汪濤

(中國(guó)地質(zhì)大學(xué)〈北京〉工程技術(shù)學(xué)院，北京 100083）

巖心鉆探中地層壓力預(yù)測(cè)初探

汪濤

(中國(guó)地質(zhì)大學(xué)〈北京〉工程技術(shù)學(xué)院，北京 100083）

地層壓力變化是導(dǎo)致孔內(nèi)情況復(fù)雜化的關(guān)鍵因素，地層壓力預(yù)測(cè)是鉆探施工中泥漿設(shè)計(jì)和事故防范的重要手段，合理預(yù)知地層壓力情況有助于最大限度地解決深孔鉆探中的復(fù)雜問(wèn)題［1］。近年來(lái)，地層應(yīng)力預(yù)測(cè)技術(shù)在國(guó)內(nèi)外得到了廣泛探討，而傳統(tǒng)的水壓致裂地層壓力測(cè)量方法仍然是簡(jiǎn)單實(shí)用的手段之一。通過(guò)云南某礦區(qū)復(fù)雜地層深孔鉆探工程中的應(yīng)用實(shí)例，驗(yàn)證了地層壓力預(yù)測(cè)在繩索取心鉆探工程上的合理性和可行性。

地層壓力;預(yù)測(cè);巖心鉆探;孔壁失穩(wěn);泥漿設(shè)計(jì)

0 引言

地層壓力變化是導(dǎo)致孔內(nèi)情況復(fù)雜化的關(guān)鍵因素，地層壓力局部集中釋放是導(dǎo)致孔壁坍塌等孔內(nèi)事故的直接原因。預(yù)知地層結(jié)構(gòu)和地層壓力分布情況有助于采用合適的鉆探工藝和泥漿工藝以有效維持孔內(nèi)壓力平衡，提高鉆探作業(yè)效率并防范孔壁坍塌等鉆孔事故的發(fā)生。

地層壓力預(yù)測(cè)的方法包括傳統(tǒng)的壓力實(shí)驗(yàn)(如現(xiàn)場(chǎng)水壓致裂實(shí)驗(yàn)）和儀器探測(cè)(如超聲探測(cè)和電磁探測(cè)），以及當(dāng)前國(guó)內(nèi)普遍關(guān)注的地層壓力三維預(yù)測(cè)系統(tǒng)(如澳大利亞PSI公司的全球地層壓力預(yù)測(cè)系統(tǒng)）。多年來(lái)，地層壓力預(yù)測(cè)在石油鉆探行業(yè)得到了較為廣泛的應(yīng)用，而在小口徑巖心鉆探領(lǐng)域，由于泥漿泵性能及巖心鉆探操作規(guī)程等原因，一直沒(méi)有得到普遍使用［2］。

隨著深孔、超深孔以及復(fù)雜地層鉆探項(xiàng)目的不斷增加，鉆探的時(shí)間成本和資金成本都在大幅度上升，系統(tǒng)研究有效應(yīng)對(duì)鉆孔風(fēng)險(xiǎn)的技術(shù)方法已經(jīng)逾益顯得迫切和重要。本文通過(guò)云南某礦區(qū)深孔鉆探工程中的應(yīng)用實(shí)例，驗(yàn)證了地層壓力預(yù)測(cè)在繩索取心鉆探工程上的合理性和可行性。

1 地應(yīng)力和孔內(nèi)壓力平衡問(wèn)題

地層壓力即地應(yīng)力可理解為地下某深度處的巖石受到的周圍巖體對(duì)它的擠壓力而產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力效應(yīng)，地層壓力變化是導(dǎo)致孔內(nèi)情況復(fù)雜化的關(guān)鍵因素。形成地應(yīng)力的因素極為復(fù)雜，它是隨時(shí)間和空間變化的。主要產(chǎn)生原因?yàn)?上覆巖體的自重、板塊邊界的擠壓、地幔熱對(duì)流、地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、地球旋轉(zhuǎn)、巖漿侵入、地溫梯度的不均勻性和地下水的壓力梯度等［3］。

對(duì)于鉆探工程，所涉及的地應(yīng)力研究屬于局部性的地應(yīng)力，其應(yīng)力來(lái)源可歸結(jié)為巖體的自重和地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的構(gòu)造應(yīng)力，主要以2種形式存在于巖石中:一部分是彈性能形式，另一部分是由于種種原因在地層中處于自我平衡而以凍結(jié)形式保存。

原始地應(yīng)力大小可用3個(gè)主地應(yīng)力來(lái)表示(見(jiàn)圖1）:

(1）上覆地層壓力Sv;

(2）最大水平主地應(yīng)力SH;

圖1 原始地層壓力示意圖

(3）最小水平主地應(yīng)力Sh。

由于地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的方向性，2個(gè)水平向的地應(yīng)力是不同的，產(chǎn)生的原因也是很復(fù)雜的，其作用大小及方向也會(huì)隨時(shí)間和地點(diǎn)的不同而各異。地史上形成并遺留下來(lái)的各種類型的斷層、褶皺有助于我們判斷當(dāng)時(shí)地質(zhì)構(gòu)造力的大小及方向。但正斷層、逆斷層、走向滑動(dòng)斷層因其形成機(jī)理不同而產(chǎn)生的地應(yīng)力的大小、方向也是不同的。實(shí)際的斷層方向還可能是傾斜的，斷塊除了相對(duì)滑動(dòng)外還可能產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)。

鉆探工程中，當(dāng)?shù)貙颖汇@穿以后，鉆孔循環(huán)液液柱壓力代替了被鉆掉的巖石所提供的原始應(yīng)力。鉆孔周圍的應(yīng)力被重新分解為周向應(yīng)力、徑向應(yīng)力和軸向應(yīng)力，在斜孔中，還會(huì)產(chǎn)生一個(gè)附加的剪切應(yīng)力。當(dāng)某一方向的應(yīng)力超過(guò)巖石的強(qiáng)度極限時(shí)，就會(huì)引起地層破裂(表現(xiàn)為孔內(nèi)坍塌、掉塊、縮徑等）。知道地應(yīng)力以后，可以指導(dǎo)鉆探工程采取措施，調(diào)整泥漿配方和鉆探工藝來(lái)防止孔壁失穩(wěn)，實(shí)現(xiàn)平衡壓力鉆進(jìn)。

地應(yīng)力的實(shí)際情況比我們所能描述的要復(fù)雜得多，但為了工程計(jì)算的需要，通常采用簡(jiǎn)化實(shí)際情況的方法對(duì)地應(yīng)力進(jìn)行估算［4］。

上覆地層壓力由巖石的自重產(chǎn)生，可用下式求得:

式中:SH——深度為H處的上覆地層壓力;ρ(z）——地層密度，可用取樣試驗(yàn)法求得，是深度z的函數(shù); g——重力加速度。

2 地層壓力對(duì)鉆孔的影響

預(yù)知地層壓力并根據(jù)地層壓力采取對(duì)應(yīng)的鉆探工藝和泥漿工藝維持孔內(nèi)壓力平衡，可以最大限度地解決孔壁坍塌等深孔鉆探中的復(fù)雜問(wèn)題。

造成孔壁坍塌的原因主要是由于地層被鉆開后，地層壓力趨向于向孔內(nèi)集中釋放。當(dāng)孔內(nèi)沖洗液液柱壓力與地層壓力失衡時(shí)，孔壁周圍巖石所受應(yīng)力超過(guò)巖石本身的強(qiáng)度而產(chǎn)生剪切破壞［5］，如果是脆性地層就會(huì)產(chǎn)生坍塌掉塊、孔徑擴(kuò)大，如果是塑性地層則孔內(nèi)產(chǎn)生塑性變形出現(xiàn)孔內(nèi)縮徑(圖2）。

圖2 壓力失衡示意圖

孔內(nèi)垮塌在地質(zhì)方面的直接原因是巖石孔隙壓力異常和巖石受地質(zhì)構(gòu)造影響，當(dāng)孔內(nèi)液柱壓力小于坍塌壓力時(shí)就發(fā)生孔內(nèi)坍塌。解決這種原因造成的垮塌關(guān)鍵是計(jì)算巖層的坍塌壓力，然后在鉆進(jìn)中采取措施達(dá)到孔內(nèi)壓力平衡。

垮塌還會(huì)因?yàn)槲锢恚瘜W(xué)方面的原因，如泥頁(yè)巖的水化作用產(chǎn)生水化膨脹壓力使泥頁(yè)巖強(qiáng)度降低，或因某種原因使巖石孔隙壓力增大而發(fā)生孔內(nèi)垮塌。因?yàn)榈貙拥牟痪鶆蛐?，?qiáng)度較低的巖石在側(cè)壓力的作用下向井內(nèi)移動(dòng)導(dǎo)致孔內(nèi)垮塌。處理這類垮塌，首先要檢測(cè)泥漿密度，密度過(guò)大可壓裂地層，還會(huì)加速泥頁(yè)巖地層水化分解［6］。

鉆探工藝不恰當(dāng)，鉆探操作錯(cuò)誤也會(huì)引起孔內(nèi)垮塌。如沖洗液流量過(guò)大，泥漿對(duì)孔壁的沖蝕、孔內(nèi)液柱壓力“激動(dòng)”過(guò)大而使孔內(nèi)瞬時(shí)的液柱壓力變化，造成孔壁巖石受力不均導(dǎo)致的孔內(nèi)垮塌。另外，鉆柱對(duì)井壁的機(jī)械碰撞，嚴(yán)重的漏失也可導(dǎo)致孔內(nèi)垮塌。

在實(shí)踐中，一般可以采取如下鉆孔工藝防范孔壁坍塌［5，7］:

(1）預(yù)知地層壓力分布，根據(jù)垮塌原因調(diào)整(提高或降低）沖洗液密度，使孔內(nèi)液柱壓力適應(yīng)于巖層的坍塌壓力;

(2）調(diào)配低失水、高礦化度、高濾液粘度的水基泥漿或鉀基泥漿可有效抑制地層壓力失衡;

(3）使用防塌泥漿體系，抑制頁(yè)巖水化、增強(qiáng)泥漿的封堵功能。

在鉆孔施工的過(guò)程中，孔內(nèi)坍塌防范、卡鉆事故處理是非常重要的內(nèi)容。其中，采用地層應(yīng)力預(yù)測(cè)方法指導(dǎo)確定鉆探工藝和泥漿工藝是巖心鉆探行業(yè)的創(chuàng)新，經(jīng)過(guò)探索性的實(shí)際應(yīng)用，驗(yàn)證為是一種方便快捷、行之有效的方法。

3 云南某礦區(qū)地層壓力預(yù)測(cè)應(yīng)用實(shí)例

3.1 工程概況

云南某銀鉛鋅多金屬礦床是昌寧－孟連成礦帶南段的大型鉛鋅礦床，是滇西南重要的礦冶基地。但本礦區(qū)地處區(qū)域構(gòu)造交匯部位，區(qū)內(nèi)斷層、褶皺極其發(fā)育，地層條件極其復(fù)雜。且鉆孔深度普遍在1000 m以深，巖心采取困難，孔內(nèi)坍塌、縮徑、卡鉆事故時(shí)有發(fā)生，施工難度甚大。

礦區(qū)常見(jiàn)孔內(nèi)復(fù)雜情況是上部溶洞發(fā)育，因孔洞巨大常常堵漏無(wú)效，沖洗液漏失;中部巨厚凝灰?guī)r縮徑嚴(yán)重;下部孔段地層壓力大裂隙發(fā)育，極易發(fā)生孔內(nèi)垮塌現(xiàn)象，隨之極易引發(fā)垮塌卡鉆和縮徑卡鉆事故。

該礦區(qū)ZK14830號(hào)鉆孔，設(shè)計(jì)孔深1500 m，天頂角90°，實(shí)際終孔孔深1500.50 m。

3.2 鉆遇地層

0～2.40 m，表層浮土;

2.40～437.40 m，白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r，溶洞發(fā)育;

437.40～851.2 m，凝灰?guī)r、沉凝灰?guī)r，局部夾玄武巖，含致密塊狀硫化物礦體;

851.20～1500.20 m，安山巖、角礫巖，節(jié)理、裂隙發(fā)育，含輝鉬礦礦體。

3.3 地層壓力實(shí)測(cè)試驗(yàn)

鉆進(jìn)過(guò)程中，為確定最佳的鉆探工藝和泥漿工藝，決定在參考當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)資料的基礎(chǔ)上采用水力壓裂試驗(yàn)法測(cè)定地層應(yīng)力分布情況。在作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)實(shí)測(cè)地層破裂壓力、瞬時(shí)停泵壓力及裂縫重張壓力，經(jīng)過(guò)計(jì)算推導(dǎo)出相應(yīng)的地層應(yīng)力。

選用泵量輸出大于300 L/min，泵壓可達(dá)20 MPa的優(yōu)質(zhì)泥漿泵，配備高精度防震壓力表完成地層壓力實(shí)測(cè)試驗(yàn)。具體實(shí)測(cè)試驗(yàn)步驟如下:

(1）下套管后，繼續(xù)取心鉆進(jìn)3 m左右;

(2）泥漿泵以恒定的流速泵入泥漿，記錄下井口每分鐘的壓力變化值，直至地層產(chǎn)生破裂時(shí)結(jié)束;

(3）地層破裂后繼續(xù)向井內(nèi)泵入泥漿，直至裂縫延伸到離開井壁應(yīng)力集中區(qū)，即6倍孔徑以遠(yuǎn)時(shí)，紀(jì)錄下瞬時(shí)停泵時(shí)的壓力值;

(4）停泵靜止壓力平穩(wěn)后，重新開泵記錄下裂縫重張壓力值。最后得到壓力隨時(shí)間變化的壓裂試驗(yàn)曲線(圖3）。

圖3 ZK14830號(hào)鉆孔水力壓裂試驗(yàn)曲線

3.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

圖3中，曲線上各關(guān)鍵壓力點(diǎn)的物理關(guān)系如下:

地層破裂壓力Pf為鉆孔內(nèi)巖石所能承受的最大內(nèi)壓力，是地層破裂造成泥漿漏失時(shí)的孔內(nèi)液體壓力;

瞬時(shí)停泵壓力Ps是停泵瞬間，裂縫不再向前擴(kuò)展但仍保持開啟時(shí)所對(duì)應(yīng)的最小地應(yīng)力值;

裂縫重張壓力Pr是停泵后重新啟動(dòng)泥漿泵向孔內(nèi)泵入泥漿使閉合的裂縫重新張開的壓力。由于張開閉合裂縫所需的壓力Pr與破裂壓力Pf相比不需要克服巖石的拉伸強(qiáng)度St，因此可以近似地認(rèn)為破裂層的拉伸強(qiáng)度等于這2個(gè)壓力的差值，即:

St=Pf－Pr

利用上述3個(gè)壓力值，根據(jù)多孔彈性介質(zhì)理論可以得到地應(yīng)力的計(jì)算公式為:

式中:Pp——地層孔隙壓力;St——地層抗拉強(qiáng)度; α——有效應(yīng)力系數(shù);Pr——裂隙重張壓力;Pf——地層破裂壓力;Ps——瞬時(shí)停泵壓力。

根據(jù)計(jì)算出的地層壓力，結(jié)合孔內(nèi)鉆探條件，制定了有針對(duì)性的鉆探操作方法和泥漿體系綜合方案，通過(guò)調(diào)節(jié)泥漿的密度控制孔內(nèi)壓力平衡，同時(shí)通過(guò)調(diào)配泥漿配方的化學(xué)成分實(shí)現(xiàn)泥漿的最佳地層適應(yīng)性，達(dá)到了防止孔內(nèi)地層坍塌和最大限度地減小孔內(nèi)縮徑現(xiàn)象。簡(jiǎn)化或消除了孔內(nèi)復(fù)雜情況對(duì)鉆進(jìn)的影響。

4 結(jié)論

地層壓力預(yù)測(cè)在繩索取心鉆探領(lǐng)域的應(yīng)用尚在初步階段，相關(guān)的應(yīng)用規(guī)范、操作流程、誤差修正還需要理論研究和實(shí)踐探索。

隨著深孔、超深孔、復(fù)雜地層鉆探項(xiàng)目的不斷增加，地層壓力預(yù)測(cè)必將成為鉆孔工藝設(shè)計(jì)和孔內(nèi)風(fēng)險(xiǎn)防范的重要環(huán)節(jié)。預(yù)知地層壓力情況，能夠有效提高鉆探作業(yè)效率，合理防范并處理孔內(nèi)事故，從而提高鉆探企業(yè)的運(yùn)營(yíng)效益和核心競(jìng)爭(zhēng)能力。

本次地層壓力預(yù)測(cè)實(shí)踐采用了傳統(tǒng)的水壓致裂方法，操作相對(duì)簡(jiǎn)單且可因地制宜，但在泥漿泵設(shè)備和壓力表選用，數(shù)據(jù)采集和處理方面需要一定的流程和技巧，實(shí)驗(yàn)結(jié)果的誤差范圍還偏大，實(shí)際用于泥漿設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)孔內(nèi)反應(yīng)實(shí)時(shí)調(diào)整。

近年來(lái)，地層壓力預(yù)測(cè)的一些全新的技術(shù)手段在國(guó)際地質(zhì)勘探領(lǐng)域得到了普遍關(guān)注。這些新技術(shù)手段操作簡(jiǎn)便，數(shù)據(jù)精確，為地層壓力預(yù)測(cè)在勘探實(shí)踐的應(yīng)用推廣創(chuàng)造了有利條件。

［1］常文會(huì)，秦緒英.地層壓力預(yù)測(cè)技術(shù)［J］.地球物理進(jìn)展，2005，(10）.

［2］王薇，張海，任劍.地層壓力方法綜述［J］.內(nèi)蒙古石油化工，2010，(5）.

［3］劉允芳.單鉆孔水壓致裂法的三維地應(yīng)力測(cè)量［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，1999，(4）.

［4］劉翔.垂直孔與地應(yīng)力破裂壓力研究［J］.鉆采工藝，2009，(3）.

Formation Pressure Prediction for Core Drilling Operation

WANG Tao(China University of Geosciences，Beijing 100083，China）

The change of underground formation pressure is crucially related to the complexity of borehole condition.Formation pressure prediction is an important means for borehole design and drilling risk control，and rational prediction of formation pressure is furthest solving complicated difficulties in deep drilling.In recent years，modern techniques of earth stress prediction have been widely explored in academic circle and application field in the world;but the traditional waterpressure test is still the most applicable method due to its simplicity of on-site operation.In this paper，by the case of a deep drilling project in complex formations in Yunnan Province，the rationality and feasibility of formation pressure prediction in wire-line coring drilling activities are verified.

formation pressure;prediction;core drilling;borehole instability;mud design

P634.1

:A

:1672－7428(2012）10－0016－04

2012－09－07

汪濤(1968－），男(漢族），山東人，中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京）博士生，地質(zhì)工程專業(yè)，從事地質(zhì)勘探設(shè)備市場(chǎng)銷售、應(yīng)用開發(fā)、工藝整合等工作，北京市海淀區(qū)學(xué)院路29號(hào)，lrrywng@yahoo.com。