范翔宇，蘇 靜，王俊瑞，張 萍，何傳亮

(1.西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室，四川成都 610500;2.中石油西南油氣田公司川中油氣礦，四川遂寧 629000;3.中海油能源發(fā)展股份有限公司監(jiān)督監(jiān)理技術(shù)分公司，天津 300452;4.中石化西南石油局測井公司，四川 成都 610100)

川東北河壩地區(qū)天然氣儲量豐富，但該區(qū)中淺部巖層具有硬度大、研磨性強、可鉆性差、漏層多的特征，從而導(dǎo)致機械鉆速低、鉆井周期長［1-3］，因此該地區(qū)廣泛采用了空氣鉆井來提高機械鉆速和縮短鉆井周期。與常規(guī)鉆井液鉆井不同，由于氣體密度很小，氣體鉆井中井內(nèi)氣柱壓力低于地層孔隙壓力，在井底形成負(fù)壓差［4-7］，在鉆遇水層或含氣水層時，地層中的流體很容易進入井筒內(nèi)，從而造成地層出水，進一步可能會導(dǎo)致環(huán)空中巖屑黏結(jié)成團，巖屑團增大到一定程度就會在鉆桿外壁形成泥餅環(huán)，堵塞環(huán)空通道。同時，地層出水還會導(dǎo)致裸露的泥頁巖發(fā)生水化膨脹，造成井眼縮徑，引起卡鉆，嚴(yán)重威脅到井下安全［8-9］。因此，氣體鉆井中若能及時監(jiān)測到地層出水情況，將會減少井下卡鉆等復(fù)雜事故的發(fā)生。隨鉆測井是一項新興測井技術(shù)［10-15］，可以在鉆井的同時獲得有關(guān)地層信息，及時監(jiān)測地層出水情況，提高建井效率。筆者以川東北河壩地區(qū)砂泥巖地層為主要研究對象，基于隨鉆測井信息，分析地層相關(guān)物性參數(shù)，判斷出水層位，并建立地層出水量定量分析模型，通過編制地層出水量預(yù)測軟件實時判定地層出水狀況。

1 地層出水預(yù)測信息的隨鉆采集

隨鉆測井與常規(guī)測井相比，可以在鉆井的同時獲得自然伽馬、電阻率、巖性密度、中子、聲波時差、隨鉆地層壓力等電纜測井所能提供的測井資料，且測井響應(yīng)幾乎不受鉆井液侵入影響，能更真實地反映原始地層的特性。影響地層出水量的因素主要有地層壓力、孔隙度、電阻率、地層滲透率、含水飽和度、地層水黏度等。表1為采集前3個主要參數(shù)的隨鉆測量系統(tǒng)的基本原理、隨鉆測量工具基本結(jié)構(gòu)圖、隨鉆信息采集系統(tǒng)技術(shù)特點［5，8，13，16-17］。通過將隨鉆信息采集工具與鉆具的合理組合，可開展隨鉆地層出水預(yù)測。

2 地層出水層位隨鉆預(yù)測方法

礦場實踐證明，出水層往往出現(xiàn)在水層或含氣水層，而含氣水層和水層均可通過相應(yīng)的測井響應(yīng)特征來判斷［10］。利用現(xiàn)場隨鉆測井儀所提供的實時測井?dāng)?shù)據(jù)，根據(jù)研究區(qū)的地質(zhì)特點，提取分辨力高的測井參數(shù)來識別地層流體性質(zhì)，選用以下4種方法對出水地層進行直觀、快速識別。

(1)三孔隙度比值法?；陔S鉆巖性密度、中子、聲波時差信息，可以得出視聲波孔隙度φsa、視密度孔隙度φda、視中子孔隙度φna?？紤]地層出水是受地層巖性、物性等綜合影響的結(jié)果，建立出水層位預(yù)測指數(shù)Jdccs的判別模型:

式中，Ish為地層泥質(zhì)指數(shù)，可以根據(jù)隨鉆伽馬測量值計算得到。當(dāng)Jdccs大于1時指示為含氣層;當(dāng)Jdccs小于1時指示為水層。

(2)φ－Sw交會圖法。由阿爾奇公式［9］可以導(dǎo)出:

式中，a、b為巖性系數(shù);m、n分別為地層膠結(jié)指數(shù)、地層含水飽和度指數(shù);Rw為地層水電阻率，Ω·m;Rt為隨鉆獲得的地層深側(cè)向電阻率，Ω·m;φLWD為基于隨鉆測井計算的測井孔隙度。

當(dāng)?shù)貙又缓`水時，孔隙度φ與束縛水飽和度Sw的乘積將趨近于一個常數(shù)。故在φ－Sw交會圖中，如果交會數(shù)據(jù)呈近似雙曲線分布，則表明地層只含有束縛水，地層不易出水;如果交會數(shù)據(jù)不呈近似雙曲線分布，則說明地層中不僅含有束縛水，還含有可動水，地層可判斷為易出水層位。

(3)正交偶極子陣列聲波分析法。一般情況下，砂巖的縱、橫波波速比為1.55～1.75，含氣水層的比值接近1.5，而含水砂巖卻表現(xiàn)為該比值隨孔隙度、泥質(zhì)含量的增大和有效應(yīng)力的降低而增加。隨鉆獲取信息表明，當(dāng)?shù)貙雍瑲鈺r，實際地層壓力往往比隨鉆獲得的壓力高，地層水容易進入井筒中，這種情況下，地層中的氣體使縱波速度快速降低，但對橫波的影響很小，使得砂巖、泥巖、頁巖往往具有異常低的縱、橫波波速比。因此，縱、橫波速度比的幅度異?？芍甘竞瑲馑畬佣魏统鏊畬游?，該方法的優(yōu)點是直觀、清楚，地層物性和巖性影響較小。

(4)聲電綜合法。聲電綜合法是結(jié)合聲波時差測井資料和雙側(cè)向電阻率測井資料來判斷地層出水的一種新方法。聲波時差法可根據(jù)水、氣的聲波傳播速度的不同來區(qū)分水層與氣層，但準(zhǔn)確度偏低。雙側(cè)向電阻率測井判斷水層的依據(jù)［15］為:出水層的深側(cè)向電阻率一般小于100 Ω·m;出水層的雙側(cè)向電阻率差一般為零或負(fù)幅度差。該方法同樣存在準(zhǔn)確度偏低的問題。聲電綜合法將二者結(jié)合起來，根據(jù)聲波時差與視電阻率的轉(zhuǎn)換關(guān)系，在電阻率測井方法判斷出水層的依據(jù)上增加了一點，即由地層的聲波時差轉(zhuǎn)化得到的視電阻率與深側(cè)向電阻率的比值大于1。當(dāng)滿足這3條時即可判斷為出水層，準(zhǔn)確度較高。

3 地層出水隨鉆定量預(yù)測模型

3.1 預(yù)測模型的建立

根據(jù)滲流力學(xué)的基本原理，結(jié)合氣體鉆井的實際生產(chǎn)情況，建立地層出水隨鉆定量預(yù)測模型。假設(shè)地層出水為平面徑向流且地層為水平圓盤狀，均質(zhì)等厚。對應(yīng)的物理模型見圖1。

圖1 地層平面徑向流示意圖Fig.1 Sketch map of formation plane radial flow

在這種假設(shè)條件下，可以認(rèn)為鉆遇地層流體為牛頓流體，黏度為μw，與井垂直的每一個平面內(nèi)的運動情況相同。這樣可以確定平面徑向流范圍內(nèi)任意一點的壓力分布模型為

根據(jù)上述模型建立以滲流力學(xué)理論為基礎(chǔ)的地層出水量預(yù)測模型。

鉆遇水層時地層出水量計算模型為

鉆遇含氣水層時地層出水量計算模型為

式中，Qw為地層出水量，m3/h;k為絕對滲透率，10－3μm2;kw為水相滲透率，10－3μm2;h 為出水地層厚度，m;pp為出水地層壓力(可以直接使用隨鉆獲得的地層壓力值)，MPa;phb為井底流動壓力，MPa;μw為地層水黏度，mPa·s;R為出水地層供給半徑，m;rw為井眼尺寸，cm;r為平面徑向?qū)又腥我庖稽c距井軸的距離，m。

鉆遇含氣水層時求出水量的原理與鉆遇水層類似，但是由于地層孔隙中含有氣水兩相，除必須弄清楚該層位地層壓力外，還需要計算水相滲透率。要準(zhǔn)確求取水相滲透率的前提是先獲取束縛水飽和度Swb、絕對滲透率k、水相相對滲透率Krw。

3.2 模型參數(shù)計算

3.2.1 根據(jù)泥質(zhì)指數(shù)求取束縛水飽和度

結(jié)合河壩地區(qū)中淺部地層實際地質(zhì)特征，主要基于泥質(zhì)含量指數(shù)Ish、中子測井資料和密度測井資料建立束縛水飽和度Swb計算模型，計算公式為

式中，GR為自然伽馬值，API;GRmax和GRmin為鉆遇井段自然伽馬最大和最小值，API;φta為視總孔隙度。

設(shè)φCNL和φDEN分別為隨鉆中子和隨鉆密度測井計算孔隙度，為消除誤差，令 φLWD=0.5(φCNL+φDEN)近似作為地層的測井計算孔隙度，根據(jù)川東北河壩地區(qū)實際地質(zhì)資料，構(gòu)建如下φta的計算模型。

(1)對高孔隙度地層(φLWD≥10%):

(2)對孔隙性白云巖地層(φLWD≤5%，φCNL＞φDEN):

其中

(3)對于其他低孔隙度地層(5% ＜φLWD＜10%):

其中

式(5)能很好地滿足川東北河壩地區(qū)中淺部地層視總孔隙度的求取。

3.2.2 利用粒度中值和孔隙度求取束縛水飽和度

對河壩地區(qū)十幾口井中淺部地層的300余塊巖心的實測數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明，可把砂巖地層的束縛水飽和度Swb表示為粒度中值dM和隨鉆測井計算孔隙度φLWD的函數(shù)。

(1)中、高孔隙度(φLWD≥10%)砂巖地層的基本形式為

其中

式中，A0、A1、A2、A3為經(jīng)驗系數(shù)，A0的取值為 0.18 ～0.36，隨膠結(jié)程度變?nèi)鹾涂紫抖仍龃蠖鴾p小，A1、A2近似為常數(shù)，一般 A1≈1.5，A2≈3.6，A3的取值為0.08～0.2，隨膠結(jié)程度變?nèi)鹾涂紫抖仍龃笠约坝H水性增強而增大，A3對Swb的計算結(jié)果影響相當(dāng)大;d0為砂巖層段的平均粒度中值;Ish為泥質(zhì)含量指數(shù)。

(2)低孔隙度(φLWD＜10%)砂巖地層的基本形式為

式中，B0、B1、B2和B3為經(jīng)驗系數(shù)，與地區(qū)地質(zhì)特征有關(guān)。B1為常數(shù)(取9.8);B0=0～0.15，B2=3.3～1，若取B0=0，則取B2=3.3;B3是影響方程式計算結(jié)果的重要參數(shù)，主要與砂巖的壓實程度有關(guān)，一般隨地層的壓實和親油性的增強而增大，取值為0.7～0.8。

3.2.3 水相滲透率的計算

水相滲透率kw表示為絕對滲透率與水相相對滲透率的乘積:

其中

式中，z為地區(qū)經(jīng)驗系數(shù)，與巖性、巖石潤濕特性和流體黏度等因素有關(guān)，一般取3.2～4.6，可根據(jù)實測資料反演求得。

4 地層出水預(yù)測實例分析

表2為川東北河壩地區(qū)河壩1井基本參數(shù)及隨鉆采集信息。

表2 河壩1井地層基本參數(shù)及隨鉆采集信息Table 2 Basic formation parameters and information obtained while drilling of well Heba 1

圖2 河壩1井2.680～2.700 km段地層出水預(yù)測結(jié)果Fig.2 Result of formation water exit prediction in 2.680～2.700 km of well Heba 1

圖2為針對河壩1井采樣間隔為0.125 m的出水量預(yù)測結(jié)果?？梢钥闯?，在2.682 5～2.686 6、2.694、2.6975 km處出水明顯。另外出水層厚度累積達到16.4 m，平均出水量達4.6 m3/h。為了便于對比分析，表3中列舉了河壩1井不同出水層位的相關(guān)參數(shù)和計算得到的累積出水量，并將計算出水量和實測出水量相比較，兩者之間的相對誤差約為10%，這表明所建立的出水量理論預(yù)測模型在一定程度上可用于工程計算和氣體鉆井隨鉆出水診斷。

同時分析發(fā)現(xiàn)，河壩地區(qū)1.0 km以內(nèi)的淺部地層出水層位少且出水量很小;沙溪廟組地層出水層位較少，出水量較小，最大也不超過2.0 m3/h，不影響氣體鉆井的進行。河壩地區(qū)千佛崖組地層存在較少出水層位，其中含氣層出水量較小，最大也只有2.2 m3/h，不影響氣體鉆井的實施，而水層出水量較含氣層大，某些出水量超過了4 m3/h。河壩地區(qū)的出水層位主要分布在自流井組和須家河組，這兩套地層普遍孔隙度較小，滲透率較低，但出水層的厚度很大，造成出水量較大，某些層位出水量甚至超過了20 m3/h。這與該區(qū)氣體鉆井過程中地層出水實測記錄較吻合。

表3 河壩1井隨鉆出水量預(yù)測對比分析Table 3 Analysis of prediction of water yield while drilling in well Heba 1

5 結(jié)論與建議

(1)給出的多種地層出水層位預(yù)測方法能夠較好地滿足地層出水層位的預(yù)測。同時根據(jù)滲流力學(xué)的基本理論并結(jié)合氣體鉆井的實際情況，將氣體鉆井出水地層分為水層和含氣水層兩種情況建立的出水量預(yù)測模型，能夠較好地適應(yīng)研究區(qū)中淺部地層出水量定量預(yù)測。

(2)氣體鉆井受地層出水的影響和制約明顯，施工中經(jīng)常因出水量過大而不得不轉(zhuǎn)換鉆井方式。在目前常用井眼及氣體裝備配合條件下，氣體鉆井的最大攜水量一般小于3 m3/h，泡沫鉆井的最大攜水量一般小于10 m3/h。河壩地區(qū)1.0 km以內(nèi)的淺部地層和沙溪廟組地層采用空氣鉆井，而千佛崖組地層適宜采用霧化鉆井或泡沫鉆井，自流井組和須家河組地層適宜采用充氣鉆井液或者常規(guī)水基鉆井液等近平衡鉆井。

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