（石油与天然气工程专业论文）声波测井在石油工程中的应用——以青海油田为例.pdf

声波测井在石油工程中的应用 一以青海油田为例 马建海( 石油与天然气工程) 指导教师：张建国( 教授) 潘存宏( 高级工程师) 中文摘要 声波测井技术在石油勘探和开发等中发挥着越来越重要的作用， 在地层评价、石油工程、采油工程等领域均有广泛而重要的应用。人 们利用声波测井资料解决了许多的地质及工程方面的难题。 本文以声波测井资料在石油工程中应用为主线，分章节介绍了声 波测井在预测地层压力，评价井壁稳定性、研究地层的各向异性、评 价固井质量的等方面的应用，并开发了相应的处理软件。主要表现在： 1 、根据声波时差正常压实趋势线和泥岩声波时差的数值偏离正常 趋势线的情况估算地层孔隙压力。 2 、用相似相关法自行编制程序对声波全波列资料进行了处理，提 取了各记录波形的纵横波时差，同时结合岩石密度铡井资料以及地层 中泥质含量来求得岩石力学特征参数。进而与其它测井资料组合可以 准确的研究岩石力学性质、地应力分布，进行井壁稳定性评价，或者 为压裂施工提供所需要的参数。 3 、正交偶极横波测井是评价地层横波各向异性的强有力手段，本 文介绍了一种有效的波形反演法从正交偶极横波资料中同时反演出可 靠的地层横波各向异性参数，即地层的快、慢横波慢度和快横波方位。 利用该方法编制了由正交偶极资料评价地层各向异性的处理软件，并 处理了多口井、不同类型仪器的现场交叉偶极资料，取得了良好的应 i l 用效果。 4 、本文在利用套管波能量信息评价i 界蘑的基础上，重点研究定 量评价i i 界面胶结质量，并开发出一套定量评价固井i 、i i 界面的处 理软件。固井质量定量评价软件的开发能够改变传统的由解释人员定 性评价i i 界面胶结情况的现状，这样不但节省了解释人员的大量时间 和精力，同时明显提高了解释结果的准确程度。 关键词： 地层压力，井壁稳定性，各向异性，地应力，固井质量， 声波测井 i i i a p p l i c a t i o no fa c o u s t i cl o g g i n gi np e t r o l e u m e n g i n e e r i n gi nq i n g h a io i l f i e l d m aj i a n h a ir o i l & g a sf i e l dd e v e l o p m e n te n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rz h a n g j i a n g u o s e n i o re n g i n e e rp a n c u n - h o n g a b s t r a c t a c o u s t i c l o g g i n g h a sb e c o m e i n c r e a s i n g l yi m p o r t a n t i nt h e e x p l o r a t i o na n de x p l o i t a t i o no fh y d r o c a r b o nr e s e r v o i r s ，a n dh a sb e e nu s e d i nf o r m a t i o n e v a l u a t i o n ，p e t r o l e u me n g i n e e r i n g a n do i le x t r a c t i o n e n g i n e e r i n gw i d e l y m a n yd i f f i c u l tp r o b l e m si ng e o l o g ya n de n g i n e e r i n g a r er e s o l v e db yu s i n ga c o u s t i cl o g g i n gd a t a a p p l i c a t i o no fa c o u s t i cl o g g i n gd a t ai np e t r o l e u me n g i n e e r i n gi s t h em a i nl i n eo f t h i sp a p e r w eh a v ei n t r o d u c e dt h ea p p l i c a t i o no f a c o u s t i c l o g g i n gi np r e d i c t i n gf o r m a t i o np r e s s u r e ，e v a l u a t i n gw e l lw a l ls t a b i l i t y ， s t u d y i n ga a i s o t r o p yo ff o r m a t i o n ，e v a l u a t i n gw e l lw a l ls t a b i l i t y ，c e m e n t i n g q u a l i t ya n a l y s i sa n dd e v e l o p e dt h ec o r r e s p o n d i n gp r o c e s ss o f t w a r e f i r s t ，w e c a l c u l a t e dt h ef o r m a t i o nl o o m p r e s s u r ea c c o r d i n gt h e d i f f e r e n c eb e t w e e nn o r m a lc o m p a c t i o nt r e n da n ds h a l ec o m p a c t i o nt r e n d s e c o n d t h ea c o u s t i cw a v ef o r ml o g g i n gd a t aw a sp r o c e s s e db y p r o g r a m m i n gi no r d e rt oe x t r a c tpw a v es l o w n e s sa n dsw a v es l o w n e s s a tt h es a m et i m e ，i tc a l c u l a t e dt h ee l a s t i cp a r a m e t e r so fr o c kc o m b i n i n g t h ef o r m a t t i n gd e n s i t yl o g g i n ga n ds h a l yc o n t e n t a n dt h e ni tc o u l ds t u d y e l a s t i cc h a r a c t e r so fr o c ka n dd i s t r i b u t i n go ff o r m a t i o ns t r e s s ，e v a l u a t e v w e l lw a l ls t a b i l i t yo rs u p p l yt h ep a r a m e t e r sn e e d e di ns p l i t t i n g t h i r d ，c r o s s d i p o l ea r r a ys o n i cl o g g i n gi sam e t h o dt oe v a l u a t et h e s h e a ra n i s o t r o p yo ft h ef o r m a t i o ns t r o n g l y i nt h i sp a p e r , ii n g o d u c e da n e f f e c t i v ei n v e r s i o no ft h ew a v e w ec o u l di n v e r s et l l ep a r a m e t e r so ft h e s h e a ra n i s o t r o p yo ft h ef o r m a t i o nf r o mt h e c r o s s d i p o l ea r r a ys o n i c l o g g i n gd a t aa tt h es a n l et i m e ，t h e s ep a r a m e t e r sa r es l o w n e s so ft h ef a s t a n ds l o ws h e a rw a v e sa n dt h ea z i m u t ho ft h ef a s ts h e a rw a v e i na d d i t i o n ， w ed e v e l o p e das o f t w a r et oe v a l u a t ef o r m a t i o na n i s o t r o p yb yu s i n g w a v e f o r mi n v e r s i o nm e t h o d ，a n db ya p p l y i n gt h es o r w a r et of i e l d c r o s s d i p o l ed a t ap r o c e s s i n g ，w eo b t a i n e dt h ep r o c e s s i n ge f f e c t f o u r t h ，o nt h eb a s i so fe v a l u a t i n gc e m e n t i n gq 删i t yo fli n t e r f a c eb y c a s i n gw a v e ，w em a i n l ys t u d i e dt h ec e m e n t i n gq = l l i t ya n a l y s i so ft h ei i i n t e r f a c eq u a n t i f i c a t i o n a l b , ，a n dd e v e l o p e dap r o c e s s i n gs o r w a r et o q u a n t i f i c a t i o n a l l ye v a l u a t et h ec e m e n t i n gq u a l i t yo fia n dni n t e r f a c e t h i s s o r w a r ec a r lc h a n g et h ep r e s e n ts i t u a t i o nt h a ti n t e r p r e t e ro n l yo b t a i n e d q u a l r a t i v ea n a l y s i so ft h ec e m e n t i n gq u a l i t yo ft h ei ii n t e r f a c e i ts a v ea l o to f t i m ea n d e n e r g ya n di m p r o v et h ev e r a c i t yo f t h ei n t e r p r e t i n gr e s u l t s k e yw o r d s ：f o r m a t i o np r e s s u r e ；w e l lw a l ls t a b i l i t y ；a n i s o t r o p y ；f o r m a t i o n s t r e s s ；c e m e n t i n gq u a l i t y ；a c o u s t i cv e l o c i t yl o g g i n g v 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 中国石油大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示了谢意。 签名：爱堑彬年，1 月p 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留送交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和借阅：学 校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存论文。 学生签名：玺建刍 硝年，月。日 导师签名：熊! i ! 。哼年， 月，。日 中国石油人学( 华尔) _ 程硕士学位论文第1 章前言 第1 章前言 1 1 论文的研究目的及意义 目前，钻井深度随着勘探目的层加深而越来越深，造成钻井成本 越来越高。在地质情况控制不足的地区，由于缺少足够的孔隙压力和 破裂压力资料，钻深井和海上钻井要冒很大风险，花费很高的代价， 因此选择合适的钻井液密度，确定或估算孔隙压力、破裂压力及地层 强度，进行井眼稳定性评价等显得尤为重要。 声波测井中的声波速度测井可以获得比较精确的地层孔隙压力剖 面，是确定地层孔隙压力较为理想的资料。 长源距声波全波列测井可记录和利用纵波及续至波的慢度、幅度 和频率等综合信息，这些信息含有大量的地层声学性质，可计算岩石 弹性参数，如泊松比盯、杨氏模量晟切变模量、体积模量k 、拉梅 常数a 等，进而与其它测井资料组合可提供孔隙压力、破裂压力、地 应力、坍塌压力、岩石强度、出砂指数等重要参数，可以准确的研究 岩石力学性质、地应力分布，进行井眼稳定性评价或者为压裂施工， 提供所需要的参数，并可预测造缝形态及裂缝方向等，为各种石油工 程应用服务。 当前使用定向激发和测量的偶极子横波测井技术，将偶极予和单 极子组合，在硬软两种地层中都可以提取纵波、横波和斯通利波，大 大提高了测井数据的质量，为资料处理提供了更好的条件。 与其它矿场地应力测量或岩心地应力测量相比，利用测井资料计 算更方便、更快捷、更经济。因此利用声波全波列测并资料进行井眼 中国石油大学( 华尔) 。r 程硕卜学位论文 第1 章前言 机械性质评价等工作，对石油工程应_ f l j 非常有实际应用价值。 1 2 国内外研究现状 七十年代以来，国内外便开始利用测井资料进行井眼机械性质评 价的研究。尤其是长源距声波测井仪开始充分应用以后，利用声波全 波列资料进行井眼机械性质评价的研究更加深入。 井眼桃械性质评价过程中，岩石力学方面的研究重点，一是地应 力计算模式的研究，二是岩石强度的研究。国内外在确定垂向应力的 基础上，发展了以下几种水平应力计算模型( 公式) ：莫尔一库仑破 坏模式：单轴应变模式( 金尼克模型、m a t t e w s 和k e l l y 模型( 1 9 6 7 ) 、 t e r z a g h i 模型、a n d e r s o n 模型( 1 9 7 3 ) 、n e w b e r r y 模型( 1 9 8 5 ) ) ： 黄氏模式；组合弹簧模式；微分模式等。岩石强度计算主要有： 通过三维实验室检测数据计算不同的岩石强度参数，其中岩石强度 参数与每一个屈服准则足一一对应的，目前的屈服准则有莫尔一库仑屈 服准则、格里菲斯准则、胡克一布朗准则和幂率屈服准则；通过三维 实验室检测数据中得到的单轴抗压强度与地层的切变模量、7 l 隙度和 泥质含量等作相关分析或进行多重线形回归，计算体积强度方程中用 到的系数；利用已建立的岩石强度方程如c o a t e s d e n o o 方程 ( c o a t e s 和d e n o o 在1 9 8 0 年建立的) 、p l u m b 孔隙度关系( p l u m b 在 孔隙度基础上的提出的强度关系式) 、b r i e 强度方程等“1 。 国外斯伦贝谢公司从7 0 年代起开始研究利用测井解释地层力学 问题，先后提出岩石力学性质测井( j 4 e c h p r o ) ，力学稳定测井( m s l ) 和井眼综合机械特性分析计算技术( i m p a c t ) ，后者到9 4 年初，已经 发展了几个版本，该软件系统已充分考虑到岩性及各种地应力模型、 发展了几个版本，该软件系统已充分考虑到岩性及各种地应力模型、 中国石油大学( 华东) ：明翌硕士学位论文 第l 章前言 岩石破裂判断准则，从软件说明可知他们拥有大量实验数据，对地应 力、岩石强度、动静态弹性参数关系进行了充分细致地分析，并且该 软件还建立了区域地应力分布数据库。斯伦贝谢公司的软件包在进行 井眼综合机械特性分析评价时除利用单极和偶极声波测井资料外，还 充分利用了其它各种测井资料。 国内有关科研院所也进行了研究。石油大学的黄荣樽等在大量工 作的基础上提出了套绘制分层地层地应力剖面的井眼稳定性分析程 序，胜利油田测井公司、中原油田测井公司、大庆油田测井公司、四 川石油管理局测井公司、中国海洋石油南海西部石油公司等也进行了 孔隙压力、破裂压力、地应力预测等与井壁稳定性相关的研究。 目前，国外利用偶极横波各向异性资料确定地应力是一个研究的 热点。利用d s i 得到的交错偶极横波资料处理后获得横波的快方位和 慢方位，然后利用这种信息确定横波各向异性的百分比、岩石的方位 机械性质、周围地层应力的方向和大小、裂缝的方位。或利用单极和 偶极声波资料利用应力一速度关系识别和估算地层应力。据称，利用 声学方法在没有井眼变形的情况下也能判别由应力引起的各向异性。 偶极声波测井可以对大规模裂缝和裂缝系统识别，而较小规模的自然 裂缝地层也会导致横波各向异性，因此通过偶极横波资料分析也可以 测量和评价这种各向异性，进而，也可评价应力方位。 现在井眼成像仪器可以提供准确的井眼几何图象，可以清楚的区 别应力引起的变形和钻井引起的变形。一旦识别了应力引起的变形、 破裂和损害，就可以从力学的角度加以分析。通过对预测井眼破裂方 式之间的比较结果，认为观察到的现象的解释尽管很困难，但反过来 也会导致：更好的识别产生井壁变形、破裂和损害的力学机制； 中国石油大学( 华东) 丁程硕士学位论文第1 章前言 确定安全的钻井轨迹：选择减少钻井事故的措施；由于从井壁高 分辨率成像可以直观看到井壁变形等，因此人们对井筒周围应力状态 引起的岩石物理性质的变化有了更清楚的认识。 目前井眼机械特性评价中，还有几个问题：一是，当实际水平地 应力大小不等但未造成井壁坍塌或裂缝时，仅利用测井还不能判断应 力方向及大小差异，利用声学方法在没有井眼变形的情况下判别由应 力引起的各向异性是否有效和具有普遍意义值彳导探讨：二是，目前用 来预测地应力的模型都还是比较理想的情况，与实际地层还有较大差 距，这是限于目前测量手段不可能完全反映地层的实际面貌；三是， 由低频斯通利波的能量衰减估算地层渗透率，还没有切实可行的公式。 1 3 论文的研究内容 ( 1 ) 利用声波速度测井计算地层孔隙压力剖面，对于探区后续详探 井和开发井确定更加合理的井身结构及钻井液密度，实现安全优快钻 井具有重要的意义。 ( 2 ) 利用多极子阵列声波资料计算岩石机械力学参数以及对井眼 稳定性评价和压裂高度预测，为勘探、开发钻井工程设计提供可靠的 依据，对提高井身质量、有效保护浊气层、降低钻探成本有着重要意 义。 f 3 ) 用正交偶极声波测井评价地层横波各向异性，并通过对快、慢 弯曲波进行频散分析，识别地层各向异性的类型。 ( 4 ) 在套管井中，利用正交偶极子声波测井确定水力压裂后的裂隙 走向以及延伸情况；用声波变密度资料准确、有效地评价固井i 、1 i 界面的胶结质量。 中国石油大学( 华东) ： 程硕士学位论文 第2 章声波测井发展概述 第2 章声波测并发展概述 声波测井是通过测量井壁介质的声学性质来判断井壁地层地质特 性及井眼状况的一类测井方法。由定义可知，岩石弹性力学和岩石声 学是构成声波测井的物理理论基础。声波测井方法主要包括声速测井、 声幅测井、声成像测井、声波全波列测井、偶极横波测井等。 2 1 声波测井发展概况 1 9 2 7 年进行了首次试验性的井下声波速度测量，三四十年代，声 波测量主要是为了得到时间一深度曲线，以便用于地震解释，在这期间， 已经建议应用井下声波发射器和接收器进行速度测量。1 9 5 4 年证明了 压缩波速度与孔隙度有关系，1 9 5 6 年由m r w y l l i e 最早提出了根据 声速测井资料估算储集层孔隙度的公式，即威利时间平均公式，实用 的声波测井服务开始出现，且发展迅速。 1 9 5 2 年，在野外开始应用检查水泥胶结质量的声幅测井方法。 1 9 5 2 1 9 5 5 年开始用地震检波器在井下进行岩层声速测量，并发展了 用单发单收声系对井剖面进行“连续”速度测量，1 9 5 8 年开始用单发 双收声系进行声速测井，1 9 6 2 年开始使用井眼补偿声速测井仪。 1 9 6 2 1 9 6 5 年出现井下声波电视测井方法。八十年代初期，在井 下声波电视测井的基础上又发展了三维体积扫描测井，从而第一次获 得井周围空间的立体图像，同期，还出现了井下高频声纳系统，以识 别井在径向上各界面声学性质的变化。此外，1 9 7 3 1 9 7 5 年国外开始 使用噪声测井检查套管外流体的串漏，判断套管外流体的相态及定量 估算流体流量。 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 第2 章声波测井发展概述 但是早期的声速或声幅测井利用短源距单发单收、单发双收和双 发双收声系，只记录和利用滑行纵波首波的幅度或信息，为了记录和 利用续至波的慢度、幅度、频率和波形包络特征等信息，又出现了长 源距声波全波列测井。 9 7 7 年苏联开始在井下进行长源距管波测井，1 9 7 8 年美国石油工 程师学会首次报道了在套管井中使用变密度测井方法的基础上发展起 来的长源距声波全波列测井方法，并于1 9 8 0 年开始在国外一些油田服 务。 在此基础上，进一步加大源距、增加接收器数目、减少接收间距， 产生了阵列声波测井。上述声波测井仪所用的换能器都是径向均匀胀 缩振动的，称之为单极子声源。然而，单极声波全波列测井在软地层 中却遇到了困难，因为在软地层中，特别是在地层横波速度小于井眼 液体声速时，横波根本不可能被单极仪器所探测，为了解决这一难题， 理论工作者提出用偶极子或多极子测量地层横波。因此，又发展了定 向激发和测量的多极子( 目前主要是偶极子) 横波测井技术，并将偶 极子和单极子组合，在硬和软两种地层中都可以提取纵波、横波和斯 通利波的测量结果，拓宽了声波测井资料的应用领域。 声波测井在其5 0 多年的发展历程中，有几个代表其发展阶段的事 件： ( 1 ) 1 9 5 6 年由w y l i e 实验提出的时间平均公式，使用声波测井资 料估算储集层成为现实，使声波测井方法进入地球物理测井序列的主 航道，这是声波测井发展初期的重要事件。 ( 2 ) 二十世纪七十年代末出现长源距声波全波列测井，实现了对滑 行纵波、滑行横波、瑞利波在时间上的分离，随后阵列声波测井实现 6 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第2 章声波测井发展概述 了对全波列数字化记录。从而在相当长的一段时间内，支持对井筒内 声场的理论研究。这是声波测井发展的重要时期。 ( 3 ) 二十世纪九十年代初出现了偶极子及多极子声波测井，使对井 壁声场的研究从传统的滑行波等转换波模式发展为直接激发模式，从 轴对称的圆柱场发展为非对称的圆柱场。 ( 4 ) 以获得井壁直观图像为目的的井下声波电视以及后来的体积 扫描、井轴声波成像方法的完善，使在方法原理上较为简单的声脉冲 法依托计算机技术实现刚井壁附近空间介质分布的声学成像。 2 2 现今声波测井的主要研究方向： 。，( 1 ) 偶极子及多极子声波测井：由于低速地层或软地层不能通过纵 波叭射转换为滑行横波，在8 0 年代末提出在井下激发非对称声场，并 在荇壁上产生速度接近于横波的弯曲波或扭曲波，这种方法使对井内 声场的研究发展到更高的阶段，并为低速地层的横波勘探奠定了良好 基础。9 0 年代开始相继研制出d s i ，m a c 和l f d 等偶极子声波测井仪器， 并在油气田勘探中发挥出了作用，但在声速很低的地层中，效果不是 很好。 ( 2 ) 井筒内声场的理论模拟计算：圆柱状井筒中声场的最基本问题 之一。在这方面国外最重要的成果是w h i t e ( 1 9 6 8 ) 首次模拟计算了井 外为均匀无限介质、井内为液体时井内能接收的转换波( 滑行纵波、滑 行横波、瑞利波) 及管波波导( 斯通利波) 的全波波列图。r o e v e r 等人 ( 1 9 7 4 ) 依托b l o t 理论，用实轴积分法计算了井壁为孔隙介质、井内为 流体的声波全波列图形。国内吉林大学、山东大学和中科院声学所等 单位进行了追踪，并形成了较稳定的研究方向。但这方面的研究更接 中国石油人学( 华东) 工程硕士学位论文 第2 章声波测并发展概述 近理论物理和计算物理学科的课题。 ( 3 ) 声波全波列的信号处理及解释评价问题：此问题是声波测井反 演问题的第一步。声波全波列的信号处理是依据正演问题的结果，在 对井下接收到的声波波列中的各种类型转换波进行正确识别的基础 上，估算出井壁地层的纵、横波速度，以及各种波的幅度及衰减系数 等。在深探测中，利用反射初至波对井眼径向目标体慢度( 速度倒数) 结构进行层析成像，也是一个研究方向，目前尚处于探索阶段。由于 声波射线对目的区覆盖不均匀，能在数据缺陷的情况下获得理想的成 像效果是非常有意义的0 1 。 ( 4 ) 岩石声学或孔隙介质声学及声波测井资料地质解释的研究： 1 9 5 2 年提出的b i o t 理论，给出了一种将岩石这样的孔隙介质( 非均匀介 质) 当作均匀介质处理并描述其中波动过程的近似方法。特别b i o t 理论 预计的孔隙介质存在慢纵波得到实验证实后，用b l o t 理论对声波测井 理论进行地质解释，又成为关注的重点之一。声波测井解释方法研究 的另一个受到重视的方向是对估算孔隙度模型的改进。先后提出的对 时间平均公式的改进是：声波时差与孔隙度的关系是非线性的：声波地 层因素概念认为在岩石类孔隙介质中声波主要是通过岩石骨架传播， 并为准确给定岩石骨架的声波速度或时差值是准确估算孔隙度的关 键。国内也有人提出用声波测井资料评价泥岩的生油性能，识别判断 层，以扩大声波测井地层应用的工作案例。 ( 5 ) 其他方向：除了上述对于单极子和多极子声波测井技术这些研 究方向外，近年来的研究内容还有声脉冲反射成像测井及水泥胶结测 井方法研究、声源及声频谱的研究、并间声波探测研究、电声效应或 声电效应等方法。 中国山油火学( 华东) 工稃硕二l 学位论文第3 章声波测井预测地层压力 第3 章声速测井预测地层压力 一般情况下，随着埋藏深度的不断增加，上覆岩层的压力增大， 泥岩的压实程度增加。泥岩伴生水不断被挤出泥岩层，泥岩孔隙度减 小。油田地层压力接近子相同深度的静水柱压力，压力系数约等于l 。 也有一些异常高压油田。由于盆地快速沉降，岩性的低渗透，地下水 热作用等，使孔隙中流体排出受阻，孔隙度不能随上覆沉积物的增加 而减小，孔隙流体承受一部分本应由岩石颖粒支撑的有效压力。从而 使孔隙流体具有异常高压，属于超高压地层，这种地层称为欠压实地 层【7 1 。 3 1 利用声波速度测井预测地层压力 学 早在1 9 6 5 年，h o t t m a n 等人就提出了利用泥岩声波时差方法检测地 萱 层孔隙压力，其理论依据是“泥质沉积物不平衡压实造成地层欠压实 并产生异常高地层孔隙压力”这一最普遍的异常高压成压机制。在正 n 搿 常的地层压力作用下，地层孔隙度和声波时差均按指数减小。因此，正 常压力地区的声波时差与深度的关系，在半对数坐标图上为一直线， 称为正常趋势线。对于欠压实泥岩，孔隙度比正常压实情况偏大，即偏 离了f 常压实趋势线，按照不平衡压实理论，则认为该处存在异常高 压。泥页岩的声渡时差与孔隙度有良好的相关关系，在正常压实情况 下，可以建立时差与深度的函数关系，在形式上与上式完全相同。因 此，存在“泥岩正常压实声波时差趋势线”，可根据测井声波时差值 是否偏离正常趋势线来定性判断是否存在异常高压。若测并时差偏离 了其正常压实趋势线( 偏大) ，则认为存在异常高压。一般通过等效深 9 中国石油人学( 华尔) 工程硕士学位沦文 第3 章声波测井预测地层压力 度法、经验系数法e a t o n 公式法等方法定量确定地层孔隙压力。这一传 统声波时差法已使用了几十年，对安全优快钻井做出了重要的贡献。 但随着钻探深度与难度的提高，也逐渐暴露其局限性。主要表现为目 前常用的泥岩声波时差法需要确定正常压实趋势线，且假定趋势线为 直线，在定量化确定孔隙压力方面经验性强。因此，适用范围窄，精 度也较低“”“。 2 0 0 1 年樊洪海提出了种利用声波速度检测欠压实泥岩地层异常 高压的筒易方法。利用泥岩地层的声波传播速度与垂直有效应力间良 好的相关关系，建立速度模型，由速度模型求取垂直有效应力，进而 利用有效应力定量求取地层孔隙压力。该方法能更好地反映沉积物的 压实规律，能在较宽的垂直有效应力范围内合理地描述声波速度与垂 直有效应力的关系，且不需要建立正常压实趋势线。不同地区的应用 结果表明，该方法有较好的适应性和较高的检测精度，尤其对于新生 代沉积地层更是如此。 由此可见，声波速度测井可以获得比较精确的地层孔隙压力剖面， 是确定地层孔隙压力较为理想的资料，对于探区后续详探井和开发井 确定更加合理的井身结构及钻井液密度，实现安全优快钻井具有重要 的意义。 声波速度测井可咀获得比较精确的地层孔隙压力剖面，是确定地 层孔隙压力较为理想的资料，对探区后续详探井和开发井确定更加合 理的井身结构和钻井液密度，实现安全优快钻井具有重要的意义。 3 2 地下的各种压力 ( 1 ) 地层静水柱压力 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第3 章声波测井预测地层压力 地下含有油气水的渗透性地层，如与地面水源连通，这个地层的 压力即为静水柱压力。地层静水柱压力可用下式表示【4 ： p 康杜= o 1 p 水日 ( 3 1 ) 式中p 永# 一地层静水柱压力，k g c m 2 ； p 水水的密度，g c m 3 ； h 一水柱垂直高度，m 。 可见，地层静水柱压力随水柱垂直高度增加而增加，并与水的密 度成正比。地下水的密度在各个地区因水中含盐量和溶解气含量不同 各异。 ( 2 ) 地层孔隙压力 地层孔隙压力亦称地层流体压力或地层压力，它是指地层孔隙流 体中的流体所具有的压力。一些地层的孔隙是直接或间接与地面水源 连通的，这些地层的压力就等于这垂直深度的静水柱压力。这种地 层称为正常压力地层。 ( 3 ) 上覆岩层压力 上覆岩层压力是指覆盖在某一深度的地层上的地层及岩和岩石孔 隙中的流体的总重量所造成的对这个地层的压力。根据上覆岩层的密 度、平均孔隙度和孔隙中流体的密度，可以按下式计算上覆岩层压力 的大小： p 。= o 1 h 0 一声) 】p ，+ 咖，】( 3 2 ) 由于岩性、孔隙度和地层中流体性质不同，上覆岩层压力梯度相 差很大，其变化范围在0 1 7 3 0 3 0 0 k g ( c m 2 m ) 之间。 ( 4 ) 井下复杂情况和井内压力 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第3 章声波测井预测地层压力 井喷、井漏、井塌、卡钻等井下复杂情况和井下事故，无不与井 内压力有关。 ( d p p p ，即井内液柱压力大于地层压力时，则会发生严重的井漏、 井塌。这种情况多发生在钻井液加重速度太快，钻井液密度过高，或 使用过高密度的钻井液压井的情况下。此外，开泵过猛或下钻速度太 快，形成很高的压力激动时也会出现。当压差很高时，易在渗透性地 层造成压差卡钻，钻井液在压差作用下会压入地层，造成漏失。 3 3 地层压力预测的一般方法 为了正确有效地进行钻井压力控制，必须确定合理的钻井液密度， 使井内当量钻井密度介于裸露地层中的最低的地层破裂压力梯度和最 高的孔隙压力梯度之间，这样才能避免井喷、井漏和井塌等事故的发 生。另外，掌握所钻地层的地层孔隙压力梯度值和地层破裂压力梯度 值，对于正确设计井身结构和套管程序、正确制定钻井水力方案、钻 井液和钻井工艺措施设计、固井注水泥作业以及二次采油设计都是非 常重要。 ( 1 ) 地震法 一般来说，地层岩石的压实程度随地层深度增加而增加，即岩石 视密度是随井深而增加的。异常高压地层有较高的孔隙度，孔隙内储 存着丰富的流体，所以异常高压地层的岩石压实程度比正常压力地层 低，而其岩石的视密度亦较低。因此，如岩石的视密度偏低出现负异 常，或岩石压实程度降低，则是异常高压地层的标志。 地震波的传播速度随地层岩石程度而变化，地层压实程度出现负 中国石油大学( 华东) ： 程硕士学位论文 第3 章声波测井预测地层压力 异常，则说明这是一个孔隙度较大的异常高压层。这样就可以根据地 震资料绘制出一个地层的孔隙压力一地震波实际传播速度曲线，一次 实际曲线和该地区的正常趋势线对比，就可预测高压层的深度和压力 的数值。 ( 2 ) 页岩密度法 在正常沉积地层，随着井深的增加页岩压实程度增加，页岩的孔 隙度逐渐降低，页岩密度逐渐增大。一个地区，由已钻井资料可以给 出本地区页岩密度随井深变化的正常趋势线。在钻进过程中不断集取 所钻地层的岩样，均匀称量岩屑密度，绘出本井页岩实际密度随井深 变化曲线。将此曲线与正常趋势线对比，根据其偏离正常趋势线的数 值，、则可求出压力过渡带顶部的深度。然后再用页岩密度一地层压力 图版，根据偏离值的大小求得异常高压的地层压力数值。 j ( 3 ) d 指数法和d 。指数法 ；1 9 6 6 年j o r d e n 和s h i r l e y 提出了标准钻速方程： 。驴砌饼 c s 叫 式中野一机械钻速； k 岩石可钻性； n 一转盘转速； e 一转速指数； p 钻压； d 一钻头直径； d 一钻压指数。 如设其它钻井条件不变，e = l ( 即机械钻速与转速成正比) ，k = l ( 即 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第3 章声波测井预测地层压力 岩性不变) ，则上式可以写为： v 。“( 3 - - 4 ) 如果已知dv j # f _ - 的参数，可求d ，在钻井条件相同的情况下，机 械钻速是页岩压实程度地反映，而页岩压实程度又反映了页岩孔隙度 的大小和地层压力的高低。所以，d 指数的大小反映出地层压力的高 低。在压力过渡带和异常高压层，实测的d 指数曲线与正常趋势线对 比，就可以找出压力过渡带顶部和异常高压层的深度。将d 指数一压 力量板蒙在实测的d 指数曲线上，可以求出与异常压力地层的压力相 对应的当量钻井液密度。 实际上，d 指数还与其它因素有关，如钻头的类型与尺寸、地层 地质构造特征、岩石应力状态等有关，尤其是钻井液密度也影响d 指 数的变化。为了消除钻井液密度的影响，则需将d 指数加以修正，所 以提出了各种修正指数d 。，并称为修正指数d 。法。 然而，以上方法使用起来并不方便，人们更多地用使用测井法， 地层的导电率、电阻率、声波速度、密度等参数都与地层孔隙压力存 在一定关系，表现出一定规律，所以根据地层的这些测井数据可以预 测地层压力，在下一节中将介绍这种方法m 。 3 4 本文计算地层压力的方法 ( i ) 上覆地层压力：随上覆盖层压力增大而增大 只= r p ( h ) g d h ( 3 - - 5 ) ( ii ) 地层孔隙压力：根据声波时差正常压实趋势线和泥岩声波时 4 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第3 章声波测井预测地层压力 差的数值偏离正常趋势线的情况估算地层孔隙压力。 在岩性和地层水变化不大的地层剖面中，正常压实地层随着埋深 的增加，上覆地层压力增加，导致地层孔隙度减小，反映在测井资料 上就是讵常压实泥岩声波时差随着深度的增加而呈指数规律减小。当 声波时差取对数刻度时，l n ( t ) 与深度h 呈线性关系。正常趋势线方 程为： l g a t = 一c 日+ l g a t o( 3 右) f 。为h = 0 时的地表声波时差 c 为常数h 为井深 在单对数纸上绘制h 与l g a t 曲线，则可以确定c 值。用等效深 度法确定欠压实井段a 点( 见图3 一1 ) 高压目的层地层压力p p i 。泥岩 在压实过程中，由力平衡原理可知： 图3 一l 等效深度示意图 式中。为岩石颗粒间垂直应力 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第3 章声波测井预测地层压力 等效深度法基本思路：设地层中某一异常高压目的层a 点与正常 压实地层中b 点之有效应力相等，即吼= ，a t a = a t 。，盯。= 盯。 可导出计算地层压力和压力梯度公式： 在a 点：盯j = p o 一p “ 在b 点：盯b = p 0 8 一p 因为盯= 盯b ， 所以p 州= p 0 4 一( 风口一p 坤) 或p “= g o h 一( g o b h b g p b h 日) 式中g 。上覆地层压力梯度。 假设g 0 _ g o = g 。 原则上讲，由于地层压实作用不同，上覆岩石压力梯度可能稍有 变化。但是，计算结果表明，g 。= o 0 2 3 m p a m ，g p b = 0 0 1 m p a m ，代入其 中，结果令人满意。 则： p 。= 0 0 2 3 1 ( h 一h 口) + o 0 1 h b ( 3 川) 因为a t 。= a t 。，则有： 1 9 a t 月= 一c h 日+ 1 9 f o ( 3 9 ) 则：p ，= 0 0 2 3 1 h 月+ 0 0 1 3 1 吉( 1 n a 一i n a t o ) g j 嘱。 利用上述方法计算地层压力时应注意以下几点：( 1 ) 对于斜井应根 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第3 章声波测井预测地层压力 据井斜数据进行垂深校正，计算出垂直深度。( 2 ) 需要参照多种测井曲 线特征选取纯泥岩井段。自然电位基线无异常，高自然伽马，低电阻 率，微电位与微梯度基本无差异的泥岩层段。( 3 ) 泥岩层应具有一定的 厚度，单层厚度大于3 i i 】。薄泥岩层测井值受围岩影响失真。( 4 ) 声波 时差应读取平均值，每个层段内读取1 2 个时差值。( 5 ) 尽量避开井 壁不规则地层。井壁过大或过小都会使声波曲线跳跃或不能真实反映 地层压实情况。 3 5 预测地层压力现场应用 根据上述方法建立了研究区块的单井声波时差( 对数刻度) 与深 度关系图，进一步估算目的层段的地层压力状况。 图3 2 和图3 3 分别给出青海油田某区块两口井的声波时差与 深度关系图，图中实线为正常压实趋势线。从图3 2 可看出，声波时 d 差基本落在正常压实趋势线上，表明该井段为正常压实地层；从图3 - - 3 可看出，声波时差在3 8 0 0 米以上基本落在正常压实趋势线上，而 在3 8 0 0 米以下声波时差偏离正常压实趋势线，且向高的方向偏离，表 明该井段为超高压地层，因此在该区块钻井时应注意，钻遇该深度时 应调整泥浆比重防止井喷现象发生，或者合理调整钻井方案。 中国石油大学( 华东) j 二程硕士学位论文 第3 章声波测井预测地层压力 一猢 甏：抬 一3 0 溯 3 蝴 链 粼 3 8 0 0 删 懒 糊 3 猢 v 鞫。0 蜒洲 耩粼 翰 捌 枷 声馥时燕( 耋谬每拳) 图3 2 正常压实地层 1 0 0抽湘4 0 0 渤 声渡对鬟( 纂 秒每畚) 图3 2 超压安地层 1 8 皇垦互垫火学( 华东) 工程硕士学位论文第4 章岩石力学参数和井壁稳定性 第4 章岩石力学参数和井壁稳定性 由于测井信息的连续性、方便性、可靠性及经济性，特别是研究 井壁稳定性所须的某些地质参数( 如井斜角、方位角、孔隙压力、岩 石的弹性模量、地应力的大小及方向等) ，可以由测井信息提供，且能 用其求出保持井壁稳定的压力，其中应用多极子阵列声波测井信息研 究井壁稳定性是一种非常好的思路。m ”。 4 1 利用声波测井评价井壁稳定性 深入分析地层岩石综合力学机械参数，由此掌握区域地应力的分 布和变化情况，在钻井工程中有十分重要的意义。如地层岩石破裂压 力的变化情况就在一定程度上决定着钻井井眼稳定性的问题。长期以 来岩石力学参数的测定是通过岩心进行三轴弹性参数和强度的测试取 偶帕。虽然这种方法精度高，但这项工作复杂、耗资大，对于石油工 程来说，这个问题显得尤为突出。 岩石在一定的初载荷作用下，可以视为弹性体，在声振动作用下 能产生切变弹性形变和压缩弹性形变。所以岩石既能传播横波又能传 播纵波，声波在岩石中的传播速度与表示岩石强度性能的参数( 洎松 比、杨氏模量、体积模量及剪切模量) 有密切关系，所以声波测井资料 可以用来计算和评价岩石的力学参数。 因此可以利用长源距阵列声波资料可以得到与岩石力学特征参数 密切相关的声波传播的纵横波时差，同时结合岩石密度测井资料以及 地层中泥质含量来求得岩石力学特征参数。通过阵列声波测井资料结 合常规测井资料和高分辨率地层倾角测井资料以及p f t 地层压力测井 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第4 章岩石力学参数和井壁稳定性 资料对地层岩石综合力学机械特性进行深入的分析。魏阳庆等人在这 方面做了大量工作，他还讨论了岩石破裂压力在井眼稳定性分析中的 作用。确定钻井过程中钻井液比重。利用数理统计的方法得到区域性 声阻抗与横波时差的经验公式，对没有进行全波列声波测井的井也可 以由该公式计算出横波时差，从而进一步求出岩石弹性力学参数。利 用岩石自然破裂压力系数在裂缝发育段预测合理钻井液比重可以取得 良好的效果。 4 2 计算岩石机械力学参数 ( 1 ) 应用声波密度伽马测井资料计算参数 声波测量的是时差t ，可以得到声波速度，在大部分油田测井 作业中，缺失横波测井资料，但大部分地层可借助经验公式来估计横 波速度： v s = ( 0 6 1 0 5 3 ) v 。( 4 1 ) 当具有声波全波列测井资料时，采用提取纵横波时差。 密度测井资料测的是：地层和骨架体积密度p b 、p 。 伽马测井可求得泥质含量v 。、 v 矿些g c(卜2)ur ”n2