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地层压力预测技术及其在油层保护中的应用

地层压力预测技术及其在油层保护中的应用D

张树林赵铭海

(中国地质大学资源学院湖北武汉430074)

摘要,简述了随钻监测~钻后检测~钻前预测和模拟等地层压力预测的技术的特点及其应用范围介绍了有效应力法预测地层压力的原理及参数的求取方法应用有效应力法地层压力预测软件为胜利油田压敏型地区提供了近200口探井的地层压力预测剖面从实钻结果看地层压力预测的符合率高根据预测压力来平衡钻井起到了保护油气层的良好效果

关键词,地层压力;有效应力;油层保护;钻井设计

中图分类号,TE271文献标识码,A文章编号,1000-7849(2002)03-0043-05

地层压力预测是利用地震~地质~测井配合录井~实钻~测试等资料建立比较准确的地层孔隙流体压力剖面其最初目的是为了预防钻井事故降低钻井成本经过50年的探索无论是地层压力预测技术还是其应用范围都有很大的发展前者主要表现在从简单的统计预测到精确的定量预测并从盆地地层压力分布规律认识地层压力的变化;后者从服务于钻井发展到应用于石油地质各个领域近年来在油气开发中也开始逐步得到应用笔者将在分析地层压力预测技术及其应用研究进展的基础上重点论述一种地层压力预测的新方法有效应力法及其在油层保护中所起的作用

1地层压力预测技术简介

地层压力预测技术的发展主要体现在对压实规律的认识和检测手段的提高[1]测井~地震勘探手段和计算机技术的进步以及流体包裹体分析技术的产生不仅丰富了地层压力计算方法还将简单的地层压力预测拓展到对盆地地层压力分布和演化规律的研究从而为油气运移和成藏动力学系统的分析甚至圈闭中的油气充注历史的研究提供重要依据

1.1分类

地层压力预测已从单纯的为降低钻井成本和避免钻井事故拓展到为油气钻探或开发服务在众多的地层压力数据获取方法中根据与钻井的关系可以分为随钻监测~钻后检测~钻前预测和模拟4种1.1.1随钻监测

随钻监测主要通过随时监测钻井泥浆和岩屑达到及时预报钻达地层的压力的目的前者称为等效泥浆法是根据钻井液与地层孔隙流体之间的压力平衡关系通过泥浆密度换算地层压力该方法具有信息量大~方便快捷的优点是常用的地层压力估算方法之一后者是在认识到沉积物的压实与地层压力之间的相关关系后通过随钻检测岩屑密度以便及时发现异常压力段的方法该方法曾经在钻井队推广使用但由于精度较低和随着钻前地层压力预测水平的提高其使用越来越少标准化钻速法也能预测可能出现的异常高压层达到随钻监测的目的但该方法对钻井施工要求比较高一般只在新区或高危险区采用

1.1.2钻后检测

钻后检测主要通过钻井直接测试现今地层压力或通过岩样测试间接获取古地层压力该方法一方面可以准确获取地层压力数据另一方面为钻前压力预测和模拟提供参数

直接测试方法包括试井和地层重复测试器前者是通过射开目的层直接测量流入井内的流体压力是最直接和可靠的获取地层压力数据的方法其精度主要取决于地层渗透率和关井时间由于成本高一般只在目的层采用后者是近一二十年发展起来的一种地层压力测井方法应用地层重复测试器可以多点直接测得井壁附近的地层压力具有准确~经济~快速和信息量大的特点近年来逐步被广泛使用密闭取芯也能获取压力数据但一般以获取油气高压物性为目的实际应用比较少

间接检测主要通过能反映压力环境的成岩矿物来研究古压力现在用得最多是流体包裹体分析通

第21卷第3期2002年9月

地质科技情报

Geological science and Technology hnformation

Vol.21No.3

sep.2002

D收稿日期,2001-10-12编辑,禹华珍

作者简介,张树林(1962 )男副教授主要从事盆地构造和油气成藏的教学和科研工作

过研究捕获压力分析地层所经历的古压力及其演化O无论是测试方法本身还是应用领域9流体包裹体捕获压力分析都是近年来发展最快的方法之一9并正向定时的方向发展O该方法具有经济\快速\信息量大和在油气地质领域应用前景广阔的特点O

]o]o3钻前预测

除还没有钻探的盆地只根据地震数据预测地层压力外9一般所说的地层压力预测都是在钻井获取数据的基础上研究盆地的压力分布9达到预测未钻井地区地层压力的目的O根据计算原理9钻前预测可以分为统计预测法\压实平衡法和综合分析法O 统计预测法是最早的地层压力预测方法之一9主要通过统计已钻井的压力分布规律来预测未知区的压力O尽管统计时考虑的因素越来越多9从单纯的深度到层位甚至岩性组合9但该方法预测的精度比较低9因此9随着异常压力形成机理的研究越来越深入9其实际应用却越来越少O

压实平衡法是从简单的统计向机理分析的一大进步9其基本原理是以压实机制和特察模型为依据9认为异常高压与欠压实有关9其计算方法又称平衡深度法9是目前应用最多的方法之一O只要能反映岩石密度垂向变化的参数都可以用于该方法计算地层压力9常用的参数有地震速度\密度测井\电阻率测井\声波测井\岩石孔隙度等O由于非渗透性泥岩往往能较好地反映压实趋势9故一般选择泥岩段的数据用于计算O在泥岩与渗透性岩层压力不一致的情况下9要通过统计规律进行校正O该方法具有一定的理论基础9其优点是计算参数获取容易9计算简便9获取的信息量大9但不适合于具有明显卸载或异常低压的盆地O

综合分析法是在综合了统计预测法和压实平衡法优点的基础上提出来的9计算的基本原理和常用的参数与平衡深度法相似9但考虑到泥岩与渗透性岩层压力可能不一致9故常用具有统计规律的地层因子代替简单的平衡深度进行计算9有的还直接用计算上覆压力和有效应力的办法求取地层压力O这样既提高了压实平衡法的计算精度9又在一定程度上缓解了岩性变化\卸载等不确定因素造成的误差O ]o]o4模拟

模拟是在其它地层压力预测或实测的基础上9根据压实原理9利用计算机技术正演或反演地层压力的演化过程9通过少数已知的今\古地层压力点的拟合9达到预测和了解未知区地层压力演化历史的目的O由于造成地层压力变化的不确定因素太多9该方法还处于探索阶段O 1o2应用

地层压力的预测是由钻井问题提出并最早应用于钻井工程9为了防止井喷和井壁坍塌需要加大钻井泥浆的密度9而为了降低钻井成本和防止井漏又需要尽可能减小泥浆的密度O准确预测钻遇地层的流体压力9合理设计井筒结构和配备密度适合的泥浆是地层压力预测的最初目的O

随着地层压力预测和实测数据的积累9石油地质学家通过对盆地地层压力分布和演化的研究9极大地促进了石油地层理论的发展Z]O如对欠压实和异常高压的认识9解释了晚期成油说中初次运移的水源和动力问题]]G盆地内的层状结构是分析油气成藏动力系统的基础G异常高压产生的微裂隙为油相的初次运移和不同压力系统之间的油气运移提供了更合理的解释3]G以流体包裹体和压力模拟为手段的古地层压力来分析还可直接应用于油气充注史的研究4]O这些理论的进步使油气运移研究从简单的油源对比向路径追踪方向发展9并在油气勘探应用中更具可操作性9从而直接为探井部署服务O许多随着地层压力研究的深入而提出的构造概念9如流体底辟5]\水力破裂6]\水力断层7]等9既加深了对沉积盆地构造的认识9也为油气运移和断层封闭性的研究提供了新思路O

近年来9开始将地层压力预测技术应用到油层保护中9特别是对于一些渗透率较低的油气层\高压层段之间地层压力较低的油气层\压敏性油气层等9通过地层压力的准确预测9可以改善井筒结构和钻井液9实行平衡压力钻井9使原来没有发现或没有很好利用的油气层得以开采9取得了一些经济效益9从而受到重视O

Z有效应力法

针对开发井和详探井油层保护对地层压力预测精度要求高的需要9考虑到大多数含油气盆地都有卸载过程9经过几年的反复试验9研究出以特察模型为基础的\通过计算有效应力求取地层压力的新方法有效应力法9并开发出了应用软件9在胜利油田进行了初步应用并取得了良好的效果O

2o1基本原理

根据特察模型9饱和多孔介质沉积物的力学关系符合

6ez=6z-P f(])式中:6

ez

为z方向的有效应力(骨架应力)G6

z

为最大

应力方向z的主应力(z若为垂直方向9则6

z

是上覆

岩层压力)G P

f

为地层压力(孔隙流体压力)O

44

地质科技情报Z00Z年

只要求得G

ez 和G

z

就可以计算出地层压力,为

了准确计算G

ez 和G

z

值需要有钻井资料通过已钻

井的地层压力剖面预测待钻井的地层压力剖面,因此该方法主要适合于开发井和详探井要求已钻井与待钻井的井距不太大一般要小于2000m二者的完钻或目的层位和深度相当地层或岩性的横向变化不大已钻井最好有压力测试资料,

2.2参数的求取

2.2.1上覆岩层压力的确定

含油气盆地内的最大主应力方向一般是垂直的即为上覆岩层压力,对于一个新区应首先建立其上覆岩层压力梯度如果上覆岩层压力梯度在一定范围内变化不太大即可利用该区的地质规律~测井资料等建立起一条本区统一的上覆岩层压力梯度剖面;而对于上覆岩层压力梯度变化较大的区域则需分区块分别建立多条上覆岩层压力梯度剖面,目前建立上覆岩层压力梯度剖面比较好的方法是利用补偿密度测井资料对深度积分即

G0z=O0H0-z

n

z=1

O bz AH z

H0-z

n

z=1

AH z

(2)

式中:G

0z 为一定深度的上覆压力梯度(98Pa/m);O

为上部无密度测井数据段的平均密度(g/cm3);H

0为上部无密度测井数据段的井深(m);O

bz

为一定深

度的密度数据(g/cm3);AH

z

为积分步长(m),为了获得比较可靠的密度数据需要对密度数据进行一定的处理,结合影响密度数据的因素通常对原始密度数据做以下处理:根据井径测井数据的变化情况按照一定的相对偏差选择可以忽略井径变化对密度测井有影响的井段;去掉井段长度小于一定值的井段内的密度数据同时去掉密度值小于一定值的数据,根据校正和处理后的密度数据的变化情况按一定的相对偏差值将井眼分为若干个井段在每一井段内求取密度平均值再根据这些数据积分求取上覆岩层压力梯度,

2.2.2有效应力的确定

压实沉积物的变形主要表现在孔隙度的变化上应变由孔隙度(Z)或压实度(1-Z)来度量,随上覆岩层压力的增大沉积物逐渐被压实有效应力增加孔隙减小,压实沉积物的变形受有效应力控制因此在研究其应力应变关系时一般只考虑有效应力,

岩石的应力应变关系由压实加载曲线(原始压实曲线)和压实过后的卸载曲线来体现,沉积物在正常压实过程中有效应力与孔隙度或压实度的关系称为原始加载曲线,若因某种原因孔隙压力升高或上覆压力减小造成有效应力减小而孔隙度增大该过程称为卸载过程,因岩石并非完全弹性卸载过程中有效应力孔隙度关系与原始加载曲线不同,声波传播速度主要反映孔隙度的变化因声波速度数据容易获取在研究加载曲线和卸载曲线时常用声波速度代替孔隙度或压实度(图1),研究岩石加载和卸载的关系是为了确定有效应力若岩石在压实过程中有效应力一直保持增加状态压实过后也保持压实过程中的最大应力值则有效应力应按加载曲线确定;如果由于像水热增压或地层剥蚀等原因发生卸载且目前的有效应力低于原始压实过程中曾经有过的最大应力则有效应力按卸载曲线确定,因此有效应力可用下式计算

U=A-Kp-Be Dp(3)式中:U为岩层声波时差(/m);p为有效应力(MPa);A B D K均为回归系数,

图1压实加载曲线和卸载曲线

Fig.1Loading curve with compaction and unin talling curve 只要有了岩层声波时差及A B D K这4个参数即可确定有效应力,求取A B D K值有两种方法:D用实测的地层压力数据回归求得;@选择正常压实段岩层的声波时差并计算声波速度同时计算与每一个声波速度值对应的上覆岩层压力梯度值确定正常孔隙压力梯度并由上覆岩层压力梯度值减去正常孔隙压力梯度值从而求得有效应力再由岩层声波时差与有效应力公式回归求取,通常情况下由于实测的压力数据比较少所以一般选择用正常压实段岩层声波时差的方法来确定而正常压实段岩层声波时差的选取既要符合该井的情况又要考虑这口井周围的地下地质及实测压力情况使得有效应力模型更趋于合理化,

岩层声波时差是根据测井声波资料结合地质分层~岩屑录井分层岩性等提取的不同岩层的声波时差值,声波时差测井数据受井径及地层变化影响较大,结合井径测井数据及岩屑录井对测井声波时差做如下处理:根据井径测井数据的变化情况按照一

54

第3期张树林等:

地层压力预测技术及其在油层保护中的应用

定的相对偏差值选择可以忽略井径变化对声波测井有影响的井段;去掉两段分界面上~下各一定长度范围内的声波测井数据同时去掉声波时差值小于或大于一定值的数据;去掉综合录井分层厚度小于一定值范围内的数据;去掉综合录井分层界面上~下一定长度范围内的声波测井数据;将余下的数据按照一定的相对偏差值分为若干个小井段并以该小井段内数据的平均值作为最终的岩层声波时差数据O

3应用效果

应用有效应力法地层压力预测软件在胜利油田几个可能有压敏的地区进行了试验利用预测的压力来平衡钻井对油层保护取得了预期的效果表明该软件具有良好的推广应用前景O

3.1义94断块

前几年由于缺少义94断块可靠的地层压力预测数据钻井设计只能参照已钻探井的泥浆密度值(一般在1.50~1.60g/cm3间最高达到1.65 g/cm3D O地层压力预测结果表明该地区地层压力系数最高在1.12~1.20间O对以往钻井中地层垮塌原因进行分析后认为沙二~沙三段的垮塌与其水化剥蚀有关而与该井段垮塌地层的压力大小没有多大关系O以此为依据设计的义943井钻井液密度仅为1.25g/cm3在钻井过程中为了解决水化垮塌问题使用了一种新型防塌钻井液体系保证了在较低的密度条件下实现井壁稳定和平衡压力钻井O结果表明该井完井时的钻井液密度为1.22g/cm3在该地区的低压油层中获得了工业产能地层测试结果表明表皮系数S=-2.83 日产油27t该井的钻探成功为该区低渗透油气层储量的确定提供了可靠的依据O

3.2史110区块

史110区块储层物性差水敏性强泥页岩段油气层压力相对较高O在该地区以往的勘探开发钻井施工中由于搞不清地层压力的分布情况为了压稳泥页岩段油气层使用的钻井液密度大都在1.40 g/cm3以上相当一部分井试油初产很低O虽然采取了各种增产措施但效果并不明显一直影响该地区的勘探进度发现的地质储量也难以动用O经过地层压力预测后认为全井段最高压力系数仅为1.20 无异常高压O以此为依据在设计史126井时钻井液密度最高设计为1.30g/cm3在保持低密度的情况下实现了井壁稳定不仅解决了历年来的井壁垮塌问题而且还解决了由钻井液高密度引起的油气层损害问题完井时钻井液密度仅为1.30g/cm3O 尽管电测解释史126井沙三段的储层物性~油层厚度都明显差于对比井(史125井D但试油结果为自喷表皮系数为-1.81 产量达到10t/d而同层位的史125井试油产量仅为0.6t表皮系数为5.95O 受史126井成功的鼓舞史127 128 130 131等4口评价井的钻井液密度都控制在压力预测的设计范围内(1.25~1.30g/cm3D均取得较好的勘探效果不仅减少了钻井事故而且保护了油气层(表1D O

表1史110区块压力预测与实际钻探结果的对比Table1Comparison between predicting pressures and practical drilling results in Shi110block

井号

预测压

力系数

设计密度

0B/(g-cm-3D

实际密度

0B/(g-cm-3D

往年密度

0B/(g-cm-3D

表皮系

数S

备注史125 1.35~1.45 1.40 5.95对比井史126 1.18 1.20~1.25 1.30 1.45~1.65-1.87实施井史127 1.18 1.20~1.25 1.27 1.45~1.65实施井史128 1.10 1.20~1.25 1.30 1.45~1.65 1.19实施井史130 1.17 1.20~1.25 1.29 1.45~1.65-2.91实施井史131 1.16 1.20~1.25 1.34 1.45~1.65实施井

3.3滨42断块

滨42断块沙三段属于强水敏型地层钻井过程中易发生垮塌~缩径现象在以往的钻井过程中都采用高密度钻井液来防止井塌~缩径问题最高密度达1.45g/cm3不仅难以解决缩径问题而且油气层受到严重污染O据统计该地区往年的表皮系数均在5以上油气层污染严重O通过压力预测后认为该地区沙四段以上地层的压力系数在1.00左右没有异常高压O在滨422 423 424等三口探井的现场施工中钻井液密度始终控制在1.15g/cm3以下并采用新型钻井液体系较好地解决了沙三段的垮塌问题在该区测试的三口井中有两口井的表皮系数降为负值一口井的表皮系数降低到1.0以下达到了保护油气层的目的O

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FORMATION PRESSURE PREDICTION AND ITS APPLICATION IN RESERVOIR PROTECTION

ZHANG Shu -lin ,ZHAO Ming -hai

(Faculty of Ea7t Resou7ces ,C ina Uni U e7sity of Geosciences ,W u an H u b ei 430074,C ina )

A bstract :T his paper has revieWed the methods and application of formation prediction in different

e x ploration stages and suggested an efficiency stress method for the need o

f reservoir protection .T he formation pressure prediction by the efficiency stress method may offer dependable parameters for drillin

g design and balance pressure drilling .P ressure profiles about 200Wells have been predicted since this method Was applied in Shengli Oilfield .T he drilling results indicate that the predicted pressures are more coincident Wit

h the practical formation pressures than the pressures calculated by other means ,and can be applied to balance pressure drilling .T he results also present good effect of reservoir protection .Key words :formation pressure s efficiency stress s reservoir protection ,******************************************************************************************************************************************************************************

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中国地质大学<地质科技情报>编辑部报道(2002-06-24)

7

4第3期

张树林等:地层压力预测技术及其在油层保护中的应用

地层压力预测技术及其在油层保护中的应用

作者:张树林, 赵铭海

作者单位:中国地质大学资源学院,湖北,武汉,430074

刊名:

地质科技情报

英文刊名:GEOLOGICAL SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION

年,卷(期):2002,21(3)

被引用次数:8次

参考文献(7条)

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引用本文格式:张树林.赵铭海地层压力预测技术及其在油层保护中的应用[期刊论文]-地质科技情报 2002(3)

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