南海西部某井區安全鉆井液密度窗口的確定

李華洋，吳惠梅，嚴 科，劉琬玉，郭金隴

（1.長江大學石油工程學院，湖北武漢 430100；2.福州大學石油化工學院，福建福州 350116）

21 世紀以來我國將油氣勘探目標逐漸轉移到南海深水地區[1]，南海油氣資源極為豐富，預計深水區油氣資源量約300×108t（油當量），有第二個“波斯灣”之稱[2]，具有巨大的戰略意義和非凡的經濟效益。其中尤以鶯歌海盆地和瓊東南盆地為代表，其天然氣地質儲量預計超過4×1012m3，資源潛力巨大[3]。但是南海油氣的開發卻面臨著嚴峻的挑戰，與常規的陸地或淺水鉆井相比，深水、超深水環境下的地層其上部存在嚴重的欠壓實，承壓能力弱，而下部井段則普遍高壓[4]，異常壓力時有發生。想要安全、高效、順利地完成鉆井工作，繪出準確的地層三壓力曲線從而確定出安全鉆井液密度窗口是井身結構設計及施工作業的前提條件。

在鉆井過程中，由于其復雜的地質成因和多變的海洋環境，深水、超深水鉆井對井壁穩定的分析精度要求更高，為防止出現井壁失穩，應合理計算安全鉆井液密度，使井壁既不因鉆井液密度過低而發生剪切破壞，引起地層坍塌，又不因鉆井液密度過高而壓裂地層[5]，嚴防溢流、卡鉆、漏失等井下事故的發生。

1 目標區塊概況

鶯歌海盆地地處印支半島和我國南海北部大陸交接帶，為典型的海上超高溫高壓區域[6]。目標井L-1 井是一口位于鶯歌海盆地陵水凹陷構造中部的直探井，補心海拔29.3 m，泥線深度1 017.3 m，設計井深4 584.3 m，完鉆井深4 448.0 m，自上而下依次鉆遇樂東組、鶯歌海組、黃流組和梅山組，主要目的層為梅山組A 砂體，為深灰色泥巖與粉細砂巖不等厚互層。主要目的層溫度143 ℃～146 ℃，地層壓力系數為1.74～1.83，且存在壓力側向傳遞。對其進行鉆前井壁穩定性分析，結果表明，該區域狀況極其復雜，壓力窗口狹窄，前期已鉆深水井及高溫高壓井復雜情況較多，特別是由于壓力窗口窄導致的溢流、壓井過程中井漏復雜情況率高。

2 地層壓力計算模型的確定

2.1 孔隙壓力計算模型

伊頓（Eaton）法是目前地層壓力預測的最常用的經驗方法之一，但伊頓（Eaton）法準確預測的必要條件是具有實測資料，在鉆井作業中，為了節約成本，深水鉆井通常只對深部目的層井段進行測井作業，導致淺部地層測井資料缺失[7]。故在孔隙壓力計算過程中，具有實測資料的目的層采取伊頓（Eaton）法。對于淺部地層則依據地震層速度資料，建立起基于層速度的孔隙壓力計算模型[8]。計算公式如下[9]：

式中：PP-孔隙壓力，MPa；PV-地靜壓力，MPa；Pn-靜液柱壓力，MPa；Δtn-正常壓實趨勢下的聲波時差，μs/ft；Δt-通過測井或地震數據得到的該深度點實際的聲波時差，μs/ft；n-伊頓指數，可通過隨鉆實際測量的地層孔隙壓力求取。

2.2 坍塌壓力計算模型

計算地層坍塌壓力的前提條件是保證井眼周圍的圍巖都能維持穩定[10]。當井內鉆井液密度太低時，井壁圍巖承受的應力超過巖石本身強度從而發生剪切破壞導致井壁坍塌[11]。

假設地層為線彈性多孔介質，對于直井，在不考慮鉆井液滲流和地層水化的條件下，可以建立如式（2）所示的地層坍塌壓力的計算模型[12]：

式中：H-井深，m；ρm-泥漿密度，g/cm3；FC-巖石的黏聚力，MPa；φ-內摩擦角，一般取30°；σh1、σh2-水平方向地應力，MPa；α-Boit 系數，無量綱；η-應力非線性修正系數，無量綱。

2.3 破裂壓力計算模型

南海西部L-1 井區巖性以灰色泥巖、砂質泥巖和砂泥巖互層為主，鑒于泥巖滲透率很低，所以在鉆井液性能良好時，其向地層滲透的情況可忽略不計，故L-1井井壁可近似看成不滲透井壁。

2002 年鄧金根等根據線性孔隙彈性理論，在綜合孔隙壓力及庫倫-摩爾（Coulomb-Mohr）強度準則的情況下，提出了地層不滲透時破裂壓力計算公式如下[13]：

式中：Pf-破裂壓力，MPa；H-井深，m；St-地層強度性質抗拉強度；μs-巖層彈性系數泊松比；Es-巖石靜彈性模量，MPa；ε1、ε2-水平方向上地質構造應力系數；α-有效應力系數，無因次；PP-地層孔隙壓力，MPa。

公式中的各參數，除孔隙壓力PP用伊頓（Eaton）法確定外，其余參數均由聲波測井資料得出。

3 L-1 井安全鉆井液密度窗口預測

安全鉆井液密度窗口是指既能防止井壁張性破裂又能防止井壁剪切垮塌的鉆井液密度范圍[14]。

首先根據目標井L-1 井的地層壓力預測值及鄰井L-2 井實測點，對L-1 井進行井壁穩定性力學分析，得出L-1 井的安全鉆井液密度窗口，指導不同井段鉆井液密度設計，明確不同井段的井壁失穩風險并預警提示，該井的地層壓力剖面圖（見圖1）。

由圖1 可以看出：L-1 井下部地層鶯歌海組和黃流組壓力逐漸上升，表現出顯著的異常高壓。將預測結果與鄰井實測值進行誤差分析（見表1、表2）。結果表明孔隙壓力的預測值與鄰井實測值之間最大誤差為1.40 %，平均誤差為0.70 %。破裂壓力的預測值與鄰井實測值之間最大誤差為15.50 %（該點未漏），平均誤差為9.31 %，預測精度較高，能滿足工程需要。

表1 L-1 井孔隙壓力預測精度對比表

表2 L-1 井破裂壓力預測精度對比表

圖1 L-1 井地層壓力剖面圖

結合圖1 中信息及L-1 井區地質環境得，L-1 井在樂東組和鶯歌海組一段壓力正常，井壁穩定，隨著深度的加深，異常高壓表現明顯，鶯歌海組二段（2 767 m～3 410 m）至梅山組（4 322 m～4 448 m）安全泥漿密度窗口急速變窄，最小地層壓力窗口僅0.14 g/cm3，故鉆進過程中要謹慎設計合理的鉆井液密度，實行控壓鉆井，避免井壁失穩，確保安全鉆進。

4 結論與建議

（1）伊頓（Eaton）法適用于由欠壓實作用引起的異常高壓區塊，預測值與鄰井實測點相比，孔隙壓力預測誤差最大為1.40 %，平均誤差為0.70 %。由于缺乏L-1 井淺層測井資料而以較遠的鄰井實測資料作為參考，導致破裂壓力預測誤差相對較大，最大誤差為15.50 %（該點未漏），平均誤差為9.31 %。但總體而言，預測精度較高，可指導生產。

（2）鑒于深水、超深水鉆井與常規的陸上或淺水鉆井的不同，建立了基于地震層速度的地層三壓力預測模型，結合測井資料可計算巖石力學參數，繪出地層壓力剖面，進而求得L-1 井安全鉆井液密度窗口，由此可科學設計不同層位安全鉆井液密度范圍。

（3）本文單純從巖石力學角度分析，在實際生產時，除了要參考預測數據，還必須綜合考慮溫度、激動壓力、鉆井液的化學性質及現場施工等因素的影響。