DRILLNET 2.0------第二十八章背景知识

第二十八章背景知识

28.1 孔隙压力预测

在深井钻井设计及钻进施工过程中，钻进地层的流体孔隙压力是钻井工程师需要考虑的最重要的参数之一。出于安全的考虑，井底压力（在任何深度）应保持在地层流体原始压力与破裂压力两者范围之内。

钻井工程师必须判断是否存在异常压力，并预测异常压力的大小与所在井深。对异常压力的预测必须给予高度重视，因为这非常重要，当急需这方面数据的时候，准确的预测方法需要丰富的经验。

碎屑岩由河流向海洋运移的过程中，逐渐沉淀，沉淀物最初没有胶结未经压缩，具有较高的孔隙度与渗透率，沉淀物此时呈液态并与海水相混合，处于同一静水压力之下。当沉淀物发生沉积作用，其中的固体颗粒因自重使得颗粒间互相紧密接触，胶结的固体此时对其下部的静液水压力不再有影响，因此，沉淀物空隙中留存的液体压力仅由液体的密度决定。随着沉积作用的继续，沉积物埋藏深度逐渐增加，通过固体颗粒间接触，颗粒承受载荷逐渐增加，使得颗粒间空隙减小，沉积物压缩性更强、空隙度更小11。地层孔隙压力与所处深度理论静水压力相近时，称为正常地层压力，某一区域的正常孔隙压力通常以压力梯度表述。以下是一些钻井活跃区域的典型压力梯度。

正常孔隙压力约等于水或盐水的静液压力梯度，任何深度的英制单位正常地层压力可由下式计算：

式中，P为压力，单位psi

ρ为流体密度，单位ppg

D为深度，单位ft

例如，地层流体是流通的且密度为8.35ppg，那正常的地层压力预测值应为4334psi，如果有任何原因导致实际压力高于这个理论值，即为异常压力。

石油工业评价孔隙压力常用单位为磅每立方英寸（psi），但常转换为当量泥浆密度，并以磅每加仑（ppg）为单位，这样更容易对比防止气侵导致井喷或者经验垮塌所需的泥浆密度。

28.1.1 异常压力成因

许多时候，地层压力会出现高于该深度下正常压力的情况，专业名词“异常地层压力”常指地层压力高于正常压力，低于地层压力的压力异常情况同样存在，描述这样的情况使用专业名词“异常低压”

异常地层压力即地层压力高于正常压力可能会导致严重的钻井事故。异常压力的成因有很多，为此，在钻井过程中，可能会用到许多种办法来封闭或者控制异常压力地层，包括套管封固异常压力层以及提高泥浆密度平衡异常压力等。

异常压力形成的最主要的一个原因是地层的欠压实。在沉积过程中，由于低渗的上覆盖层导致孔隙流体无法以正常的速度排出，地层就会发生欠压实从而导致地层有的异常高压。

第二个原因是地层的沉积历史，碳氢化合物的煤化、粘土的成岩及热反应会进一步加强孔隙的排水效应。由于岩石基岩限制增长中的孔隙流体体积，从而导致了地层孔隙空间的异常压力，称为异常压力形成的卸载机理，卸载作用可由地质构造的形成及冲蚀引起。

异常压力另一个成因是流体的横向运移，流体沿断层或通过联通的渗透性储层向圈闭运移，导致在圈闭的脊部形成异常高压。

流体由埋藏较深的油藏向埋藏较浅的油藏转移也会引起异常压力，我们称这种现象为埋藏较浅油藏的充填。充填可能由本井其它地层的流体沿断层的上移、邻井套管泄露后流体侵入等原因引起，其结果是灾难性的，而且导致的严重井喷通常没有征兆。这种情况在老油田更为突出。

28.1.2 孔隙度的计算

孔隙中的水随着井深及温度的增加加速向外排出，同时，孔隙空间随着地应力增加而减小。因此，只有地层中渗透性良好的通道使得流体能够有效的排出，并且排出速度与地层压缩速度相匹配，地层压力才能够与静液压力相等。否则，若流体流动通道发生堵塞，上覆岩层压力将使得孔隙压力超过静液压力。此时，孔隙的体积比同等井深下正常压实的高，压实作用使得页岩、蒸发岩等胶结良好的沉积岩由于渗透率的降低，造成封隔，使得异常压力进一步提高。某个井深下地层岩石的当量密度ρb与地层岩石基岩密度ρg、孔隙流体密度ρη及地层孔隙度Φ关系如下式12：

随着井深的增加对压实作用、沉积物孔隙度造成影响，影响程度决定了最终岩石的当量密度。由常见矿物成分组成的沉积岩基岩的密度相差不大，因此通常可以设定一个平均值作为基准密度。同样，孔隙流体的密度也可以设定一个平均值作为基准孔隙流体密度。

使用此公式，可以很方便的以各种基岩及孔隙流体密度下得平均孔隙度来表达岩石的当量密度。将平均孔隙度与井深值在半对数坐标系上左图，通常可以得到近似的直线，直线的公式如下：

式中,Φo为地表孔隙度

K为孔隙度衰减率

Ds为沉积岩距离地表的深度。

28.1.3 孔隙压力预测方法

绝大多数地层异常压力预测方法基于欠压实理论，根据此理论异常压力地层通常比同等井深下正常压力的相似地层有更高的孔隙度。因此，任何能够计算孔隙度的方法也可以用于计算异常压力13。通常，与孔隙度相关的参数表达为井深的函数。

正常情况下，由于孔隙度随井深增加、压实作用增强而减小，与孔隙度相关的参数随深度变化具有明显的降低趋势。与正常趋势的偏离预示着可能存在异常压力，某个地区正常压力及以上地层成为转折区。趋势偏离的井深预测非常重要，因为套管必须在此前下入，保证高压井段能够安全的钻进。

根据井深与孔隙度相关参数的关系，有两种方法用于预测地层压力。第一种方法基于这样的假设，相似的地层当基岩处于同样的有效应力时孔隙度等相关参数相等。因此，异常压力地层的基岩应力与深度较浅的正常压力地层相同（具有同样的孔隙度相关参数）。但是，由于地质及沉积压实历史的差异，不同地区地层的压实趋势并不相同。

第二种方法是经验法，经验法通常被认为比第一种方法更准确。使用这种方法的前提是需要具有该地区大量的数据，在实践中，只有通过探井或者在已经开发的区块才具备这样的条件。

异常地层压力的预测及检测方法可分为三类：（1）钻前预测法（2）随钻监测法（3）钻后检测法。最初的风险探井设计必须考虑使用钻前预测法计算的地层压力，并在钻进的过程中随钻更新，钻达目标靶区后，下套管前应使用各种地层评价方法对预测的地层压力进行校正。

钻前地层孔隙压力的预测主要基于：（1）邻井数据（2）地震数据

28.1.4 （孔隙压力检测的）体积密度测定（法）

随钻对岩屑的连续评价能提供地层的宝贵信息，如果前期已钻井的数据可靠，就可以用于预测附近钻探相同或相似地层的新井的地层孔隙压力。岩屑体积密度的可以使用多种技术方法测定：（1）水银泵法（2）钻井液密度秤法（3）密度液法。无论使用何种方法，最终结果都是得到泥页岩的体积密度的近似值。

泥页岩体积密度是孔隙度相关的参数，通常与深度一起绘制到同一坐标系中用于预测地层压力。当岩屑的体积密度明显低于泥页岩正常密度趋势线时，表明存在异常压力。有一种计算地层压力的方法称为Botman关系法，使用经验曲线计算地层压力，曲线所在坐标系两个坐标轴分别为地层压力梯度（单位psi/ft）和泥页岩体积密度差值（单位g/cm3）。泥页岩体积密度在正常压实趋势下为孔隙度的指数函数，数学模型如下：

公式中孔隙度：

经整理：

正常地层压力的页岩基岩颗粒密度为2.65，孔隙流体平均密度可以通过表格查取，常量与K可通过在正常压力地层的页岩屑体积密度测量中测得。在实践中，使用正常趋势线即可求出特定井深的、K以及岩屑体积密度的正常值。由此，通过基于正常密度的的计算得出页岩密度差值后，使用Boatman关系法即可求得异常压力值。

28.1.5 （孔隙压力检测的）修正d指数（法）

钻进至正常压力与异常压力过渡带时，岩石属性与钻头性能的变化常间接的表明地层压力发生了变化。为了发现这些变化，需要通过地面设备持续的监测与记录与钻头性能相关的钻进参数。此外，循环中的泥浆与岩屑的变化也同样需要监测。

如果井底压力低于孔隙压力，将引起井涌或者使得地层流体侵入井筒。在这种情况下，关井后钻杆的封闭压力能够提供关于地层压力直接而准确的数据。

通过地面仪器的测量，可以监测钻头表现的变化，最常见的监测参数包括：（1）机械钻速、（2）钩载、（3）转速、（4）扭矩。由于钻井液性能对机械钻速有影响，因此同样需要监测。机械钻速通常随着钻遇地层类型的而明显改变，对于同一地层通常的趋势是随着深度增加而逐渐降低，然而，钻遇异常压力地层过渡带时，这个趋势会发生改变。通常情况下，只有在异常高压地层的过渡带会出现异常坚硬的地层，且机械钻速明显偏低，这是由于这些地层渗透度极低，只有这样才能封隔形成异常高压。这些封隔地层的厚度差异很大，从几英尺至几百英尺。只有在这些异常压力盖层以下，机械钻速随井深变化的正常趋势才会恢复。

除了地层类型与地层孔隙压力外，许多钻进参数会影响机械钻速，其中包括：（2）钻头类型、（2）钻头尺寸、（3）钻头水眼大小、（4）钻头磨损程度、（5）钻压、（6）转速、（7）泥浆类型、（8）泥浆密度、（9）泥浆粘度、（10）泥浆固相含量及粒径分布、（11）泵压、（12）排量。这些参数的改变对机械钻速的影响使得岩性的变化或者地层孔隙压力的增加不易察觉，因此，仅仅依靠机械钻速常常难以发现地层压力的变化，需要结合使用其它的方法。

使用牙轮钻头时，齿的磨损程度会影响机械钻速，当其他钻进参数不变时，这个影响可以通过新钻头的正常机械钻速趋势进行修正。某些情况下，由于齿的磨损，异常压力过渡带的机械钻速降低量比预期明显偏大，同样，其它钻进参数的变化也可能导致相似的响应结果，从而误判为压力的升高。某些钻头类型有可能使得难以通过机械钻速预测地层孔隙压力的变化。

旋转钻井已有经验模型可用于消除这些重要参数变化对钻速的影响，第一个经验模型由Binghan15和Bourgoyne16提出，早期模型通过d指数来替代机械钻速的作用，d指数通过钻压W、转速N、钻头外径db、机械钻速R计算，公式如下：

式中单位，R-英尺/小时，N-rpm，W-千磅，db–英寸

如果保持钻井液密度不变，d指数可用于检测正常压力至异常压力的过渡带。在一个特定的低渗透地层，计算的d指数近似为深度的线性函数，计算的时候所有页岩地层的数据都应该采用，而其他类型地层的数据则应该忽略。正常压力地层d指数随深度增加，但出现异常压力地层后， d指数趋势线会发生偏离，d指数随深度的增加量迅速减小。许多情况下，d指数趋势完全转变甚至于随深度而减小。

1971年Rehm和McClendon17提出修正d指数，想修正钻压、钻头外径、转速等参数一样修正钻井液密度变化对d指数的影响。修正d指数计算公式如下：

式中，为正常压力地层孔隙压力当量密度，为井底当量泥浆密度。

修正d指数常用于估算地层孔隙压力梯度以及定性监测异常压力，除等价应力矩阵概念外，已出现许多经验公式。

Rehm和McClendon推荐作dmod曲线图估算地层孔隙压力时，深度及dmod值均使用线性刻度。假设正常压力趋势下是一条直线，直线的截距为(dmod)0、斜率为m。

根据作者的理论，斜率m值因地质年代的变化而有一个非常恒定的值（m=0.000038ft-1），下式即为计算dmod与正常趋势的偏离值与地层压力梯度gp关系的经验公式：

式中(dmod)n为正常压力趋势下该深度的dmod值，gp使用当量泥浆密度单位磅/加仑。

Zamora18推荐作图版估算地层孔隙压力时，深度使用线性刻度、dc值使用对数刻度。如此，正常压力趋势线为一条直线，截距为，斜率为m，公式如下：

同时，Zamora撰文指出，正常压力趋势线的斜率与地理位置及地质年代没有明显的关心，m值相互间的差异仅有0.000039ft-1，dc指数曲线图中值与地层压力梯度值gp间计算的经验公式如下：

式中为该地区正常压力梯度。

28.1.6 （孔隙压力检测的）测井（法）

对于钻井来说，决定何时停止钻进下套管固井无论从技术还是经济的角度来看，都是一个重要的问题。套管下得过浅，需要钻进更深的地层时可能导致下层套管长度增加而使费用增加。如果发生地下井喷，而又没有下套管的话，很可能导致打塞后弃井的后果。

下套管前通常进行测井，记录打开地层的信息，有几种方法可以使用测井得到的一些孔隙度相关数据估算地层压力，这些数据通常从（1）声波时差（2）电阻率测井数据中得到。

计算地层孔隙压力时，测井数据中只能使用“纯”泥页岩段的数据，而挑选的准则有：

1.最小自然电位基线基本没有波动的井段。

2.伽马值最大井段。

3.浅层与深层探测的最大电导率（最小电阻率）差值较小且较恒定的井段。

4.声波时差值最大井段。

5.泥页岩厚度不小于20英尺的井段。

通常，仅仅一口井难以找到足够数量的浅层正常压力泥页岩井段来建立正常压力趋势，这个时候，需要使用同一区块大量井的数据综合起来建立区块的平均正常压力趋势，使用该平均趋势有助于建立单井的压力趋势。

28.1.7 电阻率

几乎每口井都会测电导率或者电阻率（电导的倒数），由于数据几乎是现成的，所以电导率是使用测井数据估算地层孔隙压力最常用的孔隙度相关参数。地层参数通常是水层电阻率与水的电阻率的比值，也可以写作电导率的比值。

地层参数与孔隙度关系如下：

指数m值浮动范围为1.4~3.0，实际应用时，如果没有样品试验数据，常取值2.0。

地层电导率或电阻率因地层岩性、地层水含盐量、温度以及孔隙度不同而变化。为了避免岩性的影响，取值时应选择纯泥页岩井段的数据，避免选择含灰岩杂质的泥页岩井段，因为灰岩对电导率的影响非常大。而地层水含盐量及温度的影响，可以通过使用修正值来消除。

由于钻井液的浸泡，地层电导率会发生变化，即使泥页岩相对来说不易渗透，但由于地层与泥浆间的化学作用，影响依然存在。浸泡时间不同，高水敏泥页岩井段的电阻率测井结果也不同，这个问题可以通过使用更深探测深度的测井仪器来解决。

正常压实趋势下，泥页岩孔隙度计算公式如下：

同时：

换算后得出：

式中常量和K值必须由该地区正常压力地层的电导率计算而来。

然而，实际应用时，水的电导率或电阻率随深度而变化且不易测得，通常假设其为常数，则正常压实趋势下电导率的计算如下：

式中、，同样，K1与K2值必须选择正常压实井段的数据。

使用电导率与“正常电导率”外推的正常压实趋势间的比值，可以计算实际的地层压力值。当电导率值明显低于正常压实趋势时，表明异常压力出现。

Hottman和Johnson22第一次提出渗透性砂岩的地层压力与相邻泥页岩电阻率关系计算经验公式，同时，Matthew与Kelley23,24也提出了德克萨斯南部及墨西哥湾地区的相似公式。

28.1.8 声波时差法

做钻井设计时，主要依据同一地区已钻井资料，对于探井来说，只有地震资料可用。要使用地震资料估计地层孔隙压力，必须首先确定地层的平均声波传输速度，这个速度是深度的函数。方便起见，通常使用传输速度的倒数，或者声波时差（ITT）来表示。

声波时差（ITT）是与孔隙度相关的一个数据，与孔隙度存在以下关系：

式中为地层岩石骨架声波时差，为地层孔隙流体声波时差。由于流体的声波时差比固体大，因此当孔隙度增加的时候，岩石的声波时差也随之增加。

使用孔隙度相关参数与深度关系图版来计算地层孔隙压力时，需要建立正常压力趋势（从浅层压力正常地层测得），然后外推至异常压力深度来进行计算。通常需要假设图版两轴的参数间是线性、指数或者幂率关系，这样正常压力趋势线在直角坐标系、半对数坐标系或者对数坐标系中才会是一条直线。有的时候，很难得出这样一条压力趋势直线，这是需要使用其它更为复杂的方法。

正常压实趋势下，声波时差ITT的计算方法如下：

对于孔隙度有：

同时：

则有：

即使在正常压力下，由于孔隙度对岩石骨架声波时差的影响，使得地层平均声波时差与深度的关系比较复杂。这是由于压实作用影响岩石骨架声波时差造成的，欠压实的泥页岩声波时差值为167秒/英尺，而压实良好的泥页岩声波时差值只有62秒/英尺。另外，随着深度而变化的地层同样会影响岩石骨架声波时差以及反应压实作用的常数和K。使用大量的正常压力数据进行计算，可以解决这个问题。

使用地震资料（Penebaker法）与使用测井资料的声波时差数据计算地层压力的方法是非常相似的。最大的不同在于测井资料法仅选取泥页岩井段的数据，而地震资料法由于无法准确确定岩性，只能使用所有的数据。

在正常压力下，泥页岩的地质年代同样会影响声波时差ITT与深度的关系，古老地层由于压实时间更长，使得正常压力趋势线斜率更大，同样道理，新地层由于压实时间较短，正常压力趋势线的斜率会小一些。

当声波时差ITT明显低于正常趋势时，标志着出现异常压力。Hottman和Johnson22第一次提出渗透性砂岩的地层压力与相邻泥页岩声波时差ITT关系计算经验公式，并在波斯湾部分地区沿用至今。同时，Matthew与Kelley28,29也提出了德克萨斯湾Frio、 Wilcox以及Vicksburg等区块的正常压力趋势。更多的研究者提出了北海以及中国南海地区相似的正常压力趋势。

28.1.9 Penebaker法（地震资料法）

Penebaker法常用于根据地震波叠加速度来计算地层孔隙压力。使用地震资料作出Penebaker图，坐标分别为深度及地震波传播速度（以声波时差ITT表示，单位为微秒/英尺）。该法认为在正常压实趋势下，声波时差ITT为深度的幂函数，在对数坐标系里，趋势线近似为一条直线。相对于正常压实趋势线的任何偏离（或者声波传输速度的改变）即可能意味着欠压实以及过压实作用的出现。值得指出的是，地层主要岩性的变化也会造成声波传输速度的巨大变化，而这也许与异常压力无关，为此，这个方法需要综合其它的地质学科知识才能应用。