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1、钻井过程中的超压预测与监测技术及应用对沉积盆地中异常高压的研究,世界围都给予了足够的重视。原因在于它在石油勘探开发中具有十分重要的理论和实际意义。在理论上,它完善了成油的晚期学说,正是异常高压的存在,使得原本在晚期由于压实作用而致密的储层保持了异常高的孔隙度,使油气的有效运移和聚集成为了可能；在实际勘探中,由于高效或有效源岩、有效储层、异常高的地层流体压力等各成藏的有利因素是相伴出现的,对异常高压的预测实际上就是对有利成藏区段的圈定。尤其是在我国东部地区,从水力作用上讲,松辽盆地、渤海湾盆地及东部大部分第三系盆地都属于压实流盆地,纵向上都具有三个水力系统：既上部浅层淡水系统2000m以,中层含
2、盐正常压力系统20003500m和深层3500m以下超压系统。因而对深层异常压力系统的研究又显得十分重要。另一方面,深层油气储层由于受到复杂的成岩作用影响,对其有利储集空间发育规律的研究尤为重要。国外的研究和勘探表明,次生孔隙的发育是深层油气储集的主体,其发育区段和发育程度受控于欠压实泥岩的发育或异常孔隙流体压力的存在。而异常孔隙流体压力的发育和演化与盆地的构造和沉积具有一定的协调性。共同控制着油气生成、运移和聚集。因此,研究深层异常压力的时空演化和分布规律,指导勘探目标的确定,评价有利的储层区段分布,具有重要的指导意义。而对于异常高压的最初认识与重视的起因则是在钻井工程上。随着世界围的石油勘
3、探的不断深入,简单和埋深浅的含油构造和地区已经越来越少,油气的勘探向埋深大、地质条件复杂、地面条件恶劣和海洋等区域深入,这就使得勘探的风险越来越大。平衡钻井在防止工程事故和保护油层两个方面被提到了重要位置,在这些方面比较成功的应用是美国的墨西哥湾岸地区。而在异常地层压力的理论建立与研究的开创者当数日本的真柄钦次Margar,1968,1975,1978,1980,1993。地层压力由于其形成机理和影响因素很多,国外的研究一直未找到一种理想的方法,能够准确地对其进行预测和监测。传统的压力预测方法主要是基于理论上的,而在实际钻井过程中的符合程度很差。现在综合录井仪上所用的压力预测方法一般都是Dc指
4、数和Sigma法。而随着钻探技术的发展如定向斜井技术和PDC钻头的使用,使得这两种方法在压力预测和监测上都存在着明显的误差。这就急需解决压力预测与监测的方法,找到一种能与综合录井相配套的随钻监控方法,并且能预测下部一定地层的压力变化,能有效地指导科学钻井,防止事故的发生。基于上述考虑,我们提出了以地质研究为基础,综合测井、地震和录井等资料,进行区块研究,建立压力分布的宏观模型,为随钻预测与监测提供静态预测模型,并根据实时录井资料进行适当修正,将预测与监测紧密结合,达到准确压力预测的目的。一、异常高压成因的基本认识 对超压成因的认识是我们进行压力预测与监测的基础,不同成因类型的超压,决定了我们所
5、采用预测和监测方法的适应程度。 超压体的成因是由多种因素造成的,可归纳为沉积型和构造型两类。沉积型成因以快速沉积造成的不均衡压实作用为主,带动水热增压作用、蒙脱石变成伊利石的成岩作用和烃类生成作用等。构造型成因主要是由区域性抬升隆起等构造应力作用形成的。快速沉积形成时欠压实作用长期被认为是导致超压形成的主要原因,其实质就是快速沉积引起沉积物的压实和孔隙中流体逸散之间不平衡关系所造成的。但是,要使超压在地质时期得以保持,必须有充分限制流体外泄的封闭条件。超压体多出现在连续性较好、分布较广的区域性厚泥岩层之中。 Power1967提出,蒙脱石转化为伊利石能导致高孔隙压力的形成,是基于粘土表面结构水
6、的密度大于孔隙水,高密度水进入孔隙会使流体体积增大,导致高压产生。Foster、Custard和Plumleg等1980提出,粘土脱水导致渗透性的丧失,有利于超压形成的观点。而Anderson和Low的研究则认为,结构水的密度并不大或仅稍大,难以形成异常高压。尽管对粘土转化导致增压的原因尚有不同认识,但粘土转化带与超压带之间在墨西哥湾区存在明显相关性的事实,使许多研究者Bruce等,1984认为,至少在海湾地区,粘土转化无疑是超压带形成的重要机理之一。Bruce1984还认为,粘土转化的温度在不同地区有所差异,且一般都超过Burst1969给出的90110的围。 干酪根成烃作用引起的超压作用是
7、由Momper1978提出的。Momper认为,烃类的形成有助于增压,但在成油高峰期,沥青质可能是孔隙增压的最大源泉,因为烃类生成能引起体积增加。根据有机质原始浓度及产油量计算,在有效烃源岩系统体积的纯增量可达到原始有机质体积的25%。Meissner曾以威利斯顿盆地的巴肯页岩为例加以说明。该页岩是主要烃源岩,同时也是超压带。如果有机质热演化达到成气阶段,干酪根成气或石油裂解成气都可使气态烃的体积增大,增压现象更为显著。这是油气盆地中超压体形成的重要机制。 Barker1972提出水热增压的观点。他认为,对一个封闭的多孔岩石系统,增温必然导致超压。这是因为石英颗粒的热膨胀率仅是水的1/15,热
8、膨胀引起的水体积增大是不容忽视的。据Barker的资料,在地下6 km处,地温梯度分别为1.8/hm、2.5/hm和3.6/hm时,水的体积增大率分别为3%、7%和15%。 Hanshaw和Zen1965提出渗透析增压Osmotic Pressuring作用。他们认为,半渗透性的页岩与含盐度较高的储层接触带,具有类似于薄膜渗透性质,可以造成很大的压差。 异常高的流体压力可以因局部或区域性的断裂、褶皱、侧向滑动、泥或盐的底辟、刺穿以及地震等因素,使探部高压流体侵入被封闭的浅部储集层,引起局部异常高压- 要强调的是,超压是上述多种因素互相叠置的结果,一般是以一种因索为主,其它因素为辅。有的专家认为
9、,第三系盆地以不均衡压实作用为主,水热增压作用对体积影响较小；同时,粘土矿物成岩作用,水的体积增量容易被粘土体积的减量所抵消,这两种因素对形成超压影响较小。不同地区的主要因素也不同,如美国落基山诸盆地就是由于烃类生成作用形成的超压,而墨西哥湾沿岸盆地的超压则是以快速沉积所形成的不平衡压实作用所造成的。从这两个地区的情况出发,形成了两个鲜明的学振。有的专家认为,二者关系密切,早期可能由于快速沉积水排不出去形成超压,但要保持长时间的超压状态,还有赖于后期生成的气体的介入。二、压力预测的理论依据 就目前的压力预测水平分析,主要都是根据地震、测井、钻速等三个方面的资料来进行定量预测和监测的,而这些方法
10、的根本理论依据就是超压起因于压实与排液的不平衡。所以,这些方法对于有其它成因参与或完全由构造型因素所形成的超压如我国西部的一些盆地,就显得无能为力了。因此,我们的讨论也仅限于压实成因的超压预测问题。 1. 地质和地球物理特征 超压的地质地球物理特征具体表现为以下九个方面的特征。 1岩性的致密程度 在碎屑岩地层中,异常地层压力常指高压由于普遍与欠压实地层相关联。因此,其岩石的致密程度一般都低于正常压力地层。这在钻井过程中可以根据地层的可钻性来判断。 2储层的发育程度 储层不仅是地层流体的储集容器和疏导通道,同时也是地层压力的传导体,储层越发育,异常压力越难保持。因此,异常压力多发育于储层相对缺乏
11、的区段。以岩性控制占优势的碎屑地层中,一般都保持有普遍的异常高压。从这个意义上讲,大型整装的油气田应该发育于正常压力体系,在一般情况下,其储层发育,埋深浅,勘探价值高。而异常高压油藏,其勘探风险大,埋藏深,规模有限。 3孔渗性 异常压力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。这就是根据地层速度预测地层压力的重要依据。 4成岩性 由于压力的封闭作用,孔隙流体承担了部分上覆地层重量,这就减轻了岩石骨架的承受力,因而也就阻碍了成岩作用的产生,造成超压地层一般机械压实作用较弱。从成岩阶段的划分上看,超压地层多位于晚成岩阶段,正好与油气的晚期生成相对应,为油气的初次
12、运移提供了基本动力条件。否则,油气的聚集就变成了不可能事件。 5形成环境 由于异常压力是在地层压实到其排液的渗透率下限时产生,其形成受控于埋深和沉积环境两大因素。埋深因素是显而易见的,而沉积环境,则主要形成于盆地的深水环境。 6构造特征 强烈的构造活动不仅破坏地层的完整性,同时也破坏地层的压力系统,在构造活动区,往往是断裂发育区,异常压力不易保存,并且异常压力的分布规律也变得不易掌握。这与一个具体的油藏保存条件密切相关。 7速度特征 由于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。 8密
13、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。 9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。 10自然电位 超压层的自然电位特征可由前文所述的盐度原理来表述,Overton & Timko提出了一个非常简单,清洁砂岩的含盐量Cw与相邻泥岩孔隙度fsh之间的关系： Cw*fsh = 常数 2-1 就是说,地层水含盐量假设砂岩与泥岩之间盐度是平衡的与邻近泥岩的孔隙度成反比。在正常压实情况下,随埋深增加,泥岩孔隙度减小,地层水含盐量增加。而在异常地层压力环境下则偏离这一趋势,在超压层
14、中,泥岩孔隙度异常增大,而储层地层水含盐量异常减小,保证了盐度原理。 2. 综合录井特征 综合录井仪的使用提供了钻井、泥浆、地质三大类数十项的随钻测量参数,大量的实践经验表明,只有综合多项参数的分析,才有可能取得一个比较准确的压力解释。由于各种数据来源的方式不同,与地层压力存在的联系也是不同的,有的甚至没有关系,这就要求我们进行系统的分析研究,找出各种参数对压力识别和测量的程度。 1钻井参数 凡是与钻头钻进速度有关的一切机械参数都归为此类。主要有钻速、钻压、转盘转速、扭矩、钻头参数等,由于这些参数的变化都有人为控制因素的存在,所以在用于指示地层压力变化时,需要进行一系列的修正或标准化,为此,提
15、出了d指数、Dc指数等参数进行压力预测的方法图1。 2泥浆参数 由于超压层异常高的孔隙和异常高的含流体量,在钻开时必然会引起泥浆中的流体特征和一系列物理特性的异常变化。这就为我们判断超压的存在提供了依据。根据大量的实践证明,在综合录井参数中,下列参数可以检测到超压层的存在。 泥浆气侵 气测录井中的含气异常往往是异常高压层的显示。因此,根据泥浆气侵可以预测超压的存在,但由于气体的来源不同和从井下上升到井口所经历的复杂过程的差异性,也使得应用该方法检测地层压力出现许多复杂情况。察明影响泥浆气侵的各种因素在异常地层压力的预测与监测中是十分重要的。 出口泥浆比重 经常检查泥浆管线中的比重降低,对气侵和可能的超压,是一个辅助标志。 井涌 目前的平衡钻井技术在有效的压力控制和预告有井喷危险之间,经常只要求一个微小的安全系数。地层的压差常常降低到远低于35.2 kg/cm2。故不正确的压力平衡就可造成或多或少的井涌。 出口泥浆温度 钻井过程中,从具有正常流体孔
