頁巖氣儲層地層壓力預測方法及其在四川盆地的應用

胡華鋒,胡 起,林正良

(中國石油化工股份有限公司石油物探技術研究院,江蘇南京211103)

異常地層壓力分布是含油氣沉積盆地普遍存在的現象,有效預測地層超壓對于了解油氣富集、運移狀況和保證鉆井安全具有重要意義[1]。導致地層異常高壓的原因有很多,可以總結為三大類:第一類是欠壓實作用引起地層高壓,即當地層沉積速度過快時,地層中的孔隙流體不能及時排出,導致孔隙流體壓力增加。第二類是孔隙流體體積膨脹引起超壓,即在水受熱、油氣生成、油裂解成氣、蒙脫石向伊利石轉化等因素影響下,孔隙流體體積發(fā)生膨脹,從而引起地層壓力升高。此外,構造作用、地層抬升和地層剝蝕等因素也會引起地層壓力的變化[2]。

從20世紀60年代開始,就有學者嘗試對異常地層壓力進行預測[3-6]。有效應力原理[7]是地層壓力預測的理論基礎,即上覆地層壓力與巖石骨架上的垂直有效應力和孔隙流體壓力之和形成平衡。由于地層欠壓實可以使得有效應力不增加或者增加緩慢,但不會引起有效應力的降低,而孔隙流體體積膨脹可以引起有效應力的降低,進而導致速度曲線的倒轉,因此,針對欠壓實成因提出的地層壓力預測方法通常假設淺層泥巖段為正常壓實,通過擬合淺層泥巖段速度趨勢構建常壓趨勢線,結合Eaton方程、Fillippone方程等,計算地層壓力。在頁巖氣儲層中,泥頁巖段由于生烴增壓的影響通常不是常壓,因此常規(guī)地層壓力預測方法并不適合流體體積膨脹成因的地層壓力預測。

隨著四川盆地五峰-龍馬溪組頁巖氣藏勘探開發(fā)的不斷深入,人們逐漸認識到地層超壓對于頁巖氣富集具有重要意義。吳波等[8]通過綜合應用主頻較高的疊后阻抗體和地震層速度體,得到高低頻閉合速度體,最終利用Fillippone壓力預測模型計算出頁巖氣儲層的地層孔隙壓力。李金磊[9]利用高角度裂縫密度參數修正復雜構造區(qū)地層壓力系數,并預測了涪陵焦石壩頁巖地層壓力。但是,有機質生烴是頁巖氣形成的重要地質過程,也是頁巖氣儲層形成超壓的重要原因,常規(guī)基于欠壓實成因的地層壓力預測方法并不適合直接應用于頁巖氣儲層的地層壓力預測。本文以Eaton方程為基礎,考慮干酪根生烴的影響,基于巖石物理建模的思路,提出一種新的正常壓實趨勢線(normal compaction trend,NCT)構建方法,形成新的頁巖氣儲層地層壓力預測模型,并將其與地震地層壓力預測相結合,有效提高頁巖氣儲層的鉆前地層壓力預測精度。

1 方法原理

1.1 基于測井資料的頁巖氣儲層地層壓力預測模型構建方法

根據Terzaghi有效應力原理,EATON[4]給出了地層壓力與地震層速度的關系:

(1)

式中:Pov為上覆地層壓力;Phy為靜水壓力;v為地震層速度;vnct為正常壓實條件下地震層速度;n為Eaton常數,由實際數據擬合得到。Pov和Phy可以通過巖石密度和地層水密度在深度上積分獲得,v可以通過聲波測井或者地震資料處理獲得。該方法在實際應用中的難點是vnct的獲取,通常的做法是假設淺層泥巖段為正常壓實,拾取淺層泥巖段速度,擬合其與深度的關系,得到一條平滑的正常壓實速度趨勢線[10],如圖1所示。但是很多情況下正常壓實趨勢線難以建立,比如深水環(huán)境中常常在泥線以下就進入高壓狀態(tài);又比如在四川盆地,淺層為灰?guī)r出露,深層泥頁巖普遍超壓。

圖1 常規(guī)正常壓實速度趨勢線

HUFFMAN等[11]分析了不同巖性的壓力加載和卸載曲線,指出不同巖性的有效應力對速度的敏感程度不同。本文研究認為,常規(guī)基于擬合方法得到的平滑正常壓實速度曲線是對真實正常壓實速度的一種高度近似,而正常壓實速度應該與巖石的礦物組分、礦物磨圓度、膠結類型等有關。近年來,PERVUKHINA等[12-14]提出一種名為Clay-Plus-Silt(CPS)的泥頁巖巖石物理模型,并通過實際應用證明了該模型可用于求取正常壓實情況下的地層速度,相對基于數據擬合得到正常壓實速度趨勢線具有更高的壓力預測精度[15]。但CPS模型是針對普通泥頁巖建立的,并未考慮生烴物質(有機質)的影響,有機質的存在不僅會大大降低巖石的硬度,而且其定向排列的空間分布形態(tài)往往會進一步增強巖石的各向異性,要想利用CPS模型構建的正常壓實速度趨勢線進行富含有機質的頁巖氣儲層地層壓力預測,需對該模型加以改進。本文通過在CPS模型中加入有機質,在一定程度上考慮有機質生烴對異常壓力的影響,使之能更好地適用于富有機質頁巖氣儲層的地層壓力預測。

CPS模型能計算正常聲波時差的理論基礎在于模型假設巖石孔隙均與粘土相關,孔隙流體與粘土顆粒構成“濕粘土”混合物。實驗數據表明,濕粘土混合物的彈性張量與濕粘土孔隙度(濕粘土中流體的體積含量)呈線性負相關關系,而與粘土的礦物組分無關。因此,濕粘土的彈性張量可由濕粘土孔隙度單一確定,整個泥頁巖的彈性張量可由濕粘土孔隙度和砂質混合物(除粘土以外的其它礦物組分)的體積含量共同確定。與此同時,地層壓力的變化只會影響巖石中軟孔隙的開啟和關閉,而軟孔隙對總孔隙度的影響可忽略不計,故影響泥頁巖彈性張量的兩個因素均不受異常壓力的影響,從而可計算出正常壓實情況下巖石的速度或聲波時差。

本文在改進CPS模型中依然假設粘土與孔隙流體構成濕粘土混合物,而石英、長石、方解石、黃鐵礦等硬性礦物組成砂質混合物;與CPS模型不同的是,模型的構成組分由原來的濕粘土-砂質混合物兩相變?yōu)闈裾惩?砂質混合物-有機質三相。相比原模型中采用微分等效介質理論(DEM模型)來求取兩相混合物的等效彈性張量,改進模型中選用Backus平均公式[16]來求取濕粘土-砂質混合物-有機質三相所構成的等效介質。由于Backus平均公式具有顯式表達形式,比需要迭代求解的DEM模型具有更高的計算效率,因此被很多學者應用于含有機質頁巖的巖石物理建模流程中[17-20]。

本文基于改進CPS模型的頁巖氣儲層單井地層壓力預測流程如圖2所示,具體實現步驟如下。

圖2 基于改進CPS模型的頁巖氣儲層單井地層壓力預測流程

1) 用經驗公式計算濕粘土彈性張量:

(2)

(3)

2) 用Voight-Reuss-Hill模型計算砂質混合物彈性張量:

(4)

(5)

3) 用Backus平均公式計算濕粘土-砂質混合物-有機質構成的等效頁巖彈性張量:

(6a)

(6b)

C12=C11-〈c11〉+〈c12〉

(6c)

(6d)

(6e)

C66=〈c66〉

(6f)

式中:Cij表示等效頁巖的彈性剛度分量,cij為每一相的彈性剛度分量,尖括號〈〉表示對其內屬性按體積比進行加權平均。

4) 將等效頁巖的張量元素轉化為正常壓實下的速度:

(7)

將公式(7)帶入公式(1),計算地層壓力。

1.2 頁巖氣儲層地震地層壓力預測

由于正常壓實趨勢線通常難以獲得,因此,在利用地震資料進行地層壓力預測時多采用Fillippone法[5]。該方法通過獲取高精度的速度場來盡可能提高基于地震資料的鉆前地層壓力預測精度,但地震資料處理過程中獲得的速度精度有限,無法滿足頁巖氣儲層甜點預測的精度要求。石萬忠等[21]指出,充分利用地震資料解釋過程中獲得的信息(包括地震屬性及疊前AVO反演獲得的速度資料),可以有效提高地震地層壓力預測的精度。

RASOLOFOSAON等[22]基于有效應力原理,提出了基于波阻抗的地層壓力預測方法。該方法的優(yōu)勢如下:①地層壓力與縱波阻抗具有良好的相關性;②基于地震資料獲取縱波阻抗的技術成熟、手段豐富、分辨率高。本文基于上述方法,結合1.1節(jié)介紹的頁巖氣儲層地層壓力預測模型,建立了以疊后波阻抗反演為基礎的地震地層壓力預測流程,如圖3所示。具體實現步驟如下:

1) 基于常規(guī)波阻抗反演獲得高精度波阻抗數據Ip。

2) 基于1.1節(jié)單井計算獲得的正常壓實速度vnct,結合地質層位信息,利用克里金插值方法構建正常壓實速度趨勢體。

3) 計算3D密度體ρ,并計算上覆地層壓力Pov和靜水壓力Phy。

4) 將Ip,vnct,ρ,Pov,Phy代入Eaton壓力預測模型,計算地層壓力及壓力系數。

(8)

圖3 頁巖氣儲層地震地層壓力預測流程

2 實際應用

四川盆地五峰—龍馬溪組頁巖層系普遍存在超壓現象,某頁巖氣區(qū)塊A井五峰-龍馬溪組實測壓力系數區(qū)間為1.20～1.55[23]。以A井實測壓力系數范圍為約束,采用不同的方法構建了正常壓實速度趨勢線,如圖4a所示。其中紅色曲線(NCT-model)為基于本文改進的CPS模型,通過巖石物理模型正演計算得到的正常壓實速度曲線;綠色實線(NCT-fit)為通過常規(guī)數據擬合方法得到的正常壓實速度曲線;藍色曲線為泥巖實際聲波速度。對比可見,通過巖石物理模型構建的正常壓實速度曲線能夠更好地反映巖性細微變化對巖石骨架應力的影響,這種巖性差異會導致正常壓實速度的細微變化。圖4b為A井靜水壓力(黑色實線)、上覆地層壓力(品紅色實線)及地層壓力計算結果,其中綠色曲線為基于NCT-fit曲線結合Eaton方程計算得到的地層壓力,紅色曲線為基于NCT-model曲線結合Eaton方程計算得到的地層壓力。圖4c為兩種不同方法計算的壓力系數(壓力系數=地層壓力/靜水壓力)?？梢钥闯?即使在最佳擬合的情況下,采用NCT-fit曲線計算出的地層壓力曲線依然有部分數據點偏離了實測壓力系數區(qū)間,而基于NCT-model曲線計算的地層壓力曲線數據點變化范圍與實測壓力區(qū)間非常匹配。

圖4 A井地層壓力預測結果a 改進的CPS模型計算的NCT與擬合方法計算的NCT對比; b 基于兩種方法求取的地層壓力; c 基于兩種方法求取的地層壓力系數

以A井為模型校驗井,確定頁巖氣儲層地層壓力預測模型相關參數,并將該模型應用到區(qū)塊內B井地層壓力預測中。圖5a為B井目的層段靜水壓力(藍色實線)、上覆地層壓力(紅色實線)和地層壓力(品紅色實線)計算結果。圖5b對比了地層壓力系數與鉆井液泥漿比重,可以看到壓力系數與泥漿比重具有較好的相關性,在2320m處地層壓力系數增大,對應的泥漿比重也增大,說明通過A井構建的地層壓力預測模型能夠在全區(qū)塊很好地推廣應用。

W1井區(qū)是四川盆地另一頁巖氣新探區(qū),由于實測壓力數據缺乏,利用傳統方法建立壓實趨勢線具有較大的不確定性,也無法利用實測壓力數據來回歸其它經驗公式法中的經驗系數,給地層壓力預測帶來了很大困難。采用本文提出的改進CPS模型對該區(qū)進行了壓力預測,圖6為W1井的壓力預測結果,圖6a中藍線、綠線和紅線分別表示計算出的靜水壓力、地層壓力和上覆地層壓力,圖6b給出了預測壓力系數?？梢钥闯?目的層優(yōu)質頁巖段預測地層壓力最高可達66.97MPa,對應壓力系數為1.92,高于上覆普通泥頁巖段和下伏碳酸鹽巖段。該井目的層實測壓力為68.69MPa,對應實測壓力系數為1.94,說明本文給出的單井地層壓力預測方法具有較高的預測精度。

圖5 B井地層壓力預測結果a 地層壓力; b 壓力系數與泥漿比重

利用W1井構建的地層壓力預測模型,對該井區(qū)進行鉆前地震地層壓力預測,圖7為W1井區(qū)地震地層壓力系數剖面,可見五峰-龍馬溪組底部(黑色實線)地層壓力系數明顯偏高,介于1.70～1.96之間,屬于超壓頁巖氣藏,且深凹區(qū)壓力系數更大,保存條件相對隆起區(qū)要好。對該區(qū)W1,W2,W3井目的層地層壓力系數預測結果進行了統計(表1),誤差小于6%,地震地層壓力系數預測結果與實測地層壓力系數吻合較好。

圖6 W1井地層壓力預測結果a 地層壓力; b 壓力系數

圖7 W1井區(qū)地震地層壓力系數剖面

表1 W1井區(qū)3口井五峰-龍馬溪組頁巖氣儲層地層壓力預測結果統計

3 結束語

本文基于頁巖氣儲層異常高壓成因分析和CPS模型,考慮干酪根生烴的影響,提出一種新的正常壓實速度趨勢線構建方法,結合Eaton方程,形成新的頁巖氣儲層地層壓力預測模型。以該模型為基礎,結合有效應力原理,建立了基于波阻抗的頁巖氣儲層地層壓力地震預測技術流程。在四川盆地多個頁巖氣區(qū)塊的實際應用表明:①該流程以測井解釋的礦物組分、孔隙度等參數為基礎,基于巖石物理建模構建頁巖氣儲層壓力預測模型,通常只需要知道目的層段地層壓力系數,就能構建出比較合理的模型,因此能更好地適應頁巖氣儲層實測壓力數據較少的情況。②通過巖石物理建模構建頁巖氣儲層壓力預測模型,能更有效地反映巖石骨架有效應力隨巖性的細微變化,結合高精度波阻抗反演結果,能有效提高頁巖氣儲層鉆前地層壓力預測精度。

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