葉 志 樊洪海 張國(guó)斌,2 唐守寶

（1.中國(guó)石油大學(xué)石油工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249；2.中國(guó)石油西部鉆探工程公司，新疆烏魯木齊 830000）

超壓分布研究是油氣運(yùn)移成藏研究的重要內(nèi)容之一，也是鉆井工程設(shè)計(jì)與施工的重要依據(jù)，在油氣勘探開(kāi)發(fā)中的意義日益突出［1-2］。營(yíng)爾凹陷長(zhǎng)沙嶺構(gòu)造帶是玉門(mén)油田酒東盆地地質(zhì)勘探的重要地區(qū)，已發(fā)現(xiàn)良好的高產(chǎn)工業(yè)油氣流。但是構(gòu)造帶內(nèi)異常高壓十分發(fā)育，特別是在白堊系赤金堡組地層中存在壓力系數(shù)達(dá)到2.0左右的超高壓鹽水層，這給該地區(qū)的石油鉆探工作造成了很大困難。長(zhǎng)3井等幾口重點(diǎn)探井的鉆探過(guò)程表明，當(dāng)鉆遇高壓地層時(shí)鉆井復(fù)雜事故頻發(fā)，鉆井成本明顯增加。因此研究構(gòu)造帶內(nèi)地層壓力分布特征，從三維角度對(duì)地層壓力進(jìn)行空間描述，不但可以預(yù)測(cè)有利的含油氣層段，還可以節(jié)約鉆井成本，提高鉆井效率。

1 重點(diǎn)探井單井地層壓力分析

長(zhǎng)沙嶺構(gòu)造帶位于酒東盆地營(yíng)爾凹陷中南部，為一向東傾伏的大型古隆起鼻狀構(gòu)造，面積約44.2 km2，構(gòu)造帶內(nèi)發(fā)育了白堊系下溝組和赤金堡組兩套成藏組合［3］。構(gòu)造帶內(nèi)異常地層壓力發(fā)育，目前已經(jīng)完鉆多口探井，有必要對(duì)重點(diǎn)探井的單井地層壓力進(jìn)行系統(tǒng)分析，獲得縱向壓力分布特征。并且確定合適的壓力計(jì)算模型參數(shù)，為三維地層壓力分析打下基礎(chǔ)。選擇了長(zhǎng)2井、長(zhǎng)3井、長(zhǎng)4井、長(zhǎng)7井等4口重點(diǎn)探井進(jìn)行單井壓力分析。本構(gòu)造帶自上而下所揭露的地層依次為新生界第四系、新近系、古近系、中生界白堊系。其中長(zhǎng)2井、長(zhǎng)3井、長(zhǎng)4井在白堊系赤金堡組完鉆，長(zhǎng)7井在白堊系下溝組完鉆，完鉆井平均井深4 797 m。

聲波資料檢測(cè)地層壓力是最常用的地層壓力評(píng)價(jià)方法，文中采用了聲速檢測(cè)泥頁(yè)巖異常高壓的簡(jiǎn)易方法來(lái)計(jì)算和分析4口探井的地層壓力。簡(jiǎn)易方法的特點(diǎn)是從泥頁(yè)巖壓實(shí)規(guī)律出發(fā)，建立了一種聲波速度和有效應(yīng)力的線性—指數(shù)函數(shù)關(guān)系，針對(duì)泥頁(yè)巖欠壓實(shí)超壓情況計(jì)算精度較高。在利用聲波速度資料求出有效應(yīng)力后，即可借有效應(yīng)力定理計(jì)算地層壓力［4-5］。

式中，V為聲波速度；σ為垂直有效應(yīng)力；a、k、b、d為簡(jiǎn)易方法模型系數(shù)；po為上覆巖層壓力；pp為地層壓力。

圖1為用簡(jiǎn)易方法得到的長(zhǎng)2井地層壓力剖面，通過(guò)單井壓力檢測(cè)曲線與鉆井液密度曲線以及實(shí)測(cè)壓力的對(duì)比可知，長(zhǎng)2井地層壓力檢測(cè)結(jié)果比較合理。

圖1 長(zhǎng)2井單井地層壓力剖面

長(zhǎng)2井于2001年6月完鉆，完鉆井深4 700 m。2 900 m井段之前屬于正常壓力。2 900～3 422 m井段的白楊河組、柳溝莊組以及中溝組上段平均壓力系數(shù)1.1～1.28，屬于壓力過(guò)渡帶。3 422～3 864 m井段的中溝組下段以及下溝組中上段壓力系數(shù)1.35～1.52。4 000 m之后的赤金堡組壓力系數(shù)1.79～1.95，屬于超高壓。長(zhǎng)3井于2005年年底完鉆，完鉆井深5 050 m。該井出現(xiàn)良好的工業(yè)油氣流顯示，4 650～4 866 m井段日產(chǎn)油49 m3、天然氣1萬(wàn)m3。二開(kāi)鉆至井深4 278 m時(shí)揭開(kāi)了高壓鹽水層，對(duì)應(yīng)的壓力系數(shù)在1.4左右。鉆至赤金堡組地層平均壓力系數(shù)達(dá)到了1.89。長(zhǎng)4井于2007年2月完鉆，完鉆井深5 493 m。長(zhǎng)4井進(jìn)入中溝組后地層壓力系數(shù)開(kāi)始逐漸偏高，4 120 m對(duì)應(yīng)地層壓力系數(shù)為1.42。進(jìn)入赤金堡組地層5 200 m對(duì)應(yīng)地層壓力系數(shù)為1.67。長(zhǎng)7井于2008年8月完鉆，完鉆井深3 945 m，3 844 m后進(jìn)入高壓層，平均壓力系數(shù)在1.45左右。

從4口已鉆井的鉆進(jìn)過(guò)程和壓力剖面等數(shù)據(jù)來(lái)看，各井在鉆探過(guò)程中都遇到不同程度的高壓地層。受到異常地層壓力的影響，鉆井復(fù)雜事故頻發(fā)，鉆井作業(yè)的非生產(chǎn)時(shí)間被極大延長(zhǎng)，4口井平均純鉆井周期達(dá)到了224 d，耗費(fèi)了巨大的鉆井成本。因此展開(kāi)長(zhǎng)沙嶺構(gòu)造帶三維地層壓力計(jì)算方法研究，有助于在鉆前獲得詳細(xì)的地層壓力空間分布信息，進(jìn)行合理的鉆井設(shè)計(jì)與施工。

2 長(zhǎng)沙嶺構(gòu)造帶三維地層壓力計(jì)算

2.1 三維地層壓力計(jì)算方法

近年來(lái)隨著叢式井、水平井和大位移井技術(shù)的快速發(fā)展，單純的一維壓力評(píng)價(jià)已經(jīng)很難滿足工程需要，從三維角度研究地層壓力分布規(guī)律更符合工程要求。在以往的地層壓力計(jì)算方法中，獲得的結(jié)果通常是幾個(gè)離散的壓力點(diǎn)或者一條壓力曲線，這些壓力數(shù)據(jù)通常不能滿足鉆井工程設(shè)計(jì)及區(qū)域地層壓力場(chǎng)的研究。為此提出了一種基于單點(diǎn)計(jì)算模型的三維地層壓力計(jì)算方法，能夠利用三維層速度數(shù)據(jù)精確計(jì)算三維地層壓力。

地震數(shù)據(jù)是以地震道為單位進(jìn)行組織的，通常采用SEG-Y文件格式進(jìn)行存儲(chǔ)。經(jīng)過(guò)地震資料反演得到的三維層速度數(shù)據(jù)也是以道為單位組織的，每道上有若干層速度數(shù)據(jù)點(diǎn)，并且數(shù)據(jù)點(diǎn)間的采樣間隔一致。在層速度計(jì)算地層孔隙壓力時(shí)，假設(shè)層速度和地層壓力之間為簡(jiǎn)單的一一映射關(guān)系。即一個(gè)層速度點(diǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè)地層壓力點(diǎn)，速度高算出的地層地層壓力低，速度低算出的地層壓力高，不考慮其他影響層速度的因素以及上下地層間的邏輯關(guān)系。在這種假設(shè)條件下可以把每一地震道看作是一口虛擬井，可以采用類(lèi)似于單井聲波測(cè)井資料檢測(cè)地層壓力的方法逐道逐點(diǎn)計(jì)算地層壓力［6-7］。

假設(shè)對(duì)如下圖所示的區(qū)塊進(jìn)行地震勘探，該區(qū)塊上已有若干已鉆井，分別位于井位A、B、C、D，現(xiàn)在要求計(jì)算整個(gè)區(qū)塊的三維地層壓力。在實(shí)際計(jì)算時(shí)，首先利用已鉆井的測(cè)井資料，建立4口已鉆井的地層壓力剖面，并分層確定相應(yīng)的壓力模型參數(shù)。在逐道計(jì)算地層壓力時(shí)，首先確定該道（目標(biāo)道）的地理坐標(biāo)，然后通過(guò)空間插值計(jì)算，從鄰近已鉆井的分層數(shù)據(jù)可大致對(duì)該道在垂直方向上進(jìn)行層位劃分。同樣可以根據(jù)已鉆井的分層模型參數(shù)通過(guò)空間插值確定目標(biāo)道的分層模型系數(shù)。最后利用該道的層速度數(shù)據(jù)，結(jié)合由空間插值獲得的分層模型參數(shù)計(jì)算該道的地層壓力。本算法橫向上利用已鉆井來(lái)進(jìn)行約束，縱向上考慮了地層層位的影響，有效提高了三維地層壓力計(jì)算的精度。根據(jù)上述算法，逐道逐點(diǎn)地通過(guò)地震層速度來(lái)求取地層孔隙壓力，直到處理完每一個(gè)地震道。最終得到的是與三維層速度一一對(duì)應(yīng)的三維地層壓力。

圖2 三維勘探區(qū)塊示意圖

空間插值是本算法中用到的重要技術(shù)之一，本文中選用了目前應(yīng)用較好的克里金插值方法。為便于討論，將克里金插值簡(jiǎn)化為（x,y,z）=krig（x,y,z）的形式，并利用該簡(jiǎn)化形式和簡(jiǎn)易方法的壓力計(jì)算模型對(duì)前面提出的算法進(jìn)行數(shù)學(xué)描述。假設(shè)在探區(qū)內(nèi)有m口井，每一口井的井位地理坐標(biāo)為（xi,yi），已知該探區(qū)內(nèi)有n個(gè)地層層位，在第i口井中第j個(gè)層位的頂界深度記為hij，其中i=1,2,…,m，j=1,2,…,n。對(duì)每一口井分層確定模型系數(shù)，也就是利用聲波測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)分層建立聲波速度—有效應(yīng)力的函數(shù)關(guān)系。若以簡(jiǎn)易方法為例，則第i口井中第j個(gè)層位的模型系數(shù)可記為aij、kij、bij、dij，其中i=1，2,…，m，j=1，2，…，n。

現(xiàn)在假設(shè)需要計(jì)算勘探區(qū)域上任一道S道的地層壓力，目標(biāo)道S道的地理坐標(biāo)為（xs,ys）。根據(jù)約束井的分層情況，利用空間插值可以確定目標(biāo)道的分層情況以及各層模型參數(shù)。目標(biāo)道S的層位j頂界深度記為hsj，則根據(jù)克里金插值有

式中，（xs,ys,hsj）為地震道S的層位j頂界深度的三維坐標(biāo)；（xi,yi,hij）為第i口井上第j個(gè)層位頂界深度的三維坐標(biāo)。

同樣利用克里金插值算法，可以確定目標(biāo)道S的j層位的簡(jiǎn)易方法模型系數(shù)asj、ksj、bsj、dsj，則有

式中，（xs,ys,hsj）為地震道S的層位j頂界深度的三維坐標(biāo)；（xi,yi,hij,aij）、（xi,yi,hit,kij）、（xi,yi,hij,bij）、（xi,yi,hij,dij）分別為第i口井層位j頂界深度的三維坐標(biāo)和該坐標(biāo)對(duì)應(yīng)的模型系數(shù)a、k、b、d；asj、ksj、bsj、dsj分別為地震道S的層位j的簡(jiǎn)易方法模型系數(shù)。

在確定S道第j個(gè)層位的頂界深度和模型參數(shù)之后，即可利用層速度計(jì)算地層壓力。假設(shè)地震道S上的某層速度點(diǎn)l的深度為hl，層速度值為Vl，隸屬于層位j，則利用簡(jiǎn)易方法有

式中，asj、ksj、bsj、dsj為地震道S的層位j的線性—指數(shù)模型系數(shù)；Vl為隸屬于層位j的層速度點(diǎn)l的層速度值；σl為層速度點(diǎn)l的有效應(yīng)力；ppl為層速度點(diǎn)l對(duì)應(yīng)的地層壓力值；pol為層速度點(diǎn)l對(duì)應(yīng)的上覆巖層壓力值。

利用上面的算法可以逐道逐點(diǎn)確定各層速度點(diǎn)的地層壓力，進(jìn)而求取整個(gè)區(qū)域的三維壓力，然后再利用三維可視化技術(shù)即可清晰顯示出整個(gè)空間的三維壓力分布情況。

2.2 三維層速度數(shù)據(jù)求取

三維層速度數(shù)據(jù)求取是計(jì)算三維地層壓力的首要步驟，利用三維地震反演技術(shù)進(jìn)行地震反演是獲取三維層速度的主要途徑。地震反演技術(shù)就是充分利用測(cè)井、鉆井、地質(zhì)資料提供的豐富的構(gòu)造、層位、巖性等信息，從常規(guī)的地震剖面推導(dǎo)出地下地層的波阻抗、密度、速度、孔隙度等巖石屬性信息。文中采用測(cè)井約束下的波阻抗反演技術(shù)，波阻抗是巖石密度與聲波速度的乘積，利用地震資料反演出波阻抗以后即可求取聲波速度。

收集長(zhǎng)沙嶺構(gòu)造帶的三維地震資料，利用JASON反演軟件進(jìn)行了地震反演，獲得了如圖3所示的三維層速度數(shù)據(jù)體。

圖3 長(zhǎng)沙嶺構(gòu)造帶三維地震層速度（m/s）

為了說(shuō)明該區(qū)域地震反演的效果，從三維層速度體中提取出了長(zhǎng)2井和長(zhǎng)3井井位處的反演層速度數(shù)據(jù)，并將其分別與2口井的聲波速度測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比。對(duì)比結(jié)果見(jiàn)圖4，說(shuō)明反演效果較好，為下一步計(jì)算三維地層壓力提供了精確的層速度數(shù)據(jù)。

圖4 地震反演層速度與測(cè)井聲波速度對(duì)比

2.3 長(zhǎng)沙嶺構(gòu)造帶三維地層壓力計(jì)算

在計(jì)算長(zhǎng)沙嶺構(gòu)造帶三維地層壓力時(shí)，選擇了4口重點(diǎn)探井長(zhǎng)2井、長(zhǎng)3井、長(zhǎng)4井、長(zhǎng)7井作為約束井。長(zhǎng)沙嶺構(gòu)造帶的異常壓力主要是由欠壓實(shí)造成的，經(jīng)過(guò)前面單井壓力分析可知縱向上存在2個(gè)高壓層，第1個(gè)超壓頂界大約在中溝組中下段或下溝組上段，第2個(gè)超壓頂界大約在赤金堡組上段。因此在計(jì)算時(shí)，首先根據(jù)縱向上壓力分布特征可以大致確定4口探井的分層模型參數(shù)。4口井的分層模型參數(shù)見(jiàn)表1，在三維地層壓力計(jì)算時(shí)可以利用空間插值算法構(gòu)建出整個(gè)三維層速度體上各道的模型參數(shù)。

表1 4口約束井的分層模型參數(shù)

在獲得模型參數(shù)之后，利用反演得到的三維地震層速度數(shù)據(jù)，結(jié)合編制的計(jì)算機(jī)程序即可逐道逐點(diǎn)的計(jì)算長(zhǎng)沙嶺構(gòu)造帶的三維地層壓力，壓力計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

圖5 長(zhǎng)沙嶺構(gòu)造帶三維地層壓力體（g/cm3）

3 長(zhǎng)沙嶺構(gòu)造帶異常高壓分布特征

長(zhǎng)沙嶺構(gòu)造帶白堊系的下溝組和赤金堡組是主要的儲(chǔ)集層段，也是超壓集中分布的2個(gè)層段，正好對(duì)應(yīng)著縱向上的2個(gè)高壓層。因此對(duì)這2個(gè)層段進(jìn)行重點(diǎn)研究，確定其壓力分布形態(tài)，即可掌握整個(gè)構(gòu)造帶的超壓分布特征。

3.1 縱向分布

圖6 過(guò)長(zhǎng)3井二維地層壓力剖面（g/cm3）

根據(jù)前面對(duì)幾口重點(diǎn)探井的單井壓力分析可知長(zhǎng)沙嶺構(gòu)造帶的下溝組下段和赤金堡組地層有明顯的異常高壓存在。為了方便分析構(gòu)造帶縱向壓力分布特征，從三維壓力體中提取出了過(guò)長(zhǎng)3井的縱向二維壓力剖面，并切除了赤金堡組底界以下地層。如圖5所示，長(zhǎng)沙嶺構(gòu)造帶存在2個(gè)明顯的高壓層，第一高壓層主要分布在下溝組中下段地層，壓力系數(shù)在1.43～1.65左右。第二高壓層主要分布在赤金堡組地層，并且集中在赤金堡組下段，平均壓力系數(shù)在1.8以上，最高壓力系數(shù)達(dá)到2.04，屬于超高壓地層。

3.2 橫向分布

圖7是赤金堡組頂界的橫向壓力剖面，從圖中可以看出赤金堡組地層的東部偏南區(qū)域壓力系數(shù)最大，最大壓力系數(shù)達(dá)到了2.04，西部偏北區(qū)域壓力系數(shù)相對(duì)較小，壓力系數(shù)總體上南高北低、東高西低。而赤金堡組地層層位北淺南深、西淺東深，整體上從西北部斜坡帶到東南部凹陷深陷區(qū)地層深度逐漸變深。由此可見(jiàn)壓力系數(shù)與地層深度有較好的相關(guān)關(guān)系，埋深越深，壓力系數(shù)越大，這也間接說(shuō)明了欠壓實(shí)是本構(gòu)造帶異常高壓形成的主要原因。長(zhǎng)7和長(zhǎng)2井位于西北斜坡帶（長(zhǎng)7井未鉆穿下溝組），長(zhǎng)3井和長(zhǎng)4井相對(duì)更靠近深陷區(qū)，因此在同一層位上長(zhǎng)3和長(zhǎng)4井壓力系數(shù)相對(duì)較大。

圖7 赤金堡組頂界地層橫向壓力剖面

4 結(jié)論和認(rèn)識(shí)

（1）建立了基于單點(diǎn)計(jì)算模型的三維地層壓力計(jì)算方法，能夠利用三維地震反演層速度數(shù)據(jù)準(zhǔn)確計(jì)算三維地層壓力。地震反演的精度、約束井的選擇以及層位分層信息是影響三維地層壓力計(jì)算精度的主要因素。

（2）長(zhǎng)沙嶺構(gòu)造帶縱向上在下溝組下段和赤金堡組存在明顯的異常高壓，橫向上壓力系數(shù)與地層埋深有較好的相關(guān)關(guān)系，總體上南高北低、東高西低，從西北斜坡帶到東南深陷區(qū)壓力系數(shù)逐漸升高。

（3）編制的計(jì)算機(jī)程序能夠?qū)崿F(xiàn)三維地層壓力的計(jì)算和顯示，有助于獲得精準(zhǔn)的地層壓力空間分布信息，為油藏工程和鉆井工程提供幫助。

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