压力预测技术研究

随钻地层压力预测技术应用探讨周生友李恩重杨伟彪雷运木张根法（河南石油勘探局地质录井公司）在以往陆上和海上石油勘探的实践中，普遍存在着异常高压地层，这些广泛分布的异常高压地层首先影响的是钻井安全，如果未能及早检测或预测可能钻遇到的异常高压地层，使用的钻井液柱压力小于地层压力时，会引起井涌或井喷事故；反之，钻井液柱压力大于地层的破裂压力梯度时，又将导致井漏，易造成油气储层的污染，使气测仪检测不到气测异常显示，在测试时不能出油气，导致压死油气储层的现象，因而随钻预测地层压力技术就显得格外重要。

一、地层压力形成的原因异常高压地层分布广泛，从新生界第四系更新统到古生界寒武系、震旦系都存在。

它的形成原因有多种解释，大多数学者认为，至少有六种机理可以用来解释沉积盆地内异常高压地层的形成原因，分别是压实效应、成岩作用、密度差的作用、构造应力及构造活动、异常地温梯度、油气生成等。

异常高压有可能是某个原因造成的，但往往是几个因素综合作用的结果。

在引起异常高压的诸多原因中，压实作用是引起超压异常最基本、最主要的机理。

随着埋藏深度的增加和温度的增加，孔隙水膨胀，而孔隙空间随地静载荷的增加而减小，因此，只要有足够的渗流通道，才能使地层水迅速排出、保持正常的地层压力。

换句话说，只要孔隙水按自然压实速度排出，孔隙压力才可保持水静压力沉积增加，上覆岩层重量增加，使基岩应力继续增加以平衡增加的上覆岩层压力。

但如果水的通道被堵塞或严重受阻，逐渐增多的上覆沉积物重量，只能由孔隙内的流体承担，从而使孔隙压力高于静液压力而形成异常高压。

二、几种随钻地层压力检测技术原理及计算方法对于随钻地层压力检测技术来说，已经不是什么新技术，它诞生于上世纪60年代，发展在80年代，尤其是80年代中期我国大量引进综合录井仪以后，使地层压力检测技术的应用迅速升温。

当时，钻井利用人工随钻采集钻井工程资料进行地层压力检测，物探利用地震资料进行地层压力预测，测井利用声波和密度测井资料进行地层压力预测，录井利用综合录井仪进行随钻地层压力检测，使这项技术成为一时流行的技术。

因为录井采用综合录井仪的计算机实时处理的随钻地层压力检测技术，因具有直接性、实时性和准确性而独占鳌头。

但是录井因为深入开展随钻地层压力检测应用的技术难度和工作量大而一度中断这项技术应用研究工作。

实际上，只要我们坚持不懈地去探索和研究，就能逐步看到它的应用效果和前景——在钻井工程上可以预报工程事故、提高钻井工效、提高井身质量和固井质量；在地质上可以指导进行不同储层深度归位、提高岩屑描述质量、定量描述储层厚度、与气测参数配合可预测储层的流体性质和产能，尤其在深层天然气勘探方面和储层及油气解释评价方面有其独到的作用。

随钻地层压力检测技术有机械钻速法（钻时法）、d指数法、dc指数法、dcs指数法、Sigma法、页岩密度法等，其中dcs指数法、Sigma法的应用最普遍，原因是借助综合录井仪这一工具，这两种方法所需的多种参数由过去的人工采集，变成传感器和计算机联机自动采集，从而使这两种方法监测的准确度和敏感性有较大幅度的提高。

（一）、dcs指数法dcs指数法预测地层异常压力的思想基于泥岩沉积过程中的欠压实，在砂泥岩地层沉积过程中，泥岩微粒间的流体来不及排出（泥岩连通性差）就被上部地层快速沉积封闭在泥岩中而形成欠压实泥岩层，其特点是与上部地层的孔隙不连通，孔隙中保存了压力异常，这个压力异常与上部地层总压力有关；其下部的砂岩层（高渗透性）具有异常高压特性。

欠压实泥岩层作为上部正常压实泥岩层和下部异常高压砂岩层之间的储聚条件来看，这样的上下部地层岩性结构，恰好是砂泥岩剖面理想油气藏的盖压力过渡带，正是dcs指数随钻检测地层压力的关键所在。

因此，dcs指数通过检测欠压实泥岩（即可能的高压渗透层的盖层）的存在，就可预测出下部异常高压层。

随着埋藏深度的增加，上覆岩石压力增大，泥页岩孔隙度减小，岩石变得致密，可钻性变差，因而在相同的钻井条件下机械钻速逐渐减小，dcs指数逐渐增大，在录井图上表现为随井深增加，dcs指数逐渐增大的趋势，当出现异常高压时，岩石孔隙度增大，井底压差减小，静压持效应减弱，机械钻速增大，dcs指数下降，在录井图上dcs指数表现为向左偏离了正常趋势线。

可见，dcs指数是与泥浆柱压力和地层压力之间的压差有关，因此dcs可以用来预报地层异常高压。

2、dcs指数计算方法dcs指数法是在机械钻速法的基础上发展起来的，计算公式如下：dcs=[0.516+lg（B·ROP/RPM）]/[-6.17+lg（WOB/Dh）] *H/ECD （1）B=a p（2）a=0.93T2+6T+1 （3）T=X·（0.31FBW2+3FBW+1）/（0.31X2+3X+1）（4）X=FBW·（TD-DI）/L （5）式中：B---------------钻头磨损校正系数；X和T--------计算中的中间变量；a---------------进尺和钻头磨损程度的函数；P--------------钻头指数；ROP----------钻速；RPM----------转盘转速；H-------------地层静水压力梯度；WOB--------钻压；Dh------------钻头直径；ECD----------当量循环密度；FBW----------钻头最终磨损级别；TD-------------实际井深；DI--------------起始井深；L---------------钻头进尺。

dcs指数影响因素主要有8项：钻压、转速、ECD、P指数、（预计）钻头进尺、（预计）钻头最终磨损级别、静水压力梯度。

（二）、Sigma法在异常压力的实际分布中，有些情形是确实存在着压力过渡带而后进入高压带，但在另外一些情况下，如在碳酸盐岩地层中，不存在压力过渡带，由于碳酸盐岩地层的孔隙度和渗透率变化很大，规律性差，孔洞或裂缝分布也是多变的，碳酸盐岩的这种多变特性导致异常压力的分布也是多变的，碳酸盐岩本身若无渗透性，则它下面的渗透性地层就可能是高压层，Sigma法就是基于这一思想而建立的，它是以岩石可钻性与地层孔隙压力的关系为基础，是对岩石可钻性的反映：致密岩石的骨架强度大，孔隙性、渗透性差，岩石可钻性变差，Sigma值随井深的增加而增大；孔洞、裂缝发育的地层，岩石骨架强度小，孔隙性、渗透性好，岩石可钻性变好，Sigma值随井深增加而减小。

根据这一特点，即可预测出高压地层。

一般来讲，随着埋藏深度的增加，上覆岩石压力增大，岩层孔隙度变小，岩石变得致密，可钻性变差，Sigma值随井深增加而增大；钻遇高压层时，岩石孔隙度大，可钻性好，Sigma值明显减小，偏离正常的Sigma值，根据这一特点，作出井深和Sigma录井图，就可以看出地层压力的变化情况，计算出地层压力。

Sigma法的计算公式为：Bsigma=0.1823*(9.8-1*103*WOB)0.5*(2PI*RPM*ROP)0.25/Bsize+0.028*(7- 0.001*VDepth) 式中WOB--------------钻压（kN）；RPM----------------------转盘转速（turn/min）；ROP-----------------------钻时（min/m）；Bsize----------------------钻头直径（mm）；Vdepth--------------------垂直井深（m）；N---------------------------换算系数。

（三）dcs指数与Sigma法的比较dcs指数法预测地层压力的理论建立在泥砂沉积的理论上，在砂泥岩地层中，一个高压储层的上部必定有一个具有一定厚度的泥（页）岩盖层，由于高压流体作用，使泥岩盖层产生欠压实，地层压力自下而上由大逐渐变小，这个泥岩欠压实层称为压力过渡带，它和高压储集层形成异常高压区。

钻遇压力过渡带，不会有井涌井喷的危险，但在综合录井的实时监测曲线中会发现dcs呈现趋势性减小的规律性变化，从而能够预报出压力异常（即进入欠压实层），但这要求压力过渡带不能太薄，一般要求这个过渡带地层至少不小于10米，若压力过渡带太薄，利用dcs 指数就不易预报出欠实地层，正是由于存在压力过渡带，才使得dcs 指数有预报时间，即有足够的预报时效。

压力过渡带下部的砂岩储集层具有异常高压特性，钻开这一层会有井涌井喷的可能，这样的上下部地层岩性结构，恰好是泥-砂剖面理想油气藏的盖-储结构，因此，在砂泥岩地层中，dcs指数法是一个很好的预报高压地层存在的方法。

由dcs指数法的分析可知，用dcs指数首先应选好dcs趋势线，若趋势值过大，正常压实地层中的泥岩可能误判为欠压实层；反之可能漏报欠压实层。

决定正常压实泥岩dcs左限的常数选择不当，也会有类似效果。

因此，选择好这两个参数是很重要的，这可以从邻井录井资料或本井上部录井资料的分析处理中获得。

dcs指数的缺点是无法对碳酸盐岩地层中的压力异常作出准确预测，其原因在于碳酸盐岩地层不存在压力过渡带。

Sigma法可以弥补dcs 指数法的缺陷，该法是以岩石可钻性与地层孔隙压力的关系为基础，在钻井条件下都要计算地层压力新值，而dcs指数法计算FP却附加条件，该法使用的最佳条件是选用接近平衡钻进的泥浆密度，这在钻遇灰岩地层时容易满足，原因在于灰岩不易发生垮塌，因此，在灰岩条件，Sigma法计算地层压力可取得满意效果。

另外，在砂泥岩地层中，当压力过渡带很薄时，利用Sigma法预测地层压力也可取得较好的效果，实际上，Sigma法在砂泥岩地层也是适用的（正常压实泥岩中的砂岩夹层的情况例外），Sigma法的缺点是预测异常高压地层的时效性不如dcs指数法，钻开了孔隙发育的高压灰岩层时，才在Sigma上有明显异常显示，因此，Sigma法监测异常地层压力要特别小心。

可见，dcs指数法是为砂泥岩地层的超压检测而设计的，在砂泥岩地层中，欠压实层比较厚时效果明显，但对碳酸盐岩地层的超压检测无能为力；Sigma录井能够克服地层岩性的变化，在任何地层中都可预测地层压力，尤其在灰岩地层中效果更好。

dcs指数法与Sigma法对比结果见表1。

表1 dcs指数法与Sigma法的比较分析三、随钻地层压力检测技术在工程上的应用1、根据随钻提供的地层压力系数，适时调整泥浆密度达到近平衡压力钻井（1）、由于井底压差的降低，可使井底已破碎的岩屑迅速离开井底，始终保持井底干净，避免了岩石重复破碎，即井底静压差效应降低，使岩石更易于破碎，提高了机械钻速，降低了钻井成本，从而取得可观的经济效益。

（2）井底压差的降低，使得地层流体尤其是低孔、低渗、低地层压力的地层流体更易进入井筒而在地面被检测到，避免了因泥浆密度过高而压死油气层的现象发生，对及时发现油气层具有重大意义。