楊紅君蔡 軍,2

(1.中海石油(中國)有限公司湛江分公司; 2.中國石油大學(xué)(華東)石油工程學(xué)院)

基于VSP的孔隙壓力預(yù)測方法在鶯歌海盆地的應(yīng)用*

楊紅君1蔡 軍1,2

(1.中海石油(中國)有限公司湛江分公司; 2.中國石油大學(xué)(華東)石油工程學(xué)院)

通過對南海北部鶯歌海盆地東方區(qū)已鉆2口鄰井的電纜測井資料及垂直地震剖面(VSP)數(shù)據(jù)的分析,建立了孔隙壓力預(yù)測模型;用電纜測壓資料對得到的孔隙壓力模型進(jìn)行刻度,并做出該2口鄰井的孔隙壓力預(yù)測趨勢線;在鉆井中途利用得到的趨勢線和VSP數(shù)據(jù)對研究井未鉆地層孔隙壓力進(jìn)行預(yù)測更新,可使研究井的孔隙壓力預(yù)測誤差控制在5%以內(nèi)。目前該方法已廣泛推廣應(yīng)用于該海域鉆井的孔隙壓力預(yù)測中。

垂直地震剖面(VSP);孔隙壓力預(yù)測;鶯歌海盆地;應(yīng)用

實踐表明,南海北部地區(qū)鉆探作業(yè)遇到的最大鉆井挑戰(zhàn)就是復(fù)雜的超高地層孔隙壓力[1-2]。多年來,人們一直不斷探索能夠提高孔隙壓力預(yù)測精度的方法,相繼提出了多種預(yù)測孔隙壓力的方法,主要為基于加載和卸載機(jī)制的方法[3],其中一些方法是基于經(jīng)驗分析的,另外一些方法是基于有效主應(yīng)力計算的。目前國內(nèi)外通用的地層孔隙壓力預(yù)測方法可以劃分為兩大類,即基于聲波速度的方法和基于盆地模擬的方法,其中前者又可細(xì)分為基于測井?dāng)?shù)據(jù)、基于地震數(shù)據(jù)或兩者的綜合。根據(jù)數(shù)據(jù)的可用性,孔隙壓力可以在鉆前、鉆中(實時)和鉆后進(jìn)行分析。

盡管利用地震資料可以建立整個盆地或油田的三維孔隙壓力體,但受到地震數(shù)據(jù)不確定性、地震分辨率及時深關(guān)系不準(zhǔn)的影響,基于地震數(shù)據(jù)的孔隙壓力預(yù)測方法可能使預(yù)測結(jié)果有相當(dāng)?shù)牟淮_定性,并且一般情況下分辨率最高只有50 m左右。同時,在同一沉積盆地中可能有多種孔隙壓力異常機(jī)制在共同作用[4-8],而目前國內(nèi)常用的預(yù)測方法大多只考慮單一地層超壓機(jī)制,使得孔隙壓力預(yù)測的精度受到限制。本文基于VSP資料對未鉆地層進(jìn)行孔隙壓力預(yù)測,在鉆井過程中利用隨鉆測量或鉆完特定井段采集的VSP資料并結(jié)合已鉆井段獲取的常規(guī)測井資料反演鉆頭前方地層的速度信息[9],同時考慮多種超壓機(jī)制和未鉆地層的巖性預(yù)測結(jié)果等多種信息進(jìn)行孔隙壓力預(yù)測,這樣可以有效降低鉆前設(shè)計階段孔隙壓力預(yù)測中的速度、巖性、超壓機(jī)制等不確定性,從而大大提高未鉆地層的孔隙壓力預(yù)測的精度。

1 孔隙壓力預(yù)測方法基本思路

基于Terzaghi有效應(yīng)力原理[10],孔隙壓力的計算式為

式(1)中:pp為孔隙壓力;σv為總的上覆地層壓力; σ′v為有效上覆地層壓力。

由于孔隙壓力預(yù)測需要在VSP處理完后幾個小時內(nèi)提供結(jié)果,所以只有采用一些相對簡單快速的孔隙壓力預(yù)測方法才能及時地提供預(yù)測成果,本研究中選擇了Eaton模型[11],即

式(2)中:pnorm為正常壓實趨勢線的孔隙壓力;V為給定深度測量的聲波速度;Vnorm為正常壓實趨勢線的聲波速度;n為Eaton指數(shù)(在最初的Eaton模型中取3)。

上覆地層壓力σv可以通過對地層密度進(jìn)行積分計算得到,典型的地層密度可以通過電纜測井得到,也可以利用巖心實測密度數(shù)值,在沒有密度測井或測井質(zhì)量差的層段利用指數(shù)曲線外推得到。有效上覆地層壓力σ′v可以由式(2)得到,σv-pnorm是正常壓實情況下的有效壓力,速度V可以來自聲波時差、地震層速度或VSP數(shù)據(jù),Vnorm可以從趨勢線讀取。隨后孔隙壓力就能通過上覆地層壓力σv和有效上覆地層壓力σ′v的差值確定。

2 基于VSP的孔隙壓力預(yù)測方法

VSP垂直地震剖面法是一種井中地震觀測技術(shù)[12],利用VSP資料的特殊性,對鉆井過程中已鉆井段VSP數(shù)據(jù)進(jìn)行反演,獲得待鉆井段一定深度范圍的層速度,從而為孔隙壓力預(yù)測提供必要的參數(shù)。

零偏VSP數(shù)據(jù)可以看成自激自收的資料,假設(shè)地層為水平層狀介質(zhì),則地層反射系數(shù)可以表達(dá)為

由式(3)可以得到相鄰上、下兩層的地層速度關(guān)系式為

利用Gardner求取密度的經(jīng)驗公式作為密度計算公式,即

將式(5)代入式(4),得到求取層速度的公式

根據(jù)式(6)便可以由上一層的層速度求取下一層的層速度,同時可將速度轉(zhuǎn)換成時差。

上述各式中,系數(shù)a和b可以由VSP測量井段的速度和密度數(shù)據(jù)計算得到;地層反射系數(shù)R采用共軛梯度法,可以通過迭代修改地層模型逐次逼近求取。

利用已鉆鄰井的孔隙壓力數(shù)據(jù)、聲波時差及VSP資料和研究井已鉆井段新采集的VSP數(shù)據(jù)來預(yù)測未鉆地層的孔隙壓力,主要包含以下4個步驟:

1)對已鉆鄰井的VSP及其他測井資料進(jìn)行對比分析;

2)根據(jù)密度資料建立上覆地層壓力梯度,依據(jù)VSP或測井聲波資料建立初步的速度(時差)趨勢線,根據(jù)Eaton方法計算孔隙壓力,調(diào)整速度(時差)趨勢線直至孔隙壓力計算值與實測值基本一致,確定孔隙壓力計算的模型和參數(shù);

3)把研究井的地震速度(時差)與鄰井的速度(時差)趨勢線進(jìn)行比較,確定最優(yōu)速度(時差)趨勢線,進(jìn)行研究井開鉆前的孔隙壓力預(yù)測;

4)利用研究井已鉆井段新采集的VSP聲波速度(時差)及上述得到的最優(yōu)趨勢線對研究井已鉆井段進(jìn)行孔隙壓力更新。

3 在鶯歌海盆地東方區(qū)的應(yīng)用

由于波阻抗反演的直接反演結(jié)果缺少低頻成分,無法真實反映地下地層速度的變化趨勢,因此應(yīng)用之前需要作低頻分量的補(bǔ)償。VSP速度反演的主要目的是預(yù)測井底深度以下地層的層速度,因此低頻約束不僅是已鉆井段簡單的低頻分量曲線,還必須包含井底深度以下部分地層的速度低頻變化“趨勢”。研究發(fā)現(xiàn),在地質(zhì)特征變化不大的情況下,鶯歌海盆地東方區(qū)利用鄰井資料外推到研究井獲取的低頻趨勢與實際速度變化吻合很好(圖1、2),但前提是要有足夠準(zhǔn)確的地層控制點。

圖1 鶯歌海盆地東方區(qū)某構(gòu)造鄰井及研究井地層對比圖

圖2 鶯歌海盆地東方區(qū)某構(gòu)造鄰井外推插值的低頻分量與研究井VSP測量速度對照圖

為了確定研究區(qū)反演最優(yōu)參數(shù),采用分段深度遞增的反演方式,研究井按照VSP采集時分段深度劃分,全井段為1890～2976m,Run1段為1890～2752m,Run2段為2752～2976m,分別將Run1段和全井段數(shù)據(jù)作為輸入進(jìn)行反演。由于Run2段VSP速度已知,可以作為對Run1段反演預(yù)測結(jié)果的驗證和約束,從而調(diào)整獲得最優(yōu)反演參數(shù),用于全井段數(shù)據(jù)反演時對井底以下深度范圍內(nèi)速度的預(yù)測。研究井2次反演結(jié)果在測量井段與實測速度吻合程度很好,反演誤差控制在5%以內(nèi)(圖3)。全井段反演得到的井底深度以下預(yù)測速度范圍在3100～3300m/s。

圖3 東方區(qū)某構(gòu)造研究井2次VSP速度反演結(jié)果與VSP實測速度精度對照圖

將速度轉(zhuǎn)換成時差,通過對2口鄰井(DF11井、DF12井)及研究井(DF14井)的VSP實測時差和聲波時差對比后發(fā)現(xiàn),2口鄰井VSP實測時差的趨勢類似,而研究井的VSP實測時差明顯快于2口鄰井(圖4)。此時,通過調(diào)整外延密度線的參數(shù)使外延密度線和電纜測井密度線在相應(yīng)井段吻合,然后對合成密度線積分,從而確定鄰井的上覆地層壓力梯度。

分別對DF12井和DF11井進(jìn)行了基于VSP的孔隙壓力預(yù)測,結(jié)果見圖5、6。從圖5、6可以看出,基于VSP預(yù)測的孔隙壓力和MDT(電纜地層測壓)測量值有少許差距,這主要是由VSP精度的限制以及砂巖和相鄰泥巖孔隙壓力不一致造成的。

圖4 鄰井及研究井VSP實測時差及聲波時差對比圖

圖5 鄰井(DF12井)的孔隙壓力預(yù)測圖

圖6 鄰井(DF11井)的孔隙壓力預(yù)測圖

通過比較鄰井DF12井和DF11井的VSP趨勢線,發(fā)現(xiàn)相同層位的變化趨勢一致,這表明可用該趨勢線來預(yù)測研究井DF14井的孔隙壓力。利用鄰井VSP趨勢線和VSP反演的時差曲線對研究井進(jìn)行孔隙壓力預(yù)測,結(jié)果顯示在井深2777m以上井段預(yù)測的孔隙壓力梯度當(dāng)量值小于鉆井液密度(圖7),這與鉆井過程中觀察到的實際情況一致(鉆井過程中沒有發(fā)生井涌)。

圖7 研究井(DF14井)的孔隙壓力預(yù)測圖

利用研究井DF14井已鉆井段新采集的VSP資料更新后的孔隙壓力預(yù)測結(jié)果如圖8所示,可以看出,在井深2912m以上井段開鉆前預(yù)測的孔隙壓力梯度和更新后預(yù)測的基本一致。在井深2912m以下井段更新后預(yù)測的孔隙壓力梯度明顯高于開鉆前預(yù)測結(jié)果,并且與該井MDT的實測值(1.88 g/cm3)基本一致,說明更新后預(yù)測結(jié)果的精度更高,達(dá)到了鉆探要求的5%之內(nèi),可以推廣應(yīng)用。

實查鉆后錄井和測井資料得知,研究井DF14井在井深2900m以上井段開鉆前預(yù)測的孔隙壓力梯度當(dāng)量最高值為1.65 g/cm3左右,低于鉆井液密度1.70～1.71 g/cm3,在鉆進(jìn)過程中無異常的鉆速(ROP)出現(xiàn),沒有氣測值(TG),預(yù)測結(jié)果相對可靠。但是,從井深2900m起開始用密度1.71 g/cm3的鉆井液鉆井,井深2905m處TG為0.32%、2906m處TG為0.23%,氣測值顯著提高,表明該段的孔隙壓力梯度當(dāng)量大于1.71 g/cm3。同時,鉆至井深2912m時ROP由10 m/h增大至47 m/h,停泵觀察有溢流(溢流量為1.5 m3/5 min),關(guān)井求壓,其值折算鉆井液密度為1.84 g/cm3,而在該段的MDT測壓值折算的孔隙壓力梯度當(dāng)量值為1.88 g/cm3。

圖8 研究井(DF14井)更新后的孔隙壓力預(yù)測圖

4 結(jié)束語

應(yīng)用實踐表明,基于VSP的孔隙壓力預(yù)測方法為南海北部鶯歌海盆地的孔隙壓力預(yù)測提供了強(qiáng)有力的技術(shù)手段,通過對鄰井電纜測井資料和VSP數(shù)據(jù)分析建立孔隙壓力預(yù)測模型并用MDT測量值進(jìn)行刻度,將刻度后的孔隙壓力模型用于研究井的孔隙壓力預(yù)測,最后再利用研究井新采集的VSP資料及鉆井資料、巖性資料的分析結(jié)果對開鉆前孔隙度預(yù)測結(jié)果進(jìn)行更新,可使預(yù)測精度達(dá)到鉆探要求的5%以內(nèi)。

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(編輯:馮 娜)

Applying a method to predict pore pressure based on VSP in Yinggehai basin

Yang Hongjun1Cai Jun1,2

(1.Zhanjiang Branch of CNOOC Ltd.,Guangdong, 524057;2.School of Petroleum Engineering,China University of Petroleum,Shandong,266580)

For two adjacent wells drilled in Dongfang area of Yinggehai basin,the northern South China Sea,the data of wireline logging and vertical seismic profile(VSP)was analyzed,and a model to predict pore pressure was built.The model was calibrated by using wireline pressure measurements,and a trend line was derived for pore pressure prediction in the two wells.During drilling a new well,applying the trend line and VSP data to predict and update pore pressure data for undrilled intervals will make the prediction error of pore pressure be within 5%.At present,this method is widely applied in pore pressure prediction during drilling in this offshore area.

vertical seismic profile;pore pressure prediction;Yinggehai basin;application

2013-07-23改回日期:2014-02-24

*“十二五”國家科技重大專項“鶯瓊盆地高溫高壓天然氣成藏主控因素及勘探方向(編號:2011ZX05023-004)”部分研究成果。

楊紅君,男,高級工程師,1986年畢業(yè)于同濟(jì)大學(xué),獲海洋地質(zhì)專業(yè)學(xué)士學(xué)位,2005年畢業(yè)于中國地質(zhì)大學(xué)(武漢),獲碩士學(xué)位,現(xiàn)主要從事勘探開發(fā)地質(zhì)生產(chǎn)工作。地址:廣東省湛江市坡頭區(qū)22號信箱勘探開發(fā)部(郵編:524057)。E-mail:yanghj@cnooc.com.cn。