基于dc指數(shù)的2種異常壓力隨鉆預(yù)監(jiān)測新方法

王志戰(zhàn) ，蓋姍姍，許愛生

(1. 中國石化石油工程技術(shù)研究院 測錄井研究所，北京 100101；2. 中國石化集團(tuán)勝利石油管理局 地質(zhì)錄井公司，山東 東營，257064)

異常壓力是含油氣盆地普遍存在的一種現(xiàn)象[1]，它對油氣成藏具有促進(jìn)作用[2]，對鉆井安全則具有危害作用[3]，因此，搞好異常壓力預(yù)測和監(jiān)測工作，有助于發(fā)現(xiàn)新的油氣藏，更有助于保障鉆井安全，保護(hù)油氣層，從而提高勘探開發(fā)的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。儲層中的異常高壓對鉆井安全具有較大的威脅作用，所以，異常壓力隨鉆預(yù)、監(jiān)測是相對于高壓儲層而言的：在鉆達(dá)高壓儲層前，通過對泥巖段的監(jiān)測實(shí)現(xiàn)對下伏儲層中異常壓力的預(yù)測；而鉆達(dá)高壓儲層時的壓力檢測方法則稱為監(jiān)測。異常壓力隨鉆預(yù)監(jiān)測分為地面隨鉆和井下隨鉆2種。在國外，主要依靠井下隨鉆手段；在國內(nèi)，則主要依靠地面綜合錄井儀所提供的軟件包和參數(shù)。建立在砂泥巖剖面基礎(chǔ)上的dc指數(shù)法由于具有實(shí)時、連續(xù)等特點(diǎn)而成為地層壓力隨鉆預(yù)、監(jiān)測的主要手段，但該方法在趨勢線的選擇上存在諸多困難和問題。為此，本文作者分別提出測錄井資料聯(lián)用的隨鉆動態(tài)預(yù)測方法和不依助于趨勢線的修正dc指數(shù)方法。

1 異常壓力預(yù)監(jiān)測的原理

異常壓力能夠被連續(xù)預(yù)監(jiān)測的基本原理是基于某項(xiàng)參數(shù)隨井深的增加呈規(guī)律性的變化，而遇到壓力異常時，該項(xiàng)參數(shù)發(fā)生相應(yīng)的變化，其變化的幅度與壓力異常的幅度呈函數(shù)關(guān)系。

地震層速度、錄井 dc指數(shù)(反應(yīng)地層可鉆性的標(biāo)準(zhǔn)化鉆時)、測井聲波時差等最常用的地層壓力預(yù)監(jiān)測和評價手段都是基于泥頁巖的壓實(shí)規(guī)律[4-6]。在正常壓實(shí)地層中，隨著埋深的增加，在上覆巖層壓力的作用下，泥頁巖孔隙度呈指數(shù)式減小，相應(yīng)的響應(yīng)特征是巖石致密程度增加、層速度增大、dc指數(shù)增大、聲波時差降低；但在欠壓實(shí)地層中，上覆巖層的壓力則部分地被孔隙流體所承擔(dān)，產(chǎn)生異常高壓，表現(xiàn)為偏離正常壓實(shí)趨勢線，呈現(xiàn)孔隙度增大、層速度降低、dc指數(shù)降低、聲波時差增大等特征。

層速度、dc指數(shù)、聲波時差等基于正常趨勢線的地層壓力計算方法有很多，常用的有等效深度法、伊頓法和比率法[7](表1)，這些方法對不同的預(yù)監(jiān)測手段具有通用性。其中，比率法的計算不需要上覆壓力梯度，最為簡便。

對dc指數(shù)而言，等效深度法視趨勢線方程的不同，其計算公式也不同。

采用直線方程時：

采用指數(shù)方程時：

式中：G為孔隙壓力梯度，MPa/m；Gn為靜水壓力梯度，MPa/m；Go為上覆壓力梯度，MPa/m；a為趨勢線斜率；He為等效深度，m。

表1 基于趨勢線的地層壓力計算方法Table 1 Formation pressure calculation methods based on trend line

2 測錄井資料聯(lián)用的動態(tài)預(yù)測法

地震層速度法一般用于鉆前預(yù)測，適合于預(yù)探區(qū)，但精度較低；錄井dc指數(shù)法一般用于隨鉆預(yù)監(jiān)測，能夠保障鉆井安全和保護(hù)油氣層，但受鉆井條件的影響，趨勢線的選擇存在較大困難；測井聲波時差法一般用于鉆后連續(xù)評價，精度較高，但時效性不強(qiáng)。發(fā)揮測井評價的優(yōu)勢，加強(qiáng)與前兩者的結(jié)合，提高時效性與準(zhǔn)確性，是異常壓力預(yù)監(jiān)測的主要發(fā)展趨勢之一。對于測井與地震的結(jié)合，彭真明等[8]進(jìn)行了研究；斯倫貝謝、哈利伯頓等國外知名公司正致力于隨鉆測井(LWD)、隨鉆測壓(PWD)等隨鉆技術(shù)的研究；而對于錄井與測井的結(jié)合，則很少有人研究。

2.1 動態(tài)預(yù)測法的基本思路

(1) 通常來講，根據(jù)聲波時差建立的壓實(shí)趨勢線方程比較可信，因此，可在地層對比的基礎(chǔ)上，借助鄰井聲波時差確定趨勢線的井段確定預(yù)測井的dc指數(shù)趨勢線，從而得到每一深度點(diǎn)所對應(yīng)的dcn；

(2) 借助鄰井聲波時差所計算的地層壓力曲線及預(yù)測井的dc指數(shù)趨勢線，通過表1中的任何一種方法可計算出預(yù)測井的dc指數(shù)曲線，即得到預(yù)測的dc指數(shù)。如采用比率法，dc指數(shù)的預(yù)測模型為：

采用等效深度法，趨勢線為直線方程時的計算模型為：

圖1 動態(tài)預(yù)測法的應(yīng)用Fig.1 Application of dynamic prediction method

趨勢線為指數(shù)方程時的預(yù)測模型為：

將預(yù)測井的實(shí)際dc指數(shù)與預(yù)測的dc指數(shù)曲線進(jìn)行實(shí)時對比，若兩者差別較小，就可以用來預(yù)測未鉆開地層的壓力；若兩者差別很大，則需調(diào)整dc指數(shù)趨勢線方程，使之與實(shí)際的dc指數(shù)吻合，從而達(dá)到異常壓力隨鉆預(yù)測的目的。

2.2 動態(tài)預(yù)測法的應(yīng)用

該方法的預(yù)測精度取決于預(yù)測井與鄰井的相似程度，若二井之間沒有斷層分隔，地層連通性好，則預(yù)測精度較高。另外，需要進(jìn)行2種校正：一是在參考井有實(shí)測壓力數(shù)據(jù)時，要對根據(jù)聲波時差算出的壓力曲線進(jìn)行校正[9]。二是對預(yù)測井的dc指數(shù)曲線進(jìn)行不同鉆頭類型的校正[10]。

在東營凹陷B438，B439及B682井的鉆進(jìn)過程中，均以B437井作為參考井，預(yù)測結(jié)果如圖1所示。從圖1可見：B438井上部地層相似程度低，下部相似程度高；B439井全井相似程度均最高；B682井上部地層相似程度高，下部相似程度低。

3 不依助于趨勢線的修正dc指數(shù)法

趨勢線建立的準(zhǔn)確性影響dc指數(shù)應(yīng)用的效果。對于建立dc指數(shù)的趨勢線，艾池等[11]已進(jìn)行了分析和論述；也有不少人試圖對其進(jìn)行修正，但考慮的因素并沒有變化，變的只是其中的常數(shù)[12]，其本質(zhì)還是建立在趨勢線的基礎(chǔ)之上。要擺脫對趨勢線的依賴，必須建立一種直接計算地層壓力的方法。

3.1 擺脫趨勢線的基本思路

由dc指數(shù)法計算地層壓力的公式(表1)可以看出：某一深度的地層壓力是通過該深度正常壓力的dc和當(dāng)前dc之比求出的。因此，如果能夠找到一個計算正常地層壓力下dc的方法，便可克服由建立泥巖正常壓實(shí)趨勢線而帶來的各種問題。

國內(nèi)常用的dc指數(shù)方程為：

式中：R為鉆速，m/min；N為轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速，r/min；W為鉆壓，kN；Db為鉆頭直徑，mm；ρECD為當(dāng)量鉆井液密度，g/cm3。

從式(6)可以看出：建立正常壓力dc的關(guān)鍵是建立正常壓實(shí)地層的機(jī)械鉆速Rn。根據(jù)鉆井機(jī)械比能的公式[13]和用鉆壓和鉆頭滑動摩擦因數(shù)表示機(jī)械比能的公式[14]，考慮鉆頭水力和井底壓差對鉆速的影響，導(dǎo)出的鉆速方程為：

式中：m為鉆頭滑動摩擦因數(shù)；PHPJ為有效噴嘴水功率，kW；ΔP為井底壓差，MPa；A1為鉆進(jìn)機(jī)械比能；A2為鉆頭水力參數(shù)；A3為井底壓差系數(shù)。

圖2 修正dc指數(shù)法在東營凹陷中的應(yīng)用Fig.2 Application of correctional dc exponent method in Dongying Sag

A1，A2和A3是反映鉆頭和地層相互作用的未知特征參數(shù)；W，VRPM，PHPJ和ΔP是鉆井施工過程中的控制參數(shù)。

由式(7)可知：只要將其中的井底壓差系數(shù)A3轉(zhuǎn)化為正常壓力段的鉆井液密度與地層壓力之差的系數(shù)，便可求得Rn。而1個地區(qū)的靜水壓力梯度可以通過測井、試井資料來確定。

3.2 修正dc指數(shù)法的應(yīng)用

實(shí)測資料的統(tǒng)計分析表明，東營凹陷的靜水壓力梯度為1.04，以此在近期一批重點(diǎn)探井上進(jìn)行地層壓力的隨鉆預(yù)監(jiān)測。預(yù)監(jiān)測效果見圖2。從圖2可以看出：D2井和S146井屬于高壓低滲油氣藏，按照壓力預(yù)監(jiān)測結(jié)果，附加 0.05～0.10的系數(shù)來合理調(diào)配鉆井液密度，槽面有良好的油氣顯示，較好地保障了鉆井安全，保護(hù)了油氣層；D2井深為3 650.38～3 760 m，使用的鉆井液相對密度為1.70～1.75，完井后該段實(shí)測壓力系數(shù)為1.92；S146井深為3 811.0～3 839.2m，使用的鉆井液相對密度為 1.45, 完井后該段實(shí)測壓力系數(shù)為1.84。

4 結(jié)論

(1) 測錄井資料聯(lián)合應(yīng)用的動態(tài)預(yù)測法的實(shí)質(zhì)是將地層對比工作引入到異常壓力的隨鉆預(yù)測，并發(fā)揮了測井資料評價地層壓力的優(yōu)勢，彌補(bǔ)了其在時效性上的不足。在有鄰井資料的情況下，這是一種行之有效的壓力預(yù)測方法。

(2) 修正dc指數(shù)法通過直接計算對應(yīng)深度正常壓力地層的dcn來擺脫對趨勢線的依賴，雖然仍需借助地區(qū)性的正常值——靜水壓力梯度，但在確保鉆井安全方面發(fā)揮重要作用。

[1] 王志戰(zhàn). 沉積盆地異常壓力體系及其預(yù)監(jiān)測—以濟(jì)陽坳陷為例[D]. 西安: 西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系, 2006: 1-12.WANG Zhi-zhan. Abnormal pressure regimes in sedimentary basins and their prediction and detection: A case study of Jiyang Depression[D]. Xi’an: Northwest University. Department of Geology, 2006: 1-12.

[2] 馬啟富. 超壓盆地與油氣分布[M]. 北京: 地質(zhì)出版社, 2000:36-39.MA Qi-fu. Overpressured basin and hydrocarbon distribution[M].Beijing: Geological Publishing House, 2000: 36-39.

[3] Chilingar G V, Serebryakov V A, Robertson J O Jr. Origin and prediction of abnormal formation pressures[M]. Amsterdam:Elsevier Science B V, 2002: 2-30.

[4] Huffman A R. The future of pressure prediction using Geophysical methods[C]//Huffman A R, Bowers G L. Pressure regimes in sedimentary basins and their prediction(AAPG MEMOIR 76). Tulsa: The American Association of Petroleum Geologists; Houston: The Houston Chapter of The American Association of Drilling Engineers, 2002: 217-233.

[5] Sayers C M, Kashikar S, Hooyman P J. Method, apparatus and system for pore pressure prediction in presence of dipping formations. America: US 7,490,028 B2[P]. 2009-02-10.

[6] Sayers C, den Boer L, Nagy Z, et al. Pore pressure in the Gulf of Mexico seeing ahead of the bit[J]. World Oil, 2005(11): 55-58.

[7] 解習(xí)農(nóng), 李思田, 劉曉峰. 異常壓力盆地流體動力學(xué)[M]. 武漢: 中國地質(zhì)大學(xué)出版社, 2006: 37-39.XIE Xi-nong, LI Si-tian, LIU Xiao-feng. Basin fluid dynamics in abnormally pressured environments[M]. Wuhan: China University of Geosciences Press, 2006: 37-39.

[8] 彭真明, 肖慈珣, 楊斌, 等. 地震、測井聯(lián)合預(yù)測地層壓力的方法研究[J]. 石油地球物理勘探, 2000, 35(2): 170-174.PENG Zhen-ming, XIAO Ci-xun, YANG Bin, et al. A method for formation pressure prediction using seismic and logging data[J]. Oil Geophysical Prospecting, 2000, 35(2): 170-174.

[9] 管志川, 竇玉玲, 胡清富, 等. 利用測井資料預(yù)測地層壓力的誤差處理方法[J]. 石油鉆探技術(shù), 2006, 34(5): 18-20.GUAN Zhi-chuan, DOU Yu-ling, HU Qing-fu, et al. New data processing methods to reduce errors of pore pressure prediction based on well logging data[J]. Petroleum Drilling Techniques,2006, 34(5): 18-20.

[10] 翟慎德, 王志戰(zhàn), 朱兆信, 等. 一種 PDC鉆頭與牙輪鉆頭互換時的地層壓力檢測方法: 中國, CN200810158743.6[P],2009-04-08.ZHAI Shen-de, WANG Zhi-zhan, ZHU Zhao-xin, et al. A method of formation pressure detection under the condition of alternate use between PDC bit and tricone bit: China,CN200810158743.6[P]. 2009-04-08.

[11] 艾池, 馮福平, 李洪偉. 地層壓力預(yù)測技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J]. 石油地質(zhì)與工程, 2007, 21(6): 71-73.AI Chi, FENG Fu-ping, LI Hong-wei. The technology status and development tendency of formation pressure prediction[J].Petroleum Geology and Engineering, 2007, 21(6): 71-73.

[12] 付素英, 賈維慎. 地層壓力隨鉆監(jiān)測計算方法改進(jìn)[J]. 錄井工程, 2005, 16(4): 48-53.FU Su-ying, JIA Wei-shen. Computing method improvement for formation pressure monitoring while drilling[J]. Mud Logging Engineer, 2005, 16(4): 48-53.

[13] Teale R. The concept of specific energy in rock drilling[J]. Intl J Rock Mech Mining Sci, 1965(2): 57-73.

[14] Pessier R C, Fear M J. Quantifying common drilling problems with mechanical specific energy and bit-specific coefficient of sliding friction[C]//IADC/SPE 67th Annual Conference and Exhibition, Washington D.C., 1992: 373-388.