1、綜合信息地層三力剖面的測井建立及井控應用研究陳蓉】夏宏泉1盧忠沅21.西南石油大學石油工程測井實驗室2.塔里木油田開發事業部摘要：準確乎算地層三壓力，對井身結構與井控的設計及優質高效鉆完井工程有著非常重要的作用。9條常規測井曲線的解釋姑果不能滿足鉆井工程對井控壓力參數的時效和精度要求。本文以鄂爾多斯盆地姬堀區塊的油井為例，從地層聲波全波信息提取和巖石力學參數計算出發，充分利用偶極聲波和常規測井資料進行地層三壓力的計算，建立盆地多個區塊的地層“三力”剖面，采用VB語言和】XCHL工具開發了“鄂爾多斯盆地地層三力數據庫”程序，實現對盆地各區塊多口井的地層三壓力數據的管理和應用，為鉆井工程的井控壓力

2、參數設計提供了可靠依據。關鍵詞：地層三力剖面；偶極聲波測井；泊松比；井控壓力作者簡介：陳-（1984-）,女，西南石油大學石油工程測井碩士研究生（在讀），主要研究地層三壓力的測井計算以及鉆井井身結構設計。0引言隨著油氣勘探開發領域的不斷延伸擴大,鉆井難度越來越大，對井控技術的要求也越來越高。為了對付夏雜地層，要實現安全優質快速鉆井，必須做好井控壓力剖面設計。井控作業分為初級井控、二級井控及三級井控，初級井控的核心即準確計算全井段地層孔隙壓力、坍塌壓力和破裂壓力，確定合理的鉆井液密度,為安全鉆井提供第一級屏障。常規聲波時差測井不能測量軟地層（At>110Mt）或泥頁巖地層的橫波，因而極大地

3、降低了聲波測井資料預測巖石力學參數的梢度，進而影響地層三壓力計算精度。偶極聲波測井是繼長源距聲波測井之后的新-代全波列測井，其偶極發射器和接收器聲系可以不受軟硬地層的限制，適用于各種地層的聲波測Wo本文利用常規測井資料和STC法提取的縱、橫波時差準確訂筑巖石機械強度、地層孔隙壓力和坍塌壓力及破裂壓力（簡稱地層三慶力或地層三力），確定合理的泥漿密度窗口，建立地層三力數據庫，為井控壓力參數設計提供了重要的油田數字化信息。1測井資料處理與三力參數計算1.1縱橫波時差的提取地層縱波和橫波屈于體波，是由介質震動體形變引起的能夠在三維空間里任何方向上傳播的波。聲波全波波形中,縱波波至最早，橫波波至處于縱波

4、和斯通利波之間，斯通利波的波至最晚夾雜在偽瑞利波之間。P波、S波與ST波的慢度與幅度是依次增大的，而頻率是依次減小的。從DSI/XMAC/WS測井資料中提取縱波、橫波慢度（時差）及能景信息等是其工程應用的前提。目前主要采用時域和頻域兩種提取方法獲得聲波慢度和能量信息，本研究主要采用STC法。它是-種時域內的多道信號相關分析技術，通過在-組全波波列中開設時窗,使用時窗依次柢取每個波列，時窗在參考波列上的位置為tM他波列上的時窗位線性移動，相鄰窗之間移動記為S。通過選取合理的時窗長度和慢度搜索范圍，求取8個接收器收到的由同一發射源在某時刻發的波信號的相關系數，最大相關系數對應的慢度即為該深度地層的

5、縱速和橫波慢度。"+s（m-l）Az+dtb（s，r）=/弋七MEJ/«k+S（M-l）Az+r'df式中:Tw茹甘窗長度，fis;S為慢度，身/ft;t為時窗在第一道波形上的開窗位置，jxs。相關系數R的取值范圍為0WRW1,R=0表示波形間無任何關系;R=1表示波形形態完全相同。此外，計算巖石力學參數必須有橫波時差數據，但并非每【I井都測有DSI/XMAC/WS資料。為此，可用已提取的縱橫波時差等數據（去掉異常GR和DTS/AC的數據點）建立擬合公式,構建一條橫波時差曲線，進而求取未測橫波時差井段的泊松比等巖石力學參數。表1泊松比和三模量的測井計算公式匯總1.2

6、巖石力學參數的計算念CHi力孕，散汨松HUVIMAPISMA許筒格式*«VJUJWVG&的雙力7切向招安之比x0雄勤的怖機*打體祀憐域HK體力、體taHl入以x，5為GW.&以為HMM.K,、GA*«*«/.9.29O3O4xO'>.E.K,tNldmP為網2.泊松比是計算其它巖石力學參數、地應力和地層三壓力最重要的基礎參數。通過巖石力學實驗和測井資料可獲取泊松比。表1是動態泊松比與動態三模爆的計算公式。其它參數都可以通過泊松比與剪切模StG轉換求得。1.3地層孔隙壓力、坍塌壓力與破裂壓力的計算伊頓法計算孔隙壓力Pp綜合考慮了除壓實作

7、用以外其它異常壓力形成機制，并總結參考了鉆井實測壓力與各測井信息之間的關系,是一種比較實用的方法：PPo-（Po-Pw）（AtJAt）e（2）式中:P。一上覆地層壓力,Mpa；P.一地層水靜液柱壓力，Mpa;實際深度點聲波時差測井實測"正常壓實趨勢線上的聲波時差值,正常壓實趨勢線（方程）的構建是伊頓法計算地層壓力的關鍵，它是采用正常壓力井段的泥質JZ點的測井讀值I可歸計算與經驗調整相結合的方法而建立的。一般制作圖版時是以地區平均正常壓力趨勢為依據的。只有各單井的正常趨勢線與地區平均正常趨勢線基本接近時，才能保證所預測壓力的準確性。依據回歸泥質層聲波時差值的限制范圍，即55（ZU的單位

8、為p.s/ft,M為由回歸趨勢方程反算出等效深度點的聲波時差值），利用實測壓力點的聲波時差值對地層壓實趨勢線斜率和截距進行反推修正與調節，色到合理為ll：o圖1為鄂爾多斯盆地姬堀區塊泥巖層（聲波時差）正常壓實趨勢線,其方程為：Ln（AC）=-0.000206-DEP+4.693（R=0.963,N=491）（3）將實際地層深度值代入式可求出正常壓實趨勢的聲波時差值,再由式計算出實際的地層壓力Pp。伊頓指數（即壓實指數c）是通過實測地層壓力及測井數據代入式（2）反算得到，鄂爾多斯盆地三疊系地層的伊頓指數:油井區為0.2140.314,氣井區為0.2740.384。根據摩爾一座侖前切破壞準則，推導

9、出計算地層坍塌壓力BP的公式為:BP=aPSST2PR/（1一PR）+A（l-sin。）2（/-盼cosS（4）式中:Kt-區域規則應力系數（可取為1）；SST-巖石固有前切強度,Mpa;。一砂泥巖地層巖石的內摩擦角（一般S取為30°）,（TL井壁上一點的最小主應力,Mpao基于三向地應力模型建立的破裂壓力FP計算模型為：FP=如+R停料aP）卜（1一a）.Ci&.S,式（5）中第二項反映了地層孔隙壓力對破裂壓力的影響，第二項反映了由上覆地層壓力和地層孔隙壓力綜合作用的垂直骨架應力（有效應力）對破裂壓力的貢獻，第三項反映了巖石抗張強度對破裂壓力的影響，且Pp、Po-aP、St

10、前邊的系數項反映了它們對破裂壓力所起作用的大小。式中,G=1表示非裂縫性地層或孔隙性儲層，否則C.=0；C2=l表示壓裂施工時計算的地層破裂壓力,G=0表示用于鉆井中為防止泥漿比重過大壓漏地層而需要忽略地層抗張強度時計算的地層自然破裂壓力（或漏失壓力），這里Cl=C2=0o1.4地層三力數據庫的建立VB語言系統有較強的數據管理、控制和應用程序開發能力;EXCEL是一個電子表格軟件，具有強大的數據處理和格式輸出功能,能根據用戶的要求,靈活、方便地制作出各種格式的數據報表疽鄂爾多斯盆地地層三力數據庫”是將存儲數據的EXCEL表存儲在DataBase文件夾下,并利用VB語言編程調用和管理這些數據信息

11、，實現油田“地層三力”數字化信息的資源共享。其數據體主要字段（結構）如圖2所示。：afc;D1!JFi;811虹糙*引場仔/就"劇好姒杼席勒:藉氏加略勒12；3jJ1|W圖2地層三力數據庫的數據體主要字段（結構）2應用實例分析基于上述方法模型，優化編程,對鄂爾多斯盆地12個區塊多口井測井資料進行了處理與分析。利用已開發的“鄂爾多斯盆地地層三力數據庫”程序對盆地各區塊地層巖石力學數據、地應力數據和地層三力數據進行存儲、調用、查詢和共享，從而實現油田信息數字化,為盆地的地質勘探和井控壓力設計等提供決策依據。限于篇幅，本文僅以姬源區塊的黃XX井為例予以說明。圖3是黃XX井2950-2985

12、m基于改進后的聲波時差提取程序處理成果圖。其中曲線名未加后綴的是本程序的提取結果（如縱波慢度、橫波慢度和斯通利波慢度）;后綴為“ex”是Express軟件提取結果（如縱波慢度ex、橫波慢度ex和和斯通利波慢度ex）。可以看出，其曲線形狀非常一致、幅值非常接近。圖3黃xx井XMAC聲波測井資料提取的縱橫波慢度成果圖圖4是黃xx井2600-3000m地層三壓力解釋成果剖面圖，最后一道給出了安全泥漿密度窗口。安全泥漿密度下限取坍塌壓力梯度與孔隙壓力梯度中圖4黃XX井地層三壓力測井解舞成果圖圖5郭爾多斯盆地地層三力數據庫運行界面!：；7*002003000圖6（b）黃xx井地層三壓力數據庫信息示例較大

13、的值,上限取破裂壓力的最小值。啟動“SWPU-3PDATA-CQ地層三壓力數據庫建設”程序,在地層三壓力數據庫建設窗口（圖5）的井類型及所在區塊下拉列表中分別選擇油井和姬燎工區地層三壓力數據庫,點擊打開資料庫按鈕，即會出現該區塊的數據存儲表,選擇黃XX井，如圖6(a)、圖6(b)所示。表6(a)給出黃xx井2600-3000m地層孔隙壓力梯度、破裂壓力梯度和坍塌壓力梯度數據。井控按層組設計的泥漿密度需大于Max(坍塌壓力梯度，地層壓力梯度1,小于最小破裂壓力梯度O由圖6(b)可知，長4+5段與長6段最大坍塌壓力梯度分別為1.085、l.llMpa/100m,最小破裂壓力梯度分別為1.440.1

14、.499Mpa/100m，孔隙壓力梯度在0.898-0.918Mpa/100m之間，則該井段實鉆泥漿密度需在1.11-1.440取值，但實際鉆井過程中的泥漿密度采用1.081g/cm3,小于對應深度的安全泥漿密度下限。在圖4中第二道井徑曲線顯示:長4+5段與長6段擴徑率最高分別為29.1%、17.6%，說明長4+5段與長6段發生了不同程度的井壁垮塌，這與實際是相符的；長7及長9段最大坍塌壓力梯度分別為0.912、1.078Mpa/100m,最小破裂壓力梯度分別為1.494、1.553Mpa/100m,這兩段孔隙壓力梯度在0.914-0.948Mpa/100m之間，則安全泥漿密度范圍是1.078

15、-1.494g/cm3,此段實鉆泥漿密度1.081g/cm在安全泥漿密度窗口之內，圖4中第二道井徑曲線顯示:井眼比較平滑，擴徑率在6%左右，井壁未發生明顯垮塌。三力數據庫可反映鉆遇地層巖石機械強度、地層孔隙壓力、坍塌壓力和破裂壓力的變化拐點,根據拐點選取合理的實鉆泥漿密度,設計合理完井次數、井身結構,安全鉆穿目的層位。在井壁失穩情況下,可利用數據庫中孔隙壓力梯度選取合理的壓井液密度，壓井液密度以該孔隙壓力梯度為基準，再加一個附加值,附加值一般油水井為O.O5-O.lg/cm3，氣井為0.07-0.15g/cm'o3結論與建議(1) 充分利用偶極橫波與常規測井資料可以準確地計算地層巖石力

16、學、地應力和地層三壓力等數據與建立連續的地層三力剖面。由盆地內不同區塊內的多口井三壓力剖面數據等建立了“鄂爾多斯盆地地層三力數據庫”，為實現油田信息數字化,實時進行井控壓力參數設計，掌握待鉆井的縱向地層壓力變化提供了可靠依據。(2) 測井計算的鄂爾多斯盆地三疊系地層的安全鉆井泥漿密度窗口較寬,實際新井鉆井過程中只要根據地層三力數據庫的信息合理控制鉆井泥漿密度的高低(控制鉆井液柱壓力)，有利于后續井的鉆井工作，避免噴、漏、卡、塌等井壁不穩定問題,縮短鉆井周期。(3) 值得注意的是，井控壓力設計成果數據取值，需避開擴徑、不規則井眼，讀取地層的最大坍塌壓力、最小破裂壓力，且最大坍塌壓力在容易坍塌的泥

17、巖中讀取，最小破裂壓力在容易破裂的砂巖中讀取,特殊巖性單獨取值。參考文獻：夏宏泉等，鄂爾多斯盆地地層“三力”剖面測井預測方法R,西南石油大學科研報告,2012.2 孫明光，鉆井、完井工程基礎知識手莎M,北京：石油工業出版社2002.3 章成廣、江萬哲等，聲波瀏井原理與應用M,北京：石油工業出版社2008.4 苒希文，鉆井事故與復雜問MM,北京：石油工業出版社2000.5 B.A.Eaton.FractureGradientPredictionTechniquesandTheirApplicationinDrilling,SumulationandSecondaryRecoveryOperati

18、ons,SPE2136.(上接第66頁)吳音軍等，銅柱測壓在高能氣體壓裂技術中的應用，石油鉆采工藝,1999.21(1).5 WeeH.L.,Oilwellperforatordesignusing2DEulcriancode,InternationalJournalofImpactEngineering,27(2002)535-559.(7jCADYCM,etal.MechanicalPropertiesofPlasticBondedExplosiveBinderMaterialsasaFunctionofStrainRateandTemperatureA,ProceedingsofInternationalConferenceonFundamentalIssuesandApplica