南海深水海域高温高压地层破裂压力预测模型

2021-06-08谢静吴惠梅楼一珊翟晓鹏

断块油气田 2021年3期

谢静，吴惠梅，楼一珊，翟晓鹏

（长江大学石油工程学院，湖北武汉 430100）

随着我国油气勘探由陆地向海洋逐渐推进，南海北部海域已成为油气勘探的主要区域。其中，琼东南盆地是该区域重要的高温高压含油气盆地［1］。对于深水海域钻井，地层破裂压力预测模型不仅可以用来预测钻井液安全密度窗口，还能预防井漏、井喷、井塌等事故的发生。目前，现有的传统地层破裂压力预测模型均未考虑岩石抗拉强度的影响，而是将岩石抗拉强度视为定值。但大量地质资料显示，岩石力学性质会随着岩石埋藏深度的变化而发生明显变化［2-4］。目前，浅层岩石强度理论是以摩尔-库仑准则为代表的线性破坏准则；深层岩石在高地应力环境下多采用非线性强度准则，如Hoek-Brown强度准则［5-6］。南海深水环境下的深部地层处于高温高压状态，与常规的陆地或浅水地层相比，深水环境的砂泥岩抗拉强度随着深度的增大不再呈明显的线性正相关关系［7-10］。总之，传统深水海域地层破裂压力预测模型都有其各自的局限性。为了更精准地预测地层破裂压力，本文在传统模型的基础上，结合巴西劈裂实验（获取岩石抗拉强度）结果，提出并建立了一种新的考虑砂泥岩抗拉强度的深水海域地层破裂压力预测模型，该模型比传统模型预测破裂压力的精度高，对深水海域钻井具有一定的指导作用。

1 实验

1.1 试样

实验岩样取自南海北部涠洲12-2油田WZ12-X区块流砂港组砂泥岩地层。操作规程参照GB/T 50266—1999《工程岩体试验方法标准》。室内将岩样加工成直径50 mm、高40 mm的标准试样，共8个。

1.2 仪器及设备

采用TAW-2000微机控制电液伺服岩石三轴实验机进行巴西劈裂实验，主要装置由轴向加压系统、加温恒温系统及数据采集控制系统3个部分组成。

1.3 步骤

首先，用岩石声波仪测试各岩样的纵波速度，筛选出纵波速度相近的8个试样，测量试样的直径及高度；然后，对每个试样以30℃/min的升温速率加温至实验温度（分 25，40，60，80，100，140，180，200 ℃ 等 8 个等级），保持恒温5 h，以确保试样内外温度均匀，再放置炉内，冷却12 h至常温；最后，再加热至实验温度，通过巴西劈裂实验测试每个试样的抗拉强度。

1.4 结果分析

由图1可以看出：温度在25～40℃时，拟合曲线增幅较小，砂泥岩抗拉强度变化只有0.3 MPa；温度在40～80℃时，拟合曲线增幅较大，温度与岩石抗拉强度呈单调递增抛物线关系，随着温度升高，当温度为80℃时，岩石抗拉强度达到最大，然后开始降低；温度在80～140℃时，砂泥岩抗拉强度与温度之间呈单调递减抛物线关系；温度在140～200℃时，拟合曲线较平缓，砂泥岩抗拉强度变化很小，基本保持在1.1 MPa左右。

图1 砂泥岩抗拉强度随温度的变化

实验结果表明，在不同温度下，砂泥岩抗拉强度会发生变化。引起砂泥岩抗拉强度增大的主要原因是：在高温作用下，砂泥岩孔隙度变大，在热应力作用下，大的孔隙结构可以阻止裂纹扩展，起到容纳变形的作用，使得岩石产生的裂纹相对减少，从而提高砂泥岩的抗拉强度。引起砂泥岩抗拉强度降低的主要原因是：随着温度的升高，砂泥岩内部水分流失，岩石孔隙度增大，使得抗拉强度降低；在高温环境下，砂泥岩中的各类矿物颗粒热膨胀系数不同，颗粒间相互约束，变形大的颗粒被压缩，而变形小的被拉伸。砂泥岩的抗拉能力不如抗压能力，所以矿物颗粒之间的交界处会产生新裂纹，从而导致砂泥岩抗拉强度降低。总之，在高温环境下，砂泥岩抗拉强度会随温度的升高，先升高、再降低，最后趋于稳定。砂泥岩破坏强度与抗拉强度呈线性正相关关系（见图2）。

图2 砂泥岩破坏强度与抗拉强度的关系

2 模型建立

2.1 传统模型

通过调研国内外地层破裂压力预测模型发现，用于深水海域钻井的地层破裂压力预测模型主要有5个，它们均未考虑岩石抗拉强度的影响（见表1）。表中pf为地层破裂压力，MPa；pp为地层孔隙压力，MPa；p0为上覆岩层压力，MPa；ν为泊松比；β为地层构造应力系数；α为毕奥特系数；Kss为构造应力系数；Srt为岩石抗压强度，MPa；c为常数，取值为 1/2～1/3。

表1 传统地层破裂压力预测模型统计

2.2 岩石抗拉强度计算

南海琼东南盆地L-X区块深部地层以砂泥岩为主，利用该区声波测井资料可计算出砂泥岩的抗拉强度。根据纵波速度和横波速度（由纵波速度估算），可计算出动态弹性模量Ed及动态泊松比νd：

式中：ρ为岩石密度，g/cm3；υp为纵波速度，m/s；υs为横波速度，m/s。

利用自然伽马测井资料，采用相对值法［13］计算泥质体积分数 φcl，并根据大量室内实验资料［14-15］，拟合砂泥岩抗压强度Ssc与Ed，φcl之间的关系为

根据抗拉系数k（取值在0.10～0.25），计算出砂泥岩抗拉强度St，计算公式为

2.3 岩石抗拉强度与地层深度的关系

由式（2）、（3）计算得到的深水区域岩石抗拉强度发现，地层深度在1 500～5 000 m时，岩石抗拉强度与地层深度呈对数关系（见图3），不同于常规的线性正相关关系。结合实验分析认为：岩石抗拉强度受地层深度的影响，主要体现在岩石变形性质、强度特性及破坏特征等方面。随着地层深度的增大，岩石围压不断升高，导致岩石出现脆性—延性的转化，使得岩石变形性质发生了改变。因此，地层深度在1 500～5 000 m时，岩石抗拉强度受深度影响而发生明显变形。

图3 L-X区块深部地层岩石抗拉强度与地层深度的关系

2.4 深水海域地层破裂压力预测模型

针对深水海域钻井，传统地层破裂压力预测模型均未考虑砂泥岩抗拉强度。笔者基于Anderson模型，提出了预测深水海域地层破裂压力时应考虑砂泥岩抗拉强度的影响，并建立了新的深水海域地层破裂压力预测模型，即：

式中：H为地层深度，m；ψ为地层深度影响系数。

ψ与地层深度的关系曲线见图4。

图4 L-X区块深部地层深度影响系数与地层深度的关系

新模型综合考虑了砂泥岩抗拉强度的影响，对传统模型在深水海域地层的应用进行了补充。传统模型是基于最小地层破裂压力等于地应力，最大地层破裂压力等于上覆岩层压力来推导的。但在深水海域钻井，通常岩石会处于高温高压状态，实际破裂压力会大于地层压力。在高温环境下，砂泥岩孔隙度很大，由于热应力的影响，大的孔隙结构将阻止裂纹扩展，砂泥岩抗拉强度增大。随着地层埋深的加大，砂泥岩抗拉强度随着温度与压力的变化而变化，当温度在140～200℃时，砂泥岩抗拉强度趋于稳定。总之，地层破裂压力的大小与岩石抗拉强度密不可分。

3 模型应用

琼东南盆地位于南海北部大陆边缘，水深介于300～3 000 m，是新生代形成的断陷盆地，其地质条件复杂，受复杂断块、岩性突变及构造运动等因素的影响，异常压力带分布规律性不明显。盆地边缘异常压力带较少，异常高压地层埋藏较深；而往盆地中央异常压力带增多，异常高压地层埋藏变浅，异常压力地层的顶部起伏较大，且压力过渡带不明显，压力系数突然增大的现象较为普遍［16-19］。目前常用的地层破裂压力预测方法都存在一定的局限性，预测和实测结果差别较大。在浅水区域，实际资料证实了传统模型预测钻前地层破裂压力的精度较高，但只考虑了地层速度与正常压实趋势的差异性，还需用压实趋势进行地层破裂压力校正。对于深水海域高温高压区域，特别是异常高压层段尤其不适用。

基于此，采用本文建立的新模型，对L-X井目的层（乐东组—梅山组）进行了地层破裂压力预测［20-24］。该井位于琼东南盆地陵水S构造中部，所在目标区底辟构造及微裂隙发育，可以有效沟通烃源岩和深浅部目的层，具有垂向近源运移的有利条件［25-29］。

3.1 地层孔隙压力与地应力计算

利用Eaton模型对L-X区块地层孔隙压力及地应力当量密度（表征地层破裂压力的参数）进行了计算（见表 2）。

表2 L-X区块地层孔隙压力与地应力当量密度

计算结果显示，该区L-X井处于高压系统，地层孔隙压力当量密度分布在1.031～1.992 g/cm3。应用经验分层地应力模型计算得到，L-X区块上覆岩层压力当量密度分布在1.033～2.011 g/cm3，最大水平主应力当量密度分布在1.011～1.985 g/cm3，最小水平主应力当量密度分布在0.989～1.939 g/cm3。

3.2 地层破裂压力预测

根据表2中的数据，采用传统地层破裂压力预测模型和新模型，对L-X井地层破裂压力当量密度进行了预测；然后绘制出L-X井地层破裂压力预测结果对比图（见图5），并结合实测资料，对模型预测结果进行了误差分析（见表3）。

图5 L-X井模型预测结果对比

表3 L-X井模型预测误差分析

由图5、表3可知：1）模型预测结果与实测值之间均存在一定的误差，尤其是Eaton模型、Hubbert-Willis模型及黄氏模型，预测值误差都有大于10%的，不能满足实际工程的需求，传统模型中Anderson模型和Stephen模型预测结果相对准确，误差均值在4.0%以内，而本文模型预测结果误差在0.54%～0.98%，平均值为0.7%，预测效果最佳。2）深水海域钻井过程中，本文模型预测的地层破裂压力最为准确，尤其是对图5中第3个实测点（井深4 209.90 m）的预测，传统模型没有考虑岩石抗拉强度受深度影响，所以预测值都偏小。针对L-X区块及邻近区域进行地层破裂压力预测时，可借鉴本文模型。