随钻地层压力综合评价技术在莺歌海盆地超压井中的应用

(中法渤海地质服务有限公司湛江分公司，广东 湛江 524057)

汪卉娟 (武汉时代地智科技股份有限公司，湖北 武汉 430040)

莺歌海盆地中深层异常高压(超压)区域受他源、自源及沉积环境影响，其超压成因机制及分布复杂且盆地内泥底辟发育，钻探难度大。已钻探井资料显示，地层压力系数最高可达2.35，地层温度最高251.76℃，地温梯度高达5.51℃/100m，压力梯度快速增加，主要表现为中深层常常由常压急剧变为超压。在复杂的压力系统环境下，随钻压力监测技术能够有效地避免超压引发的钻井事故，并对海上超压井安全高效钻进提供重要参考依据。

目前地层压力监测技术主要利用dc指数、声波时差与电阻率等资料实时计算地层压力，方法较单一，影响因素较多，监测精度无法达到作业需求。在南海区域地质背景下，笔者根据莺歌海盆地多年的随钻地层压力技术研究成果，结合丰富的现场压力监测作业经验，充分整合测井、地震、录井、油气井中途测试(DST)、钻后模块式地层动态测试器(MDT)、钻井液等资料，建立起一套随钻地层压力综合评价新技术。

1 超压成因有效识别

莺歌海盆地中深层因其特殊的地质构造，易造成次生超压和泄压现象，大大增加了安全钻井的难度，因此必须准确、有效地识别超压形成的原因。超压成因不同，油气成藏条件和分布也不同，预测压力的方法也有所差异。

超压成因类型一般以鲍尔斯分类[1]为依据，分为欠压实、流体膨胀、侧向传递及构造加载4类，并指出其中的流体膨胀包括热作用、有机质成熟作用、黏土矿物成岩作用过程中粒间水的排出或膨胀。近年来，不少学者发现成岩作用，尤其是泥页岩中蒙脱石-伊利石的转化作用对超压形成具有较大贡献，这与流体膨胀机制存在差异。此外，赵靖舟等[2]将超压分为不均衡压实、流体膨胀、成岩作用、构造挤压、压力传递5种成因类型，其中流体膨胀包括生烃作用、油裂解气、水热膨胀等，以生烃作用最为重要；成岩作用包括蒙脱石-伊利石转化作用、石英的溶蚀与胶结作用等。

鲍尔斯通过有效应力-声波速度、密度-声波时差关系提出了鲍尔斯图版，即孔隙度-垂直有效应力关系图，又称加载-卸载曲线[1]。赵靖舟等[2]在总结多种超压成因的基础上，提出了垂向有效应力-声波速度、密度-声波速度交会图判识图版(见图1)，该方法在判别莺歌海盆地超压成因中应用效果较好。

注：A为压实不均衡等效深度；B为正常压实/常压；C为黏土矿物转换超压；D为压实不均衡超压；E为构造挤压超压；F为流体膨胀(生烃等)/传导超压。图1 不同成因超压的垂向有效应力-声波速度及密度-声波速度交会图(据参考文献[2])

2 优选测井参数实时计算地层压力

当压实作用未能遵循正常压实趋势时，地层的实际压实程度与同深度下的正常压实程度产生偏离，其偏离程度能够直观反映地层异常压力的大小[3]。因此，在实际工作过程中，必须选取能够表征压实特性的测井参数进行量化、分析，计算地层压力。

由于异常压力成因不同，压力指示参数与地层压力变化存在不同响应特征。对于以压实作用为主因的自源型地层压力，压力指示参数如dc指数、电阻率、声波时差均与地层压力变化存在明显相关性，该类压力易于定性观察发现和定量计算。对于以构造作用及流体动力为主因的他源型地层压力，常规的监测和计算方法很难检测到压力的变化，压力指示参数会出现明显分歧，因此必须依据地层孔隙度与油气水体积空间的匹配关系来分析地层压力的变化。对于因构造运动引起的地层上浮或者下降，造成与底部超压层位相连通或者与上部低压层位连通导致地层异常高压或异常低压的情况，则需要从地质构造运动与当前地震资料对比分析中确定是否有传导超压和泄压的事实存在。因此，只有确定压力类型，才能从存在分歧的压力指示参数中优选出能够准确反映地层压力变化的参数，选择正确的监测模型进行计算分析。

dc指数具有及时、连续、准确的特性，能够很好地反映地层的压实特性，被广泛应用于计算地层压力。研究表明，欠压实作用是形成莺歌海盆地超压的主要因素，即由于泥岩孔隙中高压流体的排放与较高的沉积速率不匹配造成了盆地的超压，此外新生流体以及水热增压等辅助作用将压力进一步升高，使超压进一步加剧[4]。莺歌海盆地新构造期以来，快速沉积沉降引发的一系列地质事件为超压的形成奠定了基础，而巨厚泥岩的垂向封盖及区域大断裂的侧向遮挡有利于超压的保存[5]。实钻结果表明，在莺歌海盆地自源型超压地层中使用dc指数结合伊顿法计算地层压力可靠性较高。

随钻实时测井数据为地层参数真值，既能监测地层应力及地层压力的变化情况，还可及时提供优化钻井作业方案的信息，减少钻井事故的发生[6]。地层的体积属性(如dc指数和密度)对构造挤压或泄压的响应较小，而泄压作用造成地层再加载，并使裂缝型孔隙闭合，从而改变传导性能，因此传导属性(如声波时差、电阻率)的响应较为敏感。实钻过程中，一般使用随钻测得电阻率和声波时差并实时传输至工作站，结合地层岩性、密度和孔隙度等资料，使用伊顿法或等深度法计算并评价地层压力。声波时差和电阻率随钻压力评价在莺歌海盆地泄压型地层中的应用效果尤为显著。

3 垂直地震剖面方法反演预测地层压力

垂直地震剖面(VSP)是一种井中地震观测技术。与地面地震相比，VSP资料的信噪比和分辨率较高，地震波的运动学和动力学特征更为明显。该技术提供了地层结构与地面测量参数之间最直接的对应关系，为地面地震资料处理解释提供了精确的时深转换及速度模型[7]。随着莺歌海盆地超压项目的持续推进，地质情况和压力系统日趋复杂，钻探难度日益增大，预测层位和预测压力与实钻结果均存在较大差异。为了更准确地预测超压砂体层位和压力，一般在钻前预测异常压力变化较大的界面深度之上约50～150m处起钻，进行中途VSP作业，利用中途VSP资料反演钻头以下地层速度，进而预测钻头以下(一般小于300m距离)地层压力系数。

4 录井参数辅助判断地层压力

1)利用工程录井参数对超压层进行预警。在钻井过程中，发现钻井速度突然变快，控制钻时进尺0.5m以内，在返出的气测录井显示前，通过循环观察泵压、悬重、流量返出等综合判断是否已揭开超压层，提前进行预警及控制措施，避免地层流体进入井筒使井况恶化。

2)利用气测录井参数辅助判断地层压力。通过气测录井判别流体性质，初步进行储层评价，不仅能快速、准确地发现油气资源，还可以反映井眼情况，对井涌、井喷等事故进行预警。若钻井液气侵或检测含气异常则预示超压层的存在，据此可粗略估算地层压力，对钻进时合理选择钻井液密度提供指导依据[8]。

5 应用

乐东L构造位于莺歌海盆地凹陷斜坡带南段，为中新统梅山组一段近物源海底扇。L21井位于乐东L区大型构造脊上，下伏断层、裂缝发育，沟通烃源，油气垂向运聚条件好。

5.1 识别超压成因

图2为L21井泥岩垂向有效应力-声波速度及密度-声波速度交会图，可以看出，上新统莺歌海组至中新统黄流组一段随着深度的增加，垂向有效应力和声波速度均保持增大趋势。对比经典模型分析认为，该段地层超压成因以压实不均衡等效深度为主，黄流组二段至梅山组(井底)随着深度的增加，垂向有效应力和声波速度均减小；与经典模型对比分析认为，该段地层超压成因以流体膨胀(生烃等)/传导超压为主。钻后DST结果证实了上述结论。

注：1psi=6.895kPa。图2 L21井泥岩垂向有效应力-声波速度及密度-声波速度交会图

5.2 优选测井参数计算地层压力

L21井从3465m(莺歌海组二段)开始压力指示参数在指示压力变化过程中出现明显分歧，表征可钻性的dc指数无明显变化，表征传导属性的声波时差和电阻率均显示地层压力降低，表征地层体积属性的密度虽有所减小，但变化幅度小于声波时差和电阻率。通过钻后MDT测压表明，该段地层(见图3中方框所示)地层压力系数逐步降低至1.5左右，优选声波时差和电阻率2个敏感性较强的参数更能真实反映地层压力的变化(见图3)。

图3 L21井测井参数评价地层压力

5.3 VSP预测层位及地层压力

L21井钻前预测主要目的层砂体顶深为4095m，孔隙压力系数2.03～2.19，实钻中发现层位和地层压力均与钻前预测有所偏差；为了更安全地完成钻探任务，钻至3965m决定起钻进行中途VSP作业。利用VSP反演数据预测目的层砂体顶深为4060m，压力系数2.18，实钻目的层砂体顶深为4056m；随钻中使用dc指数、声波时差、电阻率进行地层压力监测，实时评价地层压力系数为2.18～2.23，钻后MDT测得该层段压力系数为2.21(见图4)。VSP预测结果和随钻压力监测结果均可满足作业需求。

5.4 气测录井辅助判断地层压力

L21井钻至目的层砂体(深度4056m)后连续出现单根气，表明井眼处于欠平衡状态，地层压力大于循环当量密度(1.96g/cm3)，此后逐渐加大钻井液密度至2.15g/cm3，循环当量密度提高至2.25g/cm3，但仍存在少量单根气，再次加大钻井液密度至2.16g/cm3，单根气消失，根据经验判断地层压力系数处于2.16～2.26(见图5)。

图4 L21井VSP评价地层压力

图5 L21井单根气随钻井液密度变化

6 结语

随钻地层压力综合评价技术能够及时提供可靠的井底压力状况，为平衡钻进提供有效的参考和指导作用。该技术通过优选不同测井参数对地层压力进行实时计算，并结合VSP、录井等资料准确评价地层压力，评价结果与钻后DST、MDT实测结果符合度较高。