陳亞琳，郁 飛，羅 兵，鄒賢軍

(中國石化 江漢油田分公司 勘探開發(fā)研究院，武漢 430223)

異常高壓是海相頁巖氣富集高產的關鍵因素，地層壓力是影響頁巖氣水平井部署和產能的重要因素[1-3]。四川盆地涪陵頁巖氣田實際開發(fā)效果表明，在涪陵一期產建區(qū)地層壓力系數與產能具有較好的正相關關系；在涪陵二期產建區(qū)，構造特征復雜，地層壓力變化較大，如何準確預測地層壓力非常重要。國內外關于地層壓力預測的方法和模型有多種，多數是基于1943年TERZAGHI建立的孔隙壓力與有效應力的關系準則[4]，具有代表性的方法主要有：等效深度法(1965)、Eaton法(1976)、Bowers法(1995)、Fillippone法(1982)和Eberhart-Phillips法(1985)等。這些方法都是基于國外壓力數據建立的模型，具有較強的區(qū)域特征。國內在利用上述模型開展壓力預測時，需要采取一定的改進措施[5-6]。在三維壓力預測方面，如何準確獲得地層速度是區(qū)域壓力預測的關鍵。早在1968年PENNEBAKER[5]就提出利用地震層速度預測地層壓力，但受速度譜分辨率的限制，地層壓力預測的精度并不高；隨著地震處理技術的發(fā)展和地震反演方法在速度處理中的應用[7-9]，使得地震速度的分辨率得到極大改善，為提高區(qū)域壓力預測精度提供了基礎。

目前在涪陵地區(qū)頁巖儲層的地層壓力預測技術和高壓形成機制方面開展的研究較少，筆者在對現有壓力預測方法的原理及適用性分析的基礎上，結合涪陵頁巖氣田龍馬溪組頁巖氣層的地質特點和資料情況，以Eaton法為基礎，通過改進正常壓實趨勢線的建立方法提高單井地層孔隙壓力預測的精度，并聯合測井、地震速度資料，建立了以廣義線性高精度速度反演為核心、單井高精度孔隙壓力預測為約束的三維地層壓力預測技術流程，為涪陵頁巖氣田儲層壓力預測提供理論依據。同時，對涪陵地區(qū)頁巖層段高壓成因機制進行探索研究，為頁巖儲層地層壓力預測的發(fā)展方向提出建議。

1 地層壓力預測方法

目前，國內外常用且使用效果較好的地層壓力預測方法主要有Fillippone法、Bowers法和Eaton法3種。其中，Fillippone法[10]是根據速度與孔隙壓力變化的規(guī)律預測地層壓力，該方法不依賴正常壓實趨勢線；Bowers法是一種有效應力法，該方法提出加載、卸載曲線的概念，認為不同的高壓成因其有效應力與聲波速度的變化遵循不同的曲線關系[11]。理論上來說，這2種方法對于同時存在欠壓實、流體膨脹等多種成因機制的高壓預測效果較好。但2種方法的計算公式中均涉及多個經驗參數，參數具有極強的區(qū)域性，參數準確性直接影響預測結果的精度，在井資料或測壓資料缺少的地區(qū)應用受限[12]。而Eaton法由于涉及參數少，方法容易實現，應用最為廣泛。

涪陵頁巖氣田高壓成因機制復雜，且實際測壓資料較少，選用Bowers或Fillippone法關鍵參數的求取十分困難。通過對研究區(qū)已鉆井巖性、電性特征分析，發(fā)現在韓家店組中上部泥巖地層中存在正常壓實的泥巖段，而在龍馬溪組下部—五峰組的高壓段聲波速度、密度存在明顯反轉，因此，本次選用Eaton法作為涪陵地區(qū)預測地層孔隙壓力的首選。

1.1 Eaton法基本原理

Eaton法是EATON在1972年提出的一種基于正常壓實趨勢線計算地層壓力的方法，是基于有效應力和泥巖壓實理論提出的。該方法的前提是給出一個假定的沉積壓實條件，它利用的是孔隙壓力和聲波時差、速度等參數的冪函數關系，這種關系不隨巖性或深度的變化而變化，其一般公式形式為[13]：

Pp=Po-(Po-Pw)(νinst/νn)N

(1)

式中：Pp為預測地層孔隙壓力，MPa；Po為靜巖壓力，MPa；Pw為靜水壓力，MPa；νn為正常壓實地層的速度，m/s；νinst為地層實測的聲波速度，m/s；N為冪指數，無量綱。指數N隨地區(qū)和地質年代的不同而變化，需要根據區(qū)域的實測壓力數據進行測試獲取。

國外研究結果表明，對于存在流體膨脹機制的超壓地層，采用原始的Eaton法預測結果可能會偏低，但通過調整正常趨勢線或者伊頓指數N，增大正常壓實地層的速度，降低有效應力，可以使得預測的地層孔隙壓力增大，預測的壓力數據將沿卸載曲線分布，從而彌補流體膨脹等其他壓力成因引起的超壓[11]。因此，理論上來說，只要建立的正常壓實趨勢線合理、伊頓指數N可靠，Eaton法可以滿足欠壓實、流體膨脹等多種成因機制的壓力預測。

1.2 預測方法改進

Eaton法在實際應用中預測精度受正常壓實趨勢線的制約明顯。針對這一問題，本文結合涪陵頁巖氣田巖性、構造、巖石物理性質的變化特征，通過以下3個步驟對正常壓實趨勢線的建立過程進行控制：

(1)縱向上分段、多井建立：涪陵地區(qū)沉積過程中地層巖性縱向上存在明顯的變化，需要對不同巖性的地層分段建立壓實趨勢線；

(2)平面上分區(qū)建立：對于穩(wěn)定沉積的區(qū)域，應該具有統(tǒng)一的正常壓實趨勢，而涪陵地區(qū)經歷了多期構造運動的改造，平面上速度由北往南也存在明顯差異，本次以聲波速度曲線的橫向變化為基礎，以三級斷裂為界分區(qū)塊建立正常壓實趨勢線，采用默認Eaton指數對地層壓力進行初算；

(3)利用實測數據，反復調試修正：利用地層壓力測試數據、泥漿密度曲線等數據，對初算的地層壓力結果進行驗證，反復調整正常壓實趨勢線和Eaton指數，直至二者吻合，由此得到最終的正常壓實趨勢線。

2 應用實例

2.1 研究區(qū)概況

涪陵頁巖氣田構造位置位于四川盆地東南構造區(qū)川東高陡褶皺帶的東南部，研究區(qū)主體位于萬縣復向斜，處于江南雪峰造山系峰帶。受江南雪峰造山帶由南東向北西的遞進變形影響，研究區(qū)總體呈北東向隆凹相間的構造格局，局部受后期改造出現北西向構造，具有明顯的南東強北西弱、南東早北西晚的遞進變形特征[14]。涪陵頁巖氣田勘探開發(fā)主要目的層為上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組，整體處于相對安靜的淺水—深水陸棚沉積環(huán)境，發(fā)育一套暗色碳質、硅質頁巖。鉆探結果顯示，該套富有機質頁巖整體分布穩(wěn)定，自上而下頁巖顏色加深，有機碳含量增高。其中，五峰—龍馬溪組一亞段地層儲集性能好，有機質豐度高，含氣性好，為目前主要開發(fā)層系。五峰—龍馬溪組一亞段地層普遍具有高壓特征，一期主體區(qū)鉆井液相對密度在1.3～1.45 g/cm3之間，JYA井實測地層壓力系數1.37；在二期產建區(qū)構造復雜區(qū)塊，鉆井液密度更高，普遍在1.5～1.7 g/cm3之間，水平井微注入試驗測試地層壓力系數1.6左右。

2.2 地層壓力預測

2.2.1 單井地層壓力預測

準確的單井地層壓力求取是開展三維地層壓力預測的基礎，單井壓力預測主要包括：上覆壓力求取、單井正常壓實趨勢線建立、壓力預測模型參數優(yōu)選和地層壓力計算4個部分。其中，正常壓實趨勢線建立和壓力預測模型參數優(yōu)選是最為關鍵的環(huán)節(jié)。

(1)正常壓實趨勢線的建立?；谇笆稣簩嵹厔菥€的改進方法，在對涪陵地區(qū)三級構造單元劃分的基礎上，利用多井聲波速度趨勢分區(qū)塊建立正常壓實趨勢線。依據三級斷裂及主要構造形態(tài)，涪陵頁巖氣田可以劃分為11個三級構造單元，現以一期產建區(qū)為例進行詳細說明。一期產建區(qū)位于涪陵地區(qū)焦石壩背斜帶上，已鉆導眼井6口，縱向巖性特征基本一致，在韓家店組頂部存在明顯的地層沉積間斷，上下地層巖性存在明顯差異，上部地層以灰?guī)r沉積為主，下部地層以泥頁巖沉積為主。利用純泥巖段特征明顯的5口井，對原始聲波速度曲線進行泥巖趨勢過濾，分別對上奧陶統(tǒng)五峰組—中志留統(tǒng)韓家店組的大套泥頁巖地層和上覆的灰?guī)r地層建立壓實趨勢線(圖1)。

(2)預測模型參數的確定。JYA井2 360.1 m地層DST實測地層壓力32.31 MPa，地層壓力系數為1.37，以該井數據為標定，確定涪陵地區(qū)單井孔隙壓力預測模型參數。由于實測壓力數據僅有一個數據點，縱向上地層壓力的分布趨勢主要參考鉆井液密度曲線，求取得到的Eaton指數N為2.8。將JYA井模型參數應用于其他井，并用實鉆信息進行驗證。如一期產建區(qū)中JYB井五峰—龍馬溪組下段(2 524～2 575 m)槽面顯示有孔狀氣泡，鉆井液密度1.4 g/cm3，采用模型參數預測的地層壓力系數為1.43，略高于鉆井液密度，說明預測結果比較合理。

圖1 四川盆地涪陵地區(qū)正常壓實趨勢線示意

(3)單井壓力預測。采用上述方法對涪陵頁巖氣田導眼井進行孔隙壓力預測，認為涪陵地區(qū)泥頁巖地層孔隙壓力具有如下特點(圖2)：自上而下呈“三段式”分布特征，即韓家店組中部以上地層為常壓帶，孔隙壓力系數為0.9～1.1；韓家店組下部地層孔隙壓力系數逐漸增加，至龍馬溪組上部為壓力過渡帶，地層壓力系數為1.1～1.3；龍馬溪組下部—五峰組地層為高壓帶，孔隙壓力系數為1.3～1.6，其中，二期構造復雜區(qū)塊受構造擠壓產生的增壓作用明顯，位于平橋區(qū)塊的井地層孔隙壓力系數均大于1.5。

2.2.2 三維壓力預測

在井上確立了壓力預測的模型和參數，即可用于三維地層孔隙壓力預測。Eaton法進行地層壓力預測的原理是通過比較井點速度與正常壓實趨勢線的偏離程度，偏離越大，表明地層壓力越大，因此，三維地層孔隙壓力預測的成敗取決于地震速度的精度[15]。

(1)高精度速度場建立。傳統(tǒng)地震層速度的獲得是利用常規(guī)地震資料處理的均方根速度通過Dix公式轉換得到，縱向分辨率低[16]，而且轉換后的層速度與實際的測井速度往往存在較大誤差，直接采用處理得到的速度體進行壓力預測會導致結果產生較大的偏差，不能反映真實的地層壓力。本次聯合測井、地震信息，在高精度速度分析的基礎上，通過井約束的廣義線性速度反演獲得高精度的三維速度場，以提高三維地層孔隙壓力預測的精度。首先，通過疊前噪聲壓制、信號加強、超道集等一系列道集優(yōu)化處理技術，提高原始CRP道集的信噪比，使得速度譜能量團更加集中(圖3)；第二，以初始速度體V0為基礎，開展高精度速度分析，通過加密速度解釋網格、提高目的層段縱向的樣點拾取精度，并以聲波測井速度作為趨勢約束，提高地震速度與地層速度的相關性；第三，通過“三步法”得到高精度層速度體，包括三維約束Dix反演層速度、基于井約束的低頻背景趨勢校正、基于井約束的速度廣義線性反演，提高層速度的精度和分辨率。

(2)三維壓力預測效果。涪陵地區(qū)構造特征復雜，三維地層壓力預測采用統(tǒng)一的正常壓實趨勢線會造成預測結果出現偏差?；诜謪^(qū)建立的正常壓實趨勢線，通過地質建模建立橫向變化的背景壓實趨勢模型，再結合高精度處理的層速度體，采用Eaton法對涪陵地區(qū)三維孔隙壓力進行預測。

圖2 四川盆地涪陵地區(qū)JYA井地層壓力剖面

圖3 四川盆地涪陵地區(qū)道集優(yōu)化處理前后速度譜對比示意

圖4 四川盆地涪陵地區(qū)頁巖層段地層壓力系數分布

涪陵地區(qū)五峰—龍馬溪組下段的地層壓力預測結果表明(圖4)，地層壓力系數東低西高，與構造變形強度東強西弱的認識相對應。東帶地層壓力系數整體較低，小于1.2；西帶普遍存在高壓特征，地層壓力系數大于1.3。其中，在一期產建區(qū)西南部和東西兩翼的斷裂復雜帶地層壓力系數偏低，與構造作用導致壓力釋放有關；在二期平橋、江東等構造復雜區(qū)塊，局部地層壓力系數大于1.5，可能與強烈的構造擠壓作用有關。

2.3 高壓成因機制分析

2.3.1 異常高壓形成機制判別方法

異常高壓成因機制多種多樣，包括不平衡壓實、生烴作用、水熱增壓、黏土礦物脫水、流體密度差異和構造運動等十余種。依據沉積壓實過程中的力學關系，可以將主要的高壓形成機制分為3類(表1)。其中，加載、卸載2類機制引起的異常高壓是研究的重點[17-20]。

沉積壓實過程中力學關系的實質是研究有效應力與孔隙變形之間的關系，與孔隙變形相關的測井曲線主要有聲波速度、電阻率、密度等，不同的高壓成因機制在泥巖段具有不同的測井響應特征，其有效應力與聲波速度、密度等的變化遵循不同的曲線關系。當地層處于正常壓實、欠平衡壓實狀態(tài)或受到強烈的構造擠壓作用時，會造成垂直有效應力持續(xù)增加或保持不變，沉積物處于一種逐漸加載或維持原有載荷的力學過程，此時聲波速度—垂直有效應力關系曲線符合加載曲線關系(圖5a)[17]；在波速—密度交會圖中，隨著密度增加，聲波速度也會逐漸增加。其中，構造擠壓機制可以認為是處于一種三維壓實狀態(tài)，是加載速率更快的加載過程，曲線形態(tài)與欠壓實的加載曲線形態(tài)明顯不同。當地層中存在流體膨脹作用時，導致孔隙體積增加而垂直有效應力在原始狀態(tài)基礎上減小，為地層的沉積卸載過程，此時反映巖石卸載過程的聲波速度—垂直有效應力關系曲線符合卸載曲線(圖5b)[17]，聲波速度、電阻率曲線出現反轉，而密度曲線變化不大；在聲波速度—密度交會圖中，聲波速度會迅速降低，密度則保持不變或緩慢減小。

表1 異常高壓形成機制分類

圖5 聲波速度與垂直有效應力關系曲線[17]

超壓形成機制判別主要包括3個步驟：首先，基于泥質含量提取純泥巖的聲波速度、密度、電阻率等曲線數據；其次，依據聲波速度、密度等曲線變化趨勢，判斷是否存在反轉現象，并提取反轉點附近泥巖段的聲波速度—密度交會圖，區(qū)分加載和卸載機制；最后，綜合區(qū)域構造背景、應力測量結果以及聲波速度—密度加載曲線形態(tài)，判斷是否存在再次加載的機制(構造作用)。

2.3.2 高壓成因機制分析

涪陵地區(qū)多口井純泥巖段的聲波速度、密度、電阻率縱向分布特征表明，在韓家店組上部的正常壓實段，波速、密度、電阻率曲線在對比圖中均無明顯偏轉；在龍馬溪組下部—五峰組目的頁巖層段，普遍存在高壓特征，聲波速度、電阻率和密度測井曲線均發(fā)生了明顯反轉，說明存在加載類的高壓機制類型。

以焦石壩背斜帶JYA井和平橋背斜JYC井為例，分別提取2口井反轉點附近泥巖段的聲波速度和密度數據，制作二者的交會圖(圖6)，認為在目的頁巖層段除了存在加載機制的高壓成因外，還存在卸載機制(流體膨脹)的高壓成因。研究表明，川東南地區(qū)五峰—龍馬溪組頁巖有機質類型為Ⅰ型，頁巖熱演化程度較高，Ro介于2%～3.5%，達到了油氣生成的后期階段[21-22]；涪陵地區(qū)在燕山晚期進入主生氣期，烴類氣體集中大量生成，頁巖層的生烴量遠高于排烴量，頁巖儲層壓力顯著增高。因此，生烴作用為涪陵地區(qū)頁巖地層高壓的重要成因機制之一。

從JYC井的聲波速度—密度交會圖(圖6b)上還能明顯看出加載曲線存在明顯的拐點，認為加載機制中除原始沉積的欠壓實機制外，還可能存在構造擠壓機制[23]。前人研究表明，涪陵地區(qū)經歷了多期構造運動，在燕山期遭受了由南東至北西強烈的擠壓作用，平面上構造變形強度具有明顯差異性。JYA井位于一期產建區(qū)內，處于焦石壩背斜核部，構造變形強度較弱，聲波速度—密度交會圖(圖6a)中構造擠壓機制不明顯，高壓成因機制以生烴作用、欠壓實為主。JYC井位于涪陵頁巖氣田南部的平橋背斜上，為一狹長的窄陡背斜，構造變形指數要高于一期產建區(qū)；聲波速度—密度交會圖(圖6b)中其加載曲線具有明顯的拐點，呈兩段式分布，說明平橋區(qū)塊與一期產建區(qū)相比遭受了更劇烈的構造擠壓，高壓成因機制以生烴作用、欠壓實和構造擠壓為主。

圖6 四川盆地涪陵地區(qū)五峰—龍馬溪組頁巖層段聲波速度與密度交會圖

綜合分析認為，涪陵地區(qū)目的頁巖層段的壓力異常是由欠壓實、生烴作用、構造擠壓3種機制混合作用所致，其中構造擠壓在不同構造帶發(fā)揮的作用不一樣?，F階段研究認為，一期產建區(qū)構造擠壓機制較弱，在二期構造復雜區(qū)塊，構造擠壓作用也是產生異常壓力的重要機制之一。

本次僅對涪陵地區(qū)目的頁巖層段的高壓形成機制做了探索性研究，尚需要進一步結合區(qū)域沉積背景、構造演化特征、曲線變化特征，對縱向上每一段壓力異常的成因機制進行深入分析，研究每種超壓機制出現的時期、頂底界面以及對壓力系統(tǒng)的具體影響。同時，在高壓機制明確和新鉆井實測壓力數據豐富的基礎上，綜合Eaton法、Bowers法等方法進一步改進頁巖氣地層壓力預測方法。

3 結論

(1)采用改進后的Eaton方法，在涪陵地區(qū)頁巖儲層單井孔隙壓力預測中取得較好的應用效果，建立的以廣義線性速度反演為核心的井控速度精細處理流程，可以有效提高層速度場的處理精度，為準確開展涪陵地區(qū)三維孔隙壓力預測提供數據基礎。

(2)涪陵地區(qū)志留系地層孔隙壓力縱向上呈“三段式”分布特征，自上而下地層壓力系數逐漸增加，由常壓地層向高壓層逐漸過渡。其中，龍馬溪組下部—五峰組的目的頁巖層段為高壓帶，孔隙壓力系數在1.3～1.6。

(3)根據巖石加載和卸載時不同的測井曲線響應特征，通過聲波速度—密度交會圖，結合區(qū)域有機質演化特征和構造地質特征，可以對涪陵地區(qū)目的頁巖層段的高壓成因機制進行判別。

(4)涪陵地區(qū)志留系的壓力異常是由欠壓實、生烴作用和構造擠壓3種機制共同作用的結果。其中，生烴作用是目的頁巖層段產生超壓的主要機制，構造作用在構造復雜區(qū)塊是產生壓力異常的重要機制之一。

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