李 紅

Dc指數(shù)隨鉆監(jiān)測(cè)地層壓力的應(yīng)用分析

李 紅

（中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300452）

利用在線輔助決策系統(tǒng)的實(shí)時(shí)參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)及壓力預(yù)測(cè)軟件drillworks，結(jié)合綜合錄井方法及Dc指數(shù)法，跟蹤了A井、B井和C井三口井的地層壓力情況。在線輔助決策系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)，可顯示鉆井過(guò)程中的各種參數(shù)，對(duì)定性判斷是否進(jìn)入異常高壓地層，起著很重要的作用。地層壓力監(jiān)測(cè)的結(jié)果顯示，使用Dc指數(shù)法跟蹤監(jiān)測(cè)該地區(qū)地層壓力，具有較高的精確性。

Dc指數(shù)法；地層壓力；隨鉆監(jiān)測(cè)

中海油第一個(gè)實(shí)時(shí)在線輔助決策中心建成，包括實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、輔助決策系統(tǒng)及培訓(xùn)系統(tǒng)。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以接受、存儲(chǔ)并顯示鉆井過(guò)程中的所有參數(shù)，包括鉆井參數(shù)，測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)，氣測(cè)值顯示以及泥漿溫度，池體積等各種參數(shù)。陸地實(shí)時(shí)中心人員，可以利用這些數(shù)據(jù)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)情況進(jìn)行跟蹤、分析，并及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，為現(xiàn)場(chǎng)下一步工作做出預(yù)測(cè)，使得后續(xù)工作有法可依。除此之外，我們可以利用這些參數(shù)對(duì)地層壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。在一口井開(kāi)鉆之前，地層壓力對(duì)井身結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，鉆井液密度的確定，壓力控制鉆井，酸化壓力以及儲(chǔ)層保護(hù)都有很重要的作用，但是鉆井之前分析得到的三壓力數(shù)據(jù)均是通過(guò)鄰井測(cè)井資料或者地震數(shù)據(jù)得到的，這種數(shù)據(jù)應(yīng)用于即將開(kāi)鉆的井，具有一定的參考性，但是在存在斷層，地層連通性不好的情況下，壓力數(shù)據(jù)會(huì)與鄰井地層壓力有所差別；而在鉆井過(guò)程中，如果能夠采用一些手段，實(shí)時(shí)跟蹤監(jiān)測(cè)地層壓力甚至提前預(yù)測(cè)，這對(duì)于鉆井作業(yè)的意義重大。在在線輔助決策系統(tǒng)服務(wù)過(guò)程中，應(yīng)用監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)及壓力預(yù)測(cè)軟件drillworks，對(duì)3口井進(jìn)行了地層壓力隨鉆監(jiān)測(cè)及鉆后分析，分析得到的地層壓力精度滿足作業(yè)要求，為今后實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)地層壓力作業(yè)，減少因地層壓力問(wèn)題帶來(lái)的復(fù)雜情況，降低作業(yè)成本，具有現(xiàn)實(shí)意義。

1 綜合錄井方法監(jiān)測(cè)地層壓力

監(jiān)測(cè)地層壓力分為定性分析法與定量分析法兩種，定量分析法即通過(guò)計(jì)算確定地層壓力的確切值在第二部分進(jìn)行介紹。定性分析法是指對(duì)錄井時(shí)各種參數(shù)，如氣測(cè)值、地層密度、鉆井液密度、鉆井液出口溫度、起下鉆具遇阻卡等進(jìn)行綜合分析來(lái)標(biāo)定地層壓力趨勢(shì)的走向。通過(guò)鉆井過(guò)程中各種參數(shù)的變化，來(lái)分析地層壓力的變化情況。

在異常高壓地區(qū)，一般地層能量是很強(qiáng)的，在鉆遇到地層能量較強(qiáng)的地層時(shí)，會(huì)有氣體出現(xiàn)，對(duì)這些氣體的深入分析，會(huì)對(duì)地層壓力分析有很大的幫助。鉆進(jìn)過(guò)程中，在遇到高壓層之前，隨著地層壓力升高，鉆井液液柱壓力和地層壓力之間的壓差減小，隨著鉆頭鉆入地層，由鉆頭機(jī)械破碎而釋放到鉆井液中的破碎氣正常釋放；井底鉆井液液柱壓力小于地層壓力時(shí)，地層產(chǎn)出氣體進(jìn)入鉆井液引起的壓差氣釋放增多，因而背景氣、接單根氣、起下鉆氣（后效氣）氣測(cè)值呈遞增趨勢(shì)。氣測(cè)顯示成為油氣勘探中異常高壓的標(biāo)志之一[1]。下面詳細(xì)解釋一下氣體顯示的類(lèi)型：接單根氣是判斷井眼液柱壓力與地層壓力是否平衡的一個(gè)重要標(biāo)志。鉆進(jìn)過(guò)程中接單根或者接立柱時(shí)，必須停泵和短距離的鉆具上下活動(dòng)，從而造成ECD下降和對(duì)地層微量抽吸作用，此時(shí)如果井底地層壓力梯度大于ECD，則井底會(huì)出現(xiàn)氣體聚集（也叫氣侵），接完立柱重新開(kāi)泵循環(huán)一個(gè)遲到時(shí)間后，該氣體峰值（明顯高于背景氣）就會(huì)被檢測(cè)到，該峰值減去背景氣就是接單根氣[1]。起下鉆后效氣是當(dāng)停止鉆井液循環(huán)，實(shí)施起下鉆或短起下鉆作業(yè)過(guò)程中，由于已被鉆穿的油氣層的侵入，當(dāng)再次開(kāi)泵循環(huán)時(shí)，在井底恢復(fù)循環(huán)直至一個(gè)遲到時(shí)間以后測(cè)得的氣體峰值[1]。起下鉆后效氣產(chǎn)生的原因是：在平衡或欠平衡鉆井情況下，停止循環(huán)時(shí)，鉆井液壓力的減小，造成井筒欠壓，促使地層中的烴類(lèi)物質(zhì)向鉆井液中擴(kuò)散、滲濾；抽吸效應(yīng)，當(dāng)鉆柱向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，高黏度的膠凝鉆井液試圖和鉆柱一起向上運(yùn)動(dòng)，減少了作用在井壁上的有效井壓力（其減少值是上提速度，鉆井液流變性和環(huán)空直徑的函數(shù)）會(huì)發(fā)生“抽吸效應(yīng)”。抽吸會(huì)引起整個(gè)裸眼井段處于欠壓狀態(tài)；起下鉆時(shí)還會(huì)造成裸眼井段非滲透性的泥餅剝落，起下鉆作業(yè)時(shí)間越長(zhǎng)，因擴(kuò)散、滲濾和抽吸作業(yè)而進(jìn)入鉆井液的烴類(lèi)物質(zhì)會(huì)越多，濃度更大[2]。上提鉆具的抽吸效應(yīng)是形成接單根氣（停鉆氣的一種）的主要原因。背景氣是上部已鉆穿儲(chǔ)層或鉆井液中氣體，形成的穩(wěn)定的氣值，背景氣是已鉆穿的地層處于欠壓實(shí)狀態(tài)有一定量的烴類(lèi)物質(zhì)不斷地進(jìn)入鉆井液形成的，在壓力平衡或過(guò)平衡存在的地方，如非滲透的泥餅還沒(méi)形成的地方或泥餅被鉆具活動(dòng)時(shí)去掉的地方，或者鉆井液材料中的石油產(chǎn)品或添加劑降解產(chǎn)生的氣體進(jìn)入鉆井液都可能形成背景氣[3]。

鉆遇異常高壓地層，不僅會(huì)有氣體的顯示，鉆井液出口溫度也會(huì)有變化。由于高孔隙度和含水的原因，欠壓實(shí)的泥巖地層的熱導(dǎo)率降低，導(dǎo)致在異常地層壓力過(guò)渡帶，地溫梯度增高，溫度梯度突變的地方往往就是高壓異常過(guò)渡帶的頂部位置，使用錄井技術(shù)不能夠測(cè)量井底溫度，但是可以依據(jù)鉆井液出口溫度，隨著深度增加建立一個(gè)溫度剖面，反映地溫梯度的變化情況，使用這個(gè)方法判斷異常壓力地層的存在，常常可以提前數(shù)十至數(shù)百米進(jìn)行預(yù)報(bào)，與其他方法配合使用，可為指示超壓地層的存在提供有價(jià)值的信息[4]。

2 Dc指數(shù)法定量計(jì)算地層壓力

綜合錄井方法可以很好的發(fā)現(xiàn)異常壓力地層的存在，但是綜合錄井方法中也會(huì)存在假異常的現(xiàn)象影響預(yù)測(cè)結(jié)果，為了更準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)地層壓力，還需要使用Dc指數(shù)法對(duì)地層壓力梯度進(jìn)行計(jì)算。

Dc指數(shù)法屬于定量分析方法。定量分析法監(jiān)測(cè)異常壓力的原理是基于某項(xiàng)參數(shù)隨井深的增加呈規(guī)律性的變化，而遇到壓力異常時(shí)，該項(xiàng)參數(shù)發(fā)生相應(yīng)的變化，其變化的幅度與壓力異常的幅度呈函數(shù)關(guān)系[5]。

Dc指數(shù)的原理就是在正常壓力地層，隨著井深的增加，對(duì)泥、頁(yè)巖而言，鉆時(shí)逐漸增大，Dc指數(shù)也逐漸增大，在錄井圖上表現(xiàn)為隨井深增加，Dc指數(shù)逐漸增大的趨勢(shì)[6]。在異常高壓段，鉆時(shí)相對(duì)減小，Dc指數(shù)也相應(yīng)減小，在Dc指數(shù)錄井圖上表現(xiàn)為向左偏離正常趨勢(shì)線，根據(jù)偏離正常趨勢(shì)線大小來(lái)計(jì)算地層壓力的大小。在正常和異常壓力井段之間，通常存在壓力過(guò)渡帶，在過(guò)渡帶上Dc指數(shù)是逐漸變化的，逐漸地偏離正常的趨勢(shì)。需要指出的是，過(guò)渡帶可能很薄或不易發(fā)現(xiàn)，在實(shí)踐中應(yīng)當(dāng)引起注意[6]。

Dc指數(shù)法的計(jì)算步驟分如下四步：

（1）收集資料，鉆井過(guò)程中的各種參數(shù)。

本次計(jì)算使用的是drillworks軟件與WITSML數(shù)據(jù)庫(kù)，兩個(gè)軟件結(jié)合獲得計(jì)算的基本資料并展示。首先建立drillworks軟件與WITSML數(shù)據(jù)庫(kù)的實(shí)時(shí)連接通道，將計(jì)算所需要的所有實(shí)時(shí)參數(shù)，通過(guò)這個(gè)通道，進(jìn)入drillworks軟件，結(jié)合鄰井或者本井隨鉆測(cè)得的GR，電阻率等數(shù)值，做好計(jì)算分析的準(zhǔn)備。

（2）計(jì)算Dc指數(shù)。

Dc指數(shù)基本計(jì)算模型[5]：

式中：N為轉(zhuǎn)速，r/min；T為鉆時(shí)，min/m；W為鉆壓，kN；D為鉆頭直徑，mm；ρm為實(shí)際鉆井液密度，g/cm3；ρn為正常壓力井段地層壓力當(dāng)量密度，g/ cm3。

（3）建立正常壓實(shí)段的Dc 指數(shù)趨勢(shì)線。

Dc指數(shù)與井深之間存在的一元線性關(guān)系，是建立正常壓力趨勢(shì)線的基礎(chǔ)。通過(guò)觀察計(jì)算值與趨勢(shì)線的偏移情況，來(lái)判斷是不是有高壓層出現(xiàn)，定性判斷之后，再進(jìn)行計(jì)算得到地層壓力。

Dc指數(shù)方法影響監(jiān)測(cè)效果與精度的關(guān)鍵因素，在于正常壓實(shí)趨勢(shì)線的準(zhǔn)確確定。建立正常壓實(shí)趨勢(shì)線，一般是選取正常壓實(shí)的大段泥巖，不小于300m。聲波測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)分析地層壓力的方法，精確度較高，建立的趨勢(shì)線方程也是比較可信的，可在地層對(duì)比的基礎(chǔ)上，借助鄰井的聲波時(shí)差曲線確定建立Dc指數(shù)趨勢(shì)線的井段[1]，這樣就使得Dc指數(shù)趨勢(shì)線較準(zhǔn)確，計(jì)算的地層壓力也更準(zhǔn)確。趨勢(shì)線在使用時(shí)注意的事項(xiàng)：a）在換鉆頭時(shí)，在鉆頭類(lèi)型發(fā)生變化時(shí)，必須重新定義趨勢(shì)線。b）在井眼直徑發(fā)生變化時(shí)，重新定義趨勢(shì)線。c）在鉆井液性能發(fā)生突變時(shí)，重新定義趨勢(shì)線[6]。

（4）計(jì)算地層壓力。

建立趨勢(shì)線后，可以采用 對(duì)數(shù)法、等效深度法、反算法和伊頓法進(jìn)行計(jì)算。本文采用伊頓法進(jìn)行計(jì)算。

伊頓法計(jì)算公式：

式中：ρp為地層壓力當(dāng)量密度，g/cm3；ρn為正常地層壓力當(dāng)量密度，g/cm3；ρo為上覆巖層壓力當(dāng)量密度，g/cm3；n為伊頓系數(shù)。

Dc指數(shù)法的局限性在于，在斷層發(fā)育區(qū)，斷層對(duì)異常壓力起到了封堵作用還是泄壓作用；在欠壓實(shí)特征不明顯或者非欠壓實(shí)的地區(qū)、在鉆井事故處理井段或者事故頻發(fā)的井段、在牙輪與PDC鉆頭頻繁交替使用的井段，Dc指數(shù)法預(yù)測(cè)地層壓力會(huì)異常困難[7]。

3 應(yīng)用實(shí)例

根據(jù)第一、二部分的內(nèi)容，對(duì)海上A、B井和C井用Dc指數(shù)方法計(jì)算地層壓力。

3.1 A井監(jiān)測(cè)過(guò)程

首先將A井的鄰井的GR、DT測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)放到drillworks軟件的計(jì)算模板，再將計(jì)算Dc指數(shù)的各項(xiàng)實(shí)時(shí)參數(shù)連接到drillworks軟件的計(jì)算模板。顯示如圖1。

從圖2上Dc指數(shù)值曲線，可以看出下部4100m之后Dc指數(shù)明顯偏離正常趨勢(shì)，4100m之上為常壓地層，該井過(guò)渡帶地層厚度較薄，壓力由常壓到高壓非常突然，而且過(guò)渡帶地層厚度較薄，不足50m，這是使用Dc指數(shù)預(yù)測(cè)的難點(diǎn)。目的層實(shí)測(cè)地層壓力系數(shù)為1.42/1.47，圖中兩個(gè)紅點(diǎn)， 與Dc指數(shù)計(jì)算地層壓力比較，證明運(yùn)用Dc指數(shù)可以很好的發(fā)現(xiàn)并預(yù)測(cè)異常高壓地層，地層壓力系數(shù)的確定還需要根據(jù)鉆井過(guò)程中錄井參數(shù)如氣體等，并結(jié)合鉆井液密度來(lái)判斷地層壓力系數(shù)的大小，來(lái)確定下部鉆井液的密度大小。在實(shí)際鉆井過(guò)程中，用Dc指數(shù)來(lái)判斷是否進(jìn)入異常高壓過(guò)渡帶，地層壓力是不是在持續(xù)增加，使用平移趨勢(shì)線法，可以分析地層壓力系數(shù)增加趨勢(shì)及增加的大小，當(dāng)Dc指數(shù)顯示不再繼續(xù)偏離的時(shí)候，就是地層壓力最大處的深度值。

圖1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)曲線圖

圖2 計(jì)算的地層壓力系數(shù)結(jié)果圖

3.2 B井監(jiān)測(cè)過(guò)程

在對(duì)B井進(jìn)行在線輔助決策支持時(shí)，應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)要求，對(duì)該井進(jìn)行地層壓力監(jiān)測(cè)跟蹤，跟蹤結(jié)果顯示，該井所鉆遇的地層為常壓地層，現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖3，始終使用1.21g/mL的鉆井液密度，該井順利鉆完，未出現(xiàn)復(fù)雜情況。鉆井結(jié)束后又使用測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行地層壓力計(jì)算，結(jié)果如圖4。鉆進(jìn)時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)果與鉆后分析結(jié)果基本一致。

圖3 監(jiān)測(cè)過(guò)程Dc指數(shù)計(jì)算結(jié)果圖

圖4 B井鉆后測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)地層壓力分析結(jié)果

3.3 渤海C 井監(jiān)測(cè)過(guò)程

對(duì)C井進(jìn)行在線實(shí)時(shí)地層壓力監(jiān)測(cè)跟蹤支持，跟蹤結(jié)果如圖5。鉆井結(jié)束后又使用測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行地層壓力計(jì)算，結(jié)果如圖6。

圖5 C井計(jì)算Dc指數(shù)的基本參數(shù)及結(jié)果圖

圖6 C 井鉆后測(cè)井聲波數(shù)據(jù)地層壓力分析結(jié)果

C井的DT數(shù)據(jù)只有3575m之上的測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)，下面采用與探井2井的DT聲波測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)，分析的結(jié)果。從圖7可知，3300～ 4100m 井段，Dc指數(shù)計(jì)算結(jié)果與聲波測(cè)井解釋結(jié)果不一致。下面我們從鉆井過(guò)程中的氣顯示來(lái)分析，從C井的作業(yè)日?qǐng)?bào)可知，在4048m之前，均沒(méi)有任何氣體的顯示，而這個(gè)分析結(jié)果與聲波測(cè)井分析的結(jié)果是有矛盾的，在3950m左右，聲波解釋的地層壓力值以及到達(dá)使用的鉆井液密度值，在劃眼或者停鉆工況下，是無(wú)法平衡地層壓力的。在4081m開(kāi)始有氣顯示，日?qǐng)?bào)顯示背景氣有增高趨勢(shì)，由2% ～ 3%升高至25% ～ 30%，單根氣70% ～ 80%，而且機(jī)械鉆速很低，無(wú)增加顯示。從4166m，到4324m，再到4465m，背景氣持續(xù)增加，4324m出現(xiàn)單根氣，也成增加趨勢(shì)，而且鉆壓減小，機(jī)械鉆速增加，應(yīng)該是逐漸進(jìn)入高壓地層的顯示，該分析與Dc指數(shù)計(jì)算結(jié)果相一致，所以分析認(rèn)為，鉆井過(guò)程中使用Dc指數(shù)監(jiān)測(cè)地層壓力，具有較高的精確性。

4 結(jié)論

（1）鉆井過(guò)程中使用Dc指數(shù)法監(jiān)測(cè)地層壓力，具有較高的精確性，可以很好的掌握地層壓力變化情況。

（2）使用Dc指數(shù)法監(jiān)測(cè)地層壓力也不是適用于所有的地層，在泥、頁(yè)巖地層使用較為適合，泥頁(yè)巖地層之外還需要深入學(xué)習(xí)其他的地層壓力監(jiān)測(cè)方法，如巖石強(qiáng)度法。

（3）Dc指數(shù)法監(jiān)測(cè)地層壓力，對(duì)于常壓到高壓地層過(guò)渡帶地層非常薄的井，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)預(yù)測(cè)不準(zhǔn)的情況，在這種情況下，使用Dc指數(shù)方法監(jiān)測(cè)地層壓力時(shí)，要十分注意，現(xiàn)場(chǎng)與監(jiān)測(cè)人員要高度配合。

[1]余明發(fā)， 徐孝日， 黃彥慶.欠壓實(shí)成因異常高壓的隨鉆檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用研究 [J]. 石油天然氣學(xué)報(bào)， 2008， 30（3）： 308-310.

[2]武慶河， 嚴(yán)國(guó)平， 趙鐵鎖.常見(jiàn)氣顯示的成因及特征[J]. 斷塊油氣田， 1998， 6（3）： 15-18.

[3]操延輝. 油氣勘探發(fā)研究中如何甄別氣測(cè)錄井資料[J]. 中國(guó)石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量， 2014（2）： 201-202.

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圖7 C井鉆后與鉆進(jìn)時(shí)分析結(jié)果對(duì)比圖

[7]王志戰(zhàn)， 許小瓊.地層壓力隨鉆評(píng)價(jià)方法應(yīng)用研究——以濟(jì)陽(yáng)坳陷為例 [J]. 錄井工程， 2008， 19（4）： 12-16.

Application and Analysis of Monitoring Formation Pressure while Drilling with Dc Index

LI Hong
（Engineering Technology Branch of CNOOC Energy Development Co. LTD., Tianjin 300452, China）

Using real-time parameter database of online assistant decision-making system and pressure prediction software drillworks, combined with the comprehensive logging method and Dc index method, the formation pressure of the wells A, B and C has been monitored. Various parameters in the process of drilling can be display throughonline assistant decision system, which plays a very important role for qualitative judgment of whether entering the abnormal high pressure formation. Formation pressure monitoring results indicated thatthe formation pressuremonitoring accuracy is high using Dc index method.

Dc index method; formation pressure; monitoring while drilling

TE132.1

A

10.3969/j.issn.1008-2336.2017.03.043

1008-2336（2017）03-0043-06

2016-11-18；改回日期：2017-03-29

李紅，女，1984年生，碩士，工程師，主要從事鉆井工程計(jì)算，井壁穩(wěn)定性分析，隨鉆地層壓力分析等輔助決策計(jì)算工作。

E-mail：lihong7@cnooc.com.cn。