DRILLNET 2.0------第二十八章背景知識

時間 2019-12-10

標籤 drillnet 2.0 第二十八背景知識简体版

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第二十八章背景知識html

28.1 孔隙壓力預測redis

在深井鑽井設計及鑽進施工過程當中，鑽進地層的流體孔隙壓力是鑽井工程師須要考慮的最重要的參數之一。出於安全的考慮，井底壓力（在任何深度）應保持在地層流體原始壓力與破裂壓力二者範圍以內。安全

鑽井工程師必須判斷是否存在異常壓力，並預測異常壓力的大小與所在井深。對異常壓力的預測必須給予高度重視，由於這很是重要，當急需這方面數據的時候，準確的預測方法須要豐富的經驗。函數

碎屑岩由河流向海洋運移的過程當中，逐漸沉澱，沉澱物最初沒有膠結未經壓縮，具備較高的孔隙度與滲透率，沉澱物此時呈液態並與海水相混合，處於同一靜水壓力之下。當沉澱物發生沉積做用，其中的固體顆粒因自重使得顆粒間互相緊密接觸，膠結的固體此時對其下部的靜液水壓力再也不有影響，所以，沉澱物空隙中留存的液體壓力僅由液體的密度決定。隨着沉積做用的繼續，沉積物埋藏深度逐漸增長，經過固體顆粒間接觸，顆粒承受載荷逐漸增長，使得顆粒間空隙減少，沉積物壓縮性更強、空隙度更小11。地層孔隙壓力與所處深度理論靜水壓力相近時，稱爲正常地層壓力，某一區域的正常孔隙壓力一般以壓力梯度表述。如下是一些鑽井活躍區域的典型壓力梯度。性能

正常孔隙壓力約等於水或鹽水的靜液壓力梯度，任何深度的英制單位正常地層壓力可由下式計算：spa

式中，P爲壓力，單位psi設計

ρ爲流體密度，單位ppghtm

D爲深度，單位ftblog

例如，地層流體是流通的且密度爲8.35ppg，那正常的地層壓力預測值應爲4334psi，若是有任何緣由致使實際壓力高於這個理論值，即爲異常壓力。開發

石油工業評價孔隙壓力經常使用單位爲磅每立方英寸（psi），但常轉換爲當量泥漿密度，並以磅每加侖（ppg）爲單位，這樣更容易對比防止氣侵致使井噴或者經驗垮塌所需的泥漿密度。

28.1.1 異常壓力成因

許多時候，地層壓力會出現高於該深度下正常壓力的狀況，專業名詞「異常地層壓力」常指地層壓力高於正常壓力，低於地層壓力的壓力異常狀況一樣存在，描述這樣的狀況使用專業名詞「異常低壓」

異常地層壓力即地層壓力高於正常壓力可能會致使嚴重的鑽井事故。異常壓力的成因有不少，爲此，在鑽井過程當中，可能會用到許多種辦法來封閉或者控制異常壓力地層，包括套管封固異常壓力層以及提升泥漿密度平衡異常壓力等。

異常壓力造成的最主要的一個緣由是地層的欠壓實。在沉積過程當中，因爲低滲的上覆蓋層致使孔隙流體沒法以正常的速度排出，地層就會發生欠壓實從而致使地層有的異常高壓。

第二個緣由是地層的沉積歷史，碳氫化合物的煤化、粘土的成巖及熱反應會進一步增強孔隙的排水效應。因爲岩石基岩限制增加中的孔隙流體體積，從而致使了地層孔隙空間的異常壓力，稱爲異常壓力造成的卸載機理，卸載做用可由地質構造的造成及沖蝕引發。

異常壓力另外一個成因是流體的橫向運移，流體沿斷層或經過聯通的滲透性儲層向圈閉運移，致使在圈閉的脊部造成異常高壓。

流體由埋藏較深的油藏向埋藏較淺的油藏轉移也會引發異常壓力，咱們稱這種現象爲埋藏較淺油藏的充填。充填可能由本井其它地層的流體沿斷層的上移、鄰井套管泄露後流體侵入等緣由引發，其結果是災難性的，並且致使的嚴重井噴一般沒有徵兆。這種狀況在老油田更爲突出。

28.1.2 孔隙度的計算

孔隙中的水隨着井深及溫度的增長加速向外排出，同時，孔隙空間隨着地應力增長而減少。所以，只有地層中滲透性良好的通道使得流體可以有效的排出，而且排出速度與地層壓縮速度相匹配，地層壓力纔可以與靜液壓力相等。不然，若流體流動通道發生堵塞，上覆岩層壓力將使得孔隙壓力超過靜液壓力。此時，孔隙的體積比同等井深下正常壓實的高，壓實做用使得頁岩、蒸發巖等膠結良好的沉積岩因爲滲透率的下降，形成封隔，使得異常壓力進一步提升。某個井深下地層岩石的當量密度ρb與地層岩石基岩密度ρg、孔隙流體密度ρη及地層孔隙度Φ關係以下式12：

隨着井深的增長對壓實做用、沉積物孔隙度形成影響，影響程度決定了最終岩石的當量密度。由常見礦物成分組成的沉積岩基岩的密度相差不大，所以一般能夠設定一個平均值做爲基準密度。一樣，孔隙流體的密度也能夠設定一個平均值做爲基準孔隙流體密度。

使用此公式，能夠很方便的以各類基岩及孔隙流體密度下得平均孔隙度來表達岩石的當量密度。將平均孔隙度與井深值在半對數座標系上左圖，一般能夠獲得近似的直線，直線的公式以下：

式中,Φo爲地表孔隙度

K爲孔隙度衰減率

Ds爲沉積岩距離地表的深度。

28.1.3 孔隙壓力預測方法

絕大多數地層異常壓力預測方法基於欠壓實理論，根據此理論異常壓力地層一般比同等井深下正常壓力的類似地層有更高的孔隙度。所以，任何可以計算孔隙度的方法也能夠用於計算異常壓力13。一般，與孔隙度相關的參數表達爲井深的函數。

正常狀況下，因爲孔隙度隨井深增長、壓實做用加強而減少，與孔隙度相關的參數隨深度變化具備明顯的下降趨勢。與正常趨勢的偏離預示着可能存在異常壓力，某個地區正常壓力及以上地層成爲轉折區。趨勢偏離的井深預測很是重要，由於套管必須在此前下入，保證高壓井段可以安全的鑽進。

根據井深與孔隙度相關參數的關係，有兩種方法用於預測地層壓力。第一種方法基於這樣的假設，類似的地層當基岩處於一樣的有效應力時孔隙度等相關參數相等。所以，異常壓力地層的基岩應力與深度較淺的正常壓力地層相同（具備一樣的孔隙度相關參數）。可是，因爲地質及沉積壓實歷史的差別，不一樣地區地層的壓實趨勢並不相同。

第二種方法是經驗法，經驗法一般被認爲比第一種方法更準確。使用這種方法的前提是須要具備該地區大量的數據，在實踐中，只有經過探井或者在已經開發的區塊才具有這樣的條件。

異常地層壓力的預測及檢測方法可分爲三類：（1）鑽前預測法（2）隨鑽監測法（3）鑽後檢測法。最初的風險探井設計必須考慮使用鑽前預測法計算的地層壓力，並在鑽進的過程當中隨鑽更新，鑽達目標靶區後，下套管前應使用各類地層評價方法對預測的地層壓力進行校訂。

鑽前地層孔隙壓力的預測主要基於：（1）鄰井數據（2）地震數據

28.1.4 （孔隙壓力檢測的）體積密度測定（法）

隨鑽對岩屑的連續評價能提供地層的寶貴信息，若是前期已鑽井的數據可靠，就能夠用於預測附近鑽探相同或類似地層的新井的地層孔隙壓力。岩屑體積密度的可使用多種技術方法測定：（1）水銀泵法（2）鑽井液密度秤法（3）密度液法。不管使用何種方法，最終結果都是獲得泥頁岩的體積密度的近似值。

泥頁岩體積密度是孔隙度相關的參數，一般與深度一塊兒繪製到同一座標系中用於預測地層壓力。當岩屑的體積密度明顯低於泥頁岩正常密度趨勢線時，代表存在異常壓力。有一種計算地層壓力的方法稱爲Botman關係法，使用經驗曲線計算地層壓力，曲線所在座標系兩個座標軸分別爲地層壓力梯度（單位psi/ft）和泥頁岩體積密度差值（單位g/cm3）。泥頁岩體積密度在正常壓實趨勢下爲孔隙度的指數函數，數學模型以下：

公式中孔隙度：

經整理：

正常地層壓力的頁岩基岩顆粒密度爲2.65，孔隙流體平均密度能夠經過表格查取，常量與K可經過在正常壓力地層的頁岩屑體積密度測量中測得。在實踐中，使用正常趨勢線便可求出特定井深的、K以及岩屑體積密度的正常值。由此，經過基於正常密度的的計算得出頁岩密度差值後，使用Boatman關係法便可求得異常壓力值。

28.1.5 （孔隙壓力檢測的）修正d指數（法）

鑽進至正常壓力與異常壓力過渡帶時，岩石屬性與鑽頭性能的變化常間接的代表地層壓力發生了變化。爲了發現這些變化，須要經過地面設備持續的監測與記錄與鑽頭性能相關的鑽進參數。此外，循環中的泥漿與岩屑的變化也一樣須要監測。

若是井底壓力低於孔隙壓力，將引發井涌或者使得地層流體侵入井筒。在這種狀況下，關井後鑽桿的封閉壓力可以提供關於地層壓力直接而準確的數據。

經過地面儀器的測量，能夠監測鑽頭表現的變化，最多見的監測參數包括：（1）機械鑽速、（2）鉤載、（3）轉速、（4）扭矩。因爲鑽井液性能對機械鑽速有影響，所以一樣須要監測。機械鑽速一般隨着鑽遇地層類型的而明顯改變，對於同一地層一般的趨勢是隨着深度增長而逐漸下降，然而，鑽遇異常壓力地層過渡帶時，這個趨勢會發生改變。一般狀況下，只有在異常高壓地層的過渡帶會出現異常堅硬的地層，且機械鑽速明顯偏低，這是因爲這些地層滲透度極低，只有這樣才能封隔造成異常高壓。這些封隔地層的厚度差別很大，從幾英尺至幾百英尺。只有在這些異常壓力蓋層如下，機械鑽速隨井深變化的正常趨勢纔會恢復。

除了地層類型與地層孔隙壓力外，許多鑽進參數會影響機械鑽速，其中包括：（2）鑽頭類型、（2）鑽頭尺寸、（3）鑽頭水眼大小、（4）鑽頭磨損程度、（5）鑽壓、（6）轉速、（7）泥漿類型、（8）泥漿密度、（9）泥漿粘度、（10）泥漿固相含量及粒徑分佈、（11）泵壓、（12）排量。這些參數的改變對機械鑽速的影響使得巖性的變化或者地層孔隙壓力的增長不易察覺，所以，僅僅依靠機械鑽速經常難以發現地層壓力的變化，須要結合使用其它的方法。

使用牙輪鑽頭時，齒的磨損程度會影響機械鑽速，當其餘鑽進參數不變時，這個影響能夠經過新鑽頭的正常機械鑽速趨勢進行修正。某些狀況下，因爲齒的磨損，異常壓力過渡帶的機械鑽速下降量比預期明顯偏大，一樣，其它鑽進參數的變化也可能致使類似的響應結果，從而誤判爲壓力的升高。某些鑽頭類型有可能使得難以經過機械鑽速預測地層孔隙壓力的變化。

旋轉鑽井已有經驗模型可用於消除這些重要參數變化對鑽速的影響，第一個經驗模型由Binghan15和Bourgoyne16提出，早期模型經過d指數來替代機械鑽速的做用，d指數經過鑽壓W、轉速N、鑽頭外徑db、機械鑽速R計算，公式以下：

式中單位，R-英尺/小時，N-rpm，W-千磅，db–英寸

若是保持鑽井液密度不變，d指數可用於檢測正常壓力至異常壓力的過渡帶。在一個特定的低滲透地層，計算的d指數近似爲深度的線性函數，計算的時候全部頁岩地層的數據都應該採用，而其餘類型地層的數據則應該忽略。正常壓力地層d指數隨深度增長，但出現異常壓力地層後， d指數趨勢線會發生偏離，d指數隨深度的增長量迅速減少。許多狀況下，d指數趨勢徹底轉變甚至於隨深度而減少。

1971年Rehm和McClendon17提出修正d指數，想修正鑽壓、鑽頭外徑、轉速等參數同樣修正鑽井液密度變化對d指數的影響。修正d指數計算公式以下：

式中，爲正常壓力地層孔隙壓力當量密度，爲井底當量泥漿密度。

修正d指數經常使用於估算地層孔隙壓力梯度以及定性監測異常壓力，除等價應力矩陣概念外，已出現許多經驗公式。

Rehm和McClendon推薦做dmod曲線圖估算地層孔隙壓力時，深度及dmod值均使用線性刻度。假設正常壓力趨勢下是一條直線，直線的截距爲(dmod)0、斜率爲m。

根據做者的理論，斜率m值因地質年代的變化而有一個很是恆定的值（m=0.000038ft-1），下式即爲計算dmod與正常趨勢的偏離值與地層壓力梯度gp關係的經驗公式：

式中(dmod)n爲正常壓力趨勢下該深度的dmod值，gp使用當量泥漿密度單位磅/加侖。

Zamora18推薦做圖版估算地層孔隙壓力時，深度使用線性刻度、dc值使用對數刻度。如此，正常壓力趨勢線爲一條直線，截距爲，斜率爲m，公式以下：

同時，Zamora撰文指出，正常壓力趨勢線的斜率與地理位置及地質年代沒有明顯的關心，m值相互間的差別僅有0.000039ft-1，dc指數曲線圖中值與地層壓力梯度值gp間計算的經驗公式以下：

式中爲該地區正常壓力梯度。

28.1.6 （孔隙壓力檢測的）測井（法）

對於鑽井來講，決定什麼時候中止鑽進下套管固井不管從技術仍是經濟的角度來看，都是一個重要的問題。套管下得過淺，須要鑽進更深的地層時可能致使下層套管長度增長而使費用增長。若是發生地下井噴，而又沒有下套管的話，極可能致使打塞後棄井的後果。

下套管前一般進行測井，記錄打開地層的信息，有幾種方法能夠使用測井獲得的一些孔隙度相關數據估算地層壓力，這些數據一般從（1）聲波時差（2）電阻率測井數據中獲得。

計算地層孔隙壓力時，測井數據中只能使用「純」泥頁岩段的數據，而挑選的準則有：

1.最小天然電位基線基本沒有波動的井段。

2.伽馬值最大井段。

3.淺層與深層探測的最大電導率（最小電阻率）差值較小且較恆定的井段。

4.聲波時差值最大井段。

5.泥頁岩厚度不小於20英尺的井段。

一般，僅僅一口井難以找到足夠數量的淺層正常壓力泥頁岩井段來創建正常壓力趨勢，這個時候，須要使用同一區塊大量井的數據綜合起來創建區塊的平均正常壓力趨勢，使用該平均趨勢有助於創建單井的壓力趨勢。

28.1.7 電阻率

幾乎每口井都會測電導率或者電阻率（電導的倒數），因爲數據幾乎是現成的，因此電導率是使用測井數據估算地層孔隙壓力最經常使用的孔隙度相關參數。地層參數一般是水層電阻率與水的電阻率的比值，也能夠寫做電導率的比值。

地層參數與孔隙度關係以下：

指數m值浮動範圍爲1.4~3.0，實際應用時，若是沒有樣品試驗數據，常取值2.0。

地層電導率或電阻率因地層巖性、地層水含鹽量、溫度以及孔隙度不一樣而變化。爲了不巖性的影響，取值時應選擇純泥頁岩井段的數據，避免選擇含灰巖雜質的泥頁岩井段，由於灰巖對電導率的影響很是大。而地層水含鹽量及溫度的影響，能夠經過使用修正值來消除。

因爲鑽井液的浸泡，地層電導率會發生變化，即便泥頁岩相對來講不易滲透，但因爲地層與泥漿間的化學做用，影響依然存在。浸泡時間不一樣，高水敏泥頁岩井段的電阻率測井結果也不一樣，這個問題能夠經過使用更深探測深度的測井儀器來解決。

正常壓實趨勢下，泥頁岩孔隙度計算公式以下：

同時：

換算後得出：

式中常量和K值必須由該地區正常壓力地層的電導率計算而來。

然而，實際應用時，水的電導率或電阻率隨深度而變化且不易測得，一般假設其爲常數，則正常壓實趨勢下電導率的計算以下：

式中、，一樣，K1與K2值必須選擇正常壓實井段的數據。

使用電導率與「正常電導率」外推的正常壓實趨勢間的比值，能夠計算實際的地層壓力值。當電導率值明顯低於正常壓實趨勢時，代表異常壓力出現。

Hottman和Johnson22第一次提出滲透性砂岩的地層壓力與相鄰泥頁岩電阻率關係計算經驗公式，同時，Matthew與Kelley23,24也提出了德克薩斯南部及墨西哥灣地區的類似公式。

28.1.8 聲波時差法

作鑽井設計時，主要依據同一地區已鑽井資料，對於探井來講，只有地震資料可用。要使用地震資料估計地層孔隙壓力，必須首先肯定地層的平均聲波傳輸速度，這個速度是深度的函數。方便起見，一般使用傳輸速度的倒數，或者聲波時差（ITT）來表示。

聲波時差（ITT）是與孔隙度相關的一個數據，與孔隙度存在如下關係：

式中爲地層岩石骨架聲波時差，爲地層孔隙流體聲波時差。因爲流體的聲波時差比固體大，所以當孔隙度增長的時候，岩石的聲波時差也隨之增長。

使用孔隙度相關參數與深度關係圖版來計算地層孔隙壓力時，須要創建正常壓力趨勢（從淺層壓力正常地層測得），而後外推至異常壓力深度來進行計算。一般須要假設圖版兩軸的參數間是線性、指數或者冪率關係，這樣正常壓力趨勢線在直角座標系、半對數座標系或者對數座標系中才會是一條直線。有的時候，很可貴出這樣一條壓力趨勢直線，這是須要使用其它更爲複雜的方法。

正常壓實趨勢下，聲波時差ITT的計算方法以下：

對於孔隙度有：

同時：

則有：

即便在正常壓力下，因爲孔隙度對岩石骨架聲波時差的影響，使得地層平均聲波時差與深度的關係比較複雜。這是因爲壓實做用影響岩石骨架聲波時差形成的，欠壓實的泥頁岩聲波時差值爲167秒/英尺，而壓實良好的泥頁岩聲波時差值只有62秒/英尺。另外，隨着深度而變化的地層一樣會影響岩石骨架聲波時差以及反應壓實做用的常數和K。使用大量的正常壓力數據進行計算，能夠解決這個問題。

使用地震資料（Penebaker法）與使用測井資料的聲波時差數據計算地層壓力的方法是很是類似的。最大的不一樣在於測井資料法僅選取泥頁岩井段的數據，而地震資料法因爲沒法準確肯定巖性，只能使用全部的數據。

在正常壓力下，泥頁岩的地質年代一樣會影響聲波時差ITT與深度的關係，古老地層因爲壓實時間更長，使得正常壓力趨勢線斜率更大，一樣道理，新地層因爲壓實時間較短，正常壓力趨勢線的斜率會小一些。

當聲波時差ITT明顯低於正常趨勢時，標誌着出現異常壓力。Hottman和Johnson22第一次提出滲透性砂岩的地層壓力與相鄰泥頁岩聲波時差ITT關係計算經驗公式，並在波斯灣部分地區沿用至今。同時，Matthew與Kelley28,29也提出了德克薩斯灣Frio、 Wilcox以及Vicksburg等區塊的正常壓力趨勢。更多的研究者提出了北海以及中國南海地區類似的正常壓力趨勢。

28.1.9 Penebaker法（地震資料法）

Penebaker法經常使用於根據地震波疊加速度來計算地層孔隙壓力。使用地震資料做出Penebaker圖，座標分別爲深度及地震波傳播速度（以聲波時差ITT表示，單位爲微秒/英尺）。該法認爲在正常壓實趨勢下，聲波時差ITT爲深度的冪函數，在對數座標系裏，趨勢線近似爲一條直線。相對於正常壓實趨勢線的任何偏離（或者聲波傳輸速度的改變）便可能意味着欠壓實以及過壓實做用的出現。值得指出的是，地層主要巖性的變化也會形成聲波傳輸速度的巨大變化，而這也許與異常壓力無關，爲此，這個方法須要綜合其它的地質學科知識才能應用。