鉆井工程中隨鉆地層壓力監(jiān)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用

王方彬

（中石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司國(guó)際工程公司，四川成都 610051)

地層壓力確定關(guān)系到油氣鉆探過(guò)程中鉆井液密度的選擇及井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在實(shí)踐中，因地層壓力預(yù)測(cè)不準(zhǔn)確而引發(fā)井下事故，因井身結(jié)構(gòu)及鉆進(jìn)設(shè)備不適應(yīng)地層高壓而影響工程作業(yè)的情形時(shí)有發(fā)生。川西地區(qū)深層油井平均井深較大，井眼地質(zhì)情況復(fù)雜，異常高壓，且地層裂隙多，斷裂發(fā)育，易發(fā)生破碎坍塌，井噴、井涌、卡鉆等井下事故出現(xiàn)頻繁。為此，必須采取恰當(dāng)?shù)募夹g(shù)加強(qiáng)隨鉆地層壓力監(jiān)測(cè)，為預(yù)測(cè)異常地層壓力及加強(qiáng)鉆井液密度設(shè)計(jì)提供科學(xué)指導(dǎo)。

1 川西地區(qū)鉆井工程地質(zhì)特征

中國(guó)石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司在川西地區(qū)深層石油勘探開(kāi)發(fā)過(guò)程中完鉆井井深通常為4500～5350m，地質(zhì)條件復(fù)雜，斷層附近裂隙發(fā)育，并主要表現(xiàn)出以下地質(zhì)特征：（1）超高壓異常：川西地區(qū)須家河組鉆井dc指數(shù)、地震資料及鉆井液密度等所測(cè)得的地層壓力顯示，地壓在橫向上從西向東以波浪式形態(tài)遞增，且從南向北呈遞減趨勢(shì)；縱向上則從淺至深臺(tái)階式遞增，表現(xiàn)為明顯的多壓力系統(tǒng)。（2）地層裂隙發(fā)育：淺部、中部及深部分別為水平縫、斜縫和垂直縫，且泥頁(yè)巖具有很強(qiáng)的水敏性和較大的破碎坍塌性，若鉆井液密度不合理，很容易引發(fā)井漏、井噴及井下事故。（3）鉆遇地層巖性復(fù)雜。川西地區(qū)地表出露白堊系、第三系和第四系地層，下覆侏羅系上統(tǒng)蓬萊鎮(zhèn)組、中通沙溪廟組、白田壩組，上三疊統(tǒng)須家河組，并主要表現(xiàn)為陸相沉積泥巖、砂巖及頁(yè)巖等巖性。巖石孔滲透性隨井深增大而呈降低趨勢(shì)，屬于典型的致密砂巖油層，裂縫介質(zhì)對(duì)流體產(chǎn)出影響較大。深部須家河組鉆采遭遇灰黑色多層頁(yè)巖和煤巖，嚴(yán)重影響井眼穩(wěn)定性。

2 隨鉆地層壓力監(jiān)測(cè)

2.1 dc指數(shù)法

該監(jiān)測(cè)方法主要利用機(jī)械鉆速受泥頁(yè)巖壓差的影響進(jìn)行地層實(shí)際壓力檢測(cè)。鉆頭直徑、類(lèi)型、水眼尺寸、磨損程度、鉆速及鉆壓、鉆井液類(lèi)型等參數(shù)均影響dc指數(shù)法的應(yīng)用及監(jiān)測(cè)結(jié)果，在測(cè)算過(guò)程中，必須充分重視以上參數(shù)取值。其基本模型如下：

式中：ρn—地層水密度（g/cm3）；ρm—鉆井液實(shí)際密度（g/cm3）； —鉆速（m/h）；T—轉(zhuǎn)速（r/min）；W—鉆壓（×103kg）；D—鉆頭直徑（mm）。

應(yīng)用該方法進(jìn)行地層壓力監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵在于構(gòu)建準(zhǔn)確的地層壓力變化趨勢(shì)線[1]。在進(jìn)入異常壓力地層前，選擇連續(xù)正常沉積及壓實(shí)泥巖地層對(duì)式（1）所計(jì)算出dc值進(jìn)行回歸分析，以得到壓力趨勢(shì)線所對(duì)應(yīng)斜率和截距。根據(jù)壓實(shí)規(guī)律，dc值和地層壓力實(shí)際深度H之間呈指數(shù)關(guān)系，即：

兩端取對(duì)數(shù)，則可得到：

上式中：b—斜率；α—截距。

在進(jìn)行回歸分析的過(guò)程中必須根據(jù)地層巖性、氣體、巖屑等情況綜合判斷地層壓力，并通過(guò)趨勢(shì)線適當(dāng)平移以計(jì)算地層壓力值，從而消除非地層因素對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響。確定出地層壓力變化趨勢(shì)線后，可觀察異常高壓地層所出現(xiàn)層位及所對(duì)應(yīng)dc值偏離程度，通常情況下，dc值向左偏離趨勢(shì)線越遠(yuǎn)，則地層壓力越高；dc值向右偏離趨勢(shì)線越遠(yuǎn)，則地層壓力越低。在此基礎(chǔ)上，可通過(guò)A.M.諾瑪納公式[2]進(jìn)行地層孔隙壓力具體值的計(jì)算，公式如下：

其中：ρP—地層壓力當(dāng)量密度（g/cm3）；dcn—所求井深正常dc值。

2.2 Sigma監(jiān)測(cè)法

該方法主要根據(jù)巖石破碎程度及鉆速進(jìn)行地層壓力隨鉆監(jiān)測(cè)，且通常不考慮巖性，受鉆頭及地層因素影響也較小。對(duì)于常規(guī)地層，隨井深增大其巖石強(qiáng)度隨之增加，而對(duì)于壓力過(guò)渡帶地層，隨井深增大后巖石強(qiáng)度會(huì)偏離正常變化趨勢(shì)并出現(xiàn)降低的特征。根據(jù)以上原理，通過(guò)構(gòu)建正常地層壓力下巖石強(qiáng)度變動(dòng)趨勢(shì)線，以進(jìn)行隨鉆壓力監(jiān)測(cè)分析。具體而言，在求出地層巖石總硬度、鉆井液柱和地層壓力間的壓差、鉆時(shí)、井深對(duì)巖石強(qiáng)度的影響程度、巖屑對(duì)巖石強(qiáng)度的影響系數(shù)等參數(shù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行地層壓力當(dāng)量鉆井液密度計(jì)算。

以上兩種方法中，前者主要進(jìn)行泥頁(yè)巖地層壓力預(yù)測(cè)，且測(cè)算過(guò)程和結(jié)果主要受到巖性及鉆井參數(shù)較大影響；而后者并不受以上因素的影響，在具體應(yīng)用時(shí)，必須根據(jù)預(yù)測(cè)精度要求選擇適用性強(qiáng)的監(jiān)測(cè)技術(shù)。

3 工程應(yīng)用

通過(guò)VB語(yǔ)言進(jìn)行上述隨鉆地層壓力監(jiān)測(cè)技術(shù)程序編程，并針對(duì)川西地區(qū)多口井進(jìn)行隨鉆壓力監(jiān)測(cè)，以其中的DY1#井為例，說(shuō)明隨鉆地層壓力監(jiān)測(cè)技術(shù)的具體應(yīng)用。

DY1#井屬于川西地區(qū)新生界沉積坳陷帶龍門(mén)山斷層構(gòu)造帶的預(yù)探井，其須家河勘探地層段主要表現(xiàn)出黑色頁(yè)巖+淺灰色粗粒長(zhǎng)石英砂巖+灰色礫狀砂巖互層的巖性特征。結(jié)合對(duì)該地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造和鄰井實(shí)際鉆探資料的深入分析發(fā)現(xiàn)，該預(yù)探井地層壓力異常，且壓力系數(shù)取值在1.20～1.40之間。該預(yù)探井須家河地層井段在鉆井過(guò)程中主要應(yīng)用的是HJT537GK型牙輪鉆頭，鉆深在4150～4640m之間，鉆進(jìn)參數(shù)取值較為接近，有利于展開(kāi)隨鉆地層壓力監(jiān)測(cè)。

隨鉆地層壓力dc指數(shù)趨勢(shì)線具體見(jiàn)圖1，由圖可知，在鉆深超過(guò)4400m后地層壓力開(kāi)始顯現(xiàn)出明顯的異常，鉆深4500m時(shí)出現(xiàn)一處壓力突變所引致的尖峰，這與鉆進(jìn)過(guò)程中在鉆深4408m后遭遇裂縫性高壓氣層、鉆深4470～4474m之間遭遇高壓含氣層相的實(shí)際情況基本吻合。通過(guò)比較dc指數(shù)和Sigma監(jiān)測(cè)法趨勢(shì)線可以發(fā)現(xiàn)，dc指數(shù)法表現(xiàn)出更加明顯的趨勢(shì)線特征[3]，且更利于監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)地層壓力異常情況。

圖1 隨鉆地層壓力dc指數(shù)趨勢(shì)線

通過(guò)比較dc指數(shù)和Sigma監(jiān)測(cè)法所得到的DY1#預(yù)探井地層壓力當(dāng)量密度和實(shí)際應(yīng)用鉆井液密度曲線圖的比較分析可以看出，該預(yù)探井在鉆深4410m處dc指數(shù)和Sigma監(jiān)測(cè)法所監(jiān)測(cè)到的地層壓力當(dāng)量密度均大于實(shí)際應(yīng)用鉆井液情況下的地層壓力當(dāng)量密度，地層壓力復(fù)雜，存在較大的溢流、井噴、井涌風(fēng)險(xiǎn)，具體見(jiàn)圖2。在實(shí)際鉆進(jìn)過(guò)程中，在鉆深4418m處的確發(fā)生了井涌事故，充分說(shuō)明預(yù)測(cè)結(jié)果的合理性和準(zhǔn)確性。根據(jù)對(duì)該預(yù)測(cè)趨勢(shì)圖的分析還可以看出，采用dc指數(shù)法所得到的DY1#預(yù)探井地層壓力值、結(jié)合鄰井實(shí)際鉆探資料所預(yù)測(cè)得到的地層壓力值均與實(shí)際應(yīng)用鉆井液地層壓力當(dāng)量密度接近，其預(yù)測(cè)精度明顯優(yōu)于Sigma監(jiān)測(cè)法。

圖2 預(yù)測(cè)地層壓力與實(shí)際比較

4 結(jié)論

綜上所述，本文所提出的dc指數(shù)法和Sigma監(jiān)測(cè)法對(duì)于川西地區(qū)深層石油勘探開(kāi)發(fā)過(guò)程中地層壓力隨鉆監(jiān)測(cè)均較為適用，可用于預(yù)測(cè)異常地層壓力并進(jìn)行鉆井液密度設(shè)計(jì)。通過(guò)構(gòu)建適合川西地區(qū)深層石油開(kāi)發(fā)勘探地層壓力監(jiān)測(cè)的計(jì)算模型和方法，結(jié)合DY1#預(yù)探井實(shí)鉆數(shù)據(jù)進(jìn)行了其地層壓力預(yù)測(cè)和地層壓力分布趨勢(shì)規(guī)律的分析，預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)鉆情況吻合度高。為保證預(yù)測(cè)結(jié)果精度，在計(jì)算地層壓力時(shí)必須綜合考慮鉆井工程所在區(qū)塊及鄰井實(shí)鉆資料，進(jìn)行模型優(yōu)選，并應(yīng)加強(qiáng)對(duì)實(shí)鉆過(guò)程的跟蹤研究，不斷修正待鉆井段地層壓力預(yù)測(cè)結(jié)果。