徐 婕 姜維寨 牛華夏 楊 洋 丁 詩 陳思宇

（①中國石油渤海鉆探第二錄井公司；②長江大學(xué)石油工程學(xué)院）

0 引言

河套盆地臨河坳陷是華北油田“十四五”期間深層、超深層油氣大規(guī)?？碧介_發(fā)的主戰(zhàn)場，HT 1 井在臨河組（5 951～6 460 m）試油獲得百萬方高產(chǎn)工業(yè)油流，證實(shí)了該區(qū)塊資源潛力[1]。但隨之而來的問題是深層高溫、高壓環(huán)境下普遍存在多套高壓層段，受地質(zhì)和工程等多種因素影響，隨鉆壓力監(jiān)測的精度較低，井漏、井塌等井壁失穩(wěn)事故頻發(fā)，降低了鉆井速度，同時給鉆井施工作業(yè)帶來了巨大的安全隱患。

隨鉆地層壓力監(jiān)測是在鉆井過程中利用鉆井、錄井、地質(zhì)參數(shù)資料來綜合確定地層壓力的變化情況。徐長敏、李紅[2-4]等引入軟件對高溫高壓井進(jìn)行實(shí)時隨鉆地層壓力監(jiān)測，獲得良好的效果；李普濤[5]開展了對鉆時參數(shù)進(jìn)行修正的可行性分析，提出一種新的鉆時變換方法來監(jiān)測地層壓力；李戰(zhàn)奎等[6]建立地質(zhì)-測井-錄井參數(shù)與地層壓力之間的關(guān)系識別圖板，實(shí)現(xiàn)了地層壓力系數(shù)的準(zhǔn)確監(jiān)測。前人的成果在鉆井工程方面受鉆頭類型和尺寸差異的影響，導(dǎo)致壓力監(jiān)測的計算精度低，因而有必要通過進(jìn)一步開展隨鉆dc指數(shù)和壓力監(jiān)測方法的研究，提高隨鉆壓力監(jiān)測的精度。

筆者應(yīng)用河套盆地臨河坳陷HT 1 井區(qū)光明構(gòu)造3 口井的測井、鉆井和錄井資料，首先通過修正鉆壓、鉆時等參數(shù)進(jìn)行dc指數(shù)校正，在此基礎(chǔ)上提出了在一趟鉆的前提下分段建立正常壓實(shí)趨勢線的方法，開展地層壓力隨鉆監(jiān)測工作。從監(jiān)測結(jié)果來看，壓力監(jiān)測精度較高，效果較好。

1 dc指數(shù)法地層壓力監(jiān)測

常用的地層壓力監(jiān)測方法主要為dc指數(shù)法。在地層正常壓實(shí)情況下，隨著巖層埋藏深度的增加，壓實(shí)程度遞增，地層孔隙度、機(jī)械鉆速呈遞減趨勢，而當(dāng)鉆遇異常高壓地層時，地層因欠壓實(shí)作用導(dǎo)致孔隙度、機(jī)械鉆速增大。根據(jù)前人研究[7-8]提出了針對泥頁巖地層的dc指數(shù)的計算公式：

式中：dc為地層可鉆性指數(shù)；R為機(jī)械鉆速，m/h；N為轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速，r/min；W為鉆壓，kN；Db為鉆頭直徑，mm；ρn為正常地層壓力的當(dāng)量鉆井液密度（即地層水的密度），g/cm3；ρm為實(shí)際使用的鉆井液密度，g/cm3。

利用上式得到的dc指數(shù)可通過反算法計算出地層壓力，公式為：

式中：ρp為地層壓力當(dāng)量密度，g/cm3；ρ0為正常地層孔隙壓力當(dāng)量密度，通常取1.03 g/cm3；Cd為校正系數(shù)，無因次，可由現(xiàn)場實(shí)測值反算求得；dcn為正常dc指數(shù)壓實(shí)趨勢線。

2 dc指數(shù)法地層壓力監(jiān)測精度的影響因素

dc指數(shù)法地層壓力監(jiān)測精度的影響因素較多，主要包括如下5個方面。

（1）鉆壓、鉆速、轉(zhuǎn)速等參數(shù)影響。受人為操作差異、地層巖性變化及其他因素影響，鉆壓、鉆速（鉆時）、轉(zhuǎn)速參數(shù)變化頻繁，影響鉆頭對地層的沖擊力，從而影響巖層的破碎程度，使dc指數(shù)不準(zhǔn)確。本文選取1 m 內(nèi)的鉆壓、轉(zhuǎn)速平均值或加權(quán)值作為標(biāo)準(zhǔn)鉆壓、標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速。通過校正指重表來保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性[9-10]。

（2）水力因素的影響。水力和機(jī)械因素的聯(lián)合破巖作用會導(dǎo)致機(jī)械鉆速增大，因此，在計算dc值時，需要先對水力因素的影響進(jìn)行校正。

（3）鉆頭型號的影響。鉆頭型號的改變對dc指數(shù)有影響，隨著新的鉆井工藝的發(fā)展，鉆井中越來越多的采用PDC 鉆頭加動力螺桿、PDC 鉆頭加旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向等工具，使得原有的dc指數(shù)模型難以適應(yīng)。因此，需要對鉆井參數(shù)和不同鉆頭型號之間的關(guān)系進(jìn)行研究，以獲得準(zhǔn)確的dc指數(shù)。

（4）地層巖性的影響。在同樣參數(shù)下，相鄰兩點(diǎn)的泥巖和頁巖的鉆速通常是不相同的，對dc指數(shù)和地層壓力ρp的求取也會有影響。

（5）趨勢線建立的合理性。建立合適的正常壓實(shí)趨勢線對于計算地層壓力梯度非常重要。通常使用以下方法來建立趨勢線：

式中：H為井深，m；A、B為線性函數(shù)的參數(shù)。

常用的方法是將上式兩邊取對數(shù)，lg（dcn）＝AH+B，再在半對數(shù)坐標(biāo)上繪制，手工回歸一條lg（dcn）曲線（正常壓實(shí)趨勢線），并獲取A、B值。

上述方法在一定程度上可以剔除由施工原因引起的dc指數(shù)突變的數(shù)據(jù)點(diǎn)，但計算量較大，同時該方法主要是針對常規(guī)中淺層砂泥巖地層所提出的，深層及超深層在高溫和高壓環(huán)境下受鉆頭類型、大小、硬度、進(jìn)尺、磨損，以及鉆井液密度、轉(zhuǎn)速等方面因素的影響，與中淺層存在較大的差異，導(dǎo)致常規(guī)的方法適用性較差，精度較低，影響了壓力監(jiān)測的結(jié)果。為此，亟需在方法上進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化。

3 dc指數(shù)校正及效果驗(yàn)證

由公式（1）可知dc指數(shù)是一個綜合性指標(biāo)，在工程方面，鉆速、鉆壓對dc指數(shù)法計算地層壓力的影響較大，就模型而言，趨勢線的建立對準(zhǔn)確度的影響最大。為了準(zhǔn)確反映可鉆性dc指數(shù)與地層壓力變化之間的關(guān)系，筆者提出在一趟鉆（鉆頭尺寸、鉆頭類型不變）前提下，首先開展鉆壓、鉆速（由錄井參數(shù)中的鉆時參數(shù)來轉(zhuǎn)換）等參數(shù)的校正工作，建立機(jī)械鉆速與鉆壓、轉(zhuǎn)速參數(shù)之間的變化關(guān)系，對dc指數(shù)進(jìn)行校正，之后在一趟鉆的前提下采用分段建立正常壓實(shí)趨勢線的方法開展地層壓力監(jiān)測工作。

3.1 錄井與測井資料相結(jié)合校正鉆壓、鉆時參數(shù)

在常規(guī)錄井參數(shù)中，鉆時的大小能夠反映巖石物性的強(qiáng)弱，鉆時快，則巖石的儲層物性好、巖性較純，相反鉆時慢，則儲層物性差；聲波時差測井曲線是判斷巖石儲層物性變化的主要手段，間接反映了鉆井參數(shù)（鉆壓、鉆時）的變化。

優(yōu)選HT 1 井區(qū)3 口井壓力過渡帶的鉆時、測井聲波時差數(shù)據(jù)建立鉆時與測井聲波時差交會圖（圖1），從圖中可見，受鉆頭類型、鉆壓及人為操作等多種因素影響，各井鉆時和測井聲波時差之間差異較明顯，相關(guān)性并不穩(wěn)定，較為分散，整個區(qū)域的評價體系建立起來十分困難，所以需要采用校正鉆時的方法來消除工程參數(shù)的差異對鉆時的影響。

圖1 HT 1井區(qū)鉆時與測井聲波時差交會圖（壓力過渡帶）

因此，以鉆時和聲波時差測井曲線的相關(guān)性為基礎(chǔ)，結(jié)合鉆速方程推導(dǎo)出工程參數(shù)對鉆壓、鉆時的校正函數(shù)，需要強(qiáng)調(diào)的是鉆壓校正函數(shù)f（W）是在鉆時校正基礎(chǔ)上開展的，鉆時校正的精度決定鉆壓校正的準(zhǔn)確率，進(jìn)而可實(shí)現(xiàn)鉆井參數(shù)的優(yōu)化。

通過鉆速方程[11-13]來推導(dǎo)鉆時校正方法：

式中：t為鉆時，min/m；K為鉆壓系數(shù)；W為實(shí)測鉆壓，kN；M為門限鉆壓，kN；γ為轉(zhuǎn)速系數(shù)，一般取0.7；cp為壓差影響系數(shù)；cH為水力凈化系數(shù)；c2為鉆頭牙齒磨損系數(shù)；h為鉆頭牙齒磨損度。

擬定標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)（標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)是工程參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化目標(biāo)，這里為虛擬值）代入計算得到鉆時校正公式：

式中：t'為校正鉆時，min/m；W'為標(biāo)準(zhǔn)鉆壓，kN；N'為標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速，r/min；c'p為標(biāo)準(zhǔn)壓差影響系數(shù)；c'H為標(biāo)準(zhǔn)水力凈化系數(shù)；h'為標(biāo)準(zhǔn)鉆頭牙齒磨損度。

進(jìn)而推導(dǎo)出校正函數(shù)F校正為：

標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)均為固定值，因此（W'-M）、N'γ、（1+c2h'）均為常數(shù)，即由公式（7）可得：

式中：k為公式系數(shù)。

根據(jù)錄井現(xiàn)場的經(jīng)驗(yàn)，鉆井過程的影響因素中，鉆頭尺寸、鉆壓、轉(zhuǎn)速對鉆速的影響依次減小，壓差和鉆井液性能等因素對鉆速的影響較小。因此，考慮到與鉆頭尺寸和類型配套的工程參數(shù)體系的差異明顯，需要對不同鉆頭尺寸和類型進(jìn)行分類研究。

在同一鉆頭尺寸和型號下，以鉆壓和轉(zhuǎn)速作為校正主參數(shù)，得到校正函數(shù)F校正為：

式中：f（W）為鉆壓校正函數(shù)。

校正后的鉆時與測井聲波時差之間具有一定的冪函數(shù)關(guān)系，即：

式中：Δt為聲波時差，μs/ft（1 ft＝0.3048 m）；j為公式系數(shù)；d為冪指數(shù)。

將公式（6）、公式（9）代入公式（10）推導(dǎo)可得：

依據(jù)上述公式，結(jié)合區(qū)域數(shù)據(jù)可擬合出鉆壓校正函數(shù)f（W）。壓力異常段主要采用?215.9 mm 和?311 mm 兩種尺寸的鉆頭進(jìn)行鉆進(jìn)，因此，主要針對這兩類鉆頭進(jìn)行校正，校正公式如下，具體函數(shù)關(guān)系如圖2所示。

圖2 不同尺寸鉆頭鉆壓校正函數(shù)關(guān)系

式中：a、b、c為公式系數(shù)。

根據(jù)擬合出的鉆壓校正函數(shù)，結(jié)合公式（6）、公式（9）得到鉆時校正公式：

應(yīng)用上述公式，開展全井段不同鉆井開次的鉆時校正工作。由圖3可知，相較于校正前，校正后的鉆時曲線整體趨勢未發(fā)生大的變化，僅在5 020～7 030 m井段出現(xiàn)較大幅度的鉆時數(shù)據(jù)跳躍現(xiàn)象，主要原因是該深度段為異常壓力發(fā)育層段，巖性復(fù)雜多樣，地層壓力變化較大，符合正常鉆井工況。因此，鉆時校正結(jié)果可有效消除由于工程因素導(dǎo)致的鉆壓、鉆時參數(shù)精度低的影響，為后期dc指數(shù)值的計算提供有力的數(shù)據(jù)支撐。

圖3 不同鉆頭、不同深度鉆時校正前后對比（HT 1井）

3.2 分段建立正常壓實(shí)趨勢線

正常壓實(shí)趨勢線建立的合理與否是影響dc指數(shù)方法監(jiān)測效果與精度的關(guān)鍵因素之一。HT 1 井區(qū)3口井從儲層埋深、井身結(jié)構(gòu)、鉆井開次和鉆頭型號等方面均存在較大差異，為了消除上述因素對正常壓實(shí)趨勢線建立的影響，筆者提出在一趟鉆的前提下，針對臨河坳陷HT 1井區(qū)采用分段的方法建立光明構(gòu)造的正常壓實(shí)趨勢線，見表1、圖4。需要重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)的是正常壓實(shí)趨勢線建立過程中必須要遵守以下原則：

表1 HT 1井區(qū)光明構(gòu)造不同井身結(jié)構(gòu)正常壓實(shí)趨勢線建立

圖4 光明構(gòu)造正常壓實(shí)趨勢線

（1）在鉆頭類型及尺寸更換時，將正常壓實(shí)趨勢線重新定義。

（2）井徑發(fā)生變化時，將正常壓實(shí)趨勢線重新定義。

（3）鉆井液性能發(fā)生較大變化時，將正常壓實(shí)趨勢線重新定義。

（4）在分段的前提下選取純泥巖段建立正常壓實(shí)趨勢線，純泥巖段盡量選取連續(xù)的泥巖發(fā)育層段，厚度在300 m 以上，泥巖厚度越大所建立的趨勢線越合理。

3.3 工程應(yīng)用與效果分析

建立合理的趨勢線后，應(yīng)用公式（2）可計算得到地層壓力。同時，與應(yīng)用等效深度法和伊頓法計算的地層壓力進(jìn)行對比。本文采用伊頓法進(jìn)行計算，伊頓法計算公式為：

式中：Δtn為正常壓實(shí)條件下泥頁巖聲波時差，μs/ft；ρp為地層壓力當(dāng)量密度，g/cm3；ρw為正常壓實(shí)地層壓力當(dāng)量密度，g/cm3；ρh為巖石的上覆巖層壓力當(dāng)量密度，g/cm3；n為伊頓系數(shù)，根據(jù)實(shí)測地層壓力反算本區(qū)域n＝0.85。

將上述研究成果應(yīng)用于LongH 1 井加深鉆進(jìn)過程的隨鉆壓力監(jiān)測分析中，從測井、鉆井液密度與隨鉆監(jiān)測的地層壓力計算結(jié)果來看，隨鉆壓力監(jiān)測精度較高，見圖5。鉆井工況證明溢流、氣侵等井壁失穩(wěn)事故率大幅降低，有效避免了后期因地層壓力規(guī)律不清造成井壁失穩(wěn)現(xiàn)象的發(fā)生。

圖5 LongH 1井校正后的地層壓力對比

4 結(jié)論

（1）通過進(jìn)行dc指數(shù)法監(jiān)測地層壓力精度的影響因素分析，明確了鉆頭尺寸、鉆壓、鉆時及正常壓實(shí)趨勢線建立的合理與否是影響dc指數(shù)計算精度的主要因素。

（2）為了消除鉆壓、鉆時等參數(shù)對dc指數(shù)計算結(jié)果的影響，采用錄井與測井資料相結(jié)合來校正鉆壓、鉆時參數(shù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)鉆壓、鉆時等參數(shù)的優(yōu)化，提高dc指數(shù)的計算精度。

（3）為了消除鉆頭尺寸和類型對隨鉆壓力監(jiān)測精度的影響，在一趟鉆前提下分段建立正常壓實(shí)趨勢線，結(jié)合dc指數(shù)校正結(jié)果，開展LongH 1 井加深層地層壓力隨鉆監(jiān)測，取得了較好的效果。