塊主要蓋層是中新生界，主力含油氣層系為侏羅系和白堊系（表1）。

表1 R(ED)-1井鉆遇地層及巖性地層表

由表1可知，沉積蓋層自下而上可劃分為下石炭統(tǒng)、上石炭統(tǒng)—下二疊統(tǒng)、三疊系、侏羅系和上白堊統(tǒng)—新生界5套沉積層。三疊系大型斜坡三角洲沉積體和中始新世砂巖是該區(qū)塊最重要的儲層[15]。

1.3 喀拉海海域永凍層特征

目標(biāo)區(qū)塊位于高緯度嚴(yán)寒地區(qū)，常年氣溫在0 ℃以下，在該地區(qū)泥面下部存在常規(guī)海洋鉆井中不常見的一種地層——永凍層，又稱為凍土，其厚度分布變化大，從50～500 m不等。其強(qiáng)度取決于礦物成分以及填充微裂紋的冰的膠結(jié)作用。如表2所示，對東西伯利亞地區(qū)凍土層的三塊巖樣進(jìn)行了循環(huán)壓縮載荷測試，載荷變化范圍為0～7 MPa，測試結(jié)果表明冰凍狀態(tài)下填料越多，強(qiáng)度越大，其發(fā)生的沉降位移越小，裂縫中存在冷凍填料會增加巖石的強(qiáng)度[16]。若巖體內(nèi)部的凍結(jié)物解凍后，會引起永凍層或凍土的力學(xué)性質(zhì)的改變，巖石的強(qiáng)度明顯減小，同時沉降位移大幅增加，融化過程提高了巖石的變形能力。

表2 不同巖石在冰凍狀態(tài)和非凍結(jié)狀態(tài)下的力學(xué)性質(zhì)表[17]

2 喀拉海海域地層壓力預(yù)測模型

2.1 孔隙壓力評價

孔隙壓力是作用在巖石孔隙中流體的壓力。計算孔隙壓力主要采用壓實曲線法，當(dāng)?shù)貙涌v向剖面上的巖性和孔隙流體變化不大時，巖石上部受到正常的壓實作用，隨著地層埋深增加，上覆巖層壓力變大導(dǎo)致壓實程度增大，進(jìn)而造成地層巖石的孔隙減小、巖石密度變大，其對應(yīng)的聲波時差逐漸減小。

北極喀拉海海域以海相沉積為主，其沉積物以粉砂、泥質(zhì)為主，2 500 m以下以泥巖為主，故孔隙壓力的計算以Eaton法為基礎(chǔ)，選用測井資料中的聲波時差數(shù)據(jù)，得到如下方程[10]：

式中σv表示某一深度下的上覆巖層壓力，MPa；表示地層流體產(chǎn)生的靜液柱壓力，MPa；DTn、DT0分別表示正常壓實條件下的聲波時差、測井獲得的聲波時差，μs/m；n表示Eaton指數(shù)，可根據(jù)地區(qū)經(jīng)驗或?qū)嶃@數(shù)據(jù)確定。

2.2 地層壓力模型提出

由式（1）可知，聲波時差和上覆巖層壓力是確定地層壓力的關(guān)鍵參數(shù)。其中，聲波時差反映地層巖性、壓實程度和孔隙特征。如圖2所示，在極寒條件下，巖石中的水主要以固態(tài)冰的形式存在，當(dāng)冰融化成水，巖石內(nèi)部孔隙發(fā)生變化，會影響地層密度和巖石力學(xué)性質(zhì)[18]。另外，上覆巖層壓力也與密度緊密相關(guān)，因此，密度是準(zhǔn)確計算地層壓力的關(guān)鍵。

圖2 礦物顆粒凍結(jié)過程示意圖

收集研究地區(qū)V-1井等6口井的測井資料，擬合各井聲波對數(shù)曲線與井深關(guān)系的趨勢線（圖3），各井下部聲波對數(shù)相對趨勢線有明顯偏移。

對巖性已知、地層流體變化不大的地層，聲波時差與孔隙度之間成正比關(guān)系。然而，由于在巖層上部存在一定厚度的永凍層，密度變化會造成擬合趨勢線的偏移。

圖3 目標(biāo)區(qū)域6口井聲波時差對數(shù)—井深散點圖

對于正常壓實的地層：

將上式變換可得：

式中Δt表示地層深度H處的聲波時差，μs/m；Δt0表示地面處的聲波時差，μs/m。

式（3）表示正常趨勢線公式，其中A表示聲波時差趨勢線的斜率，B表示截距，其中A＜0。由該式可知聲波時差對數(shù)值與深度呈線性關(guān)系。

在半對數(shù)曲線上，正常壓實條件下的聲波時差對數(shù)值隨深度的增加而逐漸減小，當(dāng)出現(xiàn)異常高壓時，其數(shù)值會偏離正常趨勢線，反映到巖石密度上可以寫為：

式中ρ0表示地面巖石密度，kg/m3；ν表示聲波速度，m/s；νn表示理論聲波速度，m/s；a、b、c表示研究地區(qū)經(jīng)驗系數(shù)。

式（4）是基于聲波時差擬合得到的巖石密度，而對永凍層，該層段在極地環(huán)境下經(jīng)過長期壓實、融化以及重結(jié)晶等作用形成冰層，Talalay等[19]和Merey[20]分別研究了永凍層密度變化規(guī)律，隨著深度的增加，永凍層中的氣體逐漸被壓縮，其孔隙逐漸被純冰充填，在溫度、壓力作用下，永凍層的密度變化規(guī)律為：

式中T表示溫度，℃；P表示當(dāng)前壓力，Pa；P0表示大氣壓，1.013×105Pa。

如圖4所示，轉(zhuǎn)盤面至泥面位置均為海水，該段深度為hw，泥面以下為一定厚度的永凍層，其厚度為hi，永凍層下部為巖層，巖層厚度為hr，可以通過下式計算：

圖4 目標(biāo)區(qū)域6口井聲波時差對數(shù)—井深散點圖

式中ρw、ρi、ρr分別表示海水、永凍層、巖層密度，kg/m3。

3 實例計算與分析

基于喀拉海海域已鉆井的測井資料并結(jié)合鉆井工程數(shù)據(jù)，根據(jù)上述地層壓力模型，計算了研究區(qū)塊3口井的地層壓力。由圖5可知，各井聲波對數(shù)隨井深的分布大致相似，上部具有較好的線性關(guān)系，下部趨勢線有一定偏移，分析其原因主要為：①泥面下部永凍層厚度不一；②研究地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜；③測井?dāng)?shù)據(jù)不全。因此綜合考慮各因素，選取了目標(biāo)區(qū)域2口井，以Eaton法為基礎(chǔ)，取Eaton指數(shù)n=0.4，計算了其孔隙壓力剖面（圖6）。

圖5 兩口井的孔隙壓力當(dāng)量密度剖面圖

圖6 兩口井的三壓力當(dāng)量密度剖面圖

從力學(xué)角度來說，造成井壁坍塌的原因主要是由于井內(nèi)液柱壓力太低，使得井壁周圍巖石所受應(yīng)力超過巖石本身的強(qiáng)度。研究地區(qū)白堊系和侏羅系均存在大段泥巖，上部凍土層解凍后，巖體也表現(xiàn)出較強(qiáng)的變形特征，因此采用摩爾—庫侖破壞準(zhǔn)則計算地層坍塌壓力：

式中ρm表示鉆井液密度，kg/m3；c表示巖石的黏聚力，MPa；φ表示巖石的內(nèi)摩擦角，（°）；α表示有效應(yīng)力系數(shù)。

破裂壓力是井眼裸露地層在井內(nèi)鉆井液柱壓力作用下使其起裂或原有裂縫重新開啟的壓力，它是由于井壁巖石所受的周向應(yīng)力超過巖石的抗拉強(qiáng)度造成的，非均勻地應(yīng)力作用下井壁產(chǎn)生拉伸破裂時的井內(nèi)鉆井液柱壓力即破裂壓力的計算模型為：

式中pf表示地層破裂壓力，MPa；Q表示構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)；St表示地層抗拉強(qiáng)度，MPa；μ表示泊松比。

結(jié)合地漏試驗結(jié)果與測井?dāng)?shù)據(jù)確定地應(yīng)力構(gòu)造系數(shù)，基于現(xiàn)場收集的資料和分層地應(yīng)力模型計算喀拉海海域上述2口井的三壓力剖面（圖6），由此可確定該地區(qū)鉆井液密度安全窗口。

結(jié)合地漏試驗，比較了破裂壓力預(yù)測結(jié)果及實測點（表3），模型預(yù)測值與實測值誤差在5.1%以下，預(yù)測結(jié)果較為準(zhǔn)確，能滿足工程需要。

表3 破裂壓力當(dāng)量密度誤差表

兩口井的孔隙壓力當(dāng)量密度和安全鉆井液密度窗口計算結(jié)果如表4所示，2口井在不同層位均存在一定高壓，但并不明顯。各井區(qū)在鉆井時各層位鉆井液密度設(shè)計時可參考密度窗口，貼近窗口下限設(shè)計鉆井液密度。如圖7所示，對比了R(ED)-1井預(yù)測安全鉆井液密度與實測密度，上部白堊系預(yù)測值較實鉆密度偏高，進(jìn)入下部侏羅系地層，密度預(yù)測值稍微偏低，整體預(yù)測值與實鉆密度吻合度較好。

表4 各井孔隙壓力當(dāng)量密度、安全鉆井液密度窗口分層統(tǒng)計表單位：g/cm3

圖7 R (ED)-1井預(yù)測與實測鉆井液當(dāng)量密度對比圖

4 結(jié)論

1）對于極地深部冰層，裂縫中存在凍結(jié)填料會導(dǎo)致巖石強(qiáng)度增加。由于凍結(jié)巖石的力學(xué)性質(zhì)發(fā)生了變化，在鉆井和后期開采中，都應(yīng)根據(jù)其特性采取合適的技術(shù)和方法來規(guī)避由其性質(zhì)的變化帶來的作業(yè)安全風(fēng)險。

2）區(qū)別于常規(guī)海洋鉆井，極地海水上方存在一定厚度的永凍層，其密度的變化造成聲波時差偏離正常趨勢線，以Eaton法為基礎(chǔ)，提出了考慮密度變化及聲波偏移的巖石密度修正模型，建立了研究地區(qū)的地層壓力預(yù)測模型。

3）根據(jù)模型計算得到的三壓力剖面分析表明，該區(qū)域地層壓力系數(shù)范圍介于0.87～1.23，安全鉆井液密度窗口范圍介于1.20～1.75，修正模型預(yù)測出的地層破裂壓力平均誤差為3.3%，最大誤差僅為5.1%，預(yù)測結(jié)果能滿足工程需要。