古龍凹陷青一段泥巖地層壓力預(yù)測(cè)

楊為華

（大慶油田有限責(zé)任公司第五采油廠，黑龍江大慶163513）

泥巖地層孔隙壓力的確定方法多樣，最為準(zhǔn)確且常見的方法即通過試油試井直接測(cè)量地層孔隙壓力，但是由于試油試井段有限，特別是非儲(chǔ)層的泥巖地層孔隙壓力的計(jì)算只能依據(jù)間接的測(cè)井資料和地震資料進(jìn)行預(yù)測(cè)，測(cè)井資料縱向上連續(xù)、數(shù)據(jù)精度高且受人為因素影響小，是估算地層壓力較為理想的方法[1]。目前，確定地層孔隙壓力的測(cè)井方法主要有等效深度法[2]和伊頓法[3]，這2種方法的原理均是基于垂向有效壓力進(jìn)行孔隙壓力預(yù)測(cè)。然而，孔隙彈性理論則表明平均有效壓力控制著孔隙度的演化，所以在地層孔隙壓力的預(yù)測(cè)過程中基于平均有效應(yīng)力，而非垂向有效壓力的經(jīng)驗(yàn)公式來估算地層孔隙壓力[5]。巖石力學(xué)中孔隙度或孔隙比與有效壓力的關(guān)系也可用以表征泥巖的壓實(shí)過程和地層孔隙壓力[6]。根據(jù)以往的資料成果來看，水平壓力會(huì)伴隨著超壓和深度的增加而增大，因此在超壓段平均有效壓力與垂向有效壓力的相關(guān)性較差[4]。

松遼盆地古龍凹陷青一段泥巖層孔隙度較低，其地層壓力數(shù)據(jù)極少，僅依據(jù)現(xiàn)有的測(cè)試數(shù)據(jù)難以完成對(duì)區(qū)域性超壓分布特征的研究。本文擬通過關(guān)聯(lián)古龍凹陷青一段泥巖段孔隙度、垂向有效壓力和平均有效壓力，建立對(duì)應(yīng)的壓力預(yù)測(cè)模型，進(jìn)而開展古龍凹陷青一段泥巖的地層壓力分析，以重新厘定青一段泥巖超壓強(qiáng)度及其平面分布特征，以期進(jìn)一步指導(dǎo)該地區(qū)油氣勘探開發(fā)。

1 地質(zhì)背景

古龍凹陷位于松遼盆地北部中央坳陷區(qū)的西部，呈南北條帶狀分布是一個(gè)長(zhǎng)期發(fā)育的繼承性凹陷，盆地在嫩江末期基本初具雛形，經(jīng)過明水期的調(diào)整以及早第三紀(jì)的沉積，最終形成了如今的構(gòu)造特征。坳陷期青山口組沉積時(shí)期湖侵使湖泊面積突然擴(kuò)大，湖泊范圍至少接近現(xiàn)今盆地邊界，古龍凹陷正處于湖盆中心，水體較深，以濱淺湖和半深—深湖相沉積為主，沉積了厚度相對(duì)較大，可達(dá)280～520m。青一段時(shí)期，湖盆開始進(jìn)入快速沉降階段，主要沉積了一套黑色—綠色泥巖、油頁巖，下部以泥巖為主，夾砂質(zhì)巖，暗色泥巖沉積速率快(0.56～1.04mm/a)[7]。由于青山口組快速沉積，表現(xiàn)出普遍欠壓實(shí)，具有明顯的超壓特征。

通過對(duì)古龍凹陷鉆井地層壓力測(cè)試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，青山口組上下油層均具有超壓特征，其中葡萄花油層超壓分布范圍相對(duì)較廣，高臺(tái)子、扶余和楊大城子油層也有超壓，但是分布較為局限，從超壓點(diǎn)分布區(qū)域來看，高臺(tái)子、扶余和楊大城子油層超壓主要分布于新肇油田、葡西油田及新站油田一帶[8]。相對(duì)于葡萄花、高臺(tái)子、扶余和楊大城子油層來說，青一段泥巖層孔隙度較低，其壓力數(shù)據(jù)極少，所以僅依據(jù)現(xiàn)有的測(cè)試數(shù)據(jù)難以完成對(duì)區(qū)域性超壓分布特征的研究，所以需要在無測(cè)試數(shù)據(jù)區(qū)建立起一套完整的超壓預(yù)測(cè)方法。

2 超壓預(yù)測(cè)模型的建立

目前，對(duì)于泥巖孔隙度的估算主要通過垂向有效壓力進(jìn)行分析，即通過垂向有效壓力計(jì)算流體壓力，即σv被定義為上覆巖層產(chǎn)生的地靜壓力Sv與孔隙流體壓力Pf的差值：

根據(jù)孔隙彈性理論[5]，孔隙度應(yīng)該與平均有效壓力σm相關(guān)，而非垂向有效壓力Sv。所謂的平均有效壓力σm是指平均壓力Sm（即垂向和水平方向壓力的平均值）與地層孔隙壓力Pf的差值：

其中平均壓力Sm表示為：

式中：Sh、SH——水平壓力的最小和最大值。

為了簡(jiǎn)化研究模型，本次研究將泥巖簡(jiǎn)化為未膠結(jié)狀態(tài)，所以壓實(shí)作用可以直接通過孔隙度或孔隙比來描述[9]。

式中：σv——以千帕為單位的垂向有效壓力；

σ100——垂向有效壓力的參考值，以100kPa為單位；

e100——在100kPa垂向有效壓力的前提下的孔隙比；

Cc——壓實(shí)系數(shù)。

沉積物力學(xué)參數(shù)值e100和Cc均取決于巖性特征。

依據(jù)公式（4）的形式，可以進(jìn)一步將平均有效壓力σm替代垂向有效壓力σv，得出類似的經(jīng)驗(yàn)公式，結(jié)合超壓地區(qū)的泥巖孔隙度可以進(jìn)行地層孔隙壓力的估算。

本次研究中估算泥巖地層孔隙壓力最重要的參數(shù)是孔隙度。從正常壓實(shí)曲線上的最小壓力值到破裂壓力（一般略小于靜巖壓力）值之間，對(duì)應(yīng)著一系列可能的地層孔隙壓力值。

通常來說，泥巖的孔隙度的求取主要采用聲波測(cè)井估算而來，即：

式中：Δt——測(cè)得的聲波時(shí)差值；

?sh——青一段對(duì)應(yīng)泥巖層的孔隙度值。

自然伽馬測(cè)井和自然電位測(cè)井可以很好的識(shí)別出泥巖層，然后結(jié)合聲波測(cè)井利用利用公式（6）計(jì)算出每一段泥巖的孔隙度及孔隙比。垂向壓力通?？梢酝ㄟ^密度測(cè)井計(jì)算而來，相對(duì)而言，平均壓力的估算較為困難。為了便于研究，假定2個(gè)水平方向的壓力相同，根據(jù)文獻(xiàn)[10]提供的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式，通過深度和超壓數(shù)據(jù)來計(jì)算水平最小應(yīng)力：

假定地層孔隙壓力等于靜水壓力，即平均靜水壓力可以表示為：

根據(jù)已知的深度、密度測(cè)井和孔隙流體的密度可以計(jì)算出靜水平均有效壓力，再依據(jù)這些地層孔隙壓力被視為靜水壓力的數(shù)據(jù)點(diǎn)，實(shí)際上可以確定每種巖性的正常壓實(shí)曲線。根據(jù)平均有效壓力與孔隙比的最佳擬合直線的斜率和截距，可以得到相應(yīng)的沉積物力學(xué)參數(shù)，然后通過公式（5）來確定每類巖性的正常壓實(shí)曲線。

為了轉(zhuǎn)換平均有效壓力值，可以假定Sh=SH，從而消去公式(3)和(7)中的Sh，得出地層孔隙壓力，詳見公式（9）。

上式中σm可以結(jié)合公式（3）和（5）進(jìn)行預(yù)測(cè)，而靜水壓力Pbyd取決深度和地層流體的平均密度，上覆巖層壓力Sv由地層巖石骨架和孔隙流體總重力而形成，即：

式中：ρw——地層水密度；

hw——深度；

ρo、ho——上部無密度測(cè)井地層段的平均密度及其沉積厚度；

Δh——深度間隔；

l——有密度測(cè)井層段Δh的個(gè)數(shù)；

ρbi——對(duì)應(yīng)深度段Δh的平均密度；

g——重力加速度；

H——目的層位深度。

3 古龍凹陷青一段泥巖超壓分布特征

3.1 古龍凹陷青一段泥巖單井壓力分析

G204井是松遼盆地古龍凹陷薩西鼻狀構(gòu)造上的一口評(píng)價(jià)井，其青一段的埋深為2280～2399m。從該井試油結(jié)果來看，其高臺(tái)子油層和青山口組下伏的扶余油層均具有一定的超壓特征[8]，其中高臺(tái)子壓力系數(shù)為1.12～1.46，扶余油層的壓力系數(shù)相對(duì)較高，達(dá)1.13～1.61。對(duì)于區(qū)域性主要烴源巖的青一段泥巖，由于地層壓力測(cè)試數(shù)據(jù)極少，地層壓力特征主要依據(jù)等效深度法進(jìn)行預(yù)測(cè)研究。

在G204井中，青一段表現(xiàn)為高聲波時(shí)差值、低密度特征，反映出該地層大面積的欠壓實(shí)特征，普遍表現(xiàn)為超壓。對(duì)應(yīng)深度的孔隙度?sh由公式（6）通過聲波時(shí)差測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)計(jì)算得到，在此基礎(chǔ)上通過公式（5）擬合得到對(duì)應(yīng)孔隙比條件下的平均有效壓力值，然后用公式（9）將平均有效壓力值轉(zhuǎn)換為地層孔隙壓力值，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：G204井青一段的地層壓力系數(shù)達(dá)1.42～1.58，具有明顯的超壓特征。對(duì)比青一段泥巖和高臺(tái)子油層、扶余油層壓力發(fā)現(xiàn)，青一段地層壓力最大，達(dá)34～38MPa，其壓力系數(shù)達(dá)1.44～1.62，表現(xiàn)為超高壓特征（圖1和圖2）。其主要原因是在青一段泥巖層中，由快速沉積、不均衡壓實(shí)造成了地層壓力聚集。而扶余油層高滲透單元中的超壓則通過橫縱方向上流體的流動(dòng)得到釋放，使得孔隙壓力降低。

圖1 G204井實(shí)測(cè)聲波時(shí)差值

3.2 古龍凹陷青一段泥巖超壓平面分布特征

通過對(duì)古龍凹陷的20口探井試油試井、密度測(cè)井、聲波時(shí)差測(cè)井等資料，分別估算了各井點(diǎn)青一段泥巖層的地層壓力，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：研究區(qū)內(nèi)青一段泥巖普遍存在超壓特征，并且局部地區(qū)達(dá)到超高壓（壓力系數(shù)＞1.4），其中位于古龍凹陷的腹地的葡西油田和新肇油田一帶壓力系數(shù)平均值在1.4以上，壓力系數(shù)最大值位于葡西油田—新肇油田的低洼地帶的G117-G52附近，最大壓力系數(shù)達(dá)1.74。整體上，超壓由凹陷中心向四周不同速率遞減，向西北他拉哈英臺(tái)地區(qū)和東北方向的高西地區(qū)，地層壓力系數(shù)迅速降低至1.2～1.3，基本接近靜水壓力值；向南部壓力系數(shù)較為穩(wěn)定，最低壓力系數(shù)值達(dá)1.3，表現(xiàn)為低幅超壓特征（圖3）。古龍凹陷青一段泥巖超壓中心分布在葡西和新肇一帶，向東、西兩側(cè)呈較明顯的環(huán)狀分布，古龍凹陷西部呈有明顯的壓力系數(shù)過渡帶，地層壓力由超高壓—高壓—常壓過渡分布，在古龍凹陷的西部地層壓力遞減速度較快。而由古龍凹陷向大慶長(zhǎng)垣過渡，地層壓力衰減不明顯，甚至在整體地層壓力降低的趨勢(shì)中局部出現(xiàn)高壓力異常。古龍凹陷青一段泥巖超壓強(qiáng)度分布特征與生烴強(qiáng)度特征吻合度較高，且超壓分布與高成熟源巖分布有很好的一致性。這也間接說明生烴作用是導(dǎo)致松遼盆地現(xiàn)今超壓泥巖的重要原因。

圖2 G204井各壓力分布特征

4 結(jié)論

（1）本文通過關(guān)聯(lián)地層壓力和平均有效壓力及垂向有效壓力等，建立了對(duì)應(yīng)的泥巖地層壓力預(yù)測(cè)模型，即Pf=3σm+Pbyd-33.2H1.145-Sv，并對(duì)古龍凹陷的G204井開展了單井地層壓力計(jì)算，取得了良好的應(yīng)用效果。

（2）古龍凹陷青一段泥巖普遍存在超壓特征，古龍凹陷青一段泥巖超壓中心分布在葡西和新肇一帶，向東、西兩側(cè)呈較明顯的環(huán)狀分布，在古龍凹陷西部呈有明顯的壓力系數(shù)過渡帶，地層壓力由超高壓—高壓—常壓過渡分布，在古龍凹陷的西部地層壓力遞減速度較快；而由古龍凹陷向大慶長(zhǎng)垣過渡，地層壓力衰減速度不明顯，甚至在整體地層壓力降低的過程中局部呈現(xiàn)出壓力高值。