深水盆地高溫高壓環(huán)境下的地層壓力預測方法

彭海龍 劉 兵 赫建偉 李文拓 吳云鵬

中海石油（中國）有限公司湛江分公司

0 引言

地層孔隙壓力和破裂壓力是油氣勘探開發(fā)中非常重要的參數(shù)，是鉆井液密度、井身結構等多項鉆井工作設計的依據(jù)。地層壓力預測不準確常常會給鉆井工作帶來一系列的問題，比如井涌、井壁失穩(wěn)、卡鉆、井眼報廢等問題，嚴重時甚至導致火災和井噴，造成安全事故。因此，研究和開發(fā)能準確預測地層壓力的計算方法對指導鉆井施工非常重要。

目前，國內(nèi)外常用的孔隙壓力計算算法有Eaton法、等效深度法、經(jīng)驗公式法、壓實趨勢線法、有效應力法[1-4]。這些方法均需要建立正常壓實趨勢線[5]，運用較廣，對于欠壓實作用形成的超壓預測效果較好。Fillippone法[6]、劉震法[7]等方法不需要建立正常壓實趨勢線[8]，預測精度較低，但是適合于勘探成熟度較低的工區(qū)。計算破裂壓力常用算法有Eaton法、Stephen法、黃榮樽法、Holbrook法[9-11]等。孔隙壓力計算方法的地層壓力預測模型由于理論公式存在局限性[12-14]，在實際使用過程中通常假設砂巖段具有和鄰近泥巖段相似的地層壓力，同時由于多因素形成的“他源”超壓現(xiàn)象，致使孔隙壓力計算方法的預測結果較差；對于破裂壓力的計算方法，由于其假設巖層的抗張強度為零，且設定巖層泊松比為常數(shù)，實際上這些假設在深水高溫高壓復雜地質區(qū)域是不成立的，因而在該地區(qū)的應用效果不太理想。

南海瓊東南深水盆地由于地層高溫、高壓、地質構造復雜、斷塊發(fā)育等因素，地層壓力分布十分復雜。研究表明，除了常規(guī)欠壓實作用導致的超壓之外，盆地內(nèi)泥底辟、斷層、砂體等特殊地質體的存在，常常使深度超壓與淺層竄通，致使形成淺層高壓，導致局部超壓面深度起伏較大。現(xiàn)有的鉆前地層壓力預測誤差大，難以滿足鉆井要求。根據(jù)南海深水超壓盆地的地質特點及常用地層壓力計算方法，考慮不同區(qū)域的壓實背景差異性，通過分構造和分區(qū)域建立壓實趨勢線，改進常規(guī)經(jīng)驗公式法，計算地層孔隙壓力；進而在調研工區(qū)物性參數(shù)分布規(guī)律的基礎上，改進了Stephen方法計算地層破裂壓力的參數(shù)，提高了其計算結果精度；最后設計程序模塊，建立了軟件預測平臺。該平臺成功應用于瓊東南盆地20余口高溫高壓深水探井的鉆前壓力預測工作中，為深水環(huán)境勘探工作的順利實施提供了技術支持。

1 地質背景

瓊東南盆地位于海南島與西沙群島之間，總體呈北東向展布，面積8×104km2。海水由西北向東南變深，陸架區(qū)水深介于90～200 m，陸坡向西沙海槽水體急劇加深，從200 m迅速加深至2 000 m左右。盆地在演化過程中，其經(jīng)歷的應力場以張性為主，是一個快速沉降的新生代沉積盆地。新生代以來，地殼多次強烈拉張，盆地沉降快，沉積厚度大，由于快速的沉積速度和較低的壓實速率，形成了異常高壓，在盆地的中央位置，地溫梯度高達42 ℃/km，地層的壓力系數(shù)最高2.35，為典型的高溫高壓盆地[15]。晚中新世以后，持續(xù)沉降和細微的構造運動是維持異常高壓的條件之一[16-17]。研究發(fā)現(xiàn)，盆地內(nèi)異常地層壓力普遍存在，而且超壓頂深在盆地內(nèi)橫向分布變化較大，不同區(qū)域內(nèi)的底辟構造帶超壓頂深相差也很大，且超壓出現(xiàn)突然，過渡帶薄，在底辟構造帶中實測壓力往往比預測值要大得多[18-20]。

2 深水高溫高壓地層鉆前壓力預測面臨的問題

在瓊東南盆地的淺水區(qū)，已有的壓力預測技術取得了較為顯著的成果，在深水區(qū)域，地層壓力預測面臨著以下幾方面的問題：

1）盆地地質條件復雜，受復雜斷塊和巖性突變以及構造運動等影響，異常壓力帶分布無規(guī)律。盆地邊緣發(fā)現(xiàn)異常壓力較少，異常高壓的頂較深，向著盆地中央超壓逐漸增加，異常高壓頂變淺，異常壓力的頂部起伏較大；且壓力的過渡帶不明顯，出現(xiàn)異常壓力系數(shù)突然增加的現(xiàn)象較普遍。

2）盆地地層壓力成因多變，預測困難。該區(qū)域背景壓實規(guī)律復雜多變，盆地中異常高壓的主要原因是壓實作用，在壓實作用基礎上常常形成他源超壓。由于地質因素的影響，地層壓力系數(shù)不一定隨埋深增加，在淺層形成異常高壓，導致可預測性差。同時由于鶯瓊盆地的整體勘探程度較低，區(qū)域內(nèi)已鉆井較少，很難從區(qū)域地質體的縱向和橫向上掌握層速度變化趨勢，進一步加大了壓力預測的難度。

3）目前常用的方法都存在一定的局限性，使得預測結果和實測結果誤差大。經(jīng)驗法預測鉆前壓力在淺水區(qū)域已證實為精度比較高的方法，但是常規(guī)經(jīng)驗公式法壓力預測僅考慮地層速度與正常壓實趨勢的差異性，在使用時應用一個壓實趨勢進行壓力預測，然而在深水高溫高壓區(qū)域中，不同區(qū)域、不同構造的正常壓實趨勢往往是有明顯差異的，尤其是在超壓層段。因此，采用同一壓實趨勢進行壓力預測必然會導致較大的誤差。應用Stephen法計算地層破裂壓力時，對地層的抗拉強度以及泊松比的取值考慮不足，也致使破裂壓力的預測精度不高。

以上問題的存在，對壓力預測帶來很大的困擾，特別是常規(guī)壓力預測方法的局限性，影響了瓊東南深水盆地的油氣鉆探工作。

3 地層壓力預測方法

為了提高地層壓力預測的精度，在分析常規(guī)經(jīng)驗公式法原理的基礎上，充分考慮區(qū)域壓實背景的多樣性，引入不同區(qū)域、不同構造的正常壓實速度趨勢線，計算孔隙壓力；對于破裂壓力，在Stephen公式的基礎上，引入地層抗張強度，改變公式中泊松比參數(shù)的取值方式，計算地層破裂壓力。

3.1 孔隙壓力計算方法

常規(guī)經(jīng)驗公式法由P.Bellotti[21]在1987年提出，也稱為速度地層因子法。作者在常規(guī)經(jīng)驗公式法的基礎上，對相關計算方法和流程進行了改進，其計算流程主要步驟為以下3步。

3.1.1 分區(qū)域、分構造建立正常壓實速度趨勢線

常規(guī)經(jīng)驗公式法通常選擇地層中泥質含量較多的地層段內(nèi)的速度曲線作為壓實曲線[22]，具體步驟為：①通過多井的速度—深度交匯圖，選定沉積環(huán)境穩(wěn)定的泥巖段數(shù)據(jù)，擬合出泥巖段的深度—速度關系；②通過經(jīng)驗公式法計算孔隙壓力。

對于一個沉積盆地內(nèi)的局部范圍，沉積物都會經(jīng)歷沉積、埋藏到成巖等過程。淺層地層的沉積演化也包含上述的所有過程，且沉積過程中不受自源或他源因素干擾，可以認為是處于正常壓實階段。因此，作者從地質沉積角度出發(fā)，選擇淺層的地層速度作為正常壓實速度趨勢線。考慮到區(qū)域差異性，對不同的目標區(qū)域淺層地層速度進行擬合得到不同區(qū)域及不同構造正常壓實速度趨勢線。以上述條件為基礎，對正常壓實速度趨勢線的建立進行簡化處理，選定目標靶區(qū)內(nèi)參考井的淺層聲波數(shù)據(jù)作為正常壓實段，擬合該層位的速度趨勢線作為正常壓實速度趨勢線，如圖1所示。

分析圖1中的地震剖面，瓊東南盆地淺部地層第四系樂東組及以上地層，在剖面上的反射同相軸連續(xù)，其地質沉積環(huán)境穩(wěn)定。而新近系上新統(tǒng)鶯歌海組以及之下的新近系中新統(tǒng)黃流組的地震反射同相軸不連續(xù)，振幅弱，較難判定其沉積環(huán)境的穩(wěn)定性。因此選擇樂東組及以上的地層速度作為該區(qū)域的背景速度趨勢線，采用高階多項式擬合，將擬合結果和原始速度曲線進行疊合顯示，尋找到最為符合淺層速度曲線的擬合趨勢線，如圖1右圖所示。由圖1右側的擬合結果，得出該區(qū)域的背景速度趨勢線公式為：

式中h表示地層深度，m；vh表示地層深度h所對應的正常壓實速度，m/s。

3.1.2 定義速度異常值與壓力系數(shù)關系

速度異常值（Δv）表示速度差值，就是正常壓實趨勢線速度和真實地層速度之間的差值，壓力系數(shù)通過已鉆井的測壓數(shù)據(jù)統(tǒng)計得到。根據(jù)已有的壓力系數(shù)和速度數(shù)據(jù)，結合建立的趨勢線數(shù)據(jù)，可以統(tǒng)計出不同構造和區(qū)域的速度異常值和壓力系數(shù)關系圖（圖2），其關系式為：

圖1 瓊東南盆地目標井正常壓實速度趨勢速度擬合圖

圖2 速度異常值與壓力系數(shù)關系圖

式中vi、vn分別表示實際地層層速度和正常壓實趨勢線上的層速度，m/s；Δv表示速度異常值，m/s。

3.1.3 計算孔隙壓力

經(jīng)實際測試，速度異常值和地層孔隙壓力之間具有較好的線性關系，地層孔隙壓力計算公式為：

式中pp表示孔隙壓力，MPa；ak、bk示不同異常值范圍內(nèi)的線性公式系數(shù)；Δvi表示當前地層深度位置處的速度異常值，m/s。

該公式的提出，大大簡化常規(guī)經(jīng)驗公式法預測孔隙壓力流程，提高了工作效率。該方法的流程如圖3所示。

圖3 孔隙壓力計算流程圖

3.2 破裂壓力計算方法

在Stephen公式的基礎上，改進方法引入了地層抗張強度。計算公式為：

式中pf表示破裂壓力，MPa；u表示泊松比；K表示構造應力系數(shù)，MPa，取值范圍為0～0.5；po表示上覆壓力，MPa；St表示地層抗張強度，MPa，取值范圍為0～0.1。

Stephen公式計算破裂壓力時，泊松比為常數(shù)。然而利用巖心測試數(shù)據(jù)對盆地縱橫波地震參數(shù)進行分析對比之后，發(fā)現(xiàn)泊松比在不同的巖性和深度范圍內(nèi)具有不同的特性。當?shù)貙由疃冗_到一定深度后，縱橫波速度比和泊松比基本不受深度的影響，泊松比為一個常數(shù)[23]。利用泊松比的特性分段計算破裂壓力，改進以往只采用固定泊松比作為破裂壓力計算條件的不足，根據(jù)區(qū)域內(nèi)泊松比的分布規(guī)律，建立了泊松比隨深度變化的經(jīng)驗公式，按照泊松比的特性對破裂壓力進行分段計算。

根據(jù)巖石力學理論，引入動態(tài)巖石力學參數(shù)模型計算泊松比，計算公式為：

式中u(h)表示動態(tài)泊松比，無量綱；Δts表示橫波時差，s；Δtp表示縱波時差，s。

將公式（5）引入公式（4）中，則變?yōu)椋?/p>

公式（6）中采用密度積分方式計算上覆壓力[po(h)]，其計算公式為：

式中g表示重力加速度，m/s2；ρ表示地層密度，g/cm3。

Traugott給出了平均密度(ρav)公式：

式中ρav表示平均密度，ppg（1 ppg = 0.119 826 g/cm3，下同）；D表示垂直地層深度，ft；W表示水深，ft（1 ft = 25.4 mm，下同）；A表示補心高度，ft。

計算準確的上覆地層壓力時需要全井段密度曲線，然而要實測全井段密度曲線很難。因此，可以采用Amoco公式和Gardner公式來擬合缺失段的密度曲線[24-26]，擬合公式為：

式中ρmudline表示起始沉積的密度，g/cm3；A和B表示擬合參數(shù)。公式（9）為Amoco公式；公式（10）為Gardner公式。

擬合完畢之后，選擇合適的拼接范圍將原始密度和計算密度進行拼接，得到全井段密度曲線，也可以對全井段采用擬合的密度曲線進行計算。最后通過參考井與目標井在地層上的對應關系進行移動得到目標井的密度曲線，上述方法為上覆壓力的計算奠定了基礎。密度擬合示意圖如圖4所示。

圖4 密度擬合圖

4 應用實例

4.1 工區(qū)情況

陵水A構造位于瓊東南盆地深水區(qū)中央峽谷內(nèi)，水深1 500 m左右，主要目的層中新統(tǒng)黃流組埋深3 200 m左右，地層溫度90 ℃左右，地層壓力系數(shù)1.5左右，儲層為多期濁積水道砂巖。

4.2 應用效果

采用改進的經(jīng)驗法公式對目標井進行壓力預測，在目的層預測孔壓數(shù)值與完井后實際測壓值匹配較好，改進的Stephen預測的破裂壓力與實測地漏點較為吻合（圖5）。

圖5 A井鉆前鉆后壓力數(shù)值對比圖

近年來，南海西部探區(qū)的地層壓力預測在瓊東南深水盆地應用較多，對多口高溫高壓新探井進行了鉆前預測，通過跟蹤預測井后期的試油壓裂的生產(chǎn)情況，地層的預測壓力和實測壓力數(shù)據(jù)吻合良好，相對誤差在5%以內(nèi)（表1）。

分析表1可知，測壓點數(shù)據(jù)所在位置深度及壓力成因類型都會影響地層壓力的預測結果。當工區(qū)內(nèi)已鉆井測壓數(shù)據(jù)較多，井位分布位置較為理想，目標井和參考井的壓力成因情況類似，則目標井的預測結果較為準確。

表1 鉆前鉆后壓力系數(shù)計算誤差統(tǒng)計表

5 結論

1）對測井速度和地層沉積相之間的關系進行分析，分區(qū)域、分構造建立正常壓實趨勢線，改進了趨勢線建立方法。新的方法不需要對當前工區(qū)內(nèi)的巖性做出判斷，直接對目標區(qū)域淺層正常壓實范圍內(nèi)進行速度擬合，提高了工作效率和預測精度。

2）泊松比在不同的巖性和深度范圍內(nèi)具有不同的特性，當?shù)貙由疃冗_到一定深度后，縱橫波速度比和泊松比基本不受深度的影響，泊松比的這一特性可用于分段計算破裂壓力，新的破壓計算模型比常規(guī)的Stephen方法更適合深水區(qū)，提高了目標靶區(qū)破裂壓力的預測精度。

3）將改進的常規(guī)經(jīng)驗公式通過編程設計開發(fā)壓力預測平臺，用于實際生產(chǎn)，新方法預測結果誤差小，精度高，可用于南海北部深水盆地高溫高壓環(huán)境下的勘探設計井的鉆前壓力預測，滿足設計要求，具有良好的應用前景。

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