陳子劍，鄧金根，蔚寶華

(1.油氣資源與探測國家重點實驗室，北京 102249；2.中國石油大學，北京 102249)

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探井孔隙壓力復合預測方法研究

陳子劍1，2，鄧金根1，2，蔚寶華1，2

(1.油氣資源與探測國家重點實驗室，北京 102249；2.中國石油大學，北京 102249)

針對常規(guī)探井孔隙壓力計算模型選擇困難、計算參數(shù)反演誤差大的問題，運用水力連通方法和斷層穩(wěn)定性方法完善計算參數(shù)，提高孔隙壓力預測精度。結果表明：利用水力連通原理對參考井孔隙壓力測試結果進行修正可以有效提高計算參數(shù)反演的精度；對于任意穩(wěn)定斷層，存在地層孔隙壓力上限值，當斷層傾角為65.2 °時該值最小，該結論可用于進一步校正計算參數(shù)。實踐表明，該方法預測的孔隙壓力精度可達92.75%以上，具有良好的推廣應用價值。

西湖凹陷；異常高壓；孔隙壓力預測；斷層穩(wěn)定性方法；水力連通方法；參數(shù)反演

0 引 言

目前孔隙壓力預測方法主要是利用經驗模型和地震數(shù)據進行計算，結合鄰井數(shù)據對計算參數(shù)進行反演，從而得到鉆前預測孔隙壓力[1-4]。但常規(guī)方法還存在以下問題：當可參考的鄰井數(shù)據不足時，反演的計算參數(shù)精度較低；異常高壓成壓機制多樣，單一的計算模型無法適用于所有的成壓機制[5]；深層地震數(shù)據精度不足，對深層孔隙壓力預測具有極大的不確定性。隨著勘探程度提高和地質環(huán)境愈加復雜，常規(guī)孔隙壓力預測方法已經不能滿足要求。為此，結合常規(guī)方法、水力連通方法和斷層穩(wěn)定性方法，提出了多種方法結合的探井孔隙壓力復合預測方法，并在東海西湖凹陷的深探井進行了應用，效果顯著，有效指導了現(xiàn)場鉆井。

1 復合預測方法研究

常規(guī)孔隙壓力預測方法存在計算參數(shù)反演不準確和方法選擇困難的問題。對于一個多種成壓機制共同作用導致的異常高壓，無法確定合理的預測模型，即使選擇了合理的預測模型，預測結果的準確性很大程度上取決于計算參數(shù)。因此，彌補常規(guī)孔隙壓力預測方法的不足關鍵在于如何修正預測模型的參數(shù)。

1.1 水力連通方法

在常規(guī)孔隙壓力預測中，雖然通過鄰井的反演獲得了計算參數(shù)，但為了進一步提高預測精度，已鉆井的孔隙壓力實測結果往往被直接用于計算參數(shù)的校正。值得注意的是，不同井的地質構造和地層沉積各有差異，海洋鉆井中水深也會有差異，因此，直接采用鄰井的孔隙壓力測試結果進行校正會導致較大的誤差，需要進行孔隙壓力測試結果的轉化，利用轉換后的測試結果進行校正。

張金才[6]認為地層壓力的轉化應該符合飽和地層水力連通原理，如式(1)。Aadnoy[7]也提出了考慮水深影響的地層壓力測試結果校正方法。二者的區(qū)別在于張金才采用了地層流體密度，而Aadnoy則采用了海水密度。

p2p=p1p+ρfg(H2p-H1p)

(1)

式中：H1p為已鉆井的壓力測試點深度，m；H2p為待鉆井的壓力測試點深度，m；p1p為已鉆井地層壓力，MPa；p2p為未鉆井地層壓力，MPa；g為重力加速度，m/s2；ρf為地層流體密度，g/cm3。

但是，地層壓力的形成是由于地質沉積和構造運動的作用，而上述方法忽略了地層沉積的層序性特征，會造成壓力校正的重大誤差。因此，有必要首先根據不同井的地層分層進行深度校正，再根據水力連通性原理進行壓力轉化，如圖1所示。假設連通地層的壓力為等比例分布，定義地層轉化系數(shù)為壓力測試點深度占該地層的比例。根據已鉆井的地層分層和壓力測試數(shù)據可求得地層轉化系數(shù)。

(2)

式中：k為地層轉化系數(shù)；H1t為已鉆井的壓力測試點所在地層的頂部深度，m；H2t為待鉆井的壓力測試點所在地層的頂部深度，m；H1b為已鉆井的壓力測試點所在地層的底部深度，m；H2b為待鉆井的壓力測試點所在地層的底部深度，m。

圖1 地層壓力校正示意圖

根據待鉆井的預測地層分層求出校正的地層壓力測試點深度，結合式(1)、(2)，可知待鉆井預測點的壓力系數(shù)為：

(3)

式中：ρ1p為已鉆井的地層孔隙壓力系數(shù)；ρ2p為未鉆井的地層孔隙壓力系數(shù)。

1.2 斷層穩(wěn)定性方法

斷層是地殼中普遍發(fā)育的一種地質構造，是油氣運移的重要通道之一，對油氣的保存具有重要意義。當斷層間隙中的孔隙流體壓力足夠大時，斷層容易發(fā)生滑動，導致油氣通過斷層進行運移從而釋放孔隙壓力，直到重新達到穩(wěn)定[8]。因此，對于穩(wěn)定的斷層，能夠承受的孔隙壓力具有一個上限。而這個上限值可以對孔隙壓力計算結果進行驗證和校正，如果孔隙壓力超過地層壓力上限值，說明預測孔隙壓力有誤。

對于斷層發(fā)育地區(qū)，由于斷層弱面已經產生，斷層滑動幾乎不需要克服巖石固有剪切強度，此時斷層面發(fā)生滑動只需要滿足Byerlee定律[9]。以正斷層為例，斷層面滑動最容易發(fā)生在上覆巖層壓力與水平最小地應力作用的截面上，結合該斷層面上的有效正應力與有效剪應力[8]，可得：

(4)

利用式(4)對斷層傾角求導，可得斷層面首先達到滑動條件的角度：

(5)

式中：βcriti為臨界斷層傾角，°；μ一般取0.85，所以βcriti≈65.2 °，即如果地殼中存在這各種取向的斷層面，則傾角為65.2 °的斷層面最容易滑動。

由式(4)可知，隨著斷層間隙流體壓力不斷增大，斷層面上的摩擦力會逐漸減小，當摩擦力不足以克服剪應力時，斷層便會發(fā)生滑動，此時斷層中的流體釋放，孔隙壓力會降低直至斷層達到新的穩(wěn)定狀態(tài)，因此，斷層穩(wěn)定條件下能夠承受的孔隙壓力具有一個上限值。

結合式(4)、(5)可得孔隙壓力上限的最小值：

(6)

結合分層地應力計算模型[10]可得：

(7)

式中：εh、εH均為應力構造系數(shù)，h為深度，m；α為有效應力系數(shù)；μs為地層靜態(tài)泊松比，Es為彈性模量，可由動態(tài)泊松比和彈性模量轉化。

2 現(xiàn)場應用分析

東海西湖凹陷位于東海陸架盆地浙東坳陷東部，該區(qū)普遍存在高壓狀態(tài)，成壓機制包括欠壓實、烴類生成和構造地應力加載[11]。P1井為西湖凹陷的一口高溫高壓探井，預鉆井深超過5 000 m，鄰近已鉆井B1井發(fā)生了嚴重的溢流。選擇Eaton模型并參考B1井壓力數(shù)據預測P1井孔隙壓力當量密度，預測結果顯示P1井孔隙壓力當量密度在P9層之后逐漸增大，最大可達1.72 g/cm3(圖2)。然而該地區(qū)平湖組下部的孔隙壓力當量密度普遍在1.80 g/cm3以上，該預測結果明顯偏小。為進一步確認合理的孔隙壓力，利用水力連通方法和斷層穩(wěn)定性方法對P1井孔隙壓力進行校正。

圖2 P1井地層孔隙壓力當量密度預測

利用水力連通方法對參考井P1、B1井的孔隙壓力實測點進行轉化，轉化結果如表1所示。利用斷層穩(wěn)定性方法，確定P1井孔隙壓力當量密度上限最小值。圖2對比了常規(guī)預測方法結果與復合方法測試結果，常規(guī)預測方法結果比水力連通方法轉化的實測結果小，因此該井孔隙壓力當量密度大于1.72 g/cm3。另一方面，該井孔隙壓力當量密度上限最小值在P12層可達2.02 g/cm3，說明當孔隙壓力當量密度超過2.02 g/cm3時，斷層很可能發(fā)生活動導致孔隙壓力釋放，因此，孔隙壓力當量密度不應超過2.02 g/cm3。

表1 地層壓力實測值校正

圖3為復合方法預測的P1井孔隙壓力當量密度與實鉆情況對比，預測P1井孔隙壓力當量密度從P9層逐漸增大，在P11層之后超過1.20 g/cm3，最高可達1.92 g/cm3。進入P12層之前，實際泥漿密度基本大于或接近地層孔隙壓力當量密度，氣侵量不大；進入P12層之后，泥漿密度略低于預測的孔隙壓力當量密度，氣侵量明顯增大。P1井最終獲得2個有效的實測壓力點，實測壓力與預測地層孔隙壓力當量密度的誤差分別為7.25%和2.69%，說明復合方法預測的孔隙壓力與地層實際情況基本吻合。

圖3 P1井實鉆情況

3 結 論

(1) 對于探井，由于鄰井孔隙壓力實測結果有限，并且地層差異較大，可能導致常規(guī)孔隙壓力預測方法的參數(shù)反演存在較大的誤差。同時，復雜地區(qū)異常高壓往往是多種機制共同導致的，很難區(qū)分主次關系，因此，難以確定合理的孔隙壓力預測方法。

(2) 當采用鄰井孔隙壓力實測結果進行計算參數(shù)校正時，可以利用水力連通方法對鄰井的孔隙壓力實測結果進行轉換，從而避免地層差異導致的誤差。

(3) 當斷層間隙流體壓力增大到一定程度時，容易引起斷層滑動和流體釋放，因此，地層所能承受孔隙壓力具有一個上限。傾角為65.2 °的斷層最容易發(fā)生滑動，此時孔隙壓力上限值最小，該角度下的孔隙壓力上限值也可以用于孔隙壓力預測的計算參數(shù)校正。

(4) 東海西湖的深探井孔隙壓力預測實踐表明，探井孔隙壓力復合預測方法能夠有效提高孔隙壓力預測精度，保證鉆井安全，對探井孔隙壓力預測提供了新的理論支撐。

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編輯 朱雅楠

10.3969/j.issn.1006-6535.2016.01.006

20150902；改回日期：20151116

國家自然科學基金“氣體鉆井井壁失穩(wěn)與井眼凈化機理研究”(51134004)

陳子劍(1988-)，男， 2011年畢業(yè)于中國石油大學(北京)石油工程專業(yè)，現(xiàn)為該校油氣井工程專業(yè)在讀博士研究生，主要從事巖石力學和地質力學方面的研究。

蔚寶華(1973-)，男，副教授，1996年畢業(yè)于江漢石油學院石油工程系鉆井工程專業(yè)，2006年畢業(yè)于中國石油大學(北京)油氣井工程專業(yè)，獲博士學位，現(xiàn)從事油氣井井壁穩(wěn)定和出砂預測研究。

TE172.4

A

1006-6535(2016)01-0025-03