泥頁巖地層孔隙壓力預測新方法

陳 鳴，余立文，秦 瑞，高云龍，王 鋒

（中海石油（中國）有限公司湛江分公司，廣東湛江 524000）

孔隙壓力預測在泥頁巖地層中應用廣泛。在勘探階段，它可以用來分析烴類運移和儲層密封能力；在開發階段，它可以用來分析儲層驅動力和連通性；在鉆井階段，它可以作為套管設計的重要參考依據［1］。孔隙壓力與諸多儲層參數具有緊密的聯系，如孔隙度、流體類型、儲層連通性、地層壓實程度等，因此孔隙壓力信息能夠為儲層評價及鉆井提供一定的指導性意見。孔隙壓力通常是由盆地模型或地層速度求取，前者所求出的孔隙壓力準確度相對較低。

通常選取Eaton公式和Yan公式，通過地層壓實速度來預測地層孔隙壓力。但是Eaton 公式和Yan公式在預測孔隙壓力的過程中都存在缺點，即需要求取正常壓實速度。而正常壓實速度通常是由淺層的速度擬合求取，但在淺層聲波時差曲線缺失或波動大時誤差較大［2-3］。本文提出了一種新方法預測孔隙壓力，該方法聯合Eaton公式和Yan公式，在不求取正常壓實速度的情況下能準確預測出孔隙壓力［4-6］，避免了由于求取正常壓實速度所帶來的誤差。

本次研究在泥頁巖地層段運用新方法來預測基于測井及地震資料的孔隙壓力，該工區的巖性主要為泥頁巖，伴有少量的砂巖薄層與泥質砂巖薄層。測井結果顯示，新方法的預測效果明顯好于用Eaton公式與Yan公式，且新方法能夠成功地運用到地震資料預測上。在沿目的層提取的孔隙壓力平面圖上，產氣井位于孔隙壓力高壓異常區域，說明孔隙壓力與儲層特性密切相關，孔隙壓力信息為優質儲層評價提供了一個可行的方案。

1 孔隙壓力預測理論

1.1 速度-有效壓力公式

1.1.1 Eaton公式

Eaton 公式（1975）［7］通過地震波速度來預測有效壓力，其表達如下：

式中VP為實測地震波速度，m/s；VPn為正常壓實情況下的速度，m/s；Pd為有效壓力，MPa；Pdn為正常壓實下的有效壓力，MPa；E為Eaton系數。

1.1.2 Yan公式［8-9］

Yan等人在Eaton公式的基礎上，結合了實驗室巖心測量的數據，在保證輸入參數不變的情況下改進了Eaton 公式，預測結果較Eaton 公式更好，其表達式如下：

式中C為回歸系數。

1.1.3 新模型

結合上述兩種公式，本文得到一個新的預測孔隙壓力的公式。該公式由公式（1）和公式（2）消去VPn所得：

相對于Eaton公式和Yan公式，利用新模型求取有效壓力的優點是不需要求取正常壓實速度VPn。因此在淺層聲波時差曲線缺失或者曲線波動大，難以確定VPn的情況下利用新方法能夠更為準確地求出地層的孔隙壓力。

1.2 孔隙壓力求取流程

利用測井資料預測孔隙壓力流程圖見圖1。

孔隙壓力求取需要用到密度測井和聲波測井，具體計算步驟如下：

（1）用密度曲線求出上覆地層壓力PC：

式中，PC為上覆地層壓力，MPa；ρz為密度測井值，g/cm3；g為重力加速度，m/s2；d為回歸系數；H為深度，m。

（2）求出靜水壓力PPn及正常壓實情況下的有效壓力Pdn：

式中，PPn為靜水壓力，MPa；ρ水為水的密度，g/cm3。

（3）由實測速度曲線判斷出正常壓實層段并擬合出正常壓實速度曲線VPn：

式中，c為擬合直線斜率;VO為擬合直線截距，m/s。

（4）結合公式（4）～（7）以及聲波測井曲線，帶入到速度-有效壓力公式求出有效壓力Pd；

（5）用有效壓力定理求出孔隙壓力PP：

2 測井資料預測結果

基于測井資料，運用Eaton 公式、Yan 公式和新提出的公式，分別對一口泥頁巖井進行了孔隙壓力預測，所預測出來的孔隙壓力如圖2 所示。該井在目的層泥頁巖地層中產有頁巖氣。圖2中第二列的正常壓實趨勢線VPn由淺層泥頁巖的縱波速度擬合，該參數是Eaton公式、Yan公式都必需的參數。但是由于淺層縱波速度曲線波動較大的原因，所求取出來的VPn并不準確，因此Eaton 方法和Yan 方法所預測出來的孔隙壓力缺乏一定的可信度。圖2中最后一列的紅點數據為地層壓力測試得到的實測孔隙壓力點，用來作對比研究找出最適用于泥頁巖地層的孔隙壓力預測方法。從圖2 可以看出，通過新方法預測出來的孔隙壓力與實測的孔隙壓力數據結果最為相近，因此相對于Eaton 公式和Yan 公式，新方法在該井的預測效果最好。這主要是由于新方法不需要求取VPn的緣故，從而避免了在求取VPn的過程中所帶來的誤差。從圖2 中的第4 列和第5 列可以看出，該井在580～640 m 深度段是富含有機質和CH4的含氣層段，主要產頁巖氣。且在該層段預測出來的孔隙壓力要明顯大于靜水壓力，主要的高壓生成機制是由于生烴作用引起的。因此孔隙壓力的高壓異常可以作為評估儲層含氣性的一個重要參數。

圖2 泥頁巖井孔隙壓力預測結果分析

3 影響因素分析

地層壓力計算過程中需要用到密度、縱波速度，為了研究密度和縱波速度是如何影響地層壓力的，選取了該井620～670 m 近似深度層段的數據進行了影響因素研究,分別了解密度和縱波速度對有效壓力和孔隙壓力的影響。首先通過式（3）得出了有效壓力隨密度和縱波速度的變化規律，結果如圖3 所示。圖3 中黑色的線代表正常壓實下的有效壓力，可以看出當密度和縱波速度變化時，正常壓實下的有效壓力也會產生變化。這主要是由于巖層的密度和縱波速度增大時，會導致上覆地層壓力增大，因此正常壓實下的有效壓力也增大。圖3 中的黑點代表井中產氣層段的數據，左邊圓圈的數據對應井中620～650 m 深度段，該層段產頁巖氣；右邊圓圈的數據對應井中650～670 m 深度段的數據，該層為正常壓實層段，不產頁巖氣。從圖3 中可以看出，相比于正常壓實層段的數據，產頁巖氣層段的數據具有更小的縱波速度、更小的有效壓力和相對較小的密度，這主要是由于地層含氣的原因。

圖3 密度和縱波速度對有效壓力的影響

結合有效應力定理，通過式（3）可以得出孔隙壓力隨密度和縱波速度的變化規律，結果如圖4 所示。圖4 中黑色的線代表正常壓實下的孔隙壓力，即靜水壓力，從圖中可以看出當密度和縱波速度按一定比例增大時，孔隙壓力保持靜水壓力不變，而密度和縱波速度的變化規律不滿足這個條件時，地層就會處于孔隙壓力高壓或者低壓的狀態。當密度增大明顯多于縱波速度時，地層處于超壓狀態；相反，地層就會處于低壓狀態。圖4 中左側圓圈內的數據顯示了更小的縱波速度、更大的孔隙壓力和相對較小的密度，這主要是由于地層含氣的原因。

圖4 密度和縱波速度對孔隙壓力的影響

在圖3 和圖4 中，左側圓圈內的數據對應為井中650～750 m 深度段的數據，即圖2 中的產氣層段。從上述影響因素分析可以得知，該層段的數據顯示了較小的縱波速度、較小的有效壓力、較大的孔隙壓力和相對較小的密度，這與圖2 中所顯示的規律是一樣的。因此這些儲層參數對于研究儲層的含氣性具有至關重要的作用。

4 地震資料預測孔隙壓力

通過上述研究已經知道新方法能夠比較精準地利用測井資料預測出孔隙壓力，因此該方法在本工區較為適用，利用該方法求取地震上的孔隙壓力也是合理的。為了增加預測結果的精準度，公式（3）中所用到的回歸參數C和E通過實測孔隙壓力資料標定的方法來得到。同時，測井上預測的孔隙壓力被用來檢驗地震資料預測結果的精準度［10］。

基于地震層速度剖面，利用新方法求取了地震資料上的孔隙壓力剖面，如圖5 所示。從圖5 可以看出，孔隙壓力剖面分辨率較低的原因是因為所用到的層速度剖面分辨率較低。井上預測出的孔隙壓力與地震剖面吻合度較好。因此，利用新方法預測該工區地震資料上的孔隙壓力是可行的。

圖5 基于地震資料預測的過井孔隙壓力屬性剖面（顏色指示孔隙壓力）

圖6是沿目的層提取出來的沿層孔隙壓力平面圖。該目的層產頁巖氣。為了優選出目的層段的優質產氣段，孔隙壓力沿層平面圖在此可起到對比分析的作用，并在孔隙壓力平面上區分出優質產氣段和普通層段。從圖6 中可以看出，產氣井剛好為孔隙壓力異常高壓的區域，明顯不同于周圍區域孔隙壓力的特征。所以，更希望選取孔隙壓力異常高壓的區域作為研究區域，因為根據上述研究，該區域含氣的可能性更高。

圖6 沿目的層提取的孔隙壓力屬性平面圖（顏色指示孔隙壓力）

5 結論

本文針對泥頁巖地層提出了一種新的孔隙壓力預測方法，相比于常用的Eaton 公式和Yan 公式，在預測孔隙壓力的過程中不需要求取正常壓實速度，從而避免了求取正常壓實速度過程中產生的誤差。研究結果表明：該方法用在測井上的預測效果要明顯優于Eaton公式和Yan公式，且在利用地震資料上預測結果同樣也是可靠的，與測井結果的匹配度較高，另外，預測的孔隙壓力剖面對于泥頁巖地層的優質儲層評價具有一定的指導性作用。