钻井机械能效地层压力监测新方法在南海莺琼盆地的应用

陈现军 郭书生 王世越 毛敏 刘为 郭冲 赵凯

摘要：南海莺琼盆地超压成因复杂，传统的地层压力监测方法现场应用局限性较大。基于此采用基于钻井机械能效的地层压力监测新方法通过破岩效率分析实时反演地层压力。结果表明：MSE数据对加载和卸载型超压均有较好的响应特征，且随钻定量监测结果与实测数据吻合度较高；该区域超压起于莺歌海组二段，黄流组超压显著，存在地层压力“台阶”现象。新方法的经验参数选取方便，可直接通过随钻参数对地层压力进行实时监测，相对于传统的Dc指数等方法，定量计入了扭矩的影响，并联合测井数据进行综合评价，监测结果更为可靠。

关键词：南海； 莺琼盆地； 地层压力； 监测； 机械能效

中图分类号：TE 21   文献标志码：A

文章编号：1673-5005（2024）03-0188-10   doi：10.3969/j.issn.1673-5005.2024.03.021

Application of new method for formation pressure monitoring of drilling machinery energy efficiency in Yingqiong Basin， South China Sea

CHEN Xianjun1， GUO Shusheng2， WANG Shiyue2， MAO Min1， LIU Wei2， GUO Chong1， ZHAO Kai3

（1.Hainan Branch of China France Bohai Geoservices Company Limited， Haikou 570312，  China;2.CNOOC China Limited，Hainan Branch， Haikou 570312， China;3.College of Petroleum Engineering， Xian Shiyou University， Xian 710065， China）

Abstract： The mechanism of formation overpressure in the Yingqiong Basin of the South China Sea is complex， and the traditional formation pressure monitoring methods have great limitations in field application. Based on this， a new monitoring method in the light of the  drilling machinery energy efficiency  was adopted， which can invert the formation pressure in real-time through the analysis of rock-breaking efficiency. The result shows that， the MSE data have good response characteristics for both loading and unloading overpressures， and the quantitative monitoring result is in good agreement with the measured data. Meanwhile the overpressure originated from the second member of Yinggehai Formation， and the overpressure in the Huangliu Formation is significant. In some cases， the formation pressure "step" phenomenon occurs. The empirical parameters are easy to select， and the formation pressure can be monitored in real-time directly through the parameters while drilling. Compared with the traditional Dc index and other methods， the influence of torque is quantitatively considered， and the logging data are combined for comprehensive evaluation， so the monitoring results are more reliable.

Keywords： South China Sea; Yingqiong Basin; formation pressure; monitoring; mechinery  energy efficiency

莺歌海-琼东南盆地油气资源丰富，是南海西部勘探开发的主力区域。但是多口井的钻探实践证实该区域普遍存在超压甚至超高压，部分区域压力系数高达2.30，且压力窗口极窄，给安全钻井作业提出了巨大挑战。地层压力的准确监测是安全高效建井的关键基础［1-2］。但是，由于盆地内存在多期水道传导、底辟作用、高温及生烃作用、欠压实作用等多种复杂超压成因［3-5］，地层压力的随钻监测仍存在较多问题。目前地层压力监测最常用是Eaton法［6］，该方法主要用于欠压实超压，且正常压实趋势线的建立及经验参数的确定缺乏充实的理论基础，具有较大主观性； Zhang等［7］以有效应力和孔隙度之间的关系为基础，修正了Eaton法，强化了该方法的理论基础，仍主要适用于欠压实超压。为了解决复杂成因超压的随钻监测问题，Bowers等［8］将超压成因分为加载和卸载两大类，并分别给出了监测模型，但该方法未考虑泥质含量等因素的影响。樊洪海、李中等 ［9-10］考虑孔隙度、泥质含量等因素的影响，对Bowers法进行了修正。但是，总体而言，Bowers法及其衍生方法经验参数较多，且只依赖于测井声波数据，对超压评价的全面性不足，应用局限性较大。此外也有众多学者提出了基于钻井参数的地层压力监测方法，解决了随钻测井数据缺失带来的地层压力无法定量监测的难题，主要包括D指数法、Dc指数法、标准钻速法、机械钻速法等［11-14］。杨进等［15］通过建立岩石强度与井底压差的经验关系，实现了利用随钻参数对孔隙压力的实时监测。樊洪海［14］建议利用Hareland钻速方程和Rashidi钻头磨损评价模型对指数法进行修正，可避免由于钻头磨损导致的监测误差。但是此类方法中未考虑钻扭矩对破岩效率的贡献，且超压指数参数也较为单一，影响了压力监测效果。由于钻井、测井技术的进步，扭矩在破岩中的作用越发重要，且随钻信息越来越丰富，在地层压力的随钻监测中亟需计入扭矩的影响，并开展测录井数据的综合评价。基于此笔者应用基于机械能效的地层压力监测新方法对南海西部地层压力开展随钻监测。

1 南海莺琼盆地超压成因及测录井响应机制

1.1 超压成因及测录井响应机制

南海西部莺琼盆地内主要分布莺歌海盆地东方、乐东区块及琼东南盆地崖城、陵水等区块，盆地内多个区块多口井在纵横向的钻探实践证实该区域普遍存在超压甚至超高压（图1）。超压成因的判别是进行孔隙压力定量监测的基础，对不同的超压成因“对症下药”，优选适用的压力监测方法是保证孔隙超压精确评价的关键。

对于超压成因的分类可从地质和工程两大角度进行。从地质角度而言，可根据超压的地质作用来源将超压分为欠压实、构造挤压、底辟作用、断层作用、生烃作用、矿物转化、水热增压、渗透作用、流体运移、永冻环境、次生胶结作用、地层抬升剥蚀等多种不同类型。但是对于单井的地层压力随钻定量监测，主要依赖的技术原理是根据不同的加卸载等力学作用对岩石变形及孔隙结构空间的影响不同，导致超压段的测录井数据存在不同的响应特征，据此反推超压成因并对超压进行随钻定量监测。因此从工程角度而言，可根据岩石骨架在成压历史过程中的受力变化情况不同，将地质作用成压机制简化为原始沉积加载机制、再次加载机制和卸载机制等几大类［14，16］。

对于碎屑岩地层，泥页岩类的成岩作用主要为机械压实，孔隙空间主要取决于有效应力。根据有效应力原理可知，垂直有效应力等于上覆岩层的重量与孔隙压力的差值，因此可通过反映泥页岩地层孔隙空间特征的测录井参数反推孔隙压力。泥页岩的孔隙空间可简化为由相对大的、高纵横比的存储孔隙与小的、低纵横比的连接喉道组成（图2，其中p和pmin分别为孔隙压力和水平最小地应力，MPa）。存储孔隙主要决定岩石的孔隙体积，测井密度、声波均可进行表征；孔隙和喉道共同决定岩石对声波的传导特性，可通过测井声波进行表征。

对于加载型超压，超压形成过程与沉积过程伴生，岩石骨架上的有效应力始终处于增加或者保持不变的状态。根据沉积物的压实规律，在不断增加的上覆载荷作用下，泥页岩内部的孔隙空间不断被沉积压实，岩石的有效应力与孔隙体积呈指数负相关，即有效应力增大，岩石孔隙度减小，但是减小的幅度逐渐降低，因此表征岩石孔隙体积的测井声波和密度与有效应力也呈指数相关［14，17-19］，加载型超压的有效应力-声波速度关系以及有效应力-密度关系分别如图3（a）和图3（b）中的加载曲线所示。

对于卸载型超压，超压通常形成在沉积过程之后，如图3（a）和图3（b）中卸载曲线的右侧起始点即为地层沉积结束点。由于沉积压实作用已经完成，此时岩石内部孔隙空间已被压密，不再具有欠压实特征，当由于生烃、流体热膨胀及流体传导等作用造成孔隙内部增压时，岩石骨架有效应力发生卸载，由于相对大的、高纵横比的存储孔隙很难变形，岩石孔隙体积基本不变，因此仅能反映岩石孔隙体积的测井密度在孔隙增压骨架卸载过程中基本不变，表现为图3（b）中卸载曲线特征；但是由于小的、低纵横比的连接喉道在孔隙增压时易发生反弹变形，改变岩石的传导特性，导致声波速度减小，但减小程度降低，表现为图3（a）中卸载曲线特征。当孔隙压力未知时，由于无法获得有效应力，可通过声波速度和密度的交会图进行超压成因识别，如图3（c）所示。

1.2 南海莺琼盆地超压成因识别

超压的成因有多种［3，5，14，20］，为有效识别南海莺琼盆地的超压成因，分别选取莺歌海盆地东方13-1/2区块和琼东南盆地陵水13-2区块为目标区块，统计了东方13-1/2区块11口已钻井和陵水13-2区块4口已钻井的测井声波和密度数据，并绘制了声波速度-密度交会图，分别如图4（a）和图4（b）所示。分析发现，莺歌海盆地东方13-1/2区块测井声波速度与密度的关系符合加载型超压曲线特征；结合区域地质资料分析，莺歌海盆地沉积过程中共经历了3次大的快速沉积，盆地中央大部地区沉积速度都超过400 m/Ma，个别地区可达800～1000 m/Ma［3］，快速的沉积率导致孔隙排水不充分，继续增加的上覆沉积载荷部分由孔隙流体承担，孔隙压实程度降低，在沉积过程中形成欠压实类加载型超压，工程响应特征与地质成因一致，最终确定东方13-1/2区块主要为加载型超压；琼东南盆地陵水13-2区块测井声波速度与密度的关系符合卸载型超压曲线特征，结合区域地质资料分析，琼东南盆地总体沉积厚度小于莺歌海盆地，且快速沉降阶段短，沉降幅度小，沉积过程中发生欠压实类加载型超压的概率较低，但是盆地内水道砂等流体连通通道发育，沉积后容易由于渗透作用、流体运移等作用发生压力传递，造成孔隙超压骨架卸载，与工程响应特征一致，最终确定陵水13-2区块主要为卸载型超压。

2 基于钻井机械能效的地层压力监测新方法

2.1 传统方法在南海莺琼盆地超压监测中的局限性

对于加载型超压，可通过等效深度法、经验系数法如Eaton法、Bowers法加载曲线方程等方法进行随钻监测。目前使用最广泛是Eaton法。该方法可分别利用声波时差、电阻率、密度和Dc指数数据进行地层压力计算，表达式为

ρp=ρob-（ρob-ρh）ΔtnΔtoN，ρp=ρob-（ρob-ρh）RoRnN，ρp=ρob-（ρob-ρh）DeDenN，ρp=ρob-（ρob-ρh）dcdcnN.（1）

式中，ρp为地层孔隙压力当量钻井液密度，g/cm3；ρob为上覆岩层压力当量泥浆密度，g/cm3；ρh为正常的静水压力当量泥浆密度，g/cm3；Δtn、Rn、Den、dcn分别为给定深度泥页岩正常趋势线声波时差、电阻率、密度和Dc指数，单位分别为s/m、Ω·m、g/cm3、无量纲；Δto、Ro、De、dc分别为给定深度实测泥页岩地层声波时差、电阻率、密度和Dc指数，单位分别为s/m、Ω·m、g/cm3、无量纲；N为Eaton指数，与地层有关的系数。

Eaton法基于欠压实理论提出，主要适用于加载型超压的评价，而在卸载型超压中应用局限性较大。目前主要采用Bowers法中的卸载曲线方程对卸载型超压进行评价：

v=v0+A［σmax（σ/σmax）1/U］B，（2）

其中

σmax=vmax-v0A1/B.

式中，v和v0分别为声波速度和有效应力为0时声波速度 ，m/s;σmax为卸载开始时的最大垂直有效应力，MPa;vmax 为卸载开始时最大有效应力对应的声波速度， m/s；U为泥页岩弹塑性系数。

该方法对于卸载型超压具有较强的理论基础，但是应用过程中需选取v0、vmax、U、A、B五个参数，参数选取困难，且只依赖于测井声波数据。一方面只能在有随钻测井声波的条件下使用，另一方面采用单一的数据进行复杂成因的超压监测对超压评价的全面性不足。同时以DF13-1-M井和LS13-2-N井作为两个典型井，对比分析了莺歌海盆地东方13-1/2区块和琼东南盆地陵水13-2区块超压段的测井（声波时差、电阻率、密度）和录井（Dc）指数的响应特征。分析发现，莺歌海盆地东方13-1/2区块超压段声波时差异常增大，电阻率、密度和Dc指数异常减小，测录井数据对超压均具有较好的响应特征，如图5（a）中红色虚线框内所示；但是，琼东南盆地陵水13-2区块已钻井超压段测井（声波时差、电阻率、密度）和录井（Dc）指数均未有明显的响应特征，如图5（b）中红色虚线框内所示，无法在随钻过程中有效指示超压段的存在，且由于该区域声波时差的异常响应幅度太小，应用Bowers法进行压力监测的精度进一步受限。

2.2 超压随钻监测新方法建立

莫尔强度理论认为岩石的破坏主要与其内部的剪应力和正应力有关，当岩石内某一平面上的正应力和剪应力满足一定的函数关系时，岩石便沿该面发生破坏。该准则认为岩石的破坏仅取决于岩石强度σ1和最小主应力σ3，与中间主应力无关。由于材料破坏时正应力和剪应力满足的函数关系与其种类有关，所以莫尔强度包络线具有一般性，多呈曲线状。在岩石力学分析中，为了简化计算，通常采用直线形式的强度包络线，结合库仑理论和应力转换，得到用主应力形式表示的Mohr-Coulomb强度准则［21］：

σ1=σ3cot245°-θ2+2Ccot45°-θ2.（3）

式中， C为黏聚力，MPa；θ为内摩擦角，（°）。

Mohr-Coulomb强度准则可通过判断莫尔应力圆是否在强度包络线以内确定岩石是否发生了破坏，当应力圆与破坏线相切时，岩石开始发生破坏；当应力圆在破坏线右侧时，岩石处于稳定状态，否则，岩石已经发生破坏。根据此理论可知，岩石的三轴抗压强度（CCS）由岩石单轴抗压强度（UCS）和围压共同决定。围压越大，莫尔圆向右偏移，岩石的三轴抗压强度越大（图6）。

实际钻井过程中钻头前方待破碎的岩石在井底压力与孔隙压力之间差值（围压）的保护作用下强度提升。但是孔隙超压不同井底围压对岩石的保护程度不同，导致岩石强度不同，在钻压、扭矩、转速等产生同样的破岩能量作用下钻头破碎岩石的效率出现差异，因此可通过分析钻头和岩石之间的相互作用规律，从钻井机械能效的角度反推地层超压 ［22］。其中通过机械比能表征在单位时间内用钻压和扭矩破碎单位体积的岩石所需要的机械能；通过CCS表征井底岩石的抗压强度，综合利用机械比能和钻井效率对地层压力进行评价。评价过程中机械比能通过随钻录井参数进行评价，CCS通过随钻测井数据进行评价，最终通过随钻测录井数据的综合评价实现地层压力的随钻监测。

机械比能（mechanical specific energy，MSE，其值记为EMSE）目前主要用来实时评价钻头的工作性能，可采用钻压、转速、机械钻速和扭矩等随钻录井参数综合进行描述：

EMSE=480Tωd2bitv+4Pπd2bit .（4）

式中，P为钻压，kN；ω为转速，r/min；v为机械钻速，m/h；T为扭矩，kN·m；dbit为钻头直径，mm。

当所有输入的机械比能都用来破坏岩石并且没有损耗时钻井效率将会达到最大，此时可以认为机械比能等于岩石抗压强度［23］。但是在钻井过程中机械能从地表传递到钻头处时已经经过大量的损耗，实际机械比能远大于岩石的抗压强度。因此利用岩石抗压强度和实际机械比能的比值即可量化钻井效率，目前很多利用机械比能理论监测钻井工作状态的方法都是根据实际机械比能相对于岩石抗压强度基线的变化来评估钻井工作状态。钻井效率为

η=p/EMSE，（5）

其中

p=pUCS+Δp1+sin θ1-sin θ ， p UCS=AvBP，θ=MvNP.

式中，p为岩石抗压强度，MPa，由Mohr-Coulomb准则可得；p

UCS为单轴抗压强度，MPa；Δp为井底压差，MPa；

vP为测井纵波速度，km/s；A、B、M、N为经验参数，需根据目标区块的实际情况进行选取。

由于破碎岩石的能量、钻头性能及效率均与井底压差有关，因此可综合利用机械比能和钻井效率对地层压力

pp进行评价：

pp=pw-（ηpEMSE-pUCS）1-sin θ1+sin θ.（6）

式中，pw为井底循环压力，MPa。

为表征地层压力的异常程度，可将式（6）改写为

pp=pn+ΔηEMSE1-sin θ1+sin θ，（7）

其中

Δη=ηp-ηn.

式中，ηn为正常孔隙压力pn下钻井效率。

该方法中定量计入了钻压、转速、扭矩、机械钻速、钻头直径、井底循环压力、单轴抗压强度、岩石内摩擦角等因素的影响，可综合反映井下钻头位置处地层压力，实时监测异常高压。对于MSE而言，扭矩部分的贡献要明显大于钻压的贡献，该模型重点考虑了扭矩的影响。而在旋转钻井中，特别是使用PDC钻头时，通过施加扭矩剪切岩石所消耗的扭转能量明显大于通过钻压压缩压碎岩石所做的功。因此该模型主要适用于采用PDC钻头进行旋转钻井的条件。

3 现场应用

将上述地层压力监测新方法在南海西部莺琼盆地东方13-1/2区块和琼东南盆地陵水13-2区块进行了现场应用。其中莺歌海盆地DF13-1-A井为加载型超压，琼东南盆地LS13-2-B井为卸载型超压。首先，对MSE在两种成因超压地层中变化规律进行了分析，如图7所示。

由图7可知，上部常压层段实测MSE数据基本位于趋势线上，而在下部超压层段，实测MSE数据明显偏离趋势线，表明MSE数据对加载型和卸载型超压均有较好的响应特征。与图5（b）LS13-2-N井中测井（声波时差、电阻率、密度）和录井（Dc）指数的响应特征对比发现，MSE数据可克服卸载型超压监测中测录井数据在异常高压层段响应不明显的缺陷。

采用基于钻井机械能效的地层压力监测新方法计算了DF13-1-A井（加载型）、LS13-2-B井（卸载型）两口井的地层压力，并与声波时差以及Dc指数监测结果进行了对比，如图8所示。根据DF13-1-A井（加载型）的计算结果可知，声波时差数据解释3 190 m处地层压力明显低于3 145 ～ 3 175 m处，而MSE数据监测结果反应两处的地层压力基本相等，与实测结果吻合。根据LS13-2-B井（卸载型）的计算结果可知，Dc指数和声波时差数据解释地层压力整体稳定性较差，2860 m以上和3100 m以下地层解释的地层压力结果偏低，中间段偏高，而MSE数据解释的地层压力高值包络线能较好地反映地层压力的整体变化趋势。

相对于目前监测精度最高的声波时差指示参数以及现场数据来源最为广泛的Dc指数指示参数，钻井机械能效参数可较好地对南海莺琼盆地的地层压力进行实时监测，与实测孔隙压力和实钻数据均具有较好的吻合程度。根据多口井的地层压力监测结果，对南海西部M区块地层压力分布规律进行分析，如图9所示。由图9可知，M区块地层超压起压深度约在1900～2150 m，起压地层位于莺歌海组二段，在该层段通常地层压力系数平稳增加；在当前的钻井深度范围内，异常高压当量泥浆密度最大值约在1.70～2.05 g/cm3，所在深度为2800～3400 m，主要分布在黄流组地层，而且部分情况下，在黄流组地层会出现地层压力“台阶”现象，表现为地层压力系数突然出现大幅度抬升。在实际钻井过程中，应注意莺歌海组二段以下的超压情况，根据监测地层压力逐步提高钻井液密度，尤其是当钻进黄流组地层时，应特别注意井下地层压力的变化情况，保证安全高效钻穿地层压力的“台阶”区域。

4 结 论

（1）MSE数据对加载型和卸载型超压均有较好的响应特征，现场可通过MSE数据变化规律分析实时判断是否钻遇超压地层。

（2）基于钻井机械能效的地层压力监测新方法在南海西部超压的随钻定量监测中具有较好的应用效果，且该方法经验参数选取方便，可直接通过随钻参数对地层压力进行实时监测，同时定量计入了扭矩的影响，并联合测井数据进行综合评价，监测结果更为可靠。

（3）莺琼盆地地层超压起压于莺歌海组二段，该层内地层压力系数平稳增加，黄流组地层超压显著，部分情况下出现地层压力“台阶”现象，压力系数突然大幅度抬升。

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（编辑 沈玉英）

基金项目：国家自然科学基金项目（52074224）

第一作者：陈现军（1982-），男，高级工程师，硕士，研究方向为地质录井技术。E-mail：chenxj@cfbgc.com。

通信作者：郭书生（1975-），男，教授级高工，硕士，研究方向为地质作业管理及技术。E-mail：guoshusheng@cnooc.com.cn。

引用格式：陈现军，郭书生，王世越，等.钻井机械能效地层压力监测新方法在南海莺琼盆地的应用［J］.中国石油大学学报（自然科学版），2024，48（3）：188-197.

CHEN Xianjun， GUO Shusheng， WANG Shiyue， et al. Application of new method for formation pressure monitoring of drilling machinery energy efficiency in Yingqiong Basin， South China Sea［J］. Journal of China University of Petroleum （Edition of Natural Science），2024，48（3）：188-197.