地层三压力预测技术及在霍多莫尔油田中的应用

田 野

（大庆油田责任有限公司采油工程研究院,黑龙江大庆163453）

地层孔隙压力、破裂压力和坍塌压力即为地层三项压力，是钻井技术的关键参数，准确预测地层三项压力对保护油气层，防止井下复杂，保证施工安全至关重要。霍多莫尔油田地质情况比较复杂，上部地层疏松，断层、裂缝十分发育，岩性复杂，储层非均质性强。该地区以往地层三压力预测主要通过经验和钻后验证，精确性较差，钻井施工中容易发生井漏、井喷等复杂事故，增加了钻井成本和钻井周期，不利于施工安全和保护油气层。结合霍多莫尔油田地质特点，采用声波时差法计算地层孔隙压力；利用岩石力学理论预测地层破裂压力及坍塌压力，从而有效地预测钻井液密度，减少井下复杂事故发生，提高了钻井效率，降低了钻井成本，为该区有效开发油气层和安全施工提供了科学依据。

1 建立三项压力预测模型

1.1 地层孔隙压力预测模型的建立

地层孔隙压力计算方法：根据霍多莫尔油田的地质特点，利用声波时差法预测地层孔隙压力。

在正常压实条件下，随着埋藏深度的增加，地层孔隙度降低，声波时差也随深度的增加而减小。压力异常时，声波时差不再随地层深度增加而减小，而出现异常增大。据此现象可预测地层的异常压力，

方法如下：首先建立正常压力情况下，深度—声波时差的正常趋势线。

若研究层位的声波时差落在正常趋势线上，即为正常地层压力；若偏离正常趋势线，为异常地层压力，表达式为：

式中：Pp——地层孔隙压力当量钻井液密度，g/cm3；

p0——上覆岩层压力当量钻井液密度，g/cm3；

pn——静水柱压力当量钻井液密度，g/cm3；

Δtn——正常趋势线上的声波时差，μs/m；

Δts——实际的声波时差（纵波时差），μs/m；

c——地区指数（该地区在0.9～1.2之间）。

1.2 地层坍塌压力和破裂压力预测模型的建立

1.2.1 地层坍塌压力表达式

应用库仑—摩尔准则，岩石沿某一平面发生剪切破坏，与该面所受剪应力和正应力大小都有关，当剪应力与正应力达到最不利组合时岩石发生破裂。其表达式如下：

式中：σ1——最大主应力，MPa；

σ3——最小主应力，MPa；

α——有效应力系数；

Pp——地层孔隙压力，MPa；

τ0—— 内聚力，MPa；

f——内摩擦系数。

地层有效应力：

式中：σ′——有效应力，MPa；

σ——总应力，MPa；

α——有效应力系数；

Pp——地层孔隙压力，MPa。

当钻井液密度较低时，井眼发生坍塌[3]。可得坍塌压力的表达式：

式中：f——内摩擦系数；

α——有效应力系数；

τ0——内聚力，MPa；

μ——岩石泊松比。

Pp——地层孔隙压力，MPa；

σx、σy、σz、τyz、τxz、τxy——原地应力分量在X、Y、Z坐标系下的分量。

式中井眼液柱压力Pw和圆周角θ为变量，其中0＜θ＜180°，求解井眼液柱压力最大值PWmax，即为保持井眼稳定的井眼液柱压力下限—坍塌压力Pc。

地层坍塌压力的大小与岩石本身特性及其所处的应力状态等因素有关。钻井过程中采用合理的钻井液密度以平衡地层坍塌压力，防止地层坍塌。

1.2.2 地层破裂压力表达式

当钻井液柱压力过高时，井壁处拉应力超过地层的抗拉强度时，就会出现拉伸破坏（拉伸破坏准则）。

式中：σ3——最小主应力，MPa；

σt——抗拉强度，MPa。

地层破裂压力的表达式：

式中：σt——地层的抗拉强度，MPa；

其他参数与坍塌压力模型中的意义相同。

式中0＜θ＜180°，求解井眼液柱压力最小值PWmin，即为保持井眼稳定的井眼液柱压力上限——破裂压力Pf。

1.2.3 计算模型各参数的确定

利用模型求取地层的破裂压力和坍塌压力，必须已知公式中地层的各个力学参数[2]，这些数据可由测井数据间接获取，进而计算出任意深度地层三压力，从而建立地层三压力剖面。

（1）地层弹性参数。选取霍多莫尔油田20块岩芯300个数据，通过回归处理就得到了该地区的弹性模量和泊松比计算公式。

泊松比：

弹性模量：

式中：ρ——岩石密度，g/cm3；

Vp——纵波速度，m s；

Vs——横波速度，m s。

（2）地层强度参数。抗压强度：

式中：Vc——泥质含量，在0～1之间;

Vp——纵波速度，m s；

μ——岩石泊松比。

内聚力：

抗拉强度：

式中：σc——抗压强度，MPa。

内摩擦角：取为常数30°。

（3）水平地应力的确定。通过弹性力学公式推导，可得出水平地应力的表达式：

式中：σH、σh——水平主地应力；

α——有效应力系数；

μ——泊松比；

Pp——地层孔隙压力，MPa；

E——弹性模量；

A、B——构造应力系数，通过破裂压力试验确定。

（4）有效应力系数。根据多孔隙介质理论，有效应力系数的表达式如下：

式中：Kbr——岩石体积弹性模量，GPa；

Kma——岩石骨架体积弹性模量，GPa。

2 压力预测软件

基于上述研究，利用所建立的模型编制了地层三压力预测软件，通过输入声波、密度等测井数据以及井眼轨迹参数和地应力参数计算得出地层三压力剖面。进而应用该软件预测地层三项压力，以合理设计钻井液密度和井身结构，为钻井安全施工提供可靠依据。

3 现场应用

为了验证地层三压力剖面的预测精度，在霍多莫尔油田选取H 45-50井、H 54-52井和H 53-55井3口新钻井进行了钻前预测。首先根据邻井测井数据推测待钻井的地层三项压力剖面（图1），然后根据地层压力剖面设计钻井液密度和井身结构，待完井后根据现场实际测得的压力数据和测井资料验证压力剖面的预测精度[3]。实测值均分布预测值范围内（见表1和表2），吻合度较高，该方法可行。

图1 H 45-50井地层三项压力剖面预测图

表1 地层三压力预测值与实测值对比表

表2 地层三压力预测值与实测测井资料计算结果对比表

4 结论与认识

（1）本文基于地层三压力计算一般理论，从岩石力学角度出发，建立了适合霍多莫尔油田地质情况的地层三压力预测模型，实现了地层三项压力由常规完井测井资料可预测的目的。

（2）利用所编制的三压力预测软件，处理工区测井资料，明显提高了地层压力预测的精度，为合理设计井身结构、钻井液密度提供了可靠依据，对于安全高效钻井具有重要的意义。