東海西湖凹陷區深層壓力突變成因及預測方法

中圖分類號：TE142；TP319 文獻標志碼：A

Abstract： The abrupt change of deep formation pressure is a prominent problem in Xihu Depressionof East China Sea Basin， which makes itdificult topredictduetoitsunknowncauses，andcanseriouslyrestricts thesafeandeficient drllingoperation.In order to explain this special phenomenonofthe pressureabrupt changein thetarget block，acomprehensive Bowers method （loading-unloading curve method）andanacoustic velocitydensitycrosslot methodwereused to identifythe pressureforming mechanismsofdiferentlayers indeepformationandtheinfluenceof lithologyonpressureabruptchange.Further，anew pore pressure prediction modelfordeep formation was establishedbasedoncorrction parameters that exclude the influenceof highabundanceorganic materandnano-scaleorganicpores，butconsideringthe influenceof multiplesources such as pressure forming mechanism，lithologychange，rock mechanical properties，rockconduction propertiesandrock volume properties.Theresultsshowthatthe pressre abruptchange is mainlycausedbythe pressure forming mechanismand lithologyof different deep strata in XihuDepression.The pressure surge inthemiddle Pinghu Formation is mainlycaused by hydrocarbon generationand pressre transferof non-source rocks，andthepressurereversal inthelower PinghuFormationis mainlycaused by structural compresion of non-source rocks.Combined withthe measured data offour wels in the study area，it is verified that the prediction error of the new model is controlled within 5.0% ，and the average error is only 2.3% ， which shows good applicability and high prediction accuracy of the new model.

Keywords： Xihu Depresion;； pressure abrupt change； pressure formation mechanism； multiple sources； measured data

東海盆地西湖凹陷是中國近海海域最大的新生代沉積盆地[1]，根據大量鉆井實測資料表明，西湖凹陷深部地層中不同層段、不同巖性的孔隙壓力分布規律復雜多變，尤其平湖組壓力突變的特殊壓力現象導致出現先增壓后降壓系統特征。壓力突變是指地層中孔隙壓力在短時間內發生劇烈變化，一般壓力突變主要包括壓力激增和壓力反轉兩種情況。鉆井作業過程中壓力突變可能會導致井涌、井漏及鉆頭卡鉆等復雜事故，隨著油氣勘探開發轉向深部復雜地層，實鉆過程中壓力突變現象更為頻繁發生，嚴重制約著鉆井作業安全高效進行，對西湖凹陷深層油氣勘探開發帶來巨大挑戰。超壓成因的精準判識與合理的地層壓力預測方法是闡明異常壓力變化現象的關鍵，因此明確西湖凹陷成壓機制對于壓力突變形成和預測具有重要意義。探究巖石力學屬性（有效應力、上覆巖層壓力）和巖石物理屬性（聲波、電阻率、密度）關系是精確描述孔隙壓力變化的有效手段。Eaton法和Bowers法[2在明確超壓成因的前提下基于測井資料中有效應力與速度之間的關系構建了孔隙壓力模型。Fillippone 法[3不依賴正常趨勢線采用高精度反演的層速度預測孔隙壓力。樊洪海[4]綜合Eberhart-Phillips提出的經驗公式，建立了考慮泥質含量、孔隙度、垂直有效應力對聲波速度影響的綜合解釋方法。近年來，諸多學者在上述方法的基礎上進行了改進工作，分別建立了適應目標區塊的地層壓力預測模型[5-9]。然而，已有研究無法較好地解釋西湖凹陷壓力突變現象，且預測結果都與實鉆測壓存在較大偏差，給深部地層鉆井作業帶來了較高風險。因此為準確描述西湖凹陷深部地層的壓力突變特殊現象，在消除烴源巖有機質造成的壓力假象前提下，筆者結合不同層位及巖性的成壓機制精準判識，建立適用于深部壓力突變地層的孔隙壓力預測新模型，為東海盆地西湖凹陷區深層勘探開發提供技術借鑒。

壓力突變現象描述

西湖凹陷位于東海陸架盆地東北部，平面上自西向東劃分為西部斜坡帶、西部次凹帶、中央反轉構造帶、東部次凹帶和東部斷階帶5個次級構造單元[10]（圖1）。研究區西部斜坡帶平湖組西湖凹陷是目前勘探開發的主戰場，其煤系地層、烴源巖有機質豐度發育，成為主力烴源巖地層。綜合利用測壓數據、鉆井液密度等實鉆資料對研究區進行分析，發現不同層位、不同巖性地層壓力結構差異較大，整體上壓力系數隨著深度增大先增后降（圖2）。平湖組上段、中段下段壓力系數（壓力當量密度）分別為0.97～1.33，1.00～1.47，1.06～1.87g/cm³ 。深部地層壓力縱向分布復雜，自平湖組中段開始起壓，進入平湖組中段下部壓力增大明顯，到平湖組下段頂部壓力系數激增呈階梯狀向下快速增加（圖3），但平湖組下段底部壓力有降低回頭特征，局部井區壓力急劇下降，呈現壓力反轉現象。預測地層壓力與實際偏差較大（表1），深層瀕發的壓力突變現象已嚴重限制了研究區鉆井作業的順利實施。

表1X井平湖組的實測地層壓力與預測地層壓力對比

Table1Comparisonbetweenmeasured pressureand predictedpressureofPinghuFormationinwellX

2 壓力突變成因

Bowers（加載-卸載曲線）法[可以通過對加載-卸載過程中巖石傳導屬性和體積屬性的不同響應特征來精確判識異常壓力成因，其考慮了巖石力學參數和巖石物理參數，目前有效應力-速度圖和有效應力-密度圖被廣泛應用于成壓識別（圖4（a）、（b））。聲波-密度交會圖法（圖4（c））是在Bowers法的基礎上發展起來的，不均衡壓實、構造擠壓與正常壓力位于加載曲線上，其他機制落入加載曲線之外。因此結合有機質演化特征和構造地質特征，利用上述兩種方法可以有效判別成壓機制。通過收集研究區多口井的聲波時差、密度、自然伽馬等測井資料，深入分析壓力激增和壓力反轉的成因，利用已鉆井實際測壓數據繪制超壓測井參數響應圖。根據有效應力平衡方程，某一深度的垂直有效應力等于相同深度靜巖壓力與流體壓力的差值：

σ=S-p.

式中， σ 為垂直有效應力， MPa;S 為靜巖壓力， MPa ：p 為同深度下的流體壓力， MPa 。

式中， ρ_w 為海水密度， g/cm³;ρ_r 為巖層密度， g/cm³ ：g 為重力加速度， m/s² H_i 為轉盤面到海平面的高度， m;H₂ 為海平面到泥線的深度， m;H₃ 為泥線以下的深度， m 。

2.1 壓力激增

研究區A井預測井底P8層 4890m 處地層溫度約為 165°C ，井底孔隙壓力最高約為 1.5g/cm³ 。實鉆至P7層 4695m 處最大氣測值為 24% ;以1.47g/cm³ 鉆井液密度鉆至P8層 4841m 處最大氣測值為 38% ，將密度提至 1.69g/cm³ 后模擬單根氣，分別為 21% 和 12% ;將密度提至 1.8g/cm³ ，模擬無單根氣。根據MDT結果及氣測、后效氣等綜合分析的結果表明，A井平湖組P5層開始起壓，P6層底部地層壓力 1.35g/cm³ ，P7層底部孔隙壓力增加至1.50g/cm³ ，到P8層底部 4848m 處孔隙壓力快速增至1.80g/cm³ ，呈現壓力激增特征。

在圖5（a）、（b）中，P8層超壓帶隨有效應力的減小，聲波速度減小而密度保持不變。在聲波-密度交會圖5（c）中，聲波速度隨孔隙壓力的增大而減小，密度基本保持不變，兩種判別方法都表現出彈性卸載的特征，而黏土礦物轉化表現出非彈性卸載過程，流體膨脹或壓力傳遞可能是P8層位異常高壓的成因。從巖性角度分析，鑒于西湖凹陷是富烴凹陷，平湖組中下段又為西湖凹陷的主力烴源巖，煤層和炭質泥巖發育豐度高，有機質熱演化進人大量生排烴階段，表明生烴作用是P8層位的超壓成壓機制之一。滲透性砂巖層中的異常壓力一般來自于鄰近高壓泥質巖層的壓力傳遞[12]，因此烴源巖的生烴作用和非烴源巖的壓力傳遞是導致P8層壓力激增現象的主要原因，前者聯系更為密切。

2.2 壓力反轉

研究區B井預測井底P9層 4700m 處地層溫度約為 140^°C ，井底孔隙壓力最高約為 1.6g/cm³ 。四開鉆至 4337m 揭開平湖組P8高壓層，提高鉆井液密度至 1.5g/cm³ ，鉆至P9層底部時，鉆具發生黏卡。根據實測壓力分析壓差卡鉆是主要原因，P9層上部孔隙壓力為 1.48g/cm³ ，而 P9層中部井深 4450m 以下出現壓力反轉，P9層 4544m 降至常壓 1.06g cm³ ，此時實用鉆井液密度仍為 1.48g/cm³ ，該井段壓差值超過 20MPa 。因此P9層孔隙壓力呈現壓力反轉特征，揭示其成因對于降低作業風險尤其重要。

在圖6（a）、（b）中，P9層壓力帶隨有效應力基本不變，而聲波速度和密度同時增加。由圖6（c）可知，聲波速度隨孔隙壓力的減小而增大，密度在增大。不同交會圖分析可看出平湖組P9層的成壓機制為構造擠壓作用。從壓力封存箱以及巖性的角度加以判別，隨著埋深逐漸增加，儲層厚度不斷增大，砂地比持續升高，平湖組下段煤層的發育豐度卻顯著降低，其生烴與排烴能力也隨之減弱，這就意味著烴源巖生烴作用所引發的異常高壓成因已不再占據主導地位[13]。綜合上述兩種判識方法，都清晰地表明P9層的成壓機制相較于其他層段存在顯著差異。因此P9層非烴源巖受構造擠壓作用而產生的顯著變化是導致該層壓力快速反轉的主要原因。

2.3 壓力突變成因總結

利用實測壓力點聲波、密度及有效應力數據繪制交會圖，有利地佐證A井壓力激增和B井壓力反轉成因分析的合理性。結合圖7可得，壓力系數大于 1.4g/cm³ 的點都位于卸載曲線和平湖組P7—P8層段上，表明平湖組P7一P8層超壓主要由卸載作用導致；而壓力系數在 1.2～1.4g/cm³ 的點都位于平湖組P5、P6、P9層段和加載曲線上，但P5—P6層段聲波和密度隨有效應力增加而增加，P9層段有效應力基本不變，且聲波和密度都呈增大趨勢，這表明平湖組P5—P6層高壓主要由不均衡壓實作用導致，P9層高壓主要由構造擠壓作用導致；壓力系數在 1.0～1.2g/cm³ 的點位于花港組、平湖組P1—P4層段和加載趨勢線上，花港組和平湖組P1一P4層主要是常壓地層。

圖7西湖凹陷區實測壓力點處垂直有效應力、聲波速度、密度交會圖

Fig.7Crossplotof vertical effective stress，acoustic velocityand densityat measured pressure points in Xihu Depressiol

通過對西湖凹陷典型的壓力激增A井、壓力反轉B井以及實測壓力點的有效應力-聲波-密度交會圖分析表明：西湖凹陷深層主要存在不均衡壓實、生烴作用、壓力傳遞、構造擠壓等多種成壓機制，其中烴源巖的生烴作用和非烴源巖的壓力傳遞、構造擠壓作用分別導致壓力激增和壓力反轉。從巖性角度分析，深層孤立砂巖中的超壓由于具有良好的密封環境，與泥巖中的超壓接近。連續分布的砂巖層在擠壓和斷裂活動的影響下，流體開始側向流動常會導致壓力耗散，而泥巖的壓力可以保持一定的超壓。因此不同層段成壓機制和巖性的顯著差異是壓力突變主要成因。

3 預測方法與實踐

3.1 測井資料的收集和校正

不同巖性所導致的成壓機制及壓力分布呈多樣性。在分析烴源巖層段的超壓成因時，由于有機質的含量及類型對密度、聲波速度等測井參數有明顯影響。因此在開展成壓機制分析和地層壓力預測前，須進行巖性識別和有機質含量校正。泥質含量V_sh-TOC 法是一種常用巖性識別方法[14]，自然伽馬精確解釋的泥質含量 V_sh 與巖性之間的良好對應關系，根據 V_sh 可以將巖性劃分為砂巖類、粉砂巖類和泥頁巖類（表2，圖8（a））。

表2巖性劃分標準

Table 2 Lithology division standard

生烴過程中干酪根等成熟的有機質和有機孔隙的存在造成聲波時差數據波動，相當多的聲波時差異常[15-16]可能是高豐度有機質和納米級有機孔隙引起的欠壓實異常假象[17]。因此為了消除高豐度有機質和有機孔隙造成的聲波時差異常，構建了基于修正Wyllie方程的巖石物理模型

圖8西湖凹陷區A井測井數據校正圖

Fig.8Correction of well A logging data in Xihu Sag

根據Wyllie公式可得，前人的研究中考慮了烴源巖體積模型中固體有機質，高豐度有機質烴源巖的巖石聲波時差 Δt 和孔隙度 φ 可以表示為

式中， Δt 為巖石聲波時差， μs/m;φ 為巖石總孔隙度， %;φ_r 為有機質含量， η₀;Δt_ma 為巖石骨架聲波時差， μs/m Δt_om 為有機質聲波時差， μs/m;Δt_f 為孔隙流體聲波時差， μs/m 。

考慮有機孔隙時，則總孔隙度 φ 可表達為

φ=φ_i+φ_o.

式中， φ_i 為無機孔隙度， %;φ_o 為有機孔隙度， % ：

由此，考慮有機質和有機孔隙的影響，令有機質 含量為0，則校正后聲波時差為

Δt_c=（1-φ）Δt_ma+φΔt_f.

結合式（5）整理可得有機孔隙發育造成的聲波時差響應 Δt_c 為

Δt_c=（1-φ_i）Δt_ma+φ_o（Δt_fm-Δt_ma）+φ_iΔt_fo+φ_oΔt_fo+

式中， Δt_fm 為無機孔隙內流體的聲波時差， μs/m ：Δt_fo 為有機孔隙內流體的聲波時差， μs/m 。

式（7）中第二項為有機孔隙對異常壓力計算的影響，需要將該項從原始聲波時差中剔除，同時剔除第三項無機孔隙對有機孔隙內流體聲波時差的影響，獲得校正后的聲波時差為

Δt_c=（1-φ_i）Δt_ma+φ_oΔt_fo+φ_iΔt_fm.

利用校正公式剔除高豐度有機質、納米級有機質孔隙對測井數據的影響（圖8（b））。

3.2 壓力突變新模型構建

通過對壓力突變成因分析表明，不同層位成壓機制和巖性的變化是導致短時間壓力發生急劇變化的主要原因，尤其在深部地層中更為常見，孔隙壓力計算模型應避免響應特征多解性導致的偏差[18]。為了更好地描述壓力激增和壓力反轉的現象，綜合考慮壓力突變成因中成壓機制和巖性變化的影響，提出一種適應深層壓力突變的孔隙壓力預測方法。

解釋不同層位異常壓力成因主要是利用巖石物理屬性（聲波速度）和巖石力學性質（有效應力）的響應。不同Eaton指數 n 可以預測不同成壓機制的孔隙壓力。在對有效應力法的不確定分析中， n 在壓力激增時隨壓力增大而增大，壓力反轉時隨壓力減小而減小，孔隙壓力與指數 n 呈正相關。上述表明根據地層成壓機制不同，改變指數 n 可以描述復雜深層中出現的壓力突變。

然而指數 n 僅靠經驗來頻繁改變會導致壓力預測的不確定性程度加大。利用測井資料和測壓數據反演可以得到指數 n ，發現其并不是一個固定數值，與反映地層特性的聲波時差關系密切，尤其是進入深層壓力突變層段后與聲波時差變化程度具有相似趨勢。經研究發現進入平湖組壓力突變地層后指數n 與 （v_n-v） （ v 和 v_n 分別為實測聲波速度和正常聲波速度， m/s ）表現出較好的線性關系，線性回歸系數為0.98（圖9），表明具有較好的相關性。因此通過f（v_n-v） 函數可以有效反映不同壓力突變情況下有效應力與聲波速度之間的關系，從而進一步構建適用于壓力突變地層的有效應力-聲波速度變化預測模型，

其中

n=0. 002 17（υ_n-υ）+1. 55265，

式中， s 為上覆巖層壓力， MPa;p_p 為孔隙壓力， MPa p_h 為靜水壓力， MPa;σ 和 σ_n 分別為實際垂直有效應力和正常壓實下垂直有效應力， MPa ： Δt 和 Δt_n 分別為實際聲波時差和正常聲波時差， μs/m;H 為實鉆井的垂直深度， m;k 和 z 分別為壓實趨勢線的斜率和截距； a 和 b 分別為線性擬合 n 的斜率和截距。

圖9指數 n 隨聲波速度差值變化相關圖 Fig.9Correlation diagram of exponential n with acousticvelocitydifference

巖性的變化對壓力突變的影響同樣不可忽視，西湖凹陷的烴源巖和非烴源巖兩種不同巖性的異常壓力呈現雙向變化趨勢。測井數據自然伽馬可以精確解釋泥質含量，巖性與泥質含量有很好的對應關系，利用泥質含量值可以描述巖性的變化（表2）。由Eberhart-Phillips提出的聲波速度與孔隙度、有效應力、泥質含量的函數[4]，充分考慮了巖性變化的影響：

式中， v_p 為聲波速度， m/s ; σ_ev 為垂直有效應力， MPa 。

盡管上述方法充分研究了密度、孔隙度、聲波時差、有效應力、巖性對聲波時差的影響，但未考慮成壓機制的影響，僅是擬合了加卸載機制的地層相關參數，對于多源成壓機制的地層中預測誤差較大。借鑒此方法的優點，引入泥質含量和孔隙度這兩個參數。綜合考慮壓力突變成因中成壓機制和巖性變化的影響，建立 v_p （巖石傳導屬性）與 φ （巖石體積屬性） ?^σ （巖石力學性質）、 V_sh （巖性） v_n-v 與 n 變化關系（成壓機制）的非線性方程：

前文已經確定了關系式中的 ，在此只需要確定泥質含量和孔隙度系數即可，收集多口井的實際測壓數據和測井資料，利用最小二乘法進行參數擬合得到 和 d ，求取后的適用于深部壓力突變地層的孔隙壓力預測模型為

3.3 新模型在東海西湖凹陷地區的應用

利用研究區4口壓力突變井進行模型應用，其中A與C為壓力激增井，B與D為壓力反轉井，并結合實測壓力進行模型誤差分析。圖10為A井與B井的預測結果，A井在P8層頂部到P8層底部孔隙壓力從 1.5g/cm³ 激增至 1.8g/cm³ 。B井在P9層中部出現壓力反轉，底部壓力系數快速降至1.06g/cm³ ，下降幅度為 0.48g/cm³ 。誤差分析結果（表3）表明，A井和C井壓力激增預測平均誤差分別為 1.51% 和 2.28% ，B井和D井壓力反轉預測平均誤差分別為 2.75% 和 2.67% ，新模型預測誤差帶小于 5.00% ，平均誤差僅為 2.3% 。以上結果說明新方法在西湖凹陷地區具有較好的適用性和較高的預測精度，為深部地層壓力突變的預測提供了一種新思路。

圖10 西湖凹陷區A與B井地層壓力預測結果

Fig.10Prediction results of pore pressure of A and B wells in Xihu Depression

表3研究區4口井實測壓力與預測壓力對比

Table 3 Comparison between measured and predicted pressure in four wells in study area

續表

4結論

（1）利用測井曲線計算法（ V_sh -TOC法）篩選出富含有機質的烴源巖，通過修正Wyllie巖石體積模型，對富含有機質的烴源巖聲波時差進行校正，有效地消除烴源巖中有機質造成的聲波時差異常，減小泥巖超壓研究結果的不確定性。

（2）西湖凹陷區深部地層不同層段的成壓機制和巖性顯著差異性是導致壓力突變的主要成因。平湖組頂部異常高壓主要由不均衡壓實作用導致，平湖組中部壓力激增主要由烴源巖的生烴作用以及非烴源巖的壓力傳遞導致，平湖組下部壓力反轉主要由非烴源巖的構造擠壓導致。

（3）對于目標區塊出現的壓力突變特殊現象，應用Eaton和Bowers等已有方法針對壓力激增和反轉點預測會出現較大誤差。結合研究區4口井實測數據，新模型預測誤差帶小于 5.00% ，平均誤差僅為 2.30% ，適用性較好，預測精度較高。

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