孔隙流體壓力預(yù)測中的應(yīng)用

1、孔隙流體壓力預(yù)測頁巖含氣量與地層壓力存在相關(guān)性，壓力與埋深直接相關(guān)。富有機(jī)質(zhì)頁巖含氣量總體隨壓力的增加而增加，其中，吸附氣在低壓條件下增加較快，當(dāng)壓力達(dá)到一定程度后，增加速度明顯減緩，而游離氣仍然在明顯增加，并成為頁巖氣的主體。隨著頁巖油氣勘探的深入,地震資料的應(yīng)用不再僅僅局限于對構(gòu)造問題的解釋,而更迫切地需要利用地面地震資料來了解和認(rèn)識地下孔隙介質(zhì)的流體狀態(tài),即地下孔隙巖石中的含油氣性和孔隙流體壓力(簡稱孔隙壓力)狀況,對這些問題的客觀認(rèn)識有利于提高勘探成功率和減少鉆井事故。1.1地震地層壓力預(yù)測方法簡介異常高壓地層一般表現(xiàn)為高孔隙率、低密度、低速度、低電阻率等特點，因此，凡是可以反映這些特

2、點的各種地球物理方法均可用于檢測地層壓力。但是，由于各種測井方法均為“事后”技術(shù)，這就使得在初探區(qū)內(nèi)利用地震方法進(jìn)行鉆前預(yù)測顯得尤為重要。與此同時，地震地層壓力預(yù)測還可以提供較測井方法更為豐富的空間壓力分布信息。利用地震資料進(jìn)行地層壓力預(yù)測，主要是利用了超壓層的低速特點，因為在正常情況下，速度隨深度的增加而增加，當(dāng)出現(xiàn)超壓帶時，將伴隨出現(xiàn)層速度的降低?？梢?取準(zhǔn)層速度資料是預(yù)測地層壓力的關(guān)鍵之一，而選擇合適的地層壓力預(yù)測方法同樣是一個十分重要的環(huán)節(jié)。地震地層壓力預(yù)測的方法很多，但就總體而言，可分為圖解法和公式計算法兩類。前者具有直觀簡便的特點，主要用于地層壓力的定性預(yù)測。公式法則可以定量半定量

3、地預(yù)測出工區(qū)的壓力空間分布特點。1.1.1圖解法在所有地震地層壓力預(yù)測方法中，最為直觀簡便的方法莫過于圖解法了。按照判定超壓層方式的不同，又可細(xì)分為等效深度圖解法、比值法和量板法等三種。（1）等效深度圖解法等效深度圖解法（或可形象地稱之為直接趨勢線判別法）是以頁巖壓實概念為基礎(chǔ)的一種傳統(tǒng)預(yù)測方法。當(dāng)依據(jù)頁巖層段數(shù)據(jù)點建立了正常壓實趨勢線之后，利用實測速度值對正常趨勢線的偏離便可直接測出高壓異常的存在，以及異常高壓地層的頂面埋深值。一般地，當(dāng)?shù)貙訛檎簩崟r，實測的層速度將等于理論層速度 （或稱正常壓實層速度），即；當(dāng)?shù)貙訛檫^壓實時，有>；當(dāng)?shù)貙訛榍穳簩崟r，有<。這種方法在聲波測井中

4、一直被廣泛地采用 。將其引入地震勘探的具體作法是：根據(jù)地震資料求取層速度和深度H的關(guān)系曲線，再將該曲線與研究區(qū)內(nèi)的正常壓實趨勢線進(jìn)行比較，進(jìn)而劃分出高壓異常層段及其頂面埋深。這種方法的有效性不僅取決于地震速度計算的精度，而且取決于正常壓實趨勢線的準(zhǔn)確性。該法只能給出超壓層的位置，難以確定地層壓力值的大小，是一種定性預(yù)測方法。此外，為了克服低速異常的多解性，該法還要求事先獲得研究區(qū)內(nèi)的大套巖性信息。（2）比值法或差值法這種方法是由意大利通用石油公司的P. BELLOTTI等人于1987年首次提出的。它是根據(jù)實測地層速度值和相應(yīng)層段的頁巖正常壓實速度值之比或差值來判定超壓層空間位置 的一種預(yù)測方法

5、。究其實質(zhì)，該法實際上是等效深度法的一個變形。它與等效深度法具有同樣的觀測結(jié)果，而且同樣需要預(yù)先獲得大套巖性信息以克服多解性。當(dāng)和為已知時，利用下式便可求得相應(yīng)的比值R或差值，有:R=Vi/Vn （1-1） （1-2）對于從淺層到深層的不同計算點，我們可以通過計算得到一條隨深度變化的R曲線或曲線，其圖形解釋遵循如下規(guī)律：若R1（或=0），地層為正常壓實頁巖或高壓實的碳酸鹽巖；若R >1（或>0），地層為過壓實頁巖、碳酸鹽巖或淺層膠結(jié)地層；若R <1（或<0），地層為高孔隙率的巖石（如砂巖）或異常壓力地層，即超壓層。（3）量板法量板法實質(zhì)上是一種地質(zhì)統(tǒng)計判別法。所謂量板實

6、際上是根據(jù)大量已知數(shù)據(jù)建立的壓力梯度（或當(dāng)量泥漿比重）與聲波時差差值（或比值）的交會圖。當(dāng)然也可以利用已知地層壓力梯度值（或當(dāng)量泥漿比重值）對聲波時差進(jìn)行標(biāo)定來編制計算圖板。量板法雖然可以實現(xiàn)地層壓力的定量計算，但準(zhǔn)確的量板的建立往往需要大量的已知鉆井資料，這對于無井或少井的初探區(qū)是不適用的。然而，對于高成熟探區(qū)，由于井資料較多，建立相應(yīng)的壓力計算量板就容易得多，這對于我們進(jìn)行儲層壓力預(yù)測或控制無疑是最為直接而有效的方法。1.1.2公式計算法從前面的敘述中已經(jīng)看到，圖解法雖然直觀簡便，但主要用于地層壓力的定性預(yù)測。量板法雖然可以實現(xiàn)地層壓力的定量估算，但對于超壓層預(yù)測來說則是一種“事后”技術(shù)。

7、因此，在一定假設(shè)條件下利用所得到的各種經(jīng)驗公式來定量估算初探區(qū)的地層壓力就顯得尤為重要了。(1) 壓實平衡方程法在地層封閉條件下，上覆地層壓力是由組成巖石的顆粒質(zhì)點和孔隙中的流體共同承擔(dān)的，也就是說，當(dāng)?shù)貙硬槐黄茐臅r，上覆地層壓力、地層孔隙流體壓力及地層壓力、以及巖石骨架應(yīng)力三者之間始終保持著力的平衡，用公式表示為 （1-3）式中：為上覆地層壓力，為孔隙流體壓力；為巖石骨架應(yīng)力。根據(jù)此方程只要求出其中任意兩個量，便可確定第三個量。當(dāng)按照壓實平衡方程求取地層壓力時，需要事先確定上覆地層壓力和巖石骨架應(yīng)力。通常上覆地層壓力的計算有多種方法，但困難的是巖石骨架應(yīng)力一般較難確定，從而限制了這一方法的適

8、用性。意大利通用石油公司的P. Bellotti和Giacca（1978）在意大利波河流域盆地進(jìn)行地層壓力預(yù)測方法的研究中，曾提出如下的兩個計算巖石骨架應(yīng)力的上覆地層壓力的經(jīng)驗公式 （1-4） （1-5）式中：為泥巖速度； 為基質(zhì)密度；為巖石基質(zhì)速度； 為土壤最小速度；為層速度；為間隔厚度（M）；A、B為經(jīng)驗常數(shù)。式（1-4）對于頁巖地層或一般的碎屑巖地層是適用的，但需先確定系數(shù)A、B。對于意大利波谷盆地，Bellotti等人給出的A=0.9223，B=599。從理論上講，如果能夠準(zhǔn)確確定和值，該方法應(yīng)適用于任何壓實成因的地層，而且能夠給出較為準(zhǔn)確的壓力值。(2)等效深度公式計算法借助于等效壓

9、力原理和壓實平衡方程，我們很容易地得到如下公式 （1-6）式中：為異常壓力帶深度；為相應(yīng)于的等效深度；為上覆地層壓力梯度；為靜水壓力梯度。該式由Reynold早在1974年就導(dǎo)出過。在實用中由于一般較難確定，所以需引入正常壓實趨勢線并假定按指數(shù)規(guī)律變化時，將式（1-6）變?yōu)?（1-7）式中：C為地層壓縮因子，數(shù)值上等于正常壓實趨勢線的斜率；為初始地層間隔傳播的時間，等于正常趨勢線在時間軸上上截距；為異常壓力帶的間隔傳播時間。該法對于壓實成因的正常或異常地層均是適用的。由于在實際應(yīng)用中建立準(zhǔn)確的正常壓實趨勢線并不是一件容易的事，特別是當(dāng)研究區(qū)內(nèi)資料較少時，正常壓實趨勢線一般難以做出，這在一定程度

10、上又極大地限制了這一方法的適用性。這種局限性不只是等效深度法所獨有，而是所有依賴于正常壓實趨勢線的方法所共有的。這種方法的特點是可以計算異常地層壓力的絕對值。其精度除與層速度的精度密切相關(guān)外，還與正確的正常壓實趨勢線的建立密切相關(guān)。因此,需要重視正常壓實趨勢線的建立，否則難以達(dá)到預(yù)期的效果。需要注意的是，由于巖性的不同以及不整合等原因，壓實的情況有很大的差異。因此不能將壓實趨勢線任意地向下向上延伸，而應(yīng)分段制作壓實趨勢線，否則會造成預(yù)測錯誤。(3) Eaton法繼Reynold之后，Eaton（1976）又提出一個與Reynold公式十分相似的經(jīng)驗公式，即 （1-8）式中：為地層正常壓實時的時

11、差值；為實測地層的時差值；為靜水壓力值。Eaton公式實際上是建立在巖石骨架應(yīng)力與縱波速度三次方成比例的假設(shè)條件下的等效公式計算的一種特殊形式。因此除具有與等效深度公式計算共同的特點和不足外，其適用性還受相應(yīng)假設(shè)條件的限制，適用范圍遠(yuǎn)不如等效深度公式計算法廣。(4) Fillippone法Fillippone法是由加利福尼亞聯(lián)合石油公司的W. R. Fillppone提出的。他在1978年和1982年通過對墨西哥灣等地區(qū)的測井、鉆井、地震等多方面資料的綜合研究，先后提出兩套不依賴正常壓實趨勢線的簡單而實用的計算公式、并在墨西哥灣等地的實際應(yīng)用中取得了良好的效果，具體公式如下: （1-9） （1

12、-10)式中：、分別為孔隙率接近于零和剛性接近于零時的地層速度，前者近似于基質(zhì)速度，后者近似于孔隙流體速度；、分別為地層的最大和最小壓實速度；為預(yù)測層段的層速度。這兩類公式在形式上是一樣的，只是、各自隨深度變化的規(guī)律不同，即它們的數(shù)學(xué)表達(dá)式不同，即 （1-11） （1-12）式（1-11）中：，、分別表示T和時刻的均方根速度，T與分別為某一層底面和頂面的雙程旅行時；。式（6-16）中：，；，為時刻的均方根速度，為計算點處的雙程旅行時。對于式（6-9）、（6-10）中的上覆地層壓力均可采用如下經(jīng)驗公式: （1-13）式中：為平均密度；H為計算點埋深；系數(shù)0.465為單位換算系數(shù)，也有人稱之為靜水

13、壓力梯度值。進(jìn)一步分析式（1-9）不難發(fā)現(xiàn)，該式實際上只在兩上極點處是成立的，即=時，地層為致密巖石，無流體存在，故地層壓力=0，當(dāng)=時，巖石為純流體塊，無基質(zhì)存在，故地層壓力。當(dāng)實際地層速度不滿足這兩個極限條件時，壓力的估算主要是靠線性內(nèi)插的辦法來求得。也就是說，式（1-9）實際上包含了地層壓力與速度之間呈線性變化這樣的一個假設(shè)條件。然而實際的地層未必都滿足這種變化規(guī)律。劉震（1990）通過對遼東灣遼西凹陷的壓力的測試資料的分析發(fā)現(xiàn)，在異常壓力幅度不太大的中、淺層深度范圍內(nèi)，地層壓力與速度呈對數(shù)關(guān)系，于是他將Fillippone公式修正為 （1-15）上式在遼西凹陷的壓力預(yù)測中取得了較好的結(jié)

14、果。(5) Stone法Stone等人（1983）在進(jìn)行壓力和預(yù)測研究中，也曾提出一個經(jīng)驗計算公式，即: （1-16）如果說前面各經(jīng)驗公式至少在量綱上還具有某種一致性，式（1-19）則是一個純粹的經(jīng)驗公式，式中各量之間只存在統(tǒng)計的意義。只要工區(qū)內(nèi)有足夠的資料可以確定公式中的經(jīng)驗常數(shù)和正常壓實趨勢線，便可使用。據(jù)原文獻(xiàn)資料，系數(shù)C要取為0.485。該式的計算精度取決于時差的估算精度和壓實趨勢線的制作精度。(6) Martinez法該法也稱之為迭代模擬法。其核心實際上是Fillippone公式，所不同的只是Martinez （1986）對其進(jìn)行改寫，并考慮了密度影響，經(jīng)改寫后的Fillippone

15、公式為 （1-17）式中：為深度處的地層壓力；為相應(yīng)深度的上覆地層的壓力，并且；為第I個網(wǎng)格的深度；為采樣網(wǎng)格I的平均密度值，可由物體密度測井資料導(dǎo)出，采樣網(wǎng)格i=1，2，3，N（N為采樣網(wǎng)格總數(shù)）；和為施加于采樣網(wǎng)格I上的兩個約束條件，前者為孔隙率趨于零時的速度，后者為剛性趨于零時的速度，這兩個約束條件及縱波速度均可由合成聲波測井給出。此法的主要優(yōu)點是考慮了密度的影響，預(yù)測精度相對提高了，而且可以實現(xiàn)地層壓力的連續(xù)顯示，有助于實際應(yīng)用（如識別不同的壓力系統(tǒng)和小斷層等）。但此法的最大缺點是程序復(fù)雜，計算麻煩，故一直未能廣泛應(yīng)用。從上面的敘述不難看出，公式計算法按公式計算的特點不同，可以進(jìn)一步分

16、為依賴正常壓實趨勢線的公式法和不依賴正常壓實趨勢線的公式計算法兩類。前者主要包括等效深度公式計算法、Eaton法、Stone法、而后者則包括Fillippone法和Martinez法等。 前三種方法要依賴正常壓實趨勢線，預(yù)測精度與正常壓實趨勢線建立的精確與否有關(guān)；后兩種方法由于不依賴正常壓實趨勢線，因此應(yīng)用更為方便，但其計算精度受控于研究區(qū)的實際情況和各種經(jīng)驗假設(shè)條件的符合程度。1.2 壓力計算本次地層壓力計算以英國IKON公司的RokDoc軟件為應(yīng)用，利用工區(qū)內(nèi)頁巖氣探井南頁1井位為分析井，結(jié)合本工區(qū)處理的二維地震速度信息，對本工區(qū)進(jìn)行壓力預(yù)測及分析，工作流程如圖1。速度譜分析剩余速度分析層

17、速度體校正約束速度反演測井?dāng)?shù)據(jù)分析正常壓實趨勢模型上覆地層壓力孔隙壓力模型孔隙壓力數(shù)據(jù)體壓力分析圖1 南頁1井區(qū)壓力預(yù)測流程圖1.2.1地震速度校正(1)地震速度分析使用偏移地震速度，如圖2，利用Dix公式將偏移速度轉(zhuǎn)換為層速度，如圖3。抽取層速度過井?dāng)?shù)據(jù)與實測測井資料對比分析，如圖4，從圖中發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)換的地震速度與測井速度信息存在較大的差異。圖2 過南頁1井NW1025線地震偏移速度剖面圖3 過南頁1井NW1025線地震層速度剖面圖4 地震層速度與測井速度對比分析（黑色曲線為地震層速度；藍(lán)色為測井速度）（2）地震速度校正利用測井資料與地震層速度建立相關(guān)擬合分析，如圖5，建立的擬合關(guān)系如下，其相關(guān)

18、系數(shù)為0.83。Vint=2.25744*VRMS-7936.616利用如上擬合關(guān)系，對地震速度低頻趨勢進(jìn)行校正，其校正結(jié)果如圖6，校正后地震速度與測井速度的的低頻趨勢相一致。圖5 地震層速度與測井速度分析圖6地震層速度與測井速度對比校正分析（黑色曲線為地震層速度；藍(lán)色為測井速度；紅色為校正后地震層速度）（3）約束地震速度反演通過地震層速度的低頻校正，地震層速度低頻趨勢與井一致。利用校正后地震層速度信息結(jié)合測井資料和地震解釋的層位信息，完成測井約束條件下的地震速度反演，其反演結(jié)果如圖8；對提取反演速度井旁數(shù)據(jù)與井資料對比，反演結(jié)果與井一致，如圖9。圖8地震層速度與測井速度對比校正分析（黑色曲線為地震層速度；藍(lán)色為測井速度；紅色為校正后地震層速度）圖9測井約束反演層速度對比分析（黑色曲線為地震層速度；藍(lán)色為測井速度；紅色為校正后地震層速度；綠色為反演的層速度）1.2.2孔隙壓力模型求?。?）上覆地層壓力求取上覆地層壓力（P）=密度*重力加速度*地層厚度從上覆地層壓力公式可知，求取上覆地層壓力只有密度項是未知數(shù)據(jù)，通過利用實測的測井密度曲線，建立密度趨勢，從而求取上覆地層壓力。如圖10，為上覆地稱壓力求取過程中的密度趨勢求取。利用密度趨勢，從而求取上覆地層壓實曲線。圖10 南頁1井密度趨勢求?。?）壓實趨勢求取正常的地層壓實趨勢表現(xiàn)為泥巖的壓