塔里木盆地定向井地層三壓力鉆前預(yù)測(cè)研究

尹國(guó)慶 張 輝 袁 芳 李 超 王軍偉 王學(xué)東

1.中國(guó)石油塔里木油田分公司勘探開發(fā)研究院 （新疆 庫(kù)爾勒 841000）

2.中國(guó)石油塔里木油田分公司天然氣事業(yè)部 （新疆 庫(kù)爾勒 841000）

3.中國(guó)石油塔里木油田分公司生產(chǎn)運(yùn)行處 （新疆 庫(kù)爾勒 841000）

三壓力定向井作為一種特殊的鉆井技術(shù)，在儲(chǔ)層鉆遇率、增大泄油面積、提高采收率和單井產(chǎn)量等方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。然而由于塔里木盆地石油地質(zhì)條件復(fù)雜，定向井鉆井過程中的井壁穩(wěn)定性問題異常復(fù)雜，井壁失穩(wěn)不僅導(dǎo)致巨大經(jīng)濟(jì)損失而且延誤勘探開發(fā)進(jìn)程。與直井相比，定向井由于受井斜角、井斜方位變化及地應(yīng)力狀態(tài)的影響，其井壁穩(wěn)定性分析更加復(fù)雜。一些學(xué)者從井周應(yīng)力分布、地應(yīng)力狀態(tài)影響等方面分析定向井井壁穩(wěn)定性，并建立定向井穩(wěn)定性鉆后評(píng)價(jià)的方法及模型[1-3]。對(duì)于井壁穩(wěn)定性的鉆前預(yù)測(cè)，大多是針對(duì)直井開展研究，主要利用較為成熟的測(cè)井地震波阻抗反演，反演得到相應(yīng)地層巖石物理數(shù)據(jù)進(jìn)而預(yù)測(cè)未開鉆井的井壁穩(wěn)定性。而對(duì)于定向井穩(wěn)定性的鉆前預(yù)測(cè)，目前研究成果甚少。從井壁穩(wěn)定的力學(xué)機(jī)理出發(fā)，分析定向井井周應(yīng)力分布規(guī)律，并得到定向井井壁穩(wěn)定力學(xué)模型。然后利用地震、測(cè)井聯(lián)合的反演技術(shù)，反演得到研究工區(qū)內(nèi)三維地層波阻抗數(shù)據(jù)體，并沿定向井井軌跡構(gòu)建縱波、橫波、密度等巖石物理信息，為定向井預(yù)測(cè)鉆前地層三壓力剖面，確定安全鉆井液密度窗口[4]。這一方法在塔里木盆地臺(tái)盆和山前區(qū)帶的應(yīng)用效果較好，為鉆井設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)，指導(dǎo)安全、高效、低成本的鉆井。

1 三壓力預(yù)測(cè)原理

1.1 定向井地層三壓力鉆前預(yù)測(cè)原理

定向井三壓力鉆前預(yù)測(cè)流程如圖1所示。首先井震聯(lián)合反演得到工區(qū)內(nèi)阻抗數(shù)據(jù)體；然后在已鉆井測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)和工程數(shù)據(jù)刻度下建立區(qū)域巖石物理和地質(zhì)力學(xué)關(guān)系，結(jié)合設(shè)計(jì)井身軌跡，提取出沿井眼軌跡變化的縱波阻抗體數(shù)據(jù)；再開展沿軌跡井周應(yīng)力分析和壓力狀態(tài)分析；最終得到定向井的鉆前三壓力預(yù)測(cè)剖面。

1.2 地震反演基本原理

地震反演方法是采用約束稀疏脈沖反演[5,6]，主要是用地震道的振幅產(chǎn)生阻抗模型，采用一個(gè)快速的趨勢(shì)約束脈沖反演算法。用地震解釋層位和測(cè)井約束控制波阻抗的趨勢(shì)和幅值范圍，脈沖算法產(chǎn)生寬帶結(jié)果，恢復(fù)缺失的部分低頻和高頻成分，其基本數(shù)學(xué)模型如下：

圖1 定向井三壓力鉆前預(yù)測(cè)流程

其中：W（t）—地震子波；r（t）—反射系數(shù)；n（t）—噪聲；S（t）—寬帶結(jié)果。

反演可以看成是已知地震道估算反射系數(shù)的過程，而反射系數(shù)與地層的聲阻抗是密切相關(guān)的。

其中：I(j)=ρ（j）v（j）；I(j)為縱波阻抗；ρ（j）為地層密度；v（j）為地層速度。

約束脈沖稀疏反演結(jié)果最大限度的忠實(shí)于地震資料，反演結(jié)果唯一性較好，可以得到合理的波阻抗結(jié)果。利用上述反演得到波阻抗數(shù)據(jù)體，結(jié)合地震測(cè)井資料建立的巖石物理關(guān)系，從阻抗體數(shù)據(jù)中剝離出速度、密度等數(shù)據(jù)，用來預(yù)測(cè)地層三壓力數(shù)據(jù)。

2 定向井地層應(yīng)力、三壓力計(jì)算方法

2.1 地應(yīng)力狀態(tài)分析

對(duì)于定向井，影響井壁穩(wěn)定性的力學(xué)因素，主要是地層應(yīng)力狀態(tài)和孔隙壓力在縱橫向上的變化，應(yīng)用3種方法分析地應(yīng)力方位、應(yīng)力狀態(tài)以及地應(yīng)力各向異性的強(qiáng)弱[7-12]。第1種是偶極橫波法，對(duì)橫波各項(xiàng)異性的處理得到地層主應(yīng)力的方位；第2種是電阻率成像的誘導(dǎo)裂縫法，一般認(rèn)為誘導(dǎo)縫的走向即為最大水平主應(yīng)力的方向；第3種是井壁垮塌法，對(duì)井壁垮塌成像及多井徑差異分析即可得到最大主應(yīng)力方向。在準(zhǔn)確分析地應(yīng)力方位、狀態(tài)以及各向異性強(qiáng)弱后，根據(jù)對(duì)本區(qū)鄰井實(shí)鉆資料的研究，采用組合彈簧模型計(jì)算地應(yīng)力。其表達(dá)式如下：

式中，SH、Sh、SV分別為水平最大、 最小應(yīng)力、垂向應(yīng)力；v-泊松比；α-biot系數(shù)；E-楊氏模量；PP-孔隙壓力；β1、β2分別為最小、最大水平主應(yīng)力方向的應(yīng)變。

2.2 孔隙壓力計(jì)算

孔隙壓力是指地層孔隙中流體所具有的壓力。針對(duì)沿定向井軌跡的地層孔隙壓力，應(yīng)用Eaton（1975年）法，利用反演后沿軌跡提取的地震層速度進(jìn)行預(yù)測(cè)。基本公式如下：

式中，P0-靜巖壓力；Ph-正常的靜水壓力；Vn-正常趨勢(shì)線的泥巖層速度；V0-實(shí)測(cè)的層速度；n-Eaton指數(shù)。

利用上述公式求得沿軌跡變化的壓力異常曲線，如鉆遇壓力異?；?，則壓力隨地層情況變化；鉆遇同一壓力區(qū)帶，則壓力保持不變。

2.3 坍塌壓力分析

對(duì)于坍塌壓力，首先沿井眼軌跡分析在特定應(yīng)力狀態(tài)下的井周受力情況，然后結(jié)合巖石強(qiáng)度分析結(jié)果，利用庫(kù)侖摩爾強(qiáng)度判別準(zhǔn)則判斷井壁穩(wěn)定與否，得到滿足安全鉆進(jìn)的坍塌壓力。從力學(xué)角度講，造成井壁坍塌的主要原因是井內(nèi)液柱壓力較低，使得井壁周圍巖石所受應(yīng)力超過巖石強(qiáng)度本身的強(qiáng)度而產(chǎn)生剪切破壞所致。對(duì)于脆性地層會(huì)產(chǎn)生坍塌掉塊、井徑擴(kuò)大；對(duì)于塑性地層則向井眼內(nèi)產(chǎn)生塑性形變，造成縮徑，因此井壁坍塌與否與井壁圍巖的應(yīng)力狀態(tài)、圍巖強(qiáng)度、鉆井液使用等都有密切關(guān)系。坍塌壓力計(jì)算公式為：

2.4 破裂壓力分析

井壁地層張性破裂是由于井內(nèi)泥漿密度過大，使井壁巖石所受的應(yīng)力超過巖石抗拉強(qiáng)度造成的。可知當(dāng)時(shí)井壁周向應(yīng)力最小，當(dāng)泥漿柱壓力過大時(shí)，井壁首先在此處破裂。利用最大拉應(yīng)力理論得到井壁張性破裂計(jì)算模型。其破裂壓力為：

其中，UTI為巖石抗拉強(qiáng)度。

對(duì)于裂縫性地層，當(dāng)鉆井液柱壓力過大時(shí)，裂縫重新張開，此時(shí)克服最小水平主應(yīng)力，因此閉合壓力即與最小水平主應(yīng)力相當(dāng)。

3 應(yīng)用實(shí)例

利用上述方法，為塔里木盆地山前復(fù)雜高陡構(gòu)造一口開發(fā)水平井提供鉆前地層三壓力預(yù)測(cè)。分析認(rèn)為研究工區(qū)應(yīng)力狀態(tài)為SV≥SH＞Sh，水平最大主應(yīng)力方位為北西向，本區(qū)斜井或水平井軌跡沿最小水平主應(yīng)力方位鉆進(jìn)，相對(duì)最穩(wěn)定，結(jié)合氣藏構(gòu)造特點(diǎn)設(shè)計(jì)該水平井的井眼軌跡（圖2）。井眼方位為西南方向 258°；造斜點(diǎn)為4 644m；A點(diǎn)為 5 431m；最大井斜85.7°；水平位移1 489m。造斜點(diǎn)以下為古近系和白堊系地層，其中白堊系為主要目的層。古近系主要巖性為庫(kù)姆格列木群泥巖段（E1-2km1）、膏鹽巖段（E1-2km2）、膏泥巖段（E1-2km4），白云巖段（E1-2km3）可能相變?yōu)槟嗷規(guī)r或者泥質(zhì)云巖，白堊系巴什基奇克（K1bs）地層為高壓裂縫性砂巖氣藏，整個(gè)井段縱向巖性變化復(fù)雜，鉆前三壓力預(yù)測(cè)難度較大。

圖2 某水平井井眼軌跡

根據(jù)設(shè)計(jì)軌跡，井震聯(lián)合反演得到三維工區(qū)波阻抗數(shù)據(jù)體，并沿井軌跡提取阻抗數(shù)據(jù)，利用相關(guān)模型，預(yù)測(cè)該井沿井眼軌跡的鉆前三壓力數(shù)據(jù)。

圖3為該井斜井和水平井段地層三壓力預(yù)測(cè)結(jié)果，可知該井造斜點(diǎn)以下地層壓力變化復(fù)雜，存在多套壓力系統(tǒng)，孔隙壓力梯度E2-3s地層為1.5MPa/100m，逐步升高至膏鹽巖段，最高達(dá)1.82MPa/100m。白堊系地層（K1bs1～K1bs3）有所降低，為1.60～1.75 MPa/100m；造斜點(diǎn)以下地層坍塌壓力梯度在1.6～1.9MPa/100m，閉合壓力梯度為2.0MPa/100m左右，破裂壓力梯度為2.3～2.4MPa/100m。根據(jù)以往實(shí)鉆經(jīng)驗(yàn)可知，本區(qū)地層漏失多為裂縫重張開性漏失，真正壓裂地層情況較少，因此E2-3s層段安全壓力窗口為1.6～2.0MPa/100m，E1-2km1層段安全壓力窗口為1.8～2.05MPa/100m；E1-2km2層段安全壓力窗口為 1.9～2.05MPa/100m；E1-2km3～E1-2km4 層段安全壓力窗口為1.65～2.0MPa/100m；K1bs1層段安全壓力窗口為1.7～2.0MPa/100m；K1bs2層段安全壓力窗口為1.83～2.05MPa/100m；K1bs3層段安全壓力窗口為1.7～2.0MPa/100m。

圖3 Xx井造斜點(diǎn)以下地層三壓力預(yù)測(cè)剖面

4 結(jié)論

針對(duì)塔里木盆地山前復(fù)雜高陡構(gòu)造定向井的3壓力鉆前預(yù)測(cè)，建立以一套井震聯(lián)合反演為核心、沿井眼軌跡開展定向井三壓力的預(yù)測(cè)方法。該方法在塔里木盆地復(fù)雜山前高陡構(gòu)造定向井鉆前3壓力預(yù)測(cè)中充分應(yīng)用，為鉆井工程提供較為準(zhǔn)確的安全鉆進(jìn)泥漿窗口，為山前復(fù)雜井的安全、順利鉆進(jìn)提供科學(xué)的參考依據(jù)。

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