陵水LS25-3-1井地震層速度在鉆前壓力預測中的應(yīng)用

蘇 超

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陵水LS25-3-1井地震層速度在鉆前壓力預測中的應(yīng)用

蘇 超

（東北石油大學， 黑龍江 大慶 163318）

地層孔隙壓力作為一個地質(zhì)參數(shù)在油氣勘探、鉆井工程及油氣開發(fā)中占有十分重要的地位。如今的鉆井區(qū)域已經(jīng)由陸地轉(zhuǎn)向海洋，由淺海轉(zhuǎn)向深海發(fā)展。隨著石油勘探開發(fā)進程的不斷推進，鉆井工程所面臨的地質(zhì)條件越來越復雜，就鉆井工程而言，孔隙壓力是實現(xiàn)快速、安全、經(jīng)濟鉆進的一個必不可少的重要參數(shù)，如何綜合利用各種信息在鉆井之前準確預測，已成為鉆井工程迫切需要解決的問題之一。本文依據(jù)大量的詳實數(shù)據(jù)，將陵水LS25-3-1井在鉆前與鉆后的地層壓力剖面圖加以對比分析，有力地論述了該方法在實際生產(chǎn)實踐中的可行性，為鉆井提供可靠保障。

地震波； 鉆井工程； 壓力預測； 聲波時差； 密度擬合

通過對陸上和海上油氣田的勘探開發(fā)，其中的數(shù)據(jù)表明，地層壓力異常的地區(qū)大量存在，而鉆井過程中存在的異常高壓地層比低壓地層更多。壓力系數(shù)從1.10~1.60以上的地層壓力可定義該地層為異常高壓地層。例如，塔里木油田的北緣的庫車坳陷、中原油田的文留結(jié)構(gòu)沙四段地層、冀東油田的高尚堡構(gòu)造沙三段等。本文主要介紹南海陵水LS25-3-1井在鉆前壓力預測與鉆后測井資料的對比情況。

目前，在鉆井行業(yè)中公認關(guān)于地層壓力異常的形成機理可認為有以下幾種：

（1）巖石孔隙體積的變化：垂直載荷（欠壓實）；側(cè)向構(gòu)造加載；次生膠結(jié)；

（2）孔隙流體體積的變化：溫度變化；礦物轉(zhuǎn)化；烴類生成；烴類熱降解；流體（主要為氣運移）；

（3）流體壓力（水動頭壓力）變化和流體流動：滲透作用；流體壓力壓頭；油田開采；永凍環(huán)境；相對密度差異（如氣、油之間）。

在鉆進過程中，目的層逐漸由淺層轉(zhuǎn)向深層，碰到的地層壓力體系相對復雜，對地層壓力預測精度要求也相對提高，因此準確了解鉆頭前方地層壓力變化對于制定合理的鉆井措施，設(shè)計科學的井身結(jié)構(gòu)、配制合理的鉆井液體系、設(shè)計合理的完井方法、降低鉆井成本、儲層保護，具有十分重要的工程意義。這同時也是使得鉆前地層壓力預測技術(shù)持續(xù)發(fā)展的主要原因。

目前地層壓力預測的原理都基于勘探地球物理學，即通過高分辨率的地震波，特別是三維地震，可用來精確地確定圈閉，產(chǎn)層的連通性，水體的大小，在有利的條件下，還可預測含油氣范圍。通過利用地震資料預測鉆井的風險，如斷層、油氣分布范圍及超壓帶，可以降低鉆井成本[1]。

1 地層壓力預測模型 — Eaton模型

Eaton法是現(xiàn)在常用于地層壓力預測的經(jīng)驗方法，歸納了壓實作用和其他異常高壓形成的機理，類比和歸納了鉆井實測壓力與不同測井信息之間的聯(lián)系，是一種相對實用的方法。Eaton法計算地層孔隙壓力是依據(jù)地層壓實理論、有效應(yīng)力理論和均衡理論[2]。通過建立正常壓實趨勢線方程，從正常壓實出發(fā)，依據(jù)泥巖地層實際測井數(shù)據(jù)，來定量計算偏離正常壓實趨勢線時地層孔隙壓力的大小，公式如下：

伊頓指數(shù)可依據(jù)實際測量的地層孔隙壓力資料求?。?/p>

靜液柱壓力是由液柱自身的重力所產(chǎn)生的壓力，它的數(shù)值與液體的密度、液柱的垂直高度或深度有關(guān)[3]，即：

上覆巖層壓力指的是覆蓋在某一深度地層以上的地層基巖的重量和巖石孔隙中流體的重量的總和，所產(chǎn)生對該地層的壓力：

由于地震波的反射的速度與反射時間呈反比，所以公式（2）也可寫成如下關(guān)系：

Eaton方法實質(zhì)上式反應(yīng)的由于泥巖欠壓實造成的異常高壓，對其它因素引起的異常高壓，該方法不適用。

2 地層密度模型 — Gardner模型

儲層中流體性質(zhì)（如石油和天然氣的比重，油氣比，天然氣飽和壓力等），對儲層流體移動速度和密度都具有一定的影響。在某種特殊條件下，可令地震過程中的反射波特性發(fā)生突變[4]?；诶碚撆c實踐，在正常狀況下，水飽和巖層的體積密度和波速明顯地高于含氣疏松巖層的值[5]。而含油和含水巖層的速度差值極小，即可能與含氣有關(guān)，與含油無關(guān)。通過研究全球468個原油樣品的壓縮率（即體積模量的倒數(shù)）和體積密度，溶有較多的天然氣的原油與一般的原油相比，壓縮率和體積密度有很大差別，從而可導致反射特征突變。當原油的氣油比增大時，體積密度反而減小[6]。同樣密度也受周圍儲層參數(shù)的影響。總的來說氣油比增大密度減小。氣油比從0變化到3 000，體積密度同時縮減至原來的1/2，而含油氣地層密度遠小于不含油氣的地層密度。因此與速度的多解性相比，求解地層密度可協(xié)助我們預測巖性和勘探油氣。

儲集巖層中存在孔隙以及微裂縫，可以使得巖石密度減小，地震層速率降低，影響了分界面上波阻抗大小、波阻抗差,進而間接影響了反射系數(shù)的分布情況。故需要建立密度與地震層速度、聲波時差等參數(shù)的關(guān)系，即可估算出地層的密度[7]。

國內(nèi)外專家提出了各種評價上覆巖層壓力的方法，可將這些方法系統(tǒng)的分成兩類，即密度補足法和上覆巖層壓力直接評估法[8]。在密度補足法中，Garder模型通過建立密度-聲波的相關(guān)性進而確定上部地層密度，其它方法則通過下部地密度測井數(shù)據(jù)的擬合來確定上部地層密度[9]。通過下部密度測井數(shù)據(jù)擬合確定上部地層的密度，基本上是建立在連續(xù)沉積壓實假設(shè)的基礎(chǔ)上的，類似的方法還有孔隙度法?？紫抖确ㄍǔＭㄟ^建立孔隙度隨井深變化曲線獲得。

本文采用的密度補足法，Gardner模型如下：

3 應(yīng)用實例

3.1 建立聲波時差與地層速度的數(shù)量關(guān)系

3.2 建立趨勢線方程

通過對聲波時差測井所測量的彈性波在地層中的傳播時間數(shù)據(jù)進行處理，進而可以確定地層的孔隙壓力。聲波時差可以反映巖性、壓實程度和孔隙度[10]。由于聲波時差測井在含氣層呈現(xiàn)周波跳躍，但是在其他環(huán)境（如：井徑、溫度、地層水礦化度）的變化時所受的影響較小。所以用它評價和計算地層孔隙壓力比較有效。

利用聲波或?qū)铀俣葦?shù)據(jù)評價地層孔隙壓力精度取決于所收集的原始聲波或?qū)铀俣荣Y料的質(zhì)量[13]。另外，由于地層壓力還會受溫度、應(yīng)力等因素的影響，為準確預測地層壓力還需對聲波或?qū)铀俣葦?shù)據(jù)的趨勢線進行修正。

根據(jù)鉆前的地震層速度與深度的關(guān)系建立圖像：

圖1 聲波時差的自然對數(shù)與地層深度的關(guān)系曲線

根據(jù)圖像：建立1 300~2 500 m的趨勢線方程：

圖2 正常壓實段的趨勢線方程

由此求解出趨勢線方程：

此回歸方程的相關(guān)性2= 0.996 05，接近1.00，說明相關(guān)性強，此方程符合條件。

反求聲波時差與地層深度的關(guān)系方程，可知：

3.3 擬合地層密度

通過鉆前測量的地震層速度（換算成對應(yīng)的聲波時差）與鉆后測井的聲波時差數(shù)據(jù)，可求得對應(yīng)的地層密度（該公式在此研究區(qū)塊A、B皆取0.25）。

3.4 靜液柱壓力

3.5 上覆巖層壓力

上覆巖層壓力是進行破裂壓力計算、孔隙壓力分析的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，上覆巖層壓力一般要通過對上覆地層密度的積分求取，但對于深水鉆井，還要考慮水深及轉(zhuǎn)盤高度的影響，設(shè)轉(zhuǎn)盤面到海平面的高度為，海平面到海底泥面的深度為，泥面以下深度處的上覆巖層壓力（如圖3），可以通過下式計算：

式中，為海水密度，為巖層密度，為重力加速度。

根據(jù)上覆巖層壓力：該區(qū)塊0~1 000 m是海水。該區(qū)塊的上覆巖層壓力應(yīng)分兩段進行求解：

第一段（0~1 000 m）：

第二段（1 000~7 279 m）：

進入地層后，可認為一定深度內(nèi)地層的密度是這段地層上下層面的平均值，即：

所以進入地層后的上覆地層壓力為：

依據(jù)鉆前地震層速度和鉆后測井數(shù)據(jù)，將上覆巖層壓力梯度隨深度的變化繪制成圖表，結(jié)果如下：

圖4 上覆巖層壓力梯度密度隨地層深度的變化曲線

3.6 地層壓力

在伊頓指數(shù)的選取上通過試算法確定，即：由于在鉆前沒有該井的計算數(shù)據(jù)，通過伊頓法利用地層壓力測試數(shù)據(jù)反算該區(qū)塊伊頓指數(shù)，結(jié)合鄰井測井資料得到各井地層壓力剖面該地層鉆前地震層速度求得的地層壓力當量密度的曲線進行對比，確定伊頓指數(shù)的數(shù)值為1.8。

根據(jù)鉆前地震數(shù)據(jù)以及鉆后測井數(shù)據(jù)，利用伊頓法（Eaton）（公式（1）、公式（6））預測地層壓力，將計算結(jié)果繪制成圖如下：

圖5 地層壓力當量密度隨地層深度的變化曲線

表1 測井資料預測地層壓力誤差表

3.7 鉆前數(shù)據(jù)與鉆后數(shù)據(jù)處理分析

圖4所示為鉆前地震層速度與鉆后聲波時差測井數(shù)據(jù)所建立的上覆巖層壓力梯度隨地層深度變化的剖面。從該圖中可以看出：鉆前通過地震層速度分析得到的上覆巖層壓力梯度與鉆后聲波時差測井測量到的上覆巖層壓力梯度測算值吻合良好。鉆前地震層所測量的0~1 000 m段為海水段，此段上覆巖層壓力梯度為恒定值；大于1 000 m開始上覆巖層壓力梯度呈現(xiàn)增大的趨勢，且隨著地層深度的增加地層的上部壓實不斷增加，導致上覆巖層壓力當量密度值有變大的趨勢。

圖5給出了鉆前地震層速度與鉆后聲波時差測井數(shù)據(jù)建立的地層壓力梯度隨地層深度變化的的函數(shù)關(guān)系曲線，該曲線反映了：鉆前地震層速度預測的地層壓力當量密度與鉆后聲波時差測井測量的地層壓力當量密度能夠很好地吻合。由鉆前地震層速度的測量數(shù)據(jù)可以看出，該地層隨著深度的增加呈現(xiàn)異常高壓，并且在4 000~7 000 m處變化明顯，其可能的成因是地層孔隙空間的縮小，包括構(gòu)造擠壓作用和快速沉積所引起的欠壓實。

3.8 誤差分析

地震速度不僅能一定程度地反映巖性變化，也可反映成巖程度—密度、孔隙度等，甚至能一定程度地反映孔隙流體的性質(zhì)。聲波測井是測量縱波在1 m地層內(nèi)傳播所需要的時間，其倒數(shù)為傳播速率。這兩種速度具有同樣的物理意義。即異常地層壓力在地震速度資料上具有在聲波測井上相同的特征。因而從理論上講：地震速度資料完全可以用與聲波時差相同的方法評價地層壓力。只是后者是井孔內(nèi)測得，更直接、

連續(xù)和真實；前者是野外地(水) 面采集的，存在各種干擾和人為誤差，精度稍遜。

相對于聲波時差法，使用地震層速度資料計算地層壓力的誤差主要來自以下兩個方面：

1)地震層速度本身的誤差，在采集和計算中均可產(chǎn)生。

2)地層密度擬合的模型、伊頓指數(shù)的選取以及地層壓實模式，即壓實趨勢線，受速度精度和巖性識別上的影響。

4 結(jié) 論

用伊頓法（Eaton）的原理，以陵水區(qū)塊LS25-3-1井為研究對象，建立了地震層速度在鉆前地層壓力預測模型；通過鉆后的聲波測井來評價鉆前預測的準確性，以此來肯定該方法有較高的精度，并且可以用于實際的生產(chǎn)實踐中。

本文對鉆前地震層速度預測地層壓力進行了較為深入的研究，基于上述的研究可以得出以下幾個方面的結(jié)論：

（1）對LS25-3-1井的孔隙壓力進行統(tǒng)計（圖5），統(tǒng)計結(jié)果表明LS25-3-1井屬于正常的靜水壓力系統(tǒng)，但在3 600 m后出現(xiàn)不同程度的異常高壓。

（2）沉積巖欠壓實地層的地層壓力預測：使用地震層速度進行地層壓力預測，需要建立趨勢線方程、擬合地層密度、計算上覆巖層壓力。

（3）該方法的關(guān)鍵技術(shù)需要確定伊頓指數(shù)：在伊頓指數(shù)的選取上需要參考該井周圍的鄰井，通過周圍鄰井的地層壓力利用試算法反算伊頓指數(shù)。

（4）對LS22-1-1井測井資料預測方法、研究院預測結(jié)果、層速度預測結(jié)果實測點進行對比分析（表1），結(jié)果表明這幾種方法預測結(jié)果具有較好的一致性，都能和實測值很好的吻合（誤差在10%以內(nèi)），且測井資料預測結(jié)果精度相對較高，能滿足工程需要。

[1]劉雯林.油氣田開發(fā)地震技術(shù)[M].北京：1996：145.

[2]楊振平，吳波，王勇.Eaton法預測Ｍ油田地層孔隙壓力[J].石油天然氣學報，2012，34（9）：181.

[3]劉虎.非常規(guī)井控技術(shù)研究[D].青島：中國石油大學(華東)，2005.

[4]宋正娜.烏魯木齊城市活斷層超淺層人工地震探測研究[D].蘭州：中國地震局蘭州地震研究所，2006.

[5]孔祥寧.地層密度估算及其應(yīng)用[J].南京：中國石化石油勘探開發(fā)研究院南京石油物探研究所，2002,4:429-432.

[6]何暉.超稠油油氣分離與穩(wěn)定工藝技術(shù)研究[D].青島：中國石油大學(華東)，2012.

[7]方長傳.渤中8-4-2探井三個地層壓力剖面預測分析[J].中國化工貿(mào)易，2013，7：354.

[8]蔚寶華，閆傳梁，鄧金根，等.深水鉆井井壁穩(wěn)定性評估技術(shù)及其應(yīng)用[J].石油鉆采工藝，2011，6：1-4.

[9]王嘯，周波，劉加偉，等.深水開發(fā)井井壁穩(wěn)定性評價及應(yīng)用[J].中國石油和化工標準與質(zhì)量，2014，21：89.

[10]趙小龍.石油鉆井任意井眼的井壁穩(wěn)定性研究[D].重慶：重慶大學，2007.

[11]付偉.地質(zhì)環(huán)境建模中地層壓力預測方法研究[D].中國石油大學：2010.

[12]何雷.基于歷史數(shù)據(jù)和隨鉆信息預測地層壓力[D].西安石油大學：2013.

[13]連太煒，樊洪海，于玲玲，等.測井約束地震反演在地層孔隙壓力預測中的應(yīng)用[J].西部探礦工程，2009，6：64-65.

[14]胡柏石，譚亞輝，姜巖，等.低承壓水頭條件下地浸鉆孔施工與成孔工藝特征探討[J].鈾礦冶，2005，3：118-123.

[15]樓一珊,李琪.鉆井工程[M].石油工業(yè)出版社,2013.

[16]鉆井手冊(甲方)編寫組.鉆井手冊(甲方) [M].石油工業(yè)出版社,1990.

Application of the Seismic Velocity of Lingshui LS25-3-1 Well in Predrilling Pressure Prediction

（Northeast Petroleum University, Heilongjiang Daqing 163318, China ）

As a geological parameter, formation pore pressure plays an important role in oil and gas exploration, drilling engineering and oil and gas development. Today, the drilling area has turned to marine from land. With the development of petroleum exploration, drilling engineering geological conditions are more and more complex, how to integrate a variety of information to realize predrilling pressure prediction has become one of the problems to be solved urgently. In this paper, on the basis of detailed data, formation pressure profile chartsof Lingshui LS25-3-1 well before and after drilling were compared, the feasibility of the method in the actual production was effectively proved, which could provide a reliable guarantee for drilling.

seismic wave; drilling engineering; pressure prediction; acoustic time difference; density fitting

TE 122

A

1004-0935（2017）03-0304-06

2016-12-20

蘇超（1993-），男，碩士研究生，遼寧省盤錦市人，現(xiàn)攻讀東北石油大學油氣井工程，從事鉆井方向研究。