北極永凍區鉆井地層壓力預測方法

范西哲 李 曉 吳永川 張居貴 樓一珊 劉善勇 朱 亮

1. 中海油田服務股份有限公司鉆井事業部 2.長江大學石油工程學院3. 陜西省油氣井及儲層滲流與巖石力學重點實驗室 4. 長江大學錄井技術與工程研究院

0 引言

北極地區油氣資源潛力巨大，據統計該地區已探明原油儲量約400×108m3，天然氣儲量約80×1012m3，石油和天然氣儲量分別占全球總儲量的13%和30%[1-3]。然而，由于北極地區常年處于低溫環境、自然條件非常惡劣、基礎設施相對匱乏、生態環境極為敏感、對環境保護要求嚴苛，造成極地鉆井施工難度大，作業成本和風險高，在北極進行石油鉆探面臨巨大挑戰[4-5]?，F階段，僅有美國、俄羅斯和挪威等少數國家有極地鉆井作業的經驗，相關基礎理論和工程技術尚不成熟[6-7]。北極海域地層廣泛分布凍土層和天然氣水合物，鉆井過程中由于切削摩擦以及鉆井液與地層間的熱交換，使得凍土融化、水合物分解，造成地層欠壓實，承載力低，安全密度窗口窄，易發生井壁失穩、井漏等井下故障。

準確預測地層壓力，對于套管程序設計、安全鉆井液密度確定以及減少油層污染等方面都具有很大的經濟價值和科學意義[8-9]。關于地層壓力的預測方法，國內外學者開展了大量研究，Eaton[10]采用電阻率、dc指數和聲波時差等參數，建立了依賴正常壓實曲線的壓力預測模型。Fillippone[11]基于流體速度和巖石骨架速度的關系開展了孔隙壓力預測方法的研究。Bowers[12]根據聲波時差和地層密度的變化規律，提出了由加載和卸載過程產生的異常壓力確定方法，樊洪海等[13]綜合考慮孔隙度、泥質含量和有效應力的影響，建立砂巖地層聲波速度經驗模型，程遠方等[14]通過室內試驗確定了碳酸鹽巖地層有效應力與縱波速度的關系，并以有效應力原理為基礎，提出了裂縫發育地層孔隙壓力預測模型。上述研究成果中對于正常趨勢線和經驗參數的選擇有較大的人為主觀性，需對區塊地質特征有較深的認識。目前，極地鉆井理論與技術還處于起步階段，俄羅斯、挪威和美國等國家主要開展極地鉆井裝備的研發[9]，鮮有關于極地鉆井理論的相關文獻資料。為此，以北極喀拉海海域冰層為工程背景，通過調研大量文獻并結合前期鉆井資料，分析了研究區塊構造和沉積特征，以Eaton法為基礎，考慮密度變化與聲波偏量的關系，計算了該地區孔隙壓力，建立了該區塊三壓力剖面，研究結果旨在了解北極永凍層地層壓力系統，為日后在該地區進行極地深海鉆井提供借鑒。

1 研究地區地質特征

1.1 喀拉海海域構造特征

喀拉海海域是西伯利亞盆地向北冰洋延伸的一部分，位于新地島東部，面積約88×104km2（圖1），研究海域平均海水深度為118 m，最深處為620 m，從巴倫支海地區主要構造單元分布圖及構造剖面圖可以看出，新地島皺褶系判斷為走滑斷層，喀拉海海域3個主應力關系為：最大水平主應力＞上覆巖層壓力＞最小水平主應力。

圖1 喀拉海海域位置圖

1.2 喀拉海海域沉積特征

目標區塊主要蓋層是中新生界，主力含油氣層系為侏羅系和白堊系（表1）。

表1 R(ED)-1井鉆遇地層及巖性地層表

由表1可知，沉積蓋層自下而上可劃分為下石炭統、上石炭統—下二疊統、三疊系、侏羅系和上白堊統—新生界5套沉積層。三疊系大型斜坡三角洲沉積體和中始新世砂巖是該區塊最重要的儲層[15]。

1.3 喀拉海海域永凍層特征

目標區塊位于高緯度嚴寒地區，常年氣溫在0 ℃以下，在該地區泥面下部存在常規海洋鉆井中不常見的一種地層——永凍層，又稱為凍土，其厚度分布變化大，從50～500 m不等。其強度取決于礦物成分以及填充微裂紋的冰的膠結作用。如表2所示，對東西伯利亞地區凍土層的三塊巖樣進行了循環壓縮載荷測試，載荷變化范圍為0～7 MPa，測試結果表明冰凍狀態下填料越多，強度越大，其發生的沉降位移越小，裂縫中存在冷凍填料會增加巖石的強度[16]。若巖體內部的凍結物解凍后，會引起永凍層或凍土的力學性質的改變，巖石的強度明顯減小，同時沉降位移大幅增加，融化過程提高了巖石的變形能力。

表2 不同巖石在冰凍狀態和非凍結狀態下的力學性質表[17]

2 喀拉海海域地層壓力預測模型

2.1 孔隙壓力評價

孔隙壓力是作用在巖石孔隙中流體的壓力。計算孔隙壓力主要采用壓實曲線法，當地層縱向剖面上的巖性和孔隙流體變化不大時，巖石上部受到正常的壓實作用，隨著地層埋深增加，上覆巖層壓力變大導致壓實程度增大，進而造成地層巖石的孔隙減小、巖石密度變大，其對應的聲波時差逐漸減小。

北極喀拉海海域以海相沉積為主，其沉積物以粉砂、泥質為主，2 500 m以下以泥巖為主，故孔隙壓力的計算以Eaton法為基礎，選用測井資料中的聲波時差數據，得到如下方程[10]：

式中σv表示某一深度下的上覆巖層壓力，MPa；表示地層流體產生的靜液柱壓力，MPa；DTn、DT0分別表示正常壓實條件下的聲波時差、測井獲得的聲波時差，μs/m；n表示Eaton指數，可根據地區經驗或實鉆數據確定。

2.2 地層壓力模型提出

由式（1）可知，聲波時差和上覆巖層壓力是確定地層壓力的關鍵參數。其中，聲波時差反映地層巖性、壓實程度和孔隙特征。如圖2所示，在極寒條件下，巖石中的水主要以固態冰的形式存在，當冰融化成水，巖石內部孔隙發生變化，會影響地層密度和巖石力學性質[18]。另外，上覆巖層壓力也與密度緊密相關，因此，密度是準確計算地層壓力的關鍵。

圖2 礦物顆粒凍結過程示意圖

收集研究地區V-1井等6口井的測井資料，擬合各井聲波對數曲線與井深關系的趨勢線（圖3），各井下部聲波對數相對趨勢線有明顯偏移。

對巖性已知、地層流體變化不大的地層，聲波時差與孔隙度之間成正比關系。然而，由于在巖層上部存在一定厚度的永凍層，密度變化會造成擬合趨勢線的偏移。

圖3 目標區域6口井聲波時差對數—井深散點圖

對于正常壓實的地層：

將上式變換可得：

式中Δt表示地層深度H處的聲波時差，μs/m；Δt0表示地面處的聲波時差，μs/m。

式（3）表示正常趨勢線公式，其中A表示聲波時差趨勢線的斜率，B表示截距，其中A＜0。由該式可知聲波時差對數值與深度呈線性關系。

在半對數曲線上，正常壓實條件下的聲波時差對數值隨深度的增加而逐漸減小，當出現異常高壓時，其數值會偏離正常趨勢線，反映到巖石密度上可以寫為：

式中ρ0表示地面巖石密度，kg/m3；ν表示聲波速度，m/s；νn表示理論聲波速度，m/s；a、b、c表示研究地區經驗系數。

式（4）是基于聲波時差擬合得到的巖石密度，而對永凍層，該層段在極地環境下經過長期壓實、融化以及重結晶等作用形成冰層，Talalay等[19]和Merey[20]分別研究了永凍層密度變化規律，隨著深度的增加，永凍層中的氣體逐漸被壓縮，其孔隙逐漸被純冰充填，在溫度、壓力作用下，永凍層的密度變化規律為：

式中T表示溫度，℃；P表示當前壓力，Pa；P0表示大氣壓，1.013×105Pa。

如圖4所示，轉盤面至泥面位置均為海水，該段深度為hw，泥面以下為一定厚度的永凍層，其厚度為hi，永凍層下部為巖層，巖層厚度為hr，可以通過下式計算：

圖4 目標區域6口井聲波時差對數—井深散點圖

式中ρw、ρi、ρr分別表示海水、永凍層、巖層密度，kg/m3。

3 實例計算與分析

基于喀拉海海域已鉆井的測井資料并結合鉆井工程數據，根據上述地層壓力模型，計算了研究區塊3口井的地層壓力。由圖5可知，各井聲波對數隨井深的分布大致相似，上部具有較好的線性關系，下部趨勢線有一定偏移，分析其原因主要為：①泥面下部永凍層厚度不一；②研究地區地質構造復雜；③測井數據不全。因此綜合考慮各因素，選取了目標區域2口井，以Eaton法為基礎，取Eaton指數n=0.4，計算了其孔隙壓力剖面（圖6）。

圖5 兩口井的孔隙壓力當量密度剖面圖

圖6 兩口井的三壓力當量密度剖面圖

從力學角度來說，造成井壁坍塌的原因主要是由于井內液柱壓力太低，使得井壁周圍巖石所受應力超過巖石本身的強度。研究地區白堊系和侏羅系均存在大段泥巖，上部凍土層解凍后，巖體也表現出較強的變形特征，因此采用摩爾—庫侖破壞準則計算地層坍塌壓力：

式中ρm表示鉆井液密度，kg/m3；c表示巖石的黏聚力，MPa；φ表示巖石的內摩擦角，（°）；α表示有效應力系數。

破裂壓力是井眼裸露地層在井內鉆井液柱壓力作用下使其起裂或原有裂縫重新開啟的壓力，它是由于井壁巖石所受的周向應力超過巖石的抗拉強度造成的，非均勻地應力作用下井壁產生拉伸破裂時的井內鉆井液柱壓力即破裂壓力的計算模型為：

式中pf表示地層破裂壓力，MPa；Q表示構造應力系數；St表示地層抗拉強度，MPa；μ表示泊松比。

結合地漏試驗結果與測井數據確定地應力構造系數，基于現場收集的資料和分層地應力模型計算喀拉海海域上述2口井的三壓力剖面（圖6），由此可確定該地區鉆井液密度安全窗口。

結合地漏試驗，比較了破裂壓力預測結果及實測點（表3），模型預測值與實測值誤差在5.1%以下，預測結果較為準確，能滿足工程需要。

表3 破裂壓力當量密度誤差表

兩口井的孔隙壓力當量密度和安全鉆井液密度窗口計算結果如表4所示，2口井在不同層位均存在一定高壓，但并不明顯。各井區在鉆井時各層位鉆井液密度設計時可參考密度窗口，貼近窗口下限設計鉆井液密度。如圖7所示，對比了R(ED)-1井預測安全鉆井液密度與實測密度，上部白堊系預測值較實鉆密度偏高，進入下部侏羅系地層，密度預測值稍微偏低，整體預測值與實鉆密度吻合度較好。

表4 各井孔隙壓力當量密度、安全鉆井液密度窗口分層統計表單位：g/cm3

圖7 R (ED)-1井預測與實測鉆井液當量密度對比圖

4 結論

1）對于極地深部冰層，裂縫中存在凍結填料會導致巖石強度增加。由于凍結巖石的力學性質發生了變化，在鉆井和后期開采中，都應根據其特性采取合適的技術和方法來規避由其性質的變化帶來的作業安全風險。

2）區別于常規海洋鉆井，極地海水上方存在一定厚度的永凍層，其密度的變化造成聲波時差偏離正常趨勢線，以Eaton法為基礎，提出了考慮密度變化及聲波偏移的巖石密度修正模型，建立了研究地區的地層壓力預測模型。

3）根據模型計算得到的三壓力剖面分析表明，該區域地層壓力系數范圍介于0.87～1.23，安全鉆井液密度窗口范圍介于1.20～1.75，修正模型預測出的地層破裂壓力平均誤差為3.3%，最大誤差僅為5.1%，預測結果能滿足工程需要。