第３８卷第１期 ２０１７年２月 国外测井技术 Ｗ０ＲＬＤ ＷＥＬＬ Ｌ０ＧＧＩＮＧ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ Ｖ０１．３８ Ｎｏ．１ Ｆｅｂ．２０１７ ４１ ・地质应用・ 双鱼石构造地层三压力剖面的建立及应用 邱莎莎 ，夏宏泉 ， 陈颖杰 （１．油气藏地质及开发工程国家重点实验室２．中国石油西南油气田公司勘探事业部） 摘要：双鱼石构造钻井工程地质环境复杂，纵向上存在多套压力系统且地层微裂缝发育，喷漏卡 塌等复杂井下事故频发，很有必要开展其地层三压力（孔隙压力、坍塌压力和破裂压力）剖面变化 特征的研究。文章结合该构造的地质特征和实钻资料，利用常规和偶极声波等测井资料，针对不 同岩性地层的压实机理建立了地层孔隙压力预测模型；基于摩尔一库仑剪切破坏准则和拉应力破 坏理论建立了地层坍塌压力和破裂压力计算模型，由此建立了双鱼石构造的地层三压力剖面。据 此，以ＳＴ１井为例分析了其井壁失稳的原因，并结合实钻资料确定了安全钻井液密度窗口。研究 结果表明，砂泥岩层段具有较宽的安全钻井液密度窗口，要注意防塌、防漏，而碳酸盐岩地层微裂 缝发育，安全钻井液密度窗口窄，要注意防喷防漏。 关键词：双鱼石构造；孔隙压力；地层三压力剖面；安全钻井液密度 Ｕ 刖罱 １三压力剖面计算模型建立 １．１地层孔隙压力的测井计算 利用测井资料预测地层孔隙压力有等效深度法 双鱼石构造位于四川盆地川西地区西北部，目 前已完钻４口井（ＳＴ１井、ＳＴ２井、ＳＴ３井、Ｙｌ 井），钻深达７０００ｍ以上，属于超深层气藏。目的 层为柄霞组和梁山组，主要钻遇上部砂泥岩地层 （蓬莱镇一须家河组）和深层碳酸盐地层（雷口坡一 梁山组）。该构造纵向上存在多套压力系统，异常 高压发育，属于典型的“喷漏塌同存”地层。砂泥 ［２］、伊顿法和有效应力法等。其中，伊顿法计算砂 泥岩孔隙压力时综合考虑了除压实作用以外的其它 异常压力形成机制，并总结参考了钻井实测压力与 各测井信息之间的关系，是一种比较实用的方法；但 是对于碳酸盐岩地层剖面，由于泥岩较少，导致难以 构建正常压实趋势方程，选用有效应力法计算孔隙 压力较准确。为此，采用伊顿法计算双鱼石构造砂 泥岩地层的孔隙压力，采用有效应力法计算碳酸盐 岩地层的孑Ｌ隙压力。’ 岩地层自流井组中部坍塌压力梯度高至１．３７，地层 垮塌、掉块；碳酸盐岩地层茅口组以下地层裂缝发 育，破裂压力梯度低，钻井液漏失严重。这些问题 都与地层三压力剖面和安全钻井液密度窗口密切相 关。 （１）伊顿法计算砂泥岩地层孔隙压力 正常压实趋势线的构建是利用伊顿法计算地层 孔隙压力的基础与关键 ，可采用正常压力井段的 泥岩层的声波测井数据进行回归计算与经验调整相 为提高该构造的钻井效率，有必要开展地层三 压力（孔隙压力、坍塌压力和破裂压力）剖面特征 研究，形成一套比较实用的基于测井、钻井等资料 确定地层三压力剖面的方法，为该区新井的钻井优 化设计和现场施工提供科学依据，实现优质、高 效、安全钻井…。 结合的方来而建立。图１为双鱼石构造泥岩层在正 常压实条件下声波时差随埋深变化的趋势图。 ＬｎＡＣ＝一０．０００１０７ｄｅｐ＋４．４８８０８ （１） 基金项目：国家重点基础研究发展计划（９７３）ｘ￣目子ｉｇ￣＿（２０１３ＣＢ２２８００３）。 作者简介：邱莎莎（１９８８一），女，在读硕士，西南石油大学，从事岩石力学和精细测井解释研究。 ４２ ＡＣ（ｍＩ￣ｌ ｉ ２ ４ 国外测井技术 压实系数ｎ ２０１７年２月 ：＝ ¨ ：宝 ＂ 一Ｅ，ｄ＿凸 Ｓ ７ ＂ 蛳ｌｔｌ０ 蛐ｌ４０ Ｓ０ 舳 鼬 ０＜ａ≤１，反映地层孔隙压力对骨架应力的影响程 度，由（式６）计算得到。 ｎ ｒ ：：３ 。 啪 啪 一 、 ．１一 Ｃ ：１一 １／ ：１一 ：二＝竺竺： 竺 ： （６） ｎ ｒ １一Ａ＿、｜ ” 一 、ＡＣ。３，５１ 式中：Ｃ …Ｃ分别为岩石、骨架压缩系数，１／ ＭＰａ；Ｋ Ｋ 分别为岩石、骨架的体积模量，ＭＰａ； Ｐ 、Ｐ 分别为岩石、骨架的密度，ｇ／ｃｍ ；△ｔ 、 ｝ ｝ Ｊ ｌ 、 Ｌａ（＾ｃ）＝－。．０００１０７ＤＥＰ￣，．４，４８０８ ｌ ｌ ｌＨ＝１５１，Ｒ＝０．９６３２） ｌ 图１双鱼石构造地层正常压实趋势线 Ｙ＝２Ｒ 三Ｑ出 １８６５ ｌ ＼ ■ ’ ＿－ Ａｑ７Ｏ ” 图２压实系数Ｃ与纵波时差的关系曲线图 伊顿法［４１原理如式（２），该方法引入了压实系数 ｃ（也称伊顿指数）。不同地区由于岩性、成岩作用、 流体类型差异，压实系数ｃ也不同。根据工区内多 口井实测点得到ｃ与纵波时差的关系式（式３），对式 （２）整理变换便得到计算砂泥岩地层孔隙压力的伊 顿公式（４）。 篑＝一 （盟ＡＣ）。 （２） ｃ：２１８６５１×ＡＣ ６５５ （３） ＝ 一（ 一 ）（Ａｃ ／ＡＣ） （４） 式中：Ｐ 为孔隙压力，ＭＰａ； 为上覆岩层压 力，由密度测井曲线积分求得，ＭＰａ；Ｐ 为地层静液 柱压力，ＭＰａ；ＡＣ、ＡＣ 分别为实测点的纵波时差值 和正常趋势线上的声波时差值， ｓ／ｆｔ。 （２）有效应力法计算碳酸盐岩地层压力 一般采用有效应力法计算碳酸盐岩地层的孔隙 压力 ｌ，即 ＝１３＂ 一ａ Ｐ。 （５） 式中：Ｐ 为有效应力，ＭＰａ；ａ为ＢＩＯＴ系数， △ｔ…分别为骨架的横波、纵波时差， ｓｉｔｆ；ＡＣ、△ｔ 分别为岩石的纵波和横波时差， ｓ／ｆｔ。通过式（６） 计算得出双鱼石构造碳酸盐岩地层的ａ＝Ｏ．６。 碳酸盐岩地层孔隙结构按形状和孔隙刚度可分 为裂缝性孑Ｌ隙、溶洞孔隙、粒间孔隙三大类，复杂的 孔隙结构导致其声波与孔隙度的关系分散，增大了 孑Ｌ隙压力预测的不确定性 ，。因此仅靠岩石纵、横 波时差确定双鱼石构造碳酸盐岩地层的孔隙压力不 够精确，经研究发现该构造有效应力与地层纵波时 差、电阻率存在很大的相关性（图３）。综合地层纵 波时差、电阻率对碳酸盐岩地层孑Ｌ隙压力的贡献度， 通过最优化线性拟合可得到有效应力与地层电阻 率、纵波时差的关系（式５），表１为采用上述模型计 算的碳酸盐岩地层孑Ｌ隙压力值与实测值对比表，可 知，其相对误差小于１０％，满足工程要求。 图３有效应力与电阻率、纵波时差之间的关系图 第３８卷第１期 邱莎莎，等：双鱼石构造地层三压力剖面的建立及应用 ４３ Ｐｅ＝一０．９６０８（ＲＴ）一０．１００２ＡＣ＋８５．９０６（Ｒ＝０．８４８８） （７） 当储层为完整岩石时，井内液柱压力还要克服 岩石的抗张强度 ．．，张性裂缝才能从井眼周边出 现，此时地层破裂压力的临界压力Ｐ 为： 则 ＝ 一（８５．９０６—０．９６０８Ｉｎ（ＲＴ）一０．１００２ＡＣ） 式中：ＡＣ为纵波时差测井值， ｓ／ｆｔ；ＲＴ为地层 电阻率，ｏｈｍ．ｍ。 表１孑Ｌ隙压力的实测值与计算值的对比表 井名 层位 深度 尸，＝３ｏ＂ｈ—ｏ．－Ｈ一 ＋ （１２） 采用式（１２）计算双鱼石构造地层破裂压力。 式中：Ｐ 为迫使隐性裂缝张开的最小液柱压 实测值 计算值 相对误差（％） （ｍ） （ＭＰａ） （Ｍｐａ） ＳＴ１井 长兴 ７０３０ ８９．８６ ８６．１９ ｌ ３１ ＳＴ２井 长兴 ６４１５ ５ ６７ １９ ６６ ０６ １ ６７ 飞仙关 ５２１０ ９８ ３４ ９９ ６３ １ ３１ Ｙ１井 茅口 ５９４２ ９ ｌ２７．９２ ｌ２４【４ ４ ｌ３ 嘉三 ４７ｌ６ ２１ ８８ １４ ８０＇９５ ８ １５ ｓＴ３井 嘉二４８０８ ４６ ９２ ００ ９０．１０ ２ ０７ １．２地层坍塌压力的测井计算 在钻井过程中，当井内的液柱压力低于地层坍 塌压力时，井壁岩石将产生剪切破坏。塑性较软的 岩石产生塑性变形导致缩径现象，硬脆性岩石会引 起坍塌掉块造成扩径和卡钻等井下复杂情况。根据 摩尔一库仑剪切破坏准则 ，双鱼石构造的地层坍 塌压力预测模型为： １／＂（３ｏ＂Ｈ－ｏ＂ｈ ）－２ Ｃｋ ＋ａＰｐ（ｋｚ－１）（＝————９） 式中：Ｐ 为坍塌压力，ＭＰａ； 为非线性修正 系数，无量纲，１１＝０．８５；Ｃ为内聚力，ＭＰａ；ｋ＝ｃｏｔ （４５。一 ）， 为内摩擦角，。；盯 、盯 分别为水平 最小地应力和最大地应力，ＭＰａ。 双鱼石构造具有低孔、低渗、天然裂缝发育的地 质特征，因此采用Ｎｅｗｂｅｒｒｙ地应力模型计算其水平 地应力。 ｌＩＯ＂ｈ： ｜二－ｌ ＿（ 一 ）＋ １ １一／１ （１０） 【Ｏ＂Ｈ＝ ＾ ０．５Ａｔ 一ＡＣ。 式中： 为泊松比， ／．ｔ一 ＝ ；ｋ为 水平最大地应力与水平最小水平地应的比值，无量 纲，由实验数据得到，该构造砂泥岩地层ｋ取１．３４， 而碳酸盐岩地层ｋ取１．３７。 １．３地层破裂压力的测井计算 现场钻井作业时，地层发生破裂是由于钻井液密 度过大导致井眼承受的周向应力超过了岩石的拉伸 强度，当井眼的周向应力从压应力过渡到张应力时， 储层中的隐眭裂缝就有可能被撑开。根据拉应力破 坏理 ，迫使隐陛裂缝张开的最小液柱压力为： ＝３ｏ－ｈ—Ｏ＂Ｈ一 （１ １） 力，ＭＰａ；Ｐ 为地层破裂压力，ＭＰａ； 为抗张强 度，ＭＰａ。 ２三压力剖面的建立与应用 基于上述方法和理论，以双鱼石构造ＳＴ１井为 典型实例井，建立了ＳＴ１井的地层三压力剖面（图 ４）。在砂泥岩段：蓬莱镇一须家河组的地层压力系 数为１．０—１．２，属于正常压力地层，坍塌压力梯度为 ０．７５２—１．２７２ＭＰａ／１００ｍ，破裂压力梯度为 １．７２３—１．９９６ＭＰａ／ｌＯ０ｍ。在碳酸盐岩地层：雷口坡一 吴家坪组的地层压力系数为１．３０—１．８０，且呈逐渐增 大趋势，属于异常高压层，坍塌压力和破裂压力梯 度缓慢增加，坍塌压力梯度为０．９５０—１．４０４ＭＰａ／ １００ｍ，破裂压力梯度为２．２８９—２．５８８ ＭＰａ／１００ｍ；柄 霞一梁山组的地层压力系数为１．３５，坍塌压力梯度为 １．２２１—１．２９１ＭＰａ／１００ｍ，破裂压力梯度为 ２．０９１－２．４９７ ＭＰａ／ｌ０Ｏｍ 三照办梯廑 ｅａ／ｘｏｃｍ）￣度｛擘ｔｏｍ’ ０Ｓ １ ｔ３ １．Ｓ ２．０ ２ Ｓ ３．０ 誉 鬻 Ｉ ｉ ｜ ＿一 二 ：二 二： 二 ≥ 丰 ｔ、 一 ０ｉ毒 文 一｜ ＿ ． 二 谴 －｛＋； 喜 Ｉ ｔ 图４ ＳＴ１井地层三压力剖面 利用地层三压力剖面确定安全钻井液密度时： 窗口下限取ｍａｘ｛地层孔隙压力，地层坍塌压力｝对应 的当量钻井液密度，上限为地层破裂压力当量钻井 液密度 。图５为基于三压力剖面特征确定的ＳＴ１ 井安全钻井液密度窗口。 图６为ＳＴ１井沙溪庙一自流井组、栖霞一梁山组 密度（ｇ，１２１ｒｌｒｌ ， Ｏ ５ ｌ Ｄ １．５ ２ ０ ２．５ ３．０ 图５ ＳＴ１井安全钻井液密度窗口 藤 ㈧ Ｊ剐 柑性 安全钻井液晰度ｆｇ止ｍ ） ｌ 少瀵 －自流井组 泥岩、石英砂岩 １．４２ １ ９４ 防塌、防漏ｌ 颂宗河组 砾岩．砂岩、泥岩互 ｌ ４３．２０ 防漏、气幔ｌ Ｉ蓦【Ｊ坡．嘉陵江 臼 岩、 岩赶石膏 １．５１。１ ５７ ５方喷 ｌ ￣Ａ＇ｌｌｌ是一Ｋ 蛆 Ｋ岩、页岩互膳 １ ６－Ｉ ７５ 防喷 ｌ 求坪一 ｒ１纽 ｛：艟藏嚣夹泥岩 １ ８０－１ ９５ 防漏、防涌ｌ 帻陵－桨ｉｈｇｉ 甄岩、自 岩、石英砂岩 Ｉ ４２．Ｉ ６５ 防满 ｌ 发个钻 液密俊．【｛ｆ＇ｆ【ｌ测Ｊ｝解释成果 ，任上部砂泥 柑段沙溪心一自流Ｊ卜组巾部，孑Ｌ隙压力梯度小下坍 塌Ｉｆｉ力悌瞍，易造 地 垮塌、扩径现象实际蚪径 ｌｌＩ１线变化特 叫陔段外眼确实扩径严重，实钻过 Ｉ｝１返ｆ 人节籽ｉ眇 ‘、砾岩等半儿颗粒岩屑。在深层 腋盐 地 他一梁山组发伞钻井液密度衡¨ 窄，成像｛ｆｊ！Ｊｌ蚪资料 爪地层裂缝发育，实钻资料 尔 他川铺竹液街度１．９２一１．９５ ｒｒｌ１３钻进时，井漏事故 频发，堵漏Ｋ达２３天， 于破裂压力梯度预测的安 全钻井液密度下限为２．２１０ｇｋ．ｍ３，ｌ可确定该层段为 天然裂缝性漏失：巾此，结合 压力刮而 ｊ实钻资 料确定ｉ’双鱼石构造的安全钻井液密度窗口（表 ２），这为后期该构造的钻井ｌ 程设计提供＿ｌｒ依据。 ３ 结论 （１）利用ｊ！Ｊ！ＩＪ井资料、实钻资料准确地ｉ｝‘算了双 色石构造的地层三 力刹而，其特征丧明：砂泥岩层 段地 压力系数为１．０一１．２，属于正常压力地层，坍 塌压力梯度为０．７５２—１．２７２ＭＰａ／ＩＯＯｍ，破裂压力梯度 为１．７２３一ｌ｜９９６ＭＰａ／１００ｍ一碳酸盐岩地层：雷ｆ］坡一 吴家坪绀的地层压力系数为１．３０—１．８０，日． 逐渐增 人趋势，属于异常高压层，坍塌压力和破裂压力梯度 缓慢增加，坍塌压力梯度为０．９５０一１．４０４ＭＰ￣１００ｍ， 破裂压力梯度为２．２８９—２．５８８ ＭＰａ／１ＯＯｍ；柄霞一梁【【１ 组的地层压力系数为１．３５，坍塌压力梯度为 １．２２１一１．２９１ＭＰａ／１００ｍ，破裂压力梯度为 ２．０９１—２．４９７ ＭＰａ／１ＯＯｍ 、 （２）结合地层 压力削而确定ｒ双值石构造各 层段的安伞钻井液密度窗几，砂泥岩段地层孔隙压 力小于坍塌压力，地 易坍塌掉块、井 扩人；在碳 酸盐岩地层，南于天然裂缝发育，安牟＝钻井液密度窗 【１窄， 注意防喷、防漏 参考文献 ｌ１１夏宏泉、邱莎莎，川西深层气藏三压力剖面的建立与地层 可钻性分析『Ｒｌ，西南石油大学科研报告，２Ｏｌｎ，ｃ， Ｉ２１刘向君、刘堂晏、刘诗琼，测井原理及工程应用ｌＭＩ，石油工 业出版社． ｌｌｆｌｎ． ｆ３１钟文俊、夏宏泉等，潼南构造异常高压层的测井识别研究 【Ｉ１，测井技术，！【ｌ…，３４（１）：７９—８３ 【４１Ｅａｔｏｎ Ｂ Ａ Ｔｈｅ ｅｑｕａｔｉｏｎ ｆｂｒ ｇｅｏ～ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ ｆｒｏｍ ｗｅｌｌ ｌｏｇｓ ｌｌｌ＿ＳＰＥ５５４４一ＭＳ １ ９７５ Ｉ５１刘之的、夏宏泉、陈平，利用测井资料计算碳酸盐岩三个地 层压力Ｕ１，钻采工艺． Ｉ）１）５，２８（１）：１８ ２１ 『６１王子振等，常规方法预测碳酸盐岩地层压力的偏差分析 【『Ｉ，中国石油大学学报（自然科学版），２ｏｌ４，３８（５）：９６—１（１（｝ Ｉ７ｌ刘玉石，地层坍塌压力及井壁稳定对策研究…，岩石力学 与工报．２（）Ｏ４，２３（１４）：２４２１—２４２３． ｆＳｌ楼一珊、黄立新，地层坍塌压力的计算及应用研究Ｕ Ｊ，河南 油田．１ ９９９．６（２）：２５—２８ 黄荣蹲、邓金根、陈勉等，井壁坍塌压力和破裂压力的计算 模型．钻井工程井壁稳定新技术ｆＭｌ，北京：石油工业出版 社．１９９９． 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