临河坳陷光明构造地层压力随钻监测技术研究

引用本文

徐婕, 姜维寨, 牛华夏, 杨洋, 丁诗, 陈思宇. 临河坳陷光明构造地层压力随钻监测技术研究[J]. 录井工程, 2023,34(4): 49-54.
XU Jie, JIANG Weizhai, NIU Huaxia, YANG Yang, DING Shi, CHEN Siyu. Study on monitoring technique of formation pressure while drilling in Guangming structure, Linhe Depression[J]. Mud Logging Engineering, 2023,34(4): 49-54.
Doi:10.3969/j.issn.1672-9803.2023.04.008 复制到剪切板

Permissions

《录井工程》杂志社所有

临河坳陷光明构造地层压力随钻监测技术研究

徐婕^①, 姜维寨^①, 牛华夏^①, 杨洋^①, 丁诗^②, 陈思宇^①

①中国石油渤海钻探第二录井公司

②长江大学石油工程学院

作者简介：徐婕工程师,1988年生2010年毕业于长江大学资源勘查专业,现在中国石油渤海钻探第二录井公司从事工程地质一体化工作。通信地址:062552河北省任丘市中国石油渤海钻探第二录井公司地质研究评价中心。电话:(0317)2701479。E-mail:xu_jie@cnpc.com.cn

收稿日期: 2023-10-10

基金: 中国石油渤海钻探工程公司揭榜挂帅重大研发项目“油气井工程地质―体化深度融合系统开发"(编号:2022ZD01F)

摘要

河套盆地临河坳陷光明构造发育多套地层压力系统,受地质和工程等因素影响随钻地层压力监测结果精度低,井漏、坍塌、遇阻等事故频出,钻井提速困难。为此,提出应用测井、录井资料修正 dc指数,结合区块地质条件,在一趟钻前提下分段建立正常压实趋势线,完善 dc指数法地层压力随钻监测模型及方法。结果表明,应用上述方法监测的地层压力值与测井曲线预测地层压力值、钻井液密度及实际工况结果对比吻合率较高,可有效指导临河坳陷重点探井的地层压力监测工作。该方法对其他区块地层压力监测工作具有较好的借鉴意义。

关键词: 地层压力; 随钻监测; dc指数法; 河套盆地; 临河坳陷

中图分类号:TE132.1 文献标志码:A

Study on monitoring technique of formation pressure while drilling in Guangming structure, Linhe Depression

XU Jie^①, JIANG Weizhai^①, NIU Huaxia^①, YANG Yang^①, DING Shi^②, CHEN Siyu^①

①No.2 Mud Logging Company, BHDC, CNPC, Renqiu, Hebei 062552, China

②School of Petroleum Engineering, Yangtze University, Wuhan, Hubei 430100,China

Abstract

The Guangming structure in Linhe Depression of Hetao Basin has developed multiple sets of formation pressure systems. Due to the influence of geology, engineering and other factors, the accuracy of formation pressure monitoring while drilling is low, the accidents, namely, lost circulation, caving, drill pipe blocking, etc., occur frequently, making it difficult to improve drilling speed. Therefore, it is proposed to apply well logging and mud logging data to modify the dc index. Combined with the geologic conditions of the block, a trend line of dc index is established in sections under the premise of single trip drilling, and the model and method of dc index pressure monitoring while drilling are improved. The results show that the formation pressure monitored by the above method has a high coincidence rate with the predicted formation pressure from well log, drilling fluid density and actual working conditions, and can effectively guide the formation pressure monitoring work of key exploration wells in Linhe Depression. This method has a good reference significance for the formation pressure monitoring work in other blocks.

Keyword: formation pressure; monitoring while drilling; dc index method; Hetao Basin; Linhe Depression

文章图片

0 引言

河套盆地临河坳陷是华北油田“ 十四五” 期间深层、超深层油气大规模勘探开发的主战场, HT 1井在临河组（5 951~6 460 m）试油获得百万方高产工业油流, 证实了该区块资源潜力^[1]。但随之而来的问题是深层高温、高压环境下普遍存在多套高压层段, 受地质和工程等多种因素影响, 随钻压力监测的精度较低, 井漏、井塌等井壁失稳事故频发, 降低了钻井速度, 同时给钻井施工作业带来了巨大的安全隐患。

随钻地层压力监测是在钻井过程中利用钻井、录井、地质参数资料来综合确定地层压力的变化情况。徐长敏、李红^{[2, 3, 4]}等引入软件对高温高压井进行实时随钻地层压力监测, 获得良好的效果; 李普涛^[5]开展了对钻时参数进行修正的可行性分析, 提出一种新的钻时变换方法来监测地层压力; 李战奎等^[6]建立地质-测井-录井参数与地层压力之间的关系识别图板, 实现了地层压力系数的准确监测。前人的成果在钻井工程方面受钻头类型和尺寸差异的影响, 导致压力监测的计算精度低, 因而有必要通过进一步开展随钻dc指数和压力监测方法的研究, 提高随钻压力监测的精度。

笔者应用河套盆地临河坳陷HT 1井区光明构造3口井的测井、钻井和录井资料, 首先通过修正钻压、钻时等参数进行dc指数校正, 在此基础上提出了在一趟钻的前提下分段建立正常压实趋势线的方法, 开展地层压力随钻监测工作。从监测结果来看, 压力监测精度较高, 效果较好。

1 dc指数法地层压力监测

常用的地层压力监测方法主要为dc指数法。在地层正常压实情况下, 随着岩层埋藏深度的增加, 压实程度递增, 地层孔隙度、机械钻速呈递减趋势, 而当钻遇异常高压地层时, 地层因欠压实作用导致孔隙度、机械钻速增大。根据前人研究^{[7, 8]}提出了针对泥页岩地层的dc指数的计算公式：

$dc ＝ (\frac{\lg \frac{0.0547 R}{N}}{\lg \frac{0.0684 W}{D_{b}}}) \frac{ρ_{n}}{ρ_{m}}$ （1）

式中： $dc$ 为地层可钻性指数; $R$ 为机械钻速, m/h; $N$ 为转盘转速, r/min; $W$ 为钻压, kN; $D_{b}$ 为钻头直径, mm; $ρ_{n}$ 为正常地层压力的当量钻井液密度（即地层水的密度）, g/cm³; $ρ_{m}$ 为实际使用的钻井液密度, g/cm³。

利用上式得到的dc指数可通过反算法计算出地层压力, 公式为：

$ρ_{p} ＝ \frac{dcn}{dc} C_{d} ρ_{0}$ （2）

式中：ρ _p为地层压力当量密度, g/cm³; $ρ_{0}$ 为正常地层孔隙压力当量密度, 通常取1.03 g/cm³; $C_{d}$ 为校正系数, 无因次, 可由现场实测值反算求得; dcn为正常 $dc$ 指数压实趋势线。

2 dc指数法地层压力监测精度的影响因素

dc指数法地层压力监测精度的影响因素较多, 主要包括如下5个方面。

（1）钻压、钻速、转速等参数影响。受人为操作差异、地层岩性变化及其他因素影响, 钻压、钻速（钻时）、转速参数变化频繁, 影响钻头对地层的冲击力, 从而影响岩层的破碎程度, 使dc指数不准确。本文选取1 m内的钻压、转速平均值或加权值作为标准钻压、标准转速。通过校正指重表来保证数据的准确性^{[9, 10]}。

（2）水力因素的影响。水力和机械因素的联合破岩作用会导致机械钻速增大, 因此, 在计算dc值时, 需要先对水力因素的影响进行校正。

（3）钻头型号的影响。钻头型号的改变对dc指数有影响, 随着新的钻井工艺的发展, 钻井中越来越多的采用PDC钻头加动力螺杆、PDC钻头加旋转导向等工具, 使得原有的dc指数模型难以适应。因此, 需要对钻井参数和不同钻头型号之间的关系进行研究, 以获得准确的dc指数。

（4）地层岩性的影响。在同样参数下, 相邻两点的泥岩和页岩的钻速通常是不相同的, 对dc指数和地层压力ρ _p的求取也会有影响。

（5）趋势线建立的合理性。建立合适的正常压实趋势线对于计算地层压力梯度非常重要。通常使用以下方法来建立趋势线：

$dcn ＝ 10^{AH + B}$ （3）

式中：H为井深, m; A、B为线性函数的参数。

常用的方法是将上式两边取对数, lg（dcn）=AH+B, 再在半对数坐标上绘制, 手工回归一条lg（dcn）曲线（正常压实趋势线）, 并获取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指数突变的数据点, 但计算量较大, 同时该方法主要是针对常规中浅层砂泥岩地层所提出的, 深层及超深层在高温和高压环境下受钻头类型、大小、硬度、进尺、磨损, 以及钻井液密度、转速等方面因素的影响, 与中浅层存在较大的差异, 导致常规的方法适用性较差, 精度较低, 影响了压力监测的结果。为此, 亟需在方法上进行改进和优化。

3 dc指数校正及效果验证

由公式（1）可知dc指数是一个综合性指标, 在工程方面, 钻速、钻压对dc指数法计算地层压力的影响较大, 就模型而言, 趋势线的建立对准确度的影响最大。为了准确反映可钻性dc指数与地层压力变化之间的关系, 笔者提出在一趟钻（钻头尺寸、钻头类型不变）前提下, 首先开展钻压、钻速（由录井参数中的钻时参数来转换）等参数的校正工作, 建立机械钻速与钻压、转速参数之间的变化关系, 对dc指数进行校正, 之后在一趟钻的前提下采用分段建立正常压实趋势线的方法开展地层压力监测工作。

3.1 录井与测井资料相结合校正钻压、钻时参数

在常规录井参数中, 钻时的大小能够反映岩石物性的强弱, 钻时快, 则岩石的储层物性好、岩性较纯, 相反钻时慢, 则储层物性差; 声波时差测井曲线是判断岩石储层物性变化的主要手段, 间接反映了钻井参数（钻压、钻时）的变化。

优选HT 1井区3口井压力过渡带的钻时、测井声波时差数据建立钻时与测井声波时差交会图（图1）, 从图中可见, 受钻头类型、钻压及人为操作等多种因素影响, 各井钻时和测井声波时差之间差异较明显, 相关性并不稳定, 较为分散, 整个区域的评价体系建立起来十分困难, 所以需要采用校正钻时的方法来消除工程参数的差异对钻时的影响。

	Figure Option View Download New Window
	图1 HT 1井区钻时与测井声波时差交会图（压力过渡带）

因此, 以钻时和声波时差测井曲线的相关性为基础, 结合钻速方程推导出工程参数对钻压、钻时的校正函数, 需要强调的是钻压校正函数f（W）是在钻时校正基础上开展的, 钻时校正的精度决定钻压校正的准确率, 进而可实现钻井参数的优化。

通过钻速方程^{[11, 12, 13]}来推导钻时校正方法：

$\frac{1}{t} ＝ K （ W - M ） N^{γ} \frac{c_{p} c_{H}}{1 + c_{2} h}$ （4）

式中：t为钻时, min/m; K为钻压系数; W为实测钻压, kN; M为门限钻压, kN; $γ$ 为转速系数, 一般取0.7; $c_{p}$ 为压差影响系数; $c_{H}$ 为水力净化系数; $c_{2}$ 为钻头牙齿磨损系数; $h$ 为钻头牙齿磨损度。

拟定标准参数（标准参数是工程参数的标准化目标, 这里为虚拟值）代入计算得到钻时校正公式：

$\frac{1 / t}{1 / t^{'}} ＝ \frac{(W - M) N^{γ} (1 + c_{2} h^{'}) c_{p} c_{H}}{(W^{'} - M) {N^{'}}^{γ} (1 + c_{2} h) c_{p}^{'} c_{H}^{'}}$ （5）

$t^{'} ＝ \frac{(W - M) N^{γ} (1 + c_{2} h^{'}) c_{p} c_{H}}{(W^{'} - M) {N^{'}}^{γ} (1 + c_{2} h) c_{p}^{'} c_{H}^{'}} t = F_{校正} t$ （6）

式中： $t^{'}$ 为校正钻时, min/m; W'为标准钻压, kN; N'为标准转速, r/min; $c_{p}^{'}$ 为标准压差影响系数; $c_{H}^{'}$ 为标准水力净化系数; h'为标准钻头牙齿磨损度。

进而推导出校正函数 $F_{校正}$ 为：

$F_{校正} ＝ \frac{(W - M) N^{γ} (1 + c_{2} h^{'}) c_{p} c_{H}}{(W^{'} - M) {N^{'}}^{γ} (1 + c_{2} h) c_{p}^{'} c_{H}^{'}}$ （7）

标准参数均为固定值, 因此（ $W^{'} - M$ ）、 ${N^{'}}^{γ}$ 、（ $1 + c_{2} h^{'}$ ）、 $c_{p}^{'} c_{H}^{'}$ 均为常数, 即由公式（7）可得：

$F_{校正} ＝ k （ W - M ） N^{γ} \frac{c_{p} c_{H}}{1 + c_{2} h}$ （8）

式中：k为公式系数。

根据录井现场的经验, 钻井过程的影响因素中, 钻头尺寸、钻压、转速对钻速的影响依次减小, 压差和钻井液性能等因素对钻速的影响较小。因此, 考虑到与钻头尺寸和类型配套的工程参数体系的差异明显, 需要对不同钻头尺寸和类型进行分类研究。

在同一钻头尺寸和型号下, 以钻压和转速作为校正主参数, 得到校正函数F_校正为：

$F_{校正} \approx k （ W - M ） N^{γ} ＝ f （ W ） N^{γ}$ （9）

式中：f（W）为钻压校正函数。

校正后的钻时与测井声波时差之间具有一定的幂函数关系, 即：

$Δ t ＝ j {t^{'}}^{d}$ （10）

式中： $Δ t$ 为声波时差, μ s/ft（1 ft=0.304 8 m）; j为公式系数; d为幂指数。

将公式（6）、公式（9）代入公式（10）推导可得：

$f （ W ）＝ \frac{\sqrt[d]{Δ t / j}}{t N^{γ}}$ （11）

依据上述公式, 结合区域数据可拟合出钻压校正函数f（W）。压力异常段主要采用ϕ 215.9 mm和ϕ 311 mm两种尺寸的钻头进行钻进, 因此, 主要针对这两类钻头进行校正, 校正公式如下, 具体函数关系如图2所示。

$f （ W ）＝ a W^{2} + bW + c$ （12）

式中：a、b、c为公式系数。

	Figure Option View Download New Window
	图2 不同尺寸钻头钻压校正函数关系

根据拟合出的钻压校正函数, 结合公式（6）、公式（9）得到钻时校正公式：

$t^{'} ＝（ a W^{2} + bW + c ） N^{γ} t$ （13）

应用上述公式, 开展全井段不同钻井开次的钻时校正工作。由图3可知, 相较于校正前, 校正后的钻时曲线整体趋势未发生大的变化, 仅在5 020~7 030 m井段出现较大幅度的钻时数据跳跃现象, 主要原因是该深度段为异常压力发育层段, 岩性复杂多样, 地层压力变化较大, 符合正常钻井工况。因此, 钻时校正结果可有效消除由于工程因素导致的钻压、钻时参数精度低的影响, 为后期dc指数值的计算提供有力的数据支撑。

	Figure Option View Download New Window
	图3 不同钻头、不同深度钻时校正前后对比（HT 1井）

3.2 分段建立正常压实趋势线

正常压实趋势线建立的合理与否是影响dc指数方法监测效果与精度的关键因素之一。HT 1井区3口井从储层埋深、井身结构、钻井开次和钻头型号等方面均存在较大差异, 为了消除上述因素对正常压实趋势线建立的影响, 笔者提出在一趟钻的前提下, 针对临河坳陷HT 1井区采用分段的方法建立光明构造的正常压实趋势线, 见表1、图4。需要重点强调的是正常压实趋势线建立过程中必须要遵守以下原则：

表1 HT 1井区光明构造不同井身结构正常压实趋势线建立

	Figure Option View Download New Window
	图4 光明构造正常压实趋势线

（1）在钻头类型及尺寸更换时, 将正常压实趋势线重新定义。

（2）井径发生变化时, 将正常压实趋势线重新定义。

（3）钻井液性能发生较大变化时, 将正常压实趋势线重新定义。

（4）在分段的前提下选取纯泥岩段建立正常压实趋势线, 纯泥岩段尽量选取连续的泥岩发育层段, 厚度在300 m以上, 泥岩厚度越大所建立的趋势线越合理。

3.3 工程应用与效果分析

建立合理的趋势线后, 应用公式（2）可计算得到地层压力。同时, 与应用等效深度法和伊顿法计算的地层压力进行对比。本文采用伊顿法进行计算, 伊顿法计算公式为：

$ρ_{p} ＝ ρ_{h} - （ ρ_{h} - ρ_{w} ） {(\frac{Δ t_{n}}{Δ t})}^{n}$ （14）

式中： $Δ t_{n}$ 为正常压实条件下泥页岩声波时差, μ s/ft; $ρ_{p}$ 为地层压力当量密度, g/cm³; $ρ_{w}$ 为正常压实地层压力当量密度, g/cm³; $ρ_{h}$ 为岩石的上覆岩层压力当量密度, g/cm³; n为伊顿系数, 根据实测地层压力反算本区域n=0.85。

将上述研究成果应用于LongH 1井加深钻进过程的随钻压力监测分析中, 从测井、钻井液密度与随钻监测的地层压力计算结果来看, 随钻压力监测精度较高, 见图5。钻井工况证明溢流、气侵等井壁失稳事故率大幅降低, 有效避免了后期因地层压力规律不清造成井壁失稳现象的发生。

	Figure Option View Download New Window
	图5 LongH 1井校正后的地层压力对比

4 结论

（1）通过进行dc指数法监测地层压力精度的影响因素分析, 明确了钻头尺寸、钻压、钻时及正常压实趋势线建立的合理与否是影响dc指数计算精度的主要因素。

（2）为了消除钻压、钻时等参数对dc指数计算结果的影响, 采用录井与测井资料相结合来校正钻压、钻时参数, 进而实现钻压、钻时等参数的优化, 提高dc指数的计算精度。

（3）为了消除钻头尺寸和类型对随钻压力监测精度的影响, 在一趟钻前提下分段建立正常压实趋势线, 结合dc指数校正结果, 开展LongH 1井加深层地层压力随钻监测, 取得了较好的效果。

编辑陈娟

参考文献

文献列表

[1]	张锐锋, 何海清, 陈树光, 等. 河套盆地临河坳陷石油地质新认识与重大发现[J]. 中国石油勘探, 2020, 25(6): 1-12. ZHANG Ruifeng, HE Haiqing, CHEN Shuguang, et al. New understand ings of petroleum geology and a major discovery in the Linhe depression, Hetao Basin[J]. China Petroleum Exploration, 2020, 25(6): 1-12. [本文引用:1]
[2]	徐长敏, 王雷. PreVue录井技术在高温高压地层钻井中的应用与效果: 以中国南海莺-琼盆地为例[J]. 复杂油气藏, 2018, 11(2): 66-69. XU Changmin, WANG Lei. Application and effect of PreVue logging technology in high temperature and pressure stratum drilling: A case study of Ying-Qiong Basin[J]. Complex Hydrocarbon Reservoirs, 2018, 11(2): 66-69. [本文引用:1]
[3]	李红. Dc指数随钻监测地层压力的应用分析[J]. 海洋石油, 2017, 37(3): 43-48, 61. LI Hong. Application and analysis of monitoring formation pressure while drilling with Dc index[J]. Offshore Oil, 2017, 37(3): 43-48, 61. [本文引用:1]
[4]	刘阳, 邓建明, 崔国杰, 等. 渤中凹陷19-6构造地层压力随钻精确监测技术[J]. 石油钻采工艺, 2018, 40(增刊1): 125-128. LIU Yang, DENG Jianming, CUI Guojie, et al. Precise detection technology of formation pressure while drilling in BZ19-6 structure of Bozhong Sag[J]. Oil Drilling&Production Technology, 2018, 40(S1): 125-128. [本文引用:1]
[5]	李普涛. 基于 dc指数公式的钻时变换方法探讨[J]. 录井工程, 2014, 25(1): 16-20. LI Putao. Discussion on drilling time transformation method based on dc index formula[J]. Mud Logging Engineering, 2014, 25(1): 16-20. [本文引用:1]
[6]	李战奎, 徐鲲, 郭明宇, 等. 地层压力随钻判别技术在旅大M构造钻井工程中的应用[J]. 录井工程, 2022, 33(1): 33-37. LI Zhankui, XU Kun, GUO Mingyu, et al. Application of formation pressure discrimination technology while drilling in drilling engineering of LD M structure[J]. Mud Logging Engineering, 2022, 33(1): 33-37. [本文引用:1]
[7]	王志战. 沉积盆地异常压力体系及其预监测: 以济阳坳陷为例[D]. 西安: 西北大学, 2006. WANG Zhizhan. Abnormal pressure regimes in sedimentary basins and their prediction and detection: A case study of Jiyang Depresson[D]. Xi′an: Northwest University, 2006. [本文引用:1]
[8]	么春雨, 曹军, 苑仁国, 等. 渤海油田随钻地层压力监测 dc指数法改进及应用[J]. 录井工程, 2018, 29(4): 29-31. YAO Chunyu, CAO Jun, YUAN Renguo, et al. Improvement and application of dc index method for formation pressure monitoring while drilling in Bohai Oilfield[J]. Mud Logging Engineering, 2018, 29(4): 29-31. [本文引用:1]
[9]	付明川. dc指数校正研究[J]. 录井工程, 2020, 31(3): 8-13, 17. FU Mingchuan. Study on dc index correction[J]. Mud Logging Engineering, 2020, 31(3): 8-13, 17. [本文引用:1]
[10]	武少波, 赵雷青. 浅谈 DC指数法预测地层压力的影响因素[J]. 西部探矿工程, 2013, 25(12): 46-48, 52. WU Shaobo, ZHAO Leiqing. Factors affecting the prediction of formation pressure using DC index method[J]. West-China Exploration Engineering, 2013, 25(12): 46-48, 52. [本文引用:1]
[11]	孙明光. 钻井、完井工程基础知识手册[M]. 北京: 石油工业出版社, 2002. SUN Mingguang. Basic knowledge manual of drilling and completion engineering[M]. Beijing: Petroleum Industry Press, 2002. [本文引用:1]
[12]	郭学增. 最优化钻井中钻进目标函数初步研究[J]. 华东石油学院学报, 1983(3): 278-287. GUO Xuezeng. A primary investigation on the objective function of penetration cost applied to optimized drilling[J]. Journal of East China Petroleum Institute, 1983(3): 278-287. [本文引用:1]
[13]	陈庭根, 管志川. 钻井工程理论与技术[M]. 东营: 中国石油大学出版社, 2000. CHEN Tinggen, GUAN Zhichuan. Drilling engineering theory and technology[M]. Dongying: China University of Petroleum Press, 2000. [本文引用:1]

2020

0.0

... 期间深层、超深层油气大规模勘探开发的主战场,HT 1井在临河组（5 951~6 460 m）试油获得百万方高产工业油流,证实了该区块资源潜力^[1] ...

2018

0.0

... 徐长敏、李红^[2,3,4]等引入软件对高温高压井进行实时随钻地层压力监测,获得良好的效果 ...

2017

0.0

... 徐长敏、李红^[2,3,4]等引入软件对高温高压井进行实时随钻地层压力监测,获得良好的效果 ...

2018

0.0

... 徐长敏、李红^[2,3,4]等引入软件对高温高压井进行实时随钻地层压力监测,获得良好的效果 ...

2014

0.0

... 李普涛^[5]开展了对钻时参数进行修正的可行性分析,提出一种新的钻时变换方法来监测地层压力 ...

2022

0.0

... 李战奎等^[6]建立地质-测井-录井参数与地层压力之间的关系识别图板,实现了地层压力系数的准确监测 ...

2006

0.0

... 根据前人研究^[7,8]提出了针对泥页岩地层的dc指数的计算公式： ...

2018

0.0

... 根据前人研究^[7,8]提出了针对泥页岩地层的dc指数的计算公式： ...

2020

0.0

... 通过校正指重表来保证数据的准确性^[9,10] ...

2013

0.0

... 通过校正指重表来保证数据的准确性^[9,10] ...

2002

0.0

... 通过钻速方程^[11,12,13]来推导钻时校正方法： ...

1983

0.0

... 通过钻速方程^[11,12,13]来推导钻时校正方法： ...

2000

0.0

... 通过钻速方程^[11,12,13]来推导钻时校正方法： ...