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1、地层压力随钻监测和预测技术研究杨 进 高德利(石油大学石油工程系,北京102200)摘要 地层压力随钻监测和预测技术是在钻进过程中利用随钻地层压力监测结果,对本井钻前的地震预测模型和结果进行修正。根据新修正的模型,对钻头下部未钻开地层的孔隙压力进行再预测,以此来提高地层压力的预测精度,为安全优质地完成钻井作业提供技术保证。如果上部井段已有测井数据,还可以用测井资料对地震资料进行校正。将该项技术应用在新疆巴楚地区琼003井,试验结果表明,该技术能够大大提高地层压力监测和预测的精度,准确预报井下异常高压和复杂事故的发生,为现场钻井施工提供了可靠的技术依据。主题词 地层压力;地震数据;钻时录井;预测
2、;动态监测中图法分类号 TE 111. 1 第一作者简介 杨进,男,1967年出生,1989年毕业于石油大学(华东) ,1996年获石油大学硕士学位,现为石油大学(北京)工程师,从事地层特性评估方面的研究。引 言在石油钻探过程中,地层压力预测对钻井液密 度的选择和合理井身结构设计起着非常重要的作 用。传统的地层压力预测是由对钻前的地震资料进 行处理而获得预测结果。而在钻井过程中,则是利用随钻地层压力监测来监视正钻地层的地层压力变 化。预测钻头下面未钻开地层的孔隙压力,只靠钻 前的地震预测,其精度远不能满足钻井施工的需要。 由于钻前地震预测的地层压力精度一般较低,且层 位存在误差,因此,为了更好
3、地完成钻井施工,减少井下复杂事故的发生,本文提出了一种新的地层压 力随钻监测预测方法。1 利用地震资料预测地层压力的方法钻前对地层进行压力预测,一是参考本区块邻井的相关数据,二是利用该地区的地震资料。对于 新探区的探井,只能利用地震数据来进行地层压力 预测。 地震纵波在岩石中传播的速度受岩石类型、 地 质年代、 埋深和结构的影响。岩石的类型不同,其波速度也不同,但影响波速度的主要因素是岩石结构。 岩石是由岩石骨架和充填于孔隙中的流体组成的。 地震波在流体中的传播速度低于在岩石固体骨架中的传播速度,因而,岩石孔隙度越大,岩石中所含的流体就越多,相应地震波速度也就越低,即地震波速 度与孔隙度成反比
4、。由于岩石密度与孔隙度成反 比,所以地震波速度与岩石密度成正比。 从高压地层的形成机理可以得知,地层孔隙压 力增高,孔隙度增大,岩石的密度减小,地震波速度降低,这些构成地震预测地层压力的理论基础。在 此基础上可建立地震波速与地层压力的关系模型。 有了地震资料,可根据所建立的地震波速与地 层压力关系模型来计算地层压力。一般计算方法有 等效深度法、 直接预测法、 比值预测法和图版法等1。2 地层压力随钻监测技术地层压力随钻监测技术是利用钻井过程中实时 测量得到的钻井地质数据来评估地层压力。目前国内探井的钻井作业中普遍使用这项技术。这是因为 钻前的地震预测结果一般精度比较低,层位误差大, 很难反映实
5、际的地层压力变化,所以,必须在钻井施 工过程中开展地层压力随钻监测,来实时监测地层 压力的变化,以便能及时发现井下复杂情况,并及时调整钻井液密度和修改井身结构设计。 岩石强度法1是目前国内使用比较有效的地 层压力随钻监测方法之一。岩石强度就是指钻进过1999年 第23卷 第1期石油大学学报(自然科学版) Journal of the University of Petroleum , ChinaVol. 23 No. 1 Feb. 1999收稿日期:1998205215国家跨世纪人才基金资助项目。程中岩石所表现出的抗钻强度,主要与岩石的岩性、 孔隙度和岩石孔隙流体压力有关。岩石强度可由钻 井施
6、工过程中的钻时、 转速、 钻压等钻井地质参数反 映出来。如果把钻井参数进行标准化,则所计算出 的岩石强度就反映出岩性、 孔隙度和孔隙压力的变 化,这样就可建立起不同类型岩石的岩石强度与岩 性、 孔隙度和孔隙压力之间的关系模型。根据这些 模型,可得出孔隙压力与岩石强度的关系。2. 1 岩石强度模型岩石强度SR可以表示为SR=f1( W) f2( N) f3( R) f4( D) f5( Eb)f6( Bt) f7( L) f8(p) f9( Q) .式中,为系数; W为钻压,kN ;N为转速,r/ min ;R 为钻速,m/ h ;D为钻头直径,mm;Bt为钻头类型;L为地层岩性;p为井底压差,
7、MPa ;Q为钻井液 排量,L/ s;Eb为钻头磨损因素因子。2.2 地层孔隙压力与岩石强度的关系 对室内模拟实验和大量现场录井资料、 地质资 料和测试资料进行分析和回归,可以得出岩石强度 与压差(p)的函数关系为SAR=SR0f3(p) . 其中f3(p)=a4arctan b4p+c+d. 式中, SAR为平均岩石强度,kPa ;SR0为井底压差为 零时的岩石强度,kPa.参数a4, b4, c和d的值可根 据邻井或本井上部井段录井数据确定。 对新疆巴楚地区几口井的录井资料进行了分析 处理,计算得出岩石强度与其对应的井底压差数据, 对所得数据进行拟合分析,得到如下函数关系模型:p=atan
8、 ( SAR/ SR0) /( SRmax/ SR0) -c+b.式中, SRmax为在过平衡钻井条件下计算出来的页岩最大岩石强度,kPa ;a , b , c为系数。 上述模型具有以下特点:(1)对于低的正压差值 p ,它具有近似的指数形式,这个特征可在随钻录井中得到很好的验证。(2)当 p为高值时,岩石强 度也逐渐增大,这种性质在实验室内对页岩进行三 轴实验时得到了证明。(3)在欠平衡条件下,p的 微小变化可引起岩石强度显著的变化,也就是说本 模型对异常压力地层反应非常敏感。 对已有完钻井的地区,模型中的系数可通过一 些测试压力数据或邻井的试井资料来确定;对无钻 井资料的新探区,则可通过上
9、部已钻井段的录井资 料来确定。SR0可由邻井或上部已钻井段的录井资料来确定。2.3 地层孔隙压力计算 地层孔隙压力梯度可以用下式来计算:Gp=E-p( Hcf)- 1式中, Gp为地层孔隙压力梯度当量密度,g/ cm3;E为钻井液当量循环密度,g/ cm3;H为垂直井深,m; p为井眼中钻井液柱压力与地层孔隙压力之差,MPa ;cf为单位换算系数。 利用岩石强度法对巴楚地区几口井进行了地层 压力监测,其随钻监测精度与dc指数法相比得到较 大提高,误差都小于10 %.3 地层压力随钻预测技术地层压力随钻预测就是在钻井过程中对钻头下 部未钻开的地层进行地层压力实时预测。以前的地 层压力预测只是依赖
10、于钻前的地震资料或参考邻井 的资料来进行,而在钻进过程中不再进行再处理和 预测。实际上,地震资料的可靠程度与设备、 技术和 解释人员的水平有关。不同技术人员对地震资料的 解释常会出现不同的结果。所以,只靠钻前的一次 性的处理结果,其精度一般不高,有时甚至与实际情 况相差很大,以致无法参考,只有根据地层压力监测 结果对地震预测进行修正,才能提高其预测精度。 地震预测地层压力技术是建立钻前的地层压力 预测剖面,而地层压力随钻监测是建立地层压力随 钻监测剖面,把这两者有机地结合起来就能很好地进行地层压力随钻预测。具体处理步骤如下: (1)在钻前利用地震层速度资料,用等效深度法或直接预测法预测得出本井
11、的地层压力预测剖面。 (2)在钻进过程中,根据随钻的钻井参数和地质参数进行地层压力监测,得出已钻井段的地层压力监测剖面。 (3)根据随钻监测的地层压力结果,对地震预测模型进行修正。首先根据随钻录井(测井)结果,对 层位进行校正;然后根据地层压力监测结果,利用反 演计算,对地震层速度的趋势线进行修正,得出更符 合本井的层速度趋势线方程;如果有上部井段的测 井资料,可对地震层速度数据进行校正。 (4)根据修正后的地震层速度预测地层压力模型,对未钻开地层进行再一次地层压力预测,这次预测结果作为下一段钻井施工的参考依据。 (5)钻进一段深度后,再进行步骤(3)和(4) ,这 样地层压力预测结果就会越来
12、越准确,更符合客观63石油大学学报(自然科学版) 1999年2月实际。 在新探区可以按上述一般的修正规律进行处 理。如果有邻井资料,就可根据邻井测井资料对地 震层速度进行校核,重新建立地震层速度趋势线。4 现场应用采用地层压力随钻预测技术对新疆巴楚地区琼003井进行了现场预测。首先收集了该井区的地震 层速度资料,并进行地层压力预测处理。在钻井施工过程中,利用dc指数法和岩石强度法进行了地层 压力随钻监测。当钻至3400 m时,根据监测结果对 地震预测模型进行反演修正,又根据修正的地震预 测模型,进行了再一次预测,其预测结果见图1.图1 中p2曲线表示钻进过程中上部井段的随钻地层孔隙压力监测结果
13、; p3曲线表示根据上部井段随钻监 测结果,而对钻前地震预测模型进行修正后,地层孔 隙压力随钻预测结果; p4曲线表示最后整个井段的 随钻监测结果。图1 琼003井随钻地层孔隙压力预测结果琼003井原声波时差 t的正常趋势线方程为lgt= - 0.000 035 54H+ 1.973, 根据随钻地层孔隙压力监测结果修正后,得到lgt= - 0.000 073 21H+ 2.098. 经钻井证实,新预测的地层压力结果平均误差 为10% ,原预测结果平均误差为34%.在琼003井 后来的钻进中,分阶段采用了地层压力随钻预测技 术,致使琼003井以后的钻井作业得以顺利进行,并提前两个多月完钻,节约了
14、钻井成本1000多万元。5 结 论(1)利用地震资料和录井资料进行地层压力随钻监测和预测,是一项可行而有效的钻井技术,它能 准确地预测钻头下部未钻开地层的孔隙压力,减少 井下复杂情况的发生。(2)在应用该项技术过程中,应充分利用该井或邻井的测井、 测试资料,这样会使预测精度更高。参 考 文 献1 杨进.地层孔隙压力评估新方法研究及其应用硕士论文.石油大学石油工程系,1996(责任编辑 陈淑娴)73第23卷 第1期 杨进等:地层压力随钻监测和预测技术研究About the first author Yan Jienian , professor , was graduated f rom Bei
15、jing Normal University in1967.He obtained MS degree f rom the Southwest Petroleum Institute in1981.Now he is engaged in teaching andresearching in the area of oilf ield chemistry at the Department of Petroleum Engineering in the University ofPetroleum , China ( Beijing :102200) .Yang Jin and Gao Del
16、i/TECHNOLOGIES FOR INSPECTING AND PREDICTING FORMATION PRES2SURE WHILE DRILLING/ 1999 ,23(1) :3537The formation pressures determined while drilling are used to correct the model and result predicted by usingseismic data before drilling. The new corrected model can be applied to predict the pore pressure of the undrilledformation. In this way , the predicting accuracy can be further raised. This te
