尼日尔三角洲A区块异常高压层钻进对策

沈国敏，赵增新，赵 群，樊子华，贾正旭，徐严芬

（1.中国石化国际石油勘探开发有限公司，北京100083；2.中国石化河南油田分公司石油工程技术研究院；3.中国石化河南油田分公司第一采油厂）

尼日尔三角洲A区块异常高压层钻进对策

沈国敏1，赵增新1，赵 群1，樊子华2，贾正旭3，徐严芬3

（1.中国石化国际石油勘探开发有限公司，北京100083；2.中国石化河南油田分公司石油工程技术研究院；3.中国石化河南油田分公司第一采油厂）

尼日尔三角洲异常高压层的存在严重影响钻井作业的安全进行，特殊的地质条件造成的喷漏同层给压井作业带来了极大挑战。探讨了该区异常高压形成的原因和机理，并在总结A区块各种实钻资料的基础上，对该区块地层压力进行了预测。利用所获得的压力预测方程并结合钻进过程中的随钻测井资料，可以实时预测地层压力，以便于及时发现异常高压层。对A区块钻遇异常高压层的实例进行了分析，并提出了安全钻进措施。

尼日尔三角洲；异常高压；压力预测；实例分析

尼日尔三角洲盆地位于大西洋几内亚湾内，是一个正在发展中的中、新生代大型三角洲，也是世界上最大的海退型三角洲，总面积30×104km2［1］。高压层长期影响着尼日尔三角洲盆地的钻井作业，异常压力造成的井喷事故以及由此造成的其他事故贯穿于尼日尔三角洲的开发过程中。中石化集团于2004年开始尼日尔三角洲A区块的勘探开发工作，在勘探初期由于地质与钻井资料的不充分，对地层压力特别是地层异常压力认识不清，井涌后压井过程中发生漏失并进而发生卡钻事故，造成了巨大的经济损失。在后续钻井过程中，逐渐认识了地层压力的规律并制定了异常压力层钻进的针对性措施，较好地解决了这一难题。

1 异常高压形成机理

尼日尔三角洲盆地是典型的海退三角洲沉积地层，泥质沉积物的压实不平衡（欠压实）是该沉积盆地中形成异常高压的主要原因。该盆地在沉降中，大量的沉降作用形成了以碎屑岩为主的巨厚沉积层，厚页岩层夹有砂岩，大量沉积物的快速沉降导致某些砂岩体完全被页岩包围，沉积剖面中泥页岩含量远高于其它岩性。不平衡压实主要是由泥页岩沉积物的压实作用所引起的，正常压实过程中，随着岩石孔隙度的减小，地层中多余的流体将会通过通道流出地面，压实与流体排出达到平衡，不会形成异常高压。但在快速沉积过程中，随着上覆岩层压力急剧增加，岩石孔隙率趋向于快速减小，岩石孔隙中流体的排出速度与孔隙率的减小无法平衡，于是部分流体将滞留于孔隙中，孔隙流体排出受阻，压实作用受到抑制或减弱。当继续发生沉积，上覆地层载荷增加，由于地层中的流体不可压缩，所以沉积物不能压实，流体将支承某些盖层并承担一部分负荷压力，从而流体压力高于静水压力形成异常高压，同时造成地层的欠压实［2－3］。

2 地层孔隙压力预测方法

目前利用声波测井资料检测地层孔隙压力是最常用也是比较准确的方法［4－5］，该方法主要用于泥岩地层欠压实机制下形成的异常高压预测。

2.1 垂直有效应力

对单一岩性，声速主要是孔隙度和垂直有效应力的函数。对于处于原始加载应力状态下的泥岩地层，其孔隙度又是垂直有效应力的函数，故对于泥岩地层，声速主要是垂直有效应力的函数。实践表明，采用式（1）的线性与指数组合形式模型能够比较合理准确地描述地层中沉积物声波速度同垂直有效应力变化的函数关系：

式中：V——声波速度，km／s，Pe——垂直有效应力，MPa；Δt——声波时差，μs／ft；a，k，b，d——经验系数。

可以根据上部正常压实段的声波速度V和正常孔隙压力条件下计算所得的有效应力Pe数据来求取上述公式中的经验系数。

2.2 上覆岩层压力和垂直有效应力的确定方法

一般采用上覆岩层压力梯度的理论值为22.7 kPa／m（假设岩石骨架密度为2.5 g／cm3，孔隙度为10%，流体密度为1.0g／cm3）。实际上由于压实作用及岩性随深度变化，上覆岩层压力梯度并不是常数而是深度的函数；而且不同地区压实程度、地表剥蚀程度及岩性剖面也有较大差别，故上覆岩层压力梯度随深度的变化关系也不一定相同，实际应用时，应根据本地区地层的具体情况来确定。

某一深度以上地层岩石骨架和孔隙流体总重力产生的压力可由（2）式确定：

式中：P0——上覆岩层压力，Pa；Hw——水深（陆上为0），m；H——垂直方向上的深度（按海平面或地表算起），m；ρw——海水密度，kg／m3；φ——孔隙度，0～1；ρf——孔隙流体密度，kg／m3；ρma——岩体骨架密度，kg／m3。

在不同井深处的孔隙度可通过（3）式来计算［6］

式中，ρb——岩石密度，kg／m3。

在尼日尔三角洲地区，基岩密度ρma可取为2.6 g／cm3，地层孔隙流体密度ρf可取为1.021 g／cm3［6－7］。

确定了上覆岩层压力并结合实测的地层孔隙压力，就可根据式（4）确定某给定深度的垂直有效应力，从而根据式（1）拟合求得本区块声波速度与有效垂直应力的关系，建立起地层压力预测的方法。

上式中Pp为地层孔隙压力。

2.3 尼日尔三角洲A区块地层压力预测情况

中国石化所属尼日利亚尼A区块位于尼日尔三角洲核心地带，由于缺乏准确的三维地震资料，该区块地层压力不清，给钻井施工带来了各种困难。最为典型的是对该区异常高压预测不够，重视不足，造成了严重的事故。通过已钻井的实钻资料和测井资料，可以实现对该区地层压力的预测。所用的数据为实测地层压力、声波时差、密度测井所得的岩石密度。根据声波时差求得声波速度，由岩石密度求得岩石孔隙度进而求得上覆岩层压力，最后求得地层垂直有效应力，利用上述数据对声波速度V和垂直有效应力Pe按（1）式进行数据拟合，求得的回归方程可以用于在实钻过程中利用LWD声波数据预测地层压力，以便及时发现异常压力。本区块已完钻3口井，根据3口井的测井资料，回归所得声波速度V和垂直有效应力Pe间的关系为：

A区块压力与井深、声波速度与井深关系见图1、图2。

图1 A区块压力与井深的关系

图2 A区块声波速度与井深关系散点图

3 现场实例

Kukaku－1探井位于尼日利亚尼日尔三角洲核心地带，该井设计为直井，设计井深3 505 m。2008年11月14日φ660.4 mm钻头一开，2009年1月3日φ311.1 mm井眼钻至3 130 m时发生溢流，关井后压井。在压井过程中发生井漏，由于油基泥浆储备不足，采用海水循环，导致井塌发生卡钻。多次堵漏无效，井口无返出。打水泥塞封固下部井段，三次切割钻具，由于卡点不断上移，整个裸眼段钻具基本被埋，最终于φ339.7 mm套管鞋下58.5 m处切割解卡成功。填井，扫水泥塞至1 794 m并于该处开始侧钻，钻至3 130 m后完钻。该事故造成报废进尺1 335 m，损失作业时间近50 d，造成经济损失约940万美元。

根据邻区实钻井资料，该井在井深3 352 m以上为正常压力，压力梯度9.0～11 kPa／m；邻区块已钻Keremo－1井部分测压资料显示，在深度3 569.2 m（H砂组）存在压力异常。对比待钻井Kukaku－1井和实钻井Keremo－1井的地质分层情况，待钻井Kukaku－1井在3 259.2 m以下可能存在压力异常。根据异常压力的分布情况和地层岩性，井身结构和钻井液性能设计如表1所示，图3为实钻井身结构。

发生井涌的原因主要在于对区域地层压力与可能存在的异常高压认识不清，设计泥浆密度不合理，提前钻遇H层高压层时思想准备不足，措施不到位，关井时间长，较高的关井立压使所需压井密度较高，压井泥浆密度与地层漏失当量密度窗口太窄，增加了处理难度。侧钻时根据实钻地层压力调整了井身结构并重新设计了泥浆密度，采用调整后的井身结构和泥浆密度顺利钻至完钻井深。井身结构见图3，原井眼和侧钻井眼的实钻泥浆密度见图4。

表1 Kukaku－1井实钻井身结构和钻井液性能设计

图3 Kukaku－1井实钻井身结构

4 结论及建议

（1）建立本区块较为精确的压力剖面，特别是对异常高压层应有明确的提示，井身结构的设计应有针对性，确保钻遇异常高压层时的压井泥浆密度与裸眼井段的漏失当量密度之间有较大的窗口，避免压井时喷漏同层的出现。

（2）新探区在缺少相关资料的前提下，钻进中要跟踪检测地层压力的实时变化并根据跟踪结果及时调整钻井液密度以保证井下钻井的安全。

图4 Kukaku－1井侧钻和原井眼泥浆密度

（3）根据地层压实程度、渗透率、孔隙度等参数研发与地层配伍的喷漏同层条件下高密度随钻堵漏钻井技术。

［1］ 刘新福.尼日尔三角洲油气分布特征［J］.河南石油，2003，17（增刊）：1－3.

［2］ 高岗，黄志龙，王兆峰，等.地层异常高压形成机理的研究［J］.西安石油大学学报，2005，20（1）：1－5.

［3］ 梁红军，樊洪海，贾立强，等.利用声波时差检测地层孔隙压力的新方法［J］.石油钻采工艺报，1998，20（2）：1－5.

［4］ 樊洪海.利用声速检测欠压实泥岩异常高压的简易方法与运用［J］.石油钻探技术，2001，29（5）：9－11.

［5］ 樊洪海.测井资料检测地层孔隙压力传统方法讨论［J］.石油勘探与开发，2003，30（4）：72－74.

［6］ Joseph Ajienka，Franck Egbon，Uchechukwu Onwuemena.Deep offshore fracture pressure prediction in the Nigeria Delta［C］.SPE128339.

［7］ O O Owolabi.Prediction of abnormal pressures in the Niger Delta Basin using well logs［C］.SPE21575.

The abnormal high pressure formation in Niger delta severely affected safe drilling operation.The special geological condition that the lost circulation point and over flow formation exist in the same section has brought big challenges for kill well operation.The reason and mechanism for the formation of abnormal high pressure in Niger delta was discussed and the pressure prediction model was presented based on actual drilling and logging data of completed wells in A block.The real time pressure during drilling can be predicted by adopting the prediction model combined with the real time drilling and logging data to detect the abnormal high pressure timely.A case for actual drilling abnormal high pressure in A block was analyzed，detailed and countermeasure for drilling abnormal high pressure formation was suggested.

87Drilling countermeasures for abnormal high pressure formation of A block in Niger delta

Shen Guomin et al（Sinopec International Petroleum Exploration and Development Corporation，Beijing 100083）

Niger delta；abnormal high pressure；pressure prediction；case study

TE242

A

1673－8217（2012）02－0087－03

2011－09－15

沈国敏，高级工程师，硕士，1966年生，2002年毕业于石油大学（华东）油气田开发专业，主要从事海外项目钻井技术管理工作。

李金华