南海深水L–1 井区地层压力预测技术研究及应用

2020-06-24 01:03:42李华洋吴惠梅赵宝文汪全航

石油地质与工程 2020年3期

李华洋，吴惠梅，2，南冲，赵宝文，严科，汪全航

（1.长江大学石油工程学院，湖北武汉 430100； 2.长江大学油气钻井技术国家工程实验室防漏堵漏技术研究室，湖北武汉 430100）

南海深水、超深水油气勘探开发钻井与陆地或浅水钻井相比，难度更大，地层沉积速度更快，地层异常压力时有发生，很多油气藏不仅水深、泥线温度低，而且下部井段存在高压[1–2]。因此，确定出安全钻井液密度窗口是确保安全、高效、顺利地完成钻井工作的关键。

安全泥浆密度窗口是指地层孔隙压力与漏失压力之间的当量密度窗口。与常规的陆地钻井相比，深水、超深水钻井对井壁稳定的分析精度要求更高。为防止坍塌、溢流、卡钻、漏失等问题的发生，这就要求钻井液密度必须大于钻井液安全密度窗口的下限，小于钻井液安全密度窗口的上限[3]。

在南海西部L–1 井区压力预测中，先根据地震层速度，收集基础地质资料并对各种试验数据整理，保证其准确性；再用伊顿法（Eaton）计算地层孔隙压力，并用黄荣樽法[4]对地层破裂压力进行预测，将确定的地应力代入库伦摩尔强度准则，得出地层坍塌压力对应的钻井液密度；最后与现场实测结果进行比对，分析误差，提高预测精度，确定地层压力。

1 地层压力预测数学模型

1.1 孔隙压力预测

L–1 井区岩性以灰色泥岩、砂质泥岩、粉细砂岩和砂泥岩互层为主。目前常见的孔隙压力预测方法有伊顿法、有效应力法、等效深度法等。伊顿法是现在应用于深水、超深水地层压力预测中最常用的有效经验方法之一。该方法在地层正常压实的基础上，建立正常压实趋势线，结合地层实际的测井数据对偏离正常压实趋势线时的地层压力进行预测计算[5]。对于测井资料和随钻资料缺失的井段，则建立基于地震层速度预测孔隙压力的模型。计算公式为：

式中：kP 为孔隙压力，MPa；VP 为地层静压力，MPa；nP 为静液柱压力，MPa；ntΔ 为正常压实趋势下的声波时差，us/ft； tΔ 为通过测井或地震数据得到的该深度点的实际声波时差，us/ft；n 为伊顿指数。

伊顿指数可通过随钻实际测量的地层孔隙压力求取，其公式为：

由式（1）可以看出，在静液柱压力当量为1.03 g/cm3的条件下，求取上覆岩层压力及声波时差值之比，结合现场实际地层的伊顿指数，即可计算出地层孔隙压力大小。

1.2 坍塌压力预测

地层坍塌压力当量密度是安全钻井液密度窗口的下限。从力学的角度来说，造成井壁坍塌的主要原因是井内液柱压力太低，导致井壁周围岩石所受应力超过岩石本身的强度而产生剪切破坏[6]。泥页岩的渗透率极低时，如果泥浆性能优良，可以不考虑泥浆向地层渗透的情况，而把泥页岩井壁近似看作不渗透井壁。

由库伦–摩尔强度准则，得岩石的破坏条件为：

式中：1σ 为最大主应力，MPa；3σ 为最小主应力，MPa；φ 为内摩擦角，一般取30°；0τ 为岩石黏聚力，MPa。

由井壁处的周向结构有效应力分析得知，在θ=90°和θ=270°时，井壁有效应力为最大值，井壁坍塌时的有效应力公式为[7]：

式中：rσ 、θσ 分别为在钻孔壁坍塌有效最大和最小主应力，kN；h1σ 、h2σ 为水平方向不同的地应力，kN；θ 为研究点矢径与水平最大主应力的夹角，（°）；pP 为破裂压力，MPa；iP是原始地层压力，MPa；rθτ为垂向主应力，MPa；α 为有效应力贡献系数；无量纲；η 为应力非线性修正系数，无量纲。

根据井眼围岩应力分布规律以及剪切破坏准则[8]，考虑到地层岩石是非线性弹性体的实际情况，可以建立地层坍塌压力的计算模型[9]：

式中：mρ 为钻井液密度，g/cm3；H 为井深，m；cF为黏聚力，MPa。

考虑渗透作用时井壁坍塌处三个主地应力为[10]：

式中： f 为地层孔隙度，%。

将其代入库伦–摩尔强度准则，得到地层坍塌压力，推导出钻井液密度计算公式为[11]：

式中：μ 为岩石泊松比，无量纲；α 为Boit 系数，无量纲。

1.3 破裂压力预测

从力学角度来讲，地层破裂压力是由于井内钻井液密度过大，使井壁岩石所受的周向应力超过岩石的拉伸强度而造成的[12]。因此，岩石自身性质（如地层裂缝的发育状况、弹性系数和岩层的抗拉强度）是影响破裂压力大小的主要因素之一。当拉力增大到足以克服岩石的抗拉强度时，围岩产生破裂，发生井漏等事故。

声波测井资料预测破裂压力是直接应用动态岩石参数预测，而对于静态岩石参数则通过动态参数代入经验公式计算出。根据测井得到的地层资料，如地层密度、纵波和横波时差等计算地层的泊松比、构造应力系数、抗拉强度等参数进而求得破裂压力。华北油田、中国石油大学和长江大学合作，提出了一套基于声波资料预测破裂压力的方法。计算公式如下：

式中：fP 为破裂压力，MPa；1ξ 、2ξ 为水平方向上两个不同方向的地质构造应力系数；Sμ 为岩层静态泊松比；SE 为岩石静弹性模量，MPa；S 为上覆岩层压力，MPa；tS 为岩石抗拉强度，MPa。

式中各参数，除孔隙压力用实测压力或各种孔隙压力的预测方法确定外，其他参数均根据声波测井资料得出。

2 数学模型在L–1 井区的应用

2.1 目标区块概况

L–1井是一口位于南海莺歌海盆地陵水凹陷构造中部的直探井，水深988 m，设计井深4 584.3 m。该井自上而下依次钻遇乐东组、莺歌海组（一段、二段）、黄流组和梅山组，梅山组A 砂体为主要目的层，其地层压力系数为1.74～1.91。为确保L–1 井安全施工，对其进行钻前井壁稳定性分析，结果表明，该区块状况复杂多变，压力窗口狭窄，会发生溢流、卡钻及井漏等问题。

2.2 地层压力预测

2.2.1 求取目标地层声波时差趋势线方程

在正常压实地层中，声波时差值与对应深度地层孔隙度在已知岩性地质剖面下呈正比关系。可以推导出其关系式如下：

将公式两边取对数则可转换为下列形式：

式中： tΔ 为声波时差值，μs/ft；A、B、C 为相关系数。

由式（10）可以看出，在正常压实地层中，声波时差对数值与井深呈正比，而当遇到异常高压地层时，关系曲线将明显偏离正常趋势线方向，由此可判断正常压实地层段与异常高压地层段（图1）。

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图1 L–1 井声波时差趋势线

根据经验判断，在井深约2 600 m 时开始出现异常高压现象，取1 100 ～2 600 m 为正常压实地层段，并拟合出正常压实趋势线，趋势线方程如下：

由此可反演出正常压实声波时差值。

2.2.2 上覆岩层压力计算

L–1 井为探井，且无邻井测井资料，因此，根据钻前地震层速度资料，运用Gardner 模型得到地层密度数据。本文采用密度补足法求取地层密度，在密度补足法中，通过Gardner 模型建立密度–声波的相关性，进而可计算上部地层密度。计算模型如下：

式中：ρ 为地层密度，g/cm3； tΔ 为实际地层声波时差，μs/ft；A、B为系数，本文中均取为0.25。

地层压力计算中，对上覆岩层的深度进行积分，可求取上覆岩层压力。

第一段：海水段（井段29.3～1 017.3 m），计算公式为：

第二段：岩层段（井深1 017.3 m 以下），为减小系统的计算误差，可取目标地层上下层段地层密度的平均值来计算。对深度积分即可求得上覆岩层压力：

2.2.3 地层压力计算

将以上计算的各岩石力学参数，代入伊顿公式，结合测井资料就可以得到地层孔隙压力剖面（图2）。从图2 可以看出，L–1 井下部地层莺歌海组和黄流组压力逐渐上升，表现为异常高压。将预测结果与邻井实测地层压力进行误差分析（表1、表2），结果表明，孔隙压力的预测值与邻井实测值之间误差最大为1.74%；破裂压力的预测值与邻井实测点相比，最大误差15.50%（该点未漏），能满足工程需要。