地层三力剖面的测井建立及井控应用研究.docx

1、综合信息地层三力剖面的测井建立及井控应用研究陈蓉】夏宏泉1卢忠沅21.西南石油大学石油工程测井实验室2.塔里木油田开发事业部摘要：准确乎算地层三压力，对井身结构与井控的设计及优质高效钻完井工程有着非常重要的作用。9条常规测井曲线的解释姑果不能满足钻井工程对井控压力参数的时效和精度要求。本文以鄂尔多斯盆地姬堀区块的油井为例，从地层声波全波信息提取和岩石力学参数计算出发，充分利用偶极声波和常规测井资料进行地层三压力的计算，建立盆地多个区块的地层“三力”剖面，采用VB语言和】XCHL工具开发了“鄂尔多斯盆地地层三力数据库”程序，实现对盆地各区块多口井的地层三压力数据的管理和应用，为钻井工程的井控压力

2、参数设计提供了可靠依据。关键词：地层三力剖面；偶极声波测井；泊松比；井控压力作者简介：陈-（1984-）,女，西南石油大学石油工程测井硕士研究生（在读），主要研究地层三压力的测井计算以及钻井井身结构设计。0引言随着油气勘探开发领域的不断延伸扩大,钻井难度越来越大，对井控技术的要求也越来越高。为了对付夏杂地层，要实现安全优质快速钻井，必须做好井控压力剖面设计。井控作业分为初级井控、二级井控及三级井控，初级井控的核心即准确计算全井段地层孔隙压力、坍塌压力和破裂压力，确定合理的钻井液密度,为安全钻井提供第一级屏障。常规声波时差测井不能测量软地层（At>110Mt）或泥页岩地层的横波，因而极大地

3、降低了声波测井资料预测岩石力学参数的梢度，进而影响地层三压力计算精度。偶极声波测井是继长源距声波测井之后的新-代全波列测井，其偶极发射器和接收器声系可以不受软硬地层的限制，适用于各种地层的声波测Wo本文利用常规测井资料和STC法提取的纵、横波时差准确订筑岩石机械强度、地层孔隙压力和坍塌压力及破裂压力（简称地层三庆力或地层三力），确定合理的泥浆密度窗口，建立地层三力数据库，为井控压力参数设计提供了重要的油田数字化信息。1测井资料处理与三力参数计算1.1纵横波时差的提取地层纵波和横波屈于体波，是由介质震动体形变引起的能够在三维空间里任何方向上传播的波。声波全波波形中,纵波波至最早，横波波至处于纵波

4、和斯通利波之间，斯通利波的波至最晚夹杂在伪瑞利波之间。P波、S波与ST波的慢度与幅度是依次增大的，而频率是依次减小的。从DSI/XMAC/WS测井资料中提取纵波、横波慢度（时差）及能景信息等是其工程应用的前提。目前主要采用时域和频域两种提取方法获得声波慢度和能量信息，本研究主要采用STC法。它是-种时域内的多道信号相关分析技术，通过在-组全波波列中开设时窗,使用时窗依次柢取每个波列，时窗在参考波列上的位置为tM他波列上的时窗位线性移动，相邻窗之间移动记为S。通过选取合理的时窗长度和慢度搜索范围，求取8个接收器收到的由同一发射源在某时刻发的波信号的相关系数，最大相关系数对应的慢度即为该深度地层的

5、纵速和横波慢度。"+s（m-l）Az+dtb（s，r）=/弋七MEJ/«k+S（M-l）Az+r'df式中:Tw茹甘窗长度，fis;S为慢度，身/ft;t为时窗在第一道波形上的开窗位置，jxs。相关系数R的取值范围为0WRW1,R=0表示波形间无任何关系;R=1表示波形形态完全相同。此外，计算岩石力学参数必须有横波时差数据，但并非每【I井都测有DSI/XMAC/WS资料。为此，可用已提取的纵横波时差等数据（去掉异常GR和DTS/AC的数据点）建立拟合公式,构建一条横波时差曲线，进而求取未测横波时差井段的泊松比等岩石力学参数。表1泊松比和三模量的测井计算公式汇总1.2

6、岩石力学参数的计算念CHi力孕，散汨松HUVIMAPISMA许筒格式*«VJUJWVG&的双力7切向招安之比x0雄勤的怖机*打体祀怜域HK体力、体taHl入以x，5为GW.&以为HMM.K,、GA*«*«/.9.29O3O4xO'>.E.K,tNldmP为网2.泊松比是计算其它岩石力学参数、地应力和地层三压力最重要的基础参数。通过岩石力学实验和测井资料可获取泊松比。表1是动态泊松比与动态三模爆的计算公式。其它参数都可以通过泊松比与剪切模StG转换求得。1.3地层孔隙压力、坍塌压力与破裂压力的计算伊顿法计算孔隙压力Pp综合考虑了除压实作

7、用以外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：PPo-（Po-Pw）（AtJAt）e（2）式中:P。一上覆地层压力,Mpa；P.一地层水静液柱压力，Mpa;实际深度点声波时差测井实测"正常压实趋势线上的声波时差值,正常压实趋势线（方程）的构建是伊顿法计算地层压力的关键，它是采用正常压力井段的泥质JZ点的测井读值I可归计算与经验调整相结合的方法而建立的。一般制作图版时是以地区平均正常压力趋势为依据的。只有各单井的正常趋势线与地区平均正常趋势线基本接近时，才能保证所预测压力的准确性。依据回归泥质层声波时差值的限制范围，即55（ZU的单位

8、为p.s/ft,M为由回归趋势方程反算出等效深度点的声波时差值），利用实测压力点的声波时差值对地层压实趋势线斜率和截距进行反推修正与调节，色到合理为ll：o图1为鄂尔多斯盆地姬堀区块泥岩层（声波时差）正常压实趋势线,其方程为：Ln（AC）=-0.000206-DEP+4.693（R=0.963,N=491）（3）将实际地层深度值代入式可求出正常压实趋势的声波时差值,再由式计算出实际的地层压力Pp。伊顿指数（即压实指数c）是通过实测地层压力及测井数据代入式（2）反算得到，鄂尔多斯盆地三叠系地层的伊顿指数:油井区为0.2140.314,气井区为0.2740.384。根据摩尔一座仑前切破坏准则，推导

9、出计算地层坍塌压力BP的公式为:BP=aPSST2PR/（1一PR）+A（l-sin。）2（/-盼cosS（4）式中:Kt-区域规则应力系数（可取为1）；SST-岩石固有前切强度,Mpa;。一砂泥岩地层岩石的内摩擦角（一般S取为30°）,（TL井壁上一点的最小主应力,Mpao基于三向地应力模型建立的破裂压力FP计算模型为：FP=如+R停料aP）卜（1一a）.Ci&.S,式（5）中第二项反映了地层孔隙压力对破裂压力的影响，第二项反映了由上覆地层压力和地层孔隙压力综合作用的垂直骨架应力（有效应力）对破裂压力的贡献，第三项反映了岩石抗张强度对破裂压力的影响，且Pp、Po-aP、St

10、前边的系数项反映了它们对破裂压力所起作用的大小。式中,G=1表示非裂缝性地层或孔隙性储层，否则C.=0；C2=l表示压裂施工时计算的地层破裂压力,G=0表示用于钻井中为防止泥浆比重过大压漏地层而需要忽略地层抗张强度时计算的地层自然破裂压力（或漏失压力），这里Cl=C2=0o1.4地层三力数据库的建立VB语言系统有较强的数据管理、控制和应用程序开发能力;EXCEL是一个电子表格软件，具有强大的数据处理和格式输出功能,能根据用户的要求,灵活、方便地制作出各种格式的数据报表疽鄂尔多斯盆地地层三力数据库”是将存储数据的EXCEL表存储在DataBase文件夹下,并利用VB语言编程调用和管理这些数据信息

11、，实现油田“地层三力”数字化信息的资源共享。其数据体主要字段（结构）如图2所示。：afc;D1!JFi;811虹糙*引场仔/就"剧好姒杼席勒:藉氏加略勒12；3jJ1|W图2地层三力数据库的数据体主要字段（结构）2应用实例分析基于上述方法模型，优化编程,对鄂尔多斯盆地12个区块多口井测井资料进行了处理与分析。利用已开发的“鄂尔多斯盆地地层三力数据库”程序对盆地各区块地层岩石力学数据、地应力数据和地层三力数据进行存储、调用、查询和共享，从而实现油田信息数字化,为盆地的地质勘探和井控压力设计等提供决策依据。限于篇幅，本文仅以姬源区块的黄XX井为例予以说明。图3是黄XX井2950-2985

12、m基于改进后的声波时差提取程序处理成果图。其中曲线名未加后缀的是本程序的提取结果（如纵波慢度、横波慢度和斯通利波慢度）;后缀为“ex”是Express软件提取结果（如纵波慢度ex、横波慢度ex和和斯通利波慢度ex）。可以看出，其曲线形状非常一致、幅值非常接近。图3黄xx井XMAC声波测井资料提取的纵横波慢度成果图图4是黄xx井2600-3000m地层三压力解释成果剖面图，最后一道给出了安全泥浆密度窗口。安全泥浆密度下限取坍塌压力梯度与孔隙压力梯度中图4黄XX井地层三压力测井解舞成果图图5郭尔多斯盆地地层三力数据库运行界面!：；7*002003000图6（b）黄xx井地层三压力数据库信息示例较大

13、的值,上限取破裂压力的最小值。启动“SWPU-3PDATA-CQ地层三压力数据库建设”程序,在地层三压力数据库建设窗口（图5）的井类型及所在区块下拉列表中分别选择油井和姬燎工区地层三压力数据库,点击打开资料库按钮，即会出现该区块的数据存储表,选择黄XX井，如图6(a)、图6(b)所示。表6(a)给出黄xx井2600-3000m地层孔隙压力梯度、破裂压力梯度和坍塌压力梯度数据。井控按层组设计的泥浆密度需大于Max(坍塌压力梯度，地层压力梯度1,小于最小破裂压力梯度O由图6(b)可知，长4+5段与长6段最大坍塌压力梯度分别为1.085、l.llMpa/100m,最小破裂压力梯度分别为1.440.1

14、.499Mpa/100m，孔隙压力梯度在0.898-0.918Mpa/100m之间，则该井段实钻泥浆密度需在1.11-1.440取值，但实际钻井过程中的泥浆密度采用1.081g/cm3,小于对应深度的安全泥浆密度下限。在图4中第二道井径曲线显示:长4+5段与长6段扩径率最高分别为29.1%、17.6%，说明长4+5段与长6段发生了不同程度的井壁垮塌，这与实际是相符的；长7及长9段最大坍塌压力梯度分别为0.912、1.078Mpa/100m,最小破裂压力梯度分别为1.494、1.553Mpa/100m,这两段孔隙压力梯度在0.914-0.948Mpa/100m之间，则安全泥浆密度范围是1.078

15、-1.494g/cm3,此段实钻泥浆密度1.081g/cm在安全泥浆密度窗口之内，图4中第二道井径曲线显示:井眼比较平滑，扩径率在6%左右，井壁未发生明显垮塌。三力数据库可反映钻遇地层岩石机械强度、地层孔隙压力、坍塌压力和破裂压力的变化拐点,根据拐点选取合理的实钻泥浆密度,设计合理完井次数、井身结构,安全钻穿目的层位。在井壁失稳情况下,可利用数据库中孔隙压力梯度选取合理的压井液密度，压井液密度以该孔隙压力梯度为基准，再加一个附加值,附加值一般油水井为O.O5-O.lg/cm3，气井为0.07-0.15g/cm'o3结论与建议(1) 充分利用偶极横波与常规测井资料可以准确地计算地层岩石力

16、学、地应力和地层三压力等数据与建立连续的地层三力剖面。由盆地内不同区块内的多口井三压力剖面数据等建立了“鄂尔多斯盆地地层三力数据库”，为实现油田信息数字化,实时进行井控压力参数设计，掌握待钻井的纵向地层压力变化提供了可靠依据。(2) 测井计算的鄂尔多斯盆地三叠系地层的安全钻井泥浆密度窗口较宽,实际新井钻井过程中只要根据地层三力数据库的信息合理控制钻井泥浆密度的高低(控制钻井液柱压力)，有利于后续井的钻井工作，避免喷、漏、卡、塌等井壁不稳定问题,缩短钻井周期。(3) 值得注意的是，井控压力设计成果数据取值，需避开扩径、不规则井眼，读取地层的最大坍塌压力、最小破裂压力，且最大坍塌压力在容易坍塌的泥

17、岩中读取，最小破裂压力在容易破裂的砂岩中读取,特殊岩性单独取值。参考文献：夏宏泉等，鄂尔多斯盆地地层“三力”剖面测井预测方法R,西南石油大学科研报告,2012.2 孙明光，钻井、完井工程基础知识手莎M,北京：石油工业出版社2002.3 章成广、江万哲等，声波浏井原理与应用M,北京：石油工业出版社2008.4 苒希文，钻井事故与复杂问MM,北京：石油工业出版社2000.5 B.A.Eaton.FractureGradientPredictionTechniquesandTheirApplicationinDrilling,SumulationandSecondaryRecoveryOperati

18、ons,SPE2136.(上接第66页)吴音军等，铜柱测压在高能气体压裂技术中的应用，石油钻采工艺,1999.21(1).5 WeeH.L.,Oilwellperforatordesignusing2DEulcriancode,InternationalJournalofImpactEngineering,27(2002)535-559.(7jCADYCM,etal.MechanicalPropertiesofPlasticBondedExplosiveBinderMaterialsasaFunctionofStrainRateandTemperatureA,ProceedingsofInternationalConferenceonFundamentalIssuesandApplica