李玉鳳,孫 煒,何巍巍,楊云飛,章新文,嚴(yán)移勝
(1.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)地球物理與信息技術(shù)學(xué)院,北京100083;2.中國石化石油勘探開發(fā)研究院頁巖油氣富集機(jī)理與有效開發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100083;3.中國石油勘探開發(fā)研究院西北分院,蘭州730020;4.中國石油河南油田分公司勘探開發(fā)研究院,鄭州450018)
近年來,頁巖氣的勘探開發(fā)推動(dòng)了美國的能源革命,帶動(dòng)了全球頁巖氣勘探開發(fā)的熱潮[1-2]。作為一種戰(zhàn)略資源,我國也開展了大量頁巖油氣的勘探開發(fā)工作。調(diào)研顯示,國內(nèi)頁巖氣藏主要分布在四川盆地的涪陵焦石壩、丁山、彭水、威遠(yuǎn)、長寧、昭通、富順—永川等地區(qū)[3-6]。目前,四川盆地東部涪陵氣田焦石壩地區(qū)的頁巖氣勘探開發(fā)取得了顯著成效,已成為我國頁巖氣能源的重要基地[7-10]。從目前頁巖氣鉆井揭示的情況來看,地層壓力與頁巖氣產(chǎn)能呈較好的正相關(guān)關(guān)系,即高壓地層往往對(duì)應(yīng)著頁巖氣的高產(chǎn)能區(qū)[7-9],但是,如何準(zhǔn)確預(yù)測頁巖氣地層壓力,尋找頁巖氣富集區(qū),仍是進(jìn)一步提高該區(qū)勘探開發(fā)的關(guān)鍵問題。
在地層無異常壓力存在時(shí),地下某一深度的地層壓力與地表到該位置的靜水柱壓力相等。由于多種地質(zhì)因素造成了地層壓力與靜水柱壓力趨勢(shì)線的偏離,稱之為異常地層壓力。一般包括2種情況,即當(dāng)?shù)貙訅毫γ黠@高于或低于靜水柱壓力時(shí),分別稱為異常高壓和異常低壓,且異常高壓比異常低壓更為多見[11-13]。
一直以來,地球物理工作者在地層壓力預(yù)測方面進(jìn)行了多種探索。本次研究,先探討常規(guī)地層壓力預(yù)測方法的適用性,再以川東焦石壩地區(qū)志留系龍馬溪組的優(yōu)質(zhì)頁巖為研究實(shí)例,對(duì)異常地層壓力的測井響應(yīng)特征進(jìn)行分析,并對(duì)比新方法與傳統(tǒng)方法的預(yù)測結(jié)果,以期驗(yàn)證異常地層壓力識(shí)別因子的有效性和準(zhǔn)確性。
地層壓力預(yù)測方法一般分為鉆前地震資料預(yù)測、隨鉆地層壓力監(jiān)測及鉆后測井檢測等3類。在勘探階段,主要關(guān)注的是如何利用地震資料預(yù)測異常地層壓力的分布特征。國內(nèi)外關(guān)于地層壓力預(yù)測方法的研究已歷經(jīng)數(shù)十年,且主要分為等效深度法、Eaton公式法、Fillippone公式及其改進(jìn)法、波阻抗反演法等4種。
(1)等效深度法
最早的地層壓力預(yù)測方法由Hottman等[14]基于測井曲線提出,并由Magara[15-16]改進(jìn)為可進(jìn)行定量壓力求取的方法,其技術(shù)思路為:先通過測井曲線建立正常壓實(shí)條件下速度與深度的趨勢(shì)線,再利用地震資料求取地層層速度與深度的關(guān)系,最后將兩者相結(jié)合進(jìn)行某一地層深度處異常地層壓力的計(jì)算。
等效深度法的應(yīng)用和推廣一直存在爭議[17],該方法中泥巖正常壓實(shí)趨勢(shì)線的確定問題、速度譜求取的精度問題都會(huì)影響其實(shí)際應(yīng)用效果。
(2)Eaton公式法
為了滿足地層壓力預(yù)測的需要,Eaton[18]和Bowers[19]利用地震速度與垂直有效應(yīng)力的關(guān)系,提出了基于正常地層壓實(shí)條件下,用速度變化的趨勢(shì)線來求取地層壓力的新方法。該方法未能得到廣泛應(yīng)用,其主要受以下2方面的限制:①該方法要求垂直有效應(yīng)力與縱波速度呈冪指數(shù)關(guān)系,而這種假設(shè)往往不成立;②該方法要求構(gòu)建的正常壓實(shí)趨勢(shì)線與等效深度法中的壓實(shí)趨勢(shì)線沒有本質(zhì)區(qū)別。
(3)Fillippone公式及其改進(jìn)法
為了解決正常壓實(shí)趨勢(shì)線的問題,F(xiàn)illippone[20]提出了一種新的計(jì)算方法,即在實(shí)際應(yīng)用中,將測井?dāng)?shù)據(jù)和速度譜數(shù)據(jù)相結(jié)合,就可計(jì)算出地層壓力數(shù)據(jù)體。該方法消除了等效深度法和Eaton公式法對(duì)正常壓實(shí)速度趨勢(shì)線的依賴,且能夠得到地層壓力的空間分布特征,因此,F(xiàn)illippone方法在過去的幾十年中得到了廣泛的推廣。為了進(jìn)一步提高地層壓力預(yù)測的精度,國內(nèi)外學(xué)者在不同地區(qū)利用各種理論對(duì)Fillippone法進(jìn)行了改進(jìn),并在與“壓實(shí)”相關(guān)的異常地層壓力預(yù)測中均取得了較好的應(yīng)用效果[21-25]。
在實(shí)際應(yīng)用中,該方法仍然存在一些不足,主要表現(xiàn)在地震速度體的精度問題(地震道集拾取速度譜求取的地震波層速度在縱向和橫向上均不夠準(zhǔn)確)。
(4)波阻抗反演法
利用波阻抗反演來進(jìn)行壓力預(yù)測的主要研究思路為:①基于波阻抗反演計(jì)算有效應(yīng)力的地層壓力預(yù)測方法,并通過波動(dòng)方程、初等彈性理論或虎克定律等的公式推導(dǎo),以有效應(yīng)力為中間參數(shù),得到地層壓力與縱波速度、橫波速度等彈性參數(shù)的關(guān)系式,再結(jié)合疊前反演實(shí)現(xiàn)對(duì)地層壓力數(shù)據(jù)體的計(jì)算[26-27];②通過波阻抗反演來獲取更加準(zhǔn)確的層速度,再將層速度代入Fillippone公式中求取地層壓力數(shù)據(jù)體[28];③結(jié)合Gardner公式,先建立波阻抗與速度的關(guān)系式,然后用多種對(duì)異常壓力較為敏感的地震屬性來約束波阻抗反演,最后利用反演出的波阻抗計(jì)算出地層壓力數(shù)據(jù)體[29];④先利用聲波測井曲線進(jìn)行單井壓力預(yù)測,得到單井的測井壓力曲線,然后以這些壓力曲線為約束,結(jié)合波阻抗反演來預(yù)測地層壓力[30]。
目前,地層壓力預(yù)測方法主要基于速度與異常地層壓力的關(guān)系,在一定程度上能夠滿足異常地層壓力預(yù)測的需要[31-34],但是,上述方法主要解決的是與壓實(shí)成因相關(guān)的異常地層壓力預(yù)測問題,且預(yù)測精度仍有待提高。對(duì)于四川盆地焦石壩地區(qū)龍馬溪組的泥頁巖地層來說,欠壓實(shí)作用并不是異常地層壓力的主要成因[34],導(dǎo)致常見的地層壓力預(yù)測方法在頁巖氣勘探中的應(yīng)用效果不夠理想。
異常地層壓力的形成,通常是不同地質(zhì)因素的綜合響應(yīng)。不同成因的異常地層壓力其測井曲線響應(yīng)特征也不同。如,生烴產(chǎn)生的超壓(包含高壓和超高壓)會(huì)使測井曲線表現(xiàn)出密度曲線值降低、聲波時(shí)差變大等特征,而化學(xué)壓實(shí)或成巖作用形成的超壓,會(huì)使測井曲線表現(xiàn)出密度曲線增大、聲波時(shí)差變化較小等特征。這為利用測井曲線進(jìn)行異常壓力識(shí)別并進(jìn)一步進(jìn)行平面推廣提供了理論依據(jù)。研究中,以鉆井實(shí)測地層壓力數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),對(duì)多種測井曲線進(jìn)行超壓測井響應(yīng)特征分析。
鉆井實(shí)測地層壓力是進(jìn)行地層壓力預(yù)測的基礎(chǔ),研究區(qū)收集到的測井曲線較全,且有3口鉆井的實(shí)測地層壓力數(shù)據(jù),分別為JY1井、JY 3-3 HF井和JY11-4井(表1)。
表1 焦石壩地區(qū)實(shí)測地層壓力數(shù)據(jù)Table1 Measured formation pressuredata of Jiaoshiba area
對(duì)這3口井資料的測壓井段進(jìn)行縱波聲波時(shí)差、密度、縱波阻抗、中子、自然伽馬、釷鈾比等多種曲線的交會(huì)分析認(rèn)為:中子、自然伽馬、釷鈾比等曲線均無法有效區(qū)分超壓和常壓,而對(duì)于縱波聲波時(shí)差、密度和縱波阻抗測井曲線,JY11-4井以及JY1井的超壓段地層表現(xiàn)出高聲波時(shí)差、中低密度、低波阻抗等高含氣量的測井響應(yīng)特征;JY3-3 HF井由于位于斷層附近,氣體大量散失,其常壓段地層表現(xiàn)出低聲波時(shí)差、中高密度、高波阻抗等低含氣量的測井響應(yīng)特征(圖1)。由圖1可以看出,密度曲線和聲波時(shí)差曲線對(duì)超壓和常壓均有一定的區(qū)分,具體表現(xiàn)為:密度值大于2.47 g/cm3時(shí)為高壓和常壓,而密度值小于2.47 g/cm3時(shí)為超壓;聲波時(shí)差低于235μs/m時(shí)為常壓,而聲波時(shí)差高于235μs/m時(shí)為超壓和高壓。由于縱波阻抗是速度與密度的乘積,且密度、速度與地層壓力均表現(xiàn)出相似的負(fù)相關(guān)關(guān)系(超壓特征為密度和速度均低),因此,研究中選用縱波阻抗測井曲線來進(jìn)行研究區(qū)常壓段與超壓段的區(qū)分。
圖1 超壓和常壓段密度與縱波聲波時(shí)差(a)、縱波阻抗與縱波聲波時(shí)差(b)交會(huì)圖Fig.1 Cross plots of density and P-wave acoustic transit time(a),P-wave impedance and P-wave acoustic transit time(b)in overpressure and normal-pressure zones
為進(jìn)一步分析頁巖氣異常壓力發(fā)育段的測井響應(yīng)特征,研究中以壓力系數(shù)1.4為界限,將超壓段劃分為大于1.4的超高壓段以及低于1.4的高壓段,并引入橫波聲波時(shí)差曲線,分析超高壓段以及高壓段的測井曲線響應(yīng)特征(圖2)。
圖2 高壓和超高壓段橫波聲波時(shí)差與縱波聲波時(shí)差(a)、泊松比與密度(b)交會(huì)圖Fig.2 Cross plots of S-wave acoustic transit time and P-wave acoustic transit time(a),Poisson’s ratio and density(b)in overpressure and ultra-high pressure zones
從圖2(a)可以看出:紅色圓圈內(nèi)數(shù)據(jù)主要為JY1井的超高壓段,而JY11-4井高壓段絕大部分位于紅色圓圈之外。此外,在圖2(b)中,JY11-4高壓段為低泊松比,而JY1井超高壓段為高泊松比。結(jié)合泊松比的定義可知,當(dāng)泥頁巖地層存在超壓,且受到垂向壓力引起一定的橫向應(yīng)變時(shí),地層壓力越大,對(duì)應(yīng)的垂向應(yīng)變?cè)叫 ?/p>
根據(jù)前述異常地層壓力測井響應(yīng)特征分析結(jié)果,并基于以下2點(diǎn)來構(gòu)建能夠有效識(shí)別頁巖氣異常地層壓力的新參數(shù):①新構(gòu)建的參數(shù)應(yīng)與地層壓力系數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系;②新參數(shù)的值域應(yīng)與地層壓力系數(shù)的值域在同一范圍內(nèi)。新參數(shù)構(gòu)建思路如下:①在超壓與常壓的測井分析中,縱波阻抗與地層壓力呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,且經(jīng)過井上數(shù)據(jù)試算,對(duì)縱波阻抗進(jìn)行平方運(yùn)算處理后,能進(jìn)一步提高縱波阻抗與地層壓力的相關(guān)性,因此,將縱波阻抗的平方置于新參數(shù)的分母位置;②在高壓與超高壓的測井分析中,泊松比與超壓呈正相關(guān)關(guān)系,因此,將泊松比置于新參數(shù)的分子位置;③考慮泊松比的值域?yàn)?~0.5(無量綱),泥頁巖縱波阻抗的數(shù)值一般在10 000 g/cm3?m/s附近,而實(shí)測地層壓力系數(shù)的值域一般為0.9~2.0,因此,在新參數(shù)的分子部分乘以一個(gè)常數(shù)1010,從而使新參數(shù)的值域與實(shí)測地層壓力系數(shù)的值域相同,以便對(duì)后續(xù)兩者相關(guān)系數(shù)的統(tǒng)計(jì)分析。
最終,基于上述思考構(gòu)建出一個(gè)新的異常壓力識(shí)別因子 API(Abnormal Pressure Indicator),該參數(shù)具體形式如下:
式中:υ 為泊松比;Imp為縱波阻抗,g/cm3?m/s;API為構(gòu)建出的異常地層壓力識(shí)別因子。
頁巖氣超壓最直接的特征是由于氣體大量聚集造成的縱波速度、密度、縱波阻抗顯著降低,這與該區(qū)的鉆井實(shí)際情況相吻合;在泥頁巖超壓地層中,巖石的應(yīng)力應(yīng)變特征決定著異常地層壓力的細(xì)節(jié)變化。
在實(shí)際應(yīng)用中,可以通過疊前彈性波阻抗反演來進(jìn)行縱波阻抗、泊松比的求取,從而計(jì)算出異常壓力識(shí)別因子數(shù)據(jù)體,并進(jìn)一步進(jìn)行異常地層壓力分布特征的描述。在利用疊前或疊后地震反演求取密度數(shù)據(jù)體時(shí),預(yù)測結(jié)果往往誤差較大,這會(huì)影響構(gòu)建的異常壓力識(shí)別因子的預(yù)測精度,但是,本次研究區(qū)目的層為焦石壩龍馬溪組龍一段一亞段的一套發(fā)育非常穩(wěn)定的泥頁巖,在實(shí)際研究中,目的層段密度反演的效果非常好[35-37]。因此,密度反演的誤差問題并不會(huì)影響新方法壓力預(yù)測的精度。
一直以來,Zoeppritz方程被廣泛用于描述地震入射波、反射波和透射波在穿過巖層界面時(shí)的變化特征,但其形式過于復(fù)雜,學(xué)者們往往通過各種近似來對(duì)其進(jìn)行求解[38-42]。Connolly[42]定義了一種隨入射角變化的新阻抗參數(shù)(彈性波阻抗Elastic Impe-dacne),為使其滿足疊后反射系數(shù)的計(jì)算公式,Connolly 引入 Aki等[39]對(duì)上述 Zoeppritz方程近似后得到的反射系數(shù)解析公式,最終得到的彈性波阻抗如下:
式中:EI(i)為隨入射角變化的彈性波阻抗,g/cm3?m/s;i為入射角,(o);α 為縱波速度,m/s;β 為橫波速度,m/s;ρ為密度,g/cm3;K(K=β2/α2)為常數(shù),取相鄰層的平均值。
研究中,收集的地震數(shù)據(jù)為經(jīng)過疊前時(shí)間偏移的 CRP(Common Reflection Point)道集數(shù)據(jù)及對(duì)應(yīng)的疊前時(shí)間偏移速度數(shù)據(jù),相關(guān)的疊前反演均基于上述數(shù)據(jù)展開,研究中具體的工作流程如下[43]:①分析疊前CRP道集的偏移距范圍,根據(jù)鉆井分層給出目的層深度,確定出最大有效偏移距;②利用疊前時(shí)間偏移速度數(shù)據(jù),在最大有效偏移距范圍內(nèi),確定合理的入射角劃分方案,并進(jìn)行遠(yuǎn)、中、近的入射角疊加;③計(jì)算井上不同入射角的彈性波阻抗曲線,并分別進(jìn)行與遠(yuǎn)、中、近入射角疊加數(shù)據(jù)體的井震標(biāo)定,確定時(shí)深關(guān)系及反演子波;④利用疊后反演方法,分別計(jì)算出不同入射角的遠(yuǎn)、中、近彈性波阻抗數(shù)據(jù)體;⑤利用遠(yuǎn)、中、近彈性波阻抗數(shù)據(jù)體,結(jié)合彈性波阻抗公式建立方程組并求解,計(jì)算出最終的縱波速度、橫波速度以及密度數(shù)據(jù)體,利用這3個(gè)參數(shù)數(shù)據(jù)體可以進(jìn)行泊松比、波阻抗等彈性參數(shù)的求取。
焦石壩地區(qū)位于四川盆地東南部,頁巖氣主力產(chǎn)層為龍馬溪組的一套優(yōu)質(zhì)泥頁巖,工區(qū)主體構(gòu)造特征為北東走向的箱狀背斜,總體表現(xiàn)為南寬北窄、中部寬緩,背斜兩側(cè)發(fā)育多條逆斷層,區(qū)內(nèi)地層壓力難以求準(zhǔn)。
研究中通過疊前彈性波阻抗反演分別計(jì)算出縱波阻抗和泊松比數(shù)據(jù)體,結(jié)合式(1),即可求得研究區(qū)的異常壓力識(shí)別因子數(shù)據(jù)體。對(duì)該數(shù)據(jù)體沿龍馬溪組底界選取合適時(shí)窗,對(duì)龍馬溪組一段一亞段的異常壓力識(shí)別因子進(jìn)行平面圖繪制(圖3)。
圖3 焦石壩地區(qū)龍馬溪組一段一亞段異常壓力識(shí)別因子平面圖Fig.3 Map of abnormal pressure identification factor of the first member of Longmaxi Formation in Jiaoshiba area
如圖3所示,預(yù)測出的異常超壓區(qū)主要分布在研究區(qū)的中部和東北部。本次研究收集了部分鉆井龍馬溪組一段一亞段的實(shí)測壓力系數(shù)值,進(jìn)一步將異常壓力識(shí)別因子API的數(shù)值與實(shí)測地層壓力值進(jìn)行對(duì)比(表2)。
表2 異常壓力識(shí)別因子與實(shí)測地層壓力系數(shù)對(duì)比Table 2 Abnormal pressure factor and measured formation pressure coefficient
將表2中的實(shí)測壓力系數(shù)以及異常壓力識(shí)別因子數(shù)據(jù)按序列進(jìn)行成圖(圖4)。從圖4可以看出:異常壓力識(shí)別因子與實(shí)測地層壓力值整體趨勢(shì)表現(xiàn)出較好的一致性。
圖4 異常壓力識(shí)別因子與實(shí)測地層壓力系數(shù)趨勢(shì)對(duì)比Fig.4 Comparison of abnormal pressure factor and measured formation pressure coefficient
將兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合(圖5),得出地層壓力計(jì)算公式,即
式中:x為異常壓力識(shí)別因子的數(shù)值;y為根據(jù)關(guān)系式計(jì)算出的地層壓力系數(shù)。
圖5 實(shí)測地層壓力與異常壓力識(shí)別因子關(guān)系擬合Fig.5 Fitting of measured formation pressure coefficient and abnormal pressure factor
從圖5可以看出:兩組數(shù)據(jù)的相關(guān)性較好,為0.952 7??梢岳檬剑?)對(duì)異常壓力識(shí)別因子的數(shù)值進(jìn)行轉(zhuǎn)換,求取異常壓力識(shí)別因子法對(duì)應(yīng)的地層壓力系數(shù)平面圖[圖 6(a)]。
圖6 3種方法預(yù)測的地層壓力系數(shù)對(duì)比Fig.6 Comparison of formation pressure coefficients predicted by three methods
為對(duì)比不同地層壓力預(yù)測方法預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確性,將研究中采用的新方法異常壓力識(shí)別因子法與傳統(tǒng)的Fillippone公式法、基于波阻抗反演計(jì)算有效應(yīng)力的地層壓力預(yù)測方法(以下簡稱有效應(yīng)力法)的預(yù)測結(jié)果進(jìn)行對(duì)比(圖6)。其中,有效應(yīng)力法的參數(shù)選取,根據(jù)三軸應(yīng)力實(shí)驗(yàn)及鉆井實(shí)鉆參數(shù)確定,具體計(jì)算公式見文獻(xiàn)[27-28]。
從3種方法預(yù)測的總體趨勢(shì)來看,超壓主要分布在研究區(qū)的中部和東北部。為進(jìn)一步對(duì)比這3種方法預(yù)測出的超壓平面分布特征的準(zhǔn)確性,進(jìn)行了各方法預(yù)測結(jié)果在井點(diǎn)位置與單井實(shí)測地層壓力系數(shù)的誤差分析(表3)。
結(jié)合圖6和表3的分析結(jié)果,可以看出:①從平面圖的分辨率來看,F(xiàn)illippone公式法預(yù)測出的超壓發(fā)育帶呈大片連續(xù)分布,分辨率較低,而有效應(yīng)力法與異常壓力識(shí)別因子法的預(yù)測結(jié)果比Fillippone公式法的預(yù)測結(jié)果分辨率高;②從平面分布特征來看,3種方法的整體趨勢(shì)較為一致,預(yù)測的超壓均主要分布在研究區(qū)的中部和東北部地區(qū),但Fillippone公式預(yù)測出的超壓范圍更大;③從預(yù)測精度的誤差分析來看,F(xiàn)illippone公式法誤差較大,平均誤差為20.10%,單井最大誤差為43.81%;④有效應(yīng)力法在未與井進(jìn)行參數(shù)擬合的情況下,平均誤差為13.14%,單井最大誤差為20.25%,該預(yù)測結(jié)果已經(jīng)具備一定的可靠性;⑤異常地層壓力因子識(shí)別法的預(yù)測精度最高,平均誤差為5.42%,單井最大誤差為11.66%。
表3 3種方法預(yù)測結(jié)果與井點(diǎn)地層壓力系數(shù)誤差分析Table3 Prediction resultsof threemethodsand error analysisof formation pressurecoefficient
(1)焦石壩地區(qū)的縱波阻抗能夠有效區(qū)分泥頁巖地層中的常壓和超壓(包含高壓和超高壓),而泊松比可以進(jìn)一步區(qū)分泥頁巖地層的高壓和超高壓。
(2)基于測井分析提出的新的泥頁巖壓力預(yù)測方法,即異常地層壓力識(shí)別因子法,能夠較為準(zhǔn)確地預(yù)測地層壓力的分布特征,且在分辨率及精確度上均比傳統(tǒng)的Fillippone公式法更高,基于波阻抗反演計(jì)算有效應(yīng)力的地層壓力預(yù)測方法具有一定的推廣價(jià)值。
(3)異常地層壓力識(shí)別因子法仍存在一定的局限性,即需要充足的井資料(實(shí)測壓力數(shù)據(jù)、橫波時(shí)差測井曲線等)以確保井上分析的準(zhǔn)確性,而當(dāng)實(shí)測地層壓力數(shù)據(jù)不足時(shí),其應(yīng)用效果有待于進(jìn)一步驗(yàn)證。