田 野

（大慶油田責(zé)任有限公司采油工程研究院,黑龍江大慶163453）

地層孔隙壓力、破裂壓力和坍塌壓力即為地層三項(xiàng)壓力，是鉆井技術(shù)的關(guān)鍵參數(shù)，準(zhǔn)確預(yù)測地層三項(xiàng)壓力對保護(hù)油氣層，防止井下復(fù)雜，保證施工安全至關(guān)重要。霍多莫爾油田地質(zhì)情況比較復(fù)雜，上部地層疏松，斷層、裂縫十分發(fā)育，巖性復(fù)雜，儲(chǔ)層非均質(zhì)性強(qiáng)。該地區(qū)以往地層三壓力預(yù)測主要通過經(jīng)驗(yàn)和鉆后驗(yàn)證，精確性較差，鉆井施工中容易發(fā)生井漏、井噴等復(fù)雜事故，增加了鉆井成本和鉆井周期，不利于施工安全和保護(hù)油氣層。結(jié)合霍多莫爾油田地質(zhì)特點(diǎn)，采用聲波時(shí)差法計(jì)算地層孔隙壓力；利用巖石力學(xué)理論預(yù)測地層破裂壓力及坍塌壓力，從而有效地預(yù)測鉆井液密度，減少井下復(fù)雜事故發(fā)生，提高了鉆井效率，降低了鉆井成本，為該區(qū)有效開發(fā)油氣層和安全施工提供了科學(xué)依據(jù)。

1 建立三項(xiàng)壓力預(yù)測模型

1.1 地層孔隙壓力預(yù)測模型的建立

地層孔隙壓力計(jì)算方法：根據(jù)霍多莫爾油田的地質(zhì)特點(diǎn)，利用聲波時(shí)差法預(yù)測地層孔隙壓力。

在正常壓實(shí)條件下，隨著埋藏深度的增加，地層孔隙度降低，聲波時(shí)差也隨深度的增加而減小。壓力異常時(shí)，聲波時(shí)差不再隨地層深度增加而減小，而出現(xiàn)異常增大。據(jù)此現(xiàn)象可預(yù)測地層的異常壓力，

方法如下：首先建立正常壓力情況下，深度—聲波時(shí)差的正常趨勢線。

若研究層位的聲波時(shí)差落在正常趨勢線上，即為正常地層壓力；若偏離正常趨勢線，為異常地層壓力，表達(dá)式為：

式中：Pp——地層孔隙壓力當(dāng)量鉆井液密度，g/cm3；

p0——上覆巖層壓力當(dāng)量鉆井液密度，g/cm3；

pn——靜水柱壓力當(dāng)量鉆井液密度，g/cm3；

Δtn——正常趨勢線上的聲波時(shí)差，μs/m；

Δts——實(shí)際的聲波時(shí)差（縱波時(shí)差），μs/m；

c——地區(qū)指數(shù)（該地區(qū)在0.9～1.2之間）。

1.2 地層坍塌壓力和破裂壓力預(yù)測模型的建立

1.2.1 地層坍塌壓力表達(dá)式

應(yīng)用庫侖—摩爾準(zhǔn)則，巖石沿某一平面發(fā)生剪切破壞，與該面所受剪應(yīng)力和正應(yīng)力大小都有關(guān)，當(dāng)剪應(yīng)力與正應(yīng)力達(dá)到最不利組合時(shí)巖石發(fā)生破裂。其表達(dá)式如下：

式中：σ1——最大主應(yīng)力，MPa；

σ3——最小主應(yīng)力，MPa；

α——有效應(yīng)力系數(shù)；

Pp——地層孔隙壓力，MPa；

τ0—— 內(nèi)聚力，MPa；

f——內(nèi)摩擦系數(shù)。

地層有效應(yīng)力：

式中：σ′——有效應(yīng)力，MPa；

σ——總應(yīng)力，MPa；

α——有效應(yīng)力系數(shù)；

Pp——地層孔隙壓力，MPa。

當(dāng)鉆井液密度較低時(shí)，井眼發(fā)生坍塌[3]?？傻锰鷫毫Φ谋磉_(dá)式：

式中：f——內(nèi)摩擦系數(shù)；

α——有效應(yīng)力系數(shù)；

τ0——內(nèi)聚力，MPa；

μ——巖石泊松比。

Pp——地層孔隙壓力，MPa；

σx、σy、σz、τyz、τxz、τxy——原地應(yīng)力分量在X、Y、Z坐標(biāo)系下的分量。

式中井眼液柱壓力Pw和圓周角θ為變量，其中0＜θ＜180°，求解井眼液柱壓力最大值PWmax，即為保持井眼穩(wěn)定的井眼液柱壓力下限—坍塌壓力Pc。

地層坍塌壓力的大小與巖石本身特性及其所處的應(yīng)力狀態(tài)等因素有關(guān)。鉆井過程中采用合理的鉆井液密度以平衡地層坍塌壓力，防止地層坍塌。

1.2.2 地層破裂壓力表達(dá)式

當(dāng)鉆井液柱壓力過高時(shí)，井壁處拉應(yīng)力超過地層的抗拉強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)拉伸破壞（拉伸破壞準(zhǔn)則）。

式中：σ3——最小主應(yīng)力，MPa；

σt——抗拉強(qiáng)度，MPa。

地層破裂壓力的表達(dá)式：

式中：σt——地層的抗拉強(qiáng)度，MPa；

其他參數(shù)與坍塌壓力模型中的意義相同。

式中0＜θ＜180°，求解井眼液柱壓力最小值PWmin，即為保持井眼穩(wěn)定的井眼液柱壓力上限——破裂壓力Pf。

1.2.3 計(jì)算模型各參數(shù)的確定

利用模型求取地層的破裂壓力和坍塌壓力，必須已知公式中地層的各個(gè)力學(xué)參數(shù)[2]，這些數(shù)據(jù)可由測井?dāng)?shù)據(jù)間接獲取，進(jìn)而計(jì)算出任意深度地層三壓力，從而建立地層三壓力剖面。

（1）地層彈性參數(shù)。選取霍多莫爾油田20塊巖芯300個(gè)數(shù)據(jù)，通過回歸處理就得到了該地區(qū)的彈性模量和泊松比計(jì)算公式。

泊松比：

彈性模量：

式中：ρ——巖石密度，g/cm3；

Vp——縱波速度，m s；

Vs——橫波速度，m s。

（2）地層強(qiáng)度參數(shù)。抗壓強(qiáng)度：

式中：Vc——泥質(zhì)含量，在0～1之間;

Vp——縱波速度，m s；

μ——巖石泊松比。

內(nèi)聚力：

抗拉強(qiáng)度：

式中：σc——抗壓強(qiáng)度，MPa。

內(nèi)摩擦角：取為常數(shù)30°。

（3）水平地應(yīng)力的確定。通過彈性力學(xué)公式推導(dǎo)，可得出水平地應(yīng)力的表達(dá)式：

式中：σH、σh——水平主地應(yīng)力；

α——有效應(yīng)力系數(shù)；

μ——泊松比；

Pp——地層孔隙壓力，MPa；

E——彈性模量；

A、B——構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)，通過破裂壓力試驗(yàn)確定。

（4）有效應(yīng)力系數(shù)。根據(jù)多孔隙介質(zhì)理論，有效應(yīng)力系數(shù)的表達(dá)式如下：

式中：Kbr——巖石體積彈性模量，GPa；

Kma——巖石骨架體積彈性模量，GPa。

2 壓力預(yù)測軟件

基于上述研究，利用所建立的模型編制了地層三壓力預(yù)測軟件，通過輸入聲波、密度等測井?dāng)?shù)據(jù)以及井眼軌跡參數(shù)和地應(yīng)力參數(shù)計(jì)算得出地層三壓力剖面。進(jìn)而應(yīng)用該軟件預(yù)測地層三項(xiàng)壓力，以合理設(shè)計(jì)鉆井液密度和井身結(jié)構(gòu)，為鉆井安全施工提供可靠依據(jù)。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

為了驗(yàn)證地層三壓力剖面的預(yù)測精度，在霍多莫爾油田選取H 45-50井、H 54-52井和H 53-55井3口新鉆井進(jìn)行了鉆前預(yù)測。首先根據(jù)鄰井測井?dāng)?shù)據(jù)推測待鉆井的地層三項(xiàng)壓力剖面（圖1），然后根據(jù)地層壓力剖面設(shè)計(jì)鉆井液密度和井身結(jié)構(gòu)，待完井后根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際測得的壓力數(shù)據(jù)和測井資料驗(yàn)證壓力剖面的預(yù)測精度[3]。實(shí)測值均分布預(yù)測值范圍內(nèi)（見表1和表2），吻合度較高，該方法可行。

圖1 H 45-50井地層三項(xiàng)壓力剖面預(yù)測圖

表1 地層三壓力預(yù)測值與實(shí)測值對比表

表2 地層三壓力預(yù)測值與實(shí)測測井資料計(jì)算結(jié)果對比表

4 結(jié)論與認(rèn)識

（1）本文基于地層三壓力計(jì)算一般理論，從巖石力學(xué)角度出發(fā)，建立了適合霍多莫爾油田地質(zhì)情況的地層三壓力預(yù)測模型，實(shí)現(xiàn)了地層三項(xiàng)壓力由常規(guī)完井測井資料可預(yù)測的目的。

（2）利用所編制的三壓力預(yù)測軟件，處理工區(qū)測井資料，明顯提高了地層壓力預(yù)測的精度，為合理設(shè)計(jì)井身結(jié)構(gòu)、鉆井液密度提供了可靠依據(jù)，對于安全高效鉆井具有重要的意義。