渤中19-6構(gòu)造全井段孔隙壓力預(yù)測(cè)方法研究

董平華，張 磊，林 海，劉海龍，李治衡.

(中海石油(中國(guó))有限公司天津分公司，天津 300459)

孔隙壓力指地層孔隙或裂縫中的流體(油、氣、水)所具有的壓力。準(zhǔn)確識(shí)別和計(jì)算異常高壓是井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的前提，也是安全鉆井的重要保障[1-2]。異常高壓形成的機(jī)制種類(lèi)繁多，尤其對(duì)于渤中19-6構(gòu)造，鉆遇了明化鎮(zhèn)組至潛山6個(gè)地層，各個(gè)層組的成壓機(jī)制千差萬(wàn)別。然而目前均將該構(gòu)造視為欠壓實(shí)成因開(kāi)展孔隙壓力的研究，這與工程實(shí)際不符，難以指導(dǎo)安全作業(yè)，且潛山地層的壓力預(yù)測(cè)仍為世界性的難題[3-4]?；诖吮尘?，本文針對(duì)渤中19-6構(gòu)造開(kāi)展了異常高壓成因的研究與分析，提出了分層組、分機(jī)制地進(jìn)行孔隙壓力預(yù)測(cè)的計(jì)算方法，對(duì)潛山孔隙壓力預(yù)測(cè)進(jìn)行了創(chuàng)新性的探索，以用于指導(dǎo)工程實(shí)際。

1 渤中19-6構(gòu)造異常高壓成因分析

1.1 異常高壓成因及分類(lèi)

目前異常高壓的成因有十多種，例如欠壓實(shí)作用、水熱增壓、生烴作用、傳導(dǎo)作用等。在油氣田形成過(guò)程中，存在多種成因機(jī)制的影響，但通常僅有一種或幾種成因起主導(dǎo)作用[5]。異常高壓的形成與巖石孔隙變形有密切聯(lián)系。有效應(yīng)力定義認(rèn)為[6-9]，垂直有效應(yīng)力控制著沉積物的壓實(shí)變形，這種壓實(shí)變形主要體現(xiàn)在孔隙度的變化，可認(rèn)為沉積壓實(shí)過(guò)程中的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系為有效應(yīng)力—孔隙度的關(guān)系。巖石孔隙度的變化可進(jìn)一步用聲波速度的變化來(lái)表征[10-11]，因此最終這種力學(xué)關(guān)系能夠用有效應(yīng)力—聲波速度的關(guān)系進(jìn)行描述。利用聲波速度/時(shí)差—密度交會(huì)圖變化趨勢(shì)則可以判斷異常高壓形成的類(lèi)別[12-13]，結(jié)合地質(zhì)構(gòu)造則可確定異常高壓的成因。

按照沉積壓實(shí)過(guò)程中的力學(xué)關(guān)系[14-15]將異常高壓成因分為符合加載曲線(xiàn)、符合卸載曲線(xiàn)、孔隙度近似不變3類(lèi)，并列出了每種分類(lèi)的聲波時(shí)差—密度交會(huì)圖變化趨勢(shì)，見(jiàn)表1。其中，地層發(fā)生欠壓實(shí)時(shí)，垂直有效應(yīng)力處于增加速率較緩或維持原值不變的狀態(tài)，符合加載曲線(xiàn)類(lèi)，表現(xiàn)為波速與密度同時(shí)降低的趨勢(shì)；而發(fā)生流體膨脹、生烴、水熱增壓等作用時(shí)，孔隙體積增大，導(dǎo)致垂直有效應(yīng)力降低，因此符合卸載機(jī)制，此時(shí)波速降低、密度則保持不變的趨勢(shì)；由于壓力傳遞引起異常高壓的地層，孔隙度基本保持不變，因此屬于孔隙度近似不變類(lèi)，而波速與密度也呈降低趨勢(shì)。

表1 異常高壓成因分類(lèi)Table 1 Classification of formation mechanism of abnormal high pressure

1.2 渤中19-6構(gòu)造異常高壓成因分析

利用聲波時(shí)差—密度交會(huì)圖法，對(duì)渤中19-6構(gòu)造進(jìn)行異常高壓成因分析。以渤中19-6-3井為例，首先針對(duì)全井段繪制了聲波時(shí)差—密度交會(huì)圖(圖1)。從圖中可以看到，聲波—密度明顯地分為兩種趨勢(shì)，即渤中19-6構(gòu)造的高壓成因不止一種。

圖1 渤中19-6-3井全井段聲波時(shí)差—密度交會(huì)圖Fig.1 Acoustic-density intersection diagram of Bozhong 19-6-3

進(jìn)一步分地層、逐井段地對(duì)可能存在高壓的東二下段、東三段、沙河街組、孔店組及潛山的聲波時(shí)差—密度進(jìn)行分析，如圖2所示。從圖中可以看到，東二下大部分井段到沙河街組均偏離聲波時(shí)差—密度交會(huì)圖，呈現(xiàn)為時(shí)差增大、密度基本不變的趨勢(shì)，而孔店組與潛山則表現(xiàn)為時(shí)差增大、密度降低的趨勢(shì)。

圖2 渤中19-6-3井各地層、各井段聲波時(shí)差—密度交會(huì)圖Fig.2 Acoustic-density intersection diagram of formations and sections of Bozhong 19-6-3

進(jìn)一步針對(duì)渤中19-6構(gòu)造1井、5井、6井和8井全井段的聲波—密度交會(huì)圖進(jìn)行了分析(圖3)，根據(jù)結(jié)果將該構(gòu)造異常高壓成因規(guī)律進(jìn)行了總結(jié)(表2)。明化鎮(zhèn)組到東二上段、孔店組下段屬于常壓地層；東二下到沙河街組偏離聲波時(shí)差正常趨勢(shì)、偏離聲波時(shí)差—密度交會(huì)圖正常趨勢(shì)，且表現(xiàn)為時(shí)差增加、密度不變，結(jié)合地質(zhì)分析，判斷其異常高壓成因?yàn)樯鸁N作用；孔店組上段也偏離聲波時(shí)差正常趨勢(shì)、偏離聲波時(shí)差—密度交會(huì)圖正常趨勢(shì)，但表現(xiàn)為時(shí)差增加、密度降低趨勢(shì)，其異常高壓成因?yàn)閴毫鬟f；同理，潛山地層的成壓機(jī)制為壓力傳遞。

圖3 渤中19-6構(gòu)造1、5、6、8井全井段聲波—密度交會(huì)圖Fig.3 Acoustic density intersection diagram of well 1, 5, 6 and 8 of Bozhong 19-6 structure

表2 渤中19-6構(gòu)造異常高壓成因分析Table 2 Cause analysis of formation mechanism of abnormal high pressure in Bozhong 19-6 structure

2 渤中19-6構(gòu)造全井段孔隙壓力預(yù)測(cè)方法

2.1 明化鎮(zhèn)至東二上段孔隙壓力計(jì)算方法

明化鎮(zhèn)組至東二上段符合加載曲線(xiàn)類(lèi)異常高壓成壓機(jī)制，此類(lèi)機(jī)制孔隙壓力最常用的計(jì)算模型為Eaton法[16-17]。Eaton法建立了地層孔隙壓力與測(cè)井聲波時(shí)差之間的關(guān)系表達(dá)式，原理為上覆巖層壓力梯度的變化決定了壓實(shí)觀察參數(shù)的實(shí)際值和正常趨勢(shì)值的比率與地層孔隙壓力的關(guān)系，是一種基于正常壓實(shí)趨勢(shì)線(xiàn)的孔隙壓力計(jì)算方法。

(1)

式中pp——地層孔隙壓力，MPa；

po——上覆巖層壓力，MPa；

ph——正常的靜水壓力，MPa；

Δt0——計(jì)算點(diǎn)泥巖測(cè)井聲波時(shí)差，μs/m；

Δtn——計(jì)算點(diǎn)對(duì)應(yīng)的泥巖正常趨勢(shì)線(xiàn)的聲波時(shí)差，μs/m；

N——Eaton指數(shù)，與地層有關(guān)。

以渤中19-6-1井為例，取N值為3，得明化鎮(zhèn)組孔隙壓力為0.91～1.03 g/cm3，館陶組孔隙壓力為0.95～1.05 g/cm3，東一段孔隙壓力為0.98～1.06 g/cm3，東二上段孔隙壓力為0.94～1.05 g/cm3，整體屬于正常壓力體系。

2.2 東二下段至沙河街組孔隙壓力計(jì)算方法

東二下段至沙河街組符合卸載曲線(xiàn)類(lèi)異常高壓成壓機(jī)制，可使用Bowers卸載曲線(xiàn)計(jì)算孔隙壓力[18]，表達(dá)式為：

(2)

式中的σmax可由下式確定：

(3)

式中V——泥巖聲波速度，m/μs；

σev——垂直有效應(yīng)力，MPa；

σmax——卸載開(kāi)始時(shí)最大垂直有效應(yīng)力，MPa；

Vmax——卸載開(kāi)始時(shí)最大垂直有效應(yīng)力相應(yīng)的聲波速度，m/μs；

U——泥巖彈塑性系數(shù)；

A、B、C——相關(guān)系數(shù)，可由Bowers原始加載曲線(xiàn)V=AσevB+C回歸確定。

以渤中19-6-1井為例，利用Bowers卸載曲線(xiàn)計(jì)算東二下段至沙河街組的孔隙壓力，具體步驟如下：

(1)求取系數(shù)A、B、C。利用Eaton法計(jì)算得到明化鎮(zhèn)至東二上段的孔隙壓力pp及上覆巖層壓力po，通過(guò)公式pp-po即可求得有效應(yīng)力，利用有效應(yīng)力及泥巖聲波速度回歸得到A、B、C分別為47.51、1.067、1 886，如圖4所示。

圖4 Bowers原始加載曲線(xiàn)回歸示意圖Fig.4 Regression diagram of Bowers original loading curve

(2)求取σmax、Vmax。認(rèn)為東二上段底部的有效應(yīng)力及聲波速度即為卸載開(kāi)始時(shí)最大垂直有效應(yīng)力及相應(yīng)的聲波速度，利用2.1節(jié)中孔隙壓力的計(jì)算方法可得最大垂直有效應(yīng)力為33.32 MPa，對(duì)應(yīng)的聲波速度為2 254 m/μs。

(3)求取U。U值的變化范圍一般為3～8，同一區(qū)塊該值基本保持不變。在確定U值時(shí)，可利用下列兩式聯(lián)合求取，最終求得U值為4。

(4)

(5)

至此，將求得的相應(yīng)參數(shù)代入公式(2)中，即可利用Bowers卸載曲線(xiàn)求得東二下段至沙河街組的孔隙壓力。渤中19-6-1井從東二下段開(kāi)始起壓，東二下底部孔隙壓力達(dá)到最大值1.51 g/cm3；沙一段孔隙壓力回落，范圍為1.20～1.34 g/cm3。

2.3 潛山孔隙壓力計(jì)算方法

潛山地層符合壓力傳遞的異常高壓成壓機(jī)制，孔隙壓力的預(yù)測(cè)在世界上仍為無(wú)法攻克的難題，難以按照常規(guī)模型進(jìn)行計(jì)算。因此，提出了利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論來(lái)預(yù)測(cè)孔隙壓力的新方法，通過(guò)學(xué)習(xí)復(fù)雜的非線(xiàn)性關(guān)系來(lái)預(yù)測(cè)孔隙壓力。

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算模型是一種按照誤差逆向傳播算法訓(xùn)練的多層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，基本思想是首先對(duì)樣本集進(jìn)行訓(xùn)練，尋求其內(nèi)部的規(guī)則，再利用該規(guī)則對(duì)新樣本的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)。該模型分為輸入層、中間層和輸出層[19-22]。外部信號(hào)傳遞到輸入層中，經(jīng)各隱含層權(quán)值和閾值的處理，最終傳遞到輸出層，如圖5所示。

圖5 多層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.5 Multilayer BP neural network structure

以渤中19-6-1井為例，利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算潛山孔隙壓力，具體步驟如下[18-21]：

(1)確定輸入層與輸出層。目前存在的孔隙壓力計(jì)算方法皆以鉆后的測(cè)井曲線(xiàn)數(shù)據(jù)作為計(jì)算依據(jù)，因此在BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型中仍以測(cè)井伽馬、巖石密度、聲波時(shí)差、井斜和方位5個(gè)因素作為輸入值，以潛山孔隙壓力作為輸出值。收集到渤中19-6構(gòu)造潛山地層壓力測(cè)試數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練樣本集，見(jiàn)表3。

表3 渤中19-6構(gòu)造潛山地層壓力測(cè)試數(shù)據(jù)Table 3 Formation pressure test data of buried hill of Bozhong 19-6 structure

(2)確定網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。根據(jù)Kohomogonov原理，3層的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型在經(jīng)過(guò)訓(xùn)練后能夠逼近任何形式的函數(shù)，因此計(jì)算層數(shù)選為3層。隱含層神經(jīng)元個(gè)數(shù)按照經(jīng)驗(yàn)公式求?。?/p>

(6)

式中m——隱含層神經(jīng)元推薦個(gè)數(shù)；

n——輸入層神經(jīng)元的個(gè)數(shù)，本模型取5；

l——輸出層的神經(jīng)元個(gè)數(shù)，本模型取1；

a——1～10的任意常數(shù)。

經(jīng)計(jì)算，m的計(jì)算結(jié)果范圍為4～10，本模型取10。至此確定了潛山孔隙壓力預(yù)測(cè)為“5-10-1”的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖6所示。

圖6 潛山孔隙壓力預(yù)測(cè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.6 Topological structure of pore pressure prediction network in buried hill

(3)確定訓(xùn)練函數(shù)及結(jié)果判定值。選擇訓(xùn)練函數(shù)為自適應(yīng)梯度下降函數(shù)traindx，最大計(jì)算次數(shù)為10 000次，結(jié)果判別誤差為e-7。

利用上述方法，得渤中19-6-1井潛山孔隙壓力為1.06～1.27 g/cm3。

3 效果分析

將計(jì)算得到的渤中19-6-1井全井段孔隙壓力與實(shí)測(cè)的地層壓力數(shù)據(jù)、實(shí)際使用的鉆井液密度進(jìn)行對(duì)比，如圖7、圖8所示。渤中19-6-1井在東一、東二上、東二下及沙一段均有實(shí)測(cè)壓力點(diǎn)，從圖7中可以看到，預(yù)測(cè)的孔隙壓力與地層壓力實(shí)測(cè)點(diǎn)吻合度較好，達(dá)95%。渤中19-6-1井潛山地層在4 135 m時(shí)出現(xiàn)氣侵，氣侵發(fā)生時(shí)預(yù)測(cè)得到的孔隙壓力大于實(shí)際使用的鉆井液密度，符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際。本文提出的各地層孔隙壓力的預(yù)測(cè)方法均切實(shí)可行。

圖7 渤中19-6-1井全井段孔隙壓力Fig.7 Pore pressure of Bozhong 19-6-1

4 結(jié)論與建議

(1)根據(jù)沉積壓實(shí)過(guò)程中的力學(xué)關(guān)系及聲波時(shí)差—密度交會(huì)圖判斷渤中19-6構(gòu)造各地層異常壓力成因，認(rèn)為東二下段到沙河街組的成壓機(jī)制為生烴作用，可利用Bowers卸載曲線(xiàn)計(jì)算孔隙壓力；孔店組上段與潛山的成壓機(jī)制為壓力傳遞，創(chuàng)新性地提出了利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)其孔隙壓力。

(2)以渤中19-6-1井為例開(kāi)展各地層孔隙壓力的分析研究。渤中19-6構(gòu)造從東二下段開(kāi)始起壓，東二下底部孔隙壓力達(dá)到最大值1.51 g/cm3；沙一段孔隙壓力回落，范圍為1.20～1.34 g/cm3；潛山孔隙壓力為1.06～1.27 g/cm3，非靜水壓力系統(tǒng)。與實(shí)測(cè)地層壓力數(shù)據(jù)、實(shí)際使用的鉆井液密度進(jìn)行對(duì)比，預(yù)測(cè)結(jié)果吻合度較高。

(3)實(shí)例表明，分地層、分機(jī)制地預(yù)測(cè)孔隙壓力的方法可行，模型精確性較高。