地層壓力監測方法改進及在鉆井中的應用

楊天方 ， 薛曉軍 ，付聯名

1中國石油大學（北京）克拉瑪依校區 2中國石油西部鉆探地質研究院3 中國石油新疆油田分公司

0 引言

準噶爾盆地在形成過程中受構造、沉積、巖性等多重因素影響，普遍存在異常高壓，縱向上主要存在三個高壓系統，上部超壓系統（發育在新生界和白堊系）、中部超壓系統（發育在侏羅系）和下部超壓系統（發育在三疊系及以下層位）［1-2］。盆地異常地層孔隙壓力的廣泛存在，給油氣勘探、開發帶來了很大的困難，如何準確、實時的掌握地層孔隙壓力是鉆井安全［3-4］的首要關注問題。

1 地層壓力監測方法的改進

目前地層孔隙壓力監測和預測方法還存在著精度不夠高、適應面不廣的缺陷［5-7］。地層孔隙壓力監測技術的發展，一方面要適應復雜多樣的地質環境和新的鉆井工藝技術要求；另一方面還要將傳統方法不斷完善，在理論機理和技術方法方面加強研究。dc指數法在準噶爾盆地已得到廣泛應用，通過將dc指數法與測井資料的結合［8］，確定監測地層孔隙壓力模型及其參數，以期提高對孔隙壓力監測精度。

1. 1 隨鉆測井監測孔隙壓力方法及其修正

計算地層孔隙壓力模型有正常趨勢線伊頓（Eaton）法、簡易方法。Eaton［9］建立地層孔隙壓力與測井參數間的關系式如下：

式中: Gp—地層孔隙壓力梯度當量密度，g/cm3；Go—為上覆巖層壓力梯度當量密度，g/cm3；Gh—h處的有效垂直壓力梯度當量密度，g/cm3；m—區域地層系數；k—實際測井參數（聲波、電阻率等）；kn—趨勢線上的測井參數值。

利用密度測井數據可計算出實際的上覆巖層壓力梯度。在計算上覆巖層壓力梯度的過程中，為了計算結果精確，需要對密度測井數據進行進一步校正。

利用簡易方法描述泥質沉積物的聲波速度與垂直有效應力的函數關系：

式中：V—聲波速度，m/s；σv—垂直有效應力，MPa；a、b、c、d—模型的曲線回歸系數。

通過該模型可利用聲波速度確定正常壓實或欠壓實泥巖地層的垂直有效應力，再利用Terzaghi線性方程［10］計算地層孔隙壓力，建立聲波速度與地層孔隙壓力的關系模型，從而用聲波速度測井資料檢測地層孔隙壓力。

1. 2 上覆巖層壓力梯度計算及外推計算

利用處理過的密度測井深度數據直接插值可求得上覆巖層壓力梯度［11-12］。

在測井過程中，由于技術限制不能獲得深部或淺部的上覆巖層壓力梯度數據。經研究，提出了式（3），可獲得較好的外推計算效果：

式中：Go—某一深度的上覆巖層壓力梯度當量密度，g/cm3；h—深度，m；a、b、c、d—該模型的曲線回歸系數。

1. 2. 1 基于錄井資料的孔隙壓力監測方法

在錄井現場，利用dc指數法對地層孔隙壓力的監測過程中，監測結果受到多種因素的影響。通過對鉆頭磨損及壓差的修正，提高dc指數法監測結果的精度。

（1） dc指數法監測地層孔隙壓力。

當鉆進異常高壓地層時，由于高壓地層欠壓實，孔隙度增大，機械鉆速相應地升高。假設鉆井條件（鉆井水力因素和鉆頭類型）和巖性不變（泥巖為軟地層），可得到d指數方程。

d指數法的前提就是保證鉆井液密度不變，但在鉆井過程中難以做到。為了消除鉆井液密度的影響，提出了修正d指數，即dc指數。

式中：ρn—正常壓力段地層流體密度，g/cm3；

ρo—實際使用的鉆井液密度，g/cm3。

通過伊頓建立的地層孔隙壓力與dc指數的換算公式可計算出地層孔隙壓力值［12］。

傳統dc指數計算模型中已考慮機械鉆速、鉆壓、鉆頭尺寸、轉速、鉆井液密度等因素，但是對鉆頭的磨損、壓差等未充分考慮。

（2）鉆頭磨損修正。

不同類型鉆頭的磨損［13-14］對dc指數計算的影響也不相同。對牙輪銑齒鉆頭來講，采用Bourgoyne和Young［12］試驗數據提出的鉆速與磨損之間的簡單關系式來進行修正鉆速：

式中：vROP—機械鉆速，m/h； K—與鉆頭、鉆井液有關的常數； r—鉆頭磨損量；a7—與鉆頭類型相關的一個指數，與鉆頭IADC編碼相關。

通過對牙輪鑲齒鉆頭磨損與鉆速關系的分析，Galle和Woods［15］建立了一個近似的鉆頭磨損方程。（3）壓差的修正。

對于正常壓力地層d指數與井深和壓差的修正規律可從現有的鉆井模式中推導得出。對Bourgoyne和Young［12］鉆速模式的修正已從鉆速系數中分離出壓差的影響系數：

式中：m—壓差影響系數；Δp—壓差，MPa；Db—鉆頭直徑，mm；W—鉆壓，kN；d'—由壓差影響系數折算出的鉆壓指數。

通過統計規律，可將d'與指數d合并可建立正常壓力的趨勢線方程dn：

式中：h—井深，m；ρm—實際鉆井液密度，g/cm3；ρf—地層孔隙壓力等效密度，g/cm3； A'、B'、C'—方程系數。

利用諾瑪納公式［12］與式（7）可得：

通過以上計算即可用地層孔隙壓力等效密度來代表經過壓差修正的地層孔隙壓力梯度。

2 應用實例

2. 1 SM井區

該井區鉆探目的主要是探索卡因迪克—沙灣凹陷白堊系清水河組底部超覆尖滅帶白堊系低位域三角洲河道砂體。該井區通過聯井對比分析，利用修正后的dc方法監測地層壓力結果，得到SM井區各井dc指數趨勢線的斜率（見表1）。經綜合分析，確定沙門井區dc指數法趨勢線斜率為0.000 14。

表1 SM井區已鉆井dc指數趨勢線斜率分布表

將SM井區dc指數相關參數的統計結果應用到SM011井的地層壓力監測中，確定該井的dc指數趨勢線斜率為0.000 14，可利用該趨勢線回歸計算地層壓力系數。SM011井自清水河組中部至三疊系為異常高壓地層，實測該井4 960.00 ～4 608.00 m的地層孔隙壓力計算其系數為1.64。

鉆揭該段地層時，選用的鉆頭直徑為215.9 mm，實際使用的鉆井液密度為1.34 ～ 1.74 g/cm3，利用線性趨勢線回歸該井段地層壓力系數為1.55，與實測誤差為0.09；修正后的dc指數法監測該段的地層孔隙壓力梯度當量密度利用式（8）計算結果為1.61 g/cm3（見圖1）（與地層壓力系數相當），與實測值誤差為0.03。

圖1 SM011井地層壓力剖面

本井在井深4 540.9 m之前，使用鉆井液密度1.49 ～ 1.58 g/cm3，鉆井過程中實時氣測，后放氣，單根氣效應明顯，鉆至井深4 540.9 m時發生油氣侵，并伴有溢流出現。利用改進后的地層壓力監測方法后，現場將鉆井液密度由1.58 g/cm3上調至1.72 g/cm3。本井在4 540.9 m多次發生溢流，通過精確監測地層壓力變化，安全高效完成鉆井作業。通過以上應用表明，經過修正的dc指數方法計算的地層孔隙壓力值與實測值的誤差進一步減小，更接近實際的地層孔隙壓力。

2. 2 MS1井

MS1井鄰井鉆探資料表明該區地層壓力系統復雜，正常壓實、壓力過渡帶、高壓和超高壓并存，地層壓力跨度大，給井身結構優化和鉆井液密度的合理使用帶來諸多困難。

參照MS1中完測井聲波速度趨勢線的分析，根據密度測井及Terzaghi方程確定MS1井聲波速度與地層孔隙壓力的計算模型。

侏羅系以下地層：

式中：V—聲波速度，m/s；Pe—地層孔隙壓力梯度當量密度，g/cm3。

在圖2中，梯度值均以當量密度單位換算。侏羅系三工河組4 470 m地層進入異常高壓區。進入高壓區后，地層壓力系數逐漸增至1.90，5 300 ～6 360 m為超高壓地層，地層壓力系數最高至2.10。由于井段6 300 ～ 7 500 m壓力系數略微降低，在1.85 ～ 1.93之間變化。

圖2 MS1井地壓力監測層壓力

7 134 ～ 7 160 m處的壓力系數實測值為1.89，利用式（9）計算模型得到的壓力系數為1.88。利用線性回歸計算的dc指數法監測壓力系數為1.83，修正后的dc指數法監測該段的地層孔隙壓力梯度當量密度利用式（8）計算結果為1.87 g/cm3，表明修正后的dc方法監測精度較高。鉆揭該段地層時，實際使用的鉆井液密度為1.62 ～ 1.78 g/cm3。考慮dc指數監測結果，最終確定該段使用鉆井液密度為1.75 ～ 1.90 g/cm3。

3 結論和認識

（1）在欠壓實地區，對dc指數監測地層壓力方法中的鉆頭磨損、壓差因素的修正，結合區域趨勢線和上覆巖層壓力計算模型方法，能夠提高dc方法地層壓力監測的精確度。

（2）對壓力系統比較復雜的地層系統，利用測井資料建立的聲波時差與地層壓力計算模型與經修正的dc指數比較而言，該計算模型較精確。