0 引 言

页岩气作为清洁能源,在我国勘探开发正方兴未艾,目前国内页岩气主产区大多位于四川盆地及其周缘山区,其主力页岩气层为海相沉积的龙马溪组页岩地层,自上而下钻遇大套碳酸盐岩地层,研究表明地层压力和页岩气富集、成藏关系密切,高地层压力是非常有利的储集层品质参数,有利于页岩气的保存和开采。但碳酸盐岩地层压力检测和评价是一个世界性的难题,至今尚未形成一套行之有效的预测和评价方法^[1]。

自1950年以来,国内外学者对地层压力进行长期的探索和研究,根据压实理论提出了多种地层压力计算方法和作业流程,如钻前开展地震法预测地层压力、随钻利用综合录井仪dc指数和Sigma指数方法实时监测地层压力、钻后利用声波测井数据对地层压力进行检测^[2],基本解决了常规的砂泥岩剖面的地层压力计算和评价问题,并取得较好的应用效果。由于碳酸盐岩属化学沉积和胶结,岩性致密坚硬,没有正常压实规律,传统的地层压力评价方法无能为力,只有另辟途径,创建一种适用于碳酸盐岩剖面的地层压力计算方法和作业流程^[2]。新方法是根据太沙基1925年提出的适用于饱和多孔介质的有效应力原理计算地层压力,其基本思路是利用测井资料提取上覆岩层压力和孔隙度参数,依据岩石力学实验数据和规律,建立孔隙度和有效应力关系式,由孔隙度求得有效应力,再根据有效应力原理来计算地层压力。实践证明这是一种较为理想的方法,精度较高。

1 传统地层压力检测的局限

地层压力是指地层孔隙中流体(油、气、水)所具有的压力,地层压力梯度是单位深度增加的地层压力值,在油气工程领域,通常用kPa/m表示压力梯度。对于已完钻的井,可由试井得到地层压力数据,虽然由此得到的地层压力数据直接、可靠,但通常数据点很少,不能得到连续的剖面。

目前,在页岩气勘探开发领域,地层压力是一项重要的基础参数,在一个新探区参照地层压力信息选择井位,对提高探井的成功率具有重要意义。根据地层压力变化合理选择钻井液密度和套管下深,有利于油气层保护和节省成本,确保钻井安全和提高钻速,根据地层压力分布可以选择有利的页岩气富集区^[3]。

传统地层压力检测方法在泥岩地层取得了较好的应用效果,但用于海相碳酸盐岩地层效果却很不理想。究其原因是,碎屑岩地层压力的预测理论依据是“泥质沉积物不平衡压实造成地层欠压实并产生异常高压”这一最普遍的异常高压形成机制^[3]。但是对于碳酸盐岩地层,由于泥岩层很少,很难构建正常压实趋势方程,根据传统地层压实理论推导出的地层压力预测方法对碳酸盐岩地层计算误差较大,基本不适用。为此,需要一种适用复杂地层剖面的地层压力预测方法和模型,经研究选择太沙基有效应力原理对碳酸盐岩地层压力进行预测^[4]。碳酸盐岩地层是以化学胶结作用为主,根据岩心单轴压缩强度测试可知,保靖区块单轴抗压强度(UCS)在112~142 MPa之间(表1),岩石强度属于中-硬级别;脆性矿物指数(图1),随井深变化不敏感,基本为一垂线,说明上覆岩层的压力并未作用于孔隙流体上,而是由岩石骨架承担^[3]。因此,基于传统的地层压力研究方法对于碳酸盐岩地层是不适用的。

在2013-2014年保靖区块勘探初期,由于没有摸清地层压力系统,使用钻井液密度过大,BY 1井和BY 2井发生4次压差卡钻、断钻具事故,损失钻机台时59.3 h,BY 1井井身结构设计不尽合理,给完井后的加砂压裂带来困难。因此,有必要对碳酸盐岩地层压力评价方法进行研究,创建适合碳酸盐岩剖面的地层压力评价方法和模型。

2 区块地质概况

神华地质勘查有限责任公司自2013年开始在湖南保靖探矿权区块开展页岩气的勘探工作,先后完成了BC 1井、BC 2井、BC 3井、BY 1井、BY 2井、BY 3井、BY 3XF井和BY 4XF井共8口井的钻探,总进尺15 485.7 m。该区块地层属于扬子地台湘鄂西分区永顺-酉阳小区。根据已钻井资料,以及邻区钻井资料和区域露头揭示,保靖探矿权区及周边地区地层由老至新主要有新元古界震旦系,下古生界寒武系、奥陶系、志留系,上古生界泥盆系、二叠系、中生界三叠系及第四系。钻井目的层为下寒武统牛蹄塘组和下志留统龙马溪组。

从震旦纪开始,扬子地台发生海浸^[5],过渡为大陆边缘的浅海陆棚相沉积环境,广泛接受沉积,发育陡山坨组、灯影组。早寒武世早期,扬子地台总体处于短暂的快速海进和缓慢海退沉积背景,为深水陆棚沉积环境,发育一套巨厚的黑色泥页岩沉积建造即牛蹄塘组页岩;后期水体逐渐变浅,由早期深水陆棚逐渐向浅水陆棚及潮坪相演化。

晚奥陶世-早志留世,海水由南向北入侵。当时古地理为海湾环境,海水深而不畅,沉积滞流相黑色页岩和硅质岩,即区域上分布相对稳定的上奥陶统五峰组-下志留统龙马溪组海相黑色页岩,并发育有笔石化石^[5];随后,海盆面积扩大,处于浅海陆棚环境,沉积了页岩、粉砂岩、泥灰岩等。

3 海相地层压力评价模型的建立

3.1 碳酸盐岩地层压力评价模型的建立

根据太沙基的研究,沉积物在地层压实过程中,从力学角度讲会受有效应力的控制,在地层孔隙度变化、孔隙流体中异常高压的形成等过程中,力学关系符合有效应力原理,为方便应用,由压力梯度来表示其应力关系,地层压力梯度p_p等于上覆岩层压力梯度σ_z与有效应力梯度σ_e之差,即^[4]:

p_p=σ_z-σ_e (1)

在地层上覆岩层压力梯度保持不变时,垂直有效应力梯度和地层压力梯度可相互转化,只要设法求取有效应力梯度就可以确定地层压力梯度。研究发现,地下的有效应力梯度与孔隙度密切相关^[4],利用实验分析可以建立有效应力梯度与孔隙度的关系式,由孔隙度确定有效应力梯度后,再根据有效应力原理计算地层压力梯度。

3.1.1 孔隙度的求取

岩性一定的情况下,声波时差与孔隙度呈正相关,一般页岩孔隙度较低,据保靖区块岩心实验数据,本区块龙马溪组页岩孔隙度以小于3%为主,孔隙度分布在0.04%~4.16%之间,平均值1.59%^[5]。

孔隙度对声波时差的影响已经研究了许多年,1956年怀利等就提出著名的怀利公式^[6]:

ϕ=(Δt-Δt_ma)/(Δt_fw-Δt_ma) (2)

式中:ϕ为岩石孔隙度,%;Δt为实际的岩石声波时差,μs/m;Δt_ma为岩石骨架的声波时差,μs/m;Δt_fw为地层水的声波时差,μs/m。

3.1.2 岩石骨架和地层水的声波时差取值研究

对于岩性已知、地层水性质变化不大的地层,Δt_ma和Δt_fw通常有相对确定的值(表2)^[6]。根据对保靖区块的研究,石灰岩骨架密度的声波时差取值156 μs/m,地层水的声波时差取值为655 μs/m,其他地区可参考表2进行调整。将岩石骨架密度的声波时差和地层水的声波时差经验值代入式(2),可导出经验公式如下:

ϕ=(Δt-156)/(655-156)=0.002Δt-0.313 (3)

3.1.3 上覆岩层压力梯度计算

上覆岩层压力指覆盖在地层以上的岩石骨架和孔隙流体总重力,上覆岩层压力梯度是上覆岩层压力的单位深度增加值^[7]。过去假设上覆岩层压力随深度均匀增加,一般认为上覆岩层压力梯度的理论值为22.7 kPa/m^[8]。实际应用时可收集密度测井曲线或岩心实测密度值,将这些数据按照井深进行排序和插值处理,计算上覆岩层压力梯度。

对于没有密度测井资料或测井质量差的层段,需要将已有的数据回归为和井深相关的函数^[8]。一般采用以下回归模型:

σ_z =10ρ₀+aH(4)

式中:ρ₀为地表层岩石当量密度(一般取值为1.8 g/cm³);a为方程的斜率,m^-1;H为真垂深,m。

在保靖区块,根据BY 1井密度测井资料获得上覆岩层压力梯度曲线(图2),并拟合获得与井深相关的方程:

σ_z =19.5+2.2 ×10^-3H(5)

3.1.4 地层压力梯度计算公式的推导

从岩石力学角度讲,沉积物压实过程主要受垂直有效应力控制。在正常沉积地层,有效应力随着埋深的增加而逐步增大,孔隙度则减小。对于欠压实地层,存在或束缚有油、气、水介质,孔隙度比正常压实情况偏大,有效应力减小,按照“不平衡压实造成地层欠压实并产生异常高压”机制,认为该处存在异常压力^[4]。在研究其应力与应变关系时,如果只考虑有效应力,沉积物变形主要是孔隙度变化引起,应变由压实程度来度量。通过对岩石力学参数实验数据的分析可建立应变系数λ、孔隙度ϕ与有效应力梯度的函数关系^[4]:

σ_e=σ_{e max}(1-ϕ)^λ(6)

式中最大有效应力梯度σ_{e max}和应变硬化系数λ可由岩心三轴应力实验或测井资料处理获得。

通过对保靖区块BY 1井、BY 2井、BY 3井岩心实验数据指数曲线拟合回归分析,σ_{e max}=12.5 kPa/m ,λ=1,将其带入式(6)可得:

σ_e=12.5(1-ϕ)(7)

将式(7)代入式(1)可得:

p_p=σ_z-12.5(1-ϕ)(8)

由于古生代海相地层岩石致密、压实程度较好,为简化计算,可取上覆岩层压力梯度的理论值σ_z= 22.7 kPa/m,将其代入式(8)得:

p_p=22.7-12.5(1-ϕ)(9)

3.2 碳酸盐岩地层压力工作流程

碳酸盐岩地层压力工作流程如图3所示。首先收集测井资料(井深、声波测井、密度测井参数),利用声波测井资料提取孔隙度,通过孔隙度与应力函数关系公式,求取有效应力梯度;再根据有效应力原理,用上覆岩层压力梯度减去有效应力梯度,就可直接计算地层压力梯度;最后利用邻井和正钻井进行对比,结合地层、岩性和钻井液当量密度,评价地层压力梯度,并绘制地层压力梯度随井深变化的成果图^[9,10]。

4 实际应用效果

保靖区块前期地质工作薄弱、缺乏钻井资料,仅有4 km×8 km测网密度的二维地震测线控制,没有开展精准的三维地震勘探,因而面临做好地层压力评价工作的巨大挑战。

2013年由于刚进入区块使用岩心钻机钻探页岩气参数井——BC 1井、BC 2井、BC 3井,由于区块的地质情况和地层压力系统不清楚,且缺乏钻探经验,钻机台月效率低,钻探周期长。

2014年使用石油钻机钻探预探井BY 1井、BY 2井,由斯伦贝谢提供测井服务,开展岩石力学和地层压力研究,提出碳酸盐岩地层压力评价方法,由测井数据提取上覆岩层压力梯度和地层压力梯度,但因井身结构设计和钻井液密度选择不尽合理,钻井事故时有发生。2014年钻井平均机械钻速3.13 m/h,平均钻井周期长达101.9 d^[11]。

2015年在前期BC 1井、BC 2井、BC 3井、BY 1井、BY 2井5口井测井资料的基础上,建立碳酸盐岩地层压力评价模型和作业流程,获得了精准的岩石力学模型和地层压力剖面,摸清了区块的地质情况和地层压力分布,为BY 3XF、BY 4XF大斜度定向井钻井方案设计和优快钻井提供了可靠依据。2015年钻井平均机械钻速4.43 m/h,平均钻井周期94 d,与2014年钻井相比,机械钻速提高41.5%,钻井周期缩短8.4%。

经过对测井资料处理,BY 1井建立的岩石力学参数剖面见图4。BY 1和 BY 2井采用声波时差曲线识别异常地层压力,未见明显偏移,中上部基本为正常地层压力梯度(10.3~10.5 kPa/m),下部龙马溪储集层地层压力梯度在10.9~11.0 kPa/m之间(图5)、牛蹄塘组储集层地层压力梯度在10.9~11.1 kPa/m之间(图6),经建模插值计算得出的保靖区块地层压力系数平面分布见图7。

经过对地层压力检测值与试气时下华油压力计实测压力值对比,地层压力计算精度达90%以上(表3),表明其检测精度可以满足钻井工程的需要^[12]。

5 结 论

新方法是以声波测井资料为基础提取孔隙度,利用孔隙度与应力的函数关系,求取有效应力,同时利用有效应力原理直接计算地层压力。该方法与传统的dc指数方法相比有以下优势:

(1)提高地层压力预测精度,通过邻井声波测井参数,可以在钻前较为精准地预测地层压力,为井身结构设计和平衡压力钻井提供依据。

(2)实现地层压力的实时监测,利用井下LWD实时采集的声波测井参数,由电传系统发送到地面,利于在钻井过程中及时发现异常地层压力,确保井下安全。

(3)地层压力评价适应多样化的地质环境,传统方法一般仅适用于泥页岩地层,新方法具有对泥岩以外其他岩性地层压力的评价能力,使用新方法还可以计算海相碳酸岩地层压力。

(4)传统方法需要建立正常压实趋势线,新方法不需建立正常压实趋势线就可以直接计算地层压力。

The authors have declared that no competing interests exist.

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参考文献

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