压力预测在钻井当中的应用

李广福

（大庆钻探工程公司钻井三公司第三项目部，黑龙江大庆163000）

准确预测地层压力对于合理、经济地选用钻井液和设计井身结构，以及防止井喷、井漏、井塌等井下故障的发生，有着十分重要的意义[1]。地层孔隙压力的预测在钻进过程中一直是倍受关心的问题。目前在钻井过程中确定地层压力的方法有很多，按照钻井的流程可以划分为钻前压力预测、随钻压力监测、钻后压力评价三大类。随钻监测和钻后地层评价都是属于“事后”技术，而钻前压力预测对于保证钻井的安全尤为重要。目前在各大油田应用最广的是Eaton法，是一种基于欠压实理论的方法[2]，Eaton法对速度及指数N的求取十分关键，本文重点对这两个参数的求取进行解剖，为压力预测提供新的思路。

1 异常压力的成因

地层中的异常压力是普遍存在的。国内外研究表明，导致异常地层压力形成的因素主要包括以下几个方面：①使孔隙空间缩小的作用，包括构造挤压作用和快速沉积引起的欠压实作用；②使孔隙流体体积增大的作用，包括烃类的生成、流体热增压和矿物转化脱水作用；③其他作用，包括他源超压传导作用[3]。研究认为，构造挤压作用、欠压实作用和烃类生成作用是形成异常高压的主因，其他作用都是次因，但是某一地区异常高压的形成并非是单因素导致的，通常是多种因素共同作用的结果。

压实作用：通过前人的研究，认为世界上年轻的沉积盆地中异常高压主要是由于沉积物压实作用所引起的[4]，在快速沉积的厚层泥岩作用下，粘土孔隙中的水不能及时排出，使之处于欠压实状态，另外沉积速度太快，沉积物孔隙中的水不能充分排出，同样也会导致异常高压的形成。

蒙脱石脱水：随着地层温度不断升高，蒙脱石会因为热力的原因，失去结合水，释放出大量的晶格层间水和吸附水[5]，向伊利石转化，如果粘土处在封闭的地质条件下，则会导致地层压力的升高，形成异常高压。

硫酸盐的成岩作用：前人研究指出石膏向无水石膏转化时会释放出大量的水，在封闭的地质条件下，这些水积蓄起来，增加孔隙流体压力从而导致异常高压。无水石膏水化变为石膏时，体积将发生膨胀，在全水化物状态下，体积将增加约40%，倘若石膏的水化作用是在封闭的地质条件下进行。

热力作用：随着埋深增加而不断升高的温度，使孔隙水的膨胀大于岩石的膨胀，导致孔隙压力将升高，同时高温升高会使得干酪根热裂解，生成烃类气体。

构造挤压作用：当含油层与水层连通时通常为正常压力；当发生构造作用，切断两者关联，构造作用如果使埋深变浅，通常造成异常高压；若构造作用使得埋深变深，通常造成异常低压[6]。

生烃增压作用：生烃增压是指当高密度的有机质转化成低密度的油或者气时，促使孔隙流体膨胀，如果生烃作用增加的流体体积大于由于渗漏等因素释放的流体体积则产生异常高压[7]。

2 Eaton法预测原理及关键参数求取

基本原理：Eaton在总结大量实际数据的基础上，认为由于不同区域形成异常压力的机制不同，可以利用声波时差预测异常压力[8]。Eaton法是依据地层压实理论、有效应力理论和均衡理论，建立正常趋势线，通过计算泥岩地层偏离正常压实趋势线来计算孔隙压力。正常压实地层中，泥岩声波时差随埋深的增加而减少，在对数坐标中两者呈线性关系，但在异常高压地层中，声波时差随之增大，从而偏离正常压实趋势线（图1）。公式如下：

图1 Eaton法原理图

式中：Pp——地层孔隙压力，MPa；

Pv——上覆地层压力；

Pn——静液柱压力；

Δtn——深度点正常趋势线的声波时差；

Δts——地层实际声波时差；

k——伊顿指数。

关键参数一：速度求取。获取地震层速度有多种途径，地层压力预测经常使用的资料是地震速度谱。速度谱比较容易获得，但存在速度解释精度较低的问题，影响了地层压力的预测精度。本次研究尝试利用测井约束反演的方法求取速度，这种方法既保留层速度横向分辨率，又增加测井资料纵向分辨率，极大提高了速度的准确性（图2）。

图2 测井约束反演剖面

关键参数二：指数N。Eaton法中指数N的求取的关键是通过邻井。本次研究提出邻井的选择4个指标：①与待钻井井距不要太大，通常在500～2000m左右；②邻井与预测井具有相同层位（预测井的目的层位在邻井发育即可）；③地层或岩性的横向变化不太大、具有相同的压力带上；④最好具有压力测试资料（图3）。

图3 东营凹陷某研究区连井剖面图

指数N的求取，是通过已钻井的测井曲线与实测地层压力点而求得（图4）。当经验值为3得到的地层压力与实测压力差别较大，当经验值取5.3，则得到的地层压力与实测压力较吻合，从而确定指数N取值，当对待钻井压力进行预测时候，指数N则选为5.3。

图4 某研究区井指数N

3 压力预测在钻井中的应用

（1）降低了钻井复杂发生率，减少了处理费用。钻井过程中忽然钻遇复杂地层和特殊岩性时，如果采取措施不当或采取措施不及时，轻者影响钻井速度，重者引发钻井事故甚至造成全井报废。顺利穿过复杂地层和特殊岩性的关键一是搞好随钻分析，提前预报[9]，二是发挥综合录井仪的实时监测功能，宏观细找及时发现，并严密追踪其变化。

（2）优化井身结构设计，降低钻井成本。首先利用邻井资料求取待钻井的地层压力剖面，再利用钻井风险评价方法对待钻井目标层段井身结构进行优化，规避钻井风险的发生。例如邹灵战针对五探1井盐下复杂压力系统提出的非常规井身结构设计（表1）。

表1 五探1井井身结构方案的必封点分析表

（3）降低钻井液密度，节约钻井成本。在钻井过程中，合理的钻井液密度可以保证钻井过程不发生溢流、坍塌、缩径和钻井液漏失，确定钻井液密度的原则是：钻井液密度必须大于安全钻井液密度的下限，小于安全钻井液密度的上限。

4 结论

（1）明确了异常高压产生的原因，其中欠压实作用、构造挤压及生烃作用是主要作用，但异常高压的产生并不是单一因素的结果，而是多种因素共同的结果；

（2）明确了Eaton法中关键参数：速度、指数N的求取。速度的求取应用测井约束反演的方法既可以保留层速度（横向精度），又可以保留测井曲线（纵向精度），极大地提高速度求取的准确性；指数N的求取是通过参照邻井而来。

（3）明确了邻井选取的4个条件：①与待钻井井距不太大，一般在500～2000m左右；②完钻层位和深度相当；③地层或岩性的横向变化不太大、具有相同的压力带上；④最好具有压力测试资料。

（4）压力预测在钻井当中具有极其重要的作用，保证钻井安全的同时又可以优化井身结构、降低钻井液密度、节约钻井成本。