壓力預測在鉆井當中的應用

李廣福

（大慶鉆探工程公司鉆井三公司第三項目部，黑龍江大慶163000）

準確預測地層壓力對于合理、經濟地選用鉆井液和設計井身結構，以及防止井噴、井漏、井塌等井下故障的發生，有著十分重要的意義[1]。地層孔隙壓力的預測在鉆進過程中一直是倍受關心的問題。目前在鉆井過程中確定地層壓力的方法有很多，按照鉆井的流程可以劃分為鉆前壓力預測、隨鉆壓力監測、鉆后壓力評價三大類。隨鉆監測和鉆后地層評價都是屬于“事后”技術，而鉆前壓力預測對于保證鉆井的安全尤為重要。目前在各大油田應用最廣的是Eaton法，是一種基于欠壓實理論的方法[2]，Eaton法對速度及指數N的求取十分關鍵，本文重點對這兩個參數的求取進行解剖，為壓力預測提供新的思路。

1 異常壓力的成因

地層中的異常壓力是普遍存在的。國內外研究表明，導致異常地層壓力形成的因素主要包括以下幾個方面：①使孔隙空間縮小的作用，包括構造擠壓作用和快速沉積引起的欠壓實作用；②使孔隙流體體積增大的作用，包括烴類的生成、流體熱增壓和礦物轉化脫水作用；③其他作用，包括他源超壓傳導作用[3]。研究認為，構造擠壓作用、欠壓實作用和烴類生成作用是形成異常高壓的主因，其他作用都是次因，但是某一地區異常高壓的形成并非是單因素導致的，通常是多種因素共同作用的結果。

壓實作用：通過前人的研究，認為世界上年輕的沉積盆地中異常高壓主要是由于沉積物壓實作用所引起的[4]，在快速沉積的厚層泥巖作用下，粘土孔隙中的水不能及時排出，使之處于欠壓實狀態，另外沉積速度太快，沉積物孔隙中的水不能充分排出，同樣也會導致異常高壓的形成。

蒙脫石脫水：隨著地層溫度不斷升高，蒙脫石會因為熱力的原因，失去結合水，釋放出大量的晶格層間水和吸附水[5]，向伊利石轉化，如果粘土處在封閉的地質條件下，則會導致地層壓力的升高，形成異常高壓。

硫酸鹽的成巖作用：前人研究指出石膏向無水石膏轉化時會釋放出大量的水，在封閉的地質條件下，這些水積蓄起來，增加孔隙流體壓力從而導致異常高壓。無水石膏水化變為石膏時，體積將發生膨脹，在全水化物狀態下，體積將增加約40%，倘若石膏的水化作用是在封閉的地質條件下進行。

熱力作用：隨著埋深增加而不斷升高的溫度，使孔隙水的膨脹大于巖石的膨脹，導致孔隙壓力將升高，同時高溫升高會使得干酪根熱裂解，生成烴類氣體。

構造擠壓作用：當含油層與水層連通時通常為正常壓力；當發生構造作用，切斷兩者關聯，構造作用如果使埋深變淺，通常造成異常高壓；若構造作用使得埋深變深，通常造成異常低壓[6]。

生烴增壓作用：生烴增壓是指當高密度的有機質轉化成低密度的油或者氣時，促使孔隙流體膨脹，如果生烴作用增加的流體體積大于由于滲漏等因素釋放的流體體積則產生異常高壓[7]。

2 Eaton法預測原理及關鍵參數求取

基本原理：Eaton在總結大量實際數據的基礎上，認為由于不同區域形成異常壓力的機制不同，可以利用聲波時差預測異常壓力[8]。Eaton法是依據地層壓實理論、有效應力理論和均衡理論，建立正常趨勢線，通過計算泥巖地層偏離正常壓實趨勢線來計算孔隙壓力。正常壓實地層中，泥巖聲波時差隨埋深的增加而減少，在對數坐標中兩者呈線性關系，但在異常高壓地層中，聲波時差隨之增大，從而偏離正常壓實趨勢線（圖1）。公式如下：

圖1 Eaton法原理圖

式中：Pp——地層孔隙壓力，MPa；

Pv——上覆地層壓力；

Pn——靜液柱壓力；

Δtn——深度點正常趨勢線的聲波時差；

Δts——地層實際聲波時差；

k——伊頓指數。

關鍵參數一：速度求取。獲取地震層速度有多種途徑，地層壓力預測經常使用的資料是地震速度譜。速度譜比較容易獲得，但存在速度解釋精度較低的問題，影響了地層壓力的預測精度。本次研究嘗試利用測井約束反演的方法求取速度，這種方法既保留層速度橫向分辨率，又增加測井資料縱向分辨率，極大提高了速度的準確性（圖2）。

圖2 測井約束反演剖面

關鍵參數二：指數N。Eaton法中指數N的求取的關鍵是通過鄰井。本次研究提出鄰井的選擇4個指標：①與待鉆井井距不要太大，通常在500～2000m左右；②鄰井與預測井具有相同層位（預測井的目的層位在鄰井發育即可）；③地層或巖性的橫向變化不太大、具有相同的壓力帶上；④最好具有壓力測試資料（圖3）。

圖3 東營凹陷某研究區連井剖面圖

指數N的求取，是通過已鉆井的測井曲線與實測地層壓力點而求得（圖4）。當經驗值為3得到的地層壓力與實測壓力差別較大，當經驗值取5.3，則得到的地層壓力與實測壓力較吻合，從而確定指數N取值，當對待鉆井壓力進行預測時候，指數N則選為5.3。

圖4 某研究區井指數N

3 壓力預測在鉆井中的應用

（1）降低了鉆井復雜發生率，減少了處理費用。鉆井過程中忽然鉆遇復雜地層和特殊巖性時，如果采取措施不當或采取措施不及時，輕者影響鉆井速度，重者引發鉆井事故甚至造成全井報廢。順利穿過復雜地層和特殊巖性的關鍵一是搞好隨鉆分析，提前預報[9]，二是發揮綜合錄井儀的實時監測功能，宏觀細找及時發現，并嚴密追蹤其變化。

（2）優化井身結構設計，降低鉆井成本。首先利用鄰井資料求取待鉆井的地層壓力剖面，再利用鉆井風險評價方法對待鉆井目標層段井身結構進行優化，規避鉆井風險的發生。例如鄒靈戰針對五探1井鹽下復雜壓力系統提出的非常規井身結構設計（表1）。

表1 五探1井井身結構方案的必封點分析表

（3）降低鉆井液密度，節約鉆井成本。在鉆井過程中，合理的鉆井液密度可以保證鉆井過程不發生溢流、坍塌、縮徑和鉆井液漏失，確定鉆井液密度的原則是：鉆井液密度必須大于安全鉆井液密度的下限，小于安全鉆井液密度的上限。

4 結論

（1）明確了異常高壓產生的原因，其中欠壓實作用、構造擠壓及生烴作用是主要作用，但異常高壓的產生并不是單一因素的結果，而是多種因素共同的結果；

（2）明確了Eaton法中關鍵參數：速度、指數N的求取。速度的求取應用測井約束反演的方法既可以保留層速度（橫向精度），又可以保留測井曲線（縱向精度），極大地提高速度求取的準確性；指數N的求取是通過參照鄰井而來。

（3）明確了鄰井選取的4個條件：①與待鉆井井距不太大，一般在500～2000m左右；②完鉆層位和深度相當；③地層或巖性的橫向變化不太大、具有相同的壓力帶上；④最好具有壓力測試資料。

（4）壓力預測在鉆井當中具有極其重要的作用，保證鉆井安全的同時又可以優化井身結構、降低鉆井液密度、節約鉆井成本。