基于测井资料的地层压力分析技术.pdf

收稿日期 2008 - 06 - 16 作者简介孙超1981 - ,助理工程师, 2006年4月毕业于大庆石油学院油气井工程专业,获工学硕士学位,现主要从事井况治理技术研 究方面工作。地址 138000吉林松原市,电话 0438 - 6337144, Email yangxiao5058126. com 钻井工艺 基于测井资料的地层压力分析技术 孙 超 1 ,高 晶 2 ,王晓波 3 ,姚忠义 2 1 吉林油田公司采油工艺研究院2吉林油田公司钻井工艺研究院3大庆钻探公司钻技二公司 孙 超等 1基于测井资料的地层压力分析技术 1钻采工艺, 2008, 31增 1 - 5 摘 要准确的地层压力剖面是合理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。 而测井资料是有效确定地层压力的基础性资料。为此,通过地层压力分析的基本理论和方法研究,结合Drill Works 2005软件中压力预测分析系统的应用,提出了利用自然伽马、 电阻率、 声波时差等测井资料进行综合分析,进而预 测地层孔隙压力、 地层破裂压力、 地层坍塌压力的模式。经吉林油田部分井次的实际验证,预测精度可满足工程要 求,为钻井工程技术路线的确定和钻井施工提供重要依据。 关键词地层孔隙压力;地层破裂压力;压力预测;电阻率 中图分类号TE 271 文献标识码 A 文章编号 1006 - 768X2008增刊- 0001 - 05 地层压力研究作为一项新兴的地质科学技术, 自20世纪70年代末期传入中国,目前广泛应用于 地层压实、 流体与油气运移等研究领域 [1]。地层压 力剖面预测是钻井工程设计与施工的基础,对于确 定合理的钻井井身结构和钻井液密度,保障井眼安 全,提高机械钻速和保护油气层具有重要作用。准 确的地层压力估算及快速更正能力有助于最佳的套 管设计,并可避免井控问题 [2 ] ,还可提高钻井安全 系数,从而有利于安全和经济地钻井。尤其在新探 区或未探明地层条件下的地层压力预测更为重要, 因为在钻穿未知高压层时,地层压力的失控会引起 井喷、 钻机烧毁和油气藏的严重破坏。 对钻井而言,更为关心的是异常的地层高压,因 为异常的高压对于钻井工程的危害要更为严重。本 文将对地层异常高压的成因进行简要分析,对地层 压力分析的基本理论进行阐述,并结合Drill Works 2005压力预测分析系统和吉林油田部分井例,进行 有关地层压力预测基本流程的说明。通过分析自然 伽马、 电阻率、 声波时差等测井资料所基本反映的地 层综合物理性质及其与地层压力的相关联系,对录 取邻井钻后测井资料,进而应用软件进行计算后快 速连续得到地层三项压力数值的方法进行研究。经 过吉林油田部分区块压力预测应用结果表明,该模 式适用范围广,且准确率满足工程要求,能够较好地 指导钻井设计和现场钻井施工,可以有效预防由于 对地层压力掌握不准带来的钻井事故和资源浪费。 一、 地层压力分析的基本理论及方法 地层压力预测方法一般都是基于压实理论、 均 衡理论及有效应力理论。预测方法有地球物理方法 地震波、 钻井资料分析方法以及测井资料分析方 法等。 1.异常地层压力形成机理 对地层压力的成因及控制因素的研究主要集中 在异常压力的研究上。异常压力的成因条件多种多 样,一种异常压力现象可能是由多种互相叠置的因 素所致,其中包括地质的、 物理的、 地球化学和动力 学的因素。但就一个特定的异常压力体而言,其成 因可能以某一种因素为主,其它因素为辅。 正常的流体压力体系可以看作是一个水力学的 “ 开启 ” 系统,即可渗透的、 流体可以流通的地层,它 允许建立或重新建立静水压力条件。与此相反,异 常高压地层的压力系统基本上是“ 封闭 ” 的。异常 高压和正常压力之间有一个封闭层,它阻止了或至 少大大地限制了流体的流通。因此在某一环境里, 要把一个异常压力圈闭起来,就必须有一个密封结 构。最常见的密封结构就是一个低渗透率的岩层, 它降低了正常流体的散逸,从而导致了异常流体压 力。 在沉积盆地的地质环境中,异常流体压力产生 1 第31卷 增刊 Vol . 31 Supplementary issue 钻 采 工 艺 DR I LL I NG 相反地层 压力异常低压表现为地层超压实。因此,异常高压 地层的岩石致密程度一般都低于正常压力地层,所 以在钻遇高压地层时经常发生钻速突然加快现象, 这也表明从地层的可钻性来判断地层压力高低具有 一定的可行性。 2. 2 孔渗性 异常高压地层由于含有异常高的流体含量,保 持了其孔隙度,因而具有异常高的孔隙度和渗透率, 而孔隙度和渗透率和地层速度相关联。这就是根据 地层速度预测地层压力的重要依据。 2. 3 速度特征 异常高压地层具有异常高的孔隙度,其速度表 现为低速特征,表现为在正常的速度变化趋势下出 现速度的异常降低。这就是由声波测井和地震速度 资料预测异常压力的依据。通常地层压实程度越 高,地层越致密,相应的波速越快,时差越小,说明地 层压力越低。即地层压力异常高压表现为波速低, 时差大。地层压力异常低压表现为波速高,时差小。 2. 4 密度特征 与地层速度相对应,异常高压地层由于其压实 程度低,其地层密度也异常降低。即地层压力异常 高压表现为密度低。地层压力异常低压表现为密度 高。 2. 5 电阻率 由于异常高压地层含有异常高的流体,而油田 地层水多含有大量的盐份,其导电性好。因此,异常 高压地层较正常压力地层为低阻特征。即地层压力 异常高压表现为电阻率低。地层压力异常低压表现 为电阻率高。 当前地层压力分析除了以基本的原理作指导 外,一般都借助于经验,如建立正常压实趋势线及地 层压力系数换算式都是通过统计建立经验方程,没 有深刻的理论意义,但这种情况目前正在得到改善, 关于地层压力计算的理论也在逐步深化。 3.压力预测技术应用的主要方法 3. 1 地球物理勘探方法 在地球物理勘探中,常用地震勘探来预测异常 地层压力。除地震勘探方法外,重力勘探、 磁法勘探 和电法勘探均可作为异常地层压力预测的一种辅助 手段。利用地震资料进行地层压力预测是因为在正 常压实的地层中,随着埋深增加,地层逐渐被压实, 地层岩石孔隙度逐渐减小,地震波在岩石中传播的 速度逐渐加快,而在异常高压地层中表现为与正常 趋势相反的变化。利用地震波的这一变化特征,可 以预测地层的异常高压,并推算其压力大小。此外 岩石物理实验表明超压层,无论是压实成因的、 构 造成因的、 还是热成因的,均表现为低速响应。 3. 2 钻井资料分析方法 利用钻井过程中反映的信息可以监测地层孔隙 压力。常用的方法有页岩密度法、dc指数法、 机械 钻速法等。其中以dc指数法应用得最为广泛。dc 指数法是利用泥页岩压实规律和压差理论对机械钻 速的影响规律来检测地层压力的一种方法,也是钻 井过程中地层压力检测的一种重要方法。在正常地 层压力情况下,如岩性和钻井条件不变,机械钻速随 井深的增加而下降。当钻入压力过渡带之后,由于 压差减小,岩石孔隙度增大,机械钻速加快。该方法 正是利用这种差异来预测异常高压的。 3. 3 测井资料分析方法 在目前的技术条件下,测井资料反映地层的信 息最为详尽,由于测井资料直接取自地层内部,还具 有纵向连续性好、 分辨率高和数据可靠性高的优点, 所以能更直接更真实地反映地层的情况。而地层的 声速速度、 密度、 电阻率等参数都与地层孔隙压力存 在一定关系,表现出一定的规律性。因此,可以根据 2 钻 采 工 艺 DR I LL I NG ② 对构造比较清楚的地区,借助于数口己 钻井测井资料建立的地层孔隙压力剖面,可以分析 地层孔隙压力纵横向的分布特征,为钻井设计和石 油地质研究提供必要的基础参数,也利于相邻构造 或地区待钻井地层孔隙压力的预测;③ 通过与地震 速度资料预测结果及随钻资料监测结果进行综合对 比分析,可以提高地层压力预测与随钻监测的精度。 需要指出的是,一个地区或一口井,最好尽可能 地选用适合于该地区的多种地球物理测井方法,并 和其它方法进行综合性的分析研究,相互验证,以便 获得较为可靠的结果。 二、 测井资料法压力预测实例分析 目前压力分析通常是进行待钻井的地层孔隙、 破裂、 坍塌三项压力剖面预测,然而吉林油田过去对 于新区地层坍塌压力预测缺乏相应的技术手段,地 层压力预测技术水平也比较落后,这种现状对钻井 安全施工、 保证质量带来了不利影响。 当前吉林油田实际压力预测工作主要基于测井 资料方法,应用中油股份公司勘探生产分公司统一 为各油田配备的行业公认比较优秀的美国Knowl2 edge Systems, Inc.的Drill Works 2005的压力预测分 析软件,主要录取声波时差、 电阻率、 密度和自然伽 马等测井资料,以前面所述的理论方法为基础,进行 综合分析计算,通过建立合理正常地层压力趋势线 与确定不同区块伊顿常量等主要地质参数取值范围 等逐步形成适合于吉林油田油藏开发特点的压力预 测技术。结合压力计算工作的实际情况,下面以吉 林油田地区的某井为例给出应用Drill Works 2005系 统进行地层三项压力预测的工作流程。 1建立工程文件,导入测井数据。滤除测井 仪器刚开始测量和测量末段等不合理的数据。见图 1。 2确定泥页岩基线,并根据泥岩基线对电阻 率、 声波曲线进行泥页岩点分析、 过滤,建立正常压 力情况下的电阻率、 声波时差趋势线。见图2。 3利用密度测井资料进行上覆岩层压力OBG 的计算。利用Eaton电阻率和声波时差法进行地层 孔隙压力预测;利用摩尔-库仑失效准则进行最小 地层主应力计算;利用最小水平主应力和上覆岩层 压力计算最大水平主应力;计算构造应力系数;应用 Matthews和Kelly法或Breckels和Van Eekelen法, 使用刚刚计算出来的构造应力系数数据计算地层破 裂压力;利用摩尔-库仑失效准则计算坍塌压力。 3 第31卷 增刊 Vol . 31 Supplementary issue 钻 采 工 艺 DR I LL I NG 第 二轨道 地层岩性剖面、 地层坍塌压力、 地层孔隙 压力、 邻井钻井液密度、 地层破裂压力;第三轨 道 邻井井径数据与钻头尺寸序列。 5应用分析。以吉林油田新深1井为例,在 原始测井数据资料可靠度较高的条件下,从表1可 以看出,实际测得的地层压力当量密度值与应用测 井资料法通过该压力预测分析系统得出的地层压力 预测值较为接近,各检测层段相对偏差值基本上不 超过10 ,即精度基本能够保持90以上。由完钻 后井径测井资料可知,实际钻井液密度与通过压力 预测分析得出的推荐钻井液密度基本相符时,该井 4 钻 采 工 艺 DR I LL I NG 其预测压力的结果精度高,可靠 性强,但属于“ 事后 ” 预测;而通过寻找流体力学参 数与各种地球物理参数之间的经验关系,利用地球 物理资料,主要是地震资料进行压力分析,如Eaton 层速法、Bower层速法等,则难以排除影响资料变化 的其它地质因素的影响,预测结果的精度较低。 表1 吉林油田新深1井实测地层压力及其当量密度 井段 m 压力计下深 m 地层温度 ℃ 地层压力 MPa 当量密度值 g/cm3 预测值 g/cm3 相对偏差值 2820. 6～2806. 02800. 3511530. 821. 1221. 0149. 63 2739. 4～2732. 62728. 11117. 7825. 640. 9581. 0105. 43 2356. 0～2345. 02336. 65106. 6721. 840. 9531. 0015. 04 2132. 0～2128. 02119. 4698. 919. 10. 9191. 01210. 12 1746. 2～1740. 01739. 6688. 8916. 80. 9841. 0203. 66 1503. 6～1492. 01485. 928013. 70. 9400. 9955. 85 1416. 0～1402. 01399. 323. 3313. 0120. 9480. 9904. 43 2实例给出了通过该压力预测分析系统,并 同时考虑影响地层的主要因素,录入准确性高的相 关测井数据,进而通过相应分析、 过滤与计算来预测 地层孔隙压力、 破裂压力及坍塌压力的方法。本文 方法解决了传统方法的一些缺陷,近两年通过针对 吉林油田重点气井以及部分产能建设区重点井进行 了60多口井的地层压力预测应用实践,基本达到了 地层孔隙、 破裂压力预测准确率大于90、 坍塌压 力预测准确率大于85的技术指标。 3在应用测井数据进行压力分析的基础上, Drill Works 2005系统对国内油田油藏地质情况有很 广的适用范围,通过对该系统采用适合本地区地层 特点的过程控制并对相应地质参数进行调改,连续 计算得出的相关数据及时准确,其精度较其它传统 压力预测分析软件高,一般能够达到85以上,对 油田新区的开发具有重要的参考价值。 参考文献 [1]李黔予.地震波速分析地层压力方法及压力预测分析 系统介绍[J ].中国海上油气地质 , 1994, 8 2. [2]张荣忠,郭良川,徐辉.孔隙压力地震预测技术综述 [J ].勘探地球物理进展, 2005, 28 2. 编辑黄晓川 5 第31卷 增刊 Vol . 31 Supplementary issue 钻 采 工 艺 DR I LL I NG 2.Jilin Oilfield Drilling Technology Research Institute;3.The Second Drilling Technology Corporation of DaqingDrilling and Exploration Group Company ,DPT 31 sup2 plement , 2008 1 - 5 Abstract Exact for mation pressure profile, the basis of ra2 tional drilling engineering design, is the key data of drilling fluid and well bore design. And the logging data is the basal data for as2 certaining for mation pressure. Accordingly,through the studying on the essential theoretics and of for mation pressure analy2 sis, with the application of the pressure prediction analysis system Drill Work 2005 , the paper introduced a pattern to predict for2 mation pore pressure,fracture pressure,collapse pressure,by synthetically analyzing some logging data of spontaneous gamma, resistivity, interval transit ti me, etc. After practical verification in part of wells of Jilin oilfield,the precision can suffice the engi2 neering demand.It provided the i mportant gist to confir m drilling engineering technical route and drilling project . Key words pore pressure, fracture pressure, pressure pre2 diction, resistivity SUN Chao assistant engineer, m aster , born in 1981, graduated from Oil - GasWell Engineering Specialty inDaqing Pe2 troleum Institute in 2006, is engaged in the research on technology of oil well fathering . Add Petroleum Production Technology Re2 search Institute of Jilin Oilfield Company, Songyuan City 138000, Jilin Province, P. R. China Tel 86 - 438 - 6337144 E - ma il yangxiao5058 126. com RESEARCH ON ENHANC ING DRI LL ING SPEED BY USING ULTRA - HIGH PRESSURE JET STREAM IN BOT2 TOM HOLE CHANG Yongduo, L I Jitai, XUE Jibiao, N I U Lu and HE Enli Tuha Drilling Company, WestDrilling the second ofwhich is researching the final of which is developing a new kind of high efficiency bitwith t wo flow chan2 nels .The field experi ment in well Wen5 - 212 in the depth of 465. 56 - 814. 49m demonstrated that the footage was 348. 93m, the actual drilling ti me was 11. 33 hours, and the drilling speed was 30. 79 m /h, and the discharge pressure of bitwas 70MPa. So the technology is a domain that is rich of challenge and creativity, and the latent economic benefit is large, also the technology is the of breaking rock which has a greater breakthrough at some probability . Key words high pressure jet stream, downhole unconcen2 trated flow, jet stream augmenter, ultrahigh pressure fluid medi2 um, t wo flow channels, PDC bit CHANG Yongduo senior engineer , born in 1962, gradu2 ated from theDrilling EngineeringDepart mentofHuadong Petrole2 um Institute in 1985, is engaged in the administration ofpetroleum drilling engineering . Add Tuha Drilling Company, West Drilling Exploration Co. , Shanshan 838200, Xinjiang, P. R. China Tel86 - 995 - 8373582 A MODEL OF CALCULATING THE STRESS D ISTRI2 BUTI ON NEAR THE BOREHOLE UNDER HYDRATI ON HE Bi ngLiaohe Oilfield Shuguang Oil Production Plant , DPT 31 supplement , 2008 11 - 13 Abstract Shale usually contains a significant amount ofwa2 ter - sensitivity clays . When in contact with drilling fluid, shale and drilling fluid interact with each other, which lead to s welling due to hydration.This not only alters the stress distribution near the borehole, but also reduces the strength of the shale.So, the problem of the borehole instability in shale becomes very serious . While the shale is linear elasticity under the assumption condition, a modelwas established to calculate the stress distribution near the borehole under hydration.The model was discri minated by using difference to carry out programming . The program can cal2 culate the distribution of the water content, the stress distribution and the collapse pressure that is necessary for keeping the borehole stable. Key words mud shale, hydration, water content, stress dis2 tribution, difference HE Bi ng, born in 1972, graduated from Petroleum Engineer2 ingDepart ment of Xi’ an Shiyou University, is engaged in the work on gathering and transportation of oil gas . Add Liaohe Oilfield ShuguangOil Production Plant, Panjin City 124109, Liaoning Province, P. R. China Tel 86 - 427 - 7530496 E2ma il hebing2 pet2 rochina. com. cn S MALLGAP CE M ENTINGTECHNOLOGY W ITH HPHT IN QINGHA IO I LFIELD WANG Gang,KANG Shizhu,SHEN Yong and WANG AofeiQinghaiBranch of CNPC Western Drilling Co. , DPT 31 supplement , 2008 14 - 16 Abstract For altitude range from 2800m to 3000m in the Caidam interior basin, the geologic condition is more complexity . W ith the development of exploration and the drilling depth in2 creased in Qinhai oilfield in the past years,the more and more problems and difficulties on cementingwere appeared, such as the high temperature and high pressure condition, the embrittlementof cement,the degradation,foaming and flocculation of chemical material and the increase of free water in cement slurry etc.For these aforementioned complexity and conditions, the control of ce2 menting quality and technology of deep well are more difficulty than shallow well,and lots of experiences and technologies in dealing these problems have been accumulated and developed. Key words high temperature, high pressure, s mall gap, ce2 menting, Qinghai oilfield WANG Gang drilling engineer , born in 1977, graduated 1Vol . 31 Supplement issue Aug . 2008DR I LL I NG PRODUCTI ON TECHNOLOGY