尹国庆 张 辉 袁 芳 李 超 王军伟 王学东

1.中国石油塔里木油田分公司勘探开发研究院 （新疆 库尔勒 841000）

2.中国石油塔里木油田分公司天然气事业部 （新疆 库尔勒 841000）

3.中国石油塔里木油田分公司生产运行处 （新疆 库尔勒 841000）

三压力定向井作为一种特殊的钻井技术，在储层钻遇率、增大泄油面积、提高采收率和单井产量等方面具有独特的优势。然而由于塔里木盆地石油地质条件复杂，定向井钻井过程中的井壁稳定性问题异常复杂，井壁失稳不仅导致巨大经济损失而且延误勘探开发进程。与直井相比，定向井由于受井斜角、井斜方位变化及地应力状态的影响，其井壁稳定性分析更加复杂。一些学者从井周应力分布、地应力状态影响等方面分析定向井井壁稳定性，并建立定向井稳定性钻后评价的方法及模型[1-3]。对于井壁稳定性的钻前预测，大多是针对直井开展研究，主要利用较为成熟的测井地震波阻抗反演，反演得到相应地层岩石物理数据进而预测未开钻井的井壁稳定性。而对于定向井稳定性的钻前预测，目前研究成果甚少。从井壁稳定的力学机理出发，分析定向井井周应力分布规律，并得到定向井井壁稳定力学模型。然后利用地震、测井联合的反演技术，反演得到研究工区内三维地层波阻抗数据体，并沿定向井井轨迹构建纵波、横波、密度等岩石物理信息，为定向井预测钻前地层三压力剖面，确定安全钻井液密度窗口[4]。这一方法在塔里木盆地台盆和山前区带的应用效果较好，为钻井设计提供参考依据，指导安全、高效、低成本的钻井。

1 三压力预测原理

1.1 定向井地层三压力钻前预测原理

定向井三压力钻前预测流程如图1所示。首先井震联合反演得到工区内阻抗数据体；然后在已钻井测井数据和工程数据刻度下建立区域岩石物理和地质力学关系，结合设计井身轨迹，提取出沿井眼轨迹变化的纵波阻抗体数据；再开展沿轨迹井周应力分析和压力状态分析；最终得到定向井的钻前三压力预测剖面。

1.2 地震反演基本原理

地震反演方法是采用约束稀疏脉冲反演[5,6]，主要是用地震道的振幅产生阻抗模型，采用一个快速的趋势约束脉冲反演算法。用地震解释层位和测井约束控制波阻抗的趋势和幅值范围，脉冲算法产生宽带结果，恢复缺失的部分低频和高频成分，其基本数学模型如下：

图1 定向井三压力钻前预测流程

其中：W（t）—地震子波；r（t）—反射系数；n（t）—噪声；S（t）—宽带结果。

反演可以看成是已知地震道估算反射系数的过程，而反射系数与地层的声阻抗是密切相关的。

其中：I(j)=ρ（j）v（j）；I(j)为纵波阻抗；ρ（j）为地层密度；v（j）为地层速度。

约束脉冲稀疏反演结果最大限度的忠实于地震资料，反演结果唯一性较好，可以得到合理的波阻抗结果。利用上述反演得到波阻抗数据体，结合地震测井资料建立的岩石物理关系，从阻抗体数据中剥离出速度、密度等数据，用来预测地层三压力数据。

2 定向井地层应力、三压力计算方法

2.1 地应力状态分析

对于定向井，影响井壁稳定性的力学因素，主要是地层应力状态和孔隙压力在纵横向上的变化，应用3种方法分析地应力方位、应力状态以及地应力各向异性的强弱[7-12]。第1种是偶极横波法，对横波各项异性的处理得到地层主应力的方位；第2种是电阻率成像的诱导裂缝法，一般认为诱导缝的走向即为最大水平主应力的方向；第3种是井壁垮塌法，对井壁垮塌成像及多井径差异分析即可得到最大主应力方向。在准确分析地应力方位、状态以及各向异性强弱后，根据对本区邻井实钻资料的研究，采用组合弹簧模型计算地应力。其表达式如下：

式中，SH、Sh、SV分别为水平最大、 最小应力、垂向应力；v-泊松比；α-biot系数；E-杨氏模量；PP-孔隙压力；β1、β2分别为最小、最大水平主应力方向的应变。

2.2 孔隙压力计算

孔隙压力是指地层孔隙中流体所具有的压力。针对沿定向井轨迹的地层孔隙压力，应用Eaton（1975年）法，利用反演后沿轨迹提取的地震层速度进行预测。基本公式如下：

式中，P0-静岩压力；Ph-正常的静水压力；Vn-正常趋势线的泥岩层速度；V0-实测的层速度；n-Eaton指数。

利用上述公式求得沿轨迹变化的压力异常曲线，如钻遇压力异常互层，则压力随地层情况变化；钻遇同一压力区带，则压力保持不变。

2.3 坍塌压力分析

对于坍塌压力，首先沿井眼轨迹分析在特定应力状态下的井周受力情况，然后结合岩石强度分析结果，利用库仑摩尔强度判别准则判断井壁稳定与否，得到满足安全钻进的坍塌压力。从力学角度讲，造成井壁坍塌的主要原因是井内液柱压力较低，使得井壁周围岩石所受应力超过岩石强度本身的强度而产生剪切破坏所致。对于脆性地层会产生坍塌掉块、井径扩大；对于塑性地层则向井眼内产生塑性形变，造成缩径，因此井壁坍塌与否与井壁围岩的应力状态、围岩强度、钻井液使用等都有密切关系。坍塌压力计算公式为：

2.4 破裂压力分析

井壁地层张性破裂是由于井内泥浆密度过大，使井壁岩石所受的应力超过岩石抗拉强度造成的。可知当时井壁周向应力最小，当泥浆柱压力过大时，井壁首先在此处破裂。利用最大拉应力理论得到井壁张性破裂计算模型。其破裂压力为：

其中，UTI为岩石抗拉强度。

对于裂缝性地层，当钻井液柱压力过大时，裂缝重新张开，此时克服最小水平主应力，因此闭合压力即与最小水平主应力相当。

3 应用实例

利用上述方法，为塔里木盆地山前复杂高陡构造一口开发水平井提供钻前地层三压力预测。分析认为研究工区应力状态为SV≥SH＞Sh，水平最大主应力方位为北西向，本区斜井或水平井轨迹沿最小水平主应力方位钻进，相对最稳定，结合气藏构造特点设计该水平井的井眼轨迹（图2）。井眼方位为西南方向 258°；造斜点为4 644m；A点为 5 431m；最大井斜85.7°；水平位移1 489m。造斜点以下为古近系和白垩系地层，其中白垩系为主要目的层。古近系主要岩性为库姆格列木群泥岩段（E1-2km1）、膏盐岩段（E1-2km2）、膏泥岩段（E1-2km4），白云岩段（E1-2km3）可能相变为泥灰岩或者泥质云岩，白垩系巴什基奇克（K1bs）地层为高压裂缝性砂岩气藏，整个井段纵向岩性变化复杂，钻前三压力预测难度较大。

图2 某水平井井眼轨迹

根据设计轨迹，井震联合反演得到三维工区波阻抗数据体，并沿井轨迹提取阻抗数据，利用相关模型，预测该井沿井眼轨迹的钻前三压力数据。

图3为该井斜井和水平井段地层三压力预测结果，可知该井造斜点以下地层压力变化复杂，存在多套压力系统，孔隙压力梯度E2-3s地层为1.5MPa/100m，逐步升高至膏盐岩段，最高达1.82MPa/100m。白垩系地层（K1bs1～K1bs3）有所降低，为1.60～1.75 MPa/100m；造斜点以下地层坍塌压力梯度在1.6～1.9MPa/100m，闭合压力梯度为2.0MPa/100m左右，破裂压力梯度为2.3～2.4MPa/100m。根据以往实钻经验可知，本区地层漏失多为裂缝重张开性漏失，真正压裂地层情况较少，因此E2-3s层段安全压力窗口为1.6～2.0MPa/100m，E1-2km1层段安全压力窗口为1.8～2.05MPa/100m；E1-2km2层段安全压力窗口为 1.9～2.05MPa/100m；E1-2km3～E1-2km4 层段安全压力窗口为1.65～2.0MPa/100m；K1bs1层段安全压力窗口为1.7～2.0MPa/100m；K1bs2层段安全压力窗口为1.83～2.05MPa/100m；K1bs3层段安全压力窗口为1.7～2.0MPa/100m。

图3 Xx井造斜点以下地层三压力预测剖面

4 结论

针对塔里木盆地山前复杂高陡构造定向井的3压力钻前预测，建立以一套井震联合反演为核心、沿井眼轨迹开展定向井三压力的预测方法。该方法在塔里木盆地复杂山前高陡构造定向井钻前3压力预测中充分应用，为钻井工程提供较为准确的安全钻进泥浆窗口，为山前复杂井的安全、顺利钻进提供科学的参考依据。

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