鮑一遙, 朱奕龍, 王曉龍,2*, 劉宇坤,2, 萬澤鑫, 趙森,張佳麗, 周文軒, 虞華標(biāo), 謝鴻翔

(1.長江大學(xué)油氣資源與勘探技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 武漢 430100; 2.長江大學(xué)非常規(guī)油氣湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心, 武漢 430100)

地層超壓作為油氣成藏過程時(shí)流體運(yùn)移的主要驅(qū)動(dòng)力,不僅影響非常規(guī)油氣“甜點(diǎn)”預(yù)測(cè),也是油氣田開發(fā)中所面臨的重要地質(zhì)問題[1-2]。地層超壓預(yù)測(cè)最早基于速度異常[1],此后學(xué)者們提出了一系列基于彈性參數(shù)的地層超壓預(yù)測(cè)方法:等效深度法[2]、Eberhart-Phillips法[3]和Bowers法[4]是基于Terzaghi有效應(yīng)用定理提出的經(jīng)驗(yàn)性方法,Eaton法[5]和DC指數(shù)法[6]根據(jù)超壓層段測(cè)井-鉆井響應(yīng)特征差異擬合壓力趨勢(shì)線得到經(jīng)驗(yàn)性公式,Fillippone法[7]則使用地震縱波速度計(jì)算地層壓力。隨著油氣勘探領(lǐng)域?qū)Τ瑝侯A(yù)測(cè)深度和精度的不斷提高,基于有效應(yīng)力定理的預(yù)測(cè)方法不斷完善并得到廣泛應(yīng)用[8-9]。碳酸鹽巖地層超壓預(yù)測(cè)是目前中外尚未得到解決的基礎(chǔ)性難題。碎屑巖地層具有明顯的超壓地球物理響應(yīng)關(guān)系,由此展開地層壓力預(yù)測(cè)建立經(jīng)驗(yàn)性公式[10],但這些經(jīng)驗(yàn)性方法在具有致密巖石骨架的碳酸鹽巖地層超壓預(yù)測(cè)中應(yīng)用效果較差。在碳酸鹽巖地層沉積過程中后生改造強(qiáng)烈,使其原始孔隙結(jié)構(gòu)特征改變顯著,碳酸鹽巖巖石成分和巖性是多重化學(xué)反應(yīng)疊加的結(jié)果[11],這種巖性和物性的多重非均質(zhì)性使得碳酸鹽巖地層超壓預(yù)測(cè)仍然是中外尚未解決的研究難題。針對(duì)碳酸鹽巖超壓預(yù)測(cè),基于彈性參數(shù)對(duì)超壓的響應(yīng)特征利用含流體巖石多孔介質(zhì)彈性理論(Boit理論)和廣義胡克定律,建立的基于孔隙壓力與巖石彈性參數(shù)定量關(guān)系的超壓預(yù)測(cè)理論模型[12]預(yù)測(cè)效果顯著。在進(jìn)行超壓碳酸鹽巖彈性參數(shù)響應(yīng)特征研究中,發(fā)現(xiàn)除了彈性參數(shù)對(duì)超壓具有明顯響應(yīng)特征以外,電性參數(shù)同樣對(duì)超壓具有響應(yīng)特征。而在中外針對(duì)超壓地層壓力預(yù)測(cè)模型中[13-16],電性參數(shù)極少被用到。

現(xiàn)避開對(duì)Boit系數(shù)獲取手段苛刻的Boit理論,從碳酸鹽巖超壓巖石物理模擬實(shí)驗(yàn)著手,探明不同圍壓與孔隙壓力作用下巖石電性參數(shù)的變化規(guī)律,探索不同孔隙壓力情況下碳酸鹽巖電性參數(shù)的變化規(guī)律,探討碳酸鹽巖超壓與電性參數(shù)的響應(yīng)關(guān)系,建立參數(shù)獲取相對(duì)簡單的,基于超壓碳酸鹽巖電性參數(shù)的地層超壓預(yù)測(cè)理論模型。以川東北地區(qū)典型碳酸鹽巖超壓鉆井為例,利用測(cè)井資料結(jié)合物理模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果,定量預(yù)測(cè)碳酸鹽巖地層的超壓,為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)利用三維地球物理資料進(jìn)行超壓預(yù)測(cè)奠定基礎(chǔ)。

1 物理模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果

1.1 樣品信息

選取普光毛壩地區(qū)超壓發(fā)育區(qū)典型深層碳酸鹽巖樣品若干,如表1所示;開展不同壓力條件下碳酸鹽巖樣品的電性參數(shù)和孔隙度變化特征測(cè)試如表2所示。通過HQ-Ⅱ型全直徑巖心切片機(jī)和HZM-Ⅱ型精密巖心磨平設(shè)備對(duì)巖心鉆取機(jī)鉆取的約為25 mm 和38 mm 小柱進(jìn)行加工處理,使其高徑比為1.5～2.0。巖樣制備和測(cè)試流程嚴(yán)格按照《巖石電阻率參數(shù)實(shí)驗(yàn)室測(cè)量及計(jì)算方法》(SY/T 5385-2007)和《覆壓下巖石孔隙度和滲透率測(cè)定方法》(SY/T 6385-2016)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。

表1 碳酸鹽巖樣品基本參數(shù)表(選取5個(gè)樣品)Table 1 Basic parameters of carbonate rock samples (5 samples selected)

表2 碳酸鹽巖樣品實(shí)驗(yàn)過程和實(shí)驗(yàn)條件Table 2 Carbonate rock sample experimental process and experimental conditions

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及測(cè)量過程

電性參數(shù)的測(cè)量主要用復(fù)電阻率參數(shù),復(fù)電阻率法(complex resistivity method,CR)是石油和天然氣勘探中的重要手段,對(duì)油氣勘探領(lǐng)域研究具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義和實(shí)用價(jià)值。復(fù)電阻率測(cè)量采用1260阻抗/增益-相位頻響分析儀,該設(shè)備具有10 μHz～32 MHz極寬的頻率范圍,在任何流體及固體上施加一個(gè)交變電壓均可有電流通過,從而測(cè)得阻抗值?；诹黧w或者固體內(nèi)在結(jié)構(gòu)等差異性,測(cè)得的阻抗值隨施加電壓頻率的變化而發(fā)生變化。AutoLab1000系統(tǒng)與1260阻抗分析儀相結(jié)合,可實(shí)現(xiàn)從低頻到高頻極寬范圍內(nèi)對(duì)樣品激發(fā)極化特性的觀測(cè)。

此次碳酸鹽巖巖石物理模擬實(shí)驗(yàn)采用多功能巖心分析系統(tǒng),是專門針對(duì)石油領(lǐng)域油藏地球物理研究而研發(fā)的設(shè)備,在模擬地層溫度和上覆巖層壓力條件下測(cè)試樣品的電性參數(shù)。模擬地層最大孔隙壓力可達(dá)65 MPa,圍壓最大可達(dá)70 MPa,溫度最高可達(dá)120 ℃,孔隙壓力加壓器可與不同的流體和氣體(如礦化水、油和氣等)相接,實(shí)現(xiàn)不同流體成因的加壓。

測(cè)試孔隙度主要運(yùn)用CMS-300孔滲聯(lián)測(cè)儀,該設(shè)備是在模擬地層覆壓條件下對(duì)樣品的孔隙度進(jìn)行測(cè)試。除了測(cè)量不同覆壓條件下孔隙度外,通過對(duì)比不同覆壓下孔隙度值,可以計(jì)算出巖石孔隙體積壓縮系數(shù),最高覆蓋壓力可達(dá)100 MPa以上,最大溫度達(dá)200 ℃。

實(shí)驗(yàn)開始前,將樣品置于100 ℃ 真空恒溫烘箱中烘干48 h,以使樣品達(dá)到干燥條件;將烘干后的樣品放置于室內(nèi)環(huán)境 24 h以上,消除水對(duì)巖石骨架的化學(xué)軟化作用[17]。將巖樣放入巖心夾持器中,通過增壓系統(tǒng)不斷改變孔壓和圍壓,記錄不同通電頻率下巖樣各項(xiàng)電性參數(shù)的變化。同時(shí)通過不斷改變上覆地層壓力變化來測(cè)量孔隙度隨壓力的變化特征,如圖1所示。

圖1 物理模擬實(shí)驗(yàn)流程圖Fig.1 Flow chart of physical simulation experiment

復(fù)電阻率測(cè)量條件為:固定圍壓為60 MPa,分別測(cè)量孔隙壓力為10、20、30、40、45、50 MPa時(shí)的電性參數(shù)值;固定孔壓為10 MPa,分別測(cè)量圍壓為20、30、40、50、60 MPa時(shí)的電性參數(shù)值。覆壓孔隙度測(cè)量條件為:固定圍壓為25 MPa時(shí),分別測(cè)量孔壓為5、10、15、20 MPa時(shí)的孔隙度,如表2所示。

1.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

本次研究結(jié)果是若干碳酸鹽巖樣品的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的一致結(jié)果,選取其中5塊樣品實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)做圖,如圖2～圖4所示,揭示物理模擬實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果,具體如下。

圖2 不同壓力條件下碳酸鹽巖樣品電性參數(shù)頻散特性曲線Fig.2 Dispersion characteristic curves of electrical parameters of carbonate rock samples under different pressures

在較寬頻帶范圍內(nèi)(0.1～10 000 Hz)樣品電性參數(shù)的測(cè)量結(jié)果表明:在不同孔隙壓力(圍壓保持60 MPa,孔壓從10 MPa增大至50 MPa。即PC60PP10～PC60PP50共5種壓力條件)條件下,復(fù)電阻率模值、電阻率(實(shí)部)、電抗率(虛部)、相位等表現(xiàn)出相似的變化特征,即復(fù)電阻率模值隨頻率的增大呈現(xiàn)減小趨勢(shì),減小的幅度逐漸降低;電阻率(實(shí)部)隨頻率增大也呈現(xiàn)減小趨勢(shì),減小幅度逐漸降低;隨著頻率的不斷增大,相位呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢(shì);電抗率(虛部)隨著頻率的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì),如圖2所示。同時(shí),在圍壓60 MPa時(shí),孔壓從10 MPa增大至50 MPa,電阻率呈現(xiàn)不斷減小趨勢(shì),如圖3所示。

圖3 巖樣在不同孔隙壓力(圍壓 60 MPa)條件下電阻率變化特征Fig.3 Characteristics of resistivity variation of rock samples under different pore pressures (confining pressure 60 MPa)

孔隙度對(duì)孔壓和圍壓響應(yīng)關(guān)系實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:在圍壓保持不變的條件下,孔隙度隨著孔隙壓力增加而增大;在孔壓保持不變的條件下,孔隙度隨著圍壓的增加而減小,如圖4所示。

圖4 碳酸鹽巖樣品在不同孔壓、圍壓條件下孔隙度變化特征Fig.4 Porosity variation characteristics of carbonate rock samples under different pore pressure and confining pressure

在模擬碳酸鹽巖地層的條件下,當(dāng)孔隙流體發(fā)育超壓時(shí),孔隙流體發(fā)生膨脹,巖石骨架受到壓縮,孔隙體積增加,巖石孔隙度增大,導(dǎo)致在圍壓不變情況下測(cè)得的孔隙度增大;同時(shí)孔隙度的增大導(dǎo)致巖石導(dǎo)電性變好,電阻率變小,如圖4所示。當(dāng)具有致密巖石骨架結(jié)構(gòu)的碳酸鹽巖發(fā)育超壓時(shí),孔隙流體膨脹引起的巖石骨架壓縮是碳酸鹽巖樣品孔隙體積(孔隙度)的增大和電性特征發(fā)生變化的根本原因,孔隙體積(孔隙度)的增大和巖樣電性參數(shù)變化與孔隙流體膨脹程度(孔隙壓力)之間存在一定的相關(guān)性。因此,孔隙體積(孔隙度)的變化量和巖樣電性參數(shù)可以作為孔隙流體壓力的響應(yīng)參數(shù)。

2 電性參數(shù)對(duì)超壓響應(yīng)特征的超壓預(yù)測(cè)模型

基于物理模擬實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果,從理論層面分析碳酸鹽巖超壓發(fā)育與電阻率的響應(yīng)關(guān)系,并建立電性參數(shù)相關(guān)的碳酸鹽巖超壓預(yù)測(cè)模型。

將碳酸鹽巖地層等效為水平層狀介質(zhì),假設(shè)巖石孔隙被地層水飽和充填,巖層骨架均勻分布并且與電流的流向方向一致,可將常壓條件下巖石的導(dǎo)電模型等效為巖石骨架(Rma)和常壓條件下孔隙流體(Rφ0)2個(gè)電阻的并聯(lián)電路模型,如圖5所示,常壓條件下巖石的總電阻用并聯(lián)電阻的計(jì)算公式為

圖5 超壓發(fā)育與電阻率變化的關(guān)系模型Fig.5 Relationship model between overpressure development and resistivity variation

(1)

式(1)中:RP0為常壓巖心總電阻;Rma為骨架電阻;Rφ0為孔隙流體電阻。

巖石骨架幾乎不導(dǎo)電,所以骨架電阻Rma→∞,進(jìn)一步推得

RP0=Rφ0

(2)

當(dāng)碳酸鹽巖地層從常壓狀態(tài)發(fā)育超壓時(shí),孔隙流體膨脹導(dǎo)致孔隙度增大,孔隙度從常壓條件下的φ0增加,即

φp=φ0+Δφ

(3)

式(3)中:φ0為常壓條件下孔隙度;φp為超壓條件下孔隙度;Δφ為孔隙度增大值。

流體中的導(dǎo)電離子運(yùn)動(dòng)通道變大,導(dǎo)電離子更容易產(chǎn)生運(yùn)移,巖石的導(dǎo)電性變強(qiáng),總電阻變小。此時(shí),超壓條件下巖石的導(dǎo)電模型等效為巖石骨架(R′ma)、常壓條件下孔隙流體(Rφ0)和超壓條件下相對(duì)于常壓時(shí)孔隙增量中的流體(RΔφ)3個(gè)電阻的并聯(lián)電路模型,如圖5所示,即超壓條件下巖石的總電阻用并聯(lián)電阻的計(jì)算公式為

(4)

式(4)中:RP為超壓條件下巖石總電阻;R′ma為骨架電阻;Rφ0為常壓孔隙流體電阻;RΔφ為超壓條件下相對(duì)于常壓時(shí)孔隙增量中的流體電阻。

由于骨架電阻R′ma→∞,進(jìn)一步化簡式(4)得到超壓條件下巖石的總電阻RP為

(5)

從常壓條件到發(fā)育超壓,孔隙度從常壓條件下的φ0增加到了φp=φ0+Δφ,流體導(dǎo)電離子通道增大,巖石導(dǎo)電性變好,總電阻變小。由于電阻大小與導(dǎo)電橫截面積成反比,因此總電阻變小的幅度與導(dǎo)電離子通道改變量呈相關(guān)性,而超壓巖石導(dǎo)電離子通道改變量與孔隙度的增量Δφ成正比。由廣義胡克定律可知,超壓條件下相對(duì)于常壓時(shí)孔隙的增量與孔隙流體壓力的增量呈正相關(guān)性,因此可用超壓條件下電性參數(shù)偏離常壓條件下電性參數(shù)的程度來預(yù)測(cè)超壓的強(qiáng)度。結(jié)合式(2)和式(5)從常壓條件到超壓發(fā)育時(shí)巖石總電阻的減小量ΔR為

(6)

式(6)中:Rφ0為常壓孔隙流體電阻;RΔφ為常壓條件到發(fā)育超壓時(shí)孔隙增量中的流體電阻。

隨著巖石孔隙度的增加,巖石導(dǎo)電性會(huì)變好,巖石電阻不斷下降,當(dāng)孔隙度增加到一定程度時(shí),巖石電阻將會(huì)突然快速下降到與地層水的電阻相同[18],定義電阻快速下降時(shí)的孔隙度為孔隙度閾值[19]。在巖石孔隙度小于孔隙度閥值時(shí),孔隙度改變量與巖石電阻改變量之間存在線性關(guān)系[20]。由于本次研究為孔隙型碳酸鹽巖地層,孔隙度普遍小于孔隙度閾值。因此,本次研究中巖石電阻的減小量與孔隙度的增加量呈線性關(guān)系,即

RΔφ=aΔφ+b

(7)

式(7)中:Δφ為超壓發(fā)育時(shí)相關(guān)對(duì)于常壓條件下孔隙度的增加量;a和b為巖石性質(zhì)相關(guān)的系數(shù)。

將式(7)代入式(6),得到巖石從常壓條件到超壓發(fā)育時(shí),總電阻的減小量ΔR與巖石孔隙度增加量的關(guān)系,即

(8)

根據(jù)廣義胡克定律,孔隙流體體積模量與孔隙度增加量的關(guān)系[21]為

(9)

式(9)中:Kf為孔隙流體的體積模量;ΔP為超壓條件下相對(duì)于常壓時(shí)流體壓力的增加量。

ΔP=PP-P0

(10)

將式(9)代入式(8),得

(11)

式(10)代入式(11)中,考慮地應(yīng)力的影響,得基于電性參數(shù)的碳酸鹽巖超壓預(yù)測(cè)模型為

(12)

式(12)中:Kf為孔隙流體體積模量;Rφ0常壓狀態(tài)孔隙流體電阻;ΔR為常壓條件到發(fā)育超壓時(shí)巖石電阻的減小量;P0為常壓條件下孔隙流體壓力;PP為超壓發(fā)育時(shí)孔隙流體壓力;M為與地質(zhì)應(yīng)力相關(guān)的校正項(xiàng)。

碳酸鹽巖超壓預(yù)測(cè)模型[式(12)]包括的主要參數(shù)有常壓條件下地層電阻Rφ0,發(fā)育超壓時(shí)相對(duì)于常壓地層巖石電阻的減小量ΔR,常壓條件下地層壓力ΔR,巖石性質(zhì)相關(guān)的系數(shù)a與b,孔隙流體體積模量Kf,地質(zhì)應(yīng)力相關(guān)的校正項(xiàng)M。

在進(jìn)行單井地層壓力預(yù)測(cè)時(shí),常壓條件下地層電阻Rφ0可通過常壓地層的電阻率測(cè)井曲線計(jì)算得到;發(fā)育超壓時(shí)相對(duì)于常壓地層巖石電阻的減小量ΔR可通過超壓地層電阻率測(cè)井曲線相對(duì)于常壓地層電阻率測(cè)井曲線的偏離程度計(jì)算得到;常壓條件下地層壓力P0可通過地層水密度和深度計(jì)算獲得;孔隙流體體積模量Kf與孔隙流體成分相關(guān),一般為定值;巖石性質(zhì)相關(guān)的系數(shù)a與b和地質(zhì)應(yīng)力相關(guān)的校正項(xiàng)M可通過實(shí)測(cè)地層壓力和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)求取獲得。

利用碳酸鹽巖超壓與電性參數(shù)明顯的響應(yīng)關(guān)系,建立了基于電性參數(shù)超壓響應(yīng)特征的地層超壓預(yù)測(cè)模型。

3 碳酸鹽巖超壓預(yù)測(cè)模型應(yīng)用實(shí)例

優(yōu)選川東北普光-毛壩地區(qū)超壓碳酸鹽巖地層為試驗(yàn)區(qū),運(yùn)用上述超壓預(yù)測(cè)模型開展實(shí)例研究。川東北地區(qū)位于四川盆地上揚(yáng)子地臺(tái),為多構(gòu)造疊合部位,現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)普光氣田和毛壩含氣構(gòu)造帶。鉆井鉆桿實(shí)測(cè)壓力數(shù)據(jù)顯示研究區(qū)西北部和南部嘉陵江組、飛仙關(guān)組、長興組、龍?zhí)督M、茅口組、梁山組等都發(fā)育超壓,壓力系數(shù)分布在1.2～2.0。研究區(qū)東部和東南部壓力系數(shù)在0.9～1.1,為常壓區(qū)或者弱超壓區(qū),如圖6所示。

圖6 鉆井實(shí)測(cè)單井壓力系數(shù)與超壓分布預(yù)測(cè)圖Fig.6 Well measured single well pressure coefficient and overpressure distribution prediction diagram

優(yōu)選典型發(fā)育超壓的毛壩1井,利用式(12)對(duì)單井流體孔隙壓力進(jìn)行預(yù)測(cè)。單井壓力預(yù)測(cè)結(jié)果表明雷口坡組頂部碳酸鹽巖發(fā)育弱超壓,壓力主要分布在30～40 MPa,壓力系數(shù)在1.2～1.4。嘉陵江組碳酸鹽巖發(fā)育3個(gè)壓力封存箱,3 500 m左右時(shí),壓力主要分布在30～50 MPa,壓力系數(shù)在1.2～1.4,屬于弱超壓;在4 200 m左右時(shí),壓力主要分布在40～60 MPa,壓力系數(shù)在1.2～1.4;嘉陵江組底部發(fā)育超壓,壓力主要分布在50～70 MPa,壓力系數(shù)主要分布在1.6～2.0,屬于強(qiáng)超壓;飛仙關(guān)組碳酸鹽巖普遍發(fā)育超壓,壓力主要分布在40～80 MPa,壓力系數(shù)在1.2～2.0?；谔妓猁}巖超壓預(yù)測(cè)模型計(jì)算的壓力預(yù)測(cè)結(jié)果與鉆井泥漿密度和實(shí)測(cè)壓力吻合較好,如圖7所示。

圖7 毛壩1井碳酸鹽巖層段利用超壓預(yù)測(cè)模型計(jì)算單井壓力結(jié)果Fig.7 Single well pressure results calculated by overpressure prediction model for carbonate intervals in well Maoba 1

4 結(jié)論

通過巖石物理模擬實(shí)驗(yàn),利用碳酸鹽巖超壓與電性參數(shù)明顯的響應(yīng)關(guān)系,建立了基于電性參數(shù)超壓響應(yīng)特征的地層超壓預(yù)測(cè)模型。并在川東北典型地區(qū)對(duì)碳酸鹽巖超壓預(yù)測(cè)模型進(jìn)行了驗(yàn)證,取得較好應(yīng)用效果,得到如下結(jié)論。

電性參數(shù)對(duì)碳酸鹽巖超壓具有明顯響應(yīng)特征。圍壓不變時(shí),隨著孔隙壓力的增加,巖樣孔隙流體發(fā)生膨脹致使巖石骨架受到壓縮,孔隙體積增加,巖石孔隙度增大;導(dǎo)致導(dǎo)電離子通過巖石的通道增大,導(dǎo)電離子更易通過巖石,導(dǎo)電性變好,電阻率變小;孔隙流體壓力增量、孔隙度增量和電性參數(shù)變化量存在明顯相關(guān)性,這是電性參數(shù)對(duì)超壓具有明顯響應(yīng)特征的關(guān)鍵,為建立超壓與電性參數(shù)關(guān)系模型奠定基礎(chǔ)。

建立了基于電性參數(shù)的碳酸鹽巖超壓預(yù)測(cè)模型并在川東北典型地區(qū)的實(shí)例應(yīng)用表明預(yù)測(cè)壓力結(jié)果與實(shí)測(cè)壓力一致。該超壓預(yù)測(cè)模型可以應(yīng)用類似地區(qū)碳酸鹽巖地層的超壓預(yù)測(cè)工作,具有一定的推廣性。未來可進(jìn)一步研究利用地震資料與電性參數(shù)的相關(guān)性,實(shí)現(xiàn)三維區(qū)域碳酸鹽巖地層鉆前超壓預(yù)測(cè)。