相对准确的地层压力预测是合理设计井身结构、钻井液比重、工程套管程序及有效完井方法的基础, 直接影响钻探的成功率, 对钻井施工而言至关重要。早在1968年Penebaker总结形成了地震波传播速度公式v=KZⁿ(式中v为地震波在地层中的传播速度; K、n为常数; Z为地层埋深), 可应用于钻前压力预测。而后国内外关于钻前地层压力预测方法历经了数十年的研究, 目前大致有压实平衡方程方法、等效深度法、Eaton公式法、Stone方法、Fillippone 公式法及其改进法、波阻抗反演法、R比值法、公式计算法等^{[3, 4]}。主流的地层压力预测方法是利用地震层速度预测地层压力, 这是近几十年来国外广泛使用的一项技术, 其原理是地震波在泥、页岩中的传播速度随埋深增加而有规律地加快, 除非遇到异常压力层。

玛湖油田广泛利用dc指数和声波时差等资料计算地层压力, 由于dc指数法计算地层压力的精度受岩性、收集参数的准确性、提速工具使用等因素的影响较大^[5], 主要用于随钻压力监测。本区块主要依据完井声波时差数据计算地层压力(在研究区域内建立106口直井地层压力剖面), 结合地破实验、试油资料修正, 运用成熟的井震结合三维建模技术建立地层压力模型(图1), 实现地层压力分布规律研究由二维平面向三维空间的转变。依据三维空间地层压力展布规律, 可以沿钻井轨迹进行地层压力分段预测, 提出后续钻井井身结构、钻井液体系和密度使用的优化建议, 降低钻井工程复杂风险。

图1

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图1 MH 1区块三维地层压力模型

岩石裂缝预测方法较多, 目前国内外对天然裂缝的识别主要利用测井和地震等地球物理方法^[6]。国外斯伦贝谢公司主要利用地震法, 通过地震蚂蚁体、曲率等属性识别追踪裂缝^[7], 建立裂缝模型, 分析总结裂缝展布特征及其规律(图2)。国内主要采用井震结合的方法来识别岩石裂缝, 通过对裂缝性地层岩心刻度成像(图3), 基于国内相关研究建立的线性、非线性简化方程进行常规测井的深、浅电阻率标定^[8], 求出校正系数, 建立声波-孔隙度解释模型, 计算单井裂缝指数, 井震结合建立三维裂缝指数模型, 实现裂缝立体刻画。

图2

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图2 蚂蚁追踪裂缝示意图

图3

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图3 MH 1区块岩心图和测井成像

具体计算公式如下:

R_SK=(R_T-R_I)/(R_T× R_I)^1/2(1)

ϕ _FLLD=(A₁/R_I+A₂/R_T+A₃)R_mf(2)

R_mf=(2.169-1.1ρ ) Rm1.073(3)

式中:R_SK为裂缝倾角指数, 无量纲; R_T为深电阻率, Ω·m; R_I为浅电阻率, Ω·m; ϕ _FLLD为裂缝孔隙度指数, 无量纲; A₁、A₂、A₃为裂缝系数, 无量纲; R_mf为钻井液滤液电阻率, Ω·m; ρ 为钻井液密度, g/cm³; R_m为钻井液电阻率, Ω·m。

区域岩心和成像资料呈段分布, 纵向无法建立连续裂缝剖面, 横向井间裂缝追踪困难, 同时测井法建立的裂缝指数模型存在局限性^[9]。因此, 在玛湖油田选取地震蚂蚁追踪裂缝方法进行裂缝追踪, 结合实钻井裂缝资料进行对比验证。具体为采用完井测井数据制作区域内单井合成地震记录, 建立区域内速度体模型, 将时间域地震体转换为深度域地震体, 在此基础上进行构造平滑、混沌、3D边界增强等属性处理, 利用BP神经网络聚类分析技术选取可靠的蚂蚁追踪裂缝信息, 建立MH 1区块三维裂缝追踪模型(图4), 沿钻井轨迹方向预测裂缝发育情况, 提示井漏风险, 丰富工程复杂预测手段。

图4

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图4 MH 1区块蚂蚁体属性三维裂缝模型

地应力系统和岩石强度直接控制了井壁稳定性, 藉此可全方位分析钻井井壁的力学状态, 作为正确评估钻井井壁稳定性的重要依据。其中, 地应力状态对井壁稳定的影响最大, 应力集中是导致井壁失稳的原因之一。目前, 准确求取地应力(上覆岩层压力、最小水平主应力、最大水平主应力)的大小和方向、地层孔隙压力、岩石机械力学性质 (主要包括岩石单轴抗压强度、内摩擦系数、泊松比、多孔弹性系数、弹性模量)等的方法主要为实验法和测井解释法^[10], 建立黄氏、斯伦贝谢、多孔弹性水平应变及ADS法等解释模型。这些解释模型均较好地考虑了地层非均质性及应力的各向异性。针对玛湖区块非常规砾岩储层, 主要采用斯伦贝谢地应力解释模型(图5), 通过模拟建立井壁冲蚀程度, 建立崩落指数, 评价井壁稳定性, 从而达到指导安全钻井的目的。

图5

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图5 斯伦贝谢地应力解释模型

井眼稳定性不单纯是一个力学平衡问题, 矿物的物理化学性能是一个不容忽视的重要影响因素^[11], 其中矿物遇水基钻井液后膨胀的特性影响最大。其原理是随着矿物吸水量的增加, 矿物和钻井液之间发生物理化学渗流的作用增强, 地层发生膨胀形变的幅度增大, 最终导致井壁失稳。相关研究表明, 遇水后黏土矿物膨胀发生形变幅度最大的是蒙脱石, 较大的是退化的伊利石(伊蒙混层), 较小的是高岭石、伊利石、绿泥石(存在较大的晶层间作用力)。通过对MH 1区块内多口井进行矿物分析, 同时与扩径井段对比, 发现扩径井段伊蒙混层含量较高(图6), 证实MH 1区块井壁稳定性与地层中所含矿物物理化学性质有关。该方法分析井壁稳定性简单实用, 可以进行大范围推广。

图6

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图6 玛湖区块矿物录井剖面

隔夹层是发育在储层中影响地层流体在储层中流动的重要因素, 主要分为3类, 即泥质隔夹层、钙质隔夹层和物性隔夹层^[12]。玛湖区块乌尔禾组目标储层主要发育泥质隔夹层, 水平井钻进过程中钻遇隔夹层会导致油层钻遇率降低、时效增加。隔夹层预测可以通过地震属性分析, 优选均方根振幅、负振幅等地震属性参数, 采用聚类分析技术识别隔夹层^{[12, 13, 14]}。为了精细刻画玛湖区块目的层隔夹层情况, 通过聚类分析测井资料与岩心观察相结合识别隔夹层, 在相控基础上, 井震结合建立三维隔夹层模型(图7), 结合完钻水平井地质认识进一步修正隔夹层模型, 提高三维隔夹层模型精度, 进而指导其他水平井钻进, 提高油层钻遇率。

图7

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图7 玛湖区块乌尔禾组三维隔夹层模型

从玛湖区块三维地层压力模型来看, 纵向地层压力大致可分为三段, 八道湾组及以上地层压力属于正常压力, 白碱滩组和克拉玛依组地层压力属压力过渡带, 目的层百口泉组和乌尔禾组为异常压力。克拉玛依组至乌尔禾组横向地层压力东南角(断裂发育区域)地层压力相对较高, 目的层二叠系上乌尔禾组地层压力属异常高压, 横向东南区地层压力相对更高(图8)。通过进行地层压力预测对待钻水平井, 提出合理的井身结构、钻井液使用密度以及井口装置等钻井设计建议(表1)。

图8

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图8 玛湖区块上乌尔禾组地层压力分布规律

表1

表1

表1 钻井设计建议 类别 分布 区域 地层压力 系数 钻井液密度/ (g·cm3) 井身 结构 井口 装置 Ⅰ 东南角 区块 1.50≤ P ≤ 1.85 1.60~1.85 三开井身 结构 预防钻遇 圈闭高压层, 安装精细 控压装置 Ⅱ 其他 区块 1.30< P < 1.50 1.40~1.60 三开井身 结构 -

表1 钻井设计建议

三维裂缝追踪模型显示, 玛湖区块裂缝发育, 尤其是断层附近。纵向上地层越深, 裂缝越发育, 横向裂缝方向为南西-北东向, 垂直于最大主应力方向, 分析认为构造应力是裂缝发育的主控因素。为降低井漏风险, 依据裂缝追踪模型, 在可能发育裂缝位置对待钻井进行了裂缝预测。区域内MH 12038井未采取避让措施, 实钻中在井深3 866 m处发生井漏, 与裂缝追踪模型吻合性较好(图9)。

图9

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图9 MH 12038井预测漏点与实钻漏点对比

通过对玛湖区块井壁失稳井段与地应力对比分析, 地应力异常段与井壁失稳段对应性好, 证实地层周期性释放应力是导致玛湖区块井壁失稳的重要因素; 通过对玛湖区块井壁失稳井段与岩矿数据的对比分析发现, 水敏性矿物的含量较高, 证实化学失稳同样是玛湖区块井壁失稳的重要因素, 使用水基钻井液容易造成地层垮塌风险。后期钻井在预测为井漏低风险井基础上, 建议选用油基钻井液施工。

精细刻画的三维隔夹层模型表明, 玛湖区块纵向非均质性强, 隔夹层发育, 横向连续性差, 藉此可以准确预测隔夹层, 指导水平井轨迹设计, 实钻过程中可以有效避开隔夹层, 防止隔夹层和储层边界识别不清楚, 降低出层误判风险。区域内MH 22013井参考隔夹层模型钻进, 有效避开了顶部边界, 顺利完成水平段钻进, 油层钻遇率100%(图10)。

图10

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图10 MH 22013井隔夹层预测模型