探井孔隙压力复合预测方法研究

陈子剑，邓金根，蔚宝华

(1.油气资源与探测国家重点实验室，北京 102249；2.中国石油大学，北京 102249)



探井孔隙压力复合预测方法研究

陈子剑1，2，邓金根1，2，蔚宝华1，2

(1.油气资源与探测国家重点实验室，北京 102249；2.中国石油大学，北京 102249)

针对常规探井孔隙压力计算模型选择困难、计算参数反演误差大的问题，运用水力连通方法和断层稳定性方法完善计算参数，提高孔隙压力预测精度。结果表明：利用水力连通原理对参考井孔隙压力测试结果进行修正可以有效提高计算参数反演的精度；对于任意稳定断层，存在地层孔隙压力上限值，当断层倾角为65.2 °时该值最小，该结论可用于进一步校正计算参数。实践表明，该方法预测的孔隙压力精度可达92.75%以上，具有良好的推广应用价值。

西湖凹陷；异常高压；孔隙压力预测；断层稳定性方法；水力连通方法；参数反演

0 引 言

目前孔隙压力预测方法主要是利用经验模型和地震数据进行计算，结合邻井数据对计算参数进行反演，从而得到钻前预测孔隙压力[1-4]。但常规方法还存在以下问题：当可参考的邻井数据不足时，反演的计算参数精度较低；异常高压成压机制多样，单一的计算模型无法适用于所有的成压机制[5]；深层地震数据精度不足，对深层孔隙压力预测具有极大的不确定性。随着勘探程度提高和地质环境愈加复杂，常规孔隙压力预测方法已经不能满足要求。为此，结合常规方法、水力连通方法和断层稳定性方法，提出了多种方法结合的探井孔隙压力复合预测方法，并在东海西湖凹陷的深探井进行了应用，效果显著，有效指导了现场钻井。

1 复合预测方法研究

常规孔隙压力预测方法存在计算参数反演不准确和方法选择困难的问题。对于一个多种成压机制共同作用导致的异常高压，无法确定合理的预测模型，即使选择了合理的预测模型，预测结果的准确性很大程度上取决于计算参数。因此，弥补常规孔隙压力预测方法的不足关键在于如何修正预测模型的参数。

1.1 水力连通方法

在常规孔隙压力预测中，虽然通过邻井的反演获得了计算参数，但为了进一步提高预测精度，已钻井的孔隙压力实测结果往往被直接用于计算参数的校正。值得注意的是，不同井的地质构造和地层沉积各有差异，海洋钻井中水深也会有差异，因此，直接采用邻井的孔隙压力测试结果进行校正会导致较大的误差，需要进行孔隙压力测试结果的转化，利用转换后的测试结果进行校正。

张金才[6]认为地层压力的转化应该符合饱和地层水力连通原理，如式(1)。Aadnoy[7]也提出了考虑水深影响的地层压力测试结果校正方法。二者的区别在于张金才采用了地层流体密度，而Aadnoy则采用了海水密度。

p2p=p1p+ρfg(H2p-H1p)

(1)

式中：H1p为已钻井的压力测试点深度，m；H2p为待钻井的压力测试点深度，m；p1p为已钻井地层压力，MPa；p2p为未钻井地层压力，MPa；g为重力加速度，m/s2；ρf为地层流体密度，g/cm3。

但是，地层压力的形成是由于地质沉积和构造运动的作用，而上述方法忽略了地层沉积的层序性特征，会造成压力校正的重大误差。因此，有必要首先根据不同井的地层分层进行深度校正，再根据水力连通性原理进行压力转化，如图1所示。假设连通地层的压力为等比例分布，定义地层转化系数为压力测试点深度占该地层的比例。根据已钻井的地层分层和压力测试数据可求得地层转化系数。

(2)

式中：k为地层转化系数；H1t为已钻井的压力测试点所在地层的顶部深度，m；H2t为待钻井的压力测试点所在地层的顶部深度，m；H1b为已钻井的压力测试点所在地层的底部深度，m；H2b为待钻井的压力测试点所在地层的底部深度，m。

图1 地层压力校正示意图

根据待钻井的预测地层分层求出校正的地层压力测试点深度，结合式(1)、(2)，可知待钻井预测点的压力系数为：

(3)

式中：ρ1p为已钻井的地层孔隙压力系数；ρ2p为未钻井的地层孔隙压力系数。

1.2 断层稳定性方法

断层是地壳中普遍发育的一种地质构造，是油气运移的重要通道之一，对油气的保存具有重要意义。当断层间隙中的孔隙流体压力足够大时，断层容易发生滑动，导致油气通过断层进行运移从而释放孔隙压力，直到重新达到稳定[8]。因此，对于稳定的断层，能够承受的孔隙压力具有一个上限。而这个上限值可以对孔隙压力计算结果进行验证和校正，如果孔隙压力超过地层压力上限值，说明预测孔隙压力有误。

对于断层发育地区，由于断层弱面已经产生，断层滑动几乎不需要克服岩石固有剪切强度，此时断层面发生滑动只需要满足Byerlee定律[9]。以正断层为例，断层面滑动最容易发生在上覆岩层压力与水平最小地应力作用的截面上，结合该断层面上的有效正应力与有效剪应力[8]，可得：

(4)

利用式(4)对断层倾角求导，可得断层面首先达到滑动条件的角度：

(5)

式中：βcriti为临界断层倾角，°；μ一般取0.85，所以βcriti≈65.2 °，即如果地壳中存在这各种取向的断层面，则倾角为65.2 °的断层面最容易滑动。

由式(4)可知，随着断层间隙流体压力不断增大，断层面上的摩擦力会逐渐减小，当摩擦力不足以克服剪应力时，断层便会发生滑动，此时断层中的流体释放，孔隙压力会降低直至断层达到新的稳定状态，因此，断层稳定条件下能够承受的孔隙压力具有一个上限值。

结合式(4)、(5)可得孔隙压力上限的最小值：

(6)

结合分层地应力计算模型[10]可得：

(7)

式中：εh、εH均为应力构造系数，h为深度，m；α为有效应力系数；μs为地层静态泊松比，Es为弹性模量，可由动态泊松比和弹性模量转化。

2 现场应用分析

东海西湖凹陷位于东海陆架盆地浙东坳陷东部，该区普遍存在高压状态，成压机制包括欠压实、烃类生成和构造地应力加载[11]。P1井为西湖凹陷的一口高温高压探井，预钻井深超过5 000 m，邻近已钻井B1井发生了严重的溢流。选择Eaton模型并参考B1井压力数据预测P1井孔隙压力当量密度，预测结果显示P1井孔隙压力当量密度在P9层之后逐渐增大，最大可达1.72 g/cm3(图2)。然而该地区平湖组下部的孔隙压力当量密度普遍在1.80 g/cm3以上，该预测结果明显偏小。为进一步确认合理的孔隙压力，利用水力连通方法和断层稳定性方法对P1井孔隙压力进行校正。

图2 P1井地层孔隙压力当量密度预测

利用水力连通方法对参考井P1、B1井的孔隙压力实测点进行转化，转化结果如表1所示。利用断层稳定性方法，确定P1井孔隙压力当量密度上限最小值。图2对比了常规预测方法结果与复合方法测试结果，常规预测方法结果比水力连通方法转化的实测结果小，因此该井孔隙压力当量密度大于1.72 g/cm3。另一方面，该井孔隙压力当量密度上限最小值在P12层可达2.02 g/cm3，说明当孔隙压力当量密度超过2.02 g/cm3时，断层很可能发生活动导致孔隙压力释放，因此，孔隙压力当量密度不应超过2.02 g/cm3。

表1 地层压力实测值校正

图3为复合方法预测的P1井孔隙压力当量密度与实钻情况对比，预测P1井孔隙压力当量密度从P9层逐渐增大，在P11层之后超过1.20 g/cm3，最高可达1.92 g/cm3。进入P12层之前，实际泥浆密度基本大于或接近地层孔隙压力当量密度，气侵量不大；进入P12层之后，泥浆密度略低于预测的孔隙压力当量密度，气侵量明显增大。P1井最终获得2个有效的实测压力点，实测压力与预测地层孔隙压力当量密度的误差分别为7.25%和2.69%，说明复合方法预测的孔隙压力与地层实际情况基本吻合。

图3 P1井实钻情况

3 结 论

(1) 对于探井，由于邻井孔隙压力实测结果有限，并且地层差异较大，可能导致常规孔隙压力预测方法的参数反演存在较大的误差。同时，复杂地区异常高压往往是多种机制共同导致的，很难区分主次关系，因此，难以确定合理的孔隙压力预测方法。

(2) 当采用邻井孔隙压力实测结果进行计算参数校正时，可以利用水力连通方法对邻井的孔隙压力实测结果进行转换，从而避免地层差异导致的误差。

(3) 当断层间隙流体压力增大到一定程度时，容易引起断层滑动和流体释放，因此，地层所能承受孔隙压力具有一个上限。倾角为65.2 °的断层最容易发生滑动，此时孔隙压力上限值最小，该角度下的孔隙压力上限值也可以用于孔隙压力预测的计算参数校正。

(4) 东海西湖的深探井孔隙压力预测实践表明，探井孔隙压力复合预测方法能够有效提高孔隙压力预测精度，保证钻井安全，对探井孔隙压力预测提供了新的理论支撑。

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编辑 朱雅楠

10.3969/j.issn.1006-6535.2016.01.006

20150902；改回日期：20151116

国家自然科学基金“气体钻井井壁失稳与井眼净化机理研究”(51134004)

陈子剑(1988-)，男， 2011年毕业于中国石油大学(北京)石油工程专业，现为该校油气井工程专业在读博士研究生，主要从事岩石力学和地质力学方面的研究。

蔚宝华(1973-)，男，副教授，1996年毕业于江汉石油学院石油工程系钻井工程专业，2006年毕业于中国石油大学(北京)油气井工程专业，获博士学位，现从事油气井井壁稳定和出砂预测研究。

TE172.4

A

1006-6535(2016)01-0025-03