渤海中深部地層多源信息一體化壓力監(jiān)測方法

陳波 和鵬飛 宋峙潮 吳旭東 徐彤 鄭卓

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

近年來隨著渤海油田勘探開發(fā)的深化，從明化鎮(zhèn)組下段到沙河街、潛山均有大量發(fā)現(xiàn)成果，隨著勘探井深的增加，地層壓力升高、壓力系統(tǒng)復(fù)雜，如渤中19-6構(gòu)造自東二下段發(fā)育異常壓力，沙河街組實(shí)測最高地層壓力系數(shù)達(dá)1.52。準(zhǔn)確監(jiān)測地層壓力對于減少鉆井事故、降低鉆井風(fēng)險(xiǎn)、優(yōu)化鉆井設(shè)計(jì)、縮短鉆井周期、節(jié)省鉆井成本具有重要的意義。

在石油鉆井行業(yè)中已形成多套地層壓力監(jiān)測和計(jì)算方法。對于隨鉆的壓力監(jiān)測方法，主要有標(biāo)準(zhǔn)化鉆速法、泥頁巖密度法、巖石強(qiáng)度法和dc指數(shù)法［1-5］。標(biāo)準(zhǔn)化鉆速方法考慮多種因素，加入變量標(biāo)準(zhǔn)化考量，但鉆速方程計(jì)算繁瑣；泥頁巖密度法主要通過在鉆井過程測量巖屑密度，繪制密度與深度關(guān)系圖，回歸正常趨勢線監(jiān)測異常壓力，同樣存在密度獲得難度大、工程操作復(fù)雜的問題；巖石強(qiáng)度法，通過鉆井參數(shù)評估巖石強(qiáng)度進(jìn)行壓力監(jiān)測，這種方法涉及孔隙度等參數(shù)，工程中獲取難度較大，因此這3種方法在隨鉆過程中的應(yīng)用較少。dc指數(shù)法是目前隨鉆過程應(yīng)用最廣的方法，計(jì)算過程主要涉及鉆井參數(shù)，但總體精度較低［6-8］。

通過對鉆井過程的信息歸類應(yīng)用(歷史源數(shù)據(jù)、隨鉆錄井?dāng)?shù)據(jù)和隨鉆鉆參數(shù)據(jù))，以dc指數(shù)法為基礎(chǔ)，建立了區(qū)域歷史井壓力成果庫和氣測響應(yīng)模型，提出了地層壓力修正方法，對井筒壓力關(guān)系進(jìn)行了精細(xì)刻畫，建立一種基于多源信息的地質(zhì)工程一體化壓力監(jiān)測方法，用以滿足工程實(shí)踐需要和提高壓力監(jiān)測精度。

1 傳統(tǒng)壓力分析方法局限性分析

傳統(tǒng)dc指數(shù)法隨鉆過程中的壓力監(jiān)測，主要采用通過鉆井參數(shù)實(shí)時(shí)傳輸，計(jì)算dc指數(shù)，通過選擇穩(wěn)定泥巖段，建立正常趨勢線，之后采用Eaton方法計(jì)算壓力值［9-11］。這種方法，在隨鉆過程中主要存在的問題是精度低，受限于兩方面的因素：一是在dc方法壓力分析過程中，首先需要確定正常壓實(shí)泥巖段的趨勢線參數(shù)，包括斜率和截距，在使用Eaton方法計(jì)算壓力時(shí)，需要得到Eaton指數(shù)，這3個(gè)過程參數(shù)，存在較大系統(tǒng)誤差，主要由工程師手動(dòng)操作確定；二是該方法通過鉆井參數(shù)計(jì)算dc來表征地層特征，但現(xiàn)代鉆井鉆具組合較為復(fù)雜，PDC和動(dòng)力鉆具大量使用，這些提速因素對鉆井參數(shù)影響較大，無法準(zhǔn)確表征地層情況，因此如何在過程中剔除鉆具因素影響極為重要。

2 基于多源信息的計(jì)算方法建立

2.1 鉆井信息的歸類處理

油田勘探開發(fā)過程中，現(xiàn)場數(shù)據(jù)來源多樣，鉆井過程主要有工程參數(shù)和地質(zhì)參數(shù)兩大類。其中工程參數(shù)主要包括鉆井液性能、水力參數(shù)、轉(zhuǎn)速、鉆壓、鉆頭類型等，地質(zhì)參數(shù)主要為巖性特征。按時(shí)間維度劃分，又可分為周邊歷史井?dāng)?shù)據(jù)和當(dāng)前所鉆井?dāng)?shù)據(jù)。因此綜合應(yīng)用于隨鉆分析的數(shù)據(jù)，有歷史源數(shù)據(jù)、隨鉆鉆井參數(shù)數(shù)據(jù)和隨鉆錄井?dāng)?shù)據(jù)3大類。其中歷史源數(shù)據(jù)是數(shù)據(jù)庫中歷史井?dāng)?shù)據(jù)資料，包括隨鉆鉆參數(shù)據(jù)、井史日報(bào)數(shù)據(jù)、部分測井?dāng)?shù)據(jù)等；隨鉆錄井?dāng)?shù)據(jù)包括待監(jiān)測井氣測、巖屑錄井?dāng)?shù)據(jù)等；隨鉆鉆參數(shù)據(jù)包括隨鉆鉆壓、鉆速、扭矩、排量、泵壓等數(shù)據(jù)。這3類數(shù)據(jù)表征意義各不相同，但又相互關(guān)聯(lián)，通過算法溝通可建立相互聯(lián)系和實(shí)現(xiàn)印證。

2.2 分析模型源方法的確定

萊州灣、遼東灣、黃河口地區(qū)的異常高壓主要由欠壓實(shí)型因素引起，環(huán)渤海中部地區(qū)的異常高壓主要由生烴主導(dǎo)型引起［4］。由于Eaton預(yù)測模型適用于砂巖和泥巖構(gòu)成的地層，可分析泥巖欠壓實(shí)及流體膨脹成因的異常高壓，故選取Eaton壓力預(yù)測法作為本技術(shù)的基礎(chǔ)模型，計(jì)算公式為

式中，pp為孔隙壓力，MPa；pob為靜巖壓力，MPa；ph為靜水壓力，MPa；dcn為正常壓實(shí)地層可鉆指數(shù),無因次；dc為實(shí)測地層可鉆性指數(shù),無因次；N為Eaton指數(shù)，無因次。

2.3 精準(zhǔn)關(guān)聯(lián)參數(shù)的獲取

利用Sitecom數(shù)據(jù)庫(中海油建設(shè)的鉆井參數(shù)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫)中的歷史井動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，結(jié)合實(shí)際測壓值，利用Eaton壓力預(yù)測法，回歸歷史井的趨勢線，并利用多口歷史井的測井資料，結(jié)合實(shí)際測壓值，按照聲波時(shí)差法，回歸趨勢線與Eaton指數(shù)，最后利用不同求平均值的方法，處理多條趨勢線與Eaton指數(shù)，得出更精確的基礎(chǔ)參數(shù)。以此為基礎(chǔ)，結(jié)合地質(zhì)特征數(shù)據(jù)，建立區(qū)域成果庫。區(qū)域成果庫主要包含區(qū)域關(guān)鍵參數(shù)庫、區(qū)域地層壓力響應(yīng)特征圖庫和已鉆井連井剖面庫，其中區(qū)域關(guān)鍵參數(shù)庫包括截距、斜率和Eaton指數(shù)。使用歷史井?dāng)?shù)據(jù)回歸迭代標(biāo)準(zhǔn)方法結(jié)合Eaton壓力預(yù)測法和聲波時(shí)差法，回歸正常壓實(shí)趨勢線和Eaton指數(shù)N。建立區(qū)域成果庫的主要目的是將歷史井地層壓力相關(guān)資料以及處理模式關(guān)鍵參數(shù)等進(jìn)行儲(chǔ)存和調(diào)用，通過多口歷史井?dāng)?shù)據(jù)迭代、反演，建立更加精準(zhǔn)的正常壓實(shí)趨勢線。

2.4 異常噪點(diǎn)影響的剔除

雖然渤海地層主要巖性為砂泥巖，但也存在異常地層夾層等復(fù)雜巖性。由于Eaton模型只適用于預(yù)測由砂巖和泥巖構(gòu)成的地層壓力，故本文引入可反映鉆頭實(shí)時(shí)工作狀態(tài)的參數(shù)機(jī)械比能，來輔助剔除鉆頭、鉆具產(chǎn)生的異常噪點(diǎn)影響。其計(jì)算公式為

式中，MSE為機(jī)械比能，MPa；WOB為實(shí)鉆鉆壓，kN；D為鉆頭直徑，mm；N為轉(zhuǎn)速，r/min；Tb為鉆頭扭矩，kN·m；ROP為機(jī)械鉆速，m/h。

結(jié)合Sitecom數(shù)據(jù)庫中動(dòng)態(tài)鉆井參數(shù)，利用Drillworks軟件實(shí)時(shí)計(jì)算機(jī)械比能，當(dāng)其實(shí)時(shí)計(jì)算值變化趨勢變化時(shí)(偏離正常趨勢并無限增大，若是地質(zhì)夾層，則機(jī)械比能上升至某一臺(tái)階值后保持穩(wěn)定)，輔助判斷是地層因素還是鉆頭失效或鉆具故障問題，進(jìn)而剔除鉆頭或鉆具對地層壓力監(jiān)測的影響情況。

3 地質(zhì)工程一體化壓力綜合分析方法

3.1 井筒壓力關(guān)系映射模型

鉆井過程中，儲(chǔ)層流體可以通過滲流擴(kuò)散和破碎涌入兩種方式進(jìn)入鉆井液?？紤]到井筒鉆井液柱壓力與地層孔隙壓力的相互變化，氣測會(huì)形成正壓差、過渡態(tài)和負(fù)壓差3種情形：在穩(wěn)定的正壓差下，上提單根會(huì)產(chǎn)生抽汲壓力，導(dǎo)致井筒液柱壓力降低并出現(xiàn)單根氣，但背景氣含量保持穩(wěn)定；地層壓力逐漸升高直至與井筒液柱壓力相等時(shí)，上提管柱會(huì)持續(xù)性出現(xiàn)單根氣且背景氣含量不斷增大；負(fù)壓差時(shí)，地層壓力大于井筒液柱壓力，隨著壓差的增大，單根氣和背景氣均出現(xiàn)上漲趨勢。

作業(yè)過程中，根據(jù)隨鉆測量的實(shí)時(shí)巖屑錄井和氣測數(shù)據(jù)，可以建立井筒壓力平衡狀態(tài)的氣測響應(yīng)模型，綜合計(jì)算隨鉆過程中的實(shí)時(shí)壓力數(shù)據(jù)；再結(jié)合上述3種井筒內(nèi)壓力狀態(tài)，通過氣測表征類型獲得初步井筒壓力狀態(tài)；最后使用區(qū)域井?dāng)?shù)據(jù)關(guān)系進(jìn)行定量分析(氣測→井筒平衡狀態(tài)→壓差定量)。基于大數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)方式的映射模型見式(3)，渤中地區(qū)中深層獲得的初步數(shù)據(jù)管理結(jié)果見表1。

表1 數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)定量結(jié)果Table 1 Quantitative results of data association

由表1可知，單根氣含量、氣測基值等參數(shù)與井筒壓力平衡狀態(tài)匹配程度較高，可以通過隨鉆測量的實(shí)時(shí)巖屑錄井和氣測數(shù)據(jù)，定量評價(jià)地層壓力與井筒動(dòng)態(tài)液柱壓力的壓差。該模型從工程角度完善壓力監(jiān)測技術(shù)，提高了地層壓力預(yù)測精度。

3.2 建立地層壓力約束模型

結(jié)合上述3種井筒壓力狀態(tài)的氣測響應(yīng)類型，分析井筒動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)的最小約束方程。

穩(wěn)態(tài)下，環(huán)空有效液柱當(dāng)量密度主要受鉆井液密度、環(huán)空壓力、巖屑特征等因素影響。

非穩(wěn)態(tài)環(huán)空波動(dòng)壓力下，環(huán)空有效液柱當(dāng)量密度受隨鉆參數(shù)的影響。

式中，pSwab為抽吸壓力，MPa；pESD為靜液柱壓力，MPa；pECD為開泵時(shí)的環(huán)空有效壓力，MPa；pSurge為激動(dòng)壓力，MPa；ECD為井筒內(nèi)某一深度環(huán)空當(dāng)量鉆井液密度，g/cm3；A為鉆井液性能影響因素；B為井筒內(nèi)鉆屑特征影響因素；C為鉆井參數(shù)影響因素；D為井筒和地層物理特性影響因素；Swab為抽汲壓力當(dāng)量密度，g/cm3；Surge為激動(dòng)壓力當(dāng)量密度，g/cm3；E為隨鉆既定參數(shù)因素；F為隨鉆可調(diào)參數(shù)因素。

結(jié)合打通循環(huán)時(shí)的泵壓和鉆井液流變性能，修正并優(yōu)化水力模型參數(shù)。使用三點(diǎn)法擬合動(dòng)力鉆具壓耗。對于螺桿馬達(dá)、MWD等鉆具，壓耗和排量呈現(xiàn)非線性關(guān)系，對于每套工具的實(shí)際壓耗變化，采用小-中-大的三點(diǎn)擬合法，繪制出壓耗包絡(luò)線，再通過內(nèi)插解決不同排量下該鉆具的壓耗精度。通過影響水力參數(shù)的巖屑尺寸、巖屑密度、水力模型、井筒粗糙度等因素的量化敏感性分析，給出標(biāo)準(zhǔn)化推薦方法，以此對下部井段水力參數(shù)預(yù)測，鉆井液性能可參考鄰井井史參數(shù)對應(yīng)井段鉆井液性能，完成鉆井液性能修改后即可對下部井段進(jìn)行水力參數(shù)預(yù)測。結(jié)合水力參數(shù)與井筒壓力平衡狀態(tài)的氣測響應(yīng)模型，分析地層壓力情況［12］。

4 壓力監(jiān)測工作流程

通過對數(shù)據(jù)信息分類利用，根據(jù)相互關(guān)聯(lián)關(guān)系，形成了基于5大信息源數(shù)據(jù)的一體化壓力監(jiān)測工作方法流程模式，如圖1所示。

圖1 多源信息一體化壓力監(jiān)測方法流程Fig. 1 Flow of the pressure monitoring method integrating multi-source information

5 現(xiàn)場應(yīng)用

多源信息的地質(zhì)工程一體化壓力方法現(xiàn)場應(yīng)用效果驗(yàn)證分為以下兩步：(1)在研究區(qū)塊前期勘探完成后，結(jié)合該區(qū)塊已鉆井實(shí)測數(shù)據(jù)(鉆參、氣測、巖性)，使用dc指數(shù)法回歸計(jì)算模型的未知參數(shù)，算數(shù)平均后得到趨勢線方程，進(jìn)行地層壓力跟蹤；(2)結(jié)合該區(qū)塊已鉆井測井資料(聲波、密度、伽馬)，使用聲波時(shí)差回歸方法計(jì)算地層壓力，與dc指數(shù)法計(jì)算得到的跟蹤壓力對比，驗(yàn)證趨勢線方程的準(zhǔn)確度。

以N和P區(qū)域?yàn)槔?，首先使用Drillworks軟件和Sitecom系統(tǒng)的監(jiān)測井?dāng)?shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)WITSML數(shù)據(jù)格式的實(shí)時(shí)更新及鉆進(jìn)過程中的同步計(jì)算，然后選擇已經(jīng)結(jié)束鉆井作業(yè)的鄰井分析地層壓力數(shù)據(jù)和測井?dāng)?shù)據(jù)，計(jì)算得到模型的Enton指數(shù)為0.5，趨勢線斜率0.000172、截距1.004503。根據(jù)上述模型參數(shù)，對N區(qū)域某2、3井和P區(qū)域某12、15井地層壓力進(jìn)行跟蹤，表2為4口探井聲波計(jì)算與隨鉆監(jiān)測結(jié)果。

表2 N及P區(qū)塊鉆后地層壓力分析Table 2 Analysis of formation pressure after drilling in N and P blocks

通過表2數(shù)據(jù)對比可看出，dc指數(shù)法與聲波時(shí)差法計(jì)算得到的地層壓力相差較小，準(zhǔn)確率高達(dá)94%以上，誤差在6%以內(nèi)，可以應(yīng)用于欠壓實(shí)地層壓力實(shí)時(shí)精準(zhǔn)監(jiān)測。

6 結(jié)論

(1)渤海中深部地層地質(zhì)條件復(fù)雜，綜合考慮區(qū)域地質(zhì)背景、異常壓力成壓機(jī)制、地層物性特征、鉆井管柱條件、鉆頭評估、鉆井液性能、井筒力學(xué)、氣測錄井響應(yīng)、巖屑特征、測井響應(yīng)等多源信息，對傳統(tǒng)欠壓實(shí)地層壓力監(jiān)測方法進(jìn)行了修正。

(2)多源信息融合的地質(zhì)工程一體化壓力監(jiān)測技術(shù)，通過鉆頭破巖效率分析、動(dòng)態(tài)水力參數(shù)計(jì)算及氣測表征響應(yīng)3種手段，剔除了巖性及工具狀態(tài)變化產(chǎn)生的異常噪點(diǎn)，建立了地層壓力約束模型，應(yīng)用于N、P區(qū)域4口探井地層壓力跟蹤，監(jiān)測結(jié)果與實(shí)際地層壓力誤差低于6%。

(3)地層異常壓力成因多樣，Eaton壓力預(yù)測模型僅在欠壓實(shí)地層中具有較好的適用性，隨著鉆井技術(shù)發(fā)展，渤海油田目的層逐漸加深，以古潛山為代表的深部地層異常壓力成因復(fù)雜，后續(xù)將對地層壓力預(yù)測模型進(jìn)行進(jìn)一步完善。