地震层速度法预测南海北部深水钻井安全钻井液密度窗口

陈江华　李忠慧　方满宗　李　磊　朱　亮　吴惠梅（.长江大学石油工程学院，湖北武汉　43000；.中海石油（中国）有限公司湛江分公司，广东湛江　54057）

地震层速度法预测南海北部深水钻井安全钻井液密度窗口

陈江华1，2李忠慧1方满宗2李磊2朱亮1吴惠梅1
（1.长江大学石油工程学院，湖北武汉430100；2.中海石油（中国）有限公司湛江分公司，广东湛江524057）

针对南海北部琼东南盆地深水油气田钻井过程中窄钻井液密度窗口导致的井漏问题，建立了适合深水环境的井壁稳定分析计算模型，应用地震层速度资料对L4井的地层孔隙压力、坍塌压力、破裂压力进行了计算。结果表明，坍塌压力随井深增加而增大，但总体都小于地层孔隙压力，因此将地层孔隙压力作为安全钻井液密度窗口的下限。破裂压力随井深增加而增大，在海底泥面处最小，仅为1.02 g/cm3，地层孔隙压力与地层破裂压力下限的范围仅为0.021～0.092 g/cm3，最大也只有0.290 g/ cm3，表明安全钻井液密度窗口窄。结合目标井的实际情况，考虑ECD、激动压力等的影响，推荐了不同层段钻井液密度范围，计算结果与实钻情况吻合，满足实际需要，表明应用层速度计算安全钻井液密度窗口是可行的。

深水钻井；钻井液密度窗口；低温；钻井难点；地震层速度法

全球海洋油气资源丰富，但尚处于勘探早期阶段，许多钻井难点有待于研究。中国南海深水区石油地质储量丰富，其中南海北部琼东南盆地、珠江口盆地、台西南盆地和南海南部南沙海域13个新生代沉积盆地均部分或全部位于深水区［1］（何家雄等，2006）。深水作业施工风险高、技术要求高［2］（R. O. Snell，2001）。目前，南海北部琼东南盆地深水钻井过程中面临的主要问题有浅层地质灾害［3］（刘正礼等，2015），如不稳定海床，天然气水合物，深水低温，窄钻井液密度窗口等［4］（王友华等，2011）。海床不稳是地层破裂压力低的原因之一，低温会影响钻井液的携砂能力和悬浮性能，同时也容易引起钻井液稠化，使其流变性变差，循环阻力变大，不利于深水环境下窄密度窗口安全钻井［5］（J. C. Flores，2009），因此，准确确定安全钻井液密度窗口是深水钻井成功的关键。

1　钻井安全密度窗口预测的难点及对策

南海北部琼东南盆地深水油气田水深在1 300～ 1 550 m之间，上覆岩层重量被海水所替代的范围较大，与陆地或浅水地层相比上覆岩层压力偏低，从而导致地层破裂压力较低，地层破裂压力和孔隙压力之间的差别很小；同时，隔水管环空压耗会产生附加密度，可使钻井液密度窗口进一步变窄［6］（陈国明等，2007），容易发生井漏、井喷等复杂情况。如L3井在3 138.6 m黄流组钻井液密度为1.30 g/cm3即发生井漏，陵水组下部多处发生测井工具卡钻，Y1井从2 604 m往下发生多处漏失，现场漏失实验统计漏失压力当量密度1.25 g/cm3左右，C1井三亚组既发生漏失，又发生卡钻，陵水组以漏失为主，该井现场地漏实验统计漏失压力当量密度1.19～1.20 g/cm3。窄钻井液密度窗口导致的井漏给实际施工带来了很大的难度和风险。为保证安全，必须准确计算待钻井坍塌压力和破裂压力，从而确定合适的钻井液密度，保证井底压力在安全钻井液密度窗口内。

2　坍塌压力破裂压力计算模型的确定

国内外学者针对深水钻井井壁稳定性分析进行了大量研究［7-8］（D. Power，2003；L. S. Rocha，2004），总体看来，针对深水环境下的井壁稳定分析的原理及方法基本相同，即首先确定井周应力状态和地层变形破坏规律，再结合强度破坏准则判断井壁是否稳定［7-9］。但深水地层与陆地或浅水地层最大的区别有2点：一是海底低温容易引起钻井液稠化，使其流变性变差， 循环阻力变大，不利于深水环境下窄密度窗口安全钻井；二是上覆岩层相当一部分被海水所替代，与陆地或浅水地层相比上覆岩层压力偏低，从而导致地层破裂压力较低。尤其是上覆岩层压力，是进行孔隙压力分析、破裂压力计算必须的基础参数，泥面以下H3处上覆岩层压力可由式（1）通过地层密度积分确定

式中，ρw为海水密度，kg/m3；ρ为地层密度kg/m3；g为重力加速度；H1为转盘面到海平面的高度，m；H2为海平面到海底泥面的深度，m。

2.1地层坍塌压力计算模型

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，造成井壁坍塌的原因主要是井内液柱压力太低，使得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。将地层看成是多孔弹性体，结合库仑—摩尔强度准则确定坍塌压力计算模型，如式（2）所示

式中，σh1、σh2为水平最大、最小主应力，MPa；C为黏聚力，MPa；K为内摩擦角相关的参数，无量纲；pp为地层孔隙压力MPa；η为非线性修正系数，无量纲。

2.2地层破裂压力计算模型

破裂压力是井眼裸露地层在井内钻井液柱压力作用下使其起裂或原有裂缝重新开启的压力，它是由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抗拉强度造成的。假设井眼处于平面应变状态，根据岩石力学理论，可求得非均匀地应力作用下井壁产生拉伸破裂时的井内钻井液柱压力即破裂压力的计算模型，如式（3）所示

式中，μ为泊松比，无量纲；ω为构造应力系数，无量纲；σv为上覆岩层压力，MPa；α为有效应力贡献系数，无量纲；St为地层抗拉强度，MPa。

L区块海底泥线附近岩性主要为流塑-软塑性褐色淤泥，含极少量细砂，密度仅为1.15 g/cm3。这主要是由于深水浅部地层沉积时间短，强度低，从而导致地层呈现塑性状态，因此，为安全起见，在确定钻井液密度窗口时应将漏失压力作为破裂压力的下限，同时考虑断层、不整合面等情况。本论文采用Breckels和Van Eekelen（1982年）［10］提出的漏失压力确定方法，即地层漏失由井壁破裂引起，漏失压力等于最小水平主地应力，最小水平地应力的大小可通过建立地应力计算模型获得。

3　L4井安全钻井液密度窗口预测

L4井位于南海北部琼东南盆地深水区L凹陷，设计井深3 530 m，黄流组I气组为主要目的层，地层岩性为灰色细砂岩与灰色泥岩不等厚互层。水深为1 465.4 m。为保证该井安全钻进，进行了钻前井壁稳定分析。对该海域钻井复杂情况进行分析表明，压力窗口窄导致的井漏、卡钻是钻井主要难点。根据前述井壁稳定计算模型，应用地震层速度资料对L4井的地层孔隙压力、坍塌压力、漏失压力、破裂压力进行了计算分析，计算结果如图1。

图1　L4井钻井液密度窗口

地层孔隙压力在3 295 m以上为正常静水压力系统，3 295 m以下有增大趋势，黄流组储层段当量密度达到1.24 g/cm3；坍塌压力随井深的增加而增大，但总体都小于地层孔隙压力，因此将地层孔隙压力当量密度作为安全钻井液密度窗口的下限，破裂压力在海底泥面处最小，当量密度仅为1.02 g/ cm3，地层孔隙压力与地层破裂压力下限的范围仅为0.021～0.092 g/cm3，最大也只有0.290 g/cm3，为典型窄钻井液密度窗口，这主要是因为孔隙压力未受水深影响，而地层破裂压力（漏失压力）较浅水底层或陆地偏低。根据L4井三压力计算结果，考虑ECD、激动压力等的影响，不同井段钻井液密度为：1465～1 577 m，1.01 g/cm3；1 577～2 300 m，1.12 g/cm3；2 300～3 295 m，1.13～1.16 g/cm3；3 295～3 530 m，1.17～1.21 g/cm3。

L4井于2014年4月4日开钻，建井39.69 d，实钻过程中未发生井壁失稳问题，在钻进井深2 367.63 m、3 142.83 m，分别进行了地漏实验，破裂压力实测值与对应井深的预测值误差分析如表1。从表1可以看出，计算结果与实钻情况吻合，满足实际需要。表明应用地震层速度资料计算安全钻井液密度窗口是可行的，对该海域后续钻井具有重要指导意义。

表1　地层破裂压力预测误差

4　结论

（1）压力窗口窄是由于上覆岩层相当一部分被海水所替代，与陆地或浅水地层相比上覆岩层压力偏低，从而导致地层破裂压力较低，而地层孔隙压力未受水深影响。

（2）深水钻井需确定地层破裂压力外，地层漏失压力的确定也非常重要，以地层漏失压力作为破裂压力的下限（安全钻井液密度窗口上限）是合理的。

（3）考虑深水钻井环境特征与陆上和浅部地层的差异，建立了上覆岩层压力、坍塌压力、破裂压力计算模型，应用地震层速度资料确定了L4井安全钻井液密度窗口，并推荐了不同层段钻井液密度范围，实践证明能够保证现场施工，说明应用地震层速度资料确定安全钻井液密度窗口是可行的。

［1］何家雄，夏斌，施小斌，等.世界深水油气勘探进展与南海深水油气勘探前景［J］ .天然气地球科学，2006，17（6）：747-752.

［2］SNELL R O， COOK H.Deepwater technology and deepwater developments［R］. Stavanger，Norway:The International Society of Offshore and Polar Engineers, 2001.

［3］刘正礼，胡伟杰.南海深水钻完井技术挑战及对策［J］.石油钻采工艺，2015，37(1)：8-12.

［4］王友华，王文海，蒋兴迅. 南海深水钻井作业面临的挑战和对策［J］.石油钻探技术，2011，39（2）：50-54.

［5］LEARY JIM, FLORES J C, RUBINSTEIN P, et al.Cementing deepwater, low-temperature gulf of Mexico formations prone to shallow flows［R］. IADC/SPE 87161, 2004.

［6］陈国明，殷志明，许亮斌，等.深水双梯度钻井技术研究进展［J］.石油勘探与开发，2007，34（2）：246-250.

［7］POWER D, IVAN C D, BROOKS S W. The top 10 lost circulation concerns in deepwater drilling［R］. SPE 81133, 2003.

［8］ROCHA L A S, FALCÃO J L, GONÇALVES C J C, et al. Fracture pressure gradient in deepwater［R］. IADC/SPE 88011, 2004.

［9］蔚宝华，闫传梁，邓金根，等.深水钻井井壁稳定性评估技术及其应用［J］.石油钻采工艺，2011，33（6）：1-4.

［10］BRECKELS I M， VAN EEKELEN， Relationship between horizontal stress and depth in sedimentary basins ［R］.SPE 10336,1982.

〔编辑付丽霞〕

The forecast of safe mud density window with seismic interval velocity method for
deepwater drilling in northern South China Sea

CHEN Jianghua1,2, LI Zhonghui1, FANG Manzong2, LI Lei2, ZHU Liang1, WU Huimei1
（1. Yangtze University, Wuhan 430100, China；2. CNOOC ZhanJiang Branch, Zhanjiang 524057, China）

For solving the problem of well leakage caused by the narrow mud density window drilling, at the deep water oil and gas field in Qiongdongnan Basin of the northern South China Sea, the calculation model has been established to analysis of wellbore stability in deep water conditions. In addition, we calculate formation pressure and collapse pressure and rupture pressure about L4 well based on the seismic data. It indicated that the collapse pressure increases with well depth and it is all less than formation pressure, so the formation pore pressure is as a lower limit of the safe mud density window. Further the rupture pressure increases with well depth and it has a minimum value just 1.02 g/cm3at the bottom of the sea. The lower limit of formation pressure and rupture pressure just ranges from 0.021 g/cm3to 0.092 g/cm3, the maximum value is 0.290 g/cm3. It indicates that the safe mud density window is narrow. According the actual situation of the target wells and ECD and the surge pressure, we recommended the range of drilling fluid density in different layers. The calculation results consistent with the actual drilling data and meet the actual needs. It indicated it is feasible about application the seismic data to calculate the safe mud density window, and it is of important significance for the area following drilling.

drilling in deep water area; mud density window; low temperature; drilling problems; seismic interval velocity method

TE249

A

1000 – 7393（ 2015 ） 04 – 0042 – 03

10.13639/j.odpt.2015.04.012

国家科技重大专项“深水钻完井及其救援井应用技术研究”（编号：2011ZX05026-001-04-06）资助。

陈江华，1982年生，主要从事钻井工艺研究和海洋钻井项目管理工作。E-mail：chenjianghua@cnooc.com.cn；。通讯作者：李忠慧，1977年生。主要从事石油工程岩石力学与钻井完井的研究与教学工作，博士，副教授。E-mail：lizhonghui2550@126.com。

2015-06-21）

引用格式：陈江华，李忠慧，方满宗，等. 地震层速度法预测南海北部深水钻井安全钻井液密度窗口［J］.石油钻采工艺，2015，37（4）：42-44.