地層壓力隨鉆判別技術(shù)在旅大M構(gòu)造鉆井工程中的應(yīng)用

李戰(zhàn)奎 徐 鯤 郭明宇 張學(xué)斌 劉松宇 劉志陽

(①中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司；②中海石油(中國)有限公司天津分公司)

0 引 言

隨著渤海油田勘探向古近系和古潛山探井數(shù)量越來越多，油氣藏埋藏越來越深。通過已鉆井證實，渤海油田古近系存在地層超壓井超過三分之一。通過對已鉆地層超壓井統(tǒng)計，多口井由于預(yù)測地層壓力與實鉆地層壓力存在偏差，導(dǎo)致井漏、井涌等工程復(fù)雜情況發(fā)生，從而導(dǎo)致鉆井工期延長，油層污染，甚至單井報廢等嚴重后果，不僅影響勘探進程，而且造成了極大的經(jīng)濟損失[1-2]。

前人利用兩級串聯(lián)篩選超壓分類方法，將渤海油田古近系超壓分為單純欠壓實型、欠壓實主導(dǎo)型、生烴主導(dǎo)型和流體傳導(dǎo)型4類，并分析了古近系超壓分布特征，指導(dǎo)區(qū)域地層壓力預(yù)測工作[1]。但是隨著勘探的深入，發(fā)現(xiàn)鉆前地層壓力的預(yù)測基于地震和鄰井錄測井資料，受資料的精度等多因素影響，單憑經(jīng)驗或已鉆井資料預(yù)測地層超壓的精度和準確度不夠，無法為現(xiàn)場鉆井作業(yè)提供精準指導(dǎo)。因此，地層壓力的隨鉆監(jiān)測對鉆井過程指導(dǎo)意義重大。但是，地層壓力的隨鉆監(jiān)測是一個世界性難題，目前隨鉆監(jiān)測地層壓力理論主要是基于泥巖的欠壓實理論，形成了基于可鉆性、dc指數(shù)、聲波時差、層速度、電阻率等參數(shù)來計算地層壓力的監(jiān)測方法[3-7]。

在實鉆監(jiān)測過程中發(fā)現(xiàn)，旅大M構(gòu)造的部分井，利用欠壓實理論計算的地層壓力系數(shù)與實測地層壓力系數(shù)相差較大，分析認為與超壓的形成機制有關(guān)，主控因素不同，單純用欠壓實理論計算不能滿足所有地層壓力系數(shù)的計算。因此，需要加強對非欠壓實地層的地層壓力系數(shù)的計算和監(jiān)測。針對這些問題，本文利用地質(zhì)錄井、測井和地層測試等資料對旅大M構(gòu)造的地層異常壓力成因和分布規(guī)律，以及隨鉆判別技術(shù)進行研究，并進行成功應(yīng)用取得了非常好的效果。

1 旅大M構(gòu)造地層異常壓力成因及分布規(guī)律

1.1 地層壓力研究現(xiàn)狀

旅大M構(gòu)造位于遼東灣海域，地層從上到下依次鉆遇明化鎮(zhèn)組、館陶組、東一段、東二上段、東二下段、東三段、沙一段、沙二段、沙三段、沙四段和中生界地層，主要目的層位于沙河街組，資源量豐富，勘探潛力巨大。通過多口井的鉆探，證實該區(qū)域地層存在異常地層壓力，但是對異常壓力的成因及分布規(guī)律并未深入研究。

前人研究認為，旅大M構(gòu)造地層異常壓力的原因是單純欠壓實造成，如果單純是欠壓實，目前的地層壓力預(yù)測和監(jiān)測理論基礎(chǔ)都是依據(jù)欠壓實建立，那么鉆前預(yù)測和隨鉆監(jiān)測的地層壓力數(shù)據(jù)應(yīng)該相對準確，但是實鉆過程中出現(xiàn)多口井地層壓力預(yù)測和實鉆不一致情況。例如：M 1井在沙河街組發(fā)生兩次漏失，主要原因是鉆井液密度過高，鉆前設(shè)計地層壓力系數(shù)1.69，實鉆鉆井液密度為1.62 g/cm3，最終實測地層壓力系數(shù)最高1.52；M 2井在沙河街組發(fā)生多次溢流，主要原因是鉆井液密度過低，該井設(shè)計鉆井液密度1.45 g/cm3，最終實測地層壓力系數(shù)最高1.69。可見該區(qū)塊地層壓力變化較為復(fù)雜，需要對地層異常壓力的成因和分布進行研究，確保鉆井作業(yè)安全順利。

1.2 地層異常壓力成因及分布規(guī)律

通過對鄰區(qū)15口鄰井的鉆前地震層速度、隨鉆壓力、鉆后聲波時差等資料進行分析，結(jié)合泥巖聲波速度與密度交會圖板法，得到了該區(qū)域的地層超壓成因和縱向分布規(guī)律。

從泥巖聲波速度與密度交會圖上分析(圖1)，認為由欠壓實形成的異常壓力與正常壓力均落入加載曲線上，而由其他成因形成的超壓則位于加載曲線之外[7]。從研究區(qū)已鉆井交會圖中可以看出，東二下段異常壓力地層聲波速度和密度數(shù)據(jù)點落入加載曲線同一趨勢上，即聲波速度隨著壓力的增加而降低，泥巖密度也隨之降低，地層異常壓力成因為欠壓實；東三段和沙河街組異常壓力地層聲波速度和密度數(shù)據(jù)點偏離趨勢線，即聲波速度隨著壓力增加而降低，泥巖密度基本不變或者變化不大，地層異常壓力成因非欠壓實主導(dǎo)，而是由流體膨脹造成的。

將地層壓力系數(shù)、聲波速度、地化錄井的Pg(熱解產(chǎn)油氣潛量)三個參數(shù)建立縱向隨深度變化圖(圖2)，發(fā)現(xiàn)旅大M構(gòu)造東二上段地層，泥巖聲波速度正常壓實趨勢，地層壓力為常壓；東二下段泥巖聲波速度開始降低，地層壓力緩慢升高；東三段之后泥巖聲波速度未發(fā)生明顯變化，但是地層壓力明顯升高，此時對應(yīng)的地化錄井Pg值明顯上升，結(jié)合泥巖聲波速度與密度交會圖，證明東三段及以下地層超壓原因主要由泥巖生烴引起。

圖1 旅大M構(gòu)造泥巖聲波速度與密度交會圖

圖2 旅大M構(gòu)造地層壓力縱向變化圖

通過分析發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)垂向上地層異常壓力成因具復(fù)合成因特點，從上到下由欠壓實主導(dǎo)轉(zhuǎn)變?yōu)樯鸁N作用主導(dǎo)，并且研究區(qū)異常壓力發(fā)育在垂向上具有一致性，東二上段及以上地層為正常壓力，東二下段地層為欠壓實主導(dǎo)，深度從3 000 m開始，屬于地層壓力過渡段，地層壓力系數(shù)介于1.0～1.2之間，東三段地層為生烴主導(dǎo)型，地層深度從3 300 m開始，屬于快速起壓段，地層壓力系數(shù)由1.2快速上升至1.4左右。

2 旅大M構(gòu)造地層壓力隨鉆判別方法

2.1 研究目的

準確預(yù)測地層壓力對于合理、經(jīng)濟地選用鉆井液和設(shè)計井身結(jié)構(gòu)，以及防止井噴、井漏、井塌等井下故障的發(fā)生，有著十分重要的意義[7]。而隨鉆過程中對壓力的準確監(jiān)測和判斷，對于降低鉆井復(fù)雜情況發(fā)生率、優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)和降低鉆井液密度、節(jié)約鉆井成本具有非常重要的意義[8]。尤其是具有異常高壓的井，中完深度一般選擇在起壓之后進行中完，以保障下一開鉆遇高壓層時鉆井作業(yè)安全。目前，隨鉆地層壓力監(jiān)測主要應(yīng)用dc指數(shù)法，其操作方便，在欠壓實成因的地層壓力監(jiān)測中具有很好的應(yīng)用效果。通過在旅大M構(gòu)造幾口井進行應(yīng)用，利用dc指數(shù)法隨鉆監(jiān)測壓力數(shù)據(jù)表明，在東二下段的地層壓力預(yù)測和監(jiān)測比較準確，地層壓力系數(shù)偏差在0.05以內(nèi)，從東三段開始，異常壓力的監(jiān)測就出現(xiàn)較大偏差，偏差為0.1～0.2。通過總結(jié)分析，主要的原因是東三段以下的泥巖生烴對地層壓力有增壓作用，dc指數(shù)法無法校正生烴的增壓情況。

2.2 基于生烴成因的地層異常壓力隨鉆判別

通過對旅大M構(gòu)造區(qū)塊已鉆井的錄井資料綜合分析，可以通過聲波資料和地化錄井資料對欠壓實和生烴引起的地層壓力成因進行區(qū)別，那么，對基于生烴作用的異常壓力判斷，即是本次研究的重點。通過對東三段及以下地層各項錄井參數(shù)分析發(fā)現(xiàn)，東三段及以下的地層壓力與泥巖生烴指標地化錄井參數(shù)Pg存在相應(yīng)的響應(yīng)關(guān)系。其理論基礎(chǔ)是干酪根在向液態(tài)、氣態(tài)烴轉(zhuǎn)化的過程中，伴隨有機質(zhì)總體積的膨脹可達25%[5，9]，生烴能力越強，造成的超壓越高，生烴作用特別是液態(tài)烴裂解生氣是形成大規(guī)模超壓的重要機理之一。

因此，通過研究區(qū)域多口已鉆井資料，在明確了地化參數(shù)Pg與地層壓力在縱向上變化的相關(guān)性的基礎(chǔ)上，優(yōu)選鉆井資料，建立該區(qū)域地層壓力與地化參數(shù)Pg關(guān)系判別圖板(圖3)。利用該圖板，在Pg已知的情況下，可近似讀出該點的地層壓力，同時可快速判斷基于生烴成因的快速起壓點。通過判別圖板將旅大M構(gòu)造地層壓力系數(shù)分為3個區(qū)間范圍，即1.0～1.2、1.2～1.4、1.4～1.6，其中：地層壓力系數(shù)為1.0～1.2，Pg值為0～2 mg/g；地層壓力系數(shù)為1.2～1.4，Pg值為2～20 mg/g；地層壓力系數(shù)為1.4～1.6，Pg值為20～50 mg/g?，F(xiàn)場在隨鉆監(jiān)測過程中，可以利用Pg快速投點，獲得地層壓力變化情況。

圖3 旅大M構(gòu)造地層壓力系數(shù)與地化Pg關(guān)系圖板

2.3 地層異常壓力隨鉆判別技術(shù)流程

基于旅大M構(gòu)造地層壓力系數(shù)縱向上及壓力成因的研究，建立了該區(qū)塊地層壓力情況監(jiān)測的流程(圖4)。鉆前通過區(qū)域資料收集，對地層異常壓力的分布規(guī)律進行研究，并進行地層異常壓力成因判斷。若是單純欠壓實成因，利用Eaton法(dc指數(shù)法)進行隨鉆監(jiān)測；若是生烴成因的，就利用地層壓力系數(shù)與地化Pg判別圖板進行隨鉆地層壓力監(jiān)測，并且在隨鉆過程中實時建立隨著深度變化，地層壓力系數(shù)和地化Pg的變化情況，快速識別地層壓力的變化。

圖4 旅大M構(gòu)造地層壓力隨鉆監(jiān)測流程

3 現(xiàn)場應(yīng)用

M 4井設(shè)計井深4 100 m，主要目的層為沙河街組，從上到下依次鉆遇明化鎮(zhèn)組、館陶組、東一段、東二上段、東二下段、東三段、沙一段、沙二段、沙三段、沙四段和中生界地層。M 4井鉆前地層壓力預(yù)測明化鎮(zhèn)組至東二下段下部地層屬于正常壓力體系，之后地層孔隙壓力系數(shù)逐漸增加，至東二下段底部達到1.24，至沙二段底部地層孔隙壓力系數(shù)達到1.45，進入沙三段后，地層孔隙壓力系數(shù)繼續(xù)增大至1.56，沙四段地層孔隙壓力系數(shù)達到最大為1.64。為了保障在揭開高壓層時，上部地層承壓能力高，不發(fā)生井漏，鉆井設(shè)計需要在進入東三段起壓段，地層壓力系數(shù)不超過1.35中完，若地層壓力系數(shù)提前到1.35則提前中完，若進入東三段地層未起壓，則繼續(xù)鉆進至起壓中完。因此，隨鉆過程中準確判斷地層快速起壓深度和地層壓力變化情況對于中完決策起著重要的作用，為減小下一開鉆井作業(yè)的風(fēng)險和安全高效完成作業(yè)提供保障。

M 4井設(shè)計3 215 m進入東三段，地層壓力系數(shù)在3 300 m達到1.35左右，設(shè)計在3 300 m中完。根據(jù)前期研究，該區(qū)域從東三段開始是生烴造成的異常壓力，利用地層壓力系數(shù)與Pg關(guān)系圖板進行實時壓力跟蹤?，F(xiàn)場實鉆至3 300 m，巖性為厚層的泥巖，及時將地化Pg值投到判別圖板中，發(fā)現(xiàn)3 300 m地層Pg為1.5 mg/g，壓力系數(shù)區(qū)間為1.0～1.2，未進入異常高壓地層，建議繼續(xù)鉆進。在鉆進過程中，繼續(xù)每隔10 m進行投點落實地層壓力變化情況(表1)，局部井段加密投點，在鉆進至3 409 m時，Pg為15 mg/g，壓力系數(shù)區(qū)間為1.2～1.4，近似讀值該井段地層壓力系數(shù)已經(jīng)達到1.34(圖3)，達到設(shè)計中完條件，決策在3 409 m中完。

在下一開鉆進過程中繼續(xù)對地層壓力系數(shù)進行監(jiān)測，證實沙一段到沙三段地層壓力系數(shù)趨于穩(wěn)定，保持在1.35～1.4，沙四段開始，地層壓力系數(shù)逐漸回落，生烴增加減小(圖5)。因此建議鉆井作業(yè)保持鉆井液密度在1.45 g/cm3左右，未按照設(shè)計繼續(xù)提高鉆井液密度至1.65 g/cm3，鉆井至完鉆，整個鉆井過程快速平穩(wěn)，未出現(xiàn)復(fù)雜情況。

表1 M 4井Pg與地層壓力系數(shù)統(tǒng)計

圖5 M 4井地層壓力隨鉆監(jiān)測圖

通過隨鉆過程中對地層異常壓力系數(shù)變化進行準確判斷，合理決策中完深度，保證了鉆井作業(yè)安全，并且通過隨鉆壓力監(jiān)測，選擇合理的鉆井液密度，避免出現(xiàn)井漏等復(fù)雜情況，提高了鉆井作業(yè)時效，并保護了儲層，有利于油氣發(fā)現(xiàn)。該技術(shù)方法已應(yīng)用10口井，累計節(jié)約工期6 d，直接經(jīng)濟效益1 000萬元。

4 結(jié)論與建議

(1)旅大M構(gòu)造垂向上地層異常壓力成因具復(fù)合成因特點，東二上段及以上地層為常壓地層，東二下段地層壓力異常為欠壓實主導(dǎo)，深度從3 000 m開始，屬于地層壓力異常過渡段，東三段及以下地層為生烴成因主導(dǎo)，地層深度從3 300 m開始，屬于快速起壓段。

(2)針對生烴成因主導(dǎo)的地層異常壓力隨鉆監(jiān)測，建立了地層壓力系數(shù)與地化Pg圖板，實現(xiàn)地層壓力系數(shù)隨鉆過程中的準確監(jiān)測和判斷，并建立了隨鉆地層壓力監(jiān)測流程。

(3)該方法已應(yīng)用于10口井，準確監(jiān)測地層壓力系數(shù)變化，為鉆井工程作業(yè)過程中合理中完深度確定、鉆井液密度選擇、儲層保護等提供隨鉆支持，極大提高了鉆井作業(yè)時效，取得非常好的經(jīng)濟效益。