地層三力剖面的測(cè)井建立及井控應(yīng)用研究.docx

1、綜合信息地層三力剖面的測(cè)井建立及井控應(yīng)用研究陳蓉】夏宏泉1盧忠沅21.西南石油大學(xué)石油工程測(cè)井實(shí)驗(yàn)室2.塔里木油田開(kāi)發(fā)事業(yè)部摘要：準(zhǔn)確乎算地層三壓力，對(duì)井身結(jié)構(gòu)與井控的設(shè)計(jì)及優(yōu)質(zhì)高效鉆完井工程有著非常重要的作用。9條常規(guī)測(cè)井曲線的解釋姑果不能滿足鉆井工程對(duì)井控壓力參數(shù)的時(shí)效和精度要求。本文以鄂爾多斯盆地姬堀區(qū)塊的油井為例，從地層聲波全波信息提取和巖石力學(xué)參數(shù)計(jì)算出發(fā)，充分利用偶極聲波和常規(guī)測(cè)井資料進(jìn)行地層三壓力的計(jì)算，建立盆地多個(gè)區(qū)塊的地層“三力”剖面，采用VB語(yǔ)言和】XCHL工具開(kāi)發(fā)了“鄂爾多斯盆地地層三力數(shù)據(jù)庫(kù)”程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)盆地各區(qū)塊多口井的地層三壓力數(shù)據(jù)的管理和應(yīng)用，為鉆井工程的井控壓力

2、參數(shù)設(shè)計(jì)提供了可靠依據(jù)。關(guān)鍵詞：地層三力剖面；偶極聲波測(cè)井；泊松比；井控壓力作者簡(jiǎn)介：陳-（1984-）,女，西南石油大學(xué)石油工程測(cè)井碩士研究生（在讀），主要研究地層三壓力的測(cè)井計(jì)算以及鉆井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。0引言隨著油氣勘探開(kāi)發(fā)領(lǐng)域的不斷延伸擴(kuò)大,鉆井難度越來(lái)越大，對(duì)井控技術(shù)的要求也越來(lái)越高。為了對(duì)付夏雜地層，要實(shí)現(xiàn)安全優(yōu)質(zhì)快速鉆井，必須做好井控壓力剖面設(shè)計(jì)。井控作業(yè)分為初級(jí)井控、二級(jí)井控及三級(jí)井控，初級(jí)井控的核心即準(zhǔn)確計(jì)算全井段地層孔隙壓力、坍塌壓力和破裂壓力，確定合理的鉆井液密度,為安全鉆井提供第一級(jí)屏障。常規(guī)聲波時(shí)差測(cè)井不能測(cè)量軟地層（At>110Mt）或泥頁(yè)巖地層的橫波，因而極大地

3、降低了聲波測(cè)井資料預(yù)測(cè)巖石力學(xué)參數(shù)的梢度，進(jìn)而影響地層三壓力計(jì)算精度。偶極聲波測(cè)井是繼長(zhǎng)源距聲波測(cè)井之后的新-代全波列測(cè)井，其偶極發(fā)射器和接收器聲系可以不受軟硬地層的限制，適用于各種地層的聲波測(cè)Wo本文利用常規(guī)測(cè)井資料和STC法提取的縱、橫波時(shí)差準(zhǔn)確訂筑巖石機(jī)械強(qiáng)度、地層孔隙壓力和坍塌壓力及破裂壓力（簡(jiǎn)稱地層三慶力或地層三力），確定合理的泥漿密度窗口，建立地層三力數(shù)據(jù)庫(kù)，為井控壓力參數(shù)設(shè)計(jì)提供了重要的油田數(shù)字化信息。1測(cè)井資料處理與三力參數(shù)計(jì)算1.1縱橫波時(shí)差的提取地層縱波和橫波屈于體波，是由介質(zhì)震動(dòng)體形變引起的能夠在三維空間里任何方向上傳播的波。聲波全波波形中,縱波波至最早，橫波波至處于縱波

4、和斯通利波之間，斯通利波的波至最晚夾雜在偽瑞利波之間。P波、S波與ST波的慢度與幅度是依次增大的，而頻率是依次減小的。從DSI/XMAC/WS測(cè)井資料中提取縱波、橫波慢度（時(shí)差）及能景信息等是其工程應(yīng)用的前提。目前主要采用時(shí)域和頻域兩種提取方法獲得聲波慢度和能量信息，本研究主要采用STC法。它是-種時(shí)域內(nèi)的多道信號(hào)相關(guān)分析技術(shù)，通過(guò)在-組全波波列中開(kāi)設(shè)時(shí)窗,使用時(shí)窗依次柢取每個(gè)波列，時(shí)窗在參考波列上的位置為tM他波列上的時(shí)窗位線性移動(dòng)，相鄰窗之間移動(dòng)記為S。通過(guò)選取合理的時(shí)窗長(zhǎng)度和慢度搜索范圍，求取8個(gè)接收器收到的由同一發(fā)射源在某時(shí)刻發(fā)的波信號(hào)的相關(guān)系數(shù)，最大相關(guān)系數(shù)對(duì)應(yīng)的慢度即為該深度地層的

5、縱速和橫波慢度。"+s（m-l）Az+dtb（s，r）=/弋七M(jìn)EJ/«k+S（M-l）Az+r'df式中:Tw茹甘窗長(zhǎng)度，fis;S為慢度，身/ft;t為時(shí)窗在第一道波形上的開(kāi)窗位置，jxs。相關(guān)系數(shù)R的取值范圍為0WRW1,R=0表示波形間無(wú)任何關(guān)系;R=1表示波形形態(tài)完全相同。此外，計(jì)算巖石力學(xué)參數(shù)必須有橫波時(shí)差數(shù)據(jù)，但并非每【I井都測(cè)有DSI/XMAC/WS資料。為此，可用已提取的縱橫波時(shí)差等數(shù)據(jù)（去掉異常GR和DTS/AC的數(shù)據(jù)點(diǎn)）建立擬合公式,構(gòu)建一條橫波時(shí)差曲線，進(jìn)而求取未測(cè)橫波時(shí)差井段的泊松比等巖石力學(xué)參數(shù)。表1泊松比和三模量的測(cè)井計(jì)算公式匯總1.2

6、巖石力學(xué)參數(shù)的計(jì)算念CHi力孕，散汨松HUVIMAPISMA許筒格式*«VJUJWVG&的雙力7切向招安之比x0雄勤的怖機(jī)*打體祀憐域HK體力、體taHl入以x，5為GW.&以為HMM.K,、GA*«*«/.9.29O3O4xO'>.E.K,tNldmP為網(wǎng)2.泊松比是計(jì)算其它巖石力學(xué)參數(shù)、地應(yīng)力和地層三壓力最重要的基礎(chǔ)參數(shù)。通過(guò)巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)和測(cè)井資料可獲取泊松比。表1是動(dòng)態(tài)泊松比與動(dòng)態(tài)三模爆的計(jì)算公式。其它參數(shù)都可以通過(guò)泊松比與剪切模StG轉(zhuǎn)換求得。1.3地層孔隙壓力、坍塌壓力與破裂壓力的計(jì)算伊頓法計(jì)算孔隙壓力Pp綜合考慮了除壓實(shí)作

7、用以外其它異常壓力形成機(jī)制，并總結(jié)參考了鉆井實(shí)測(cè)壓力與各測(cè)井信息之間的關(guān)系,是一種比較實(shí)用的方法：PPo-（Po-Pw）（AtJAt）e（2）式中:P。一上覆地層壓力,Mpa；P.一地層水靜液柱壓力，Mpa;實(shí)際深度點(diǎn)聲波時(shí)差測(cè)井實(shí)測(cè)"正常壓實(shí)趨勢(shì)線上的聲波時(shí)差值,正常壓實(shí)趨勢(shì)線（方程）的構(gòu)建是伊頓法計(jì)算地層壓力的關(guān)鍵，它是采用正常壓力井段的泥質(zhì)JZ點(diǎn)的測(cè)井讀值I可歸計(jì)算與經(jīng)驗(yàn)調(diào)整相結(jié)合的方法而建立的。一般制作圖版時(shí)是以地區(qū)平均正常壓力趨勢(shì)為依據(jù)的。只有各單井的正常趨勢(shì)線與地區(qū)平均正常趨勢(shì)線基本接近時(shí)，才能保證所預(yù)測(cè)壓力的準(zhǔn)確性。依據(jù)回歸泥質(zhì)層聲波時(shí)差值的限制范圍，即55（ZU的單位

8、為p.s/ft,M為由回歸趨勢(shì)方程反算出等效深度點(diǎn)的聲波時(shí)差值），利用實(shí)測(cè)壓力點(diǎn)的聲波時(shí)差值對(duì)地層壓實(shí)趨勢(shì)線斜率和截距進(jìn)行反推修正與調(diào)節(jié)，色到合理為ll：o圖1為鄂爾多斯盆地姬堀區(qū)塊泥巖層（聲波時(shí)差）正常壓實(shí)趨勢(shì)線,其方程為：Ln（AC）=-0.000206-DEP+4.693（R=0.963,N=491）（3）將實(shí)際地層深度值代入式可求出正常壓實(shí)趨勢(shì)的聲波時(shí)差值,再由式計(jì)算出實(shí)際的地層壓力Pp。伊頓指數(shù)（即壓實(shí)指數(shù)c）是通過(guò)實(shí)測(cè)地層壓力及測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)代入式（2）反算得到，鄂爾多斯盆地三疊系地層的伊頓指數(shù):油井區(qū)為0.2140.314,氣井區(qū)為0.2740.384。根據(jù)摩爾一座侖前切破壞準(zhǔn)則，推導(dǎo)

9、出計(jì)算地層坍塌壓力BP的公式為:BP=aPSST2PR/（1一PR）+A（l-sin。）2（/-盼cosS（4）式中:Kt-區(qū)域規(guī)則應(yīng)力系數(shù)（可取為1）；SST-巖石固有前切強(qiáng)度,Mpa;。一砂泥巖地層巖石的內(nèi)摩擦角（一般S取為30°）,（TL井壁上一點(diǎn)的最小主應(yīng)力,Mpao基于三向地應(yīng)力模型建立的破裂壓力FP計(jì)算模型為：FP=如+R停料aP）卜（1一a）.Ci&.S,式（5）中第二項(xiàng)反映了地層孔隙壓力對(duì)破裂壓力的影響，第二項(xiàng)反映了由上覆地層壓力和地層孔隙壓力綜合作用的垂直骨架應(yīng)力（有效應(yīng)力）對(duì)破裂壓力的貢獻(xiàn)，第三項(xiàng)反映了巖石抗張強(qiáng)度對(duì)破裂壓力的影響，且Pp、Po-aP、St

10、前邊的系數(shù)項(xiàng)反映了它們對(duì)破裂壓力所起作用的大小。式中,G=1表示非裂縫性地層或孔隙性儲(chǔ)層，否則C.=0；C2=l表示壓裂施工時(shí)計(jì)算的地層破裂壓力,G=0表示用于鉆井中為防止泥漿比重過(guò)大壓漏地層而需要忽略地層抗張強(qiáng)度時(shí)計(jì)算的地層自然破裂壓力（或漏失壓力），這里Cl=C2=0o1.4地層三力數(shù)據(jù)庫(kù)的建立VB語(yǔ)言系統(tǒng)有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)管理、控制和應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)能力;EXCEL是一個(gè)電子表格軟件，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理和格式輸出功能,能根據(jù)用戶的要求,靈活、方便地制作出各種格式的數(shù)據(jù)報(bào)表疽鄂爾多斯盆地地層三力數(shù)據(jù)庫(kù)”是將存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的EXCEL表存儲(chǔ)在DataBase文件夾下,并利用VB語(yǔ)言編程調(diào)用和管理這些數(shù)據(jù)信息

11、，實(shí)現(xiàn)油田“地層三力”數(shù)字化信息的資源共享。其數(shù)據(jù)體主要字段（結(jié)構(gòu)）如圖2所示。：afc;D1!JFi;811虹糙*引場(chǎng)仔/就"劇好姒杼席勒:藉氏加略勒12；3jJ1|W圖2地層三力數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)體主要字段（結(jié)構(gòu)）2應(yīng)用實(shí)例分析基于上述方法模型，優(yōu)化編程,對(duì)鄂爾多斯盆地12個(gè)區(qū)塊多口井測(cè)井資料進(jìn)行了處理與分析。利用已開(kāi)發(fā)的“鄂爾多斯盆地地層三力數(shù)據(jù)庫(kù)”程序?qū)ε璧馗鲄^(qū)塊地層巖石力學(xué)數(shù)據(jù)、地應(yīng)力數(shù)據(jù)和地層三力數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、調(diào)用、查詢和共享，從而實(shí)現(xiàn)油田信息數(shù)字化,為盆地的地質(zhì)勘探和井控壓力設(shè)計(jì)等提供決策依據(jù)。限于篇幅，本文僅以姬源區(qū)塊的黃XX井為例予以說(shuō)明。圖3是黃XX井2950-2985

12、m基于改進(jìn)后的聲波時(shí)差提取程序處理成果圖。其中曲線名未加后綴的是本程序的提取結(jié)果（如縱波慢度、橫波慢度和斯通利波慢度）;后綴為“ex”是Express軟件提取結(jié)果（如縱波慢度ex、橫波慢度ex和和斯通利波慢度ex）?？梢钥闯觯淝€形狀非常一致、幅值非常接近。圖3黃xx井XMAC聲波測(cè)井資料提取的縱橫波慢度成果圖圖4是黃xx井2600-3000m地層三壓力解釋成果剖面圖，最后一道給出了安全泥漿密度窗口。安全泥漿密度下限取坍塌壓力梯度與孔隙壓力梯度中圖4黃XX井地層三壓力測(cè)井解舞成果圖圖5郭爾多斯盆地地層三力數(shù)據(jù)庫(kù)運(yùn)行界面!：；7*002003000圖6（b）黃xx井地層三壓力數(shù)據(jù)庫(kù)信息示例較大

13、的值,上限取破裂壓力的最小值。啟動(dòng)“SWPU-3PDATA-CQ地層三壓力數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)”程序,在地層三壓力數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)窗口（圖5）的井類型及所在區(qū)塊下拉列表中分別選擇油井和姬燎工區(qū)地層三壓力數(shù)據(jù)庫(kù),點(diǎn)擊打開(kāi)資料庫(kù)按鈕，即會(huì)出現(xiàn)該區(qū)塊的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)表,選擇黃XX井，如圖6(a)、圖6(b)所示。表6(a)給出黃xx井2600-3000m地層孔隙壓力梯度、破裂壓力梯度和坍塌壓力梯度數(shù)據(jù)。井控按層組設(shè)計(jì)的泥漿密度需大于Max(坍塌壓力梯度，地層壓力梯度1,小于最小破裂壓力梯度O由圖6(b)可知，長(zhǎng)4+5段與長(zhǎng)6段最大坍塌壓力梯度分別為1.085、l.llMpa/100m,最小破裂壓力梯度分別為1.440.1

14、.499Mpa/100m，孔隙壓力梯度在0.898-0.918Mpa/100m之間，則該井段實(shí)鉆泥漿密度需在1.11-1.440取值，但實(shí)際鉆井過(guò)程中的泥漿密度采用1.081g/cm3,小于對(duì)應(yīng)深度的安全泥漿密度下限。在圖4中第二道井徑曲線顯示:長(zhǎng)4+5段與長(zhǎng)6段擴(kuò)徑率最高分別為29.1%、17.6%，說(shuō)明長(zhǎng)4+5段與長(zhǎng)6段發(fā)生了不同程度的井壁垮塌，這與實(shí)際是相符的；長(zhǎng)7及長(zhǎng)9段最大坍塌壓力梯度分別為0.912、1.078Mpa/100m,最小破裂壓力梯度分別為1.494、1.553Mpa/100m,這兩段孔隙壓力梯度在0.914-0.948Mpa/100m之間，則安全泥漿密度范圍是1.078

15、-1.494g/cm3,此段實(shí)鉆泥漿密度1.081g/cm在安全泥漿密度窗口之內(nèi)，圖4中第二道井徑曲線顯示:井眼比較平滑，擴(kuò)徑率在6%左右，井壁未發(fā)生明顯垮塌。三力數(shù)據(jù)庫(kù)可反映鉆遇地層巖石機(jī)械強(qiáng)度、地層孔隙壓力、坍塌壓力和破裂壓力的變化拐點(diǎn),根據(jù)拐點(diǎn)選取合理的實(shí)鉆泥漿密度,設(shè)計(jì)合理完井次數(shù)、井身結(jié)構(gòu),安全鉆穿目的層位。在井壁失穩(wěn)情況下,可利用數(shù)據(jù)庫(kù)中孔隙壓力梯度選取合理的壓井液密度，壓井液密度以該孔隙壓力梯度為基準(zhǔn)，再加一個(gè)附加值,附加值一般油水井為O.O5-O.lg/cm3，氣井為0.07-0.15g/cm'o3結(jié)論與建議(1) 充分利用偶極橫波與常規(guī)測(cè)井資料可以準(zhǔn)確地計(jì)算地層巖石力

16、學(xué)、地應(yīng)力和地層三壓力等數(shù)據(jù)與建立連續(xù)的地層三力剖面。由盆地內(nèi)不同區(qū)塊內(nèi)的多口井三壓力剖面數(shù)據(jù)等建立了“鄂爾多斯盆地地層三力數(shù)據(jù)庫(kù)”，為實(shí)現(xiàn)油田信息數(shù)字化,實(shí)時(shí)進(jìn)行井控壓力參數(shù)設(shè)計(jì)，掌握待鉆井的縱向地層壓力變化提供了可靠依據(jù)。(2) 測(cè)井計(jì)算的鄂爾多斯盆地三疊系地層的安全鉆井泥漿密度窗口較寬,實(shí)際新井鉆井過(guò)程中只要根據(jù)地層三力數(shù)據(jù)庫(kù)的信息合理控制鉆井泥漿密度的高低(控制鉆井液柱壓力)，有利于后續(xù)井的鉆井工作，避免噴、漏、卡、塌等井壁不穩(wěn)定問(wèn)題,縮短鉆井周期。(3) 值得注意的是，井控壓力設(shè)計(jì)成果數(shù)據(jù)取值，需避開(kāi)擴(kuò)徑、不規(guī)則井眼，讀取地層的最大坍塌壓力、最小破裂壓力，且最大坍塌壓力在容易坍塌的泥

17、巖中讀取，最小破裂壓力在容易破裂的砂巖中讀取,特殊巖性單獨(dú)取值。參考文獻(xiàn)：夏宏泉等，鄂爾多斯盆地地層“三力”剖面測(cè)井預(yù)測(cè)方法R,西南石油大學(xué)科研報(bào)告,2012.2 孫明光，鉆井、完井工程基礎(chǔ)知識(shí)手莎M,北京：石油工業(yè)出版社2002.3 章成廣、江萬(wàn)哲等，聲波瀏井原理與應(yīng)用M,北京：石油工業(yè)出版社2008.4 苒希文，鉆井事故與復(fù)雜問(wèn)MM,北京：石油工業(yè)出版社2000.5 B.A.Eaton.FractureGradientPredictionTechniquesandTheirApplicationinDrilling,SumulationandSecondaryRecoveryOperati

18、ons,SPE2136.(上接第66頁(yè))吳音軍等，銅柱測(cè)壓在高能氣體壓裂技術(shù)中的應(yīng)用，石油鉆采工藝,1999.21(1).5 WeeH.L.,Oilwellperforatordesignusing2DEulcriancode,InternationalJournalofImpactEngineering,27(2002)535-559.(7jCADYCM,etal.MechanicalPropertiesofPlasticBondedExplosiveBinderMaterialsasaFunctionofStrainRateandTemperatureA,ProceedingsofInternationalConferenceonFundamentalIssuesandApplica