地層孔隙壓力預測方法研究

陳新，丁富峰，尹國慶

1.西安石油大學石油工程學院（陜西西安710065）

2.中國石油集團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研究院（新疆庫爾勒841000）

地層孔隙壓力預測方法研究

陳新1，2，丁富峰2，尹國慶3

1.西安石油大學石油工程學院（陜西西安710065）

2.中國石油集團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研究院（新疆庫爾勒841000）

綜述了地層孔隙壓力預測方法原理，并對目前存在的地層孔隙壓力計算模型進行分析，優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種方法相結合，對研究區塊進行地層壓力的鉆前預測，并將預測結果與實際測量孔隙壓力進行誤差分析，整體誤差小于5%，該預測結果可直接用于鉆井液密度的設計。

地層孔隙壓力預測；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展，發現的異常壓力帶越來越多，特別是異常高壓帶出現的頻率更高［1-2］。估算或預測地層壓力，特別是超壓地層的壓力預測，對于油氣勘探開發各個環節都具有非常重要的影響：在勘探階段地層壓力場的預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；準確的地層壓力預測有助于安全、經濟鉆探［3-4］；開發階段，地層壓力場預測結果有助于確定儲層的驅動和連通情況。

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，當埋深增加時，該黏土層也不會發生進一步的壓實，而把增大的壓應力傳遞給孔隙水，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：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：有地層自重所產生的壓力，根據密度計算。

建立正常的趨勢線方程是進行地層壓力預測的基礎之一［8-9］，它是壓力預測基準線，趨勢線也可以認為是正常壓力基準線，在不同的井段也會有不同趨勢線方程。

排除巖性等環境因素的影響，理論上地層孔隙度的變化（電阻率為同樣機理）與流體壓力的變化有一定的內在聯系。正常條件下，孔隙度與埋深呈指數關系，如果偏離了這種關系就可以認為存在流體壓力發生異常變化的因素，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，而底部出現明顯偏離，這種偏離就指示可能存在超壓現象。

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；Tvd是垂直深度，m；data nor為正常趨勢線數值；data則是實際測井曲線數值。

當井的預測趨勢線建立起來后，就可以進行預測方法的選擇，進而得到初步的預測結果。

1 孔隙壓力評價方法模型

壓力預測的方法模型有很多種，根據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，這幾種方法在預測技術的發展過程中，通過國內外大量實踐證明是比較成型和穩定的。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測流體壓力的變化特征，采用如下關系式：

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

儲層壓實法是以儲層為預測目標。因此，在預測中要盡可能排除非儲層的影響因素，達到以儲層為目標的預測目的。理想應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使用較多。

1.2 非儲層埋深法

此種方法是國內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，如在某一層段存在流體不能順利排除現象即可產生如上所說的壓力異常（超壓）狀態，在預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，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 等效深度發壓力預測

由（1）式按趨勢線計算預測點B的等效深度：

等效顆粒支撐力σB：

Pvd=Pfb+σB

一般認為由于孔隙壓力在B點的增加使σB比正常壓實狀態要低，其等效壓力為：

σB=σA（σA為正常壓實線上的等效點）

則預測點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組數據：深度-DT，獲得A0，a），然后得到趨勢線方程）。

式中：DT為聲波時差測量數據；data nor為正常壓實趨勢計算數據；Pnor為正常孔隙流體壓力梯度，MPa；expn為經驗指數（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果，國外壓力預測對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化

就儲層和非儲層在聲波上的區分而言，有時兩者的界限并不嚴格。

預測過程不僅采用了聲波法的2種預測技術，也進行RT法的嘗試。2種方案給出的結果接近正常趨勢線的數據點占絕大部分，但預測曲線的擺動幅度存在差別。對應的電阻率法，整體上接近趨勢線的數據點較少，且出現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）兩種技術比較，聲波法相對比較合理。因此壓力預測選擇以聲波法為主，在聲波法中側重使用儲層壓實法、非儲層埋深法的組合預測，在無聲波資料的層段由電阻率法提供補償。

表1 預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、壓實等與沉積相關的因素以外，還有不可忽視的構造因素。一般情況，構造變化對壓力的影響不容易在資料上反映出來。

當孔隙壓力保持不變而構造明顯抬升時，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中孔隙壓力系數一列為濾波后得到的壓力預測曲線結果，通過與鉆井實測的地層壓力梯度值對比認為預測結果是較為吻合的，曲線上5個黑色方形為實測壓力深度梯度。測試資料的應用可以較好地解決上述問題。在構造明顯變化區，可以尋找到一定的刻度關系，進而刻度調整預測壓力線使得結果更為合理。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生了一定的變化。通過這樣的刻度結果可以得到結論，在計算地層孔隙壓力時選擇的模型及結果是可靠的。

對測試資料的使用也要進行仔細鑒別。鑒別發現在本次處理中發現有些測試數據明顯偏高（表1、表2）。

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

4 結論

在獲得準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行預測，能夠得到十分準確的預測結果，可以直接用于指導鉆井液密度的設計，確保復雜區塊的鉆井順利進行，為后期勘探開發提供井筒條件保障。

表2 測試壓力與預測壓力對比表

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

［2］孫武亮，孫開峰.地震地層壓力預測綜述［J］.勘探地球物理進展，2007，30（6）：428-433.

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

［6］李新寧，梁浩，黃衛東，等.異常地層壓力地震預測方法及應用研究［J］.石油天然氣學報，2007，29（3）：387-389.

［7］史浩，周東紅.基于有效應力的地層壓力預測在渤海BZ1區的應用［J］.石油地質與工程，2014，28（2）：113-116.

［8］王勝啟，董杰.英科1井超高壓地層壓力預測技術研究［J］.石油鉆采工藝，1998，20（2）：9-15.

［9］張衛華，何生，郭全仕.地震資料預測壓力方法和展望［J］.地球物理學進展，2005，20（3）：814-817.

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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研究工作。