火山巖地層孔隙壓力測井預(yù)測方法研究

劉之的，湯小燕

（1.西安石油大學(xué)油氣資源學(xué)院，陜西西安710065；2.西安科技大學(xué)地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，陜西西安710054）

火山巖地層孔隙壓力測井預(yù)測方法研究

劉之的1，湯小燕2

（1.西安石油大學(xué)油氣資源學(xué)院，陜西西安710065；2.西安科技大學(xué)地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，陜西西安710054）

針對火山巖地層孔隙壓力預(yù)測相對較難，充分考慮到火山巖剖面的地層特性，在巖石力學(xué)參數(shù)室內(nèi)測試分析的基礎(chǔ)上提出了利用有效應(yīng)力法預(yù)測地層壓力的方法；討論了模型中利用巖石泊松比室內(nèi)測試數(shù)據(jù)刻度測井資料計(jì)算的泊松比計(jì)算巖石有效應(yīng)力，進(jìn)而預(yù)測地層孔隙壓力。建立的整套方法模型對準(zhǔn)噶爾盆地×1井等井的火山巖井段進(jìn)行了地層壓力測井預(yù)測處理，給出了合理的地層壓力剖面與泥漿密度，計(jì)算出不同井深與不同層位的地層壓力。基于火山巖巖性復(fù)雜，不同巖性的泊松比變化較大，應(yīng)分巖性建立地層孔隙壓力預(yù)測模型，對具體模型進(jìn)行檢驗(yàn)修正，以逐步解決火山巖地層孔隙壓力預(yù)測的難題。與實(shí)測地層壓力對比表明，該方法從測井信息中提取火山巖地層壓力是可靠的，且精度較高、實(shí)用性較強(qiáng)，能夠用于火山巖地層地層壓力剖面的建立和鉆井液密度的設(shè)計(jì)。

測井資料；火山巖；有效應(yīng)力；地層壓力；泊松比

0 引 言

直接從測井信息中準(zhǔn)確提取地層壓力一直得到人們的高度重視［1－3］。用測井資料估算砂泥巖剖面地層壓力的技術(shù)較為成熟［4－6］。火山巖剖面中泥頁巖層少，很難找到純泥頁巖層構(gòu)建正常壓實(shí)趨勢方程，等效深度法已失去意義。本文充分利用測井資料，基于有效應(yīng)力定理，利用巖石泊松比室內(nèi)測試數(shù)據(jù)刻度測井資料計(jì)算的巖石泊松比，進(jìn)而計(jì)算巖石有效應(yīng)力和地層孔隙壓力，并探討模型中所涉及的巖石力學(xué)參數(shù)的測井求法。將所建立的一整套方法模型應(yīng)用到準(zhǔn)噶爾盆地×1井等井的地層壓力測井解釋處理中，給出了合理的地層壓力剖面與泥漿密度，取得了良好的應(yīng)用效果。

1 地層孔隙壓力預(yù)測原理

從力學(xué)角度，沉積壓實(shí)的原動(dòng)力來源于上覆巖層的壓力，但又受孔隙壓力的影響。Terzaghi經(jīng)過多年對飽和多孔介質(zhì)力學(xué)特性的研究，考慮2種力的綜合影響提出了有效應(yīng)力定理［2－4］。

式中，σ為巖石的有效應(yīng)力，MPa；p0為上覆巖層壓力，MPa；pφ為地層孔隙壓力，MPa。

由Terzaghi有效應(yīng)力定理可知，若已知某地層的上覆巖層壓力和有效應(yīng)力，則可以求出地層孔隙壓力。上覆巖層壓力可以通過已鉆井的密度測井資料等求得。因此，只要設(shè)法求出有效應(yīng)力即可以確定孔隙壓力。

研究發(fā)現(xiàn)［2－3］，巖石的有效應(yīng)力σ與某些巖石力學(xué)參數(shù)密切相關(guān)，而巖石力學(xué)參數(shù)又可以由聲波測井資料求取。這樣，利用測井資料就可以間接地求得有效應(yīng)力。實(shí)際資料表明［1－3］，有效應(yīng)力與泊松比存在良好的指數(shù)函數(shù)關(guān)系。已有實(shí)驗(yàn)研究表明［1］，當(dāng)應(yīng)力方向與聲波測量方向一致時(shí)，對聲波速度大小的影響較大；而當(dāng)應(yīng)力方向與聲波測量方向相互垂直時(shí)，對聲波速度大小幾乎沒有什么影響。這就使得對巖石力學(xué)參數(shù)與有效應(yīng)力關(guān)系的研究變得較為簡單可行，即只需考慮巖石力學(xué)參數(shù)測量方向上有效應(yīng)力的狀態(tài)。

2 地層孔隙壓力計(jì)算模型

2.1 巖石力學(xué)室內(nèi)試驗(yàn)

對新疆準(zhǔn)噶爾盆地石炭系火山巖×1井等9口井40塊巖樣（其中安山－玄武巖15塊、火山角礫巖8塊、凝灰?guī)r7塊、砂礫巖10塊）進(jìn)行巖石力學(xué)參數(shù)測量實(shí)驗(yàn)。巖石的巖性為灰色凝灰?guī)r、灰色火山角礫巖、安山巖、灰色凝灰質(zhì)細(xì)砂巖等。在上述巖石中，用于常溫常壓的樣品為20塊，用于高溫高壓地層條件的樣品為20塊；測量參數(shù)為抗壓強(qiáng)度（Sd）、抗張強(qiáng)度（St）、抗剪強(qiáng)度（Sc）、彈性模量（E）、體積模量（K）、剪切模量（G）、泊松比（μ）。部分試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 石炭系火山巖巖石三軸實(shí)驗(yàn)結(jié)果表

通過對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析研究發(fā)現(xiàn)，泊松比參數(shù)對研究工區(qū)內(nèi)火山巖地層應(yīng)力較為敏感。實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)研究泊松比與有效應(yīng)力之間的關(guān)系。

2.2 有效應(yīng)力法地層孔隙壓力計(jì)算模型

利用密度測井資料求得相應(yīng)井段的上覆巖層壓力p0；根據(jù)RFT測井或其他試油資料求得某一井段的地層孔隙流體壓力pφ，兩者之差就是有效應(yīng)力σ。此外，根據(jù)在巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器（MTS）上模擬地層高溫高壓條件下進(jìn)行的巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)，求取了泊松比等巖石力學(xué)參數(shù)（見表1）。由此就可以構(gòu)建有效應(yīng)力與泊松比等巖石力學(xué)參數(shù)之間的統(tǒng)計(jì)回歸方程

式中，σ為巖石的有效應(yīng)力，MPa；μ為巖石的泊松比。推導(dǎo)出地層孔隙壓力的計(jì)算模型為

2.3 模型中參數(shù)的確定

地層孔隙壓力計(jì)算精度的高低取決于巖石泊松比的計(jì)算精度。通過研究，對于火山巖地層，能夠較為準(zhǔn)確計(jì)算其泊松比的測井為偶極橫波測井。本文利用偶極橫波測井對其縱、橫波進(jìn)行了提取，進(jìn)而利用縱、橫波時(shí)差測井資料采用下式計(jì)算巖石的泊松比。有

式中，Δtc、Δts分別為地層縱波、橫波時(shí)差，μs／ft（非法定計(jì)量單位，1 ft＝12 in＝0.304 8 m，下同）。

如果缺乏橫波時(shí)差資料，可根據(jù)下述2步構(gòu)建橫波時(shí)差。第1步，利用火山巖物性分析資料，在巖心歸位的基礎(chǔ)上提取物性分析化驗(yàn)樣品深度點(diǎn)所對應(yīng)的聲波測井響應(yīng)值；第2步，分巖性來建立骨架圖版，進(jìn)而來確定其不同巖性的縱橫波值。具體轉(zhuǎn)換公式為

式中，Δtmas、Δtmac分別為地層骨架的橫波時(shí)差與縱波時(shí)差，μs／ft；Δtfs、Δtfc分別為地層流體的橫波時(shí)差與縱波時(shí)差，μs／ft。

對于含油氣的火山巖地層，地層縱波、橫波速度會受到油氣的影響。為了提高地層孔隙壓力的計(jì)算精度，在利用縱橫波時(shí)差計(jì)算泊松比時(shí)經(jīng)過了含油氣校正，從而消除了油氣對縱橫波測井響應(yīng)值的貢獻(xiàn)，使得利用縱橫波測井參數(shù)計(jì)算的巖石泊松比能夠較為真實(shí)地反映巖石在應(yīng)力作用下的橫向應(yīng)變與縱向應(yīng)變比值。

考慮到泊松比參數(shù)室內(nèi)試驗(yàn)有限，在全工區(qū)全井段內(nèi)計(jì)算地層孔隙壓力時(shí)帶來困難，采用泊松比室內(nèi)試驗(yàn)參數(shù)刻度測井計(jì)算泊松比的方法計(jì)算有效應(yīng)力，進(jìn)而求取地層孔隙壓力。

3 應(yīng)用實(shí)例分析

將上述方法采用Visual Fortran語言編程，掛接在Forward平臺上運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用測井資料進(jìn)行地層孔隙壓力的可視化解釋處理。表2是×1井等井預(yù)測的地層壓力與實(shí)測的地層壓力對比。對比分析可知，用該方法預(yù)測的地層孔隙壓力與實(shí)測的地層壓力比較吻合。尤其是×1井、×4井、×5井，其相對誤差不超過5%。其他3口井誤差偏大，但仍在可接受的誤差范圍內(nèi)。這說明該方法預(yù)測的地層孔隙壓力能滿足鉆井工程和采油工程的需要，可為合理選用泥漿密度和保持井壁穩(wěn)定提供可靠的地層壓力依據(jù)。

表2 預(yù)測的地層孔隙壓力與實(shí)測地層孔隙壓力的比較

圖1是利用該法預(yù)測的×1井地層壓力成果圖，井段為890～940 m。圖1中，第1道是巖性指示曲線（GR、SP），反映整個(gè)剖面是火山巖地層；第2道為電阻率曲線，說明火山巖地層電阻率較高；第3道為孔隙度曲線，反映火山巖巖性較為致密，孔隙度較低；第4道為所計(jì)算的地層孔隙壓力pφ、上覆巖層壓力p0和巖石有效應(yīng)力σ。不難看出，該方法預(yù)測的這一井段地層孔隙壓力值較為穩(wěn)定，不同巖性段其地層孔隙壓力有突變，但突變幅度小，整體上預(yù)測精度較高，能夠滿足實(shí)際鉆井工程的需要。

圖1 有效應(yīng)力法預(yù)測的×1井地層壓力成果圖

4 結(jié)論與建議

（1）利用本文所建立的預(yù)測模型計(jì)算火山巖地層壓力是行之有效的。該方法實(shí)用性強(qiáng)，精度較高，能滿足現(xiàn)場實(shí)際鉆井和壓裂施工的需要，尤其是為合理確定安全鉆井液密度窗口提供了可靠的依據(jù)。

（2）由于測井信息的高分辨率、連續(xù)性、方便性和可靠性及經(jīng)濟(jì)性，可以從測井資料中提取用于計(jì)算地層壓力所需的巖石泊松比。當(dāng)實(shí)際井未測有橫波時(shí)差測井曲線時(shí)，采用地層縱波時(shí)差測井曲線合成橫波時(shí)差曲線的方法構(gòu)造1條Δts曲線，進(jìn)而求得合理的巖石泊松比。

（3）基于巖石力學(xué)參數(shù)與有效應(yīng)力的關(guān)系，提出了利用巖石泊松比室內(nèi)測試數(shù)據(jù)刻度測井資料計(jì)算的泊松比來計(jì)算巖石有效應(yīng)力，進(jìn)而預(yù)測地層孔隙壓力的方法。該方法能夠準(zhǔn)確預(yù)測火山巖剖面的地層孔隙壓力，從而避免了在火山巖剖面中利用等效深度法計(jì)算孔隙壓力時(shí)構(gòu)建地層正常壓實(shí)趨勢線和方程的難題。

（4）火山巖巖性復(fù)雜，不同巖性的泊松比變化較大，建議在以后的研究中分巖性建立地層孔隙壓力預(yù)測模型，并對具體模型進(jìn)行檢驗(yàn)修正，逐步解決火山巖地層孔隙壓力預(yù)測的難題。

［1］ 劉之的.六九區(qū)火山巖儲層測井評價(jià)方法研究［R］.西安：博士后出站報(bào)告，2008.

［2］ 劉之的，夏宏泉，湯小燕.碳酸鹽巖地層孔隙壓力預(yù)測方法研究［J］.大慶石油地質(zhì)與開發(fā)，2003，22（6）：8－11.

［3］ 劉之的，夏宏泉，陳平.利用測井資料計(jì)算碳酸鹽巖三個(gè)地層壓力［J］.鉆采工藝，2005，28（1）：18－21.

［4］ Bowers G L.Pore Pressure Estimation form Velocity Data：Accounting for Overpressure Mechanisms Besides Undercompaction［C］∥IDAC／SPE27488，1994：515－530.

［5］ 劉玉石.修正地層壓力預(yù)測模式提高預(yù)測精度［J］.石油鉆采工藝，1998，20（2）：6－8.

［6］ 梁紅軍.利用聲波時(shí)差檢測地層孔隙壓力的新方法［J］.石油鉆采工藝，1998，20（2）：1－5.

On Predicting Formation Pore Pressure Method of Volcanic Rock with Log Data

LIU Zhidi1，TANG Xiaoyan2
（1.School of Petroleum Resources，Xi’an Shiyon University，Xi’an Shaanxi 710065，China；2.College of Geology and Environment，Xi’an University of Science and Technology，Xi’an，Shaanxi 710054，China）

It is vital to accurately determine three－formation pressure for designing drilling mud density，stabilizing borehole and drilling safety.Predicting formation pressure with well logging data is a comparatively more valid method.Presently，the technique of predicting formation pressure in mud－sand profile is relatively perfect.However，there are definite problems to estimate accurately formation pore pressure of volcanic rock profile.Based on different formation characteristics of volcanic rock and the analysis of the rock mechanics parameters in indoor test，an effective stress method is presented to predict the formation pore pressure in the volcanic rock.The transverse wave time difference and rock Poisson ratio are used to calculate effectiveness stress，from which obtained is the formation pore pressure.Formation pressures of×1 well and other wells in Zhun GaEr basin，are predicted based on effectiveness stress method using logging data.The reasonable formation pressure profile and mud density are given；the formation pressures in different well－depths and different intervals are calculated.Due to lithology of volcanic rock is very complex and the Poisson ratios of different lithologies change greatly，so the formation pore pressure prediction model should be set up according to different lithologies；at the same time，the model should be tested and corrected so as to gradually solve the problems in predicting the formation pore pressures of the volcanic rocks.The calculated formation pressure of the volcanic rock is reliable based on the method using logging data.Predicting precision is high，and practicability is better.The calculated result can act as the guide of establishing formation pressure and designing the mud density of volcanic rock formation.

log data，volcanic rock，effectiveness stress，formation pore pressure，Poisson ratio

1004－1338（2011）06－0568－04

P631.84

A

劉之的，男，1978年生，博士后，副教授，從事石油工程測井新技術(shù)與應(yīng)用研究。

2010－08－30 本文編輯 李總南）