臨河坳陷光明構造地層壓力隨鉆監測技術研究

徐 婕 姜維寨 牛華夏 楊 洋 丁 詩 陳思宇

（①中國石油渤海鉆探第二錄井公司；②長江大學石油工程學院）

0 引言

河套盆地臨河坳陷是華北油田“十四五”期間深層、超深層油氣大規?？碧介_發的主戰場，HT 1 井在臨河組（5 951～6 460 m）試油獲得百萬方高產工業油流，證實了該區塊資源潛力[1]。但隨之而來的問題是深層高溫、高壓環境下普遍存在多套高壓層段，受地質和工程等多種因素影響，隨鉆壓力監測的精度較低，井漏、井塌等井壁失穩事故頻發，降低了鉆井速度，同時給鉆井施工作業帶來了巨大的安全隱患。

隨鉆地層壓力監測是在鉆井過程中利用鉆井、錄井、地質參數資料來綜合確定地層壓力的變化情況。徐長敏、李紅[2-4]等引入軟件對高溫高壓井進行實時隨鉆地層壓力監測，獲得良好的效果；李普濤[5]開展了對鉆時參數進行修正的可行性分析，提出一種新的鉆時變換方法來監測地層壓力；李戰奎等[6]建立地質-測井-錄井參數與地層壓力之間的關系識別圖板，實現了地層壓力系數的準確監測。前人的成果在鉆井工程方面受鉆頭類型和尺寸差異的影響，導致壓力監測的計算精度低，因而有必要通過進一步開展隨鉆dc指數和壓力監測方法的研究，提高隨鉆壓力監測的精度。

筆者應用河套盆地臨河坳陷HT 1 井區光明構造3 口井的測井、鉆井和錄井資料，首先通過修正鉆壓、鉆時等參數進行dc指數校正，在此基礎上提出了在一趟鉆的前提下分段建立正常壓實趨勢線的方法，開展地層壓力隨鉆監測工作。從監測結果來看，壓力監測精度較高，效果較好。

1 dc指數法地層壓力監測

常用的地層壓力監測方法主要為dc指數法。在地層正常壓實情況下，隨著巖層埋藏深度的增加，壓實程度遞增，地層孔隙度、機械鉆速呈遞減趨勢，而當鉆遇異常高壓地層時，地層因欠壓實作用導致孔隙度、機械鉆速增大。根據前人研究[7-8]提出了針對泥頁巖地層的dc指數的計算公式：

式中：dc為地層可鉆性指數；R為機械鉆速，m/h；N為轉盤轉速，r/min；W為鉆壓，kN；Db為鉆頭直徑，mm；ρn為正常地層壓力的當量鉆井液密度（即地層水的密度），g/cm3；ρm為實際使用的鉆井液密度，g/cm3。

利用上式得到的dc指數可通過反算法計算出地層壓力，公式為：

式中：ρp為地層壓力當量密度，g/cm3；ρ0為正常地層孔隙壓力當量密度，通常取1.03 g/cm3；Cd為校正系數，無因次，可由現場實測值反算求得；dcn為正常dc指數壓實趨勢線。

2 dc指數法地層壓力監測精度的影響因素

dc指數法地層壓力監測精度的影響因素較多，主要包括如下5個方面。

（1）鉆壓、鉆速、轉速等參數影響。受人為操作差異、地層巖性變化及其他因素影響，鉆壓、鉆速（鉆時）、轉速參數變化頻繁，影響鉆頭對地層的沖擊力，從而影響巖層的破碎程度，使dc指數不準確。本文選取1 m 內的鉆壓、轉速平均值或加權值作為標準鉆壓、標準轉速。通過校正指重表來保證數據的準確性[9-10]。

（2）水力因素的影響。水力和機械因素的聯合破巖作用會導致機械鉆速增大，因此，在計算dc值時，需要先對水力因素的影響進行校正。

（3）鉆頭型號的影響。鉆頭型號的改變對dc指數有影響，隨著新的鉆井工藝的發展，鉆井中越來越多的采用PDC 鉆頭加動力螺桿、PDC 鉆頭加旋轉導向等工具，使得原有的dc指數模型難以適應。因此，需要對鉆井參數和不同鉆頭型號之間的關系進行研究，以獲得準確的dc指數。

（4）地層巖性的影響。在同樣參數下，相鄰兩點的泥巖和頁巖的鉆速通常是不相同的，對dc指數和地層壓力ρp的求取也會有影響。

（5）趨勢線建立的合理性。建立合適的正常壓實趨勢線對于計算地層壓力梯度非常重要。通常使用以下方法來建立趨勢線：

式中：H為井深，m；A、B為線性函數的參數。

常用的方法是將上式兩邊取對數，lg（dcn）＝AH+B，再在半對數坐標上繪制，手工回歸一條lg（dcn）曲線（正常壓實趨勢線），并獲取A、B值。

上述方法在一定程度上可以剔除由施工原因引起的dc指數突變的數據點，但計算量較大，同時該方法主要是針對常規中淺層砂泥巖地層所提出的，深層及超深層在高溫和高壓環境下受鉆頭類型、大小、硬度、進尺、磨損，以及鉆井液密度、轉速等方面因素的影響，與中淺層存在較大的差異，導致常規的方法適用性較差，精度較低，影響了壓力監測的結果。為此，亟需在方法上進行改進和優化。

3 dc指數校正及效果驗證

由公式（1）可知dc指數是一個綜合性指標，在工程方面，鉆速、鉆壓對dc指數法計算地層壓力的影響較大，就模型而言，趨勢線的建立對準確度的影響最大。為了準確反映可鉆性dc指數與地層壓力變化之間的關系，筆者提出在一趟鉆（鉆頭尺寸、鉆頭類型不變）前提下，首先開展鉆壓、鉆速（由錄井參數中的鉆時參數來轉換）等參數的校正工作，建立機械鉆速與鉆壓、轉速參數之間的變化關系，對dc指數進行校正，之后在一趟鉆的前提下采用分段建立正常壓實趨勢線的方法開展地層壓力監測工作。

3.1 錄井與測井資料相結合校正鉆壓、鉆時參數

在常規錄井參數中，鉆時的大小能夠反映巖石物性的強弱，鉆時快，則巖石的儲層物性好、巖性較純，相反鉆時慢，則儲層物性差；聲波時差測井曲線是判斷巖石儲層物性變化的主要手段，間接反映了鉆井參數（鉆壓、鉆時）的變化。

優選HT 1 井區3 口井壓力過渡帶的鉆時、測井聲波時差數據建立鉆時與測井聲波時差交會圖（圖1），從圖中可見，受鉆頭類型、鉆壓及人為操作等多種因素影響，各井鉆時和測井聲波時差之間差異較明顯，相關性并不穩定，較為分散，整個區域的評價體系建立起來十分困難，所以需要采用校正鉆時的方法來消除工程參數的差異對鉆時的影響。

圖1 HT 1井區鉆時與測井聲波時差交會圖（壓力過渡帶）

因此，以鉆時和聲波時差測井曲線的相關性為基礎，結合鉆速方程推導出工程參數對鉆壓、鉆時的校正函數，需要強調的是鉆壓校正函數f（W）是在鉆時校正基礎上開展的，鉆時校正的精度決定鉆壓校正的準確率，進而可實現鉆井參數的優化。

通過鉆速方程[11-13]來推導鉆時校正方法：

式中：t為鉆時，min/m；K為鉆壓系數；W為實測鉆壓，kN；M為門限鉆壓，kN；γ為轉速系數，一般取0.7；cp為壓差影響系數；cH為水力凈化系數；c2為鉆頭牙齒磨損系數；h為鉆頭牙齒磨損度。

擬定標準參數（標準參數是工程參數的標準化目標，這里為虛擬值）代入計算得到鉆時校正公式：

式中：t'為校正鉆時，min/m；W'為標準鉆壓，kN；N'為標準轉速，r/min；c'p為標準壓差影響系數；c'H為標準水力凈化系數；h'為標準鉆頭牙齒磨損度。

進而推導出校正函數F校正為：

標準參數均為固定值，因此（W'-M）、N'γ、（1+c2h'）均為常數，即由公式（7）可得：

式中：k為公式系數。

根據錄井現場的經驗，鉆井過程的影響因素中，鉆頭尺寸、鉆壓、轉速對鉆速的影響依次減小，壓差和鉆井液性能等因素對鉆速的影響較小。因此，考慮到與鉆頭尺寸和類型配套的工程參數體系的差異明顯，需要對不同鉆頭尺寸和類型進行分類研究。

在同一鉆頭尺寸和型號下，以鉆壓和轉速作為校正主參數，得到校正函數F校正為：

式中：f（W）為鉆壓校正函數。

校正后的鉆時與測井聲波時差之間具有一定的冪函數關系，即：

式中：Δt為聲波時差，μs/ft（1 ft＝0.3048 m）；j為公式系數；d為冪指數。

將公式（6）、公式（9）代入公式（10）推導可得：

依據上述公式，結合區域數據可擬合出鉆壓校正函數f（W）。壓力異常段主要采用?215.9 mm 和?311 mm 兩種尺寸的鉆頭進行鉆進，因此，主要針對這兩類鉆頭進行校正，校正公式如下，具體函數關系如圖2所示。

圖2 不同尺寸鉆頭鉆壓校正函數關系

式中：a、b、c為公式系數。

根據擬合出的鉆壓校正函數，結合公式（6）、公式（9）得到鉆時校正公式：

應用上述公式，開展全井段不同鉆井開次的鉆時校正工作。由圖3可知，相較于校正前，校正后的鉆時曲線整體趨勢未發生大的變化，僅在5 020～7 030 m井段出現較大幅度的鉆時數據跳躍現象，主要原因是該深度段為異常壓力發育層段，巖性復雜多樣，地層壓力變化較大，符合正常鉆井工況。因此，鉆時校正結果可有效消除由于工程因素導致的鉆壓、鉆時參數精度低的影響，為后期dc指數值的計算提供有力的數據支撐。

圖3 不同鉆頭、不同深度鉆時校正前后對比（HT 1井）

3.2 分段建立正常壓實趨勢線

正常壓實趨勢線建立的合理與否是影響dc指數方法監測效果與精度的關鍵因素之一。HT 1 井區3口井從儲層埋深、井身結構、鉆井開次和鉆頭型號等方面均存在較大差異，為了消除上述因素對正常壓實趨勢線建立的影響，筆者提出在一趟鉆的前提下，針對臨河坳陷HT 1井區采用分段的方法建立光明構造的正常壓實趨勢線，見表1、圖4。需要重點強調的是正常壓實趨勢線建立過程中必須要遵守以下原則：

表1 HT 1井區光明構造不同井身結構正常壓實趨勢線建立

圖4 光明構造正常壓實趨勢線

（1）在鉆頭類型及尺寸更換時，將正常壓實趨勢線重新定義。

（2）井徑發生變化時，將正常壓實趨勢線重新定義。

（3）鉆井液性能發生較大變化時，將正常壓實趨勢線重新定義。

（4）在分段的前提下選取純泥巖段建立正常壓實趨勢線，純泥巖段盡量選取連續的泥巖發育層段，厚度在300 m 以上，泥巖厚度越大所建立的趨勢線越合理。

3.3 工程應用與效果分析

建立合理的趨勢線后，應用公式（2）可計算得到地層壓力。同時，與應用等效深度法和伊頓法計算的地層壓力進行對比。本文采用伊頓法進行計算，伊頓法計算公式為：

式中：Δtn為正常壓實條件下泥頁巖聲波時差，μs/ft；ρp為地層壓力當量密度，g/cm3；ρw為正常壓實地層壓力當量密度，g/cm3；ρh為巖石的上覆巖層壓力當量密度，g/cm3；n為伊頓系數，根據實測地層壓力反算本區域n＝0.85。

將上述研究成果應用于LongH 1 井加深鉆進過程的隨鉆壓力監測分析中，從測井、鉆井液密度與隨鉆監測的地層壓力計算結果來看，隨鉆壓力監測精度較高，見圖5。鉆井工況證明溢流、氣侵等井壁失穩事故率大幅降低，有效避免了后期因地層壓力規律不清造成井壁失穩現象的發生。

圖5 LongH 1井校正后的地層壓力對比

4 結論

（1）通過進行dc指數法監測地層壓力精度的影響因素分析，明確了鉆頭尺寸、鉆壓、鉆時及正常壓實趨勢線建立的合理與否是影響dc指數計算精度的主要因素。

（2）為了消除鉆壓、鉆時等參數對dc指數計算結果的影響，采用錄井與測井資料相結合來校正鉆壓、鉆時參數，進而實現鉆壓、鉆時等參數的優化，提高dc指數的計算精度。

（3）為了消除鉆頭尺寸和類型對隨鉆壓力監測精度的影響，在一趟鉆前提下分段建立正常壓實趨勢線，結合dc指數校正結果，開展LongH 1 井加深層地層壓力隨鉆監測，取得了較好的效果。