地層壓力預(yù)測(cè)技術(shù)在準(zhǔn)噶爾盆地鉆井中的應(yīng)用

摘 要

摘要：準(zhǔn)噶爾盆地東部地區(qū)存在多套不同的壓力層系，給鉆井工程帶來了很多困難。地層壓力的準(zhǔn)確計(jì)算對(duì)于合理、經(jīng)濟(jì)地選用鉆井液性能，防止井噴、井漏、井塌等復(fù)雜鉆井情況的發(fā)生具
摘要：準(zhǔn)噶爾盆地東部地區(qū)存在多套不同的壓力層系，給鉆井工程帶來了很多困難。地層壓力的準(zhǔn)確計(jì)算對(duì)于合理、經(jīng)濟(jì)地選用鉆井液性能，防止井噴、井漏、井塌等復(fù)雜鉆井情況的發(fā)生具有重要意義。為此，分析了準(zhǔn)噶爾盆地東部地區(qū)異常壓力成因機(jī)理，認(rèn)為水熱增壓、烴類生成和黏土礦物轉(zhuǎn)化不是該地區(qū)異常壓力主要成因，欠壓實(shí)作用才是造成該地區(qū)異常壓力的主要機(jī)理。以現(xiàn)場(chǎng)測(cè)井資料和實(shí)際施工數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，應(yīng)用測(cè)井資料解釋方法對(duì)該地區(qū)的A1井等6口井進(jìn)行了地層壓力預(yù)測(cè)。結(jié)果表明：奇古組以下地層存在異常高壓，鉆井時(shí)應(yīng)提高鉆井液密度來實(shí)現(xiàn)平衡鉆井；地層壓力預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值相對(duì)誤差最高為4.3%，預(yù)測(cè)精度高，達(dá)到了指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)安全鉆井和井控的目的。
關(guān)鍵詞：平衡壓力鉆井；地層壓力；預(yù)測(cè)；測(cè)井；準(zhǔn)噶爾盆地
0 引言
就鉆井工程而言，地層壓力是近平衡壓力鉆井的依據(jù)，對(duì)于設(shè)計(jì)套管程序、合理選用鉆井液密度、減少油氣層污染等方面都具有重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值[1～2]。因此，能否進(jìn)行準(zhǔn)確的地層孔隙壓力評(píng)價(jià)，正確認(rèn)識(shí)鉆井地層壓力環(huán)境，已成為急需解決的問題。通過對(duì)準(zhǔn)噶爾盆地地質(zhì)構(gòu)造及地層壓力成因機(jī)理的分析，應(yīng)用測(cè)井資料解釋方法對(duì)準(zhǔn)噶爾盆地東部地區(qū)A1井等6口井的地層壓力進(jìn)行了預(yù)測(cè)。結(jié)果表明，該預(yù)測(cè)技術(shù)具有很強(qiáng)的實(shí)用性，計(jì)算精度高。
1 地理構(gòu)造背景及異常壓力成因機(jī)理
    準(zhǔn)噶爾盆地是我國(guó)大型含油氣盆地之一。位于新疆北部，盆地周圍被褶皺山系環(huán)繞，西北為扎依爾山和哈拉阿拉特山，東北為古格里底山和克拉美麗山，南面是天山山脈的伊林黑比爾根山和博格達(dá)山。盆地平面形狀呈南寬北窄的近三角形，面積為13.4×104km2，平均海拔為500m，沉積巖最大厚度為14000m。準(zhǔn)噶爾盆地油氣勘探在區(qū)域上主要集中在西北緣、腹部、南緣和準(zhǔn)東地區(qū)，從板塊劃分上看，盆地位于哈薩克斯坦板塊，西伯利亞板塊和天山褶皺帶之間的三角地帶。準(zhǔn)噶爾盆地是晚古生代 中新生代的擠壓復(fù)合疊加盆地，經(jīng)歷了多期構(gòu)造演化，多期巖漿活動(dòng)，多源動(dòng)力作用，其地層壓力分布、成因及其與油氣成藏間的構(gòu)造格局復(fù)雜。
    長(zhǎng)期以來，水熱增壓被認(rèn)為是各種超壓機(jī)制中最常見和最有效的一種，但近期科學(xué)研究結(jié)果表明，在絕大多數(shù)沉積盆地的地質(zhì)條件下，由于溫度隨深度增加而使地層內(nèi)增加的流體壓力極為有限。準(zhǔn)噶爾盆地今地溫場(chǎng)為常溫特征，今地溫梯度為2.4～2.8℃/100m。溫度對(duì)地層壓力的影響作用不大。因此，發(fā)生水熱增壓的可能性很小。有機(jī)質(zhì)生成烴類，體積增大，可以大幅度地提高已壓實(shí)巖層中的壓力。在于酪根的埋藏和生成烴類的過程中，烴類生成特別是低分子烴類的生成所造成的體積膨脹；同時(shí)生成的水和烴類等物質(zhì)在地層中變單相流動(dòng)為多相流動(dòng)，引起流體滲透率的降低，最終造成超壓異常。該區(qū)生烴潛量總體上較低，干酪根熱降解生成烴類作用不會(huì)造成異常壓力的存在。地層中的黏土礦物在高溫條件下所經(jīng)歷的成巖變化，也就是蒙脫石轉(zhuǎn)化為伊利石的過程中，其有3個(gè)方面的因素引起孔隙流體壓力的增加：①伊利石對(duì)孔隙孔道產(chǎn)生堵塞，降低了泥質(zhì)巖的滲透性；②伴隨這個(gè)過程有大量水脫出，所釋放出的水體積可達(dá)到原始孔隙體積的15%；③蒙脫石層間吸附水的密度一般高于自由孔隙水。由于自由孔隙水和黏土吸附水之間存在著密度差異，蒙脫石吸附水脫出后必然要膨脹，導(dǎo)致地層產(chǎn)生附加孔隙壓力，隨著上覆沉積地層的迅速增厚，負(fù)載增加，流體的排出受阻，促使地層中泥質(zhì)巖超壓形成。從黏土礦物轉(zhuǎn)化特征來看，由蒙脫石向伊利石轉(zhuǎn)化過程脫水作用非該地區(qū)的壓力成因。因此，水熱增壓、烴類生成和黏土礦物轉(zhuǎn)化這3種作用不是該地區(qū)壓力成因的主要機(jī)理[3～5]。準(zhǔn)噶爾盆地東部地區(qū)上部地層以泥巖、泥質(zhì)粉砂巖為主，下部地層以泥巖、泥質(zhì)粉砂巖，砂礫巖、含礫泥巖、含礫泥質(zhì)粉砂巖為主。因此，該地區(qū)異常壓力成因機(jī)理應(yīng)該是由欠壓實(shí)作用造成的。地層壓力預(yù)測(cè)方法及原理
   聲波測(cè)井測(cè)量的是彈性波在地層中的傳播時(shí)間。聲波時(shí)差主要反映巖性、壓實(shí)程度和孔隙度。除了含氣層的聲波時(shí)差顯示高值或出現(xiàn)周波跳躍外，它受井徑、溫度及地層水礦化度變化的影響比其他測(cè)井方法小得多。因此，筆者選用聲波時(shí)差來評(píng)價(jià)和計(jì)算地層壓力。：
   聲波測(cè)井所記錄的縱向傳播速度主要是巖性和孔隙度的函數(shù)，對(duì)砂泥巖而言，聲波測(cè)井曲線基本上為一條反映孔隙度變化的曲線，在正常壓實(shí)情況下，聲波傳播時(shí)間將隨埋藏深度的增加而減小，而聲波傳播速度則隨埋藏深度的增加而增大，如遇異常地層壓力過渡帶，泥巖孔隙度增加，聲波時(shí)差將偏離正常壓實(shí)趨勢(shì)線[6]，應(yīng)用聲波測(cè)井資料可以對(duì)欠壓實(shí)作用產(chǎn)生的異常壓力進(jìn)行預(yù)測(cè)。因此，筆者采用聲波時(shí)差法對(duì)準(zhǔn)噶爾盆地東部地區(qū)的地層壓力進(jìn)行預(yù)測(cè)。用正常壓實(shí)泥頁(yè)巖井段聲波時(shí)差與其對(duì)應(yīng)的埋藏深度按半對(duì)數(shù)關(guān)系回歸，建立聲波時(shí)差的正常趨勢(shì)線，利用伊頓模型定量求取地層壓力[7]：
    Gp=Gop-(Gop-ρw)(△tn/△t)n    (1)
式中：Gp為地層孔隙壓力當(dāng)量密度，g/cm3；Gop為上覆巖層壓力當(dāng)量密度，g/cm3；ρw為地層水靜水壓力當(dāng)量密度，g/cm3；△tn為正常壓實(shí)時(shí)的聲波時(shí)差值，μs/m；△t為實(shí)測(cè)聲波時(shí)差值，μs/m；，n為伊頓指數(shù)，該研究區(qū)塊一般取0.45～0.48。
    應(yīng)用伊頓模型進(jìn)行地層壓力預(yù)測(cè)之前應(yīng)對(duì)聲波測(cè)井資料進(jìn)行校核和預(yù)處理，盡量減少和消除測(cè)井過程中由于其他因素造成的測(cè)量數(shù)據(jù)的偏差和錯(cuò)誤，以減少不良數(shù)據(jù)對(duì)后續(xù)計(jì)算分析的影響。然后提取聲波測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)，建立聲波時(shí)差趨勢(shì)線。正常的地層孔隙壓力系統(tǒng)，其聲波時(shí)差趨勢(shì)是呈現(xiàn)下降趨勢(shì)的，將聲波時(shí)差取對(duì)數(shù)后可以建立聲波時(shí)差(△t)與井深(H)的關(guān)系，如式(2)所示：
    lg△t=AH+B    (2)
式中：△t為深度H處的地層聲波時(shí)差，μs/m；A、B為系數(shù)。
    從式(2)中可以直觀地看出：lg△t與H呈線性關(guān)系，斜率是A(A＜0)，在半對(duì)數(shù)曲線上，正常壓實(shí)地層的△t對(duì)數(shù)值隨深度呈線性減少。如出現(xiàn)異常高壓，△t散點(diǎn)會(huì)明顯偏離正常趨勢(shì)線。
3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果
在整體把握準(zhǔn)噶爾盆地東部地區(qū)的地質(zhì)特性后，對(duì)相關(guān)測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)資料進(jìn)行分析處理，應(yīng)用上述計(jì)算方法，對(duì)該地區(qū)A1井等6口井的地層壓力進(jìn)行了計(jì)算(表1)，并繪制了A6井全井地層孔隙壓力剖面圖(圖1)。
 
表1 地層孔隙壓力當(dāng)量密度計(jì)算值與實(shí)際值對(duì)比表
井號(hào)
井深(m)
預(yù)測(cè)值(g/cm3)
實(shí)測(cè)值(g/cm3)
相對(duì)誤差(%)
A1
2882.00
1.21
1.18
2.54
3254.50
1.18
1.22
3.28
A2
2446.00
1.11
1.16
4.31
3481.75
1.24
1.25
0.80
A3
2018.00
1.17
1.22
4.10
A4
2747.00
1.13
1.15
1.74
3062.50
1.14
1.17
2.56
A5
2924.00
1.25
1.23
1.63
A6
2987.50
1.18
1.21
2.72
    對(duì)比分析表1可知，由伊頓法計(jì)算的孔隙壓力當(dāng)量密度值與實(shí)際值之間的誤差很小，平均誤差率在2%左右。滿足了工程需要，說明該方法是適合于該地區(qū)的地層壓力預(yù)測(cè)的。
4 結(jié)論
1) 準(zhǔn)噶爾盆地東部地區(qū)異常壓力成因?yàn)榍穳簩?shí)作用造成的。
    2) 用伊頓模型評(píng)價(jià)準(zhǔn)噶爾盆地東部地區(qū)異常壓力是合適的，最大誤差為4.3%，滿足了工程需要。
    3) 該地區(qū)存在低幅超壓系統(tǒng)，鉆井過程中應(yīng)使用合適的鉆井液密度來平衡地層壓力，防止鉆井復(fù)雜情況的發(fā)生。
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(本文作者：李忠慧1，2 樓一珊1，2 王兆峰3 田崢1 朱亮1，2 吳惠梅1，2 1.“油氣鉆采工程”湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 長(zhǎng)江大學(xué)；2.長(zhǎng)江大學(xué)石油工程學(xué)院；3.中國(guó)石油新疆油田分公司勘探開發(fā)研究院)