鄧美寅

（中國石化勝利石油管理局地質(zhì)錄井公司，山東 東營257064）

多年的實踐使人們逐步認識到地層壓力作為一項地質(zhì)參數(shù)，在油氣地質(zhì)勘探、油氣井工程、油氣開發(fā)及油藏工程等領域占有極其重要的地位，特別是在鉆井前，要對將要鉆遇的地層壓力有充分的認識。因此，多年來已相繼提出了許多確定地層壓力的方法［1－4］，其中主要包括有：地震勘探資料預測地層壓力、利用隨鉆錄井資料監(jiān)測地層壓力和利用測井資料檢測地層壓力等方法。其中，利用地震資料預測地層壓力是在鉆前預測地層壓力的方法，其主要通過識別低速帶來確定超壓層，但是引起低速帶的因素是多方面，所以地震資料預測地層壓力主要適用于其他資料較少的新工區(qū)；利用隨鉆錄井資料可以在鉆井過程中監(jiān)測地層壓力的變化，但其精度受鉆進時的鉆壓、鉆時、轉(zhuǎn)速等多因素的制約，因而精度不高；利用測井資料確定地層壓力是運用在完成鉆井之后1種技術方法，主要利用聲波時差、電阻率測井等資料監(jiān)測地層孔隙壓力。這些方法在準確確定地層壓力的問題上都具有一定的局限性，世界上許多研究者還在研究探索新的方法［5－7］。本文根據(jù)現(xiàn)場實踐中積累的一些經(jīng)驗，借鑒前人的研究成果，嘗試提出了1種三參數(shù)模型法預測地層壓力。

1 三參數(shù)預測模型建立

1.1 模型的理論基礎

1.1.1 有效應力定理 地層壓力三參數(shù)模型法的理論基礎是Terzaghi［8］提出的適用于飽和多孔介質(zhì)的有效應力定理：

式中：Pe為垂直有效應力；Po為上覆巖層壓力；Pp為地層孔隙壓力。

由該定理知，地層孔隙壓力等于上覆巖層壓力與垂直有效應力之差。上覆巖層壓力可以通過已鉆井的密度測井資料等多種途徑求得。因此只要設法求出垂直有效應力即可以確定地層壓力。準確求取垂直有效應力即為確定地層壓力的關鍵所在。

1.1.2 聲波速度模型 聲波在各向同性的理想彈性介質(zhì)中的傳播是一個經(jīng)典的彈性力學問題，早已解決。對于巖石這種飽和多孔且非完全彈性的介質(zhì)，由于有孔隙或裂縫的存在，情況要復雜得多。

很多學者對不同泥質(zhì)含量的大量砂泥巖巖心進行了室內(nèi)力學特性與聲學特性的測試［9－11］，獲得了大量試驗數(shù)據(jù)資料，另外還對孔隙度、泥質(zhì)含量對聲波速度的影響規(guī)律進行了分析研究［12－14］。Eberhart－Phillips［15］等提出了針對影響砂泥巖中聲波傳播速度的三因素（泥質(zhì)含量、孔隙度、有效應力）縱波速度的經(jīng)驗模型：

式中：Vp為縱波速度，km／s；φ為孔隙度，0－1；Vsh為泥質(zhì)含量，0～1；Pe為有效應力，kBar。

該模型描述了孔隙度、有效應力、巖石中聲波傳播速度隨孔隙度、泥質(zhì)含量的增加而減少，隨垂直有效應力增加而增加，這與地下巖石對聲波速度測井的響應規(guī)律是一致的。顯然，這就是泥質(zhì)含量對聲波速度的綜合影響規(guī)律。

1.2 地層壓力預測三參數(shù)模型的建立

盡管Eberhart－Phillips研究聲波速度模型的主要目的并不是為了地層壓力預測，國內(nèi)外也尚未見到將此速度模型用于地層壓力預測的文獻報道，但是經(jīng)研究及初步應用認為，將上述縱波速度模型修正后用于砂泥巖地層的壓力預測是可行的，并且可以獲得良好的預測結(jié)果，其可行性分析如下：

（1）速度模型考慮因素已比較全面。針對地下巖石，模型中的有效應力是現(xiàn)今垂直有效應力，可避開原始沉積加載后又卸載（垂直有效應力降低）這一不易確定的難題。

（2）室內(nèi)巖心測試時未考慮孔隙流體影響，但對孔隙壓力預測并不會產(chǎn)生很大影響。因為砂泥巖剖面上絕大多數(shù)地層是含水的，即使含油也對縱波速度的影響不大，因為油水的密度差異往往較小。

（3）目前的測井技術有了較大發(fā)展，無論是測井項目的數(shù)量還是測井資料的精度較過去都有了很大的提高。巖性識別［8－9］（砂泥巖地層的泥質(zhì)含量）、孔隙度的解釋［9－10］等都可以達到較高的精度。

（4）經(jīng)驗模型式（2）中回歸模型系數(shù)利用研究區(qū)已鉆井的測井、測試等資料回歸建立適合于該地區(qū)的聲波速度經(jīng)驗模型，用于地層壓力預測。

因此將Eberhart－Phillips的經(jīng)驗模型寫為如下的一般形式：

式中：A0，A1，A2，A3，D 為模型系數(shù)，其它符號同前。

利用相關數(shù)據(jù)資料確定適合于研究區(qū)的速度模型系數(shù)A0，A1，A2，A3，D，即可利用其確定垂直有效應力進而進行地層壓力預測。根據(jù)綜合地質(zhì)研究結(jié)果和實測結(jié)果可知，勝利油區(qū)上第三系地層孔隙壓力變化不大，基本上為常壓，下第三系地層壓力變化大，因此選取東營中央背斜構造帶、東營凹陷北部陡坡帶和南部緩坡帶三個構造沙三、沙四段的砂泥巖層，要求這些層組巖電特征變化不大，可對比性強。具體做法是，每個構造帶選取多口已知井，獲得Vp（縱波速度）；φ（孔隙度）；Vsh（泥質(zhì)含量）；Pe（有效應力），相鄰5口井為一組，根據(jù)公式（3）組成方程，求出A0，A1，A2，A3，D 為模型系數(shù)（可用軟件計算），最后分構造帶用擬合的方法確定最適合于不同構造帶的A0，A1，A2，A3，D 為模型系數(shù)值。通過擬合得到東營凹陷北部陡坡帶和南部緩坡帶的模型系數(shù)基本相同，為了方便工作，取相同值。

在上述工作基礎上，利用孔隙度測井資料確定出孔隙度剖面、自然加瑪或自然電位測井資料確定泥質(zhì)含量Vsh，由補償聲波測井速度數(shù)據(jù)通過速度模型計算垂直有效應力Pe，最后利用有效應力定理式（1）計算壓力。

該方法適用于砂泥巖剖面，不受欠壓實機制的限制。

2 地層壓力剖面的建立

2.1 聲波速度模型參數(shù)的確定

由于沉積環(huán)境等因素的影響，Eberhart－Phillips的速度模型式（2）不一定適合研究區(qū)的地層情況，這時需要針對本地區(qū)的實際情況確定速度模型的參數(shù)，建立適合于本地區(qū)的速度模型。一般有兩種方法，一是利用已鉆井正常壓實或有實測壓力地層的測井資料求得；二是與Han的測試方法相似，利用巖心試驗測試方法確定。巖心試驗測試成本高，且根據(jù)前面的分析，也不一定獲得很好的效果。本文主要采用第一種方法。

利用正常壓實或?qū)崪y壓力地層的測井資料求取模型參數(shù)的步驟如下：

選取若干（至少一口）測井資料較好且地層主要為砂泥巖剖面的已鉆井，并結(jié)合已有的巖石物性測試資料（孔隙度、泥質(zhì)含量等）、壓力實測資料等數(shù)據(jù)，按照下面的方法計算相關的參數(shù)：

（1）利用伽瑪和自然電位曲線求取泥質(zhì)含量Vsh；

（2）利用求得的Vsh曲線對鉆穿的巖性剖面進行自動分層處理；

（3）利用孔隙度測井曲線計算孔隙度；

（4）按Vsh曲線的分層數(shù)據(jù)分別讀取各地層段的時差并換算成聲速，同時去掉井徑擴大影響的異常數(shù)據(jù)；

（5）利用靜液壓力或?qū)崪y壓力及上覆巖層壓力求取各地層段的垂直有效應力；

（6）利用獲得的聲波速度、孔隙度、泥質(zhì)含量、垂直有效應力、密度數(shù)據(jù)，對聲波速度模型式（3）進行多元非線性回歸，求取模型系數(shù)。

圖1 T142井地層壓力預測剖面Fig.1 The predicting section of formation pressure of T142well

2.2 地層壓力的確定

根據(jù)有效應力定理公式（1）及三參數(shù)模型式（3），即可計算出地層壓力，圖1為T142井地層壓力系數(shù)隨深度的測試剖面。

3 應用分析

根據(jù)勝利油田東營凹陷實鉆的多口實際測井資料［16］建立了東營凹陷的三參數(shù)聲波速度模型：

東營中央背斜帶：

北部陡坡帶和南部緩坡帶：

式中：Vp為聲波測井速度，km／s；φ為孔隙度，0～1；Vsh為泥質(zhì)含量，0～1；Pe為 垂直有效應力；kBar。

計算時由GR測井資料求取泥質(zhì)含量，由密度測井資料求取地層孔隙度，靜液壓力梯度取1.03（g／cm3），上覆巖層壓力梯度采用利用東營中央背斜帶相關井的密度測井資料積分并回歸求得的結(jié)果：

式中：G0為上覆巖層壓力梯度，g／cm3；H 為深度，km。

利用以上速度模型對東營凹陷典型高壓井的地層壓力進行了預測，預測結(jié)果與實測結(jié)果的對比情況見表1。

表1 預測地層壓力系數(shù)與實測系數(shù)對比表Table 1 Contrast with coefficient of formation pressure on predicting and measuring

續(xù)表

為了評價預測方法的合理性和可靠性，選擇了勝利油田近兩年完鉆并進行測試的25口探井的壓力預測數(shù)據(jù)進行了分析對比，發(fā)現(xiàn)其中16口井的預測誤差率小于10%，有9口井的預測誤差率在10%和15%之間，預測誤差率大于15%的井沒有，預測結(jié)果較好，預測效果達到了目前油田鉆井工程的需要。

4 結(jié)語

三參數(shù)模型法克服了現(xiàn)有多種方法的缺陷，使用范圍廣、精度較高；另外若測井資料好，則利用該方法可以獲得針對砂泥巖剖面真正連續(xù)的地層壓力預測剖面，這種連續(xù)的地層壓力剖面不論對鉆井工程還是對地質(zhì)研究都具有重要的參考價值，并能為開展區(qū)域地質(zhì)研究和各探區(qū)地層壓力分布的確定提供了必要的技術手段。

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