地層孔隙壓力預(yù)測方法研究

陳新，丁富峰，尹國慶

1.西安石油大學(xué)石油工程學(xué)院（陜西西安710065）

2.中國石油集團(tuán)東方地球物理公司研究院（新疆庫爾勒841000）

3.中國石油塔里木油田分公司勘探開發(fā)研究院（新疆庫爾勒841000）

地層孔隙壓力預(yù)測方法研究

陳新1，2，丁富峰2，尹國慶3

1.西安石油大學(xué)石油工程學(xué)院（陜西西安710065）

2.中國石油集團(tuán)東方地球物理公司研究院（新疆庫爾勒841000）

3.中國石油塔里木油田分公司勘探開發(fā)研究院（新疆庫爾勒841000）

綜述了地層孔隙壓力預(yù)測方法原理，并對目前存在的地層孔隙壓力計算模型進(jìn)行分析，優(yōu)選出聲波速度壓實趨勢線，采用儲層壓實法和非儲層埋深法2種方法相結(jié)合，對研究區(qū)塊進(jìn)行地層壓力的鉆前預(yù)測，并將預(yù)測結(jié)果與實際測量孔隙壓力進(jìn)行誤差分析，整體誤差小于5%，該預(yù)測結(jié)果可直接用于鉆井液密度的設(shè)計。

地層孔隙壓力預(yù)測；聲波速度；儲層壓實法；非儲層埋深法

近年來隨著世界油氣勘探的不斷發(fā)展，發(fā)現(xiàn)的異常壓力帶越來越多，特別是異常高壓帶出現(xiàn)的頻率更高［1-2］。估算或預(yù)測地層壓力，特別是超壓地層的壓力預(yù)測，對于油氣勘探開發(fā)各個環(huán)節(jié)都具有非常重要的影響：在勘探階段地層壓力場的預(yù)測有助于評價蓋層的有效性，描述油氣運移路徑，有利于分析圈閉的幾何形狀并為盆地模擬提供校正；準(zhǔn)確的地層壓力預(yù)測有助于安全、經(jīng)濟(jì)鉆探［3-4］；開發(fā)階段，地層壓力場預(yù)測結(jié)果有助于確定儲層的驅(qū)動和連通情況。

地層壓力就是地層孔隙或裂縫中流體（油、氣、水）所具有的壓力。地層在沉積壓實的過程中，如果儲層縱橫向連通性較好，孔隙中的流體隨上覆層壓力的增加能夠得到正常的排出，那么流體壓力直接受靜水柱壓力的控制，這種情況下的孔隙流體壓力被認(rèn)為是正常壓力。如果儲層為有限分布方式，如河道沙、透鏡體等，儲層被非儲層所包裹，在壓實的過程中，儲層中的孔隙流體不能通過非儲層進(jìn)行順利排出，儲層中的流體壓力就將隨上覆層壓力增加而逐漸升高，形成通常所說的“超壓”，即大于同深度的靜水柱壓力［5］。

實際地層中的黏土礦物隨沉積物不斷被埋深、壓實，其伴生水一部分被擠出黏土沉積層，若孔隙空間的水不能被及時排出，水將被封閉在地層內(nèi)，當(dāng)埋深增加時，該黏土層也不會發(fā)生進(jìn)一步的壓實，而把增大的壓應(yīng)力傳遞給孔隙水，使隔絕的儲集層中的孔隙壓力隨著埋深而增加，即產(chǎn)生超壓地層［6-7］。

涉及到孔隙壓力中包含有幾個基本概念：①靜液壓力：由液柱重力產(chǎn)生的壓力；②壓力梯度：單位深度增加的壓力值；③地層孔隙壓力：是指地層孔隙中流體（油、氣、水）所具有的壓力，簡稱孔隙壓力；④地層壓力系數(shù)：表示的是該儲層流體壓力（即地層壓力）與該處靜水柱壓力的比值；⑤上覆層壓力：有地層自重所產(chǎn)生的壓力，根據(jù)密度計算。

建立正常的趨勢線方程是進(jìn)行地層壓力預(yù)測的基礎(chǔ)之一［8-9］，它是壓力預(yù)測基準(zhǔn)線，趨勢線也可以認(rèn)為是正常壓力基準(zhǔn)線，在不同的井段也會有不同趨勢線方程。

排除巖性等環(huán)境因素的影響，理論上地層孔隙度的變化（電阻率為同樣機(jī)理）與流體壓力的變化有一定的內(nèi)在聯(lián)系。正常條件下，孔隙度與埋深呈指數(shù)關(guān)系，如果偏離了這種關(guān)系就可以認(rèn)為存在流體壓力發(fā)生異常變化的因素，可以看出隨深度變化，部分曲線偏離了趨勢線。

忽略非壓實等影響因素，就可以認(rèn)為偏離的部分是孔隙流體壓力異常造成，由圖1可以看到中上部地層的DT具有明顯趨勢分布特征，而底部出現(xiàn)明顯偏離，這種偏離就指示可能存在超壓現(xiàn)象。

圖1 曲線隨深度變化特征

通常趨勢線方程式：

一般用f=data/data nor來衡量壓實程度。式中：A0、a為趨勢線常數(shù)；Tvd是垂直深度，m；data nor為正常趨勢線數(shù)值；data則是實際測井曲線數(shù)值。

當(dāng)井的預(yù)測趨勢線建立起來后，就可以進(jìn)行預(yù)測方法的選擇，進(jìn)而得到初步的預(yù)測結(jié)果。

1 孔隙壓力評價方法模型

壓力預(yù)測的方法模型有很多種，根據(jù)不同的成因也有一定的演化，但實用的方法包括儲層壓實法、非儲層埋深法以及Eaton's法，這幾種方法在預(yù)測技術(shù)的發(fā)展過程中，通過國內(nèi)外大量實踐證明是比較成型和穩(wěn)定的。其基本原理分述如下：

1.1 儲層壓實法

由儲層壓實情況來預(yù)測流體壓力的變化特征，采用如下關(guān)系式：

式中：Pvd為上覆層壓力，g/cm2；Pnor為正常流體壓力，g/cm2；Pf為預(yù)測孔隙壓力，g/cm2。

儲層壓實法是以儲層為預(yù)測目標(biāo)。因此，在預(yù)測中要盡可能排除非儲層的影響因素，達(dá)到以儲層為目標(biāo)的預(yù)測目的。理想應(yīng)用條件是在縱向上儲層分布較多，且物性特征比較接近，這種方法在海灣地區(qū)使用較多。

1.2 非儲層埋深法

此種方法是國內(nèi)最常見的使用方法之一。隨埋藏深度的增加，非儲層中孔隙流體被逐漸排除，壓實程度越來越接近理想狀態(tài)，如在某一層段存在流體不能順利排除現(xiàn)象即可產(chǎn)生如上所說的壓力異常（超壓）狀態(tài)，在預(yù)測上與前一種略有不同（思路相同），如果非儲層段臨近儲層段就認(rèn)為儲層段也存在同樣的壓力異常。

在圖2中，A到B的層段內(nèi)，聲波分布趨勢偏離正常壓實趨勢，說明有超壓地層存在。

圖2 等效深度發(fā)壓力預(yù)測

由（1）式按趨勢線計算預(yù)測點B的等效深度：

等效顆粒支撐力σB：

Pvd=Pfb+σB

一般認(rèn)為由于孔隙壓力在B點的增加使σB比正常壓實狀態(tài)要低，其等效壓力為：

σB=σA（σA為正常壓實線上的等效點）

則預(yù)測點B的孔隙流體壓力梯度為：

1.3 Eaton's法

建立正常壓力趨勢線方程：

data nor=Ao×e（-a）·Tvd/100000

（通過選4組數(shù)據(jù)：深度-DT，獲得A0，a），然后得到趨勢線方程）。

式中：DT為聲波時差測量數(shù)據(jù)；data nor為正常壓實趨勢計算數(shù)據(jù)；Pnor為正?？紫读黧w壓力梯度，MPa；expn為經(jīng)驗指數(shù)（1.5）；Tvd為垂直深度，m；δz為上覆層壓力，MPa；PPR為孔隙壓力，MPa。

Eaton's法與儲層壓實法比較近似，兩者可以獲得基本接近的結(jié)果，國外壓力預(yù)測對Eaton's法的評價較高［10］。

圖3 地層三壓力評價對比圖

圖4 孔隙壓力刻度圖

2 孔隙壓力評價方法優(yōu)化

就儲層和非儲層在聲波上的區(qū)分而言，有時兩者的界限并不嚴(yán)格。

預(yù)測過程不僅采用了聲波法的2種預(yù)測技術(shù)，也進(jìn)行RT法的嘗試。2種方案給出的結(jié)果接近正常趨勢線的數(shù)據(jù)點占絕大部分，但預(yù)測曲線的擺動幅度存在差別。對應(yīng)的電阻率法，整體上接近趨勢線的數(shù)據(jù)點較少，且出現(xiàn)更多的低于零的資料點，這也說明電阻率法受巖性的影響非常大。

聲波（DT）和電阻率（RT）兩種技術(shù)比較，聲波法相對比較合理。因此壓力預(yù)測選擇以聲波法為主，在聲波法中側(cè)重使用儲層壓實法、非儲層埋深法的組合預(yù)測，在無聲波資料的層段由電阻率法提供補(bǔ)償。

表1 預(yù)測壓力與測試壓力對比表

3 孔隙壓力評價實例

對壓力變化的影響，除埋深、壓實等與沉積相關(guān)的因素以外，還有不可忽視的構(gòu)造因素。一般情況，構(gòu)造變化對壓力的影響不容易在資料上反映出來。

當(dāng)孔隙壓力保持不變而構(gòu)造明顯抬升時，實際中的壓實趨勢特征可能無變化，超壓特征卻會更明顯，但資料上的顯示很可能無任何跡象。

圖3中孔隙壓力系數(shù)一列為濾波后得到的壓力預(yù)測曲線結(jié)果，通過與鉆井實測的地層壓力梯度值對比認(rèn)為預(yù)測結(jié)果是較為吻合的，曲線上5個黑色方形為實測壓力深度梯度。測試資料的應(yīng)用可以較好地解決上述問題。在構(gòu)造明顯變化區(qū)，可以尋找到一定的刻度關(guān)系，進(jìn)而刻度調(diào)整預(yù)測壓力線使得結(jié)果更為合理。如圖4是3口井在刻度前后的對比，可以看到在對比前后發(fā)生了一定的變化。通過這樣的刻度結(jié)果可以得到結(jié)論，在計算地層孔隙壓力時選擇的模型及結(jié)果是可靠的。

對測試資料的使用也要進(jìn)行仔細(xì)鑒別。鑒別發(fā)現(xiàn)在本次處理中發(fā)現(xiàn)有些測試數(shù)據(jù)明顯偏高（表1、表2）。

由MDT/RFT提供的測試結(jié)果（表2），按層平均后進(jìn)行對比，單層多個測量點的壓力梯度結(jié)果基本一致，誤差小于5%，該預(yù)測結(jié)果能夠用于鉆井液密度的設(shè)計。

4 結(jié)論

在獲得準(zhǔn)確的地層聲波速度信息后，綜合利用儲層壓實法和非儲層埋深法對地層孔隙壓力進(jìn)行預(yù)測，能夠得到十分準(zhǔn)確的預(yù)測結(jié)果，可以直接用于指導(dǎo)鉆井液密度的設(shè)計，確保復(fù)雜區(qū)塊的鉆井順利進(jìn)行，為后期勘探開發(fā)提供井筒條件保障。

表2 測試壓力與預(yù)測壓力對比表

［1］樊洪海，張傳進(jìn).復(fù)雜地層地層孔隙壓力求取新技術(shù)［J］.石油鉆探技術(shù)，2005，33（5）：40-43.

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［5］申波，張超謨，毛志強(qiáng).基于構(gòu)造超壓的地層壓力預(yù)測方法研究［J］.應(yīng)用地球物理，2007，30（6）：428-432.

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［7］史浩，周東紅.基于有效應(yīng)力的地層壓力預(yù)測在渤海BZ1區(qū)的應(yīng)用［J］.石油地質(zhì)與工程，2014，28（2）：113-116.

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The principle of formation pore pressure prediction methods is summarized，and the calculation models of pore pressure are analyzed.The acoustic velocity compaction trend line is obtained by combining the reservoir compaction method with the non-reservoir buried depth method to predict the formation pressure of the study area before drilling.The error between the predicted results and the actual measurement results of pore pressure is analyzed，and the overall error is less than 5%.The formation pore pressure predicted us?ing this method can be directly used for the density design of drilling fluid.

formation pore pressure prediction；sound wave velocity；reservoir compaction method；non-reservoir buried depth method

尉立崗

2016-06-30

陳新（1982-），男，工程師，主要從事油氣田開發(fā)研究工作。