随钻地震技术在异常高压地层预测中的应用_杨进

　　石　油　勘　探　与　开　发

　2007年12月　　　　　　　　PET RO L EU M EXP LO RA T IO N A N D DEV ELO PM EN T 　　　　　　　V o l . 34　No . 6文章编号:1000-0747(2007) 06-0755-05

755

随钻地震技术在异常高压地层预测中的应用

杨进1, 谢玉洪2, 黄凯文2

(1. 中国石油大学(北京) 石油工程教育部重点实验室; 2. 中海石油(中国) 有限公司湛江分公司)

基金项目:国家“863”计划“精确的地层压力预测和监测技术”(820-07-02)

摘要:随钻地震(SWD ) 技术的原理是:钻进过程中牙轮钻头破碎地层产生冲击波, 经过地层反射到达地面, 通过地面接收

系统来采集井下的地层信息。SWD 技术能够实时提供钻头下部几百米内的地层信息, 利用这些地层信息可以准确地计算地层孔隙压力, 并能准确地预测异常高压地层的深度, 为钻井过程中合理选择钻井液密度和确定套管合理下入深度提供科学依据。通过对南中国海域某试验井SW D 采集信息的处理和分析, 预测地层孔隙压力, 及时调整钻井液密度, 并根据异常高压面的预测深度确定技术套管的下入深度。现场实践表明, 利用SW D 技术预测的异常压力面深度与实钻情况比较吻合, 其地层压力的预测精度较高。图4表1参11关键词:SW D ; 异常高压; 地层压力; 预测中图分类号:T E271　　　文献标识码:A

Application of seismic while drilling technique in prediction of

abnormally high pressure formation

YANG Jin 1, XIE Yu -hong 2, H UANG Kai -wen 2

1. Ed ucation Ministry K ey Laboratory o f Petroleum Engineering , China Univ ersit y o f Petroleum , (

Bei jing 102249, China ; 2. Z hanj iang Branch o f CN OOC , Z hanj iang 524057, China )

Abstract :T he principle of SW D (Seismic While Drilling ) is that the shock w aves generated by cone bits breaking fo rmation in the pro ce ss of drilling are reflec ted to the surface of the ear th by bor eho le for matio n , and then the str atig raphic infor matio n is collected by a g round receiv ing sy stem . SWD can prov ide real -time info rmatio n o f sev eral -hundred -meter fo rmatio n belo w the drill bit , w hich can be used to calcula te fo rmatio n po re pr essure accur ately , predict abnor mal pressur e fo rmatio n ' s depth , and pro vid a scientific founda tion for the reasonable selection of drilling fluid density and casing setting depth . SWD is applied in a pilot w ell in South China Sea , and the result indica tes that the abno rmal pressure f ace ' s depth predicted by SW D near ly co incide s w ith the actual drilled depth , and the for matio n pr essure pr edic ted by SWD is o f hig h accur acy .

Key words :SWD ; abno rmally hig h pressure ; for mation pressure ; predictio n

0引言

随着中国油气勘探开发工作的不断深入, 在越来

越多的含油气盆地内钻遇异常高压地层。中国南海的莺琼盆地蕴藏着丰富的天然气资源, 这些地区的某些气藏具有高温高压的特殊地质条件, 为了安全、快速、高效地开发该地区的油气资源, 必须采取科学的钻井方法。

获取准确的地层压力剖面是实现科学钻井的前提, 它是科学选择钻井液密度、合理设计井身结构的重要依据[1], 是实施优质、安全钻井以及油气层保护的重要基础之一。钻前的地层压力剖面一般通过地震资料或邻井资料获得。由于地震数据的分辨率一般较低, 加之信噪比低和处理技术等因素的影响, 导致地震层

速度剖面误差较大[2, 3]。所以, 钻井现场只能依靠钻前的地震预测结果, 其精度常常很难满足钻井施工的需要。随钻和钻后测井可以通过下入压力传感器测量井下地层压力, 但这些方法都是钻后的评价方法。钻井施工过程中, 如果技术套管不能很好地下到异常高压地层的上部, 很可能在之后的钻井作业中导致套管鞋处井眼液柱与地层之间的压差过大, 而发生复杂的井下事故。

近些年来, 国内外一些石油公司和石油技术服务公司都十分重视钻前的地层压力预测工作, 相继推出了随钻地震(Seismic While Drilling ) 技术。该技术能够实时提供正钻地层钻头以下几百米地层的信息(包括声波速度等) 。这些地层信息能够用来预测钻头下方未钻地层中异常高压层的位置, 为钻井液密度选择

和确定套管合理下入深度提供准确的依据[4-6]。

1随钻地震(SWD ) 工作原理

SWD 技术是一种逆VSP 的井中地震测量方法。在钻井过程中牙轮钻头不断破碎地层岩石, 由于钻头

旋转, 牙轮上下冲击而产生振动声波, 这种声波沿3种不同的路径由钻头向四周辐射。第1种是直达波, 沿最短的路径将声波由钻头经过地层传播至地面; 第2种是反射波, 声波由钻头向下传播, 经下部地层反射后再到达地面; 第3种为钻杆波, 声波由钻头沿钻杆传播至地面。直达波和反射波可由放置在井旁的地震检波器采集记录, 钻杆波由顶驱上安装导杆传感器采集。利用互相关技术将钻杆信号和地面检波器信号进行互相关处理, 得到逆VSP 的井眼地震波信息。也就是说, 在牙轮钻头连续钻进过程中, 能够连续采集得到直达波和反射波信息。

一般SWD 现场配置(见图1) 为:①牙轮钻头震源; ②近钻头处的测量短节; ③井口接收器; ④井旁接收器; ⑤数据采集与处理系统。SWD 的工作原理是:利用钻进时钻柱下端的牙轮钻头作为震源, 在近钻头处安装一个测量短节, 另外在井口和离井口一定距离的位置安放接收器, 接收由钻头钻进时产生的震动经周围地层层面反射所产生的反射波

。

录。因此, 为了保证钻杆速度数据的精度, SWD 资料采集应该足够长, 一般不少于300m 。

SWD 资料一旦转变成单程时的逆VSP 域, 经过处理可以获得时间、深度和速度等钻井所需的重要地层信息。每间隔几米采集一道地震记录, 精确计算直达波初至时间(精度可达到0. 1ms ) , 经静校正后就获得了时间与深度关系数据, 通过数据处理可进一步计算出地层层速度、平均速度和均方根速度。

通过对采集的信号进行处理, 可以得到钻进过程中井底以下的随钻地震剖面, 进而可进行层速度反演和地层孔隙压力预测计算。由于这种随钻地震技术需要以牙轮钻头作为震源, 所以目前只能应用于牙轮钻头钻进的地层。

2地层孔隙压力预测计算

声波在地层中的传播速度与岩性、岩层的压实程度、埋藏深度、孔隙中流体性质等因素有关。在正常情况下, 随着埋深增加, 地层的压实程度增加, 孔隙体积减小, 地层体积密度增大, 声波传播速度加快, 时差变小; 在异常压力地层中, 压实程度低, 孔隙体积增大, 岩石体积密度减小, 加之孔隙中充满传播速度低于岩石骨架的流体(油、气或水) , 声波的传播速度减小, 时差增大, 利用这种波速变化特性, 预测地层孔隙压力。2. 1SWD 数据处理

SWD 能够实时采集到正钻地层的速度资料, 对其上行波场进行反演计算, 就可以得到钻头下部未钻开地层(约300m ) 的速度。根据得到的反演速度, 就可以对钻头以下未钻开地层的孔隙压力进行预测计算。表1是SWD 现场采集处理得到的数据。

2. 2地层孔隙压力计算

利用SWD 处理得到地层的速度资料, 可采用Eaton 法和等效深度法进行地层孔隙压力计算[7-9]。2. 2. 1Eato n 法

Eaton 法是国内外油田公司普遍采用的地层孔隙压力计算方法, 它具有计算精度高, 使用范围广等特点。Eaton 法计算地层孔隙压力梯度当量密度的模式为:

G f =G ov -(G ov -G w ) (Δt n /Δt )

3

(1)

图1　SWD 现场配置示意图

(1) 式中上覆岩层压力梯度当量密度的求取, 可从页岩密度录井资料、密度测井资料中进行回归分析得到岩

石密度随井深变化的趋势线方程:

A H

ρr =B 1+C 1101

　　因为钻杆信号由钻头信号产生, 为了得到震源子波, 就必须对钻杆信号进行钻头信号校正, 这样就可以

将采集的SWD 资料转变成逆VSP 资料。钻杆信号校正时需要钻杆速度, 钻杆速度由SWD 资料采集时记

(2)

　　由(2) 式可以得出:

表1　SW D 现场采集处理的数据

道号[***********][***********][**************]31

测量井深(m ) 1249. 51259. 01268. 51278. 11287. 61297. 11306. 61316. 11325. 71335. 21344. 71354. 21363. 71373. 31382. 81392. 31401. 91411. 41420. 91430. 41440. 01449. 51459. 01468. 61478. 11487. 61497. 21506. 71516. 21525. 71535. 3

测量总时间

(m s ) 569. 9573. 3576. 6580. 0583. 4586. 9590. 3593. 9597. 4601. 0604. 7608. 4612. 0615. 7619. 4623. 0626. 6630. 1633. 6637. 0640. 4643. 7647. 0650. 3653. 5656. 7659. 8662. 9666. 0669. 2672. 3

垂直井深

(m ) 1226. 51236. 01245. 51255. 11264. 61274. 11283. 61293. 11302. 71312. 21321. 71331. 21340. 71350. 31359. 81369. 31378. 91388. 41397. 91407. 41417. 01426. 51436. 01445. 61455. 11464. 61474. 21483. 71493. 21502. 71512. 3

校正后时间

(ms ) 604. 1607. 6611. 1614. 5618. 0621. 6625. 2628. 8632. 4636. 1639. 9643. 6647. 4651. 1654. 8658. 5662. 2665. 8669. 4672. 9676. 3679. 8683. 1686. 5689. 8693. 0696. 2699. 4702. 6705. 8709. 0

双程旅行时

(ms ) 1208. 31215. 21222. 11229. 11236. 11243. 21250. 31257. 51264. 91272. 21279. 71287. 21294. 81302. 21309. 71317. 11324. 41331. 71338. 81345. 81352. 71359. 51366. 21372. 91379. 51386. 01392. 41398. 81405. 11411. 51417. 9

层速度

(m /s ) 2748. 22743. 32739. 82719. 82691. 72663. 42633. 42604. 82579. 52551. 42533. 72526. 52541. 02561. 82576. 52591. 32628. 12664. 82726. 32778. 22800. 72828. 32861. 92881. 62924. 32974. 52995. 43004. 62997. 82978. 12973. 9

时差

(ms /m ) 363. 85364. 50365. 16367. 78371. 72375. 66379. 92383. 86387. 80392. 06394. 69396. 00393. 70390. 42388. 12386. 15380. 58375. 33366. 80359. 91357. 28353. 67349. 41347. 11342. 19336. 29333. 99333. 01333. 66335. 96336. 29

平均速度

(m /s ) 2030. 22034. 32038. 32042. 32046. 12049. 82053. 32056. 62059. 82062. 82065. 62068. 42071. 02073. 72076. 52079. 32082. 22085. 12088. 22091. 62095. 02098. 62102. 22105. 92109. 62113. 42117. 42121. 42125. 32129. 32133. 1

均方根速度

(m /s ) 2030. 22035. 02039. 72044. 32048. 82053. 02057. 02060. 82064. 32067. 72070. 82073. 92076. 82079. 72082. 82085. 92089. 02092. 42095. 82099. 62103. 62107. 62111. 82116. 12120. 42124. 92129. 62134. 32139. 12143. 72148. 2

的部分由A 点处的岩石孔隙流体承担, 也就是说, A 点

G ov

ov

==H H

-3

H 0

10ρg d H

(B +C 10) g d H =

H -30

r

1

1

A H

1

H

与B 点处的岩石压实程度相同, 具有相同的声波时差, 但B 点到A 点这段深度的上覆岩层压力增加值施加到A 点处的孔隙流体上, A 点处岩石的孔隙压力比B 点处要大, 所以A 点处的地层孔隙压力大于正常静水压力而发生异常。A 、B 两点的Δt 值相同, 而各自的深度

[10, 11]

(3)

2. 2. 2等效深度法

等效深度法地层孔隙压力计算的基本原理

是:在相同性质的地层中, 若孔隙度(也可看作声波在层内传播时间) 相同, 则岩层的压实程度相同, 因而岩石骨架承受的压应力相同。

泥岩所受上覆岩层压力是由它的孔隙流体和骨架共同承担的, 即:

p ov =p f +σ

(4)

不同, H B 为H A 的等效深度。

利用等效深度法地层孔隙压力计算原理, 可以计算出欠压实带上A 点处的地层孔隙压力, 其计算模型为:

p f A =10g [G w H B +G ov (H A -H B ) ]

或

p f A =10-3g [G ov H A -(G ov -G w ) H B ]

(6)

-3

(5)

　　由图2, A 、B 两点孔隙度(时差) 相同, 岩石的压实

程度认为相同, 即岩石骨架承受的压应力相等。但A 点的上覆岩层压力大于B 点的上覆岩层压力, 所大出

　　把测井得到的声波时差和岩石密度资料的处理结果代入(6) 式, 则A 点处的地层压力计算公式简化为:

758

r w

p f A =3g p r H A -ln 10C 2Δt

石油勘探与开发·石油工程　　　　　　　　　　　　　　　Vo l . 34　No . 6　

(7)

图3　试验井处理的层速度和孔隙压力系数计算结果

图2　等效深度法示意图

3现场实际应用

SWD 技术在国外许多油田已广泛应用, 而在中国

起步较晚。由于SWD 仪器费用和现场服务费用很高, 只用在一些重点探井。对于异常高压等复杂探井, 为降低钻井风险, 使用SWD 技术能够及时预测到异常高压面位置, 为合理地选择钻井液密度、确定套管下入深度提供科学依据, 进一步减少高温高压井复杂事故的发生。

图3是南中国海海域一口试验探井的SWD 资料处理结果。该井从井深2300m 开始使用随钻地震测量仪器, 使用井段2300～3500m 。

从图3中的层速度曲线可以看出:井深大于2300m , 层速度开始由大变小, 层速度发生了异常(正常压实条件下随着井深的增加, 层速度应逐渐增大) , 地层孔隙压力即发生异常; 当井深大于2700m , 层速度才开始增大, 层速度逐渐恢复正常趋势。从图3中的地层压力系数预测曲线可以看出:井深达2300m 以后, 地层压力系数开始增大, 当井深大于2800m , 地层压力系数增大到2. 06。

　　图4是同一口探井的地层孔隙压力计算成果。根据钻前预测结果, 第一个异常压力面深度为2300m , 地层压力系数达1. 48; 第二异常高压面位置在2680m , 地层压力系数达2.

04。钻井施工过程中及时采集

SWD

图4　某探井的地层孔隙压力预测结果

测量数据, 并进行处理和计算。在处理计算过程中发现, 第一个高压面深度应在2550m , 地层压力系数达

1. 48; 第二异常高压面深度应在2824m , 地层压力系数达2. 06。根据SWD 预测结果, 现场钻井监督人员决定继续钻进(原设计2680m 下技术套管) 。由于第二异常高压位置比钻前设计的位置深, 应调整技术套管的下入深度, 将技术套管下到2850m 处。　　由于该异常高压探井的钻井过程中采用了先进的SWD 技术, 使异常高压面位置预测十分准确, 技术套管能够很好地封住高压地层, 技术套管下入深度比较合理, 很好地避免了井下喷、漏、塌、卡事故的发生。在该井钻井之前, 本地区进行了两口探井钻井施工, 由于未能很好地预测异常高压面的位置和压力的大小, 导致这两口井的钻完井施工未能成功。而采用了SWD 技术的井, 钻井施工十分顺利, 进一步提高了钻井作业时效, 降低了钻井费用。

4结论

SWD 技术能很好地预测异常高压地层的孔隙压力, 它对钻头下部300m 以内地层的压力预测精度比较

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高。在探井的钻井过程中, 可利用SWD 技术对异常高压位置进行预测, 这对钻井过程中套管下入深度确定起着非常重要的作用。

该项技术在中国油田使用时间较短, 目前只能适用于牙轮钻头钻进的井, 还需要开展相关研究来拓宽它的应用范围。

符号注释:

Δt n ———地层正常压实时的声波时差, μs /m ; Δt ———实测地层的声波时差,μs /m ; G w ———静水压力梯度当量密度值, g /cm 3; G ov ———上覆岩层压力梯度当量密度值, g /cm ; G f ———地层孔隙压力梯度当量密度值, g /cm ; ρ——地层岩石密度, g /cm ; r —H ———井深, m ; A 1———岩石密度回归趋势线深度系数, A 1>0, m

-1

3

3

3

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第一作者简介:杨进(1966-) , 男, 河南项城人, 博士, 中国石油大学(北京) 教授, 主要从事地层信息处理与应用方面的教学和科研工作。地址:北京市昌平区, 中国石油大学(北京) 石油天然气工程学院, 邮政编码:102249。E -mail :cyjin1018@vip . sina . com

收稿日期:2006-06-15　　修回日期:2007-09-26

; B 1, C 1———岩石密度回归趋势线系数, g /cm ; g ———重力加

3

速度, m /s 2; p ov ———上覆岩层压力, M Pa ; σ———岩石骨架颗粒间的接触应力, M P a ; p f ———地层孔隙压力, M P a ; p f A ———A 点的地层孔隙压力, M P a ; H A ———A 点深度, m ; H B ———B 点深度, 即A 点的等效深度, m ; Δt 0———深度H 0处地层的声波时差, μs /m ; C 2———正常声波时差压实趋势线的斜率, m -1。参考文献:

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(编辑　郭海莉　　绘图　李秀贤)

《石油勘探与开发》2008年第1期部分文章预告

辽河外围中生代盆地“下洼找油气”理念………………………………………………………………………殷敬红, 雷安贵, 方炳钟, 等南堡凹陷源上成藏组合油气勘探潜力…………………………………………………………………………汪泽成, 郑红菊, 徐安娜, 等准噶尔盆地西北缘下盘掩伏构造油气勘探新领域……………………………………………………………管树巍, 李本亮, 侯连华, 等库车坳陷西段盐构造形成主控因素……………………………………………………………………………余一欣, 马宝军, 汤良杰, 等吐鲁番坳陷侏罗系泥岩超压特征及其对油气成藏的控制…………………………………………………………李伟, 谢俊, 高晓辉, 等黄骅坳陷埕北断阶带油气成藏系统……………………………………………………………………………赵万优, 王振升, 肖敦清, 等黄骅坳陷中区超压对有机酸生成和溶解作用的抑制……………………………………………………………孟元林, 李斌, 王志国, 等绥滨坳陷中生界层序地层特征及油气勘探远景………………………………………………………………………………………郭少斌水平井注采井网的合理井距及注入量优化……………………………………………………………………凌宗发, 王丽娟, 胡永乐, 等蒸发法处理稠油废水回用于注汽锅炉的新工艺…………………………………………………………………Bill Heins , 谢晓, 严登超压裂水平井不稳定渗流…………………………………………………………………………………………李军诗, 侯建锋, 胡永乐, 等裂缝性碳酸盐岩底水油藏合理打开程度与合理井距…………………………………………………………………………吕爱民, 姚军关于油气成因的辩论———与王兰生先生商榷…………………………………………………………………………………………张景廉Division of petro leum system by using bioma rke r analy sis in CN PC

co ncession blo cks , M y anmar

……………………………………CHENG Ding -sheng , PA N Xiao -hua , L EI Zhen -yu , et al