徐家圍子地層壓力預(yù)測(cè)

本文主要內(nèi)容

前言

1、地層壓力計(jì)算模型研究

2、巖石力學(xué)參數(shù)計(jì)算

3、地應(yīng)力計(jì)算模型

4、井壁穩(wěn)定力學(xué)計(jì)算

5、壓力剖面計(jì)算

6、結(jié)論

刖百

(-)課題研究意義

國(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展對(duì)原油的需求量逐年加大，為彌補(bǔ)原油產(chǎn)量的不

足，大慶油田開始以氣補(bǔ)油，勘探開發(fā)向深層氣方向發(fā)展。徐家圍子斷陷位于松

遼盆地的中央地帶，區(qū)塊內(nèi)含有豐富的天然氣資源，是大慶外圍油氣開發(fā)的重點(diǎn)。

油田深層氣井鉆井?dāng)?shù)量增多，2006年深層氣井的鉆井?dāng)?shù)量達(dá)到60口以上，并有

逐年增多趨勢(shì)，氣層開發(fā)對(duì)固井質(zhì)量的要求也越來越高。因此，固好深層氣井，

減少固井事故的發(fā)生，保證后期產(chǎn)能作業(yè)過程中不發(fā)生環(huán)空氣竄，是實(shí)現(xiàn)“原油

硬穩(wěn)定，天然氣快發(fā)展”目標(biāo)的關(guān)鍵所在。

徐家圍子斷陷深井井深從3185m至4763m,平均井深4128m,并且沉積不完

整，存在沉積缺失的現(xiàn)象，異常高壓和低壓同時(shí)存在，封固段從722m至4213m,

有些井為了滿足勘探要求，水泥漿直接返到地面，封固段長(zhǎng)、施工作業(yè)量大增加

了固井施工難度，固井質(zhì)量不易得到保證。由于本區(qū)塊深層壓力系統(tǒng)復(fù)雜，在同

一井段內(nèi)存在多套壓力系統(tǒng)，火山巖天然裂縫的存在使得巖石容易破裂，地層孔

隙壓力和破裂壓力非常接近，固井施工時(shí)水泥漿密度窗口較窄，水泥漿密度過小

不能壓穩(wěn)地層引起環(huán)空氣竄，影響固井施工及固井膠結(jié)質(zhì)量；水泥漿密度過大時(shí)

容易壓漏地層，導(dǎo)致固井作業(yè)失敗，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

盡管多年來壓力預(yù)測(cè)技術(shù)得到了進(jìn)一步的發(fā)展和應(yīng)用，但由于區(qū)塊地質(zhì)情況

的復(fù)雜性，井下事故的發(fā)生現(xiàn)象依然十分嚴(yán)重。據(jù)統(tǒng)計(jì)，徐家圍子地區(qū)在2005

年間共發(fā)生井涌15井次，井漏110井次，卡鉆30余井次，復(fù)雜事故20余井次,

各類事故的損失時(shí)間達(dá)2X10%左右，經(jīng)濟(jì)損失慘重。

因此在徐家圍子地區(qū)開展壓力剖面研究具有十分重要的意義，對(duì)本地區(qū)的勘

探和開發(fā)都起著十分重要的作用。壓力剖面的準(zhǔn)確計(jì)算，對(duì)合理高速的開發(fā)本區(qū)

塊的油氣資源、安全生產(chǎn)、提高經(jīng)濟(jì)效益方面都有益處，具有重要的理論及現(xiàn)場(chǎng)

應(yīng)用價(jià)值。

該項(xiàng)目通過分析徐家圍子斷陷壓力形成機(jī)理及地質(zhì)特征，在深入研究現(xiàn)有壓

力計(jì)算方法的基礎(chǔ)上，建立火山巖地層孔隙壓力計(jì)算模型及破裂壓力計(jì)算模型，

從而確定安全合理的固井水泥漿密度窗口，減少因井壁破裂等固井事故所造成的

巨大經(jīng)濟(jì)損失，同時(shí)有效的減少了環(huán)空氣竄的可能性，為固井施工的順利進(jìn)行和

提高固井質(zhì)量提供有效地技術(shù)支持，具有顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

(-)課題研究?jī)?nèi)容

石油工業(yè)中用于計(jì)算地層壓力和破裂壓力的方法很多，由于測(cè)井資料受人為

因素影響少，且能隨井深連續(xù)變化，被公認(rèn)為計(jì)算地層壓力和破裂壓力較為理想

的方法。目前，用測(cè)井資料估算砂泥巖地層壓力剖面的方法與技術(shù)較為成熟，但

是這些方法在計(jì)算壓力剖面時(shí)需要利用純泥巖段的測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)。由于徐家圍子斷陷

火山巖剖面中缺少大段的純泥巖層，目的層附近的泥巖段資料數(shù)據(jù)點(diǎn)貧乏，有的

井段甚至根本不存在泥巖層段，因此使用傳統(tǒng)的方法無法獲得真正連續(xù)的地層壓

力和破裂壓力。

由于傳統(tǒng)計(jì)算地層孔隙壓力和破裂壓力的方法都是針對(duì)泥頁(yè)巖地層開展的，

傳統(tǒng)的計(jì)算方法對(duì)于火山巖地層來說并不適用。地層孔隙壓力和破裂壓力面臨著

隱蔽的地層參數(shù)、地下應(yīng)力場(chǎng)隨時(shí)間動(dòng)態(tài)變化等挑戰(zhàn)，研究結(jié)果具有很大的不確

定性，因此壓力剖面的研究要緊密結(jié)合本油田的地質(zhì)構(gòu)造與巖性特性，開展火山

巖力學(xué)參數(shù)特征研究，研究聲波測(cè)井與火山巖巖石力學(xué)參數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系，建

立符合火山巖地層計(jì)算地層孔隙壓力和破裂壓力的新模型。因此，本文從以下兒

個(gè)方面進(jìn)行研究：

(1)徐家圍子斷陷異常壓力形成機(jī)理研究；

(2)火山巖剖面地層壓力計(jì)算方法研究；

(3)區(qū)塊地應(yīng)力計(jì)算模型研究；

(4)確定火山巖巖石力學(xué)參數(shù)計(jì)算方法以及動(dòng)、靜態(tài)彈性參數(shù)的轉(zhuǎn)換關(guān)系;

(5)構(gòu)建井壁巖石坍塌壓力和破裂壓力剖面；

(6)確定安全水泥漿密度窗口；

(7)編制壓力剖面計(jì)算軟件。

在上述理論與實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，通過編制壓力剖面計(jì)算軟件，較為準(zhǔn)確

的確定安全合理的水泥漿密度，為固井施工提供技術(shù)支持，提高固井質(zhì)量，減少

井漏等固井事故的發(fā)生，增加經(jīng)濟(jì)效益。

1、地層壓力計(jì)算模型研究

1.1區(qū)域概況

1.1.1地層特征

大慶油田深部火山巖天然氣儲(chǔ)層主要分布在松遼盆地北部的徐家圍子地區(qū)。

徐家圍子斷陷深層自下而上發(fā)育的地層有火石嶺組、沙河子組、營(yíng)城組和登婁庫(kù)

組與泉頭組一二段，火山巖主要發(fā)育于火石嶺組和營(yíng)城組。

表1徐家圍子斷陷巖性描述

組段巖性剖面巖石組合

:暗紫色泥巖夾薄層砂巖

^r-n

泉頭組中上部暗紫色、紫紅色泥巖夾

一二三…

???1薄層砂巖，底部中薄層砂巖夾泥巖

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四?--I暗紫色泥巖夾中、薄層砂巖

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三厚層砂巖夾薄層泥巖

登婁庫(kù)組■■~~n

■????厚層泥巖夾薄層砂巖

度1中厚層礫巖

I■oc|

四VV凝灰質(zhì)砂巖夾泥巖

VVV中、基性火山巖夾酸性火山巖

營(yíng)城組二..-1

4411凝灰質(zhì)砂巖、砂巖、泥巖互層

八f\

—■八

114D中、厚層流吻巖，火山碎屑巖

QI41

111?上部灰黑色泥巖夾薄層礫巖、砂巖，

二

沙河子組下部厚層礫巖與泥巖互層，中部含煤層

—>pao-?厚層礫巖夾灰黑色泥巖和煤層

y77

aa厚層中酸性火山巖夾礫巖、泥巖

火石嶺組

一上部灰黑色泥巖與礫巖、砂巖互層，含煤層

泉頭組巖性主要以暗紫色和灰綠色泥巖、粉砂巖為主，其中泉二段泥巖占

85%?90%,泉一段相對(duì)泉二段巖性顏色更深，整個(gè)泉頭組以河流和湖泊相沉積環(huán)

境為主。登樓庫(kù)四段巖性為灰綠色泥巖、粉砂巖以及灰色細(xì)砂巖，沉積環(huán)境為河

流和濱淺湖相；登三段巖性以灰白色砂巖為主，偶夾灰褐色泥巖、粉砂巖，主要

為河流沉積環(huán)境；登二段巖性主要為灰色泥巖、粉砂巖和灰白色細(xì)砂巖，泥巖含

量接近80%,主要為湖泊和河流沉積環(huán)境；登一段巖性以雜色礫巖、砂巖為主，

為沖積扇沉積環(huán)境。營(yíng)城組巖性以灰黑色泥巖、雜色礫巖夾煤層和中酸性火山巖

為主，沉積環(huán)境包括湖泊、扇三角洲、河流以及沼澤。沙河子組由暗色泥巖、粉

砂巖、雜色砂礫巖夾煤層組成，屬湖泊、三角洲、沼澤及河流沉積環(huán)境?；鹗瘞X

組由厚層安山巖和安山質(zhì)火山碎屑巖組成，巖性包括灰黑色、紫灰色安山巖、安

山質(zhì)火山角礫巖、英安巖、安山質(zhì)角礫熔巖、玄武安山巖等。

火山巖儲(chǔ)層作為復(fù)雜而特殊的油氣儲(chǔ)層，其研究在國(guó)內(nèi)外是一個(gè)新的研究領(lǐng)

域。徐深氣田位于松遼盆地徐家圍子斷陷升平-興城構(gòu)造帶上,該區(qū)火山巖縱向上

主要分布在深部地層（火石嶺組、沙河子組、營(yíng)城組）中，在火山活動(dòng)期火山熔巖

和火山碎屑巖以層狀、互層狀產(chǎn)出，在火山噴發(fā)間歇期沉積了陸源碎屑巖?；鹕?/p>

巖的縱向分布反映了火山噴發(fā)具有多期次、多旋回,復(fù)雜沉積韻律,因而造成了火

山巖儲(chǔ)層具有巖性多變、氣水關(guān)系復(fù)雜等特點(diǎn)。

1.1.2火山巖儲(chǔ)層特征

主要儲(chǔ)集空間類型有氣孔、氣孔被充填后的殘余孔、杏仁體內(nèi)孔、球粒流紋

巖中流紋質(zhì)玻璃脫?；a(chǎn)生的微孔隙、長(zhǎng)石溶蝕孔、火山灰溶蝕孔、碳酸鹽溶蝕

孔、石英晶屑溶蝕孔、礫間孔、球粒周邊及粒間收縮縫、裂縫及微裂縫等類型。

其中氣孔、球粒流紋巖中流紋質(zhì)玻璃脫玻化產(chǎn)生的微孔隙、長(zhǎng)石溶蝕孔、火山灰

溶蝕孔、裂縫及微裂縫等是主要的孔隙類型。以上各類儲(chǔ)集空間一般不單獨(dú)存在,

而是以某種組合形式出現(xiàn)。儲(chǔ)集空間與儲(chǔ)集巖巖石類型有著密切的關(guān)系，不同的

巖石類型有著不同類型的儲(chǔ)集空間組合。

火山巖儲(chǔ)集層的儲(chǔ)集空間可分為原生和次生兩大類：原生儲(chǔ)集空間包括巖漿

噴發(fā)與冷卻過程中由巖漿揮發(fā)的氣體和下伏巖石的蒸汽流所造成的氣孔和空洞，

巖漿冷卻與結(jié)晶、凝縮過程中所形成的裂縫和屑間、晶間孔隙。巖漿冷卻凝縮自

生碎裂裂縫，最大可達(dá)4mm以上。

次生儲(chǔ)集空間類型指火山巖經(jīng)受火山期后的熱液蝕變、地下水的溶蝕和構(gòu)造

應(yīng)力作用所形成的儲(chǔ)集空間,主要包括各種次生礦物的孔隙、溶蝕孔洞和構(gòu)造裂

縫。次生儲(chǔ)集空間往往追蹤疊加于原生儲(chǔ)集空間，大大改善了火山巖儲(chǔ)集層的物

性,在風(fēng)化侵蝕帶和構(gòu)造破碎帶更加發(fā)育完善。

與沉積巖相比,火山巖巖石的礦物成分要復(fù)雜得多。沉積巖的骨架由較少的

礦物成分組成，如砂巖主要由石英和長(zhǎng)石構(gòu)成，碳酸鹽巖主要由方解石和白云石

構(gòu)成，一般骨架的礦物成分不會(huì)隨著深度發(fā)生較大的變化。而火山巖的巖石骨架

中，礦物成分不僅有石英、長(zhǎng)石,而且還含有橄欖石、輝石、角閃石、云母等暗色

礦物，特別是火山巖多呈玻璃質(zhì)狀態(tài),鏡下分析也難以準(zhǔn)確給出火山巖礦物的成

分和含量,只能由化學(xué)分析給出火山巖的各種氧化物的含量，因此確定火山巖的

巖性和識(shí)別不同火山巖是非常困難的。

本區(qū)火山巖熔巖主要有：流紋巖、英安巖、安山巖、玄武巖、粗面巖、粗安

巖和安粗巖等；火山碎屑巖有：集塊巖、角礫巖、凝灰?guī)r和沉凝灰?guī)r等；熔巖與

火山碎屑巖的過渡型有：熔結(jié)集塊巖、熔結(jié)角礫巖、熔結(jié)凝灰?guī)r等。

本區(qū)深層天然氣源巖主要分布在侏羅系沙河子組、白堊系登樓庫(kù)組二段，以

及泉頭組一、二段，儲(chǔ)層主要分布在侏羅系營(yíng)城組、白堊系登一段、登三段和登

四段。

火山巖儲(chǔ)集空間孔隙的形成都和巖漿的化學(xué)組成及巖漿的物理化學(xué)性質(zhì)有

關(guān)，也和冷卻后形成的巖石的物理化學(xué)環(huán)境有關(guān)。即孔隙的形成是物理作用及物

理化學(xué)作用的結(jié)果。

火山巖氣孔是形成好儲(chǔ)層的重要因素之一，原生氣孔的形成以及氣孔的多

少取決于巖漿中所含的揮發(fā)分。

流紋質(zhì)玻璃的脫?；梢援a(chǎn)生相當(dāng)數(shù)量的微孔隙，球粒流紋巖中流紋質(zhì)玻

璃脫玻化作用是孔隙形成的重要成因之一。

長(zhǎng)石溶蝕形成孔隙本區(qū)火山巖長(zhǎng)石的溶蝕孔隙主要為斑晶、晶屑、微晶

以及脫?；纬傻拈L(zhǎng)石的溶蝕。酸性流體與長(zhǎng)石反應(yīng)達(dá)到化學(xué)平衡，從而導(dǎo)致了

長(zhǎng)石組分的溶蝕。無機(jī)酸和鉀長(zhǎng)石、鈉長(zhǎng)石反應(yīng)形成高嶺石、石英及鉀、鈉離子,

鉀、鈉離子被流體帶出，產(chǎn)生孔隙。有機(jī)酸對(duì)長(zhǎng)石的溶蝕與無機(jī)酸不同，有機(jī)酸

可使長(zhǎng)石中的A1"形成絡(luò)合物，被流體帶走而產(chǎn)生孔隙。

火山灰及粘土礦物的溶蝕火山灰是指粒度小于2mm的半塑性的玻屑，半塑

性的玻屑是不穩(wěn)定的，當(dāng)物理環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，就會(huì)發(fā)生脫?；饔?，最終形成

顆粒細(xì)小的石英和長(zhǎng)石，同時(shí)釋放出一定的空間。另一方面，由于半塑性的玻屑

以及形成的石英和長(zhǎng)石顆粒細(xì)小、表面積大，容易遭受到流體的作用的影響而發(fā)

生溶蝕或蝕變,從而形成孔隙。

碳酸鹽的溶蝕碳酸鹽礦物比較活潑，在堿性條件下易發(fā)生沉淀，在酸性

條件下溶蝕。當(dāng)流體為堿性環(huán)境時(shí)發(fā)生碳酸鹽礦物的大量沉淀，堵塞孔隙，在酸

性條件下又發(fā)生溶蝕形成孔隙。

綜合核磁、鑄體薄片觀察結(jié)果和孔滲資料，初步認(rèn)為有效孔隙主要和長(zhǎng)石

溶蝕變巖屑中氣孔被鈉長(zhǎng)石等礦物充填后的殘余孔、碳酸鹽的溶蝕、微裂隙、火

山灰強(qiáng)烈溶蝕有關(guān),而微孔隙主要來自于火山灰的弱溶蝕。

1.1.3區(qū)域壓力分布

根據(jù)本區(qū)深層已經(jīng)積累的鉆井壓力測(cè)試資料，充分利用壓力與測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)的關(guān)

系對(duì)井間地區(qū)泉頭組及其以下層位進(jìn)行壓力計(jì)算。根據(jù)壓力系數(shù)計(jì)算結(jié)果并參考

他人成果，提出本區(qū)壓力分類方案：超低壓，小于0.90；低壓，0.9-0.98；常壓,

0.98-1.02；高壓，1.02?1.12；超高壓，大于1.12。分析表明,登四段為低壓，登

三段以常壓為主，登一、二段主要為高壓，營(yíng)城組以高壓為主，沙河子組主要為

低壓，火石嶺組則表現(xiàn)為低壓和超高壓。

圖1-1壓力系數(shù)分布圖

從異常壓力剖面和平面形態(tài)來看，它們往往呈橢圓形封隔體，在主要斷層處

也表現(xiàn)為半橢圓形。異常壓力流體封隔體是沉積盆地中一個(gè)被封閉起來的相對(duì)獨(dú)

立的水力與化學(xué)體系，在一定時(shí)期內(nèi)，它與周圍環(huán)境沒有明顯的物質(zhì)交換。當(dāng)封

隔體內(nèi)的孔隙流體壓力大于靜水壓力時(shí)，稱之為高壓流體封隔體；反之，稱之為

低壓流體封隔體。封閉層能有效阻止封隔體與周圍環(huán)境進(jìn)行物質(zhì)交換，它的識(shí)別

對(duì)研究異常壓力流體封隔體非常重要。根據(jù)近幾年的研究成果，封閉層既可以是

低孔隙度、低滲透率的泥巖、膏巖層，也可以是地層尖滅帶、斷層帶以及致密膠

結(jié)帶等。本區(qū)的封閉層有三種類型：（1）區(qū)域性泥巖層，如沙河子組泥巖、登二

段泥巖、泉一、二段泥巖，它們構(gòu)成較高一級(jí)封隔體（如火石嶺組低壓封隔體、

營(yíng)城組登一段高壓封隔體等）的封閉層；（2）局部成巖作用差異層，它們構(gòu)成某

層位內(nèi)分布的次一級(jí)封隔體（如登二段、營(yíng)城組中分布的一系列小封隔體）的封

閉層，這種類型的封閉層常常是泥巖與粉砂質(zhì)泥巖的薄層互層組合；（3）斷層帶

封閉層，它們構(gòu)成大型封隔體的側(cè)向封閉層。

1.1.4異常壓力成因

（1）異常高壓成因

關(guān)于異常高壓成因的觀點(diǎn)很多，綜合起來主要包括泥巖差異壓實(shí)、構(gòu)造作用

（如抬升、褶皺、斷層滑塌、泥巖或鹽巖刺穿等）、煌的生成、水熱增壓、粘土

礦物轉(zhuǎn)化、石膏向硬石膏轉(zhuǎn)化、差異滲透以及等勢(shì)面的不規(guī)則等。雖然影響異常

高壓的因素很多，但就某一具體沉積盆地而言常常是一種或幾種因素起了關(guān)鍵作

用。本區(qū)深層異常高壓主要出現(xiàn)在2600?3500m的深度，經(jīng)過綜合分析認(rèn)為蜂的

生成、泥巖差異壓實(shí)和粘土礦物轉(zhuǎn)化是其形成的主要因素。

1）煌的生成

隨地層埋藏深度的增大，有機(jī)質(zhì)向煌的轉(zhuǎn)變會(huì)導(dǎo)致流體體積的增加，特別是

甲烷的形成已被證實(shí)是許多油氣藏中異常高壓產(chǎn)生的重要原因。本區(qū)最顯著的異

常高壓層位是登樓庫(kù)組的二段，源巖有機(jī)碳含量為0.74%,氯仿瀝青“A”0.088%,

總煌0.0213%,干酪根類型為II-111型，屬較好燒源巖。在2600?3500m深度，

鏡質(zhì)體反射率R。為1.8%?2.2%,由松遼盆地炫源巖生煌模式可知，這一階段正

是天然氣形成的主要時(shí)期。

熱裂解使干酪根C-C鍵斷裂，甲烷的生成量越來越多，同時(shí)也產(chǎn)生大量的

水和非燃?xì)怏w（主要是CO2）,這些流體的體積比原來有機(jī)物質(zhì)的體積大約增加

2?3倍?，因此引起孔隙流體的壓力大幅度提高。燒類氣體和非燒類氣體先在水中

飽和，之后又形成大量游離氣體，它們不僅堵塞孔隙通道，而且當(dāng)溫度升高時(shí)還

進(jìn)一步膨脹。

2）泥巖的差異壓實(shí)

泥巖的壓實(shí)程度與巖性中礦物成分、顆粒大小、沉積速率、地溫及構(gòu)造應(yīng)力

等因素有關(guān)。本區(qū)泥巖孔隙度與深度的關(guān)系如圖1-2所示，在2600m以下孔隙

度具有明顯增高的現(xiàn)象，表明有欠壓實(shí)作用存在。欠壓實(shí)作用是由于壓實(shí)作用與

排水作用不平衡的結(jié)果。產(chǎn)生欠壓實(shí)i般需要三個(gè)條件：上覆沉積物厚度大、泥

巖本身厚度大以及沉積速率高。在這樣的條件下，泥巖排出孔隙流體的過程中因

其上下與儲(chǔ)集層相鄰的部分首先壓實(shí)，排出孔隙流體，形成上下致密層，孔隙流

體向外排出受到限制，滯留其內(nèi)承壓產(chǎn)生了異?？紫读黧w壓力，形成超壓封閉，

導(dǎo)致異常壓力的產(chǎn)生。從沉積學(xué)角度看，三角洲前緣、三角洲間灣以及中深湖環(huán)

境容易產(chǎn)生欠壓實(shí)作用（如圖1-3所示）。因?yàn)槿侵夼c中深湖的轉(zhuǎn)換地帶存在

地形坡度的突然變化，而由于沉積物供給充分，沉積速率高，致使下伏層泥巖中

的水不能及時(shí)排出。中深湖環(huán)境以泥巖沉積物為主，粗碎屑少，隨泥巖厚度的增

大，深部泥巖的孔隙度也會(huì)偏離正常壓實(shí)曲線。

孔隙度/%

3500

圖1-2徐家圍子斷陷泥巖孔隙度隨深度的變化

圖1-3昌德東地區(qū)營(yíng)城組上部壓力系數(shù)與沉積環(huán)境關(guān)系示

3）粘土礦物的轉(zhuǎn)變

根據(jù)本區(qū)粘土礦物分析結(jié)果，蒙脫石向伊利石轉(zhuǎn)變大約發(fā)生在1300?3000m

深度，對(duì)應(yīng)的鏡質(zhì)體反射率凡為0.6%?2.0%,恰好與生睡窗對(duì)應(yīng)。當(dāng)蒙脫石向

伊利石轉(zhuǎn)變時(shí)大約脫出相當(dāng)于泥巖總體積10%?15%的水量，因此由于過量水體

排出受阻而引起流體壓力的增大。

（2）異常低壓成因

除因油氣、地下水開采而導(dǎo)致壓力降低外，目前對(duì)異常低壓的成因認(rèn)識(shí)主要

包括地層抬升與剝蝕、飽和天然氣藏的埋深、非均衡流、封閉層的泄露與流體的

排出、水平面降低以及凍土帶退化等。對(duì)這些因素歸納綜合，會(huì)發(fā)現(xiàn)可以將低壓

的形成歸因于三大類，即承壓系統(tǒng)的等高位置的變化、孔隙空間體積的增大以及

流體體積的減小。本區(qū)深層異常低壓的成因主要由地層抬升剝蝕和流體的排出而

引起。

1）地層的抬升剝蝕

本區(qū)深層地層曾經(jīng)多次遭受抬升與剝蝕，其中主要包括火石嶺末期、沙河子

晚期和末期、營(yíng)城末期、登樓庫(kù)末期以及泉頭末期。地下巖層被抬升后，地層溫

度降低,流體體積也就相應(yīng)減小,巖石的彈性回升效應(yīng)也會(huì)導(dǎo)致孔隙體積的增大,

從而引起孔隙壓力的下降。在實(shí)際研究中發(fā)現(xiàn)，并非所有的地層抬升剝蝕都可以

導(dǎo)致異常低壓的產(chǎn)生，這與遭受剝蝕地層的上覆地層的巖性和沉積狀況有關(guān)。?

種情況是，在遭受剝蝕之后，盆地迅速沉降，并在上覆層位沉積厚層的泥巖，這

樣泥巖可以起到封閉層的作用，剝蝕面上、下可以成為兩個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)，流體不

能進(jìn)行流動(dòng)和物質(zhì)交換，因此遭受剝蝕地層中的異常低壓現(xiàn)象就會(huì)得以保存。例

如火石嶺組之上沉積了沙河子組厚層泥巖，登樓庫(kù)組四段之上沉積了厚層泉頭組

一、二段泥巖，火石嶺組和登四段中的低壓保存至今。另利情況是，在遭受剝

蝕之后，盆地緩慢沉降，粗碎屑大量供應(yīng)，剝蝕面上、下為互相開放體系，流體

可以流動(dòng)和進(jìn)行物質(zhì)交換，這樣在下伏地層中的低壓現(xiàn)象就不會(huì)維持太久。例如

營(yíng)城組和登婁庫(kù)組之間的界面是重要區(qū)域性剝蝕面，但因該面上下都沉積了粗碎

屑物質(zhì)，營(yíng)城組中因抬升剝蝕而引起的異常壓力未能保存下來。

2）流體的排出

地下流體（油、天然氣、水等）從地層中排出后，會(huì)導(dǎo)致地層壓力的減小，

從而形成低壓異常。本區(qū)沙河子組泥巖為主力燃源巖，生煌史分析結(jié)果表明，沙

河子組有三次生氣高峰期：第一次在營(yíng)城組沉積末期，適逢當(dāng)時(shí)構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈，

巖漿噴出、地層抬升剝蝕以及斷層活動(dòng)導(dǎo)致所形成的天然氣大量散失，難以聚集

成藏；第二次在泉頭組沉積時(shí)，天然氣在異常高壓驅(qū)替下大量向營(yíng)城組和登一段

運(yùn)移；第三次在嫩江組沉積后，雖然天然氣的生成量較前兩次少，但被溶解和吸

附的比例卻大大降低，大量氣體也向營(yíng)城組和登一段運(yùn)移，對(duì)氣藏的形成起著重

要作用。正是由于沙河子組所生成的姓已經(jīng)發(fā)生運(yùn)移和散失，所以造成地層中出

現(xiàn)低壓異常。

本區(qū)深層異常壓力包括超低壓、低壓、高壓、超高壓幾種類型，它們多以橢

圓形或半橢圓形的封隔體形式存在。異常高壓形成因素中，夕空的生成、泥巖差異

壓實(shí)和粘土礦物轉(zhuǎn)變表現(xiàn)最為突出，三角洲前緣與中深湖沉積環(huán)境更容易產(chǎn)生高

壓。異常低壓的形成則主要?dú)w因于地層的抬升剝蝕和流體的排出，其中因地層抬

升剝蝕而產(chǎn)生的低壓的保存狀況與盆地的沉降速率和上覆地層的巖性有關(guān)。

L2砂泥巖地層壓力計(jì)算技術(shù)

1.2.1地層壓力計(jì)算的基礎(chǔ)理論

目前.，用于計(jì)算泥頁(yè)巖層原始地層孔隙壓力的方法很多，主要有鉆前的地震

資料法，鉆井過程中的鉆井參數(shù)法以及鉆井后的測(cè)井資料法。各種地層孔隙壓力

的計(jì)算方法都離不開以下三個(gè)基礎(chǔ)理論。

（1）壓實(shí)理論

在沉積巖中，正常沉積條件下，隨著上覆地層壓力Po的增加，泥巖的孔隙

度例如卜，。的減小量與上覆地層壓力Po的增量dPo及孔隙尺寸有關(guān)，即正常壓

實(shí)地層中泥巖孔隙度是深度”的函數(shù)。也就是說正常壓力地層中，隨著井深〃

的增加，巖石孔隙度減小。如果隨著井深增加，巖石孔隙度增大，則說明該地段

地層壓力異常。壓實(shí)理論是支持de指數(shù)，聲波時(shí)差等地層壓力預(yù)測(cè)技術(shù)的理論

基礎(chǔ)之一。

（2）有效應(yīng)力理論

上覆地層壓力5是由巖石顆粒之間相互接觸的骨架應(yīng)力和孔隙壓力Pp來

支撐的（圖1-4）?？紫稇?yīng)力是拉應(yīng)力，它能降低由于外部壓力而作用在巖石骨架

上的應(yīng)力。這兩個(gè)參數(shù)能合并為一個(gè)簡(jiǎn)單的函數(shù)，即有效應(yīng)力。有效應(yīng)力理論是

支持de指數(shù)、聲波時(shí)差、電阻率測(cè)井、補(bǔ)償密度測(cè)井等地層壓力監(jiān)測(cè)方法的理

論基礎(chǔ)。它能計(jì)算出一個(gè)或兩個(gè)參數(shù)變化的綜合影響，有效應(yīng)力5,定義為：

5"/一/(1-1)

式中：。為孔隙壓力系數(shù)，它最早是由Biot引入的，所以又稱為Biot系數(shù)，其

意義是孔隙壓力對(duì)巖石骨架應(yīng)力貢獻(xiàn)的大小，對(duì)于滲透性很好的巖石可以取。=

lo

圖1-4巖石骨架應(yīng)力圖

(3)均衡理論

均衡理論指出，在壓實(shí)與排泄過程平衡時(shí)，泥頁(yè)巖地層與相鄰的砂巖地層間

的孔隙壓力近似相等。之所以使用均衡理論，是因?yàn)榈貙涌紫秹毫Φ挠?jì)算是從泥

頁(yè)巖的壓實(shí)分析出發(fā)的，計(jì)算中首先得到的是泥巖地層的孔隙壓力，砂巖地層由

于其孔隙度更多地受巖石骨架顆粒和沉積環(huán)境的影響，而不能很好地反映地層的

壓實(shí)狀況，但其孔隙連通性較好，不會(huì)出現(xiàn)壓力突變，故其孔隙壓力值也就為上

覆泥巖層孔隙壓力與由深度差引起的靜液柱壓力之和。均衡理論也是支持地層壓

力預(yù)測(cè)技術(shù)不可缺少的基礎(chǔ)理論。

122地層壓力計(jì)算方法簡(jiǎn)介

從60年代初，意識(shí)到地層孔隙壓力在油氣鉆井中的重要性并開始探索預(yù)測(cè)

其值的方法開始，己有40年的歷史了，相繼提出了許多計(jì)算的方法。但嚴(yán)格來

講，到現(xiàn)在為止，地層孔隙壓力的準(zhǔn)確確定這個(gè)問題還是沒有得到徹底的解決。

目前世界上許多研究者還在研究探索新的方法，尤其是進(jìn)入90年代以來，地層

孔隙壓力預(yù)測(cè)在地質(zhì)、鉆井、測(cè)井、物探等領(lǐng)域再次成為研究的熱點(diǎn)。

一般來說，可以將地層孔隙壓力研究分為兩個(gè)階段，經(jīng)驗(yàn)半經(jīng)驗(yàn)階段

(1965~1987年)和逐步科學(xué)化階段(1987年?至今)。

經(jīng)驗(yàn)半經(jīng)驗(yàn)階段提出的方法國(guó)內(nèi)外一般稱為傳統(tǒng)方法。這些方法己使用了數(shù)

十年，而且目前在國(guó)內(nèi)外尤其在國(guó)內(nèi)仍作為標(biāo)準(zhǔn)方法來使用。隨著油氣勘探深度

和難度的增加，傳統(tǒng)方法的缺陷逐漸暴露出來，已滿足不了現(xiàn)代油氣勘探的需要。

原始地層孔隙壓力預(yù)測(cè)方法都是基于壓實(shí)理論、均衡理論及有效應(yīng)力理論。

預(yù)測(cè)方法有標(biāo)準(zhǔn)化鉆速法、地球物理方法（地震波）、測(cè)井（聲波時(shí)差等）。目前應(yīng)

用某一種方法是很難準(zhǔn)確評(píng)價(jià)一個(gè)地區(qū)或區(qū)塊的地層孔隙壓力，往往需要采用多

種方法進(jìn)行綜合分析和解釋。

（1）地球物理勘探方法

在地球物理勘探中，常用地震勘探來預(yù)測(cè)異常地層壓力。除地震勘探方法外,

重力勘探、磁法勘探和電法勘探均可作為異常地層壓力預(yù)測(cè)的一種輔助手段。但

是，磁法和電法勘探只限于在深度相當(dāng)淺的地區(qū)使用。地震勘探預(yù)測(cè)地層壓力是

一種鉆前預(yù)測(cè)地層壓力的方法，有助于確定合理的鉆井液密度和井身結(jié)構(gòu)，對(duì)保

護(hù)油氣層將起到很大的作用。

利用地震資料進(jìn)行地層壓力預(yù)測(cè)，因?yàn)樵谡Ｇ闆r下，地震速度隨深度的增

加而增加，當(dāng)出現(xiàn)超壓帶時(shí)，常常伴隨有高孔隙度、高地溫、低密度、低速度等

特征，這正是利用地震層速度或波阻抗研究超壓層的理論基礎(chǔ)。巖石物理實(shí)驗(yàn)表

明：超壓層，無論是壓實(shí)成因的、構(gòu)造成因的、還是熱成因的，均表現(xiàn)為低速響

應(yīng)?？梢?，用地震資料進(jìn)行地層壓力的鉆前預(yù)測(cè)，關(guān)鍵是取準(zhǔn)層速度。

超壓層的預(yù)測(cè)主要是利用超壓層具有低速異常的特點(diǎn)。然而，低速異常并非

是超壓層的唯一地震響應(yīng)。在沉積巖剖面中，影響速度的因素是多方面的，以砂

巖為例，局部的低速異常可能是煌類聚集的標(biāo)志，也可能是欠壓實(shí)的反映，它也

可能暗示著泥質(zhì)含量的增高或孔隙的良好發(fā)育，在所有這些可能中，某些可能是

互相依存的，如煌類聚集與孔隙發(fā)育等，而另一些可能則是互相排斥的，如泥巖

含量增高與欠壓實(shí)，正因?yàn)槿绱耍瑳Q定了地震地層壓力具有多解性和近似性。

地震地層壓力預(yù)測(cè)的關(guān)鍵一步在于排除多解性，其次才是精度的改善。鑒于

目前所用地震預(yù)測(cè)方法本身固有的缺陷，這方面問題只能通過加強(qiáng)綜合研究和提

高地震速度精度兩個(gè)途徑來緩解，這就是說，一方面利用一切可能獲得的資料相

互印證，確定低速度異常的唯一合理解，以提高超壓層定性判別的可靠性。另一

方面，盡可能提高地震速度計(jì)算的精度，以降低超壓層深度和壓力定量估算的誤

差。

地震波資料預(yù)測(cè)地層孔隙壓力的方法主要有正常趨勢(shì)線法和直接預(yù)測(cè)法兩

種。正常趨勢(shì)線法是先建立正常壓實(shí)地層地震波速度隨井深變化的關(guān)系式，根據(jù)

異常高壓地層地震波速度與同深度正常壓實(shí)地層地震波速度的差異來預(yù)測(cè)地層

孔隙壓力的高低。直接預(yù)測(cè)法是不需要建立正常趨勢(shì)線，而是通過直接建立地震

波速度與地層壓力之間的關(guān)系。

盡管地震資料來源廣泛，但由于地震波速度受多種因素影響，使該方法的預(yù)

測(cè)精度受到限制。其主要原因如下：

1）壓實(shí)理論并非是異常高壓的唯一原因，此外還有流體膨脹等因素；

2）引起波速異常的原因也不僅只是異常高壓，除此之外還有流體飽和度、

油氣聚集程度、斷層、裂縫發(fā)育程度等；

3）地層波速度解釋不準(zhǔn)確，受地震方法、儀器設(shè)備等影響。

（2）鉆井資料分析法

利用鉆井過程中反映的信息可以監(jiān)測(cè)地層孔隙壓力。常用的方法有頁(yè)巖密度

法、de指數(shù)法、機(jī)械鉆速法等。其中以de指數(shù)法應(yīng)用得最為廣泛。

de指數(shù)法是利用泥頁(yè)巖壓實(shí)規(guī)律和壓差對(duì)機(jī)械鉆速的影響規(guī)律來檢測(cè)地層

壓力的一?種方法，也是鉆井過程中地層壓力檢測(cè)的一種重要方法。

1）d（de）指數(shù)檢側(cè)原理

機(jī)械鉆速是鉆壓、轉(zhuǎn)速、鉆頭類型及尺寸、水力參數(shù)、鉆井液性能、地層巖

性等因素的函數(shù)。若其它因素一定時(shí)，只考慮壓差對(duì)鉆速的影響，則機(jī)械鉆速隨

著壓差的減小而增大。

在正常地層壓力情況下，如巖性和鉆井條件不變，機(jī)械鉆速隨井深的增加而

下降。當(dāng)鉆入壓力過渡帶之后，由于壓差減小，巖石孔隙度增大，機(jī)械鉆速加快。

d指數(shù)則正是利用這種差異預(yù)報(bào)異常高壓。d指數(shù)是基于賓漢鉆速方程建立的，

賓漢在不考慮水力因素的影響下建立了鉆速方程：

V=KN°—（1-2）

式中：V為機(jī)械鉆速，m/h；K為巖石可鉆性系數(shù)；N為轉(zhuǎn)速，rpm；e為轉(zhuǎn)速指

數(shù)；P為鉆壓，kN；以為鉆頭尺寸，mm；d為鉆壓指數(shù)。

根據(jù)室內(nèi)及油田鉆井試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)軟巖石的轉(zhuǎn)速指數(shù)e接近1。假設(shè)鉆井條件

（水力因素和鉆頭類型）和巖性不變（同層位均質(zhì)泥頁(yè)巖），則K為常數(shù)。取K=l,

方程兩邊取對(duì)數(shù)，且采用統(tǒng)一單位，上式變?yōu)椋?/p>

,0.0547V

1g2一

d=,0.0684P（，'3）

&

根據(jù)油田選用參數(shù)范圍可以得到：0，0547V<K00684P<1,因此上式中

ND

分子、分母均為負(fù)數(shù)。經(jīng)分析可知：1g竺業(yè)的絕對(duì)值與機(jī)械鉆速V成反比。

N

因此d指數(shù)與機(jī)械鉆速V也成反比。進(jìn)而d指數(shù)與壓差大小有關(guān)，即正常

壓力情況下，機(jī)械鉆速隨井深增加而減小，d指數(shù)隨井深增加而增加。當(dāng)進(jìn)入壓

力過渡帶和異常高壓帶地層，實(shí)際d指數(shù)較正常值偏小，如圖1-5所示，d指數(shù)

正是基于這一原則來檢測(cè)地層壓力。

f

圖1-5d-H曲線

由于當(dāng)鉆入壓力過渡帶時(shí)，一般情況要提高鉆井液密度來平衡地層壓力，因

而引起鉆井液密度變化，進(jìn)而影響d指數(shù)的正常變化規(guī)律，為了消除鉆井液密度

變化影響，Rehm和Meclendon在1971年提出了修正的d指數(shù)法，即de指數(shù)法。

dc=d*(1-4)

PmR

式中：de為修正的d指數(shù)，無因次；夕,成為實(shí)際鉆井液密度，g/cn?；例.為正常

3

地層壓力當(dāng)量密度，g/cm0

目前根據(jù)de指數(shù)偏離值計(jì)算地層壓力的方法有A.M諾瑪納公式、等效深度

法、伊頓法、康布法等。下面介紹常用的A.M諾瑪法和等效深度法。

A.M諾瑪法：

式中：用為所求井深地層壓力當(dāng)量密度，g/cn?；4為所求井深正常地層壓力當(dāng)

量密度，g/cn?；兒“為所求井深的正常小指數(shù)；心。為所求井深的實(shí)際de指數(shù)。

等效深度法：

由于de指數(shù)反映了泥頁(yè)巖的壓實(shí)程度，若地層具有相等的de指數(shù)，則可視

其骨架應(yīng)力相等。由于上覆地層壓力總是等于骨架應(yīng)力o■和地層壓力與之和，所

以利用de指數(shù)相等，骨架應(yīng)力相等原理，通過找出異常地層壓力下井深〃的de

指數(shù)值與正常地層壓力下de指數(shù)值相等的井深HE,求出異常高壓地層的地層壓

力：

P產(chǎn)HGLHE（G「GN）（1-6）

式中：匕為所求深度的地層壓力，Mpa；H為所求地層壓力點(diǎn)的深度，m；Go

為上覆地層壓力梯度，MPa/m；HE為等效深度,m；G,v為等效深度處的正常地

層壓力梯度，MPa/mo

0.51.52.5

de指數(shù)

圖1-7d指數(shù)與de指數(shù)曲線對(duì)比

2）返出泥漿溫度

由于異常高壓帶常常伴隨著異常高溫的出現(xiàn)，所以在鉆遇異常高壓地層時(shí)，

地層溫度隨深度增加而升高的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了正常的情況，因此泥漿出口管返出

來的泥漿有溫度突然升高的現(xiàn)象，根據(jù)這個(gè)現(xiàn)象判斷可能鉆遇了高異常地層壓力

過渡帶。

圖1-8為中國(guó)海一口井根據(jù)返出泥漿溫度與相鄰的井深資料繪制的關(guān)系曲

線。該曲線清楚地表明，在進(jìn)入超高壓井段前，返出泥漿的溫度梯度突然增高到

18.2℃/100mo溫度梯度突變的地方往往就是高壓異常過渡帶的頂部位置。

3）頁(yè)巖巖屑密度和鉆井速度

在鉆井過程中，頁(yè)巖巖屑密度分析是預(yù)測(cè)異常高壓地層的行之有效的方法。

因?yàn)樵诋惓８邏旱貙舆^渡帶，頁(yè)巖是欠壓實(shí)的，頁(yè)巖巖屑的密度將會(huì)急劇變小而

偏離正常壓實(shí)趨勢(shì)線。但是，如果頁(yè)巖中含有大量的碳酸鹽礦物和重礦物時(shí)，就

會(huì)影響預(yù)測(cè)的精度，所以應(yīng)當(dāng)對(duì)這些礦物的含量進(jìn)行校正同時(shí).，在頁(yè)巖巖屑密度

急劇變小的欠壓實(shí)區(qū)，鉆井的鉆速也出現(xiàn)明顯的加快，在正常壓實(shí)的砂-頁(yè)巖剖

面中，由于頁(yè)巖的密度隨井深的增加而加大，因此，當(dāng)鉆壓、轉(zhuǎn)速、鉆頭類型以

及水力條件一定時(shí)頁(yè)巖的鉆速隨井深的增加而減小，但是，當(dāng)鉆入高異常地層壓

力過渡帶時(shí)，鉆速就立即增大，有時(shí)鉆速可超過正常壓實(shí)頁(yè)巖的鉆速的兩倍。根

據(jù)鉆速突然加大的現(xiàn)象，也可判定地下可能存在高壓異常的地層壓力過渡帶。

除以上方法之外，鉆井過程中，轉(zhuǎn)盤扭矩突然增加，起鉆時(shí)阻力增大，出現(xiàn)

井涌以及井漏等現(xiàn)象均可作為鉆遇高壓異常地層的顯示。

（3）地球物理測(cè)井方法

利用地球物理測(cè)井預(yù)測(cè)異常高壓地層壓力的方法比較多，包括電阻率測(cè)井、

聲波測(cè)井、密度測(cè)井、脈沖中子測(cè)井、自然電位測(cè)井、核磁共振測(cè)井以及伽馬射

線光譜分析等，但目前廣泛采用的是電阻率測(cè)井、聲波測(cè)井以及密度測(cè)井。

在目前的技術(shù)條件下，測(cè)井資料反映地層的信息最為詳盡，由于測(cè)井資料直

接取自地層內(nèi)部，還具有縱向連續(xù)性好、分辨率高和數(shù)據(jù)可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，所以

能更直截更真實(shí)地反映地層的情況。而地層的聲速速度、密度、電阻率等參數(shù)都

與地層孔隙壓力存在一定關(guān)系，表現(xiàn)出一定的規(guī)律性。因此，可以根據(jù)地層的這

些測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)預(yù)測(cè)地層孔隙壓力。從現(xiàn)有文獻(xiàn)看，應(yīng)用測(cè)井方法預(yù)測(cè)地層孔隙壓力

的測(cè)井資料主要有：聲波時(shí)差測(cè)井曲線AC、地層密度測(cè)井曲線DEN、電阻率測(cè)

井曲線Rt、中子孔隙度側(cè)井曲線CNL、自然伽馬測(cè)井曲線GR、自然伽馬能譜曲

線NGS、自然電位測(cè)井曲線SP、地層溫度測(cè)井曲線和重復(fù)電纜地層測(cè)試資料RFT

等。

1）電阻率測(cè)井

由地層由地層的電學(xué)性質(zhì)可知，影響地層電阻率的因素有巖石性質(zhì)、孔隙度、

孔隙中所含流體的礦化度、地層溫度等。如果巖石為純頁(yè)巖，且地層水礦化度為

定值，則地層的電阻率主要受孔隙度的影響。在正常壓實(shí)的情況下，頁(yè)巖或泥巖

的孔隙度隨埋藏深度的增加而減小，而電阻率則隨埋藏深度的增加而加大。倘若

鉆遇高壓異常地層壓力井段，由于孔隙度的增加，其中所含地層水的數(shù)量增加，

因而頁(yè)巖電阻率必然朝著降低的方向偏離正常趨勢(shì)線。正常趨勢(shì)線的繪制是在半

對(duì)數(shù)坐標(biāo)上，以鉆井純頁(yè)巖段的電阻率的對(duì)數(shù)值作為橫坐標(biāo)，以相應(yīng)井深為縱坐

標(biāo)，將頁(yè)巖電阻率數(shù)據(jù)按相應(yīng)深度點(diǎn)在坐標(biāo)紙上，便獲得了一離散點(diǎn)圖，然后用

回歸分析法求出電阻率對(duì)數(shù)值與井深的關(guān)系曲線，曲線上開始偏離正常趨勢(shì)線的

位置即為異常帶的頂部位置。

2）聲波測(cè)井

聲波測(cè)井所記錄的縱向傳播速度主要是巖性和孔隙度的函數(shù)；對(duì)頁(yè)巖和泥巖

而言，聲波測(cè)井曲線基本上為一條反映孔隙度變化的曲線，在正常壓實(shí)情況下，

聲波傳播時(shí)間將隨埋藏深度的增加而減小，而聲波傳播速度則隨埋藏深度的增加

而增大，如遇異常地層壓力過渡帶，泥巖孔隙度增加，聲波時(shí)差將偏離正常壓實(shí)

趨勢(shì)線。因此用聲波測(cè)井預(yù)測(cè)異常壓力時(shí)，首先建立該地區(qū)的正常壓實(shí)趨勢(shì)線，

以此作為研究預(yù)測(cè)地層壓力的圖版，用實(shí)測(cè)聲波時(shí)差一深度（At-H）數(shù)據(jù)與圖版

中正常趨勢(shì)線的聲波時(shí)差對(duì)比來確定異常壓力的深度位置，與電阻率測(cè)井相比，

聲波測(cè)井不受井眼大小、地層溫度和地層水含鹽量變化的影響，故精度高、效果

較好。

除上述測(cè)井方法預(yù)測(cè)地層壓力以外，還有頁(yè)巖密度測(cè)井、自然電位測(cè)井等，

只要能與孔隙度或地層速度建立起有關(guān)聯(lián)的變量，都可以作為預(yù)測(cè)的參數(shù)，其原

理類似于電阻率和聲波測(cè)井。利用測(cè)井資料預(yù)測(cè)地層孔隙壓力的優(yōu)點(diǎn)可以歸納為

一下兒點(diǎn)：

①能預(yù)測(cè)出較準(zhǔn)確的地層孔隙壓力縱向剖面；

②對(duì)構(gòu)造比較清楚的地區(qū)，借助于數(shù)□己鉆井測(cè)井資料建立的地層孔隙壓力

剖面，可以分析地層孔隙壓力縱橫向的分布特征，為鉆井設(shè)計(jì)和石油地質(zhì)研究提

供必要的基礎(chǔ)參數(shù)，也利于相鄰構(gòu)造或地區(qū)待鉆井地層孔隙壓力的預(yù)測(cè)；

③通過與地震速度資料預(yù)測(cè)結(jié)果及隨鉆資料監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行綜合對(duì)比分析，可

以提高地層孔隙壓力預(yù)測(cè)與隨鉆監(jiān)測(cè)的精度。

1.3徐家圍子斷陷地層壓力計(jì)算方法研究

1.3.1傳統(tǒng)地層壓力計(jì)算方法的局限性

石油勘探階段確定地層壓力的方法很多，大體上可分為鉆井前用地震資料預(yù)

測(cè)地層壓力、鉆井過程中用隨鉆錄井資料監(jiān)測(cè)地層壓力和鉆井完成后用測(cè)井資料

檢測(cè)地層壓力的方法。

上述方法中，只有地震資料預(yù)測(cè)地層壓力才是真正意義上的預(yù)測(cè)，其它都是

事后技術(shù)。該方法的準(zhǔn)確與否取決于地震層速度是否準(zhǔn)確和精細(xì)。目前地震資料

受采集和處理技術(shù)條件的限制，地震層速度是速度層的平均速度，由于地震垂向

分辨率的限制，一般解釋的速度層厚度在3050m。而且隨著井深的增加，解釋的

層速度與實(shí)際層速度的誤差越來越大，如在4000m深度處，層速度誤差可達(dá)到

300m/s,致使換算出的地層壓力誤差也較大。因此該方法僅適用于新區(qū)新井，在

無其它資料可利用的情況下粗略地預(yù)測(cè)地層壓力，作為鉆井設(shè)計(jì)參考。

用隨鉆錄井資料監(jiān)測(cè)地層壓力的方法，對(duì)于及時(shí)發(fā)現(xiàn)壓力變化很有好處，其

最具代表性的方法是de指數(shù)法。該方法是在Bingham鉆速方程的基礎(chǔ)上建立起

來的一種定量監(jiān)測(cè)地層壓力的方法。其計(jì)算式為該方法的準(zhǔn)確與否，取決于在泥

頁(yè)巖地層中鉆進(jìn)時(shí)的鉆壓，轉(zhuǎn)速，鉆時(shí)，鉆頭直徑，鉆井液密度和正常地層壓力

當(dāng)量密度，這六個(gè)參數(shù)的準(zhǔn)確與否。由于在鉆井過程中，上述參數(shù)是變化的，而

且地層巖性又不易準(zhǔn)確地確定，致使值變化較大，難于排除異常數(shù)據(jù)，因此檢測(cè)

精度不高。

測(cè)井資料檢測(cè)地層壓力的方法是鉆井完成后的事后技術(shù)。在測(cè)井資料中，聲

速測(cè)井較密度測(cè)井、電阻率測(cè)井等受井眼、地層條件等因素的影響較小，而且資

料齊全，利用聲波時(shí)差檢測(cè)地層孔隙壓力具有代表性和普遍性。目前常用的檢測(cè)

地層孔隙壓力的泥巖聲波時(shí)差方法是Hottman等人于1965年提出的,理論依據(jù)是

“泥質(zhì)沉積物不平衡壓實(shí)造成地層欠壓實(shí)并產(chǎn)生異常高地層孔隙壓力”這一最普

遍的異常高壓成壓機(jī)制。正常壓實(shí)情況下，隨埋深增加泥巖垂直有效應(yīng)力增大,

孔隙度減小,假定其孔隙度與埋深有如下關(guān)系：

?=2（1-7）

式中：C為與地區(qū)及地質(zhì)年代有關(guān)的系數(shù)；/7為深度。

顯然，在孔隙度為對(duì)數(shù)橫坐標(biāo)、深度為普通縱坐標(biāo)的半對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中，孔隙

度與深度的關(guān)系為隨深度逐漸減小的直線關(guān)系，該直線稱為“正常壓實(shí)趨勢(shì)線”。

對(duì)于欠壓實(shí)泥巖，孔隙度比正常壓實(shí)情況偏大，即偏離了正常壓實(shí)趨勢(shì)線，

按照不平衡壓實(shí)理論，則認(rèn)為該處存在異常高壓。泥頁(yè)巖的聲波時(shí)差與孔隙度有

良好的相關(guān)關(guān)系,在正常壓實(shí)情況下,可以建立時(shí)差與深度的函數(shù)關(guān)系,在形式上

與上式完全相同。因此,存在“泥巖正常壓實(shí)聲波時(shí)差趨勢(shì)線”，可根據(jù)測(cè)井聲波

時(shí)差值是否偏離正常趨勢(shì)線來定性判斷是否存在異常高壓。若測(cè)井時(shí)差偏離了其

正常壓實(shí)趨勢(shì)線（偏大），則認(rèn)為存在異常高壓。一般通過等效深度法、經(jīng)驗(yàn)系數(shù)

法、Eaton公式法等方法定量確定地層孔隙壓力。

而傳統(tǒng)的利用聲波時(shí)差檢測(cè)地層孔隙壓力的方法最大的局限性在于都要確

定正常趨勢(shì)線（如聲波時(shí)差和井深關(guān)系的趨勢(shì)線等），正常趨勢(shì)線的確定往往帶有

主觀性，需要研究者具有相當(dāng)豐富的經(jīng)驗(yàn)和對(duì)所預(yù)測(cè)地區(qū)的地層孔隙壓力情況有

相當(dāng)?shù)牧私?，?duì)干非連續(xù)沉積地層而言，需要建立多條趨勢(shì)線，有時(shí)在某些層段

甚至還無法建立趨勢(shì)線，增加了趨勢(shì)線建立的難度。若正常趨勢(shì)線確定不合理，

地層孔隙壓力的檢測(cè)結(jié)果肯定不會(huì)準(zhǔn)確，這在新探區(qū)的使用受到一定限制，而正

是新探區(qū)更需要比較合理的確定地層孔隙壓力剖面。

實(shí)際應(yīng)用中已經(jīng)出現(xiàn)了很多難以用現(xiàn)有理論解釋的現(xiàn)象，人們也只是習(xí)慣于

用實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)來“校正”預(yù)測(cè)模型的參數(shù)，而很少進(jìn)行深入的研究。眾所周知，

利用測(cè)井資料進(jìn)行孔隙壓力檢測(cè)的基礎(chǔ)是假設(shè)地層沉積過程中的欠壓實(shí)會(huì)引起

地層異常高壓和地層孔隙度增大。但是，至今也很少有數(shù)據(jù)能說明在超壓帶中同

種類型的頁(yè)巖孔隙度比正常壓實(shí)帶中的頁(yè)巖孔隙度大多少，以及如何利用標(biāo)準(zhǔn)測(cè)

井資料來檢測(cè)這種孔隙度差值。

傳統(tǒng)的地層壓力預(yù)測(cè)方法已經(jīng)使用了幾十年，對(duì)于安全快速鉆井做出了重要

的貢獻(xiàn)。但隨著鉆井技術(shù)的不斷發(fā)展，其局限性也逐漸暴露出來，其主要缺陷可

以歸納為以下幾點(diǎn)：

（1）不適用非泥巖地層，對(duì)于比較復(fù)雜的地層無法獲得真正連續(xù)的地層孔

隙壓力剖面；

（2）不適用于不平衡壓實(shí)以外的異常高壓機(jī)制（生燒作用）引起的異常高

壓;

（3）假定正常壓實(shí)情況下泥頁(yè)巖孔隙度與深度的關(guān)系符合關(guān)系式。;次優(yōu)卜，

從而得出在半對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中泥巖正常壓實(shí)趨勢(shì)線為直線的結(jié)論。嚴(yán)格來說這一結(jié)

論并不正確，因?yàn)殡S壓實(shí)程度的提高，聲波速度增加的程度將逐漸變慢，達(dá)到一

定的深度后聲波速度將兒乎不再隨深度變化，而不是沿傳統(tǒng)的正常趨勢(shì)線無限延

伸下去。

（4）確定測(cè)井參數(shù)（如聲波時(shí)差比值、電阻率比值等）與地層孔隙壓力之

間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系（如經(jīng)驗(yàn)關(guān)系圖版、公式），需要大量的地層孔隙壓力實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，

且屬于純經(jīng)驗(yàn)做法，缺乏比較堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。

傳統(tǒng)的泥頁(yè)巖壓實(shí)理論用等效深度法可以較為準(zhǔn)確的計(jì)算砂泥巖剖面的地

層孔隙壓力，但該法計(jì)算地層壓力時(shí)需要利用純泥巖段的測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)來制作正常壓

實(shí)趨勢(shì)線。徐家圍子斷陷深層天然氣儲(chǔ)層中缺少大段的純泥巖層，目的層附近的

泥巖段資料數(shù)據(jù)點(diǎn)缺乏，難于建立正常的壓實(shí)趨勢(shì)方程，而且由于本區(qū)異常壓力

形成的機(jī)理包括不平衡壓實(shí)以外的異常壓力機(jī)制，進(jìn)而導(dǎo)致利用等效深度法計(jì)算

地層壓力的準(zhǔn)確度不高，因此必須尋找一種適合于非泥頁(yè)巖層不平衡壓實(shí)以外的

異常壓力儲(chǔ)層計(jì)算方法。

1.3.2徐家圍子斷陷地層壓力計(jì)算方法研究

針對(duì)傳統(tǒng)檢測(cè)地層壓力方法存在的不足，本研究在改進(jìn)和完善傳統(tǒng)方法的同

時(shí)，提出了一些實(shí)踐證明是有效和可行的新方法。為了更為準(zhǔn)確的計(jì)算該區(qū)的地

層壓力，本文將泉頭組及其以上地層、登婁庫(kù)組作為沉積巖層，營(yíng)城組、沙河子

組、火石嶺組作為火山巖層來研究，該方法首先針對(duì)檢測(cè)地區(qū)的沉積巖和火山巖

地質(zhì)構(gòu)造特征進(jìn)行分析研究，確定該地區(qū)各層位地層壓力成因，最后綜合得到分

層地層壓力計(jì)算模型。

沉積物壓實(shí)過程,從力學(xué)角度講,受有效應(yīng)力定理控制,而孔隙度的變化和孔

隙流體高壓的形成等過程,其力學(xué)關(guān)系符合該定理。因此,孔隙高壓形成可以由其

得到解釋,利用有效應(yīng)力定理可以確定地層壓力。研究巖石加載和卸載關(guān)系是為

了確定有效應(yīng)力,進(jìn)而計(jì)算孔隙壓力。若巖石在壓實(shí)過程中有效應(yīng)力一直保持增

加狀態(tài),壓實(shí)過后也保持壓實(shí)過程中的最大應(yīng)力值，則有效應(yīng)力應(yīng)按加載曲線確

定。如果由于象水熱增壓或地層剝蝕等原因發(fā)生卸載且目前的有效應(yīng)力低于原始

壓實(shí)過程中曾經(jīng)有過的最大應(yīng)力，則有效應(yīng)力按卸載曲線確定。

研究發(fā)現(xiàn),巖石的有效應(yīng)力與某些巖石力學(xué)參數(shù)密切相關(guān),而巖石力學(xué)參

數(shù)又可以由聲波測(cè)井資料求取,這樣利用測(cè)井資料就可以間接地求得有效應(yīng)力。

實(shí)際資料表明，有效應(yīng)力與橫、縱波時(shí)差之比存在良好的指數(shù)函數(shù)關(guān)系。同時(shí)已

有實(shí)驗(yàn)研究表明，當(dāng)應(yīng)力方向與聲波測(cè)量方向一致時(shí),對(duì)聲波速度大小的影響較

大；而當(dāng)應(yīng)力方向與聲波測(cè)量方向相互垂直時(shí),對(duì)聲波速度大小兒乎沒有什么影

響。這就使得對(duì)巖石力學(xué)參數(shù)與有效應(yīng)力關(guān)系的研究變得較為簡(jiǎn)單可行,即只需

考慮巖石力學(xué)參數(shù)測(cè)量方向上有效應(yīng)力的狀態(tài)。

為了研究有效應(yīng)力與橫縱波時(shí)差之比之間的函數(shù)關(guān)系，我們進(jìn)行了以下實(shí)

驗(yàn)：

(1)試驗(yàn)?zāi)康模?/p>

①研究有效應(yīng)力與橫縱波時(shí)差比的函數(shù)關(guān)系；

②研究橫縱波時(shí)差比隨埋藏深度的變化規(guī)律；

③建立有效應(yīng)力與橫縱波時(shí)差比和埋藏深度的函數(shù)關(guān)系。

(2)試驗(yàn)設(shè)備

本實(shí)驗(yàn)采用美國(guó)MTS公司根據(jù)儲(chǔ)層條件下儲(chǔ)層物性研究需要而研制的

“MTS巖石物理參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)”。

該系統(tǒng)以數(shù)字電液伺服巖石試驗(yàn)機(jī)為基礎(chǔ)，能夠在模擬地層條件(溫度：200

℃,圍壓：140MPa,孔壓：70MPa,軸向力：1600KN)下測(cè)試巖石的橫縱波時(shí)

差。

巖石超生波測(cè)試子系統(tǒng)是“MTS巖石物理參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)”的一個(gè)重要組成

部分。該系統(tǒng)可以測(cè)試單軸加載、三軸加載以及控制巖石樣品孔隙內(nèi)壓、溫度等

條件下巖樣的橫縱波時(shí)差。巖石超生波測(cè)定儀包括信號(hào)器、示波器及發(fā)射探頭和

接受探頭，儀器采用脈沖工作方式，每秒鐘向所測(cè)巖樣發(fā)射脈沖，并在指定地點(diǎn)

接受聲波信號(hào)。

圖1-9縱、橫波時(shí)差測(cè)定裝置

其主要系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1-9所示，利用巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)加載，用超聲波巖石

參數(shù)測(cè)定儀測(cè)定巖石試件的縱橫波時(shí)差，通過伺服控制系統(tǒng)可以按事先設(shè)定的程

序給巖樣加軸壓、圍壓和孔隙壓力。

測(cè)試時(shí)在換能器和巖樣之間加上耦合劑，以保證巖樣與換能器間的耦合，使

聲波能較好的進(jìn)入巖樣。

（3）試驗(yàn)樣品的采集

試驗(yàn)樣品來自徐家圍子地區(qū)沉積巖和火山巖鉆井巖心，巖心埋藏深度間隔

為：沉積巖500m,火山巖200m。

（4）試驗(yàn)樣品的制作

為滿足“MTS巖石物理參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)”的試驗(yàn)要求，我們制作的樣品均以

圓柱體為標(biāo)準(zhǔn)試樣，規(guī)格均為（|）25mmx50mm,且符合如下精度要求：

①巖樣直徑變化范圍為：24.58?25.2mm,長(zhǎng)度變化范圍為：47?55mm。

②整個(gè)巖樣其直徑的變化不超過0.1mm。

③端面平整、光滑，兩端面平行誤差最大不超過0.05mm,端面平整度誤差

最大不超過0.02mmo

④端面垂直軸線，最大偏差不超過0.25。。

⑤巖樣周邊光滑，邊緣無缺角和掉塊。

（5）地層環(huán)境的模擬

1）地層溫度的確定

地層溫度一般隨著埋藏深度的增加呈線性增加：

t=t0+H-dt

式中：f為某一埋深下的溫度，°C；歷為地表溫度，℃；山為低溫梯度，°C/100m；

H為深度,100m。

根據(jù)徐家圍子地區(qū)已固井的測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)表明，該區(qū)地溫梯度比較高。興城鼻狀

構(gòu)造區(qū)內(nèi)的深井地溫梯度一般約在3.8℃/100m左右，豐樂低凸起及升平構(gòu)造內(nèi)

的深井地溫梯度一般約在3.9~4.1℃/100m左右，試驗(yàn)中采用的地溫梯度為dt=

3.9℃/100mo

2）地層壓力的確定

巖石樣品的所有參數(shù)的測(cè)定都要恢復(fù)到原始地層壓力，所得結(jié)果才具有實(shí)際

意義。在試驗(yàn)中我們采取下面的方式控制試驗(yàn)壓力：

孑L壓：P?（MPa）

P100

圍壓：P,="（MPa）

"100

其中，外和陰別為孔隙流體的密度和上覆地層平均密度，單位為g/cnA

我們以每10°C為一個(gè)測(cè)點(diǎn)，以溫度為參數(shù)計(jì)算各測(cè)點(diǎn)的壓力變化。

（6）測(cè)試資料處理

測(cè)試系統(tǒng)主要是測(cè)試超聲波透過巖樣的傳播時(shí)間。若初至波的干擾較小時(shí),

拾取容易；若存在干擾，需進(jìn)行一些壓制噪聲（如濾波）處理，才能準(zhǔn)確拾取其

初至波。

（7）試驗(yàn)結(jié)果分析

1）埋藏深度對(duì)橫縱波時(shí)差之比的影響

為了研究巖樣橫縱波時(shí)差隨埋藏深度的變化規(guī)律，我們?cè)谀M地層環(huán)境的溫

壓條件下進(jìn)行了巖樣的超聲波測(cè)試，模擬溫度為35?200°C,模擬深度為

1000?5000m,并且對(duì)沉積巖和火山巖分別進(jìn)行試驗(yàn)。

170

160

150

140

130

120

110

100

90

80

70

60

50

40

50010001500200025003000350040004500

深度/m

圖1-10沉積巖橫縱波時(shí)差隨埋藏深度的變化

50010001500200025003000350040004500

深度/m

圖1-11沉積巖橫縱波時(shí)差比隨埋藏深度的變化

2O

1O

￡

/0O

s

m9O

、w

s8O

塔7O

/6O

舉5O

4O

363O

00370080

圖1-12火山巖橫縱波時(shí)差隨埋藏深度的變化

1.725

1.720

1.715

1.710

1.705

1.700

1.695

1.690

1.685

1.680

1.675

O

36003700380039004000410042004300

深度/m

圖1-13火山巖橫縱波時(shí)差比隨埋藏深度的變化

圖1-10?1.13可以看出，無論是沉積巖還是火山巖，其橫、縱波時(shí)差隨埋藏

深度的增加而減小，橫縱波時(shí)差比也隨著埋藏深度的增加而減小。

3）有效應(yīng)力對(duì)橫縱波時(shí)差的影響

孔壓和圍壓對(duì)聲波參數(shù)的影響最終表現(xiàn)為有效應(yīng)力的影響，為此我們用試驗(yàn)

機(jī)加壓系統(tǒng)對(duì)巖心加壓，模擬地層條件下巖心所承受的有效應(yīng)力，測(cè)量巖心在不

同的有效應(yīng)力作用下的聲波時(shí)差特征。

?7O

1

16O

1

15O

1

14O

4

13O

1

12O

1

11O

1O

H0

9O

8O

7O

6O

5O

O

4

有效應(yīng)力/MPa

圖1-14沉積巖橫縱波時(shí)差隨有效應(yīng)力的變化

1.82

圖1-15沉積巖橫縱波時(shí)差比隨有效應(yīng)力的變化

120

110

100

90

80

70

60

50

40

4445464748495051525354

有效應(yīng)力/MPa

圖1-16火山巖橫縱波時(shí)差隨有效應(yīng)力的變化

1.725

1.720

1.715

1.71S0

1.705

1.70a0

1.695

1.690

1.685

1.680

1.675

4445464748495051525354

有效應(yīng)力/MPa

圖1-17火山巖橫縱波時(shí)差比隨有效應(yīng)力的變化

圖1/4?1-17是橫縱波時(shí)差隨有效應(yīng)力的變化關(guān)系圖。從圖中可以看出，橫

縱波時(shí)差隨有效應(yīng)力的增大而減小，橫縱波時(shí)差比也隨有效應(yīng)力的增大而減小。

由以上試驗(yàn)結(jié)果可以看出，橫縱波時(shí)差比與埋藏深度存在一定的函數(shù)關(guān)系,

有效應(yīng)力與橫縱波時(shí)差比也存在著一定的函數(shù)關(guān)系，由于在正常埋藏地層有效應(yīng)

力隨著埋藏深度呈線性增加，為此我們可以把有效應(yīng)力看成是橫縱波時(shí)差比和埋

藏深度的二參數(shù)函數(shù)，即：

b、T=f(DTS/DTC,h)(1-8)

由Terzaghi定理可知，若已知某地層的上覆巖層壓力和