利用泥巖聲波時差 預(yù)測地層壓力方法優(yōu)選

徐 源，龐雄奇，胡 濤，徐田武，鄭曉薇

(1.油氣資源與勘探國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249； 2.中國石油大學(xué)(北京)，北京 102249； 3.中國石化中原油田分公司，河南 濮陽 457000)

1 區(qū)域地質(zhì)概況

東濮凹陷柳屯洼陷為渤海灣盆地一個典型超壓盆地[1-10]，處于東濮凹陷西部斜坡帶，面積約為200 km2，其形成和發(fā)育受東部文西斷層和西部邢莊斷層影響，平面上呈以洼陷為中心負(fù)向構(gòu)造形態(tài)(圖1)。柳屯洼陷地層由第四系平原組、新近系明化鎮(zhèn)組和館陶組、古近系東營組、沙河街組和孔店組組成，厚度約為6 000 m。主要勘探層系為沙河街組沙三段，屬深湖—半深湖相，砂泥巖互層頻繁。

圖1 研究區(qū)構(gòu)造位置

2 預(yù)測地層壓力

濮深18-8井為2009年在柳屯洼陷的斜坡帶部署的深層探井[11]。根據(jù)泥巖聲波時差測井資料顯示(圖2)，濮深18-8井存在3段超壓地層，正常壓實(shí)地層為2 500～3 100 m，第1段超壓地層為3 100～3 800 m，第2段為3 950～4 100 m，第3段為4 150～4 250 m。

2.1 平衡深度法計算

平衡深度法由真柄欽次于1981年提出[12-14]，因其原理較為可靠、操作簡便快捷而被廣泛應(yīng)用于眾多含油氣盆地的地層壓力預(yù)測。結(jié)合正常壓實(shí)段2 500～3 000 m聲波時差數(shù)據(jù)，模擬得出地表聲波時差Δt為481 μs/m、壓實(shí)常數(shù)c為0.000 205 996(圖3)。計算全井地層聲波時差，與實(shí)際測得數(shù)據(jù)比對，在3 250 m以下計算的聲波時差小于正常壓實(shí)地層的聲波時差(圖4)。

圖2 濮深18-8井聲波時差與深度關(guān)系

平衡深度法地層壓力計算如式(1)所示，計算結(jié)果見圖5。

(1)

式中：p為地層壓力，MPa；ρs為上覆巖石密度，g/cm3；ρw為地層水密度，取值為1.1 g/cm3；Z為實(shí)際埋深，m；g為重力加速度，取值為9.798 m/s2；Δt為地層聲波時差，μs/m；Δt0為地表聲波時差，取值為481 μs/m；c為壓實(shí)常數(shù)，為2.05×10-4。

圖3 深度與聲波時差關(guān)系

圖4 平衡深度法預(yù)測聲波時差

2.2 Eaton法預(yù)測地層壓力

Eaton法是Eaton于1975年提出的一種預(yù)測地層壓力的經(jīng)驗(yàn)方法[15-17]，通過建立地層壓力與聲波時差的關(guān)系式來對地層壓力進(jìn)行預(yù)測，計算結(jié)果準(zhǔn)確度較高，應(yīng)用程度較廣。取巖石骨架聲波時差為213 μs/m，地表聲波時差為656 μs/m，結(jié)合正常壓實(shí)段2 500～3 000 m聲波時差數(shù)據(jù)，可生成線性函數(shù)，模擬出c為0.000 7。計算全井地層聲波時差，與實(shí)際測得數(shù)據(jù)對比(圖6)，可見無論是在淺層還是深層，對正常壓實(shí)段的聲波時差擬合非常準(zhǔn)確。

圖5 平衡深度法預(yù)測地層壓力

圖6 Eaton法預(yù)測聲波時差

Eaton法地層壓力計算如式(2)所示，計算結(jié)果見圖7。

(2)

式中：Δt0取值為656 μs/m；Δtm為巖石骨架聲波時差，取值為213 μs/m；c取值為7×10-4。

圖7 Eaton法預(yù)測地層壓力

2.3 Zhang法預(yù)測地層壓力

Zhang法是學(xué)者張金才在總結(jié)前人預(yù)測方法的基礎(chǔ)上，通過對Chapman模型進(jìn)行改進(jìn)，于2013年提出的一種新的地層壓力預(yù)測方法[18]，目前該方法在地層壓力預(yù)測中的應(yīng)用還非常少。該方法中壓實(shí)常數(shù)計算方法、取值與Eaton法一致。

Zhang法地層壓力計算如式(3)所示，計算結(jié)果見圖8。

(3)

3 結(jié)果與差異性分析

3.1 計算結(jié)果與實(shí)測值差異性分析

3種方法計算的地層壓力值的變化趨勢與實(shí)測地層壓力變化趨勢大體相似，但計算結(jié)果與實(shí)測壓力值之間均存在一定誤差，主要因?yàn)?種計算方法均采用10 m聲波時差的平均值來計算地層壓力；而實(shí)測壓力為某一點(diǎn)地層壓力，受測井資料影響，只要二者趨勢一致，有一定誤差屬正?，F(xiàn)象。不同方法之間的誤差大小不同，其中平衡深度法的誤差最大，Eaton法的誤差最小，這是由不同方法的適用性所致。目前還沒有一種方法能精確計算出各類地質(zhì)情況的地層壓力的方法，而地層在經(jīng)過抬升-剝蝕-再埋藏等構(gòu)造變化，對計算地層壓力有一定影響，文中未考慮這種情況。

圖8 Zhang法預(yù)測地層壓力

3.2 不同方法之間計算結(jié)果差異性分析

平衡深度法、Eaton法和Zhang法的計算結(jié)果之間既存在相似點(diǎn)，又存在差異性。3種方法的計算結(jié)果均顯示，濮深18-8井的地層在3 000～3 100 m處開始發(fā)育超壓，但是平衡深度法的計算結(jié)果(圖5)顯示濮深18-8井在3 000～4 500 m范圍內(nèi)所有層系為一套超壓，而Eaton法(圖7)和Zhang法(圖8)的計算結(jié)果則顯示，濮深18-8井在3 000～4 500 m發(fā)育有3個不同的超壓層系(3 100～3 800、3 950～4 100、4 150～4 250 m)。結(jié)合濮深18-8井的測井?dāng)?shù)據(jù)和錄井資料認(rèn)為，Eaton法和Zhang法的計算結(jié)果更符合實(shí)際地質(zhì)情況。

3.2.1 預(yù)測方法的原理不同

平衡深度法采用的是等效深度的概念，認(rèn)為孔隙度相同處的等效應(yīng)力相同，故將超壓處的某點(diǎn)等效為正常壓實(shí)處等孔隙度某點(diǎn)進(jìn)行計算，其中，地表聲波時差等參數(shù)經(jīng)模擬計算得出，未取經(jīng)驗(yàn)值；Eaton法是綜合大量數(shù)據(jù)后得出的經(jīng)驗(yàn)公式，有一定可靠性，其中地表聲波時差與巖石骨架聲波時差因研究區(qū)不同而取不同的經(jīng)驗(yàn)值；Zhang法是在超壓層段假設(shè)有一點(diǎn)正常壓實(shí)，無超壓，且在此深度的上覆壓力與研究點(diǎn)一致，地表聲波時差與巖石骨架聲波時差取經(jīng)驗(yàn)值，進(jìn)行綜合計算。3種方法的計算原理不同，導(dǎo)致計算公式不同，擬合的參數(shù)有差異。3種方法均是利用2 500～3 000 m正常壓力段聲波時差數(shù)據(jù)擬合正常壓實(shí)情況下泥巖孔隙度變化趨勢，平衡深度法聲波時差擬合曲線(圖4)在4 000 m段以后偏離正常壓實(shí)規(guī)律，誤差逐漸變大；而Eaton法和Zhang法聲波時差擬合曲線(圖6)能一直較好地擬合壓實(shí)規(guī)律，并與實(shí)測聲波時差基本相符。這些差異導(dǎo)致了最終地層壓力計算結(jié)果的不同。

3.2.2 數(shù)據(jù)處理方式不同

平衡深度法在計算深層地層壓力時，模擬等效深度逐漸偏小，導(dǎo)致計算壓力偏大；Eaton法和Zhang法都是取用經(jīng)驗(yàn)值，故準(zhǔn)確經(jīng)驗(yàn)值對這2種方法的計算結(jié)果起著決定性作用。

4 結(jié) 論

(1) 東濮柳屯洼陷濮深18-8井2500～3 100 m地層為正常壓實(shí)，3 100 m以下地層存在3段超壓，分別為3 100～3 800、3 950～4 100、4 150～4 250 m。

(2) 對3種預(yù)測地層壓力方法分析，平衡深度法預(yù)測地層壓力在深層不適用，東濮凹陷柳屯洼陷深層地層壓力預(yù)測采用Eaton法和Zhang法更為準(zhǔn)確。

(3) 選取模型和數(shù)據(jù)處理方法的不同是導(dǎo)致3種方法計算結(jié)果差異根本原因。選取模型上，平衡深度法采用的是等效深度的概念，Eaton法采取的是經(jīng)驗(yàn)公式，Zhang法是綜合經(jīng)驗(yàn)公式與假設(shè)點(diǎn)的一種方法，使用時均有一定局限性；數(shù)據(jù)處理上，平衡深度法隨著埋深的增加，等效深度偏小，導(dǎo)致計算結(jié)果偏大，Eaton法和Zhang法受研究區(qū)經(jīng)驗(yàn)值取值影響較大，在計算深層地層壓力時，采用Eaton法和Zhang法更為準(zhǔn)確。