李華洋，吳惠梅，嚴(yán) 科，劉琬玉，郭金隴

（1.長(zhǎng)江大學(xué)石油工程學(xué)院，湖北武漢 430100；2.福州大學(xué)石油化工學(xué)院，福建福州 350116）

21 世紀(jì)以來(lái)我國(guó)將油氣勘探目標(biāo)逐漸轉(zhuǎn)移到南海深水地區(qū)[1]，南海油氣資源極為豐富，預(yù)計(jì)深水區(qū)油氣資源量約300×108t（油當(dāng)量），有第二個(gè)“波斯灣”之稱(chēng)[2]，具有巨大的戰(zhàn)略意義和非凡的經(jīng)濟(jì)效益。其中尤以鶯歌海盆地和瓊東南盆地為代表，其天然氣地質(zhì)儲(chǔ)量預(yù)計(jì)超過(guò)4×1012m3，資源潛力巨大[3]。但是南海油氣的開(kāi)發(fā)卻面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，與常規(guī)的陸地或淺水鉆井相比，深水、超深水環(huán)境下的地層其上部存在嚴(yán)重的欠壓實(shí)，承壓能力弱，而下部井段則普遍高壓[4]，異常壓力時(shí)有發(fā)生。想要安全、高效、順利地完成鉆井工作，繪出準(zhǔn)確的地層三壓力曲線(xiàn)從而確定出安全鉆井液密度窗口是井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及施工作業(yè)的前提條件。

在鉆井過(guò)程中，由于其復(fù)雜的地質(zhì)成因和多變的海洋環(huán)境，深水、超深水鉆井對(duì)井壁穩(wěn)定的分析精度要求更高，為防止出現(xiàn)井壁失穩(wěn)，應(yīng)合理計(jì)算安全鉆井液密度，使井壁既不因鉆井液密度過(guò)低而發(fā)生剪切破壞，引起地層坍塌，又不因鉆井液密度過(guò)高而壓裂地層[5]，嚴(yán)防溢流、卡鉆、漏失等井下事故的發(fā)生。

1 目標(biāo)區(qū)塊概況

鶯歌海盆地地處印支半島和我國(guó)南海北部大陸交接帶，為典型的海上超高溫高壓區(qū)域[6]。目標(biāo)井L-1 井是一口位于鶯歌海盆地陵水凹陷構(gòu)造中部的直探井，補(bǔ)心海拔29.3 m，泥線(xiàn)深度1 017.3 m，設(shè)計(jì)井深4 584.3 m，完鉆井深4 448.0 m，自上而下依次鉆遇樂(lè)東組、鶯歌海組、黃流組和梅山組，主要目的層為梅山組A 砂體，為深灰色泥巖與粉細(xì)砂巖不等厚互層。主要目的層溫度143 ℃～146 ℃，地層壓力系數(shù)為1.74～1.83，且存在壓力側(cè)向傳遞。對(duì)其進(jìn)行鉆前井壁穩(wěn)定性分析，結(jié)果表明，該區(qū)域狀況極其復(fù)雜，壓力窗口狹窄，前期已鉆深水井及高溫高壓井復(fù)雜情況較多，特別是由于壓力窗口窄導(dǎo)致的溢流、壓井過(guò)程中井漏復(fù)雜情況率高。

2 地層壓力計(jì)算模型的確定

2.1 孔隙壓力計(jì)算模型

伊頓（Eaton）法是目前地層壓力預(yù)測(cè)的最常用的經(jīng)驗(yàn)方法之一，但伊頓（Eaton）法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)的必要條件是具有實(shí)測(cè)資料，在鉆井作業(yè)中，為了節(jié)約成本，深水鉆井通常只對(duì)深部目的層井段進(jìn)行測(cè)井作業(yè)，導(dǎo)致淺部地層測(cè)井資料缺失[7]。故在孔隙壓力計(jì)算過(guò)程中，具有實(shí)測(cè)資料的目的層采取伊頓（Eaton）法。對(duì)于淺部地層則依據(jù)地震層速度資料，建立起基于層速度的孔隙壓力計(jì)算模型[8]。計(jì)算公式如下[9]：

式中：PP-孔隙壓力，MPa；PV-地靜壓力，MPa；Pn-靜液柱壓力，MPa；Δtn-正常壓實(shí)趨勢(shì)下的聲波時(shí)差，μs/ft；Δt-通過(guò)測(cè)井或地震數(shù)據(jù)得到的該深度點(diǎn)實(shí)際的聲波時(shí)差，μs/ft；n-伊頓指數(shù)，可通過(guò)隨鉆實(shí)際測(cè)量的地層孔隙壓力求取。

2.2 坍塌壓力計(jì)算模型

計(jì)算地層坍塌壓力的前提條件是保證井眼周?chē)膰鷰r都能維持穩(wěn)定[10]。當(dāng)井內(nèi)鉆井液密度太低時(shí)，井壁圍巖承受的應(yīng)力超過(guò)巖石本身強(qiáng)度從而發(fā)生剪切破壞導(dǎo)致井壁坍塌[11]。

假設(shè)地層為線(xiàn)彈性多孔介質(zhì)，對(duì)于直井，在不考慮鉆井液滲流和地層水化的條件下，可以建立如式（2）所示的地層坍塌壓力的計(jì)算模型[12]：

式中：H-井深，m；ρm-泥漿密度，g/cm3；FC-巖石的黏聚力，MPa；φ-內(nèi)摩擦角，一般取30°；σh1、σh2-水平方向地應(yīng)力，MPa；α-Boit 系數(shù)，無(wú)量綱；η-應(yīng)力非線(xiàn)性修正系數(shù)，無(wú)量綱。

2.3 破裂壓力計(jì)算模型

南海西部L-1 井區(qū)巖性以灰色泥巖、砂質(zhì)泥巖和砂泥巖互層為主，鑒于泥巖滲透率很低，所以在鉆井液性能良好時(shí)，其向地層滲透的情況可忽略不計(jì)，故L-1井井壁可近似看成不滲透井壁。

2002 年鄧金根等根據(jù)線(xiàn)性孔隙彈性理論，在綜合孔隙壓力及庫(kù)倫-摩爾（Coulomb-Mohr）強(qiáng)度準(zhǔn)則的情況下，提出了地層不滲透時(shí)破裂壓力計(jì)算公式如下[13]：

式中：Pf-破裂壓力，MPa；H-井深，m；St-地層強(qiáng)度性質(zhì)抗拉強(qiáng)度；μs-巖層彈性系數(shù)泊松比；Es-巖石靜彈性模量，MPa；ε1、ε2-水平方向上地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)；α-有效應(yīng)力系數(shù)，無(wú)因次；PP-地層孔隙壓力，MPa。

公式中的各參數(shù)，除孔隙壓力PP用伊頓（Eaton）法確定外，其余參數(shù)均由聲波測(cè)井資料得出。

3 L-1 井安全鉆井液密度窗口預(yù)測(cè)

安全鉆井液密度窗口是指既能防止井壁張性破裂又能防止井壁剪切垮塌的鉆井液密度范圍[14]。

首先根據(jù)目標(biāo)井L-1 井的地層壓力預(yù)測(cè)值及鄰井L-2 井實(shí)測(cè)點(diǎn)，對(duì)L-1 井進(jìn)行井壁穩(wěn)定性力學(xué)分析，得出L-1 井的安全鉆井液密度窗口，指導(dǎo)不同井段鉆井液密度設(shè)計(jì)，明確不同井段的井壁失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)并預(yù)警提示，該井的地層壓力剖面圖（見(jiàn)圖1）。

由圖1 可以看出：L-1 井下部地層鶯歌海組和黃流組壓力逐漸上升，表現(xiàn)出顯著的異常高壓。將預(yù)測(cè)結(jié)果與鄰井實(shí)測(cè)值進(jìn)行誤差分析（見(jiàn)表1、表2）。結(jié)果表明孔隙壓力的預(yù)測(cè)值與鄰井實(shí)測(cè)值之間最大誤差為1.40 %，平均誤差為0.70 %。破裂壓力的預(yù)測(cè)值與鄰井實(shí)測(cè)值之間最大誤差為15.50 %（該點(diǎn)未漏），平均誤差為9.31 %，預(yù)測(cè)精度較高，能滿(mǎn)足工程需要。

表1 L-1 井孔隙壓力預(yù)測(cè)精度對(duì)比表

表2 L-1 井破裂壓力預(yù)測(cè)精度對(duì)比表

圖1 L-1 井地層壓力剖面圖

結(jié)合圖1 中信息及L-1 井區(qū)地質(zhì)環(huán)境得，L-1 井在樂(lè)東組和鶯歌海組一段壓力正常，井壁穩(wěn)定，隨著深度的加深，異常高壓表現(xiàn)明顯，鶯歌海組二段（2 767 m～3 410 m）至梅山組（4 322 m～4 448 m）安全泥漿密度窗口急速變窄，最小地層壓力窗口僅0.14 g/cm3，故鉆進(jìn)過(guò)程中要謹(jǐn)慎設(shè)計(jì)合理的鉆井液密度，實(shí)行控壓鉆井，避免井壁失穩(wěn)，確保安全鉆進(jìn)。

4 結(jié)論與建議

（1）伊頓（Eaton）法適用于由欠壓實(shí)作用引起的異常高壓區(qū)塊，預(yù)測(cè)值與鄰井實(shí)測(cè)點(diǎn)相比，孔隙壓力預(yù)測(cè)誤差最大為1.40 %，平均誤差為0.70 %。由于缺乏L-1 井淺層測(cè)井資料而以較遠(yuǎn)的鄰井實(shí)測(cè)資料作為參考，導(dǎo)致破裂壓力預(yù)測(cè)誤差相對(duì)較大，最大誤差為15.50 %（該點(diǎn)未漏），平均誤差為9.31 %。但總體而言，預(yù)測(cè)精度較高，可指導(dǎo)生產(chǎn)。

（2）鑒于深水、超深水鉆井與常規(guī)的陸上或淺水鉆井的不同，建立了基于地震層速度的地層三壓力預(yù)測(cè)模型，結(jié)合測(cè)井資料可計(jì)算巖石力學(xué)參數(shù)，繪出地層壓力剖面，進(jìn)而求得L-1 井安全鉆井液密度窗口，由此可科學(xué)設(shè)計(jì)不同層位安全鉆井液密度范圍。

（3）本文單純從巖石力學(xué)角度分析，在實(shí)際生產(chǎn)時(shí)，除了要參考預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，還必須綜合考慮溫度、激動(dòng)壓力、鉆井液的化學(xué)性質(zhì)及現(xiàn)場(chǎng)施工等因素的影響。