基于超壓成因機(jī)制的壓力預(yù)測(cè)方法與應(yīng)用

景琛

(中石化華北油氣分公司采氣一廠,河南 鄭州 450006)

0 引 言

富油凹陷盆地中,孔隙流體壓力的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)是安全鉆井、井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ),也是壓力控藏研究、油氣藏開(kāi)發(fā)的重要依據(jù)[1-3]。前人提出了多種壓力預(yù)測(cè)的方法,主要包括3類:基于地震資料的方法[4-6]、基于鉆時(shí)資料的方法[7]和基于測(cè)井資料的方法[8-12]。對(duì)于成熟探區(qū),最常用的方法是基于測(cè)井資料的等效深度法[9]和Eaton法[11]。目前,根據(jù)等效深度法和Eaton法的壓力預(yù)測(cè)在資料預(yù)處理、預(yù)測(cè)步驟、結(jié)果檢驗(yàn)等方面都已形成了一套完整的流程[13-16]。但在實(shí)際研究中,壓力預(yù)測(cè)采用的方法尚缺少選擇的依據(jù)以及多方法的對(duì)比,并缺少誤差分析,導(dǎo)致所預(yù)測(cè)的壓力存在較大差異。

為了提高壓力預(yù)測(cè)精度,完善壓力預(yù)測(cè)流程,本文在前人研究基礎(chǔ)上,重點(diǎn)對(duì)比分析目前常用的等效深度法和Eaton法的適用條件及預(yù)測(cè)過(guò)程中的誤差,并以沾化凹陷渤南洼陷為例,探討預(yù)測(cè)參數(shù)的優(yōu)選方法,進(jìn)而分析2種壓力預(yù)測(cè)方法的有效性和適用條件,為預(yù)測(cè)方法優(yōu)選提供依據(jù)。

圖1 等效深度法和Eaton法預(yù)測(cè)壓力原理示意圖

1 壓力預(yù)測(cè)方法

等效深度法和Eaton法都利用測(cè)井資料進(jìn)行地層壓力預(yù)測(cè),是目前壓力預(yù)測(cè)最為常用的方法,但2種方法的理論依據(jù)及預(yù)測(cè)流程不同,導(dǎo)致適用條件也存在明顯差異。

1.1 等效深度法

等效深度法又稱平衡深度法,理論依據(jù)主要是有效應(yīng)力定理,認(rèn)為具有相同孔隙度的地層其壓實(shí)程度相同,巖石的骨架應(yīng)力也相同,即理論上認(rèn)為同樣的孔隙度值的2個(gè)深度點(diǎn)對(duì)應(yīng)相同的有效應(yīng)力[見(jiàn)圖1(a)],據(jù)此可計(jì)算B點(diǎn)的孔隙流體壓力pB[9]

pB=po,B-(po,A-pA)=ρmg(HB-HA)+ρwgHA

(1)

式中,pA、pB分別為A、B深度處孔隙流體壓力,MPa;po,A、po,B分別為A、B深度處上覆巖層壓力,MPa;ρm、ρw分別為上覆巖層、地層水密度,g/cm3;g為重力加速度,取值為0.009 81;HA、HB分別為A、B點(diǎn)的深度,m。

等效深度法預(yù)測(cè)壓力的關(guān)鍵是A點(diǎn)深度HA和上覆巖層密度ρm的求取,即需要建立準(zhǔn)確的正常壓實(shí)趨勢(shì)線和地層密度—深度關(guān)系曲線。等效深度法是基于孔隙度的壓力預(yù)測(cè)方法,主要適用于欠壓實(shí)作用引起的地層壓力預(yù)測(cè),對(duì)其他成因的超壓(如流體膨脹作用等),應(yīng)用效果可能不理想[17]。

1.2 Eaton法

Eaton法是一種半經(jīng)驗(yàn)半定量的壓力預(yù)測(cè)方法,其原理是在碎屑巖地層中,超壓帶內(nèi)壓實(shí)曲線受超壓的影響而偏離正常趨勢(shì),偏離的幅度與超壓強(qiáng)弱具有正相關(guān)關(guān)系。通過(guò)引入伊頓系數(shù)c,建立了同一深度點(diǎn)正常壓實(shí)趨勢(shì)下的參數(shù)值與實(shí)測(cè)值之間的比值與地層壓力的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系,進(jìn)而預(yù)測(cè)地層流體壓力[11][見(jiàn)圖1(b)]

ρmgHB-(ρmgHB-ρwgHB)(Δtnorm/Δt)c

(2)

式中,pB、po,B、pn,B為B點(diǎn)孔隙流體壓力、上覆巖層壓力、靜水壓力,MPa;Δt、Δtnorm分別為B點(diǎn)實(shí)測(cè)、正常聲波時(shí)差,μs/m;c為伊頓指數(shù);ρm、ρw為上覆巖層、地層水密度,g/cm3;g為重力加速度,取9.8 m/s2;HB為B點(diǎn)埋深,m。

Eaton法是在等效深度法的基礎(chǔ)上,引入了伊頓系數(shù)c,通過(guò)改變c值,可以校正不同成因機(jī)制對(duì)預(yù)測(cè)壓力的影響,因此,Eaton法不僅可用于預(yù)測(cè)欠壓實(shí)成因的超壓,也可以預(yù)測(cè)流體膨脹等其他成因的超壓[18-21]。該方法不僅需要建立準(zhǔn)確的正常壓實(shí)趨勢(shì)線和地層密度深度關(guān)系曲線,也需要優(yōu)選合適的伊頓系數(shù)c。伊頓系數(shù)c值受地層巖性、成巖程度、超壓成因機(jī)制等影響[22-23],不同地區(qū)存在明顯的差異。在墨西哥灣盆地,伊頓指數(shù)c取3效果較好[11];文萊Baram盆地中,盆地邊緣c取3、盆地中部c取6.5效果較好[17];在伊朗南部盆地中,伊頓系數(shù)c取0.5效果較好[24]。

2 壓力預(yù)測(cè)參數(shù)與方法優(yōu)選

渤南洼陷是沾化凹陷中部埋深最大的3級(jí)負(fù)向構(gòu)造單元,超壓普遍發(fā)育,超壓對(duì)研究區(qū)油氣的生成、運(yùn)聚和分布具有重要的影響[25-28]。經(jīng)過(guò)近50年的油氣勘探,渤南洼陷基礎(chǔ)資料齊全,測(cè)井資料豐富,有助于分析壓力預(yù)測(cè)環(huán)節(jié)(正常壓實(shí)趨勢(shì)線、分段擬合密度—深度關(guān)系、迭代法確定伊頓系數(shù)c)的誤差,優(yōu)選預(yù)測(cè)參數(shù)。同時(shí),渤南洼陷不同構(gòu)造帶的超壓成因機(jī)制差異較大[26,29],有利于探討等效深度法和Eaton法對(duì)壓力預(yù)測(cè)的適用條件以及有效性的對(duì)比,為壓力預(yù)測(cè)方法優(yōu)選提供依據(jù)。

圖2 ××5井正常壓實(shí)趨勢(shì)線與聲波時(shí)差匹配關(guān)系圖

2.1 正常壓實(shí)趨勢(shì)線優(yōu)選

擬合正常壓實(shí)趨勢(shì)線之前,需要初步分析研究區(qū)正常壓實(shí)泥巖段聲波時(shí)差(AC)變化趨勢(shì),確定分構(gòu)造帶擬合或者全區(qū)擬合1條曲線。渤南洼陷不同構(gòu)造帶之間AC變化趨勢(shì)存在明顯差異,因此,分構(gòu)造帶擬合出3條主要的正常壓實(shí)趨勢(shì)線3、4、5,同時(shí),結(jié)合前人在進(jìn)行渤南洼陷壓力預(yù)測(cè)時(shí)所建立的正常壓實(shí)趨勢(shì)線1、2[25-26](見(jiàn)圖2),共得到5條可能的正常壓實(shí)趨勢(shì)線。對(duì)于每一口壓力預(yù)測(cè)井,分別用所建立的正常壓實(shí)趨勢(shì)線進(jìn)行匹配,同時(shí)結(jié)合壓力實(shí)測(cè)值,優(yōu)選出預(yù)測(cè)效果最好的正常壓實(shí)趨勢(shì)線。

以××5井為例,通過(guò)正常壓實(shí)趨勢(shì)線與聲波時(shí)差資料(AC)匹配,可優(yōu)選正常壓實(shí)趨勢(shì)線。實(shí)測(cè)聲波時(shí)差數(shù)據(jù)顯示,××5井發(fā)育頂、底2套正常壓實(shí)層段:2 000～3 000 m段和3 150～3 700 m段,而在3 000～3 150 m段和3 700 m之下發(fā)育超壓(見(jiàn)圖2)。因此,正常壓實(shí)趨勢(shì)線優(yōu)選過(guò)程中分別分析不同趨勢(shì)線與2套正常壓實(shí)層段聲波時(shí)差的吻合程度。××5井正常壓實(shí)趨勢(shì)線與聲波時(shí)差匹配關(guān)系表明,曲線1在頂部正常壓實(shí)層段吻合較好,而在底部(3 150～3 700 m段)大于實(shí)測(cè)值,趨勢(shì)線發(fā)生偏離;曲線2在頂部正常壓實(shí)層段明顯低于實(shí)測(cè)值;曲線4在2套正常壓實(shí)層段內(nèi)均略低于實(shí)測(cè)值;曲線5明顯偏離實(shí)測(cè)值;曲線3吻合程度最高,為最優(yōu)趨勢(shì)線。

對(duì)渤南洼陷不同構(gòu)造帶65口井的正常壓實(shí)趨勢(shì)線優(yōu)選結(jié)果表明,研究區(qū)不同構(gòu)造帶具有不同的最優(yōu)趨勢(shì)線:對(duì)于渤南深洼帶和北部陡坡帶,選取趨勢(shì)線3;對(duì)于斷階帶和四扣深洼帶,選取趨勢(shì)線4;對(duì)于南部緩坡帶,實(shí)測(cè)聲波時(shí)差數(shù)據(jù)存在2種明顯不同的變化規(guī)律,分別與曲線1和5相匹配。

2.2 上覆巖層密度—深度關(guān)系

上覆巖層的密度是上覆巖層壓力計(jì)算的關(guān)鍵,受測(cè)井資料的限制,每口井的密度實(shí)測(cè)值一般只集中深部目的層段,而淺部資料則較少。因此,需要擬合上覆巖層密度與深度的關(guān)系曲線。但目前地層密度與深度并無(wú)公認(rèn)的關(guān)系,秦潤(rùn)森等[25]利用線性關(guān)系擬合了密度隨深度變化曲線,而Liu R等[30]認(rèn)為密度與深度之間符合非線性關(guān)系。

對(duì)于渤南洼陷上覆巖層密度—深度關(guān)系,直接利用線性方程、非線性方程擬合全井段密度—深度關(guān)系的效果都較差,相關(guān)性很低。實(shí)測(cè)密度與深度關(guān)系分析結(jié)果表明,研究區(qū)中部(1 500～3 500 m井段)密度—深度關(guān)系符合線性關(guān)系,淺部(<1 500 m)和深部(>3 500 m)明顯偏離趨勢(shì)線,并考慮到各井實(shí)測(cè)密度數(shù)據(jù)主要集中在中深部,淺部數(shù)據(jù)較少,數(shù)據(jù)篩選發(fā)現(xiàn)僅×602井淺部(<1 500 m)密度數(shù)據(jù)較全、具有代表性。實(shí)際應(yīng)用中,采用3段式密度擬合:淺部(<1 500 m),直接采用×602井實(shí)測(cè)密度數(shù)據(jù);中部(1 500～3 500 m井段),采用所擬合的線性關(guān)系;深部(>3 500 m)采用各預(yù)測(cè)井實(shí)測(cè)的密度數(shù)據(jù)(見(jiàn)圖3)。利用此方法得到的密度—深度關(guān)系與實(shí)際數(shù)據(jù)符合程度較高,由此計(jì)算的上覆巖層壓力可靠性更高。

圖3 不同構(gòu)造帶密度深度關(guān)系圖

2.3 伊頓指數(shù)c確定

前人研究結(jié)果表明,伊頓指數(shù)c值在-5～50都可能,主要集中于0～12.6[20]。本文引入了預(yù)測(cè)壓力的相對(duì)誤差平方和,采用迭代法確定合適的c值。

首先在0～12.6之間隨機(jī)選值,通過(guò)初步計(jì)算,確定研究區(qū)最優(yōu)c值介于1～4;然后采用迭代的方法,取c=c0+kΔc,(c0=1,k=0,1,2,…,Δc=0.2),選擇12口具有實(shí)測(cè)壓力值的井,求出不同c值所對(duì)應(yīng)實(shí)測(cè)壓力深度處的壓力,并計(jì)算實(shí)測(cè)壓力與預(yù)測(cè)壓力的相對(duì)誤差,考慮到相對(duì)誤差有正有負(fù),選擇相對(duì)誤差平方和最小的c值作為最終結(jié)果。根據(jù)不同c值與預(yù)測(cè)壓力相對(duì)誤差平方和關(guān)系圖(見(jiàn)圖4),可以確定c值取2.6時(shí),預(yù)測(cè)效果最好。

圖4 伊頓指數(shù)c值與預(yù)測(cè)壓力相對(duì)誤差平方和關(guān)系圖

2.4 壓力預(yù)測(cè)方法優(yōu)選

在正常壓實(shí)趨勢(shì)線、密度—深度關(guān)系及伊頓指數(shù)c準(zhǔn)確確定的基礎(chǔ)上,從不同構(gòu)造帶選擇20口具有實(shí)測(cè)壓力數(shù)據(jù)的井,分別采用等效深度法和Eaton法進(jìn)行壓力預(yù)測(cè),實(shí)測(cè)壓力與預(yù)測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)如表1所示,并據(jù)此對(duì)比2種方法的相對(duì)誤差。

表1 實(shí)測(cè)壓力與等效深度法和伊頓法預(yù)測(cè)壓力結(jié)果對(duì)比

相對(duì)誤差分析結(jié)果表明,不同構(gòu)造帶中2種方法的預(yù)測(cè)結(jié)果差別較大:緩坡帶和陡坡帶中,等效深度法的預(yù)測(cè)誤差明顯低于Eaton法,而在渤南深洼帶、斷階帶和四扣深洼帶,Eaton法預(yù)測(cè)結(jié)果較好。預(yù)測(cè)方法優(yōu)選結(jié)果與超壓成因相匹配:渤南深洼帶、四扣深洼帶、斷階帶生烴強(qiáng),生烴增壓為主,緩坡帶、陡坡帶以欠壓實(shí)增壓為主[26,29],符合2種方法的適用條件。因此,可以根據(jù)超壓成因機(jī)制選擇壓力預(yù)測(cè)方法:對(duì)于欠壓實(shí)成因超壓,等效深度法和Eaton法都適用,可采用2種方法預(yù)測(cè),并根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果的相對(duì)誤差進(jìn)一步優(yōu)選;而對(duì)于流體膨脹成因或其他成因的超壓,等效深度法不適用,可采用Eaton法進(jìn)行預(yù)測(cè)。

2.5 地層壓力預(yù)測(cè)

在正常壓實(shí)趨勢(shì)線擬合、密度—深度“三段式”擬合以及Eaton指數(shù)c優(yōu)選的基礎(chǔ)上,利用聲波時(shí)差、密度測(cè)井資料對(duì)渤南洼陷各構(gòu)造帶單井的地層壓力進(jìn)行預(yù)測(cè)。以××4井為例,該井位于渤深4斷階帶,正常壓實(shí)趨勢(shì)線選擇趨勢(shì)線4(見(jiàn)圖2);目的層段位于2 000 m以下,密度—深度關(guān)系采用“三段式”中的中部、下部2段擬合結(jié)果;壓力預(yù)測(cè)方法選擇Eaton法,伊頓指數(shù)c選擇2.6。將所優(yōu)選的參數(shù)代入式(2),可以預(yù)測(cè)××4井的地層壓力。預(yù)測(cè)結(jié)果表明,××4井Es3、Es4段整體發(fā)育超壓,其中Es3壓力系數(shù)介于1.2～1.4之間,Es4壓力系數(shù)整體在1.4左右。4 211.25 m處的實(shí)測(cè)壓力數(shù)據(jù)表明預(yù)測(cè)結(jié)果較準(zhǔn)確,誤差僅2.81%(見(jiàn)圖5)。

圖5 ××4井地層孔隙壓力預(yù)測(cè)結(jié)果

根據(jù)所優(yōu)選的正常壓實(shí)趨勢(shì)線、密度—深度關(guān)系和Eaton指數(shù)c,采用等效深度法預(yù)測(cè)南部緩坡帶和北部陡坡帶的地層壓力,采用Eaton法預(yù)測(cè)渤南深洼帶、渤深4斷階帶和四扣深洼帶的壓力。結(jié)果表明,渤南洼陷不同構(gòu)造帶20口井的預(yù)測(cè)壓力平均相對(duì)誤差僅為4.8%,預(yù)測(cè)精度明顯提高。

3 結(jié) 論

(1) 等效深度法主要適用于欠壓實(shí)成因超壓的預(yù)測(cè),正常壓實(shí)趨勢(shì)線和上覆巖層密度—深度關(guān)系曲線是利用等效深度法預(yù)測(cè)壓力的關(guān)鍵。在正常壓實(shí)泥巖段聲波時(shí)差(AC)變化趨勢(shì)分析的基礎(chǔ)上,建立可能的正常壓實(shí)趨勢(shì)線,據(jù)此與壓力預(yù)測(cè)井的AC進(jìn)行匹配,同時(shí)結(jié)合壓力實(shí)測(cè)值,可優(yōu)選出預(yù)測(cè)效果最好的正常壓實(shí)趨勢(shì)線;可通過(guò)分段擬合的方法建立最符合實(shí)際的密度—深度關(guān)系。

(2) Eaton法適用于多種成因超壓的預(yù)測(cè),伊頓指數(shù)c值的優(yōu)選是利用Eaton法預(yù)測(cè)壓力的關(guān)鍵。對(duì)于Eaton指數(shù)c,可通過(guò)隨機(jī)選值、初步確定伊頓指數(shù)c的范圍,在此基礎(chǔ)上,引入?yún)?shù)預(yù)測(cè)壓力相對(duì)誤差平方和,通過(guò)迭代法確定最優(yōu)的伊頓指數(shù)c。

(3) 超壓成因機(jī)制是壓力預(yù)測(cè)方法優(yōu)選的重要依據(jù),如渤南洼陷深洼帶、斷階帶和四扣深洼帶以生烴超壓為主,采用Eaton法預(yù)測(cè)誤差較低,而南部緩坡帶和北部陡坡帶以欠壓實(shí)超壓為主,等效深度法預(yù)測(cè)效果較好。