準(zhǔn)噶爾盆地環(huán)瑪湖斜坡區(qū)異常高壓成因機(jī)理分析及壓力預(yù)測(cè)方法

瞿建華，王澤勝，任本兵，白雨，王斌

準(zhǔn)噶爾盆地環(huán)瑪湖斜坡區(qū)異常高壓成因機(jī)理分析及壓力預(yù)測(cè)方法

瞿建華1，王澤勝1，任本兵1，白雨1，王斌2

（1.中國(guó)石油新疆油田分公司勘探開發(fā)研究院，新疆克拉瑪依834000；2.中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院西北分院，蘭州730020）

隨著油氣勘探的發(fā)展，人們逐漸認(rèn)識(shí)到地層壓力對(duì)油氣保存和單井產(chǎn)能的高低均有較大影響，因此有必要利用地震資料對(duì)地層壓力進(jìn)行定量預(yù)測(cè)。目前，廣泛應(yīng)用的異常地層壓力預(yù)測(cè)方法是建立在有效應(yīng)力理論基礎(chǔ)上的，該理論由Terzaghi提出，并在疏松介質(zhì)的力學(xué)分析中發(fā)揮了很好的作用，但是由于多孔介質(zhì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，有效應(yīng)力原理在多孔介質(zhì)中的應(yīng)用具有一定的局限性。在考慮了巖石物理性質(zhì)和力學(xué)平衡原理的基礎(chǔ)上，通過(guò)引入孔隙度參數(shù)得到了雙重有效應(yīng)力方程，使上覆巖層壓力、地層壓力和巖石骨架應(yīng)力之間的關(guān)系更合理，進(jìn)而建立了一種基于多孔介質(zhì)有效應(yīng)力原理的地層壓力預(yù)測(cè)新模型。通過(guò)對(duì)準(zhǔn)噶爾盆地西北緣環(huán)瑪湖斜坡區(qū)異常高壓成因的分析，在地質(zhì)成因的約束下利用新的壓力預(yù)測(cè)模型對(duì)研究區(qū)的地層壓力進(jìn)行了預(yù)測(cè)。

多孔介質(zhì)；孔隙度；地層壓力；異常高壓；有效應(yīng)力

0 引言

油氣層的壓力是油氣層能量的反映，也是推動(dòng)油氣在儲(chǔ)層中流動(dòng)的動(dòng)力［1-2］。在油氣田勘探階段，研究油氣層壓力（特別是油氣層異常高壓）的分布，不僅可以保證安全、快速地鉆進(jìn)，而且可以保證正確地設(shè)計(jì)泥漿比重和工程套管程序［3-5］。地層異常高壓也是油氣高產(chǎn)的重要因素，特別是對(duì)于頁(yè)巖氣與低滲透油氣藏等非常規(guī)油氣藏，異常高壓發(fā)育區(qū)帶往往是油氣高產(chǎn)區(qū)帶。由于各種測(cè)井方法均為“事后”技術(shù)，這就使得在初探區(qū)利用地震方法進(jìn)行鉆前地層壓力預(yù)測(cè)顯得尤為重要［6］。同時(shí)，地震地層壓力預(yù)測(cè)還可以提供較測(cè)井方法更為豐富的空間壓力分布信息。利用地震資料進(jìn)行地層壓力預(yù)測(cè)，主要是利用異常高壓地層層速度低的特點(diǎn)，因?yàn)樵谡Ｇ闆r下，地震波在地層中傳播的速度隨深度的增加而增加，當(dāng)出現(xiàn)異常高壓帶時(shí)，將伴隨出現(xiàn)層速度的降低［7］。

筆者從準(zhǔn)噶爾盆地環(huán)瑪湖斜坡區(qū)三疊系百口泉組低滲透砂礫巖儲(chǔ)層中存在異常高壓的現(xiàn)象出發(fā)，結(jié)合沉積體系分析和輕質(zhì)油氣的分布范圍分析研究區(qū)異常高壓的形成機(jī)理，并在異常高壓形成機(jī)理的指導(dǎo)下通過(guò)改進(jìn)壓力預(yù)測(cè)模型，建立一種基于多孔介質(zhì)有效應(yīng)力原理的壓力預(yù)測(cè)新模型，有效預(yù)測(cè)研究區(qū)異常高壓的分布范圍。

1 構(gòu)造背景及異常壓力成因機(jī)理

準(zhǔn)噶爾盆地是我國(guó)大型含油氣盆地之一，位于哈薩克斯坦板塊、西伯利亞板塊和天山褶皺帶之間的三角地帶，盆地南寬北窄，平面形狀近似呈三角形，面積為13.4萬(wàn)km2，平均海拔為500 m，沉積巖最大厚度為14 000 m。準(zhǔn)噶爾盆地是晚古生代—新生代的擠壓疊合盆地，經(jīng)歷了多期構(gòu)造演化、多期巖漿活動(dòng)和多源動(dòng)力作用，其地層壓力分布、成因及其與油氣成藏間的關(guān)系復(fù)雜［6］。

準(zhǔn)噶爾盆地環(huán)瑪湖斜坡區(qū)MH1井在三疊系鉆遇高壓油氣層，地層壓力系數(shù)高達(dá)1.53，自噴日產(chǎn)油48.33 m3，是近20年來(lái)環(huán)瑪湖斜坡區(qū)產(chǎn)量最高的油井，地層高壓是形成油氣高產(chǎn)的重要因素，因此開展地層壓力預(yù)測(cè)對(duì)尋找高產(chǎn)區(qū)帶尤為重要（圖1）。

圖1 環(huán)瑪湖斷裂帶與斜坡區(qū)三疊系地層連井對(duì)比Fig.1Strata correlation of Mahu slope area and faulted zone

通過(guò)對(duì)準(zhǔn)噶爾盆地環(huán)瑪湖斜坡區(qū)與斷裂帶沉積體系的分析以及連井對(duì)比可知，在遠(yuǎn)離物源的斜坡區(qū)三疊紀(jì)中晚期主要沉積環(huán)境為前扇三角洲或扇三角洲前緣遠(yuǎn)端，巖性為泥巖、泥質(zhì)砂巖或砂質(zhì)泥巖，粒度較細(xì)，砂層較薄，如M6與M2等井（參見圖1）。在斷裂帶（近物源）主要沉積環(huán)境為扇三角洲平原或扇三角洲前緣近端，儲(chǔ)層巖性主要為砂礫巖與粗砂巖，粒度較粗，砂層厚度較大，如X9井（參見圖1）。鉆遇異常高壓地層的探井均分布于斜坡區(qū)前緣相帶近端或遠(yuǎn)端，其儲(chǔ)層厚度均較薄，容易側(cè)向尖滅，頂、底及側(cè)向均有泥巖封堵，封閉條件較好，往往形成地層異常高壓；而靠近斷裂帶的探井均為正常壓力，儲(chǔ)層巖性主要為大套砂礫巖，封閉條件較差，壓力不能有效保存。

有機(jī)質(zhì)在一定條件下開始生烴，烴類生成是形成異常高壓的重要機(jī)制。有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化成烴類的過(guò)程中體積增加，生成的烴類和水一起使地層中的流體由單相流動(dòng)變?yōu)槎嘞嗔鲃?dòng)，等效滲透率降低到單相流動(dòng)時(shí)的1/10。烴類的生成引起流體體積增加，封閉條件良好時(shí)能產(chǎn)生極高的壓力［8］，同時(shí)烴源巖生烴形成的超強(qiáng)壓力引發(fā)水力破裂，烴類沿著水力破裂面進(jìn)行運(yùn)移，在上覆地層的圈閉中聚集成藏，可以形成傳遞性異常高壓［9］。

環(huán)瑪湖斜坡區(qū)三疊系異常高壓與晚期輕質(zhì)油氣的充注形成傳遞性異常高壓關(guān)系密切，研究區(qū)油氣主要來(lái)自下伏二疊系風(fēng)城組烴源巖，其與三疊系圈閉之間發(fā)育大型斷裂，源-圈高效溝通為形成傳遞性異常高壓奠定了基礎(chǔ)。傳遞性異常高壓的形成主要與晚期輕質(zhì)油氣充注有關(guān)，該區(qū)油氣充注主要為2期，分別為三疊紀(jì)末期及侏羅紀(jì)末期，在三疊紀(jì)末期目的層段百口泉組埋深大約為1 000 m，此時(shí)儲(chǔ)層滲透性較好，油氣進(jìn)入儲(chǔ)層排水通暢，不易形成異常高壓，而在侏羅紀(jì)末期，百口泉組埋深已經(jīng)達(dá)到2 500 m，地層滲透性變差，油氣進(jìn)入儲(chǔ)層排水不通暢，該期的油氣充注（特別是天然氣的充注）極易形成異常高壓［10］。從環(huán)瑪湖斜坡區(qū)18口井的三疊系試油層段原油密度與地層壓力系數(shù)交會(huì)圖（圖2）中可以看出，原油密度偏輕時(shí)地層壓力系數(shù)一般較高，特別是當(dāng)壓力系數(shù)達(dá)到1.4以上時(shí)，原油一般為輕質(zhì)油（晚期充注），原油密度低于0.81 g/cm3。

綜上所述，MH1井異常高壓的地質(zhì)成因主要有2方面：①較好的封閉條件。扇三角洲前緣相帶砂體常與泥巖呈互層狀結(jié)構(gòu)，頂、底及側(cè)向封閉性均較好，是形成異常高壓的必要條件。②在侏羅紀(jì)末期目的層段隨埋深增加物性逐漸變差，儲(chǔ)層中的流體交換變得不暢。隨著晚期油氣（特別是天然氣）大量注入，地層容易出現(xiàn)排水不暢，從而造成地層壓力升高。

圖2 環(huán)瑪湖斜坡區(qū)三疊系原油密度與地層壓力系數(shù)交會(huì)圖Fig.2Crossplot of crude oil density and formation pressure coefficient in Mahu slope area

2 壓力預(yù)測(cè)新模型

目前廣泛應(yīng)用的地層壓力預(yù)測(cè)方法是建立在有效應(yīng)力理論基礎(chǔ)上的［11］。從力學(xué)角度講，沉積壓實(shí)的原動(dòng)力來(lái)源于上覆巖層的重力，但又受地層壓力的影響。據(jù)文獻(xiàn)［11］報(bào)道，Terzaghi經(jīng)過(guò)多年對(duì)疏松介質(zhì)特性的研究，考慮2種力的綜合影響提出了有效應(yīng)力理論，即

式中：Pf為地層壓力，MPa；Pov為上覆巖層壓力，MPa；σ為有效應(yīng)力，MPa。

由于多孔介質(zhì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，有效應(yīng)力原理在多孔介質(zhì)中的應(yīng)用具有一定的局限性［12］。正像Terzaghi實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭兄螐椈傻臄?shù)量決定壓縮程度一樣，地下巖層的孔隙度也影響巖石被壓實(shí)的難易程度，巖石越密，單位體積顆粒就越多，它就越難被壓實(shí)。按式（1）定義，有效應(yīng)力顯然與孔隙度無(wú)關(guān)，因此它不是真正骨架支撐力；其次，Pf，Pov和σ均是單位面積上所受的力，實(shí)為壓強(qiáng)，而不是力的描述。

針對(duì)多孔介質(zhì)的特性，從力學(xué)平衡原理出發(fā)，筆者建立了新的壓力預(yù)測(cè)模型。在單位面積上，上覆巖層的總重力為上覆巖層壓力Pov，固體礦物骨架和孔隙流體分擔(dān)的2種壓力必然在該單位面積上按孔隙度的大小分配，即地層壓力Pf只作用于相當(dāng)于孔隙度φ那樣大的面積上，而有效應(yīng)力σ則作用于面積為100-φ的部分上。當(dāng)壓實(shí)達(dá)到平衡時(shí)，它們之間的關(guān)系為

式中：φ為孔隙度，%。

對(duì)式（1）～（2）的分析可以得到以下認(rèn)識(shí)：孔隙度是多孔介質(zhì)最重要的特性參數(shù)，沒(méi)有孔隙度的參與，有效應(yīng)力公式無(wú)法反映多孔介質(zhì)的特性，因而是不完整的，也是不妥當(dāng)?shù)模?3］；孔隙度參數(shù)是區(qū)分和聯(lián)系疏松介質(zhì)與多孔介質(zhì)的重要指標(biāo)，有了孔隙度參數(shù)的參與，有效應(yīng)力公式就將疏松介質(zhì)和多孔介質(zhì)統(tǒng)一起來(lái)了。

3 壓力預(yù)測(cè)方法應(yīng)用實(shí)例

準(zhǔn)噶爾盆地環(huán)瑪湖斜坡區(qū)已發(fā)現(xiàn)了多個(gè)油氣藏，勘探程度較高，到目前為止，研究區(qū)基本已被三維地震資料覆蓋。此外，該區(qū)還有多口探井的錄井和測(cè)井資料，為地層壓力預(yù)測(cè)提供了豐富的資料。

MH1井為研究區(qū)的一口探井，該井在鉆遇目的層三疊系百口泉組（T1b）時(shí)地層的可鉆性指數(shù)（DC指數(shù)）偏離趨勢(shì)線，為異常高壓。該段氣測(cè)全烴值在90%左右，氣測(cè)異常明顯；井深3 309.28 m時(shí)發(fā)生溢流，關(guān)井后套壓增至2 MPa，流壓增至1.17 MPa，折算地層壓力系數(shù)為1.53。對(duì)該井分別利用Terzaghi有效應(yīng)力原理模型［11］和新模型進(jìn)行地層壓力預(yù)測(cè)，計(jì)算結(jié)果如圖3所示。從圖3可以看出，在正常壓力段，利用Terzaghi模型計(jì)算的結(jié)果小于靜水壓力，而利用新模型計(jì)算的結(jié)果更接近靜水壓力。進(jìn)入異常壓力段后，MH1井鉆井實(shí)測(cè)，3 075～3 258 m地層壓力為40 MPa，3 258～3 324 m地層壓力為51 MPa，利用2種方法的計(jì)算結(jié)果均偏離靜水壓力趨勢(shì)線，但利用新模型計(jì)算的結(jié)果更接近實(shí)測(cè)壓力值。分別擬合利用2種模型計(jì)算的地層壓力系數(shù)與DC指數(shù)的關(guān)系（圖4），從擬合的結(jié)果可以看出，利用新模型計(jì)算的地層壓力系數(shù)與DC指數(shù)之間的擬合系數(shù)更高，擬合系數(shù)達(dá)到了0.95。

圖3 不同方法計(jì)算MH1井地層壓力隨深度變化曲線Fig.3Variations of formation pressure with depth of MH1 well calculated by different methods

圖4 不同方法計(jì)算的MH1井地層壓力系數(shù)與DC指數(shù)的交會(huì)圖Fig.4Crossplot of formation pressure coefficient and DC index of MH1 well calculated by different methods

根據(jù)研究區(qū)的地震資料，結(jié)合速度譜資料和多屬性反演資料，提取了目的層的層速度，并利用新的壓力預(yù)測(cè)模型進(jìn)行了地層壓力預(yù)測(cè)（圖5）。從圖5可以看出，從左往右，地層壓力系數(shù)總體上逐漸增高；斜坡區(qū)存在面積超過(guò)150 km2的壓力系數(shù)大于1.25的異常高壓分布區(qū)，為在環(huán)瑪湖斜坡區(qū)針對(duì)低滲透儲(chǔ)層的井位部署和有利鉆探目標(biāo)優(yōu)選均提供

圖5 環(huán)瑪湖斜坡區(qū)T1b壓力預(yù)測(cè)平面圖Fig.5Pressure forecast of T1b in Mahu slope area

了技術(shù)支撐。

4 結(jié)論

（1）環(huán)瑪湖斜坡區(qū)三疊系地層異常高壓影響因素為較好的封閉條件和晚期輕質(zhì)油氣的充注。

（2）Terzaghi模型壓力預(yù)測(cè)方法的理論依據(jù)是儲(chǔ)層頂界面的受力平衡方程，在各向同性彈性介質(zhì)中是可靠的；針對(duì)地下巖層為多孔介質(zhì)的特性，引入孔隙度參數(shù)完善了儲(chǔ)層頂界受力平衡方程，更加明確了方程中參數(shù)的物理意義。

（3）利用新的壓力預(yù)測(cè)模型進(jìn)行壓力預(yù)測(cè)的精度更高，MH1井實(shí)測(cè)壓力資料與計(jì)算壓力對(duì)比，吻合度高達(dá)95%。

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（本文編輯：李在光）

Genetic mechanism analysis and prediction method of abnormal high pressure in Mahu slope area,Junggar Basin

QU Jianhua1，WANG Zesheng1，REN Benbing1，BAI Yu1，WANG Bin2
（1.Research Institute of Exploration and Development，PetroChina Xinjiang Oilfield Company，Karamay 834000，Xinjiang，China；2.PetroChina Research Institute of Petroleum Exploration&Development-Northwest，Lanzhou 730020，China）

With the development of the oil and gas exploration,it is gradually recognized that the formation pressure has important effect on the hydrocarbon preservation and individual well deliverability.So it is necessary to quantitatively predict the formation pressure based on the seismic data.The prediction method of abnormal formation pressure widely applied now is based on the effective stress theory which is proposed by Terzaghi in 1923 and plays an important role in civil engineering practice.However,the effective stress theory has limitations in the porous medium which has complex structure.Considering the rock physical properties and mechanics equilibrium principle,we developed a new pressure prediction method based on the dual effective stress of porous medium through the introduction of dual effective stress equation related to porosity,making closer relationship among the overburden pressure,formation pressure and rock skelecton stress.We achieved good effect after putting this method in practical use to the formations in Mahu slope area,northwest of the Junggar Basin,through the analysis of the genesis of abnormal high pressure andconstrained by the geological origin.

porous medium；porosity；formation pressure；abnormal high pressure；effective stress

TE27+1

：A

2014-03-20；

2014-05-18

國(guó)家重大科技專項(xiàng)“十二五”計(jì)劃課題“天然氣復(fù)雜儲(chǔ)層預(yù)測(cè)與烴類檢測(cè)地球物理技術(shù)研究和應(yīng)用”（編號(hào)：2011ZX05007-006）資助

瞿建華（1981-），男，碩士，工程師，主要從事石油地質(zhì)綜合研究工作。地址：（834000）新疆克拉瑪依市準(zhǔn)噶爾路29號(hào)中國(guó)石油新疆油田分公司勘探開發(fā)研究院。E-mail：qujianh@petrochina.com.cn。

1673-8926（2014）05-0036-04