欠压实理论在随钻地层压力预测中的应用<br/>——以X油田A1-1构造为例

欠压实理论在随钻地层压力预测中的应用
——以X油田A1-1构造为例

2021-06-25郭东明

石油地质与工程 2021年3期

郭东明

（中法渤海地质服务有限公司，天津 300457）

随着海上油气勘探不断向深水、超深水及深层区块迈进，在钻探过程中钻遇异常压力地层的频次不断增加，及时准确地识别异常压力的地层对于杜绝井下复杂情况的发生，确保人员、设备、油气藏三方面的安全，是极为必要的。就钻前地层压力预测而言，随着地震资料采集与处理技术的革新，利用其层速度数据在钻前对地层孔隙压力和破裂压力进行预测的技术有了长足的进步，所得钻前地层压力预测数据的可靠性显著提高；但同时也应看到，利用地震资料进行钻前地层压力预测的精度仍较大程度地受地震波速度的准确程度以及地层岩性变化等因素的影响，使得利用地震资料进行地层压力预测的结果更倾向于对区域地层压力的宏观描述。而随着综合录井设备的不断更新，对工程参数的采样率和采集精度有了本质的提高，dc指数（地层可钻性指数）能够更加客观地反映地层状况，利用dc指数进行地层压力评价的解释精度也随之提高。由于在高温高压或井况复杂的情况下，随钻测井工具的使用受到一定程度的制约，从而更加凸显利用dc指数评价地层压力的重要性，其必然成为钻井现场最常用、最可靠的地层孔隙压力评价手段，这对钻井工程中控制井侵、避免出现钻井复杂工况从而完成钻探具有积极的意义。

1 欠压实理论概述

异常地层压力的成因是多种多样的[1]，沉积成因是其中之一。沉积物在沉积过程中，在孔隙水流动通道未被阻隔的情况下，当地层接受上部沉积时，

沉积体自身重力产生的自然压力使得沉积物中的孔隙水随上部沉积物的不断加厚而不断被排出，孔隙被压缩，体积变小，沉积物被压实，此为正常沉积压实过程。而当上部沉积物的沉积速度较快时，下伏沉积体的排水通道被某种因素阻隔，导致其不能及时排出内部的孔隙水，这部分孔隙水将承担部分上覆压力，致使其压力增加，产生异常地层孔隙压力；同时，孔隙水的存在使得该岩石比同深度正常排水的岩石密度低，形成“欠压实”的沉积状态[2-5]，因此，“欠压实”往往与异常地层压力相伴出现。欠压实沉积过程是逐渐进行的，尽管压力变化速度有快有慢，但由欠压实形成的异常地层压力并非跳跃式增长，其总是随深度变化而逐渐变化的，同时，也是地层岩性、物性等参数变化的反映，反过来可以通过岩性、物性的变化信息来判断地层是否存在异常压力。在使用同一钻头并排除钻头末期等干扰因素的情况下，钻井工程参数与所钻遇的岩石可钻性直接相关，而可钻性则往往与地层“欠压实”程度相关，因此，可以通过这些参数的变化来反映地层的“欠压实”程度，从而计算地层压力，在此期间必须剔除压力敏感参数中的异常数据以确保源数据可靠。由于不同压力作用在泥页岩上时通常可以得到不同的响应参数，因此在探讨砂泥岩剖面的地层压力时，往往以泥页岩为压力分析的对象。通常认为，在无他源压力的侵染及忽略孔隙流体密度差异的情况下，含原始孔隙水的储层与其周围的泥岩处于同一压力系统，作为围岩的泥岩在与储层交界处的孔隙压力值可以代表该储层的孔隙压力值，因此，可以通过评价盖层泥岩的孔隙压力大小来反映该泥岩下伏储层的地层孔隙压力大小[6]。而对于气层而言，气层浮力效应及温度的影响使得气层孔隙压力的情况略微有别于水层[7-8]，其压力值可在随钻过程中或在钻后进行校正。

2 技术方法

为实现安全钻进，在实钻过程中需要随时判断钻头钻达位置和钻头之下有限深度内地层孔隙压力的变化情况。在沉积压实的背景下，可以使用dc指数和随钻测井数据并参考井况观察，结合伊顿法计算钻遇地层孔隙压力梯度值[9-10]。在钻井现场，可通过随钻地震等技术方法获得钻达深度之下有限深度内地层压力状况[11-12]，但由于施工条件及成本控制等因素，此类技术仅在少数探井使用，钻井现场仍主要依靠钻井工程参数及随钻测井数据来评价地层孔隙压力。

准确地计算钻遇岩层的地层孔隙压力，选择合适的钻井液密度来平衡地层压力，可以有效地避免溢流、井涌等钻井复杂情况的发生，当需要推断钻头之下有限深度内地层孔隙压力的状况时，则可以利用欠压实成因的异常地层压力的成因机理，即由沉积欠压实形成的异常地层压力总是从正常静水压力开始逐渐升高变化的，形成的异常地层压力的过程中存在压力过渡带，而不是如深层超压传递般的压力突变。因此，即使过渡段很短，仍可以在控制钻进速度的条件下，依据所钻达的地层孔隙压力值推断钻头之下地层孔隙压力的趋势，例如一般可以预测钻头以下10 m以内的孔隙压力趋势。在预测中可使用dc指数和随钻测井数据计算地层孔隙压力梯度。dc指数计算公式如下：

式中：dc为地层可钻性参数，无量纲；ROP为钻时，min/m；RPM为钻头转速，r/min；W为钻压，kN；Db为钻头直径，mm；nρ为正常压力当量密度，g/cm3；mρ为实际钻井液密度，g/cm3。

在地层欠压实层段，地层孔隙度增加，地层可钻性变好，dc指数减小，同时孔隙流体的增加使得地层电阻率减小，这种变化反过来用于预测和计算地层孔隙压力，常用的计算地层孔隙压力梯度的方法是伊顿法[13]和等效深度法[14]，其中，根据使用参数的不同，伊顿法计算公式可分别描述如下：

使用dc指数时：

使用地层电阻率时：

对于上覆地层压力梯度值可以通过区域岩石密度值或者随钻测井岩石体密度计算得到，而正常静水压力梯度值通常可使用区域性常量，在区域上伊顿指数一般为常数，当使用dc指数和地层电阻率计算孔隙压力时，伊顿指数一般可设为1.2，当使用声波时差时可设为-3.0。对浅层正常沉积排水的、具有一定厚度的泥岩为趋势线可得到正常压实趋势线值。

3 分析过程

A1-1构造位处我国海上X油田高温高压盆地，A1-1-2井是A1-1区块上的一口预探井，钻井设计中，井底（井深3 450 m）处的地层孔隙压力梯度为全井最高值，为1.26 g/cm3，预计在设计完钻深度3 450 m之下地层压力梯度将迅速上升，要求必须在此高压层段之前完钻，做到既钻达高压层之上的砂岩目的层，同时又不揭开该高压层以免造成复杂工程情况。钻进中使用地层压力监测技术随钻评价地层孔隙压力，地层压力监测结果如图1所示，图中的自然伽马曲线主要用于判断岩性，dc指数曲线和随钻地层电阻率曲线用于计算地层孔隙压力梯度值。

图1 A1-1-2井下部地层压力监测成果

3.1 作业中发生井漏

当钻至井深3 332 m时，井底岩性为细砂岩，钻井液密度不低于1.26 g/cm3，地层压力监测作业显示此时井底地层孔隙压力梯度为1.20 g/cm3，工程停止钻进并起钻维护井壁。在开泵倒划眼的过程中，突发扭矩增大、瞬时泵压急剧升高的情况，导致地层薄弱处破裂发生钻井液漏失且漏速较快，平均漏速为160 m3/h，在经历一段时间的堵漏作业后，未达到预期堵漏效果，决定降低钻井液密度来延缓钻井液漏失，为最终抑制住漏失创造条件。

3.2 风险分析及技术措施

发生漏失时，由于尚未钻达地质目的层位，在井况允许的条件下，仍需继续钻进。此时，钻进风险一方面来自于为抑制井漏而降低钻井液密度有可能带来的井筒内压力失衡，另一方面来自于继续钻进时可能揭开下部高压层但却无法提高钻井液密度来平衡地层压力。此时地层已处于低超压层段，为避免出现因降低钻井液密度导致井筒内压力失衡形成更为复杂的工程状况，精确判断此时的地层孔隙压力梯度值成为关键：一方面，要确定当前已钻达井段的最大孔隙压力梯度；另一方面，要在钻进时及时准确地判断压力趋势，避免钻开下部高压层。经地层压力监测人员反复核算，确定了井底地层孔隙压力梯度值为1.20 g/cm3，工程方逐步将钻井液密度由1.26 g/cm3降低至1.21 g/cm3，其中，在局部井段将钻井液密度一度降低至1.19 g/cm3，但维持井底钻井液压力梯度值不低于1.20 g/cm3，在降低钻井液密度期间继续使用堵漏剂堵漏，终于使井漏得到了控制。后尝试缓慢提高钻井液密度，当密度增加至1.23 g/cm3时，井筒内即出现较大的漏失速度，表明此时钻井液密度窗口较窄，只能使用密度不高于1.225 g/cm3的钻井液进行下部地层的钻进。

由于井漏状况下不允许提高钻井液密度，下一步钻进过程中必须确保井底地层孔隙压力梯度不高于1.225 g/cm3，即必须在确保所揭开井段的地层孔隙压力无明显上升的状况下才能继续钻进。实钻钻至井深3 380 m时，岩性为泥岩，此时尚未实现钻开最后一层地质目的层，但钻达井深已经很接近设计完钻井深，而在设计中，完钻深度之下即为高压层段，但是否可以继续安全钻进产生了疑问，需要寻求既能妥善实现钻探地质目的又能确保工程安全的钻进方案。

当钻至井深3 380 m时，地层岩性为泥岩，其自然伽马值较高且稳定，为100～140 API；录井岩屑显示泥岩质地均一，含砂量少，具有一定的封隔地层压力的能力。井段3 374～3 380 m的dc指数值和随钻电阻率值较井深3 320 m处泥岩的值大小相当，总体趋势平稳，其斜率与各自趋势线保持基本一致，全烃背景值稳定无升高迹象，由dc指数值和随钻电阻率计算所得地层孔隙压力梯度值均稳定在1.19～1.20 g/cm3，表明地层压力梯度值在从井深3 320 m钻达井深3 380 m时维持稳定且无上升的趋势，特别是在井段3 372～3 380 m的泥岩段，dc指数和随钻电阻率的数值虽有一定的波动，但总体未见明显降低。根据沉积欠压实理论，dc指数曲线和随钻电阻率曲线维持稳定的、与其正常压实趋势线相同的斜率预示着地层孔隙压力梯度值维持不变，此时，若是发生地层孔隙压力上升的状况，则dc指数和随钻地层电阻率的数值都将向低值方向偏离各自的趋势线；同时，鉴于周边井尚无他源压力侵入的情况[15-16]，适当控制钻进速度，在钻进过程中及时进行地层孔隙压力分析，以便及时确认新钻泥岩地层的孔隙压力状况，只要未发现地层孔隙压力梯度明显上升的状况，即可在维持钻井液密度不变的情况下继续钻进直至揭开泥岩下部的储层目的层。采纳了此技术方案之后，在密切的地层压力监测下钻开下伏储层，安全地实现了地质钻探目。