准噶尔盆地南缘高泉构造三维地质力学建模及深探井风险应用

伊明 黄志强 张景虹 李冰青 许阳阳 张抒夏

1.长江大学石油工程学院；2.中国石油西部钻探工程技术研究院；3.中国石油西部钻探巴州分公司

准噶尔盆地南缘高泉构造是中国石油重点勘探区域。该区域因重点探井高探1井钻至白垩系清水河组油气显示强烈，获日产油1 213 t、产气32.17万m3而实现勘探重大突破。

该区块已钻井及待钻井均钻遇超高压(93 MPa)和高温,在钻井过程中暴露出很多风险，包括卡钻、井漏和接单根气等，钻井液密度窗口窄，易导致严重的井控事故并增加钻井成本。因此，迫切需要建立地质力学模型来预测高泉构造下组合安全密度窗口,从而降低钻井风险并提高钻井效率。

由于储层的非均质性，工程常用的一维地质模型无法为目标井提供准确的孔隙压力、坍塌压力和破裂压力，达不到预期要求，需要建立三维地质力学模型来提高目标井的预测精度［1-4］。

1 钻井风险评估

高探1井取得勘探突破后，新疆油田公司部署了12口井来进一步评价油气资源。高泉构造基本采用四开备五开井身结构，三开241.3 mm技术套管下至白垩系泥岩顶,四开对清水河地层下部侏罗系三工河地层专打(图1)。这些井在钻井过程中出现了一系列复杂事故。

图1 高泉构造地质分层、地层压力预测及井身结构设计Fig.1 Geological stratification,formation pressure prediction and casing program design of Gaoquan structure

在建立地质力学模型并将其用于指导勘探区域的钻井、完井和开发之前，有必要研究该区域井眼稳定性特征，并认真分析和研究该区域的地质力学情况。井队钻井日报的分析主要集中在可能与井壁失稳有关的钻井事项(缩径、卡钻、岩屑堆积、井漏、部分井漏、接立柱气、地层流体侵入等)上［5-7］，这将有助于建立准确的地质力学模型，并用于校准和验证地质力学模型。

当量钻井液密度超过最小主应力时，井壁就会出现失稳，因此，钻井中出现的井漏可帮助验证最小主应力的范围。若当量钻井液密度低于孔隙压力，油藏中的气体和流体便会进入井筒［8］，由此可见，孔隙压力模型可通过地层流体侵入和接单跟气来予以验证。若钻进时出现了卡钻、岩屑堆积、大面积掉块等现象，则意味着钻进时井筒出现了剪切破坏和井壁坍塌［9］。将所有复杂事件发生的井深、时间，以及当时的钻井液密度均绘制在高探1井钻井摘要中(图2)，以便分析和验证地质力学模型。

图2 高探1井钻井摘要Fig.2 Drilling summary of Well Gaotan 1

高探1井的钻井摘要显示了钻进过程中发生的各种类型(如接单根气、缩径、卡钻等)的复杂时间。结合岩性数据、地震数据和岩屑照片，得出以下钻井风险评估结论：(1)第四系地层上部砾岩层可钻性差，独山子组中部以下有许多夹层，该井段循环至井口的砾石大小在3~5 cm，顶驱经常憋停，钻头磨损严重；(2)塔西河组上部为裂缝性地层，出现了严重的井壁坍塌和岩屑堆积，塔西河组和沙湾组下部地层石膏含量高，可钻性差，容易导致缩径和卡钻，紫泥泉子组穿过裂缝和断层带，具有很强的水敏性和很高的井壁坍塌风险；(3)清水河组夹杂着砂岩和泥岩，在相同的裸眼段下同时存在不同深度的高、低孔隙压力，低孔隙压力地层中存在钻井液渗漏的风险，在高孔隙压力下存在接立柱气和地层流体侵入的风险。该区块最大的挑战是如何在窄密度窗口中控制钻井安全。为了降低钻井风险，需对超高压力的起源和分步有一定的了解，为后续精准三维地质力学预测打下基础。

2 地质力学模型建立

三维地质力学模型是三维空间中储层非均质性的准确表示，三维地质力学模型的属性与一维地质力学模型相同［10］。一个完整的一维地质力学模型包含6部分：孔隙压力、上覆岩层压力、最小水平主应力(Shmin)、最大水平主应力(SHmax)、最大水平主应力方向和岩石力学性质。岩石力学性质包括岩石的多种属性，例如单轴抗压强度(UCS orC0)、内摩擦系数(μ)、弹性模量(E)、泊松比(ν)和毕奥特系数(α)。所有的模型属性对于井壁稳定性都很重要。地质力学模型的属性不是独立的而是相互影响的，如果钻井工程师选择了不合理的钻井液密度，则会发生相关的井壁失稳问题，包括井壁坍塌、井漏和地层流体侵入等［11-12］。

在钻井过程中低密度的钻井液替代了所钻的岩石，因此原始应力场受到干扰，应力集中在井眼周围。在直井中，井筒周围的周向压应力在Shmin方向上最大，如果周向压应力超过地层的岩石强度，则在Shmin方向上会发生剪切破坏，岩石会从井壁中崩落，井眼会形成一个椭圆形的横截面，椭圆的长轴平行于直井中的Shmin方向。连续的井壁坍塌将在井筒两侧沿Shmin方向形成对称的垂直特征［13］。

此外，在垂直于井壁坍塌且平行于SHmax的方向上，当周向应力小于或等于0时，将发生钻井诱导张性缝(DITF)。拉伸裂缝的形成是由井眼周围的局部应力集中所致，如果钻井液密度或环空当量钻井液密度(ECD)大于最小主应力，它将从井眼向外延伸并造成井漏［14］。

2.1 三维地质力学模型建模流程

三维地质力学建模的目的是建立能够显示地质力学特性的三维空间分布特征的数字模型。由于结构模型深度的变化和储层的非均质性，直接用深度尺度法从一维模型生成的三维地质力学模型的精度往往低于预期。为了生成高精度和高分辨率的三维地质力学模型，结合所有邻井可用数据，包括裸眼测井数据、岩心地质力学测试实验、地漏测试、孔隙压力测试和钻井日志等，构建由岩石强度特性和应力分布组成的一维地质力学模型。与此同时，基于地质统计学和先进的模拟技术，使用现场可用的一维地质模型来生成三维地质力学模型，并以地震解释数据为分布控制方法在整个油田中进行分布，建模流程如图3所示。

图3 三维地质模型建模流程Fig.3 Modeling process of three-dimensional geological model

为了减少由于异常地层压力，井壁坍塌和其他井下复杂而导致的严重井眼不稳定性，三维地质模型建模流程通过使用多种技术和服务来提供集成解决方案。实践证明，三维地质模型建模流程在支撑高温高压井的钻探方面取得了较佳的成绩。

结合一维地质力学模型和三维结构模型，使用有效应力比(ESR)方法进行建模来预测三维地层空间中的性质。使用测井数据从经验方程对岩石力学模块进行估算，并用岩心实验数据进行校准。在实验室中测得的UCS、弹性模数和泊松比与从测井得出的数值相匹配。孔隙压力是根据测井曲线(声波时差、密度和电阻率)、地层流体侵入和接立柱气的观测值估算的。通过在成像测井中观察到的井眼坍塌和钻井诱导张性缝来预测水平主应力的方向。Shmin有效应力比用Minifrac和XLOT校准，SHmax有效应力比用井眼破坏的观测值校准。

2.2 模型校准参数的计算

使用不同的数据源对地质力学模型进行校准。表1汇总了用于校准各个地质力学参数的数据。在建立地质力学模型的过程中，以下所列出的数据源并非全都需要，但是可用的数据越多，模型的精确度就越高。

表1 校准地质力学参数的数据源Table 1 Data source of calibration geomechanical parameters

2.2.1 垂直应力(上覆岩层压力)

地表下任意一点的垂直应力都是由该点之上的岩石柱重力引起的。深度z处的上覆应力(Sv)通过使用公式(1)对点(z)上方的重量进行积分来计算，涵盖了从地表到深度z的所有范围。

式中，Sv为垂直应力/上覆岩层压力；ρ(z)为岩石体积密度；g为重力加速度；z为深度；dw表示地表。

该公式涵盖了从地表到深度z的所有范围。分析的关键是使用可靠的密度曲线。校准过的近地表密度信息、密度测井曲线以及声波时差计算的伪密度(利用Gardner或Bellotti关系)都可以用来作为密度项来估算上覆岩层压力。

上覆岩层压力的计算需要从地面到完钻井深连续的岩石密度曲线，但是在高探1井中密度曲线仅有500 m及以下的部分。为了表示缺失井段的密度测井数据，使用指数拟合进行合成。近地表附近的密度曲线拟合为2.5 g/cm3，这与近地表的密度测量结果一致，也与邻井相同深度井段的测井曲线一致。高探1井的上覆岩层压力计算结果如图4所示。为了提高预测效果，实测密度曲线(实际密度曲线受经验条件影响)计算上覆岩层压力。高探1井清水河组的上覆岩层压力在2.45~2.47 g/cm3。

图4 高探1井上覆岩层压力计算Fig.4 Calculated overburden pressure in Well Gaotan 1

2.2.2 孔隙压力分析

孔隙压力(pp)是地质力学模型的重要元素，并且在整个区域的应力变化中起着重要作用。孔隙压力也直接影响钻井作业。一维孔隙压力建模的典型工作流程始于使用邻井钻后孔隙压力的测算值，尤其是直接压力测量值。该建模过程需要对所有邻井数据进行详细的评估和校准，包括测井数据、测得的地层压力和钻井日志。根据需要，将进行必要的数据质量控制并进行更正。另外，重点放在了解普遍的地质环境上。了解各种地质参数对超高压力产生的影响不仅对孔隙压力(pp)的分析至关重要，而且对整体地质力学模型也起着关键作用。高探1井清水河组的孔隙压力为2.21~2.28 g/cm3，图5显示了高探1井的孔隙压力预测。

2.2.3 计算最小水平主应力S hmin

目前国内外有多种计算最小水平主应力的方法，包括基于测井曲线的方法、直接测量法、扩张泄漏测试XLOT法等。现场应用效果最好的当属是扩张泄漏测试XLOT法。通过适当的扩展渗漏测试和微型压裂测试，可测量产生和传播水力诱发的裂缝所需的流体压力，以及这些新产生的裂缝的闭合压力。在关井期间监控压力扩散随时间的变化后，解释裂缝的闭合压力。裂缝的闭合压力可抵消垂直于裂缝平面的岩石中的应力，因此，可以认为该压力等于或等于Shmin大小的下限。根据定义，瞬时停泵压力是立即停泵后水力压裂中的压力。根据处理和岩石类型的不同，该压力可能会比闭合压力高出0.04~0.4 MPa。瞬时停泵压力通常大于闭合应力，可以认为是Shmin值的上限。如果关闭时间太短而无法解释瞬时停泵压力和裂缝的闭合压力，则裂缝扩展压力也可以用作Shmin的上限。地层破裂和压裂起始压力可能会受到井眼周围应力集中的强烈影响，尤其是在斜井中。

图5 高探1井孔隙压力预测Fig.5 Predicted pore pressure in Well Gaotan 1

在产生裂缝之前，许多井下压力测试都已终止。这种测试是地层完整性或极限测试。这些测试不能用于提供有关Shmin的信息。随钻压力数据也可以用于约束最小主应力梯度。井漏时钻井液的当量循环密度可提供Shmin的估计值。一旦裂缝张启，只需在几个深度处测试Shmin的大小，就可以将其用作推断所有井段的Shmin大小。在这项研究中，已使用2种方法来估算整个井深范围的Shmin曲线，其中，有效应力比值法的应用最为广泛，其定义如式(2)所示

式中，E为弹性模量；pp为孔隙压力；S为面积；R为半径。

2.2.4 计算最大水平主应力S Hmax

完全构建地质力学模型所需的其余参数是SHmax的大小，这是最难计算的应力参数。计算SHmax通过2种方法(有效应力比值法和应力多边形的SHmax方法)在与成像测井和井径测井中的井眼破坏观察结果一致的应力条件下进行建模。有效应力比值法类似于用于定义SHmax的方法，其定义如公式(2)所示。SHmax的确定需要使用孔隙压力、上覆岩层压力、最小主应力、内摩擦系数、滑动摩擦系数、毕奥特系数、泊松比和在观察到的破裂深度处的钻井液密度

2.3 三维结构模型

在地层精细划分和微观结构研究的基础上，三维结构建模将地震数据与7口井的分层数据相结合。研究区域的三维地质力学建模面积为900 km2，包括12个结构地层模型、24个断层模型和9个地质力学特性，总模型网格超过1 150万。图6为研究区的3D结构建模，仅展示出了部分井位、断层和构造信息。

图6 研究区域的三维构造模型Fig.6 Three-dimensional structural model of the study area

2.3.1 三维地质力学模型

三维地质力学模型针对三维空间中的属性进行定量表征，将三维结构模型网格化并计算每个网格的值，以显示地质力学各向异性的变化。因此，基于钻井数据的地质力学建模技术的关键是如何根据已知的控制点数据对数据点之间和之外的地层特征进行内插和外推。

根据不同地质力学性质的分布特征和地质统计学分析，为三维地质力学建模选择合适的理论模型。因此，已为该方法建立了10个地质力学特性模型，包括垂直应力、最大水平主应力和最小水平主应力、孔隙压力、上覆岩层压力、单轴抗压强度(UCS或C0)、内摩擦系数、弹性模量、泊松比和毕奥特系数。从图7~图9展示了部分三维地质力学模型。

图7 研究区域的三维单轴抗压强度模型Fig.7 Three-dimensional uniaxial compression strength model of the study area

图8 研究区域三维孔隙压力模型Fig.8 Three-dimensional pore pressure model of the study area

图9 研究区域三维S Hmin模型Fig.9 Three-dimensional S Hmin model of the study area

3 现场应用

精确的三维地质力学模型可用于在钻井之前指导和优化目标井(高泉5井)的钻井设计。研究人员通过三维模型预测井眼周围的孔隙压力、坍塌压力和破裂压力。基于高泉5井的三维地质力学模型，四开以最大地层压力为目标选取密度为2.35 g/cm3油基钻井液，套管下至吐谷鲁群顶以有效封隔高低压层，实现了钻井过程中的井眼稳定性。

2020年3月26日，高泉5井成功完钻，该井的总深度为7 200 m。与高101、高102井相比，机械钻速提高了35.3%；非生产时间减少了25.3%。

4 结论

(1)为了生成高精度和高分辨率的三维地质力学模型，结合所有邻井可用数据，包括裸眼测井数据、岩心地质力学测试实验、地漏测试、孔隙压力测试和钻井日志等，构建了由岩石强度特性和应力分布组成的一维地质力学模型。与此同时，基于地质统计学和先进的模拟技术，使用现场可用的一维地质模型来生成三维地质力学模型，并以地震解释数据为分布控制方法在整个油田中进行分布。

(2)以三维地质力学模型为基础，可以减少超深井因异常地层压力、井壁坍塌和其他复杂钻井问题引起的井眼不稳定问题。

(3)将三维地质力学模型用于实钻，与邻井相比，因复杂导致的非生产时间降低了25.3%。该方法为在南缘高泉构造钻探深探井钻井液密度优化、风险评估和高温高压井安全评估提供了便利的手段,为降低钻井风险和改善钻井情况提供了指导。