地震層速度法預測南海北部深水鉆井安全鉆井液密度窗口

陳江華　李忠慧　方滿宗　李　磊　朱　亮　吳惠梅（.長江大學石油工程學院，湖北武漢　43000；.中海石油（中國）有限公司湛江分公司，廣東湛江　54057）

地震層速度法預測南海北部深水鉆井安全鉆井液密度窗口

陳江華1，2李忠慧1方滿宗2李磊2朱亮1吳惠梅1
（1.長江大學石油工程學院，湖北武漢430100；2.中海石油（中國）有限公司湛江分公司，廣東湛江524057）

針對南海北部瓊東南盆地深水油氣田鉆井過程中窄鉆井液密度窗口導致的井漏問題，建立了適合深水環境的井壁穩定分析計算模型，應用地震層速度資料對L4井的地層孔隙壓力、坍塌壓力、破裂壓力進行了計算。結果表明，坍塌壓力隨井深增加而增大，但總體都小于地層孔隙壓力，因此將地層孔隙壓力作為安全鉆井液密度窗口的下限。破裂壓力隨井深增加而增大，在海底泥面處最小，僅為1.02 g/cm3，地層孔隙壓力與地層破裂壓力下限的范圍僅為0.021～0.092 g/cm3，最大也只有0.290 g/ cm3，表明安全鉆井液密度窗口窄。結合目標井的實際情況，考慮ECD、激動壓力等的影響，推薦了不同層段鉆井液密度范圍，計算結果與實鉆情況吻合，滿足實際需要，表明應用層速度計算安全鉆井液密度窗口是可行的。

深水鉆井；鉆井液密度窗口；低溫；鉆井難點；地震層速度法

全球海洋油氣資源豐富，但尚處于勘探早期階段，許多鉆井難點有待于研究。中國南海深水區石油地質儲量豐富，其中南海北部瓊東南盆地、珠江口盆地、臺西南盆地和南海南部南沙海域13個新生代沉積盆地均部分或全部位于深水區［1］（何家雄等，2006）。深水作業施工風險高、技術要求高［2］（R. O. Snell，2001）。目前，南海北部瓊東南盆地深水鉆井過程中面臨的主要問題有淺層地質災害［3］（劉正禮等，2015），如不穩定海床，天然氣水合物，深水低溫，窄鉆井液密度窗口等［4］（王友華等，2011）。海床不穩是地層破裂壓力低的原因之一，低溫會影響鉆井液的攜砂能力和懸浮性能，同時也容易引起鉆井液稠化，使其流變性變差，循環阻力變大，不利于深水環境下窄密度窗口安全鉆井［5］（J. C. Flores，2009），因此，準確確定安全鉆井液密度窗口是深水鉆井成功的關鍵。

1　鉆井安全密度窗口預測的難點及對策

南海北部瓊東南盆地深水油氣田水深在1 300～ 1 550 m之間，上覆巖層重量被海水所替代的范圍較大，與陸地或淺水地層相比上覆巖層壓力偏低，從而導致地層破裂壓力較低，地層破裂壓力和孔隙壓力之間的差別很小；同時，隔水管環空壓耗會產生附加密度，可使鉆井液密度窗口進一步變窄［6］（陳國明等，2007），容易發生井漏、井噴等復雜情況。如L3井在3 138.6 m黃流組鉆井液密度為1.30 g/cm3即發生井漏，陵水組下部多處發生測井工具卡鉆，Y1井從2 604 m往下發生多處漏失，現場漏失實驗統計漏失壓力當量密度1.25 g/cm3左右，C1井三亞組既發生漏失，又發生卡鉆，陵水組以漏失為主，該井現場地漏實驗統計漏失壓力當量密度1.19～1.20 g/cm3。窄鉆井液密度窗口導致的井漏給實際施工帶來了很大的難度和風險。為保證安全，必須準確計算待鉆井坍塌壓力和破裂壓力，從而確定合適的鉆井液密度，保證井底壓力在安全鉆井液密度窗口內。

2　坍塌壓力破裂壓力計算模型的確定

國內外學者針對深水鉆井井壁穩定性分析進行了大量研究［7-8］（D. Power，2003；L. S. Rocha，2004），總體看來，針對深水環境下的井壁穩定分析的原理及方法基本相同，即首先確定井周應力狀態和地層變形破壞規律，再結合強度破壞準則判斷井壁是否穩定［7-9］。但深水地層與陸地或淺水地層最大的區別有2點：一是海底低溫容易引起鉆井液稠化，使其流變性變差， 循環阻力變大，不利于深水環境下窄密度窗口安全鉆井；二是上覆巖層相當一部分被海水所替代，與陸地或淺水地層相比上覆巖層壓力偏低，從而導致地層破裂壓力較低。尤其是上覆巖層壓力，是進行孔隙壓力分析、破裂壓力計算必須的基礎參數，泥面以下H3處上覆巖層壓力可由式（1）通過地層密度積分確定

式中，ρw為海水密度，kg/m3；ρ為地層密度kg/m3；g為重力加速度；H1為轉盤面到海平面的高度，m；H2為海平面到海底泥面的深度，m。

2.1地層坍塌壓力計算模型

地層坍塌壓力當量密度是安全鉆井液密度窗口的下限，從力學的角度來說，造成井壁坍塌的原因主要是井內液柱壓力太低，使得井壁周圍巖石所受應力超過巖石本身的強度而產生剪切破壞。將地層看成是多孔彈性體，結合庫侖—摩爾強度準則確定坍塌壓力計算模型，如式（2）所示

式中，σh1、σh2為水平最大、最小主應力，MPa；C為黏聚力，MPa；K為內摩擦角相關的參數，無量綱；pp為地層孔隙壓力MPa；η為非線性修正系數，無量綱。

2.2地層破裂壓力計算模型

破裂壓力是井眼裸露地層在井內鉆井液柱壓力作用下使其起裂或原有裂縫重新開啟的壓力，它是由井內鉆井液密度過大使井壁巖石所受的周向應力超過巖石的抗拉強度造成的。假設井眼處于平面應變狀態，根據巖石力學理論，可求得非均勻地應力作用下井壁產生拉伸破裂時的井內鉆井液柱壓力即破裂壓力的計算模型，如式（3）所示

式中，μ為泊松比，無量綱；ω為構造應力系數，無量綱；σv為上覆巖層壓力，MPa；α為有效應力貢獻系數，無量綱；St為地層抗拉強度，MPa。

L區塊海底泥線附近巖性主要為流塑-軟塑性褐色淤泥，含極少量細砂，密度僅為1.15 g/cm3。這主要是由于深水淺部地層沉積時間短，強度低，從而導致地層呈現塑性狀態，因此，為安全起見，在確定鉆井液密度窗口時應將漏失壓力作為破裂壓力的下限，同時考慮斷層、不整合面等情況。本論文采用Breckels和Van Eekelen（1982年）［10］提出的漏失壓力確定方法，即地層漏失由井壁破裂引起，漏失壓力等于最小水平主地應力，最小水平地應力的大小可通過建立地應力計算模型獲得。

3　L4井安全鉆井液密度窗口預測

L4井位于南海北部瓊東南盆地深水區L凹陷，設計井深3 530 m，黃流組I氣組為主要目的層，地層巖性為灰色細砂巖與灰色泥巖不等厚互層。水深為1 465.4 m。為保證該井安全鉆進，進行了鉆前井壁穩定分析。對該海域鉆井復雜情況進行分析表明，壓力窗口窄導致的井漏、卡鉆是鉆井主要難點。根據前述井壁穩定計算模型，應用地震層速度資料對L4井的地層孔隙壓力、坍塌壓力、漏失壓力、破裂壓力進行了計算分析，計算結果如圖1。

圖1　L4井鉆井液密度窗口

地層孔隙壓力在3 295 m以上為正常靜水壓力系統，3 295 m以下有增大趨勢，黃流組儲層段當量密度達到1.24 g/cm3；坍塌壓力隨井深的增加而增大，但總體都小于地層孔隙壓力，因此將地層孔隙壓力當量密度作為安全鉆井液密度窗口的下限，破裂壓力在海底泥面處最小，當量密度僅為1.02 g/ cm3，地層孔隙壓力與地層破裂壓力下限的范圍僅為0.021～0.092 g/cm3，最大也只有0.290 g/cm3，為典型窄鉆井液密度窗口，這主要是因為孔隙壓力未受水深影響，而地層破裂壓力（漏失壓力）較淺水底層或陸地偏低。根據L4井三壓力計算結果，考慮ECD、激動壓力等的影響，不同井段鉆井液密度為：1465～1 577 m，1.01 g/cm3；1 577～2 300 m，1.12 g/cm3；2 300～3 295 m，1.13～1.16 g/cm3；3 295～3 530 m，1.17～1.21 g/cm3。

L4井于2014年4月4日開鉆，建井39.69 d，實鉆過程中未發生井壁失穩問題，在鉆進井深2 367.63 m、3 142.83 m，分別進行了地漏實驗，破裂壓力實測值與對應井深的預測值誤差分析如表1。從表1可以看出，計算結果與實鉆情況吻合，滿足實際需要。表明應用地震層速度資料計算安全鉆井液密度窗口是可行的，對該海域后續鉆井具有重要指導意義。

表1　地層破裂壓力預測誤差

4　結論

（1）壓力窗口窄是由于上覆巖層相當一部分被海水所替代，與陸地或淺水地層相比上覆巖層壓力偏低，從而導致地層破裂壓力較低，而地層孔隙壓力未受水深影響。

（2）深水鉆井需確定地層破裂壓力外，地層漏失壓力的確定也非常重要，以地層漏失壓力作為破裂壓力的下限（安全鉆井液密度窗口上限）是合理的。

（3）考慮深水鉆井環境特征與陸上和淺部地層的差異，建立了上覆巖層壓力、坍塌壓力、破裂壓力計算模型，應用地震層速度資料確定了L4井安全鉆井液密度窗口，并推薦了不同層段鉆井液密度范圍，實踐證明能夠保證現場施工，說明應用地震層速度資料確定安全鉆井液密度窗口是可行的。

［1］何家雄，夏斌，施小斌，等.世界深水油氣勘探進展與南海深水油氣勘探前景［J］ .天然氣地球科學，2006，17（6）：747-752.

［2］SNELL R O， COOK H.Deepwater technology and deepwater developments［R］. Stavanger，Norway:The International Society of Offshore and Polar Engineers, 2001.

［3］劉正禮，胡偉杰.南海深水鉆完井技術挑戰及對策［J］.石油鉆采工藝，2015，37(1)：8-12.

［4］王友華，王文海，蔣興迅. 南海深水鉆井作業面臨的挑戰和對策［J］.石油鉆探技術，2011，39（2）：50-54.

［5］LEARY JIM, FLORES J C, RUBINSTEIN P, et al.Cementing deepwater, low-temperature gulf of Mexico formations prone to shallow flows［R］. IADC/SPE 87161, 2004.

［6］陳國明，殷志明，許亮斌，等.深水雙梯度鉆井技術研究進展［J］.石油勘探與開發，2007，34（2）：246-250.

［7］POWER D, IVAN C D, BROOKS S W. The top 10 lost circulation concerns in deepwater drilling［R］. SPE 81133, 2003.

［8］ROCHA L A S, FALC?O J L, GON?ALVES C J C, et al. Fracture pressure gradient in deepwater［R］. IADC/SPE 88011, 2004.

［9］蔚寶華，閆傳梁，鄧金根，等.深水鉆井井壁穩定性評估技術及其應用［J］.石油鉆采工藝，2011，33（6）：1-4.

［10］BRECKELS I M， VAN EEKELEN， Relationship between horizontal stress and depth in sedimentary basins ［R］.SPE 10336,1982.

〔編輯付麗霞〕

The forecast of safe mud density window with seismic interval velocity method for
deepwater drilling in northern South China Sea

CHEN Jianghua1,2, LI Zhonghui1, FANG Manzong2, LI Lei2, ZHU Liang1, WU Huimei1
（1. Yangtze University, Wuhan 430100, China；2. CNOOC ZhanJiang Branch, Zhanjiang 524057, China）

For solving the problem of well leakage caused by the narrow mud density window drilling, at the deep water oil and gas field in Qiongdongnan Basin of the northern South China Sea, the calculation model has been established to analysis of wellbore stability in deep water conditions. In addition, we calculate formation pressure and collapse pressure and rupture pressure about L4 well based on the seismic data. It indicated that the collapse pressure increases with well depth and it is all less than formation pressure, so the formation pore pressure is as a lower limit of the safe mud density window. Further the rupture pressure increases with well depth and it has a minimum value just 1.02 g/cm3at the bottom of the sea. The lower limit of formation pressure and rupture pressure just ranges from 0.021 g/cm3to 0.092 g/cm3, the maximum value is 0.290 g/cm3. It indicates that the safe mud density window is narrow. According the actual situation of the target wells and ECD and the surge pressure, we recommended the range of drilling fluid density in different layers. The calculation results consistent with the actual drilling data and meet the actual needs. It indicated it is feasible about application the seismic data to calculate the safe mud density window, and it is of important significance for the area following drilling.

drilling in deep water area; mud density window; low temperature; drilling problems; seismic interval velocity method

TE249

A

1000 – 7393（ 2015 ） 04 – 0042 – 03

10.13639/j.odpt.2015.04.012

國家科技重大專項“深水鉆完井及其救援井應用技術研究”（編號：2011ZX05026-001-04-06）資助。

陳江華，1982年生，主要從事鉆井工藝研究和海洋鉆井項目管理工作。E-mail：chenjianghua@cnooc.com.cn；。通訊作者：李忠慧，1977年生。主要從事石油工程巖石力學與鉆井完井的研究與教學工作，博士，副教授。E-mail：lizhonghui2550@126.com。

2015-06-21）

引用格式：陳江華，李忠慧，方滿宗，等. 地震層速度法預測南海北部深水鉆井安全鉆井液密度窗口［J］.石油鉆采工藝，2015，37（4）：42-44.