異常高壓形成機(jī)制判別方法研究

張 偉，李朝瑋，樊洪海，王國(guó)斌，申延晴，耿 智

（1.中國(guó)石油新疆油田勘探公司，新疆克拉瑪依834000；2.中國(guó)石油大學(xué)<北京>石油工程學(xué)院，北京102249）

異常高壓形成機(jī)制判別方法研究

張 偉*1，李朝瑋2，樊洪海2，王國(guó)斌1，申延晴1，耿 智2

（1.中國(guó)石油新疆油田勘探公司，新疆克拉瑪依834000；2.中國(guó)石油大學(xué)<北京>石油工程學(xué)院，北京102249）

異常高壓成因有十余種，但缺乏一種有效的成因判別流程。闡述了沉積物壓實(shí)過(guò)程的加載和卸載，提出了利用測(cè)井曲線(xiàn)對(duì)比和波速—密度交會(huì)圖等綜合判斷異常高壓成因的方法。該方法可按地層埋深區(qū)分沉積巖地層的欠壓實(shí)、流體膨脹和構(gòu)造擠壓等主要的異常高壓成因，為分機(jī)制選擇地層孔隙壓力計(jì)算方法提供依據(jù)。準(zhǔn)噶爾南緣地區(qū)獨(dú)山1井的實(shí)例分析表明，該井古近系安集海河組、白堊系呼圖壁河組和清水河組、侏羅系齊古組地層欠壓實(shí)作用顯著；白堊系地層因高壓流體傳遞和內(nèi)部生烴作用使地層發(fā)生較明顯的卸載；侏羅系齊古組地層存在因生烴作用導(dǎo)致的流體膨脹；構(gòu)造擠壓作用對(duì)古近系、白堊系和侏羅系地層均有增壓影響。

異常高壓；波速—密度交會(huì)圖；欠壓實(shí)；流體膨脹；構(gòu)造擠壓

地層孔隙壓力是指地層孔隙或裂縫中的流體（水、油、氣）所具有的壓力。準(zhǔn)確識(shí)別和計(jì)算異常高壓（超壓）對(duì)研究油氣運(yùn)聚成藏和優(yōu)化鉆井工程設(shè)計(jì)具有重要意義。國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者[1-3]總結(jié)出了十余種異常高壓成因，但沒(méi)有形成一種有效的異常高壓成因判別方法。準(zhǔn)噶爾南緣地區(qū)是新疆油田油氣勘探開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)區(qū)域，但異常高壓發(fā)育明顯、鉆井地質(zhì)條件復(fù)雜。國(guó)內(nèi)學(xué)者[4-7]對(duì)南緣地區(qū)的異常高壓進(jìn)行了分析，但沒(méi)有直觀(guān)給出各種成因的判別依據(jù)。

本文以Bowers等[8-10]和葉志等（2012）[11]提出的理論方法為基礎(chǔ)，提出了利用聲波、密度、電阻率測(cè)井曲線(xiàn)對(duì)比和波速—密度交會(huì)圖等綜合判別異常高壓成因的過(guò)程，并以南緣獨(dú)山子背斜獨(dú)山1井為例進(jìn)行了實(shí)例分析。

1 異常高壓成因判別的理論基礎(chǔ)

石油地質(zhì)中通常將地層孔隙壓力系數(shù)超過(guò)1.10的地層孔隙壓力稱(chēng)為異常高壓，大于1.50則稱(chēng)為超高壓[12]。異常高壓的形成需具備2個(gè)前提：①封存高壓流體的良好封閉環(huán)境；②一定體積的孔隙空間和孔隙流體。在此基礎(chǔ)上，異常高壓的形成條件可表示為“孔隙流體體積/孔縫空間體積＞1”，即包括3種情況：①在原有的流體基礎(chǔ)上產(chǎn)生了新的流體；②原有孔隙流體體積膨脹；③孔縫空間的體積被壓縮。

根據(jù)有效應(yīng)力定理[1]，沉積巖地層的地層孔隙壓力可表示為上覆巖層壓力與垂直有效應(yīng)力之差。沉積巖地層在壓實(shí)過(guò)程中和壓實(shí)完成之后，巖石的骨架顆粒在沉積變形時(shí)的受力情況與一些可測(cè)量的巖石物性參數(shù)如地層波速（或聲波傳播時(shí)間）、巖石體密度、孔隙度、電阻率等具有不同的關(guān)系。可分為加載和卸載2種機(jī)制[8-10]。

（1）加載機(jī)制（有效應(yīng)力非減小的過(guò)程）。包括3種情況：①正常壓實(shí)過(guò)程，垂直有效應(yīng)力隨地層埋深增加而平穩(wěn)增大，在排水暢通的地層中地層孔隙壓力正常。②欠壓實(shí)過(guò)程，孔隙流體將分擔(dān)一部分上覆巖層重量，垂直有效應(yīng)力較正常壓實(shí)情況增加速率降低或維持原值不變，地層孔隙壓力升高。③構(gòu)造擠壓過(guò)程。在構(gòu)造作用（構(gòu)造擠壓、斷層擠壓、鹽底辟、泥底辟、地震活動(dòng)造成地層擠壓等）比較劇烈的區(qū)域，沉積物在壓實(shí)過(guò)程中或壓實(shí)過(guò)程之后同時(shí)承受上覆巖層的重量和水平構(gòu)造應(yīng)力的作用，處于三維壓實(shí)狀態(tài)[11]；所以構(gòu)造擠壓過(guò)程是加載速率更快的加載過(guò)程，并使裂縫型地層孔隙壓縮閉合，在排液不暢的情況下增加地層孔隙壓力。

（2）卸載機(jī)制（垂直有效應(yīng)力減小的過(guò)程）。沉積壓實(shí)過(guò)程中或壓實(shí)后，因某種原因使支撐巖石骨架重量的地層垂直有效應(yīng)力在初始狀態(tài)基礎(chǔ)上減小，包括地層抬升剝蝕和地層孔隙的流體膨脹作用[9]2類(lèi)。地層抬升導(dǎo)致地表風(fēng)化剝蝕，上覆巖層重量降低，發(fā)生卸載。

地層孔隙的流體膨脹是主要的卸載過(guò)程，定義為：在沉積地層的孔隙中由于各種原因，使孔隙流體（水、油、氣）相對(duì)孔隙空間產(chǎn)生體積增加，使原本由基巖顆粒承擔(dān)的上覆巖層重量部分轉(zhuǎn)移到孔隙流體中，但巖石骨架限制了孔隙流體趨于增加的體積，從而增加了地層孔隙壓力。流體膨脹作用分為4種情況：①產(chǎn)生新的孔隙流體，即成巖礦物（蒙脫石、石膏等）脫水；②原有孔隙流體發(fā)生相變，如沉積物中的干酪根受熱分解生烴，烴類(lèi)熱裂解生氣；③流體受熱膨脹，即水熱增壓作用和油氣受熱膨脹；④次生孔隙膠結(jié)和孔隙充填，占據(jù)孔縫空間，使孔隙流體承擔(dān)更多的上覆巖層壓力，發(fā)生相對(duì)性的流體膨脹。流體膨脹作用既可能在正常壓實(shí)或欠壓實(shí)地層產(chǎn)生，也可以疊加有構(gòu)造擠壓等其他增壓因素。此外，對(duì)于泥頁(yè)巖地層，其壓實(shí)過(guò)程具有不可逆性，所以卸載過(guò)程基本不能降低壓實(shí)程度，孔隙度和巖石體密度的變化很小，但會(huì)改變巖石骨架顆粒間的接觸方式。

其他可能的增壓機(jī)制，比如壓力傳遞、油氣浮力、水頭作用等不會(huì)引起孔隙空間變化，不屬于加載和卸載機(jī)制，可歸結(jié)為孔隙度近似不變類(lèi)[11]。在十余種增壓機(jī)制中，最主要的為欠壓實(shí)作用、流體膨脹和構(gòu)造擠壓3大類(lèi)。

2 異常高壓成因判別的方法

（1）提取泥巖測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)。收集目標(biāo)井全井段的聲波速度、體密度、深電阻率、自然伽馬等測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)并進(jìn)行環(huán)境影響因素校正、測(cè)井曲線(xiàn)分層取值、深度對(duì)齊、剔除異常點(diǎn)等操作；利用自然伽馬數(shù)據(jù)計(jì)算分層泥質(zhì)含量并用巖屑錄井?dāng)?shù)據(jù)校正；拾取泥質(zhì)含量大于70%、厚度大于2m的厚層泥巖井段的聲波、體密度、溫度校正后的電阻率測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)，在拾取泥頁(yè)巖數(shù)據(jù)時(shí)避開(kāi)陡的、薄的和構(gòu)造倒轉(zhuǎn)的泥巖層段以及井徑不規(guī)則井段。

（2）根據(jù)測(cè)井曲線(xiàn)偏離識(shí)別異常高壓層。繪制相同深度坐標(biāo)系下的泥巖測(cè)井曲線(xiàn)，識(shí)別出正常壓實(shí)地層并建立相對(duì)光滑、連續(xù)的聲波、電阻率、體密度正常壓實(shí)趨勢(shì)線(xiàn)，然后根據(jù)變化趨勢(shì)將其延伸到深部地層。如果泥巖地層的3組測(cè)井曲線(xiàn)偏離了對(duì)應(yīng)深度處的正常壓實(shí)趨勢(shì)線(xiàn)，則該段地層存在壓力異常，從而識(shí)別出壓力過(guò)渡帶及各異常高壓地層的深度范圍，但無(wú)法直接辨明異常壓力成因。

（3）測(cè)井曲線(xiàn)對(duì)比初步判斷加載與卸載。進(jìn)一步對(duì)比反映地層壓實(shí)狀況的體積屬性（孔隙度、密度）和傳導(dǎo)屬性（聲波速度、滲透率、電阻率）[9]之間的差別：體積屬性?xún)H依賴(lài)于巖石網(wǎng)狀孔隙體積，但傳導(dǎo)屬性對(duì)巖石孔隙的尺寸、形狀以及孔隙間的連接形式均表現(xiàn)敏感。如果同深度坐標(biāo)系下泥巖的3條測(cè)井曲線(xiàn)在同一深度均有明顯的偏離，則一定發(fā)生了欠壓實(shí)，可能同時(shí)存在流體膨脹或構(gòu)造擠壓；如果聲波和電阻率曲線(xiàn)都經(jīng)歷了偏離，但密度測(cè)井曲線(xiàn)沒(méi)有偏離，則說(shuō)明沒(méi)有發(fā)生欠壓實(shí)，可能發(fā)生了流體膨脹或構(gòu)造擠壓。

對(duì)于3組測(cè)井曲線(xiàn)在相同的深度范圍均出現(xiàn)偏離的情況，在偏離區(qū)挑選同一深度處的一個(gè)點(diǎn)，作垂線(xiàn)使其穿過(guò)正常壓實(shí)趨勢(shì)線(xiàn)。

①欠壓實(shí)作用（圖1）：其超壓巖層的壓實(shí)狀態(tài)不會(huì)低于它在以前的某個(gè)時(shí)點(diǎn)的壓實(shí)狀態(tài)，聲波速度、電阻率和體密度偏離正常趨勢(shì)后，持續(xù)地增長(zhǎng)或者保持為常數(shù)。由于加載狀態(tài)下任意兩個(gè)與壓實(shí)有關(guān)的巖石物性參數(shù)如果數(shù)值相同，其對(duì)應(yīng)深度處的垂直有效應(yīng)力也相同，因此偏離曲線(xiàn)的任一點(diǎn)在其上方有至少一個(gè)對(duì)應(yīng)的點(diǎn)，其聲波速度、電阻率和體密度的值與此點(diǎn)相同。即偏離區(qū)同一深度點(diǎn)在3種測(cè)井曲線(xiàn)上的向上延伸線(xiàn)與曲線(xiàn)的交點(diǎn)具有相同或相近的深度。

圖1 因欠壓實(shí)造成曲線(xiàn)偏離的泥巖測(cè)井曲線(xiàn)對(duì)比

②流體膨脹（圖2）：地層微裂縫因流體膨脹而重新?lián)伍_(kāi)，沉積壓實(shí)過(guò)程為卸載過(guò)程。異常高壓層的傳導(dǎo)屬性偏離（聲波速度減小、滲透率增加、含水層電阻率減小、含烴層電阻率增大），但地層的體積屬性（孔隙度、密度）的響應(yīng)極小。所以，偏離區(qū)同一深度點(diǎn)在3種測(cè)井曲線(xiàn)上的向上延伸線(xiàn)與曲線(xiàn)的交點(diǎn)中，密度曲線(xiàn)向上的交點(diǎn)比另兩條測(cè)井曲線(xiàn)近。

圖2 因流體膨脹造成曲線(xiàn)偏離的泥巖測(cè)井曲線(xiàn)對(duì)比

③構(gòu)造擠壓（圖3）：地層處于三維壓實(shí)的加載狀態(tài)，使裂縫型孔隙閉合，地層的傳導(dǎo)屬性出現(xiàn)明顯的響應(yīng)（聲波速度增加、滲透率降低、含水地層電阻率增加），但地層的體積屬性（孔隙度、密度）對(duì)構(gòu)造擠壓的響應(yīng)較小。所以，偏離區(qū)同一深度點(diǎn)在3種測(cè)井曲線(xiàn)上的向下延伸線(xiàn)與曲線(xiàn)的交點(diǎn)中，密度曲線(xiàn)的交點(diǎn)比另兩條測(cè)井曲線(xiàn)近。

圖3 因構(gòu)造擠壓造成曲線(xiàn)偏離的泥巖測(cè)井曲線(xiàn)對(duì)比

（4）波速—密度交會(huì)圖進(jìn)一步確定異常高壓類(lèi)別。如果測(cè)井曲線(xiàn)的體積屬性與傳導(dǎo)屬性在偏離區(qū)的差異不明顯，可進(jìn)一步繪制泥頁(yè)巖地層的波速—密度交匯圖。分別提取測(cè)井曲線(xiàn)對(duì)比圖中每一段偏離區(qū)的泥巖聲波和體密度數(shù)據(jù)，以密度為橫坐標(biāo)、聲波速度為縱坐標(biāo)繪制交會(huì)圖，并利用正常壓實(shí)趨勢(shì)線(xiàn)數(shù)據(jù)回歸出波速-密度正常壓實(shí)關(guān)系式以作為加載曲線(xiàn)補(bǔ)充到交會(huì)圖中，如圖4所示。

圖4 波速-密度交匯圖判別異常高壓成因

即使是最純凈的泥巖聲波和密度測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)，由于受測(cè)井儀器的變化、地層巖石顆粒和孔縫空間的差異，波速-密度散點(diǎn)也很難以理想的曲線(xiàn)型與某一條加載或卸載曲線(xiàn)完全重合，但在加載、卸載曲線(xiàn)周?chē)姆植既跃哂幸欢ǖ奶卣鳌?/p>

①欠壓實(shí)作用，圖4（1）所示：波速—密度散點(diǎn)相對(duì)該深度范圍正常壓實(shí)趨勢(shì)段往波速、密度低值方向偏離，但仍分布在加載曲線(xiàn)周?chē)蛘吲c加載曲線(xiàn)有相近的變化趨勢(shì)。

②流體膨脹，圖4（2）所示：波速降低較快、密度略微減小，波速—密度散點(diǎn)在該深度范圍正常壓實(shí)趨勢(shì)段正下方或略偏左下方往波速低值處偏離，相對(duì)集中地分布在該深度范圍的卸載曲線(xiàn)附近。

③構(gòu)造擠壓，圖4（3）所示：近似于流體膨脹的相反過(guò)程，波速相對(duì)正常波速有一定程度的增加、密度略微增大或不變，波速—密度散點(diǎn)相對(duì)集中地分布在該深度范圍正常壓實(shí)趨勢(shì)段正上方或略偏右上方波速高值處。

（5）一些沉積與構(gòu)造信息和地球化學(xué)參數(shù)等可作為異常高壓成因分析的參考。比如，欠壓實(shí)主要發(fā)生在快速沉積的下第三系厚層泥巖中，不可能出現(xiàn)在純砂巖地層；生烴作用造成的流體膨脹主要在厚層烴源巖中，地溫達(dá)到生烴的溫度門(mén)限（83℃以上）；水熱增壓產(chǎn)生的流體膨脹需有封閉的水層和較高的地溫梯度，一般對(duì)超壓的貢獻(xiàn)很小；構(gòu)造擠壓一般出現(xiàn)在構(gòu)造作用強(qiáng)烈的中深部地層，水平地應(yīng)力較大；構(gòu)造擠壓可對(duì)大段地層內(nèi)各種巖性均施加影響，且加載過(guò)程較為平穩(wěn)。

3 獨(dú)山1井實(shí)例分析

獨(dú)山1井是南緣山前沖斷帶四棵樹(shù)凹陷獨(dú)山子背斜的一口預(yù)探井，實(shí)際鉆遇地層自上而下主要為：第四系（Q），新近系獨(dú)山子組（N2d）、塔西河組（N1t）、沙灣組（N1s），古近系安集海河組（E2-3a）、紫泥泉子組（E1-2z），白堊系東溝組（K2d）、連木沁組（K1l）、勝金口組（K1s）、呼圖壁河組（K1h）、清水河組（K1q），侏羅系齊古組（J3q）。

（1）獨(dú)山1井異常高壓形成機(jī)制分段判別。獨(dú)山1井泥巖地層的波速、電阻率和體密度測(cè)井曲線(xiàn)及對(duì)應(yīng)的正常壓實(shí)趨勢(shì)線(xiàn)如圖5所示。

圖中，根據(jù)3組曲線(xiàn)的偏離情況，將該井2200～6400m井段分為6段。回歸可得該井的波速—密度正常壓實(shí)（正常加載）關(guān)系式：

式中，Vp——泥巖波速，km/s；

ρs——泥巖密度，g/cm3。

如圖6所示，分別提取6段井深范圍的泥巖波速和密度數(shù)據(jù)并繪制出6段的波速—密度交會(huì)圖（橫坐標(biāo)為泥巖密度ρs，g/cm3；縱坐標(biāo)為泥巖波速Vp，km/s），添加全井段的波速—密度正常壓實(shí)曲線(xiàn)（長(zhǎng)虛線(xiàn)）和可能的卸載曲線(xiàn)（短虛線(xiàn)），并標(biāo)示出每一小段對(duì)應(yīng)深度范圍的正常壓實(shí)趨勢(shì)線(xiàn)（長(zhǎng)虛線(xiàn)上的實(shí)線(xiàn)）。

圖5 獨(dú)山1井泥巖測(cè)井曲線(xiàn)對(duì)比及地層孔隙壓力剖面

綜合分析可得6個(gè)井深范圍的異常壓力成因：①2048～3373m：主要為正常壓實(shí)，局部欠壓實(shí)。②3373～3604m：為巖性致密的壓力過(guò)渡帶。③3604～4247m：中上部以欠壓實(shí)作用為主，下部砂巖層的高壓主要來(lái)自上部高壓流體向下的高壓傳遞；受熱膨脹和流體膨脹亦對(duì)高壓有貢獻(xiàn)。④4247～5316m：超壓成因主要為多套薄的含油水層、油層和氣層中的流體膨脹作用；上部高壓流體向下充注也為流體膨脹進(jìn)一步創(chuàng)造了條件。⑤5316～5804m：欠壓實(shí)作用顯著，疊加有因烴類(lèi)物質(zhì)熱解產(chǎn)生的流體膨脹作用；5450m附近為封隔該高壓層的致密蓋層。⑥5804～6400m：上部白堊系地層的高壓向該地層的壓力傳遞是維持該部分地層超壓的主要原因；該段流體膨脹機(jī)制也較為明顯。

圖6 獨(dú)山1井分段泥巖波速-密度交會(huì)圖

（2）獨(dú)山1井地層孔隙壓力檢測(cè)。采用Fan簡(jiǎn)易法[13]對(duì)獨(dú)山1井進(jìn)行地層孔隙壓力檢測(cè)，所用計(jì)算公式為：

式中：Vp——泥巖波速，km/s；

σe——垂直有效應(yīng)力，MPa；

pp——地層孔隙壓力，MPa；

po——上覆巖層壓力，由密度積分得到[14]，MPa。

利用上式初步計(jì)算獨(dú)山1井的地層孔隙壓力。然后，對(duì)受到流體膨脹作用的第④⑤⑥段和受構(gòu)造擠壓作用的整個(gè)中深部井段分別進(jìn)行修正。最終的地層孔隙壓力檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖5孔隙壓力曲線(xiàn)。該井自新近系沙灣組下段至侏羅系齊古組地層普遍發(fā)育超壓；其中，安集海河組和清水河組地層的孔隙壓力系數(shù)最高值分別達(dá)2.25和2.30。

本井實(shí)鉆顯示，井深5349.32m處發(fā)生溢流，溢流時(shí)所用泥漿密度為2.02g/cm3；井深5350.16m處發(fā)生溢流，溢流時(shí)所用泥漿密度為2.3g/cm3；井深5789.92m處發(fā)生氣侵，氣侵時(shí)所用泥漿密度為2.40g/cm3。這些鉆井復(fù)雜情況與地層孔隙壓力計(jì)算結(jié)果以及實(shí)際泥漿密度可以對(duì)應(yīng)起來(lái)。

5 結(jié)論

（1）闡述了利用測(cè)井曲線(xiàn)對(duì)比和波速-密度交會(huì)圖等綜合判斷異常高壓成因的原理和方法。該方法可對(duì)沉積巖地層的欠壓實(shí)、流體膨脹和構(gòu)造擠壓等主要的異常高壓成因按地層埋深進(jìn)行區(qū)分，為分機(jī)制選擇地層孔隙壓力計(jì)算方法提供依據(jù)。

（2）獨(dú)山1井實(shí)例分析表明，該井白堊系K1q和K1h地層、古近系E2-3a地層欠壓實(shí)作用顯著；侏羅系J3q地層存在因生烴作用導(dǎo)致的流體膨脹，流體膨脹對(duì)白堊系地層和古近系地層也有一定的影響；侏羅系、白堊系和古近系地層均受到構(gòu)造擠壓作用，使該井中深部地層普遍維持異常高壓。獨(dú)山1井E2-3a和E1-2z、K1q和K1h是兩套主要的增壓層，地層孔隙壓力系數(shù)最高值均超過(guò)2.20。中部白堊系地層普遍維持高壓，壓力系數(shù)范圍1.60～1.90。

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TE271

A

1004-5716(2015)08-0078-05

2014-08-03

2014-08-13

國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)子課題“鉆井工程設(shè)計(jì)和工藝軟件”（2011ZX05021-006）資助。

張偉（1967-），男（漢族），陜西西安人，高級(jí)工程師，現(xiàn)從事石油地質(zhì)研究與勘探現(xiàn)場(chǎng)管理工作。