隨鉆地層壓力綜合評價技術(shù)在鶯歌海盆地超壓井中的應(yīng)用

(中法渤海地質(zhì)服務(wù)有限公司湛江分公司，廣東 湛江 524057)

汪卉娟 (武漢時代地智科技股份有限公司，湖北 武漢 430040)

鶯歌海盆地中深層異常高壓(超壓)區(qū)域受他源、自源及沉積環(huán)境影響，其超壓成因機制及分布復(fù)雜且盆地內(nèi)泥底辟發(fā)育，鉆探難度大。已鉆探井資料顯示，地層壓力系數(shù)最高可達2.35，地層溫度最高251.76℃，地溫梯度高達5.51℃/100m，壓力梯度快速增加，主要表現(xiàn)為中深層常常由常壓急劇變?yōu)槌瑝骸Ｔ趶?fù)雜的壓力系統(tǒng)環(huán)境下，隨鉆壓力監(jiān)測技術(shù)能夠有效地避免超壓引發(fā)的鉆井事故，并對海上超壓井安全高效鉆進提供重要參考依據(jù)。

目前地層壓力監(jiān)測技術(shù)主要利用dc指數(shù)、聲波時差與電阻率等資料實時計算地層壓力，方法較單一，影響因素較多，監(jiān)測精度無法達到作業(yè)需求。在南海區(qū)域地質(zhì)背景下，筆者根據(jù)鶯歌海盆地多年的隨鉆地層壓力技術(shù)研究成果，結(jié)合豐富的現(xiàn)場壓力監(jiān)測作業(yè)經(jīng)驗，充分整合測井、地震、錄井、油氣井中途測試(DST)、鉆后模塊式地層動態(tài)測試器(MDT)、鉆井液等資料，建立起一套隨鉆地層壓力綜合評價新技術(shù)。

1 超壓成因有效識別

鶯歌海盆地中深層因其特殊的地質(zhì)構(gòu)造，易造成次生超壓和泄壓現(xiàn)象，大大增加了安全鉆井的難度，因此必須準(zhǔn)確、有效地識別超壓形成的原因。超壓成因不同，油氣成藏條件和分布也不同，預(yù)測壓力的方法也有所差異。

超壓成因類型一般以鮑爾斯分類[1]為依據(jù)，分為欠壓實、流體膨脹、側(cè)向傳遞及構(gòu)造加載4類，并指出其中的流體膨脹包括熱作用、有機質(zhì)成熟作用、黏土礦物成巖作用過程中粒間水的排出或膨脹。近年來，不少學(xué)者發(fā)現(xiàn)成巖作用，尤其是泥頁巖中蒙脫石-伊利石的轉(zhuǎn)化作用對超壓形成具有較大貢獻，這與流體膨脹機制存在差異。此外，趙靖舟等[2]將超壓分為不均衡壓實、流體膨脹、成巖作用、構(gòu)造擠壓、壓力傳遞5種成因類型，其中流體膨脹包括生烴作用、油裂解氣、水熱膨脹等，以生烴作用最為重要；成巖作用包括蒙脫石-伊利石轉(zhuǎn)化作用、石英的溶蝕與膠結(jié)作用等。

鮑爾斯通過有效應(yīng)力-聲波速度、密度-聲波時差關(guān)系提出了鮑爾斯圖版，即孔隙度-垂直有效應(yīng)力關(guān)系圖，又稱加載-卸載曲線[1]。趙靖舟等[2]在總結(jié)多種超壓成因的基礎(chǔ)上，提出了垂向有效應(yīng)力-聲波速度、密度-聲波速度交會圖判識圖版(見圖1)，該方法在判別鶯歌海盆地超壓成因中應(yīng)用效果較好。

注：A為壓實不均衡等效深度；B為正常壓實/常壓；C為黏土礦物轉(zhuǎn)換超壓；D為壓實不均衡超壓；E為構(gòu)造擠壓超壓；F為流體膨脹(生烴等)/傳導(dǎo)超壓。圖1 不同成因超壓的垂向有效應(yīng)力-聲波速度及密度-聲波速度交會圖(據(jù)參考文獻[2])

2 優(yōu)選測井參數(shù)實時計算地層壓力

當(dāng)壓實作用未能遵循正常壓實趨勢時，地層的實際壓實程度與同深度下的正常壓實程度產(chǎn)生偏離，其偏離程度能夠直觀反映地層異常壓力的大小[3]。因此，在實際工作過程中，必須選取能夠表征壓實特性的測井參數(shù)進行量化、分析，計算地層壓力。

由于異常壓力成因不同，壓力指示參數(shù)與地層壓力變化存在不同響應(yīng)特征。對于以壓實作用為主因的自源型地層壓力，壓力指示參數(shù)如dc指數(shù)、電阻率、聲波時差均與地層壓力變化存在明顯相關(guān)性，該類壓力易于定性觀察發(fā)現(xiàn)和定量計算。對于以構(gòu)造作用及流體動力為主因的他源型地層壓力，常規(guī)的監(jiān)測和計算方法很難檢測到壓力的變化，壓力指示參數(shù)會出現(xiàn)明顯分歧，因此必須依據(jù)地層孔隙度與油氣水體積空間的匹配關(guān)系來分析地層壓力的變化。對于因構(gòu)造運動引起的地層上浮或者下降，造成與底部超壓層位相連通或者與上部低壓層位連通導(dǎo)致地層異常高壓或異常低壓的情況，則需要從地質(zhì)構(gòu)造運動與當(dāng)前地震資料對比分析中確定是否有傳導(dǎo)超壓和泄壓的事實存在。因此，只有確定壓力類型，才能從存在分歧的壓力指示參數(shù)中優(yōu)選出能夠準(zhǔn)確反映地層壓力變化的參數(shù)，選擇正確的監(jiān)測模型進行計算分析。

dc指數(shù)具有及時、連續(xù)、準(zhǔn)確的特性，能夠很好地反映地層的壓實特性，被廣泛應(yīng)用于計算地層壓力。研究表明，欠壓實作用是形成鶯歌海盆地超壓的主要因素，即由于泥巖孔隙中高壓流體的排放與較高的沉積速率不匹配造成了盆地的超壓，此外新生流體以及水熱增壓等輔助作用將壓力進一步升高，使超壓進一步加劇[4]。鶯歌海盆地新構(gòu)造期以來，快速沉積沉降引發(fā)的一系列地質(zhì)事件為超壓的形成奠定了基礎(chǔ)，而巨厚泥巖的垂向封蓋及區(qū)域大斷裂的側(cè)向遮擋有利于超壓的保存[5]。實鉆結(jié)果表明，在鶯歌海盆地自源型超壓地層中使用dc指數(shù)結(jié)合伊頓法計算地層壓力可靠性較高。

隨鉆實時測井?dāng)?shù)據(jù)為地層參數(shù)真值，既能監(jiān)測地層應(yīng)力及地層壓力的變化情況，還可及時提供優(yōu)化鉆井作業(yè)方案的信息，減少鉆井事故的發(fā)生[6]。地層的體積屬性(如dc指數(shù)和密度)對構(gòu)造擠壓或泄壓的響應(yīng)較小，而泄壓作用造成地層再加載，并使裂縫型孔隙閉合，從而改變傳導(dǎo)性能，因此傳導(dǎo)屬性(如聲波時差、電阻率)的響應(yīng)較為敏感。實鉆過程中，一般使用隨鉆測得電阻率和聲波時差并實時傳輸至工作站，結(jié)合地層巖性、密度和孔隙度等資料，使用伊頓法或等深度法計算并評價地層壓力。聲波時差和電阻率隨鉆壓力評價在鶯歌海盆地泄壓型地層中的應(yīng)用效果尤為顯著。

3 垂直地震剖面方法反演預(yù)測地層壓力

垂直地震剖面(VSP)是一種井中地震觀測技術(shù)。與地面地震相比，VSP資料的信噪比和分辨率較高，地震波的運動學(xué)和動力學(xué)特征更為明顯。該技術(shù)提供了地層結(jié)構(gòu)與地面測量參數(shù)之間最直接的對應(yīng)關(guān)系，為地面地震資料處理解釋提供了精確的時深轉(zhuǎn)換及速度模型[7]。隨著鶯歌海盆地超壓項目的持續(xù)推進，地質(zhì)情況和壓力系統(tǒng)日趨復(fù)雜，鉆探難度日益增大，預(yù)測層位和預(yù)測壓力與實鉆結(jié)果均存在較大差異。為了更準(zhǔn)確地預(yù)測超壓砂體層位和壓力，一般在鉆前預(yù)測異常壓力變化較大的界面深度之上約50～150m處起鉆，進行中途VSP作業(yè)，利用中途VSP資料反演鉆頭以下地層速度，進而預(yù)測鉆頭以下(一般小于300m距離)地層壓力系數(shù)。

4 錄井參數(shù)輔助判斷地層壓力

1)利用工程錄井參數(shù)對超壓層進行預(yù)警。在鉆井過程中，發(fā)現(xiàn)鉆井速度突然變快，控制鉆時進尺0.5m以內(nèi)，在返出的氣測錄井顯示前，通過循環(huán)觀察泵壓、懸重、流量返出等綜合判斷是否已揭開超壓層，提前進行預(yù)警及控制措施，避免地層流體進入井筒使井況惡化。

2)利用氣測錄井參數(shù)輔助判斷地層壓力。通過氣測錄井判別流體性質(zhì)，初步進行儲層評價，不僅能快速、準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)油氣資源，還可以反映井眼情況，對井涌、井噴等事故進行預(yù)警。若鉆井液氣侵或檢測含氣異常則預(yù)示超壓層的存在，據(jù)此可粗略估算地層壓力，對鉆進時合理選擇鉆井液密度提供指導(dǎo)依據(jù)[8]。

5 應(yīng)用

樂東L構(gòu)造位于鶯歌海盆地凹陷斜坡帶南段，為中新統(tǒng)梅山組一段近物源海底扇。L21井位于樂東L區(qū)大型構(gòu)造脊上，下伏斷層、裂縫發(fā)育，溝通烴源，油氣垂向運聚條件好。

5.1 識別超壓成因

圖2為L21井泥巖垂向有效應(yīng)力-聲波速度及密度-聲波速度交會圖，可以看出，上新統(tǒng)鶯歌海組至中新統(tǒng)黃流組一段隨著深度的增加，垂向有效應(yīng)力和聲波速度均保持增大趨勢。對比經(jīng)典模型分析認(rèn)為，該段地層超壓成因以壓實不均衡等效深度為主，黃流組二段至梅山組(井底)隨著深度的增加，垂向有效應(yīng)力和聲波速度均減小；與經(jīng)典模型對比分析認(rèn)為，該段地層超壓成因以流體膨脹(生烴等)/傳導(dǎo)超壓為主。鉆后DST結(jié)果證實了上述結(jié)論。

注：1psi=6.895kPa。圖2 L21井泥巖垂向有效應(yīng)力-聲波速度及密度-聲波速度交會圖

5.2 優(yōu)選測井參數(shù)計算地層壓力

L21井從3465m(鶯歌海組二段)開始壓力指示參數(shù)在指示壓力變化過程中出現(xiàn)明顯分歧，表征可鉆性的dc指數(shù)無明顯變化，表征傳導(dǎo)屬性的聲波時差和電阻率均顯示地層壓力降低，表征地層體積屬性的密度雖有所減小，但變化幅度小于聲波時差和電阻率。通過鉆后MDT測壓表明，該段地層(見圖3中方框所示)地層壓力系數(shù)逐步降低至1.5左右，優(yōu)選聲波時差和電阻率2個敏感性較強的參數(shù)更能真實反映地層壓力的變化(見圖3)。

圖3 L21井測井參數(shù)評價地層壓力

5.3 VSP預(yù)測層位及地層壓力

L21井鉆前預(yù)測主要目的層砂體頂深為4095m，孔隙壓力系數(shù)2.03～2.19，實鉆中發(fā)現(xiàn)層位和地層壓力均與鉆前預(yù)測有所偏差；為了更安全地完成鉆探任務(wù)，鉆至3965m決定起鉆進行中途VSP作業(yè)。利用VSP反演數(shù)據(jù)預(yù)測目的層砂體頂深為4060m，壓力系數(shù)2.18，實鉆目的層砂體頂深為4056m；隨鉆中使用dc指數(shù)、聲波時差、電阻率進行地層壓力監(jiān)測，實時評價地層壓力系數(shù)為2.18～2.23，鉆后MDT測得該層段壓力系數(shù)為2.21(見圖4)。VSP預(yù)測結(jié)果和隨鉆壓力監(jiān)測結(jié)果均可滿足作業(yè)需求。

5.4 氣測錄井輔助判斷地層壓力

L21井鉆至目的層砂體(深度4056m)后連續(xù)出現(xiàn)單根氣，表明井眼處于欠平衡狀態(tài)，地層壓力大于循環(huán)當(dāng)量密度(1.96g/cm3)，此后逐漸加大鉆井液密度至2.15g/cm3，循環(huán)當(dāng)量密度提高至2.25g/cm3，但仍存在少量單根氣，再次加大鉆井液密度至2.16g/cm3，單根氣消失，根據(jù)經(jīng)驗判斷地層壓力系數(shù)處于2.16～2.26(見圖5)。

圖4 L21井VSP評價地層壓力

圖5 L21井單根氣隨鉆井液密度變化

6 結(jié)語

隨鉆地層壓力綜合評價技術(shù)能夠及時提供可靠的井底壓力狀況，為平衡鉆進提供有效的參考和指導(dǎo)作用。該技術(shù)通過優(yōu)選不同測井參數(shù)對地層壓力進行實時計算，并結(jié)合VSP、錄井等資料準(zhǔn)確評價地層壓力，評價結(jié)果與鉆后DST、MDT實測結(jié)果符合度較高。