南海深水海域高溫高壓地層破裂壓力預測模型

謝靜，吳惠梅，樓一珊，翟曉鵬

（長江大學石油工程學院，湖北 武漢 430100）

隨著我國油氣勘探由陸地向海洋逐漸推進，南海北部海域已成為油氣勘探的主要區域。其中，瓊東南盆地是該區域重要的高溫高壓含油氣盆地［1］。對于深水海域鉆井，地層破裂壓力預測模型不僅可以用來預測鉆井液安全密度窗口，還能預防井漏、井噴、井塌等事故的發生。目前，現有的傳統地層破裂壓力預測模型均未考慮巖石抗拉強度的影響，而是將巖石抗拉強度視為定值。但大量地質資料顯示，巖石力學性質會隨著巖石埋藏深度的變化而發生明顯變化［2-4］。目前，淺層巖石強度理論是以摩爾-庫侖準則為代表的線性破壞準則；深層巖石在高地應力環境下多采用非線性強度準則，如Hoek-Brown強度準則［5-6］。南海深水環境下的深部地層處于高溫高壓狀態，與常規的陸地或淺水地層相比，深水環境的砂泥巖抗拉強度隨著深度的增大不再呈明顯的線性正相關關系［7-10］。總之，傳統深水海域地層破裂壓力預測模型都有其各自的局限性。為了更精準地預測地層破裂壓力，本文在傳統模型的基礎上，結合巴西劈裂實驗（獲取巖石抗拉強度）結果，提出并建立了一種新的考慮砂泥巖抗拉強度的深水海域地層破裂壓力預測模型，該模型比傳統模型預測破裂壓力的精度高，對深水海域鉆井具有一定的指導作用。

1 實驗

1.1 試樣

實驗巖樣取自南海北部潿洲12-2油田WZ12-X區塊流砂港組砂泥巖地層。操作規程參照GB/T 50266—1999《工程巖體試驗方法標準》。室內將巖樣加工成直徑50 mm、高40 mm的標準試樣，共8個。

1.2 儀器及設備

采用TAW-2000微機控制電液伺服巖石三軸實驗機進行巴西劈裂實驗，主要裝置由軸向加壓系統、加溫恒溫系統及數據采集控制系統3個部分組成。

1.3 步驟

首先，用巖石聲波儀測試各巖樣的縱波速度，篩選出縱波速度相近的8個試樣，測量試樣的直徑及高度；然后，對每個試樣以30℃/min的升溫速率加溫至實驗溫度（分 25，40，60，80，100，140，180，200 ℃ 等 8 個等級），保持恒溫5 h，以確保試樣內外溫度均勻，再放置爐內，冷卻12 h至常溫；最后，再加熱至實驗溫度，通過巴西劈裂實驗測試每個試樣的抗拉強度。

1.4 結果分析

由圖1可以看出：溫度在25～40℃時，擬合曲線增幅較小，砂泥巖抗拉強度變化只有0.3 MPa；溫度在40～80℃時，擬合曲線增幅較大，溫度與巖石抗拉強度呈單調遞增拋物線關系，隨著溫度升高，當溫度為80℃時，巖石抗拉強度達到最大，然后開始降低；溫度在80～140℃時，砂泥巖抗拉強度與溫度之間呈單調遞減拋物線關系；溫度在140～200℃時，擬合曲線較平緩，砂泥巖抗拉強度變化很小，基本保持在1.1 MPa左右。

圖1 砂泥巖抗拉強度隨溫度的變化

實驗結果表明，在不同溫度下，砂泥巖抗拉強度會發生變化。引起砂泥巖抗拉強度增大的主要原因是：在高溫作用下，砂泥巖孔隙度變大，在熱應力作用下，大的孔隙結構可以阻止裂紋擴展，起到容納變形的作用，使得巖石產生的裂紋相對減少，從而提高砂泥巖的抗拉強度。引起砂泥巖抗拉強度降低的主要原因是：隨著溫度的升高，砂泥巖內部水分流失，巖石孔隙度增大，使得抗拉強度降低；在高溫環境下，砂泥巖中的各類礦物顆粒熱膨脹系數不同，顆粒間相互約束，變形大的顆粒被壓縮，而變形小的被拉伸。砂泥巖的抗拉能力不如抗壓能力，所以礦物顆粒之間的交界處會產生新裂紋，從而導致砂泥巖抗拉強度降低。總之，在高溫環境下，砂泥巖抗拉強度會隨溫度的升高，先升高、再降低，最后趨于穩定。砂泥巖破壞強度與抗拉強度呈線性正相關關系（見圖2）。

圖2 砂泥巖破壞強度與抗拉強度的關系

2 模型建立

2.1 傳統模型

通過調研國內外地層破裂壓力預測模型發現，用于深水海域鉆井的地層破裂壓力預測模型主要有5個，它們均未考慮巖石抗拉強度的影響（見表1）。表中pf為地層破裂壓力，MPa；pp為地層孔隙壓力，MPa；p0為上覆巖層壓力，MPa；ν為泊松比；β為地層構造應力系數；α為畢奧特系數；Kss為構造應力系數；Srt為巖石抗壓強度，MPa；c為常數，取值為 1/2～1/3。

表1 傳統地層破裂壓力預測模型統計

2.2 巖石抗拉強度計算

南海瓊東南盆地L-X區塊深部地層以砂泥巖為主，利用該區聲波測井資料可計算出砂泥巖的抗拉強度。根據縱波速度和橫波速度（由縱波速度估算），可計算出動態彈性模量Ed及動態泊松比νd：

式中：ρ為巖石密度，g/cm3；υp為縱波速度，m/s；υs為橫波速度，m/s。

利用自然伽馬測井資料，采用相對值法［13］計算泥質體積分數 φcl，并根據大量室內實驗資料［14-15］，擬合砂泥巖抗壓強度Ssc與Ed，φcl之間的關系為

根據抗拉系數k（取值在0.10～0.25），計算出砂泥巖抗拉強度St，計算公式為

2.3 巖石抗拉強度與地層深度的關系

由式（2）、（3）計算得到的深水區域巖石抗拉強度發現，地層深度在1 500～5 000 m時，巖石抗拉強度與地層深度呈對數關系（見圖3），不同于常規的線性正相關關系。結合實驗分析認為：巖石抗拉強度受地層深度的影響，主要體現在巖石變形性質、強度特性及破壞特征等方面。隨著地層深度的增大，巖石圍壓不斷升高，導致巖石出現脆性—延性的轉化，使得巖石變形性質發生了改變。因此，地層深度在1 500～5 000 m時，巖石抗拉強度受深度影響而發生明顯變形。

圖3 L-X區塊深部地層巖石抗拉強度與地層深度的關系

2.4 深水海域地層破裂壓力預測模型

針對深水海域鉆井，傳統地層破裂壓力預測模型均未考慮砂泥巖抗拉強度。筆者基于Anderson模型，提出了預測深水海域地層破裂壓力時應考慮砂泥巖抗拉強度的影響，并建立了新的深水海域地層破裂壓力預測模型，即：

式中：H為地層深度，m；ψ為地層深度影響系數。

ψ與地層深度的關系曲線見圖4。

圖4 L-X區塊深部地層深度影響系數與地層深度的關系

新模型綜合考慮了砂泥巖抗拉強度的影響，對傳統模型在深水海域地層的應用進行了補充。傳統模型是基于最小地層破裂壓力等于地應力，最大地層破裂壓力等于上覆巖層壓力來推導的。但在深水海域鉆井，通常巖石會處于高溫高壓狀態，實際破裂壓力會大于地層壓力。在高溫環境下，砂泥巖孔隙度很大，由于熱應力的影響，大的孔隙結構將阻止裂紋擴展，砂泥巖抗拉強度增大。隨著地層埋深的加大，砂泥巖抗拉強度隨著溫度與壓力的變化而變化，當溫度在140～200℃時，砂泥巖抗拉強度趨于穩定。總之，地層破裂壓力的大小與巖石抗拉強度密不可分。

3 模型應用

瓊東南盆地位于南海北部大陸邊緣，水深介于300～3 000 m，是新生代形成的斷陷盆地，其地質條件復雜，受復雜斷塊、巖性突變及構造運動等因素的影響，異常壓力帶分布規律性不明顯。盆地邊緣異常壓力帶較少，異常高壓地層埋藏較深；而往盆地中央異常壓力帶增多，異常高壓地層埋藏變淺，異常壓力地層的頂部起伏較大，且壓力過渡帶不明顯，壓力系數突然增大的現象較為普遍［16-19］。目前常用的地層破裂壓力預測方法都存在一定的局限性，預測和實測結果差別較大。在淺水區域，實際資料證實了傳統模型預測鉆前地層破裂壓力的精度較高，但只考慮了地層速度與正常壓實趨勢的差異性，還需用壓實趨勢進行地層破裂壓力校正。對于深水海域高溫高壓區域，特別是異常高壓層段尤其不適用。

基于此，采用本文建立的新模型，對L-X井目的層（樂東組—梅山組）進行了地層破裂壓力預測［20-24］。該井位于瓊東南盆地陵水S構造中部，所在目標區底辟構造及微裂隙發育，可以有效溝通烴源巖和深淺部目的層，具有垂向近源運移的有利條件［25-29］。

3.1 地層孔隙壓力與地應力計算

利用Eaton模型對L-X區塊地層孔隙壓力及地應力當量密度（表征地層破裂壓力的參數）進行了計算（見表 2）。

表2 L-X區塊地層孔隙壓力與地應力當量密度

計算結果顯示，該區L-X井處于高壓系統，地層孔隙壓力當量密度分布在1.031～1.992 g/cm3。應用經驗分層地應力模型計算得到，L-X區塊上覆巖層壓力當量密度分布在1.033～2.011 g/cm3，最大水平主應力當量密度分布在1.011～1.985 g/cm3，最小水平主應力當量密度分布在0.989～1.939 g/cm3。

3.2 地層破裂壓力預測

根據表2中的數據，采用傳統地層破裂壓力預測模型和新模型，對L-X井地層破裂壓力當量密度進行了預測；然后繪制出L-X井地層破裂壓力預測結果對比圖（見圖5），并結合實測資料，對模型預測結果進行了誤差分析（見表3）。

圖5 L-X井模型預測結果對比

表3 L-X井模型預測誤差分析

由圖5、表3可知：1）模型預測結果與實測值之間均存在一定的誤差，尤其是Eaton模型、Hubbert-Willis模型及黃氏模型，預測值誤差都有大于10%的，不能滿足實際工程的需求，傳統模型中Anderson模型和Stephen模型預測結果相對準確，誤差均值在4.0%以內，而本文模型預測結果誤差在0.54%～0.98%，平均值為0.7%，預測效果最佳。2）深水海域鉆井過程中，本文模型預測的地層破裂壓力最為準確，尤其是對圖5中第3個實測點（井深4 209.90 m）的預測，傳統模型沒有考慮巖石抗拉強度受深度影響，所以預測值都偏小。針對L-X區塊及鄰近區域進行地層破裂壓力預測時，可借鑒本文模型。

4 結論

1）在高溫高壓環境下，巖石抗拉強度隨溫度的升高，先升高、再降低，最后趨于穩定；地層破裂壓力與砂泥巖抗拉強度呈線性正相關。因此，針對深水海域鉆井，選用地層破裂壓力預測模型時需考慮高溫作用對巖石抗拉強度的影響。

2）本文建立了考慮抗拉強度的地層破裂壓力預測模型，且能夠滿足深水海域鉆井的需求。傳統模型中只有Anderson模型和Stephen模型預測結果相對準確，與實測值平均誤差在4.0%以內。本文模型預測的平均誤差只有0.7%，更符合實際工程需求。

3）針對深水海域鉆井，傳統地層破裂壓力預測模型均未考慮巖石抗拉強度的影響，而本文模型考慮了砂泥巖的抗拉強度，并發現深水海域地層砂泥巖抗拉強度與地層深度呈對數關系，驗證了深水海域高溫高壓環境下考慮砂泥巖抗拉強度是符合實際的。