劉偉?吳超?趙姍姍

摘要：中國(guó)已探明6個(gè)頁(yè)巖氣田，成為北美外最大的頁(yè)巖氣生產(chǎn)國(guó)，主要分布在重慶市與四川省。頁(yè)巖氣地層壓力分布對(duì)安全高效鉆井至關(guān)重要。目前，壓力預(yù)測(cè)軟件適用于泥巖地層，但四川盆地主要母巖類型為碳酸鹽巖，軟件預(yù)測(cè)可靠性不高。缺乏有效預(yù)測(cè)模型，采用鄰井壓力預(yù)測(cè)技術(shù)，通過(guò)已鉆井資料對(duì)幾口井進(jìn)行預(yù)測(cè)，校正后建立地層壓力剖面，有效解決了壓力預(yù)測(cè)難題。

關(guān)鍵詞：頁(yè)巖氣儲(chǔ)層；壓力預(yù)測(cè)；鄰井；地層壓力剖面；實(shí)測(cè)壓力

一、前言

預(yù)測(cè)地層壓力剖面在鉆井工程設(shè)計(jì)與實(shí)施中扮演著關(guān)鍵的角色。它對(duì)于確定合理的鉆井井身結(jié)構(gòu)和鉆井液密度至關(guān)重要，有助于確保井眼的安全，提高機(jī)械鉆速，并有效保護(hù)油氣層。精準(zhǔn)的地層壓力估算和快速的修正能力對(duì)于達(dá)到最佳的套管設(shè)計(jì)至關(guān)重要，同時(shí)可以降低井控風(fēng)險(xiǎn)。此外，預(yù)測(cè)地層壓力也有助于提高鉆井的安全系數(shù)，從而更有利于實(shí)現(xiàn)安全和經(jīng)濟(jì)的鉆井過(guò)程。特別是在新的勘探區(qū)域或未知地層條件下，地層壓力的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)變得尤為重要。當(dāng)鉆探穿越未知的高壓層時(shí)，地層壓力的失控可能導(dǎo)致井噴、鉆機(jī)損毀，嚴(yán)重危及油氣層的完整性。

在當(dāng)前技術(shù)條件下，測(cè)井資料提供了對(duì)地層信息最為詳盡的反映。由于測(cè)井資料直接采集自地層內(nèi)部，具備良好的縱向連續(xù)性、高分辨率以及數(shù)據(jù)可靠性的優(yōu)勢(shì)，因此能夠更直接、更真實(shí)地呈現(xiàn)地層的狀況。而地層的聲速、密度、電阻率等參數(shù)與地層孔隙壓力存在一定關(guān)系，呈現(xiàn)一定的規(guī)律性。因此，可以根據(jù)這些地層測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)來(lái)預(yù)測(cè)地層的孔隙壓力[1]。本文采用聲波時(shí)差法建立單井的三壓力剖面，然后用實(shí)測(cè)泥漿密度進(jìn)行糾偏，保證壓力剖面的可靠性。聲波時(shí)差法在進(jìn)行壓力預(yù)測(cè)時(shí)有多種方法可選，目前包括基于趨勢(shì)線建立的等效深度法[2]、Eaton法[3]等。還有一些基于有效應(yīng)力的方法，如Bowers法[4]和Tau模型[5]等，用于預(yù)測(cè)地層孔隙壓力。Eaton法是一種基于正常壓實(shí)趨勢(shì)線計(jì)算地層壓力的方法，是目前石油行業(yè)中應(yīng)用最廣泛的方法之一，但其局限性在于僅適用于泥巖地層。另一方面，Bowers法考慮了泥巖欠壓實(shí)及其他異常高壓形成機(jī)制，主要考慮了欠壓實(shí)和孔隙流體膨脹。鑒于四川地區(qū)地層情況的復(fù)雜性、易漏易塌等綜合因素，本文綜合考慮采用Bowers法進(jìn)行孔隙壓力的預(yù)測(cè)。

二、W區(qū)塊的地質(zhì)特點(diǎn)

W區(qū)塊是國(guó)家級(jí)頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)示范工程的重點(diǎn)開(kāi)發(fā)地區(qū)，該區(qū)塊有中生界和新生界地層，地質(zhì)構(gòu)造為榮威穹窿與新店子向斜，其中頁(yè)巖氣目的層為下志留統(tǒng)龍馬溪組，是優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖的發(fā)育層段。在一般的泥頁(yè)巖中，異常高的孔隙壓力主要是由于不平衡的壓實(shí)過(guò)程導(dǎo)致的。在這種情況下，相應(yīng)的孔隙度增加，使用與孔隙度相關(guān)的測(cè)井參數(shù)（如聲波時(shí)差、電阻率等）進(jìn)行孔隙壓力預(yù)測(cè)通常能夠取得良好的效果。然而，頁(yè)巖氣地層中異?？紫秹毫Φ某梢驒C(jī)理較為復(fù)雜，異常高壓的形成可能不再以不平衡的壓實(shí)為主要原因，油氣的生成也可能導(dǎo)致孔隙壓力的增大[6]。頁(yè)巖層的楊氏模量越大，泊松比越小，其脆性越強(qiáng)。例如，五峰組頂部的觀音橋?qū)硬此杀燃s為0.389，楊氏模量的最低值為19290Mpa，最大值為23334 Mpa。龍馬溪組的泊松比主要分布在0.2～0.4之間，楊氏模量主要分布在21453～26367 Mpa之間。在四川威遠(yuǎn)區(qū)塊的龍馬溪組中，井下與露頭的頁(yè)巖石中含有石英、長(zhǎng)石、黃鐵礦、黏土礦物、方解石、白云石等成分，這些成分的含量差異較大，分別為5.80%、3.11%、0.64%、9.84%、13.52%、5.88%。由此可知，四川威遠(yuǎn)氣田屬于非均質(zhì)性裂縫型氣藏[7]。

三、壓力預(yù)測(cè)

（一） 單井壓力預(yù)測(cè)

采用原始的Eaton法不適用頁(yè)巖氣儲(chǔ)層壓力預(yù)測(cè)，采用修正Eaton法或者采用Bowers法預(yù)測(cè)異?？紫秹毫?。

將井1、井2和井3的聲波數(shù)據(jù)分別導(dǎo)入壓力預(yù)測(cè)軟件，采用Bowers法進(jìn)行孔隙壓力的預(yù)測(cè)，在此基礎(chǔ)之上計(jì)算破裂壓力和坍塌壓力，三壓力預(yù)測(cè)結(jié)果如圖1、圖2、圖3所示。

（二）建立三壓力剖面

由于受地層的起伏、厚度變化、延伸趨勢(shì)以及斷層的影響，目標(biāo)層段內(nèi)地層壓力呈現(xiàn)較大的空間變化。因此，在預(yù)測(cè)待鉆井地層壓力時(shí)，需充分考慮地層的空間展布和區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造。這需要定義一個(gè)包含地層埋深和壓力信息的地層壓力矩陣。建立區(qū)域內(nèi)巖層的空間分布是利用附近已鉆井的井筒資料進(jìn)行地層壓力描述的重要基礎(chǔ)，可借助地形生成技術(shù)進(jìn)行相關(guān)研究。通過(guò)綜合分析已鉆井的測(cè)井資料、巖性資料和地質(zhì)信息，獲取已鉆井井位的部署和地質(zhì)分層數(shù)據(jù)。然后，利用地形生成技術(shù)建立區(qū)域內(nèi)立體地層的空間展布。根據(jù)待鉆井的井位部署和斷層構(gòu)造情況，將構(gòu)造區(qū)域劃分成塊狀或分區(qū)域，以獲取該構(gòu)造區(qū)域內(nèi)鄰井和待鉆井位的地層劃分情況。

在鄰井壓力預(yù)測(cè)中，更為關(guān)鍵的是壓力預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性和結(jié)果的可信度。換言之，重要的是了解預(yù)測(cè)井與參考井之間地層壓力的實(shí)際相關(guān)性有多大。選擇的參考井和預(yù)測(cè)井應(yīng)在同一構(gòu)造上，地質(zhì)條件相同，沒(méi)有斷層分隔。有人提出了參考井可靠性分級(jí)的辦法，按等級(jí)分為A級(jí)（可靠，在同一構(gòu)造無(wú)斷層，地層壓力相似度大于90%）、B級(jí)（比較可靠，在同一構(gòu)造上有斷層，相似度80%左右）和C級(jí)（基本可靠，在同一構(gòu)造上有兩個(gè)以上斷層，相似度70%）[8]。

鄰井地層壓力數(shù)據(jù)、鄰井的空間位置以及目標(biāo)區(qū)域的空間連續(xù)性，是影響地層壓力外推方法計(jì)算準(zhǔn)確度的關(guān)鍵因素。對(duì)于存在斷層或地質(zhì)構(gòu)造較為復(fù)雜的地區(qū)，需要充分了解地質(zhì)構(gòu)造特征，并借助地震資料進(jìn)行構(gòu)造分析和區(qū)塊劃分，以便建立目標(biāo)井的地層壓力。

選取該地區(qū)重要的四個(gè)關(guān)鍵地層建立地質(zhì)模型如圖4所示，可知待鉆井和已鉆的三口井之間從地質(zhì)構(gòu)造上沒(méi)有斷層，沒(méi)有褶皺等大的地質(zhì)構(gòu)造變化，因此，可以采用鄰井資料數(shù)據(jù)對(duì)未知井進(jìn)行壓力預(yù)測(cè)。

（三）w-井壓力預(yù)測(cè)

首先，通過(guò)計(jì)算各鄰井的地層孔隙壓力，可以利用地層壓力矩陣構(gòu)建方法建立鄰井的地層孔隙壓力矩陣。然后，通過(guò)深度平差處理和空間插值處理，將鄰井的壓力分別移植到待鉆井位置。在考慮鄰井的綜合效果后，形成待鉆井的壓力曲線。

在進(jìn)行壓力預(yù)測(cè)時(shí)，首先需要對(duì)該區(qū)塊進(jìn)行地層分組，這一步對(duì)于后期進(jìn)行壓力預(yù)測(cè)至關(guān)重要，是對(duì)整個(gè)區(qū)塊地層認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)。以威遠(yuǎn)區(qū)塊為例，對(duì)2700～4300m進(jìn)行地層分組，建立地質(zhì)層面。然后，根據(jù)之前的已知數(shù)據(jù)對(duì)預(yù)測(cè)井進(jìn)行壓力分析和計(jì)算。計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

四、三壓力預(yù)測(cè)與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比

圖6所示黑色曲線為實(shí)鉆鉆井液密度，可以看出實(shí)際鉆進(jìn)的鉆井液密度完全在安全窗口之內(nèi)，表明預(yù)測(cè)結(jié)果是可靠的，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)鉆進(jìn)施工具有實(shí)際的指導(dǎo)意義。

五、結(jié)語(yǔ)

地層壓力預(yù)測(cè)對(duì)于鉆井施工的重要性不言而喻，在資料有限的情況下，根據(jù)已鉆井資料對(duì)待鉆井進(jìn)行預(yù)測(cè)具有重要的意義。

待鉆井預(yù)測(cè)中地質(zhì)層面的建立是重中之重，需要對(duì)該區(qū)域地層有充分認(rèn)識(shí)是進(jìn)行地層壓力預(yù)測(cè)的關(guān)鍵。通過(guò)在W區(qū)塊待鉆井預(yù)測(cè)結(jié)果表明該方法可以給實(shí)際鉆井施工提供可靠的參考依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1]樊洪海.異常地層壓力分析方法與應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，2016：152-157.

[2] RANSON R C. A method for calculation pore pressures from well logs[J]. The Log Analyst， 1986， 27（2）：72-76.

[3]EATON B A. The equation for geopressure predicition from well logs[R]. SPE5544，2013.

[4]BOWERS G L. Pore pressure estimation from Velocity data： accounting for overpressure mechanisms besides undercompaction[J]. SPE Drilling&Completion，1995，10（02）：89-95.

[5]DUTTA N C. Geopressure prediction using seismic data：current status sng the road ahead[J]. Geophysics，2002，67（6）：2012-2041.

[6]郭旭升.南方海相頁(yè)巖氣“二元富集”規(guī)律——四川盆地及周緣龍馬溪組頁(yè)巖氣勘探實(shí)踐認(rèn)識(shí)[J].地質(zhì)學(xué)報(bào)，2014，88（07）：1209-1218.

[7]劉若冰.超壓對(duì)川東南地區(qū)五峰組——龍馬溪組頁(yè)巖儲(chǔ)層影響分析[J].沉積學(xué)報(bào)，2015，33（04）：817-827.

[8]管志川，魏凱.利用已鉆井資料構(gòu)建區(qū)域地層壓力剖面的方法[J].中國(guó)石油大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2013，37（05）：71-75.

責(zé)任編輯：王穎振、周航