塔里木盆地山前复杂带钻井地层压力预测

塔里木盆地山前复杂带钻井地层压力预测
尹国庆;张辉;李超;袁芳;丁志敏;王军伟
【摘要】The correct prediction of formation pressure as dirrect basis of drilling well bore structure,mud quality and drilling parameter design is of great significance to high quality,efficient and safety drilling,reducing downhole complex problem,preserving oil-gas zones,well cementation and completion.The piedmont of Tarim basin was of limitations of geology,seismic data and related knowledges,so the correct prediction of pre-drilling formation pressure was difficult,and the proper drilling engineering implementation was affected.This paper presents the method for proper prediction of strata pore pressure,collapse pressure and fracture pressure by using the pre-drilling formation pressure,drillstem
test,corrected pressure prediction model,model parameter modulation,re-calibrating well-corrosing seismic data,establishing non-linear mapping relation and undrilled strata petrophysical information prediction,etc.in order to provide support bases for parameter＇s optimization and regulation of next drilling process.%地层压力的准确预测是钻井井身结构、泥浆性能和钻井参数设计的直接依据,其对优质高效安全钻井,减少井下复杂情况,保护油气层、固井、完井等意义重大。

由于地质、地震资料及认识的局限性,难以对塔里木盆地山前探井准确预测钻前地层压力,从而影响钻井工程顺利实施。

首先在地震资料钻前压力预测的基础上,及时利用中途测井资料,修正压力预测模型,调整模型参数,然后重新标定过井地震资料,建立地震与测井信息之间的非线性映射关系,预测
未钻地层岩石物理信息,进而预测得到地层孔隙压力、坍塌压力、破裂压力等,为下步钻进参数优化调整提供参考依据。

【期刊名称】《新疆石油地质》
【年(卷),期】2012(033)004
【总页数】3页(P497-499)
【关键词】塔里木盆地;复杂探井;地震;测井;压力预测
【作者】尹国庆;张辉;李超;袁芳;丁志敏;王军伟
【作者单位】中国石油塔里木油田分公司勘探开发研究院,新疆库尔勒841000;中国石油塔里木油田分公司勘探开发研究院,新疆库尔勒841000;中国石油塔里木油田分公司勘探开发研究院,新疆库尔勒841000;中国石油塔里木油田分公司勘探开发研究院,新疆库尔勒841000;中国石油塔里木油田分公司监督管理中心,新疆库尔勒841000;中国石油塔里木油田分公司天然气事业部,新疆库尔勒841000
【正文语种】中文
【中图分类】TE254.6
塔里木盆地天山和昆仑山山前区带油气资源丰富，具有很大的勘探潜力，是目前重要的勘探领域[1，2]。

由于山前带地质条件极为复杂，目的层埋藏深，岩性纵横向多变，断裂构造发育，挤压变形剧烈，给钻井工程造成很大困难，严重制约了油气勘探的进程。

众所周知，地层“三压力”（孔隙压力、破裂压力、坍塌压力）对钻井液参数的选择和合理井身结构设计起着非常重要的作用，但是由于研究区域勘探程度低，造成钻前地层压力预测精度较低，不能满足工程需求。

从理论上讲，解决这个问题最好的方法是利用随钻测井（LWD）、随钻地震（SWD）等技术，反演
出钻头以下地层的界面深度和层速度等，进而随钻预测压力参数[3]。

然而，受技
术和成本的制约，目前这一技术还未大规模应用于国内油气勘探开发中。

笔者用已有的中途测试信息精细标定过井地震资料，应用井震联合的反演技术[4-8]得到未
钻地层的岩石物理参数，从而二次预测地层压力[9，10]，并及时评价井壁稳定性，为钻井工程方案调整和优化提供参考依据，以确保安全且高效钻进。

此方法在塔里木盆地山前带多口探井压力预测中取得了良好的效果。

首先在利用地震资料开展地层“三压力”钻前初次预测的基础上，根据钻井实况、地质录井资料以及测井资料进行处理分析，修正初次预测模型及相关处理参数；然后利用已钻地层测井资料对地震数据进行精细标定，重新建立井眼处时深关系，通过井震联合反演，得到未钻地层的岩石物理信息，进而对未钻地层进行“三压力”的二次预测。

根据上述主要思路，本文所涉及的主要理论有地震反演、地层孔隙压力计算、地应力计算、破裂压力计算、坍塌压力计算等。

地震反演采用约束稀疏脉冲反演法，主要是用地震道的振幅产生阻抗模型，采用一个快速的趋势约束脉冲反演算法，用地震解释层位和测井约束控制波阻抗的趋势和幅值范围，脉冲算法产生宽带结果，恢复缺失的部分低频和高频成分，其基本模型简单表示为
式中W（t）——地震子波；
r（t）——反射系数；
n（t）——噪声。

反演可以看作是已知地震道S（t）估算反射系数的过程，而反射系数与地层的声
阻抗密切相关：
式中I(j)=ρ(j)v(j).
约束脉冲稀疏反演结果最大限度地忠实于地震资料，反演结果唯一性较好，可以得
到合理的波阻抗结果。

利用上述反演得到波阻抗数据体，结合地震测井资料建立的岩石物理关系，从阻抗体数据中剥离出速度、密度等数据，以此预测地层“三压力”数据。

（1）孔隙压力计算模型研究中应用Eaton（1975）给出的利用地震反演后的层速度资料预测地层孔隙压力，基本公式为
式中pp——预测的孔隙压力；
po——静岩压力；
ph——正常的静水压力；
vn——正常趋势线的泥岩层速度；
vo——实测的层速度；
μ——Eaton指数。

塔里木盆地山前区带一般存在异常高压地层，这正是Eaton法计算孔隙压力的优
势所在，利用反演阻抗体剥离的层速度计算的山前区带井的地层孔隙压力能够很好地反映地层压实特性，应用于生产。

（2）地应力计算模型根据该区钻井实测资料的研究，山前区带地应力计算模型采用组合弹簧模型（广义胡克定律），其表达式为
式中SH——水平最大应力；
Sh——水平最小应力；
SV——水平垂向应力；
ν——泊松比；
α——biot系数；
E——杨氏模量；
β1——最小水平主应力方向的应变；
β2——最大水平主应力方向的应变。

（3）坍塌压力计算模型对于井壁坍塌压力，假设泥岩的渗透率非常小，且钻井液性能优良，基本在泥岩地层中不发生渗透流动，根据莫尔-库伦准则，地层坍塌压
力（pc）计算公式为
式中S0——岩石固有剪切强度；
φ——岩石破裂角，即破裂面的法线与σ1方向的夹角。

（4）破裂压力计算模型井壁地层张性破裂是由于井内泥浆密度过大，使井壁岩石所受的应力超过岩石抗拉强度时造成的。

可知当θ=0°和θ=18 0°时井壁周向应力最小，当泥浆柱压力过大时，井壁首先在此处破裂。

利用最大拉应力理论得到井壁张性破裂计算模型，其破裂压力为
式中IU——岩石抗拉强度。

对于裂缝性地层，当钻井液柱压力过大时，裂缝重张开，此时克服最小水平主应力，因此闭合压力即与最小水平主应力相当。

KD1井是塔里木盆地西南坳陷昆仑山前甫沙构造带KD1号构造上的一口风险探井，在进行该井地层“三压力”初次预测时面临的主要问题是区域构造复杂、勘探程度低、完钻资料少，且地震资料品质较差，无有效的参考邻井，预测难度较大。

根据地质认识，选取了相邻构造上的两口井作为参照井，建立了预测模型，利用二维地震资料开展了“三压力”预测（图1a）。

在对KD1井实钻情况进行动态跟踪时发现，用密度为1.71 g/cm3泥浆钻至4 099.15 m时，发生溢流，该段初次预测孔隙压力梯度为1.38 MPa/hm，随后采用密度为1.73 g/cm3泥浆压井成功，表明初次预测结果与实钻存在差异，地层压力异常和变化规律未能完全描述出来，不能满足工程需求。

该井钻至白垩系时要求调整参数，需要更准确的地层压力预测数据，此时已进行了中途测试，及时开展了测井资料的分析研究，重新建立压实趋势线，发现在3 650 m左右时地层压力开始出现异常，初次预测时未能体现出来。

分析三轴应力状态
（图1b），其上部地层最大水平主应力方位大致为南北向，局部稍有变化，三轴
应力状态为Sv≥SH＞Sh，同时修正了相关模型及处理参数，然后利用上部测井资料对过井地震进行标定，井震结合预测得到钻头以下地层岩石物理信息（图1c）。

图1c中红色曲线为地震预测阻抗，蓝色曲线为测井计算阻抗，对比发现虽然在细节上二者存在一定差异，但总体趋势基本一致，能够用来建立压实趋势，进而作压力预测。

最后结合上部测井资料建立的岩石物理及应力模型，利用井震联合得到的钻头以下地层的阻抗体数据，对其进行“三压力”的二次预测（图1d）。

该井钻至4579 m完钻后，进行了完井测试，分别将二次预测结果与实钻数据以
及测井资料钻后评价进行了对比：在3 837 m处做地层破裂试验，预测地破梯度
为1.95 MPa/hm，实测1.85 MPa/hm未破，两者吻合；4 237.53 m预测孔压1.75 MPa/hm，实测1.78 MPa/hm，误差1.7%，能够满足钻进过程中的参数调整与优化，及时指导了生产。

对于塔里木盆地山前区带探井，由于资料品质和认识的限制，初次钻前预测精度较低，不能完全满足工程设计需求，应及时开展随钻跟踪预测。

在目前技术条件下，充分利用中途测试资料，在揭开复杂地层前，修正初次预测模型及参数，井震标定，预测钻头以下的压力的方法是可行的，能够满足这种复杂探井钻进过程中参数的优化调整。

另外本研究依赖中途测试资料和地震资料处理成果，因此较好的地震资料处理成果和较全的上部已钻开地层的测井资料对于钻头以下地层压力二次预测的精度起着至关重要的作用。

【相关文献】
［1］周新源，罗金海，王清华.塔里木盆地南缘冲断带构造特征及其油气地质特征［J］.中国科学（D辑），2004，34（S1）：56-62.
［2］孙龙德.塔里木盆地库车坳陷与塔西南坳陷早白垩世沉积相与油气勘探［J］.古地理学报，
2004，6（5）：252-260.
［3］杨进，高德利.地层压力随钻监测和预测技术研究［J］.石油大学学报，1999，23（1）：35-37.
［4］张明振，印兴耀，谭明友，等.对测井约束地震波阻抗反演的理解与应用［J］.石油地球物理勘探，2007，42（6）：699-702.
［5］金衍，陈勉.利用地震记录钻前预测井壁稳定性研究［J］.石油学报，2004，25（1）：89-92.
［6］慈建发，何世明，李荣，等.钻前井壁力学稳定性研究［J］.天然气工业，2006，26（6）：68-71.
［7］吴超，陈勉，金衍.利用地震反演技术钻前预测井壁稳定性［J］.石油钻采工艺，2006，28（2）：18-20.
［8］刘向君，罗平亚.石油测井与井壁稳定性［M］.北京：石油工业出版社，1999.
［9］樊洪海，张传进.复杂地层地层孔隙压力求取新技术［J］.石油钻探技术，2005，33（5）：40-43.
［10］郭桂生，蔺敬旗，张仲华，等.利用测井资料预测孔隙压力、破裂压力和坝塌压力［J］.新疆石油地质，2011，32（2）：187-189.。