蔡文軍，鄧金根，張建峰，王大勇，孫源秀，馮永存*

(1.中國(guó)石油大學(xué)(北京)石油工程學(xué)院，北京 102200；2.吐哈油田公司銷售事業(yè)部，鄯善 838200；3.中建三局工程設(shè)計(jì)有限公司，武漢 430064；4.遼寧石油化工大學(xué)石油天然氣工程學(xué)院, 撫順 113001)

印尼A油田屬于礁灰?guī)r儲(chǔ)層，由印尼國(guó)家石油公司負(fù)責(zé)該油田的鉆探開(kāi)發(fā)。礁灰?guī)r是指由生物骨架構(gòu)成的一類石灰?guī)r，孔隙度較高，常常是石油、天然氣等資源的良好儲(chǔ)層。礁灰?guī)r的成巖過(guò)程復(fù)雜，往往膠結(jié)過(guò)程和沉積過(guò)程同時(shí)進(jìn)行，非均值性強(qiáng)，造成礁灰?guī)r儲(chǔ)層存在多種異常高壓成壓機(jī)制，包括生烴現(xiàn)象，構(gòu)造擠壓作用，灰?guī)r特殊的成巖作用等[1]。截至2019年底，印尼A油田已鉆各類直井，定向井，水平井共計(jì)60余口井。鉆完井過(guò)程中，灰?guī)r儲(chǔ)層未見(jiàn)明顯異常壓力區(qū)。為了后續(xù)開(kāi)發(fā)中科學(xué)地選擇井位，現(xiàn)場(chǎng)要求通過(guò)充分利用已鉆井單井的測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)，鉆完井總結(jié)報(bào)告，鉆井過(guò)程中的復(fù)雜狀況以及地震數(shù)據(jù)來(lái)形成印尼A油田灰?guī)r儲(chǔ)層的高精度三維孔隙壓力模型。

油田實(shí)際鉆完井過(guò)程中，針對(duì)灰?guī)r孔隙壓力的常用預(yù)測(cè)方法有[2-4]：Terzaghi于1925年提出的有效應(yīng)力理論，基于巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)來(lái)擬合縱波速度，有效應(yīng)力和巖石力學(xué)參數(shù)之間的關(guān)系；Eaton于1975年提出的Eaton法，基于實(shí)測(cè)的聲波時(shí)差，通過(guò)經(jīng)驗(yàn)指數(shù)來(lái)估算孔隙壓力的變化，已成熟用于計(jì)算砂泥巖地層的孔隙壓力；Weakley于1990年提出利用聲波時(shí)差趨勢(shì)線的方法預(yù)測(cè)灰?guī)r孔隙壓力。張華衛(wèi)等[5]于2013年提出了一套孔隙型灰?guī)r地層壓力綜合檢測(cè)方法，對(duì)于具有泥巖夾層的灰?guī)r地層，采用傳統(tǒng)泥頁(yè)巖孔隙壓力計(jì)算方法; 對(duì)于無(wú)法提取泥巖點(diǎn)的大段孔隙型灰?guī)r地層，采用多元速度模型和有效應(yīng)力定理進(jìn)行檢測(cè)。該方法在伊朗油田獲得成功應(yīng)用。余夫等[6-7]、楊順輝等[8]于2014年提出了基于薄板理論的碳酸鹽巖地層壓力檢測(cè)方法，該方法成功用于受構(gòu)造擠壓作用的灰?guī)r儲(chǔ)層。孫元偉等[9]于2014年提出利用灰?guī)r的聲波性質(zhì)和孔壓之間的關(guān)系來(lái)實(shí)現(xiàn)灰?guī)r儲(chǔ)層的孔壓預(yù)測(cè)。吳怡等[10]于2018年提出了利用Eaton法與工程分析法相結(jié)合來(lái)預(yù)測(cè)灰?guī)r孔隙壓力，在現(xiàn)場(chǎng)灰?guī)r孔壓預(yù)測(cè)中取得了良好的結(jié)果。盡管中外提出了各式各樣的灰?guī)r孔隙壓力預(yù)測(cè)方法，但還沒(méi)有形成一套成熟的灰?guī)r孔隙預(yù)測(cè)壓力模型。不僅如此，很少有關(guān)于灰?guī)r儲(chǔ)層的三維孔隙壓力建模方法介紹[11-12]。

目前所有針對(duì)灰?guī)r儲(chǔ)層的孔隙壓力預(yù)測(cè)方法都離不開(kāi)縱波時(shí)差(differential time, DT)數(shù)據(jù)。因此，灰?guī)r儲(chǔ)層三維孔隙壓力建模的核心部分是如何獲得準(zhǔn)確的三維DT模型?，F(xiàn)提出一套灰?guī)r儲(chǔ)層的三維孔隙壓力建模方法。

1 三維孔隙壓力建模工作流程

三維孔隙壓力建模的具體工作流程如圖1所示，通過(guò)詳細(xì)分析礁灰?guī)r成巖作用，基于工程分析法，針對(duì)已鉆井的測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)，實(shí)際鉆井液密度使用情況，鉆井工程現(xiàn)象，以及實(shí)測(cè)鉆桿測(cè)試(drill stem test, DST)數(shù)據(jù)，判斷印尼A油田灰?guī)r儲(chǔ)層的承壓機(jī)制。通過(guò)地震波反演得到印尼A油田的三維地震層速度體，基于Kriging插值方法[13-14]，對(duì)模型區(qū)已鉆井的層速度(VP)數(shù)據(jù)進(jìn)行三維插值，并使用三維地震層速度來(lái)約束插值結(jié)果，獲得了印尼A油田精細(xì)的三維層速度模型。最終計(jì)算得到印尼A油田礁灰?guī)r儲(chǔ)層的三維孔隙壓力分布規(guī)律。

2 印尼A油田

印尼A油田為陸地油田，位于南蘇門答臘盆地(South Sumatra Basin)的Musi區(qū)塊。南蘇門答臘盆地是第三紀(jì)盆地，向西北-東南方向發(fā)展，如圖2所示，其邊界是西南部的Sumatra斷層，東北部的Sunda 盆地。

印尼A油田地質(zhì)層位由上到下依次為：Kasai層位，Muara Enim層位，Air Benakat層位，Gumai層位(GUF)，Baturaja層位(BRF)，Talangakar層位(TAF)，LAF層位。其中，Baturaja層位為主要目的層，礁灰?guī)r儲(chǔ)層，埋深在800～1 100 m。圖3顯示了印尼A油田的主要地質(zhì)構(gòu)造和巖性剖面分布。該灰?guī)r儲(chǔ)層主要由礁灰?guī)r、石灰?guī)r和砂巖組成。這種礁灰?guī)r的孔隙度異常發(fā)育，包含各種螺旋藻類、軟體動(dòng)物等有機(jī)體，它的厚度在19～150 m，發(fā)育年代為中新世早期，沉積環(huán)境為淺海。

圖3 印尼A油田的地層構(gòu)造和巖性剖面分布圖

3 礁灰?guī)r承壓機(jī)制分析

由于礁灰?guī)r復(fù)雜的成巖過(guò)程，同時(shí)巖性和孔隙非均質(zhì)強(qiáng)，因此利用常規(guī)方法，很難準(zhǔn)確預(yù)測(cè)灰?guī)r的異常壓力成壓機(jī)制。

3.1 巖性分析

通過(guò)微觀顯微鏡分析了已鉆井MSI-15在900 m處的巖屑特征，如圖4所示，這種巖屑主要為石灰?guī)r。在0.2 mm的微觀尺度下，觀察為孔隙度較大的生物碎屑巖。晶粒度呈現(xiàn)出從細(xì)晶粒到粗晶粒的變化范圍，無(wú)法準(zhǔn)確確定粒度分類。屬于點(diǎn)接觸。骨骼顆粒組成包括較大的有孔蟲(chóng)(30%)、不確定的生物碎屑(10%)，從屬的底棲有孔蟲(chóng)(7%)、浮游生物(2%)，其次是棘皮動(dòng)物(3%)、軟體動(dòng)物(3%)，黃鐵礦作為次要礦物質(zhì)(1%，為黑色晶體)存在。碳酸鹽的體積含量約為40%。膠結(jié)作用主要影響該巖石的成巖過(guò)程，同時(shí)，不穩(wěn)定的晶粒被替換為方解石?？梢?jiàn)的孔以晶間(2%)和局部溶解(以體積計(jì)1%)的形式存在。

圖4 Baturaja地層900 m鉆屑的顯微照片結(jié)果

3.2 工程分析法

通過(guò)工程分析法，預(yù)測(cè)印尼A油田灰?guī)r的成壓機(jī)制，工程分析法是指充分分析和整理已鉆井的測(cè)井資料、鉆井液密度和實(shí)際的鉆井現(xiàn)象來(lái)達(dá)到準(zhǔn)確判斷灰?guī)r儲(chǔ)層承壓機(jī)制的方法。

3.2.1 聲波時(shí)差和密度交匯圖

圖5為印尼A油田在BAF層位，已鉆井的DT和密度交匯圖。由圖5可知，在半對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖譜中，DT和巖石密度具有很好的線性關(guān)系，圖中位于藍(lán)線以上的區(qū)域?yàn)楫惓８邏簠^(qū)域，藍(lán)線以下的區(qū)域?yàn)檎毫^(qū)域，圖5表明，印尼A油田在礁灰?guī)r儲(chǔ)層無(wú)異常高壓。

圖5 已鉆井的時(shí)差和密度交匯圖

3.2.2 DT隨深度的變化規(guī)律

圖6分別顯示了MSI-017井、MSI-052井、RAYU-002井3口井的DT和井深的單對(duì)數(shù)坐標(biāo)關(guān)系，涉及灰?guī)r儲(chǔ)層(800～1 100 m)和上部砂泥巖地層的測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)，圖中的紅色直線為趨勢(shì)線?？芍?，BRF儲(chǔ)層段的DT隨井深的變化趨勢(shì)與上部砂泥巖的變化趨勢(shì)一致，而上方砂泥巖地層正常膠結(jié)壓實(shí)，為正常壓力狀態(tài)，故BRF灰?guī)r儲(chǔ)層也處于正常壓力狀態(tài)。

1 ft=0.304 8 m

3.2.3 實(shí)際鉆井工況

表1列出了部分已鉆井在灰?guī)r儲(chǔ)層的實(shí)際鉆井液密度和鉆井復(fù)雜情況，其中MSI-051井和MSI-052井上部套管下到BRF灰?guī)r儲(chǔ)層頂部，實(shí)際鉆井液密度為1.02～1.03 g/cm3，鉆進(jìn)過(guò)程中無(wú)氣侵和漏失等復(fù)雜發(fā)生；MSI-017和RAYU-002井將灰?guī)r儲(chǔ)層上部不穩(wěn)定的一段地層GUF層位和BRF儲(chǔ)層設(shè)計(jì)在同一層套管中，由于上部GUF層位頁(yè)巖發(fā)育，鉆進(jìn)過(guò)程中，返出大量頁(yè)巖掉塊。為保證鉆井安全，實(shí)際鉆井液密度最高達(dá)1.20 g/cm3，無(wú)氣侵和漏失等復(fù)雜發(fā)生。綜上所述，BRF灰?guī)r層屬于正常壓力狀態(tài)。

表1 部分已鉆井在灰?guī)r儲(chǔ)層的實(shí)際鉆井液密度和鉆井復(fù)雜情況

3.3 一維孔隙壓力

在實(shí)際鉆井工程中，Eaton公式由于計(jì)算簡(jiǎn)單，準(zhǔn)確度高，被廣泛地用于泥頁(yè)巖孔隙壓力的計(jì)算。人們也常常將Eaton公式用于無(wú)異常壓力的碳酸鹽地層?；贓aton模型，計(jì)算了RAYU-002井的孔隙壓力值，如圖7所示。得到了適合印尼A油田的Eaton經(jīng)驗(yàn)指數(shù)，并將該指數(shù)用于三維孔隙壓力建模。

圖7 RAYU-002井孔隙壓力的Eaton法結(jié)果和實(shí)測(cè)孔隙壓力

(1)

式(1)中：Pp為地層壓力計(jì)算值，MPa；PO為上覆巖層壓力，MPa；Ph為靜液柱壓力，MPa；DTN為正常聲波時(shí)差，μs/ft，1 ft=0.304 8 m；DTO為測(cè)井聲波時(shí)差, μs/ft；n為Eaton指數(shù)。

4 三維孔隙壓力可視化研究

基于Petrel軟件平臺(tái)，對(duì)印尼A油田進(jìn)行了三維孔隙壓力建模，Petrel軟件是由斯倫貝謝公司開(kāi)發(fā)的一套比較成熟的地質(zhì)工程一體化三維建模軟件。首先建立印尼A油田三維地質(zhì)模型，研究面積38 km2，1 500萬(wàn)個(gè)單元網(wǎng)格數(shù)，網(wǎng)格數(shù)越多，建模精度越高；接著將已鉆井的Vp數(shù)據(jù)導(dǎo)入到三維地質(zhì)模型，使用Kriging插值方法進(jìn)行三維插值，利用三維地震層速度來(lái)約束插值過(guò)程；保留兩口井的Vp數(shù)據(jù)不參與插值，并和最后的插值結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，驗(yàn)證插值精度。具體建模流程如圖8所示。

4.1 Kriging插值法原理

Kriging法為一種局部估計(jì)法，通常利用一組實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和其相應(yīng)的空間結(jié)構(gòu)信息獲取屬性體的三維空間分布。對(duì)于非均質(zhì)儲(chǔ)層，具有優(yōu)良的建模精度。

趨勢(shì)控制模型為

E[Z(u)]=a0+a1y(u)

(2)

式(2)中：y(u)為次級(jí)變量，反映了Z變量的空間趨勢(shì)(對(duì)應(yīng)于兩個(gè)參數(shù)a0和a1)；u為數(shù)據(jù)點(diǎn)坐標(biāo)。

Kriging估計(jì)值為

(3)

克里金方程組表達(dá)式為

(4)

式(4)中：μ()為拉格朗日參數(shù)；CR()為殘差協(xié)方差函數(shù)。

4.2 插值結(jié)果分析

預(yù)留兩口井的VP數(shù)據(jù)不參與Kriging插值過(guò)程，印尼A油田剩下的井全部導(dǎo)入到建好的三維地質(zhì)模型中，如圖9所示。基于地球物理解釋結(jié)果，得到三維地震層速度，如圖10所示。圖11為基于組合地震數(shù)據(jù)和一維井?dāng)?shù)據(jù)獲得的最終三維VP。圖10和圖11具有一致的三維分布趨勢(shì)。

圖9 印尼A油田已鉆井在灰?guī)r儲(chǔ)層的VP數(shù)據(jù)

圖10 三維地震層速度

圖11 通過(guò)組合地震數(shù)據(jù)和一維井?dāng)?shù)據(jù)獲得的三維VP

4.3 質(zhì)量控制

MSI-15井和MSI-17井的測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)沒(méi)有參與Kriging插值過(guò)程。通過(guò)Petrel軟件，將插值后得到的三維層速度VP分別提取到MSI-15井和MSI-17井，并和一維測(cè)井結(jié)果進(jìn)行比較，如圖12(a)和圖12(b)所示，兩者具有幾乎一致的變化趨勢(shì)，表明Kriging插值方法得到的三維層速度體能夠準(zhǔn)確并細(xì)致地描述印尼A油田。

圖12 MSI-15和MSI-17井的層速度質(zhì)量檢驗(yàn)

4.4 三維孔隙壓力結(jié)果

通過(guò)Eaton法計(jì)算了印尼A油田礁灰?guī)r儲(chǔ)層的三維孔隙壓力分布，如圖13所示，計(jì)算結(jié)果三維可視化，孔隙壓力主要集中在1.01～1.10 g/cm3，無(wú)異常高壓存在，與工程分析結(jié)論一致。孔隙壓力呈現(xiàn)出一定的非均質(zhì)性。圖14展示了三維孔隙的縱向分布規(guī)律，在縱向上，孔隙壓力顯示隨構(gòu)造面均勻變化的趨勢(shì)，同時(shí)BAR層位上部孔隙壓力稍大。圖15展示了三維孔隙壓力在橫向的分布規(guī)律，分別截取了井深788、849、906 m處的橫向剖面圖，在橫向上，孔隙壓力顯示隨構(gòu)造面均勻變化的趨勢(shì)。

圖13 印尼A油田礁灰?guī)r儲(chǔ)層三維孔隙壓力分布規(guī)律

圖14 印尼A油田礁灰?guī)r儲(chǔ)層三維孔隙壓力縱向剖面

圖15 印尼A油田礁灰?guī)r儲(chǔ)層三維孔隙壓力橫向剖面

4.5 結(jié)果檢驗(yàn)

完成MSI區(qū)塊礁灰?guī)r儲(chǔ)層三維孔隙壓力精細(xì)建模，并提取了MSI-12、MSI-17、MSI-22、MSI-25共4口井BRF層位的孔隙壓力數(shù)據(jù)，和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)孔隙壓力進(jìn)行比較，對(duì)比結(jié)果如表2所示。相對(duì)誤差控制在1%～4.9%。結(jié)果表明，通過(guò)該方法建立的三維孔隙壓力模型能夠真實(shí)、細(xì)致地刻畫印尼礁灰?guī)r儲(chǔ)層的地層孔隙壓力，完全滿足現(xiàn)場(chǎng)鉆井施工的需求，能有效避免鉆井過(guò)程中的溢流和漏失等復(fù)雜事故發(fā)生，為新井的鉆井設(shè)計(jì)提供有力的安全保障。

表2 MSI區(qū)塊4口井的模型結(jié)果與實(shí)測(cè)地層壓力對(duì)比結(jié)果

5 結(jié)論

(1)通過(guò)巖性分析和工程分析法研究了印尼A油田礁灰?guī)r儲(chǔ)層的成壓機(jī)制。擬合了聲波時(shí)差和密度的關(guān)系，DT隨深度變化規(guī)律，并統(tǒng)計(jì)分析了實(shí)際鉆井工況，均證明該儲(chǔ)層屬于正常壓力狀態(tài)。

(2)基于Petrel軟件平臺(tái)，使用Kriging插值方法，通過(guò)地震三維層速度體來(lái)約束測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)的插值結(jié)果，得到灰礁巖儲(chǔ)層的三維層速度體，計(jì)算結(jié)果和一維測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)具有幾乎一致的變化規(guī)律。

(3)建立了印尼A油田礁灰?guī)r儲(chǔ)層的三維孔隙壓力分布規(guī)律，計(jì)算結(jié)果三維可視化。孔隙壓力主要集中在1.01～1.10 g/cm3，無(wú)異常高壓存在。和實(shí)測(cè)值的相對(duì)誤差在1%～4.9%的范圍內(nèi)。在橫向上，孔隙壓力顯示隨構(gòu)造面均勻變化的趨勢(shì)；在縱向上，BRF層位上部孔隙壓力稍大；孔隙壓力呈現(xiàn)出一定的非均質(zhì)性。