伊拉克艾哈代布油田地层压力预测技术研究

注释：Pp—地层孔隙压力；SFG—地层坍塌压力；Fg—地层破裂压力 4 结论 ⑴研究得到了油层孔隙压力的数值计算模型；研究了地层孔隙压力变化对地应力的影响，实现了地 应力变化后的定量计算，解决了开发区块地层破裂压力和坍塌压力预测问题； ⑵在考虑油层孔隙压力和地应力变化的条件下，建立了地层坍塌压力和破裂压力预测模型； ⑶通过前期的实验及计算结果表明：对于海湾地区的连续沉积盆地，为构造较为平缓的区域，构造 运动在地应力的形成中不占主导作用，因此AD区块地区三个方向主应力的大小关系为：最小水平地 应力<最大水平地应力<上覆岩层压力； ㈣由地层倾角测井解释结果表明，该井区最大水平主应力的方位为35°，因此该井区对于125°与 305°方位进行钻进时坍塌压力较小，相对比较完全； ⑸运用地层压力预测技术在伊拉克艾哈代布油田现场场应用，得到了地层孔隙压力、坍塌压力和破 裂压力的垂向连续剖面，为钻井工程设计和现场施工提供了科学依据； ⑹在艾哈代布油田服务了近70口井，通过压力预测结果，对该地区地层孔隙压力，坍塌压力及破裂 压力进行的描述，为优化钻井液密度及井身结构起到了指导性的作用，有效降低开发成本，缩短钻 井周期，直井平均钻井周期仅为26天，与前期完钻水平55天，缩短了29天。水平井平均钻井周期33 天。与前期完钻水平101天相比，周期缩短了68天；钻井速度平均提高1倍以上。取得了显著的经济 与社会效益。
伊拉克艾哈代布油田地层压力预测技术研究
刘明 胡毅 王雷 陈述 （渤海钻探工程技术研究院）
摘 要:准确的地层压力剖面是钻井工程设计的基础，是钻井液及井身结构设计不可缺少的关键数 据。本文通过地层压力分析的基本理论和方法研究，结合DrillWorks2005软件中压力预测分析系统 的应用，利用自然伽马、电阻率、声波时差等测井资料进行综合分析，对伊拉克艾哈代布油田的几 个主要区块进行了地层孔隙压力、 地层破裂压力和井壁坍塌压力的分析和计算,并建立了不同区块的 单井压力随深度变化的模型，确定出各个区块的安全泥浆密度窗口，从而为工程设计提供了依据， 避免了事故复杂的发生，有效的缩短了钻井周期。 关键字 伊拉克艾哈代布油田 测井 单井压力 压力模型 压力预测
参考文献
1．T. 厄特金等，实用油藏数值模拟技术，石油工业出版社，2004 年 1 月。 2．Abou-Kassem, J.H., Ertekin, T., and Lutchmanisingh, P.M.: “Three-Dimensional Modeling of One-Eighth of Confined Five- Nine- Spot Patterts,” J. Pet. Sci. Eng. (1991) 5, 137. 3. Y.F. Cheng, J.N. Yan, G.H. Wang, “ Comprehensive Study of Borehole Stability and Its Application on Horizontal Wells”, SPE 37080, Nov. 1996. 4. 程远方，黄荣樽， “钻井工程井壁稳定的力学分析” ，石油大学学报，1993.4 5. 程远方，黄荣樽， “钻井液对泥页岩井壁稳定影响的试验研究” ，岩石力学国际研讨会，中国，西 安，1993.5 6. 程远方， “水平井井壁稳定的实验研究” ，国家八五项目总结报告，1995.1 7. 丰全会、程远方、张建国，井壁稳定的弹塑性模型及其应用，石油钻探技术，2000（4） ．
图 1 艾哈代布油田 AD-1, AD-2, AD-4 三个区块压ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ预测剖面图
将预测结果纳入到钻井工程设计当中，做为确定井身结构和钻井液密度的重要依据，取得了良 好的效果，效果对比如下表 1。
表 1 艾哈代布地区各层位压力预测结果 Geologic Period Formation Upper fars Upper Tertiary Lower fars Jeribe/Eup Up. kirkuk Eogene Dammam Aliji Shiranish Hartha Sadi Tanuma Upper Crataceous Khasib Mishrif Rumaila Ahmadi Lower Crataceous Mauddud 2629.0 2734.0 2842.0 3078.0 3112.5 1.12 1.14 1.14 1.14 1.15 1.26 1.27 1.27 1.26 1.26 1.93 1.96 2.00 2.01 2.02 Top Depth m 50 1135.5 1510.5 1604.5 1790.0 2065.5 2228.5 2288.0 2461.0 2575.0 Pp g/cm3 1.06 1.13 1.07 1.05 1.09 1.06 1.12 1.05 1.12 1.14 SFG g/cm3 1.20 1.30 1.22 1.23 1.30 1.26 1.26 1.27 1.28 1.26 Fg g/cm3 1.64 1.76 1.78 1.80 1.84 1.86 1.87 1.87 1.89 1.93
式中，n为表示趋势线直线方程的截距；b为表示趋势线直线方程的斜率；h为井深。
H H 1 H h h1 h
1 2 Pp 1 1 2 Pp 1
（2-3）
从上式中可以得出，地应力的变化量与孔隙压力的变化量成线性关系。 2.3 强度破坏准则 强度破坏准则是判定井壁是否破坏的临界条件。岩石的破坏通常可分为脆性破坏和塑性破坏两 种。岩石的脆性或塑性破坏，除了受到应力及应变状态影响外，还受到温度、围压、应变速率等因 素的控制。目前大多数岩石破坏准则认为岩石的破坏仅仅与应力和应变状态有关。岩石处于三向应 力状态，而岩石的破坏往往与三个主应力大小及其相互间的比值有关，因此必须寻求一种能适用于 各种应力状态的破坏准则。 ⑴剪切破坏准则 研究采用了库仑-摩尔准则作为剪切破坏的强度判据。 这个准则认为岩石沿某一平面发生剪切破 坏，不仅与该面上剪应力大小有关，而且与该面上的正应力有关。岩石并不沿着最大剪应力作用面 产生破坏，而是沿着其剪应力与正应力达到最不利组合的某一面产生剪切破坏。
p
p

p
o

p
o
p
n

tn / ts
c

(2-1)
式中，Pp 为地层孔隙压力当量钻井液密度；P。为上覆岩层压力当量钻井液密度；Pn为地层水静
水压力当量钻井液密度; tn 为正常趋势线上的声波时差， t s 为实际的声波时差，C为伊顿指数。 正常趋势线的关系式为： Ln( tn )=a+bh 2.2 孔隙压力变化引起地应力的变化研究 2.2.1 井眼围岩应力分布 以斜井眼为例进行分析。对于某井深处的任意斜井眼，受到上覆岩层压力、最大水平主应力和 最小水平主应力的作用。假设地层为均质、同性、线弹性体。研究发现，在井壁上，剪应力水平最 高，随着井轴距离的增加，剪应力水平明显降低。同时，井壁上一点的应力状态不仅与钻井液密度 有关，而且与井壁上的具体位置有关，即与圆周角有关。 2.2.2 地应力的变化 对于油层埋深较大，油层厚度与油层分布尺寸相比很小的油层来说，可做如下假设：孔隙压力 的改变只引起地层垂向变形，在水平面内的变形为零，则地应力的变化量为： (2-2)
1 1 f2 pw ( X Y pw )2 4Z f1 2 2

2 1/ 2

0
1 X Y f 2 f 1 f 2 p 2
（2-6)
⑵地层破裂压力模型： 1 X Y p w 1 2 2
X
Y p w 4Z

1
Pp

f
2
1 f

3
Pp

f
2
1 f 2 0

（2-4）
⑵拉伸破坏准则 当井内液柱压力过高时，在井壁处会出现拉应力，当拉应力超过地层的抗拉强度时，就会出现 拉伸破坏，地层即被压裂。
3 t
（2-5） 2.4 地层坍塌压力和破裂压力连续剖面预测模型 ⑴地层坍塌压力模型：
作者简介：
刘明，助理工程师，1983 年生，2002 年毕业于西安石油大学石油工程专业，在渤海钻探工程技术研究院海外工程技 术中心从事钻井工艺技术研究与服务工作。通讯地址：天津市塘沽区开发区黄海路 170 号渤海钻探工程公司工程技 术研究院；邮政编码 300457；联系电话 13821757349；电子信箱 liuming@cnpc.com。
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（2-7)
3 在伊拉克艾哈代布油田的应用 伊拉克艾哈代布项目是伊拉克战后重建的第一个外资石油合作项目，中伊两国政府高度重视。 围绕前期钻探情况及开发部署，钻井工程面临地层岩性复杂，存在大段膏盐层与泥灰岩地层坍塌压 力高，因此，在开发前期出现了一系列坍塌，卡钻等复杂事故，影响钻井速度的提高。通过收集该 油田的测井资料，钻井总结，泥浆总结，试油资料，地质总结等基础资料对AD-1、AD-2和AD-4，3 个井区进行了地层孔隙压力、坍塌压力和破裂压力预测检测，预测结果如下图1.
为了保证钻井施工的顺利进行，有效的防止井喷，井壁坍塌失稳及井漏等钻井事故的发生，更 好的保护油气层，对于地层压力预测技术的研究是十分重要的。 2009年以来来， 渤海钻探钻工程院对伊拉克艾哈代布油田地区压力预测技术进行了深入的研究， 并结合了国外众多成熟的研究成果及计算模型，并与国内石油大学共同合作共同研究，形成了对伊 拉克艾哈代布油田地区具有针对性的研究成果，并在该油田进行应用，取得了显著的成果。 在开发初期，由于伊拉克艾哈代布油田地层岩性复杂，存在大段膏盐层及泥灰岩地层，易吸水 膨胀，塑性泥岩流动变形，容易引起缩径；同时，也由于对地层压力及地应力场的形成与分布认识 的不足，钻开地层时使原始应力状态受到扰动，打破了原有的平衡，并在局部引起高度应力集中， 造成地层坍塌压力高、井壁稳定性差，阻、卡等钻井复杂情况，影响了钻井速度。因此，怎样提高 压力预测精度，是研究的难点所在。 目前地层孔隙压力预测方法可分为两大类：一类是地震技术为主导的方法．另一类是测井技术 为主导的方法．前者很难获得准确的声波速度参数，预测结果精度较低，而后者取得的结果精度较 高、效果较好，因此为了提高预测精度，选择后者。 1 研究思路 首先，收集基础地质资料，各种测试、钻井、测井、试油、实验等基础数据，并进行认真的整 理，保证基础数据的正确性；其次，通过岩石力学实验结果及现场实测数据建立压力预测模型；最 后通过测井资料，进行压力预测，同时运用现场的实测结果进行对比校正，提高预测精度。 2 建立数学模型 2.1 孔隙压力剖面的数学模型 利用声波时差法确定地层孔隙压力。用正常压实泥页岩井段声波时差与其对应的埋藏深度按半 对数关系回归，建立声波时差的正常趋势线，利用伊顿公式定量求出各层的孔隙压力。