南海深水L–1 井區地層壓力預測技術研究及應用

2020-06-24 01:03:42李華洋吳惠梅趙寶文汪全航

石油地質與工程 2020年3期

李華洋，吳惠梅，2，南沖，趙寶文，嚴科，汪全航

（1.長江大學石油工程學院，湖北武漢 430100； 2.長江大學油氣鉆井技術國家工程實驗室防漏堵漏技術研究室，湖北武漢 430100）

南海深水、超深水油氣勘探開發鉆井與陸地或淺水鉆井相比，難度更大，地層沉積速度更快，地層異常壓力時有發生，很多油氣藏不僅水深、泥線溫度低，而且下部井段存在高壓[1–2]。因此，確定出安全鉆井液密度窗口是確保安全、高效、順利地完成鉆井工作的關鍵。

安全泥漿密度窗口是指地層孔隙壓力與漏失壓力之間的當量密度窗口。與常規的陸地鉆井相比，深水、超深水鉆井對井壁穩定的分析精度要求更高。為防止坍塌、溢流、卡鉆、漏失等問題的發生，這就要求鉆井液密度必須大于鉆井液安全密度窗口的下限，小于鉆井液安全密度窗口的上限[3]。

在南海西部L–1 井區壓力預測中，先根據地震層速度，收集基礎地質資料并對各種試驗數據整理，保證其準確性；再用伊頓法（Eaton）計算地層孔隙壓力，并用黃榮樽法[4]對地層破裂壓力進行預測，將確定的地應力代入庫倫摩爾強度準則，得出地層坍塌壓力對應的鉆井液密度；最后與現場實測結果進行比對，分析誤差，提高預測精度，確定地層壓力。

1 地層壓力預測數學模型

1.1 孔隙壓力預測

L–1 井區巖性以灰色泥巖、砂質泥巖、粉細砂巖和砂泥巖互層為主。目前常見的孔隙壓力預測方法有伊頓法、有效應力法、等效深度法等。伊頓法是現在應用于深水、超深水地層壓力預測中最常用的有效經驗方法之一。該方法在地層正常壓實的基礎上，建立正常壓實趨勢線，結合地層實際的測井數據對偏離正常壓實趨勢線時的地層壓力進行預測計算[5]。對于測井資料和隨鉆資料缺失的井段，則建立基于地震層速度預測孔隙壓力的模型。計算公式為：

式中：kP 為孔隙壓力，MPa；VP 為地層靜壓力，MPa；nP 為靜液柱壓力，MPa；ntΔ 為正常壓實趨勢下的聲波時差，us/ft； tΔ 為通過測井或地震數據得到的該深度點的實際聲波時差，us/ft；n 為伊頓指數。

伊頓指數可通過隨鉆實際測量的地層孔隙壓力求取，其公式為：

由式（1）可以看出，在靜液柱壓力當量為1.03 g/cm3的條件下，求取上覆巖層壓力及聲波時差值之比，結合現場實際地層的伊頓指數，即可計算出地層孔隙壓力大小。

1.2 坍塌壓力預測

地層坍塌壓力當量密度是安全鉆井液密度窗口的下限。從力學的角度來說，造成井壁坍塌的主要原因是井內液柱壓力太低，導致井壁周圍巖石所受應力超過巖石本身的強度而產生剪切破壞[6]。泥頁巖的滲透率極低時，如果泥漿性能優良，可以不考慮泥漿向地層滲透的情況，而把泥頁巖井壁近似看作不滲透井壁。

由庫倫–摩爾強度準則，得巖石的破壞條件為：

式中：1σ 為最大主應力，MPa；3σ 為最小主應力，MPa；φ 為內摩擦角，一般取30°；0τ 為巖石黏聚力，MPa。

由井壁處的周向結構有效應力分析得知，在θ=90°和θ=270°時，井壁有效應力為最大值，井壁坍塌時的有效應力公式為[7]：

式中：rσ 、θσ 分別為在鉆孔壁坍塌有效最大和最小主應力，kN；h1σ 、h2σ 為水平方向不同的地應力，kN；θ 為研究點矢徑與水平最大主應力的夾角，（°）；pP 為破裂壓力，MPa；iP是原始地層壓力，MPa；rθτ為垂向主應力，MPa；α 為有效應力貢獻系數；無量綱；η 為應力非線性修正系數，無量綱。

根據井眼圍巖應力分布規律以及剪切破壞準則[8]，考慮到地層巖石是非線性彈性體的實際情況，可以建立地層坍塌壓力的計算模型[9]：

式中：mρ 為鉆井液密度，g/cm3；H 為井深，m；cF為黏聚力，MPa。

考慮滲透作用時井壁坍塌處三個主地應力為[10]：

式中： f 為地層孔隙度，%。

將其代入庫倫–摩爾強度準則，得到地層坍塌壓力，推導出鉆井液密度計算公式為[11]：

式中：μ 為巖石泊松比，無量綱；α 為Boit 系數，無量綱。

1.3 破裂壓力預測

從力學角度來講，地層破裂壓力是由于井內鉆井液密度過大，使井壁巖石所受的周向應力超過巖石的拉伸強度而造成的[12]。因此，巖石自身性質（如地層裂縫的發育狀況、彈性系數和巖層的抗拉強度）是影響破裂壓力大小的主要因素之一。當拉力增大到足以克服巖石的抗拉強度時，圍巖產生破裂，發生井漏等事故。

聲波測井資料預測破裂壓力是直接應用動態巖石參數預測，而對于靜態巖石參數則通過動態參數代入經驗公式計算出。根據測井得到的地層資料，如地層密度、縱波和橫波時差等計算地層的泊松比、構造應力系數、抗拉強度等參數進而求得破裂壓力。華北油田、中國石油大學和長江大學合作，提出了一套基于聲波資料預測破裂壓力的方法。計算公式如下：

式中：fP 為破裂壓力，MPa；1ξ 、2ξ 為水平方向上兩個不同方向的地質構造應力系數；Sμ 為巖層靜態泊松比；SE 為巖石靜彈性模量，MPa；S 為上覆巖層壓力，MPa；tS 為巖石抗拉強度，MPa。

式中各參數，除孔隙壓力用實測壓力或各種孔隙壓力的預測方法確定外，其他參數均根據聲波測井資料得出。

2 數學模型在L–1 井區的應用

2.1 目標區塊概況

L–1井是一口位于南海鶯歌海盆地陵水凹陷構造中部的直探井，水深988 m，設計井深4 584.3 m。該井自上而下依次鉆遇樂東組、鶯歌海組（一段、二段）、黃流組和梅山組，梅山組A 砂體為主要目的層，其地層壓力系數為1.74～1.91。為確保L–1 井安全施工，對其進行鉆前井壁穩定性分析，結果表明，該區塊狀況復雜多變，壓力窗口狹窄，會發生溢流、卡鉆及井漏等問題。

2.2 地層壓力預測

2.2.1 求取目標地層聲波時差趨勢線方程

在正常壓實地層中，聲波時差值與對應深度地層孔隙度在已知巖性地質剖面下呈正比關系。可以推導出其關系式如下：

將公式兩邊取對數則可轉換為下列形式：

式中： tΔ 為聲波時差值，μs/ft；A、B、C 為相關系數。

由式（10）可以看出，在正常壓實地層中，聲波時差對數值與井深呈正比，而當遇到異常高壓地層時，關系曲線將明顯偏離正常趨勢線方向，由此可判斷正常壓實地層段與異常高壓地層段（圖1）。

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圖1 L–1 井聲波時差趨勢線

根據經驗判斷，在井深約2 600 m 時開始出現異常高壓現象，取1 100 ～2 600 m 為正常壓實地層段，并擬合出正常壓實趨勢線，趨勢線方程如下：

由此可反演出正常壓實聲波時差值。

2.2.2 上覆巖層壓力計算

L–1 井為探井，且無鄰井測井資料，因此，根據鉆前地震層速度資料，運用Gardner 模型得到地層密度數據。本文采用密度補足法求取地層密度，在密度補足法中，通過Gardner 模型建立密度–聲波的相關性，進而可計算上部地層密度。計算模型如下：

式中：ρ 為地層密度，g/cm3； tΔ 為實際地層聲波時差，μs/ft；A、B為系數，本文中均取為0.25。

地層壓力計算中，對上覆巖層的深度進行積分，可求取上覆巖層壓力。

第一段：海水段（井段29.3～1 017.3 m），計算公式為：

第二段：巖層段（井深1 017.3 m 以下），為減小系統的計算誤差，可取目標地層上下層段地層密度的平均值來計算。對深度積分即可求得上覆巖層壓力：

2.2.3 地層壓力計算

將以上計算的各巖石力學參數，代入伊頓公式，結合測井資料就可以得到地層孔隙壓力剖面（圖2）。從圖2 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，表現為異常高壓。將預測結果與鄰井實測地層壓力進行誤差分析（表1、表2），結果表明，孔隙壓力的預測值與鄰井實測值之間誤差最大為1.74%；破裂壓力的預測值與鄰井實測點相比，最大誤差15.50%（該點未漏），能滿足工程需要。