陵水LS25-3-1井地震層速度在鉆前壓力預測中的應用

蘇 超

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陵水LS25-3-1井地震層速度在鉆前壓力預測中的應用

蘇 超

（東北石油大學， 黑龍江 大慶 163318）

地層孔隙壓力作為一個地質參數在油氣勘探、鉆井工程及油氣開發中占有十分重要的地位。如今的鉆井區域已經由陸地轉向海洋，由淺海轉向深海發展。隨著石油勘探開發進程的不斷推進，鉆井工程所面臨的地質條件越來越復雜，就鉆井工程而言，孔隙壓力是實現快速、安全、經濟鉆進的一個必不可少的重要參數，如何綜合利用各種信息在鉆井之前準確預測，已成為鉆井工程迫切需要解決的問題之一。本文依據大量的詳實數據，將陵水LS25-3-1井在鉆前與鉆后的地層壓力剖面圖加以對比分析，有力地論述了該方法在實際生產實踐中的可行性，為鉆井提供可靠保障。

地震波； 鉆井工程； 壓力預測； 聲波時差； 密度擬合

通過對陸上和海上油氣田的勘探開發，其中的數據表明，地層壓力異常的地區大量存在，而鉆井過程中存在的異常高壓地層比低壓地層更多。壓力系數從1.10~1.60以上的地層壓力可定義該地層為異常高壓地層。例如，塔里木油田的北緣的庫車坳陷、中原油田的文留結構沙四段地層、冀東油田的高尚堡構造沙三段等。本文主要介紹南海陵水LS25-3-1井在鉆前壓力預測與鉆后測井資料的對比情況。

目前，在鉆井行業中公認關于地層壓力異常的形成機理可認為有以下幾種：

（1）巖石孔隙體積的變化：垂直載荷（欠壓實）；側向構造加載；次生膠結；

（2）孔隙流體體積的變化：溫度變化；礦物轉化；烴類生成；烴類熱降解；流體（主要為氣運移）；

（3）流體壓力（水動頭壓力）變化和流體流動：滲透作用；流體壓力壓頭；油田開采；永凍環境；相對密度差異（如氣、油之間）。

在鉆進過程中，目的層逐漸由淺層轉向深層，碰到的地層壓力體系相對復雜，對地層壓力預測精度要求也相對提高，因此準確了解鉆頭前方地層壓力變化對于制定合理的鉆井措施，設計科學的井身結構、配制合理的鉆井液體系、設計合理的完井方法、降低鉆井成本、儲層保護，具有十分重要的工程意義。這同時也是使得鉆前地層壓力預測技術持續發展的主要原因。

目前地層壓力預測的原理都基于勘探地球物理學，即通過高分辨率的地震波，特別是三維地震，可用來精確地確定圈閉，產層的連通性，水體的大小，在有利的條件下，還可預測含油氣范圍。通過利用地震資料預測鉆井的風險，如斷層、油氣分布范圍及超壓帶，可以降低鉆井成本[1]。

1 地層壓力預測模型 — Eaton模型

Eaton法是現在常用于地層壓力預測的經驗方法，歸納了壓實作用和其他異常高壓形成的機理，類比和歸納了鉆井實測壓力與不同測井信息之間的聯系，是一種相對實用的方法。Eaton法計算地層孔隙壓力是依據地層壓實理論、有效應力理論和均衡理論[2]。通過建立正常壓實趨勢線方程，從正常壓實出發，依據泥巖地層實際測井數據，來定量計算偏離正常壓實趨勢線時地層孔隙壓力的大小，公式如下：

伊頓指數可依據實際測量的地層孔隙壓力資料求取：

靜液柱壓力是由液柱自身的重力所產生的壓力，它的數值與液體的密度、液柱的垂直高度或深度有關[3]，即：

上覆巖層壓力指的是覆蓋在某一深度地層以上的地層基巖的重量和巖石孔隙中流體的重量的總和，所產生對該地層的壓力：

由于地震波的反射的速度與反射時間呈反比，所以公式（2）也可寫成如下關系：

Eaton方法實質上式反應的由于泥巖欠壓實造成的異常高壓，對其它因素引起的異常高壓，該方法不適用。

2 地層密度模型 — Gardner模型

儲層中流體性質（如石油和天然氣的比重，油氣比，天然氣飽和壓力等），對儲層流體移動速度和密度都具有一定的影響。在某種特殊條件下，可令地震過程中的反射波特性發生突變[4]。基于理論與實踐，在正常狀況下，水飽和巖層的體積密度和波速明顯地高于含氣疏松巖層的值[5]。而含油和含水巖層的速度差值極小，即可能與含氣有關，與含油無關。通過研究全球468個原油樣品的壓縮率（即體積模量的倒數）和體積密度，溶有較多的天然氣的原油與一般的原油相比，壓縮率和體積密度有很大差別，從而可導致反射特征突變。當原油的氣油比增大時，體積密度反而減小[6]。同樣密度也受周圍儲層參數的影響。總的來說氣油比增大密度減小。氣油比從0變化到3 000，體積密度同時縮減至原來的1/2，而含油氣地層密度遠小于不含油氣的地層密度。因此與速度的多解性相比，求解地層密度可協助我們預測巖性和勘探油氣。

儲集巖層中存在孔隙以及微裂縫，可以使得巖石密度減小，地震層速率降低，影響了分界面上波阻抗大小、波阻抗差,進而間接影響了反射系數的分布情況。故需要建立密度與地震層速度、聲波時差等參數的關系，即可估算出地層的密度[7]。

國內外專家提出了各種評價上覆巖層壓力的方法，可將這些方法系統的分成兩類，即密度補足法和上覆巖層壓力直接評估法[8]。在密度補足法中，Garder模型通過建立密度-聲波的相關性進而確定上部地層密度，其它方法則通過下部地密度測井數據的擬合來確定上部地層密度[9]。通過下部密度測井數據擬合確定上部地層的密度，基本上是建立在連續沉積壓實假設的基礎上的，類似的方法還有孔隙度法。孔隙度法通常通過建立孔隙度隨井深變化曲線獲得。

本文采用的密度補足法，Gardner模型如下：

3 應用實例

3.1 建立聲波時差與地層速度的數量關系

3.2 建立趨勢線方程

通過對聲波時差測井所測量的彈性波在地層中的傳播時間數據進行處理，進而可以確定地層的孔隙壓力。聲波時差可以反映巖性、壓實程度和孔隙度[10]。由于聲波時差測井在含氣層呈現周波跳躍，但是在其他環境（如：井徑、溫度、地層水礦化度）的變化時所受的影響較小。所以用它評價和計算地層孔隙壓力比較有效。

利用聲波或層速度數據評價地層孔隙壓力精度取決于所收集的原始聲波或層速度資料的質量[13]。另外，由于地層壓力還會受溫度、應力等因素的影響，為準確預測地層壓力還需對聲波或層速度數據的趨勢線進行修正。

根據鉆前的地震層速度與深度的關系建立圖像：

圖1 聲波時差的自然對數與地層深度的關系曲線

根據圖像：建立1 300~2 500 m的趨勢線方程：

圖2 正常壓實段的趨勢線方程

由此求解出趨勢線方程：

此回歸方程的相關性2= 0.996 05，接近1.00，說明相關性強，此方程符合條件。

反求聲波時差與地層深度的關系方程，可知：

3.3 擬合地層密度

通過鉆前測量的地震層速度（換算成對應的聲波時差）與鉆后測井的聲波時差數據，可求得對應的地層密度（該公式在此研究區塊A、B皆取0.25）。

3.4 靜液柱壓力

3.5 上覆巖層壓力

上覆巖層壓力是進行破裂壓力計算、孔隙壓力分析的基礎數據，上覆巖層壓力一般要通過對上覆地層密度的積分求取，但對于深水鉆井，還要考慮水深及轉盤高度的影響，設轉盤面到海平面的高度為，海平面到海底泥面的深度為，泥面以下深度處的上覆巖層壓力（如圖3），可以通過下式計算：

式中，為海水密度，為巖層密度，為重力加速度。

根據上覆巖層壓力：該區塊0~1 000 m是海水。該區塊的上覆巖層壓力應分兩段進行求解：

第一段（0~1 000 m）：

第二段（1 000~7 279 m）：

進入地層后，可認為一定深度內地層的密度是這段地層上下層面的平均值，即：

所以進入地層后的上覆地層壓力為：

依據鉆前地震層速度和鉆后測井數據，將上覆巖層壓力梯度隨深度的變化繪制成圖表，結果如下：

圖4 上覆巖層壓力梯度密度隨地層深度的變化曲線

3.6 地層壓力

在伊頓指數的選取上通過試算法確定，即：由于在鉆前沒有該井的計算數據，通過伊頓法利用地層壓力測試數據反算該區塊伊頓指數，結合鄰井測井資料得到各井地層壓力剖面該地層鉆前地震層速度求得的地層壓力當量密度的曲線進行對比，確定伊頓指數的數值為1.8。

根據鉆前地震數據以及鉆后測井數據，利用伊頓法（Eaton）（公式（1）、公式（6））預測地層壓力，將計算結果繪制成圖如下：

圖5 地層壓力當量密度隨地層深度的變化曲線

表1 測井資料預測地層壓力誤差表

3.7 鉆前數據與鉆后數據處理分析

圖4所示為鉆前地震層速度與鉆后聲波時差測井數據所建立的上覆巖層壓力梯度隨地層深度變化的剖面。從該圖中可以看出：鉆前通過地震層速度分析得到的上覆巖層壓力梯度與鉆后聲波時差測井測量到的上覆巖層壓力梯度測算值吻合良好。鉆前地震層所測量的0~1 000 m段為海水段，此段上覆巖層壓力梯度為恒定值；大于1 000 m開始上覆巖層壓力梯度呈現增大的趨勢，且隨著地層深度的增加地層的上部壓實不斷增加，導致上覆巖層壓力當量密度值有變大的趨勢。

圖5給出了鉆前地震層速度與鉆后聲波時差測井數據建立的地層壓力梯度隨地層深度變化的的函數關系曲線，該曲線反映了：鉆前地震層速度預測的地層壓力當量密度與鉆后聲波時差測井測量的地層壓力當量密度能夠很好地吻合。由鉆前地震層速度的測量數據可以看出，該地層隨著深度的增加呈現異常高壓，并且在4 000~7 000 m處變化明顯，其可能的成因是地層孔隙空間的縮小，包括構造擠壓作用和快速沉積所引起的欠壓實。

3.8 誤差分析

地震速度不僅能一定程度地反映巖性變化，也可反映成巖程度—密度、孔隙度等，甚至能一定程度地反映孔隙流體的性質。聲波測井是測量縱波在1 m地層內傳播所需要的時間，其倒數為傳播速率。這兩種速度具有同樣的物理意義。即異常地層壓力在地震速度資料上具有在聲波測井上相同的特征。因而從理論上講：地震速度資料完全可以用與聲波時差相同的方法評價地層壓力。只是后者是井孔內測得，更直接、

連續和真實；前者是野外地(水) 面采集的，存在各種干擾和人為誤差，精度稍遜。

相對于聲波時差法，使用地震層速度資料計算地層壓力的誤差主要來自以下兩個方面：

1)地震層速度本身的誤差，在采集和計算中均可產生。

2)地層密度擬合的模型、伊頓指數的選取以及地層壓實模式，即壓實趨勢線，受速度精度和巖性識別上的影響。

4 結 論

用伊頓法（Eaton）的原理，以陵水區塊LS25-3-1井為研究對象，建立了地震層速度在鉆前地層壓力預測模型；通過鉆后的聲波測井來評價鉆前預測的準確性，以此來肯定該方法有較高的精度，并且可以用于實際的生產實踐中。

本文對鉆前地震層速度預測地層壓力進行了較為深入的研究，基于上述的研究可以得出以下幾個方面的結論：

（1）對LS25-3-1井的孔隙壓力進行統計（圖5），統計結果表明LS25-3-1井屬于正常的靜水壓力系統，但在3 600 m后出現不同程度的異常高壓。

（2）沉積巖欠壓實地層的地層壓力預測：使用地震層速度進行地層壓力預測，需要建立趨勢線方程、擬合地層密度、計算上覆巖層壓力。

（3）該方法的關鍵技術需要確定伊頓指數：在伊頓指數的選取上需要參考該井周圍的鄰井，通過周圍鄰井的地層壓力利用試算法反算伊頓指數。

（4）對LS22-1-1井測井資料預測方法、研究院預測結果、層速度預測結果實測點進行對比分析（表1），結果表明這幾種方法預測結果具有較好的一致性，都能和實測值很好的吻合（誤差在10%以內），且測井資料預測結果精度相對較高，能滿足工程需要。

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Application of the Seismic Velocity of Lingshui LS25-3-1 Well in Predrilling Pressure Prediction

（Northeast Petroleum University, Heilongjiang Daqing 163318, China ）

As a geological parameter, formation pore pressure plays an important role in oil and gas exploration, drilling engineering and oil and gas development. Today, the drilling area has turned to marine from land. With the development of petroleum exploration, drilling engineering geological conditions are more and more complex, how to integrate a variety of information to realize predrilling pressure prediction has become one of the problems to be solved urgently. In this paper, on the basis of detailed data, formation pressure profile chartsof Lingshui LS25-3-1 well before and after drilling were compared, the feasibility of the method in the actual production was effectively proved, which could provide a reliable guarantee for drilling.

seismic wave; drilling engineering; pressure prediction; acoustic time difference; density fitting

TE 122

A

1004-0935（2017）03-0304-06

2016-12-20

蘇超（1993-），男，碩士研究生，遼寧省盤錦市人，現攻讀東北石油大學油氣井工程，從事鉆井方向研究。