縫洞型碳酸鹽巖地層孔隙壓力測(cè)井預(yù)測(cè)方法研究

王亞娟 彭夢(mèng)蕓 李世銀 琚巖 莊大琳

(1.西南石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，成都 610500;2.西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院，成都 610500;3.中國(guó)石油塔里木油田公司勘探開(kāi)發(fā)研究院，新疆 庫(kù)爾勒 841000)

目前基于測(cè)井資料預(yù)測(cè)地層孔隙壓力常用的方法有等效深度法、Eaton(伊頓法)、有效應(yīng)力法等。

(1)等效深度法。由Hottman和Johnson提出，該方法基于沉積巖的正常壓實(shí)理論，通過(guò)構(gòu)建測(cè)井參數(shù)的正常壓實(shí)趨勢(shì)線進(jìn)行地層孔隙壓力測(cè)井預(yù)測(cè)。

(2)Eaton法。即伊頓法，Eaton在對(duì)墨西哥灣等地區(qū)地層孔隙壓力大小及測(cè)井信息關(guān)系分析的基礎(chǔ)上，研究得到地層孔隙壓力與測(cè)井參數(shù)之間的冪指關(guān)系模型，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)地層壓力測(cè)井預(yù)測(cè)［1］。與等效深度法相似，該方法同樣以正常壓實(shí)為理論基礎(chǔ)，并需要構(gòu)建正常壓實(shí)趨勢(shì)線。

(3)有效應(yīng)力法。該方法基于Terzaghi有效應(yīng)力理論，在上覆地層壓力分析基礎(chǔ)上，通過(guò)建立有效應(yīng)力與測(cè)井巖石物理響應(yīng)的關(guān)系進(jìn)行地層孔隙壓力預(yù)測(cè)。其中，準(zhǔn)確、合理獲取所分析地層的有效應(yīng)力是該方法的關(guān)鍵，Bowers［2］、Han［3］、Eberhart Phillips［4］等眾多學(xué)者［5-8］對(duì)有效應(yīng)力計(jì)算模型進(jìn)行了不懈探索和改進(jìn)，使得該方法日益成熟。

上述方法在砂泥巖地層已得到廣泛應(yīng)用，并取得了較好的應(yīng)用效果。但對(duì)于縫洞發(fā)育的碳酸鹽巖地層而言，成巖、構(gòu)造及儲(chǔ)層中油氣生成、運(yùn)移、存儲(chǔ)的復(fù)雜性使得異?？紫秹毫Τ梢驒C(jī)制十分復(fù)雜，目前尚無(wú)明確的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)用以判定孔隙壓力預(yù)測(cè)方法的適用性及應(yīng)用效果。

鑒于此，本文以塔里木盆地碳酸鹽巖儲(chǔ)層為例，研究縫洞型碳酸鹽巖地層孔隙壓力測(cè)井預(yù)測(cè)方法，并探討其適用性。

1 研究工區(qū)基本地質(zhì)特征

研究工區(qū)為一個(gè)下部碳酸鹽巖與其上覆碎屑巖組成的大古隆起，碳酸鹽巖類儲(chǔ)層主要分布在奧陶系，地層埋深普遍在5 000 m以上，其上部為灰色、褐灰色泥晶灰?guī)r、粉晶灰?guī)r，巖性致密，下部為褐灰色、灰色、淺灰色含泥灰?guī)r、含云灰?guī)r、泥晶灰?guī)r。受多期次構(gòu)造以及成巖膠結(jié)、溶蝕、造縫等作用的影響，儲(chǔ)集層的非均質(zhì)性強(qiáng)，局部縫洞發(fā)育充分，縫洞規(guī)模大小不一。儲(chǔ)集空間以次生溶蝕孔洞、裂縫為主;儲(chǔ)層類型以孔洞型和裂縫— 孔洞型為主，局部發(fā)育裂縫型和洞穴型儲(chǔ)層。

鉆井過(guò)程中，該套地層多次發(fā)生溢流、井漏等井下復(fù)雜現(xiàn)象，對(duì)鉆井安全造成極大威脅，嚴(yán)重阻礙了該工區(qū)油氣高效開(kāi)發(fā)進(jìn)程。

2 基本原理及計(jì)算模型建立

2.1 等效深度法

等效深度法假定:在正常壓實(shí)成巖條件下，深度不同但具有相同巖石物理性質(zhì)或測(cè)井值的泥頁(yè)巖骨架所受的有效應(yīng)力相等［9］?；谠摷俣?，在建立正常壓實(shí)趨勢(shì)線的基礎(chǔ)上，如果異常壓力段與正常壓實(shí)趨勢(shì)線上某一點(diǎn)具有相同的測(cè)井值，則這2點(diǎn)的壓實(shí)程度和深度等效。

正常壓實(shí)趨勢(shì)線的正確構(gòu)建是利用等效深度法進(jìn)行地層孔隙壓力測(cè)井預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)與關(guān)鍵。聲波、密度、電阻率、自然伽馬等多條測(cè)井曲線均可用于正常壓實(shí)趨勢(shì)線的建立，但為了避免其他因素的影響，建議選用受井眼不規(guī)則程度及地層非均質(zhì)性影響較小的聲波時(shí)差測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)［10］?？紤]到正常壓實(shí)理論的適應(yīng)性，通常選用純泥巖層段的測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行正常壓實(shí)趨勢(shì)線的構(gòu)建。

構(gòu)建研究工區(qū)A1、A2井正常壓實(shí)條件下聲波時(shí)差的趨勢(shì)線(圖1)，并得到聲波時(shí)差與地層埋深的關(guān)系(式1)，進(jìn)而得到等效深度法計(jì)算模型(式2)。

圖1 工區(qū)A1井、A2井壓實(shí)趨勢(shì)線

2.2 Eaton 法

與等效深度法相同，Eaton法同樣基于泥巖正常壓實(shí)理論并以正常壓實(shí)趨勢(shì)線的構(gòu)建為基礎(chǔ)，該理論方法中引入了壓實(shí)校正系數(shù)c，也稱為Eaton指數(shù)。通常將系數(shù)c作為常數(shù)進(jìn)行處理，但近期的研究發(fā)現(xiàn)，校正系數(shù)c在不同地區(qū)(不同地質(zhì)沉積盆地)由于巖性、成巖作用程度以及流體類型的差異而不同［11-12］。以 A1、A2井為研究對(duì)象，分別建立由實(shí)測(cè)點(diǎn)計(jì)算的Eaton指數(shù)與深度、聲波時(shí)差的關(guān)系曲線(圖2)，可看出Eaton指數(shù)與地層埋深、聲波時(shí)差具有較好的相關(guān)性。

圖2 Eaton指數(shù)c與深度、聲波時(shí)差的關(guān)系曲線

選取聲波時(shí)差進(jìn)行地層孔隙壓力預(yù)測(cè)，結(jié)合式(1)所示的聲波時(shí)差正常壓實(shí)趨勢(shì)線，可得到基于Eaton指數(shù)與深度關(guān)系的地層孔隙壓力Eaton計(jì)算模型如式(3)所示。

式中:c為地層壓實(shí)校正系數(shù)，c=H-1.604×106;G0為上覆巖層壓力梯度，MPa/m;GN為靜水壓力梯度，MPa/m;Gf為地層破裂壓力梯度，MPa/m。

2.3 有效應(yīng)力法

根據(jù)Terzaghi有效應(yīng)力理論，若已知上覆巖層壓力和巖石骨架有效應(yīng)力，即可計(jì)算求取地層孔隙壓力。上覆巖層壓力可由密度測(cè)井信息獲得，因此準(zhǔn)確獲取地層有效應(yīng)力成為利用該方法評(píng)價(jià)地層孔隙壓力的關(guān)鍵。通常認(rèn)為有效應(yīng)力與縱橫波速之比和泊松比呈一定的指數(shù)關(guān)系。傳統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法是通過(guò)實(shí)測(cè)點(diǎn)建立有效應(yīng)力與縱橫波速比或泊松比的模型，從而得到地層孔隙壓力［13］。

圖3 有效應(yīng)力與測(cè)井響應(yīng)的關(guān)系

考慮到研究工區(qū)碳酸鹽巖地層孔洞發(fā)育、孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣，地層孔隙壓力異常的原因機(jī)制復(fù)雜，僅靠單一的聲波測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)將產(chǎn)生多解性，并導(dǎo)致較大誤差。針對(duì)上述問(wèn)題，對(duì)有效應(yīng)力與測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)的相關(guān)性逐一進(jìn)行分析，結(jié)果顯示密度、聲波時(shí)差、自然伽馬均與有效應(yīng)力呈較好的相關(guān)性(圖3)。

綜合上述信息對(duì)研究工區(qū)縫洞型碳酸鹽巖地層有效應(yīng)力進(jìn)行分析，依據(jù)研究工區(qū)多口井的地層壓力測(cè)試結(jié)果及測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)，并通過(guò)多元回歸分析得到有效應(yīng)力計(jì)算模型，如式(4)所示:式中，GR、AC、DEN分別為自然伽馬、聲波時(shí)差、密度，可由測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)直接獲取。

3 研究工區(qū)預(yù)測(cè)壓力與實(shí)測(cè)值對(duì)比

結(jié)合測(cè)井資料，分別根據(jù)上述3種不同的等效深度法、Eaton法和有效應(yīng)力法建立的地層孔隙壓力測(cè)井預(yù)測(cè)模型，對(duì)該工區(qū)的另外2口井(A5、A6)進(jìn)行了地層孔隙壓力預(yù)測(cè)(圖4)。

圖4 3種不同方法預(yù)測(cè)地層孔隙壓力與實(shí)測(cè)壓力值對(duì)比圖

由上述3種方法預(yù)測(cè)的地層孔隙壓力值和實(shí)測(cè)值的對(duì)比分析可知:等效深度法和Eaton法預(yù)測(cè)值較為相近，與實(shí)測(cè)值相比普遍偏小，誤差較大，不適合用于碳酸鹽巖的地層孔隙壓力預(yù)測(cè)，而有效應(yīng)力法計(jì)算的地層孔隙壓力值與實(shí)測(cè)值基本吻合。分析其原因:(1)碳酸鹽巖中很難找到大段的純泥巖段，非泥巖段不符合壓實(shí)理論;(2)造成碳酸鹽巖壓力異常的原因復(fù)雜，不均衡壓實(shí)作用對(duì)壓力異常的貢獻(xiàn)大小還不太明確。等效深度法與Eaton法預(yù)測(cè)出的地層孔隙壓力值較為相近也正是由于這2種計(jì)算方法均是以正常壓實(shí)趨勢(shì)線方程為基礎(chǔ)，而有效應(yīng)力法則不需要建立正常壓實(shí)趨勢(shì)線，故精度較高。

采用綜合多因素的有效應(yīng)力計(jì)算模型對(duì)該工區(qū)內(nèi)另外5口井進(jìn)行地層孔隙壓力預(yù)測(cè)，并與實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比(表1)?？煽闯鲇行?yīng)力法預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值的相對(duì)誤差均小于10%，完全滿足工程需求。

表1 有效應(yīng)力法地層壓力預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)測(cè)值對(duì)比

4 預(yù)測(cè)方法的適用性分析

等效深度法最大的優(yōu)點(diǎn)是不需要實(shí)測(cè)壓力值，但其預(yù)測(cè)精確度對(duì)正常壓實(shí)趨勢(shì)線的依賴強(qiáng)，從而使其存在如下局限性:(1)地層深度縱向變化大，不能從上到下采用同一趨勢(shì)線方程;(2)只適用于不均衡壓實(shí)成因的異?？紫秹毫︻A(yù)測(cè);(3)壓實(shí)規(guī)律僅適用于泥巖段，在碳酸鹽巖儲(chǔ)層中采用灰質(zhì)泥巖或者泥質(zhì)灰?guī)r段作為視泥巖段存在弊端;(4)壓實(shí)曲線的建立常常帶有一定的主觀性。

Eaton法也是以正常壓實(shí)趨勢(shì)線為基礎(chǔ)，相比于等效深度法需要用一定量的實(shí)測(cè)壓力值建立Eaton指數(shù)的計(jì)算模型，有了實(shí)測(cè)點(diǎn)的修正，預(yù)測(cè)精確度稍高于等效深度法。但僅利用單一測(cè)井信息進(jìn)行，在均質(zhì)砂泥巖地層孔隙壓力預(yù)測(cè)中效果較好，而對(duì)碳酸鹽巖地層尤其縫洞發(fā)育碳酸鹽巖地層的孔隙壓力預(yù)測(cè)精度效果相對(duì)較差。

有效應(yīng)力法與前2種計(jì)算方法相比，由于不依賴于正常壓實(shí)趨勢(shì)線，避免了上述壓實(shí)趨勢(shì)線存在的局限性，與實(shí)測(cè)壓力值相比，精度最高、可靠性好，適合用于碳酸鹽巖地層孔隙壓力預(yù)測(cè)。然而，有效應(yīng)力的合理求取是關(guān)鍵所在，受到碳酸鹽巖儲(chǔ)層非均質(zhì)性強(qiáng)及孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣的影響，傳統(tǒng)的單參數(shù)模型精度低且存在多解性?；跍y(cè)井資料，考慮多種異常壓力成因，綜合多種測(cè)井信息評(píng)價(jià)地層有效應(yīng)力，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)地層孔隙壓力預(yù)測(cè)，是今后地層孔隙壓力預(yù)測(cè)的發(fā)展趨勢(shì)。

5 結(jié)語(yǔ)

(1)碳酸鹽巖儲(chǔ)層非均質(zhì)性極強(qiáng)，縫、洞發(fā)育，成巖作用復(fù)雜?；谟行?yīng)力理論，綜合孔隙度、泥質(zhì)含量和密度等因素建立的孔隙壓力預(yù)測(cè)模型，避免了只靠聲波測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)建立的傳統(tǒng)模型帶來(lái)的誤差，能夠更好地反映造成碳酸鹽巖地層孔隙壓力異常的復(fù)雜成因，預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)測(cè)壓力值間相對(duì)誤差均在10%以內(nèi)，充分滿足工程需求。

(2)Eaton法和有效應(yīng)力法均需要用到大量的實(shí)測(cè)壓力點(diǎn)，而等效深度法的計(jì)算不需要實(shí)測(cè)壓力值，對(duì)尚無(wú)足夠?qū)崪y(cè)地層壓力值的砂泥巖地區(qū)初期勘探具有實(shí)際意義。

(3)傳統(tǒng)的地層孔隙壓力預(yù)測(cè)方法都建立在正常壓實(shí)趨勢(shì)線基礎(chǔ)上，而有效應(yīng)力法可不依賴正常壓實(shí)趨勢(shì)線，避免壓實(shí)趨勢(shì)線應(yīng)用范圍的局限性。

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