欠壓實理論在隨鉆地層壓力預測中的應用
——以X油田A1-1構(gòu)造為例

郭東明

（中法渤海地質(zhì)服務有限公司，天津 300457）

隨著海上油氣勘探不斷向深水、超深水及深層區(qū)塊邁進，在鉆探過程中鉆遇異常壓力地層的頻次不斷增加，及時準確地識別異常壓力的地層對于杜絕井下復雜情況的發(fā)生，確保人員、設備、油氣藏三方面的安全，是極為必要的。就鉆前地層壓力預測而言，隨著地震資料采集與處理技術(shù)的革新，利用其層速度數(shù)據(jù)在鉆前對地層孔隙壓力和破裂壓力進行預測的技術(shù)有了長足的進步，所得鉆前地層壓力預測數(shù)據(jù)的可靠性顯著提高；但同時也應看到，利用地震資料進行鉆前地層壓力預測的精度仍較大程度地受地震波速度的準確程度以及地層巖性變化等因素的影響，使得利用地震資料進行地層壓力預測的結(jié)果更傾向于對區(qū)域地層壓力的宏觀描述。而隨著綜合錄井設備的不斷更新，對工程參數(shù)的采樣率和采集精度有了本質(zhì)的提高，dc指數(shù)（地層可鉆性指數(shù)）能夠更加客觀地反映地層狀況，利用dc指數(shù)進行地層壓力評價的解釋精度也隨之提高。由于在高溫高壓或井況復雜的情況下，隨鉆測井工具的使用受到一定程度的制約，從而更加凸顯利用dc指數(shù)評價地層壓力的重要性，其必然成為鉆井現(xiàn)場最常用、最可靠的地層孔隙壓力評價手段，這對鉆井工程中控制井侵、避免出現(xiàn)鉆井復雜工況從而完成鉆探具有積極的意義。

1 欠壓實理論概述

異常地層壓力的成因是多種多樣的[1]，沉積成因是其中之一。沉積物在沉積過程中，在孔隙水流動通道未被阻隔的情況下，當?shù)貙咏邮苌喜砍练e時，

沉積體自身重力產(chǎn)生的自然壓力使得沉積物中的孔隙水隨上部沉積物的不斷加厚而不斷被排出，孔隙被壓縮，體積變小，沉積物被壓實，此為正常沉積壓實過程。而當上部沉積物的沉積速度較快時，下伏沉積體的排水通道被某種因素阻隔，導致其不能及時排出內(nèi)部的孔隙水，這部分孔隙水將承擔部分上覆壓力，致使其壓力增加，產(chǎn)生異常地層孔隙壓力；同時，孔隙水的存在使得該巖石比同深度正常排水的巖石密度低，形成“欠壓實”的沉積狀態(tài)[2-5]，因此，“欠壓實”往往與異常地層壓力相伴出現(xiàn)。欠壓實沉積過程是逐漸進行的，盡管壓力變化速度有快有慢，但由欠壓實形成的異常地層壓力并非跳躍式增長，其總是隨深度變化而逐漸變化的，同時，也是地層巖性、物性等參數(shù)變化的反映，反過來可以通過巖性、物性的變化信息來判斷地層是否存在異常壓力。在使用同一鉆頭并排除鉆頭末期等干擾因素的情況下，鉆井工程參數(shù)與所鉆遇的巖石可鉆性直接相關(guān)，而可鉆性則往往與地層“欠壓實”程度相關(guān)，因此，可以通過這些參數(shù)的變化來反映地層的“欠壓實”程度，從而計算地層壓力，在此期間必須剔除壓力敏感參數(shù)中的異常數(shù)據(jù)以確保源數(shù)據(jù)可靠。由于不同壓力作用在泥頁巖上時通?？梢缘玫讲煌捻憫獏?shù)，因此在探討砂泥巖剖面的地層壓力時，往往以泥頁巖為壓力分析的對象。通常認為，在無他源壓力的侵染及忽略孔隙流體密度差異的情況下，含原始孔隙水的儲層與其周圍的泥巖處于同一壓力系統(tǒng)，作為圍巖的泥巖在與儲層交界處的孔隙壓力值可以代表該儲層的孔隙壓力值，因此，可以通過評價蓋層泥巖的孔隙壓力大小來反映該泥巖下伏儲層的地層孔隙壓力大小[6]。而對于氣層而言，氣層浮力效應及溫度的影響使得氣層孔隙壓力的情況略微有別于水層[7-8]，其壓力值可在隨鉆過程中或在鉆后進行校正。

2 技術(shù)方法

為實現(xiàn)安全鉆進，在實鉆過程中需要隨時判斷鉆頭鉆達位置和鉆頭之下有限深度內(nèi)地層孔隙壓力的變化情況。在沉積壓實的背景下，可以使用dc指數(shù)和隨鉆測井數(shù)據(jù)并參考井況觀察，結(jié)合伊頓法計算鉆遇地層孔隙壓力梯度值[9-10]。在鉆井現(xiàn)場，可通過隨鉆地震等技術(shù)方法獲得鉆達深度之下有限深度內(nèi)地層壓力狀況[11-12]，但由于施工條件及成本控制等因素，此類技術(shù)僅在少數(shù)探井使用，鉆井現(xiàn)場仍主要依靠鉆井工程參數(shù)及隨鉆測井數(shù)據(jù)來評價地層孔隙壓力。

準確地計算鉆遇巖層的地層孔隙壓力，選擇合適的鉆井液密度來平衡地層壓力，可以有效地避免溢流、井涌等鉆井復雜情況的發(fā)生，當需要推斷鉆頭之下有限深度內(nèi)地層孔隙壓力的狀況時，則可以利用欠壓實成因的異常地層壓力的成因機理，即由沉積欠壓實形成的異常地層壓力總是從正常靜水壓力開始逐漸升高變化的，形成的異常地層壓力的過程中存在壓力過渡帶，而不是如深層超壓傳遞般的壓力突變。因此，即使過渡段很短，仍可以在控制鉆進速度的條件下，依據(jù)所鉆達的地層孔隙壓力值推斷鉆頭之下地層孔隙壓力的趨勢，例如一般可以預測鉆頭以下10 m以內(nèi)的孔隙壓力趨勢。在預測中可使用dc指數(shù)和隨鉆測井數(shù)據(jù)計算地層孔隙壓力梯度。dc指數(shù)計算公式如下：

式中：dc為地層可鉆性參數(shù)，無量綱；ROP為鉆時，min/m；RPM為鉆頭轉(zhuǎn)速，r/min；W為鉆壓，kN；Db為鉆頭直徑，mm；nρ為正常壓力當量密度，g/cm3；mρ為實際鉆井液密度，g/cm3。

在地層欠壓實層段，地層孔隙度增加，地層可鉆性變好，dc指數(shù)減小，同時孔隙流體的增加使得地層電阻率減小，這種變化反過來用于預測和計算地層孔隙壓力，常用的計算地層孔隙壓力梯度的方法是伊頓法[13]和等效深度法[14]，其中，根據(jù)使用參數(shù)的不同，伊頓法計算公式可分別描述如下：

使用dc指數(shù)時：

使用地層電阻率時：

對于上覆地層壓力梯度值可以通過區(qū)域巖石密度值或者隨鉆測井巖石體密度計算得到，而正常靜水壓力梯度值通?？墒褂脜^(qū)域性常量，在區(qū)域上伊頓指數(shù)一般為常數(shù)，當使用dc指數(shù)和地層電阻率計算孔隙壓力時，伊頓指數(shù)一般可設為1.2，當使用聲波時差時可設為-3.0。對淺層正常沉積排水的、具有一定厚度的泥巖為趨勢線可得到正常壓實趨勢線值。

3 分析過程

A1-1構(gòu)造位處我國海上X油田高溫高壓盆地，A1-1-2井是A1-1區(qū)塊上的一口預探井，鉆井設計中，井底（井深3 450 m）處的地層孔隙壓力梯度為全井最高值，為1.26 g/cm3，預計在設計完鉆深度3 450 m之下地層壓力梯度將迅速上升，要求必須在此高壓層段之前完鉆，做到既鉆達高壓層之上的砂巖目的層，同時又不揭開該高壓層以免造成復雜工程情況。鉆進中使用地層壓力監(jiān)測技術(shù)隨鉆評價地層孔隙壓力，地層壓力監(jiān)測結(jié)果如圖1所示，圖中的自然伽馬曲線主要用于判斷巖性，dc指數(shù)曲線和隨鉆地層電阻率曲線用于計算地層孔隙壓力梯度值。

圖1 A1-1-2井下部地層壓力監(jiān)測成果

3.1 作業(yè)中發(fā)生井漏

當鉆至井深3 332 m時，井底巖性為細砂巖，鉆井液密度不低于1.26 g/cm3，地層壓力監(jiān)測作業(yè)顯示此時井底地層孔隙壓力梯度為1.20 g/cm3，工程停止鉆進并起鉆維護井壁。在開泵倒劃眼的過程中，突發(fā)扭矩增大、瞬時泵壓急劇升高的情況，導致地層薄弱處破裂發(fā)生鉆井液漏失且漏速較快，平均漏速為160 m3/h，在經(jīng)歷一段時間的堵漏作業(yè)后，未達到預期堵漏效果，決定降低鉆井液密度來延緩鉆井液漏失，為最終抑制住漏失創(chuàng)造條件。

3.2 風險分析及技術(shù)措施

發(fā)生漏失時，由于尚未鉆達地質(zhì)目的層位，在井況允許的條件下，仍需繼續(xù)鉆進。此時，鉆進風險一方面來自于為抑制井漏而降低鉆井液密度有可能帶來的井筒內(nèi)壓力失衡，另一方面來自于繼續(xù)鉆進時可能揭開下部高壓層但卻無法提高鉆井液密度來平衡地層壓力。此時地層已處于低超壓層段，為避免出現(xiàn)因降低鉆井液密度導致井筒內(nèi)壓力失衡形成更為復雜的工程狀況，精確判斷此時的地層孔隙壓力梯度值成為關(guān)鍵：一方面，要確定當前已鉆達井段的最大孔隙壓力梯度；另一方面，要在鉆進時及時準確地判斷壓力趨勢，避免鉆開下部高壓層。經(jīng)地層壓力監(jiān)測人員反復核算，確定了井底地層孔隙壓力梯度值為1.20 g/cm3，工程方逐步將鉆井液密度由1.26 g/cm3降低至1.21 g/cm3，其中，在局部井段將鉆井液密度一度降低至1.19 g/cm3，但維持井底鉆井液壓力梯度值不低于1.20 g/cm3，在降低鉆井液密度期間繼續(xù)使用堵漏劑堵漏，終于使井漏得到了控制。后嘗試緩慢提高鉆井液密度，當密度增加至1.23 g/cm3時，井筒內(nèi)即出現(xiàn)較大的漏失速度，表明此時鉆井液密度窗口較窄，只能使用密度不高于1.225 g/cm3的鉆井液進行下部地層的鉆進。

由于井漏狀況下不允許提高鉆井液密度，下一步鉆進過程中必須確保井底地層孔隙壓力梯度不高于1.225 g/cm3，即必須在確保所揭開井段的地層孔隙壓力無明顯上升的狀況下才能繼續(xù)鉆進。實鉆鉆至井深3 380 m時，巖性為泥巖，此時尚未實現(xiàn)鉆開最后一層地質(zhì)目的層，但鉆達井深已經(jīng)很接近設計完鉆井深，而在設計中，完鉆深度之下即為高壓層段，但是否可以繼續(xù)安全鉆進產(chǎn)生了疑問，需要尋求既能妥善實現(xiàn)鉆探地質(zhì)目的又能確保工程安全的鉆進方案。

當鉆至井深3 380 m時，地層巖性為泥巖，其自然伽馬值較高且穩(wěn)定，為100～140 API；錄井巖屑顯示泥巖質(zhì)地均一，含砂量少，具有一定的封隔地層壓力的能力。井段3 374～3 380 m的dc指數(shù)值和隨鉆電阻率值較井深3 320 m處泥巖的值大小相當，總體趨勢平穩(wěn)，其斜率與各自趨勢線保持基本一致，全烴背景值穩(wěn)定無升高跡象，由dc指數(shù)值和隨鉆電阻率計算所得地層孔隙壓力梯度值均穩(wěn)定在1.19～1.20 g/cm3，表明地層壓力梯度值在從井深3 320 m鉆達井深3 380 m時維持穩(wěn)定且無上升的趨勢，特別是在井段3 372～3 380 m的泥巖段，dc指數(shù)和隨鉆電阻率的數(shù)值雖有一定的波動，但總體未見明顯降低。根據(jù)沉積欠壓實理論，dc指數(shù)曲線和隨鉆電阻率曲線維持穩(wěn)定的、與其正常壓實趨勢線相同的斜率預示著地層孔隙壓力梯度值維持不變，此時，若是發(fā)生地層孔隙壓力上升的狀況，則dc指數(shù)和隨鉆地層電阻率的數(shù)值都將向低值方向偏離各自的趨勢線；同時，鑒于周邊井尚無他源壓力侵入的情況[15-16]，適當控制鉆進速度，在鉆進過程中及時進行地層孔隙壓力分析，以便及時確認新鉆泥巖地層的孔隙壓力狀況，只要未發(fā)現(xiàn)地層孔隙壓力梯度明顯上升的狀況，即可在維持鉆井液密度不變的情況下繼續(xù)鉆進直至揭開泥巖下部的儲層目的層。采納了此技術(shù)方案之后，在密切的地層壓力監(jiān)測下鉆開下伏儲層，安全地實現(xiàn)了地質(zhì)鉆探目。

4 結(jié)論

（1）利用欠壓實理論將地層壓力監(jiān)測結(jié)果應用于判斷鉆頭之下有限深度內(nèi)地層孔隙壓力的變化趨勢，使得A1-1-2井在遇到井下復雜情況時得到了積極有效的技術(shù)支持，最終實現(xiàn)安全鉆進，實現(xiàn)了鉆探地質(zhì)目的，達到了多方滿意的效果。

（2）A1-1-2井完鉆電纜測壓顯示井底地層孔隙壓力梯度值為1.19～1.20 g/cm3，印證了本井地層壓力監(jiān)測結(jié)果的準確性。

（3）地層壓力監(jiān)測技術(shù)在高溫高壓井中應用較廣，但利用基礎理論來拓寬技術(shù)應用領(lǐng)域仍需完成大量工作，只有正確理解基礎理論的概念并將之運用得當，才能在鉆遇復雜工況情況下給出有效的技術(shù)支持方案。