地球物理学进展  2015, Vol. 30 Issue (2): 695-699   PDF    
引用本文
王斌, 雍学善, 潘建国, 尹路, 许多年, 孔旭, 瞿建华, 谭开俊, 黄玉. 2015. 低渗透储层孔隙流体压力预测方法及应用[J]. 地球物理学进展, 30(2): 695-699, doi: 10.6038/pg20150229  
WANG Bin, YONG Xue-shan, PAN Jian-guo, YIN Lu, XU Duo-nian, KONG Xu, QU Jian-hua, TAN Kai-jun, HUANG Yu. 2015. A new method to predecit pore pressure in low permeability reservoirs and its application. Progress in Geophysics, 30(2): 695-699, doi: 10.6038/pg20150229   
低渗透储层孔隙流体压力预测方法及应用
王斌1, 雍学善1, 潘建国1, 尹路1, 许多年1, 孔旭1, 瞿建华2, 谭开俊1, 黄玉1    
1. 中国石油勘探开发研究院西北分院, 兰州 730020;
2. 中国石油新疆油田分公司勘探开发研究院, 克拉玛依 834000
收稿日期: 2014-07-11 修回日期: 2014-10-10 .
基金项目：国家重大专项专题“天然气复杂储层预测与烃类检测地球物理技术研究和应用”(2011ZX05007-006)资助.
作者简介：王斌,男,1985年生,甘肃省会宁县人,硕士研究生,工程师,主要从事测井技术与沉积储层研究.(E-mail:wangbin_xds@petrochina.com.cn)
摘要：在非常规储层的勘探开发历程中, 人们逐渐意识到当非常规储层中具有异常高的孔隙流体压力时有利于油气的保存和获得较高的单井产能, 为了在非常规储层中寻找高效井、高产井, 对孔隙流体压力进行定量的预测是十分有必要的.目前预测孔隙流体压力的方法主要是利用了在异常高压地层中具有低纵波速度的特性, 但由于异常高压不是唯一引起纵波速度降低的原因, 所以利用现有方法预测孔隙流体压力存在一定的误差.近年来随着地震勘探技术的进步, 很多学者利用岩石物理实验证实孔隙流体压力与横波速度之间也有很密切的关系, 因此我们从杨氏模量的定义出发结合波动方程推导了有效应力与纵、横波速度以及密度之间的关系, 并引入多孔介质中的有效应力定理开发出了一种新的方法来计算非常规储层中的孔隙流体压力.利用该方法在准噶尔盆地低渗透储层的油气勘探中取得了良好的应用效果.
关键词： 横波速度     低渗透储层     孔隙流体压力     有效应力     异常压力    
A new method to predecit pore pressure in low permeability reservoirs and its application
WANG Bin1, YONG Xue-shan1, PAN Jian-guo1, YIN Lu1, XU Duo-nian1, KONG Xu1, QU Jian-hua2, TAN Kai-jun1, HUANG Yu1    
1. Northwest Branch of Research Institute of Petroleum Exploration & Development, CNPC, Lanzhou 730020, China;
2. Research Institute of Exploration and Development, Xinjiang Oilfield Company, Petrochina, Karamay 834000, China
Abstract: In the course of unconventional reservoir exploration and development, people gradually realize that when the unconventional reservoir with abnormal high pore pressure is conducive to the preservation of oil and gas and obtain higher productivity of single well. So it is necessary to make quantitative predictions of pore pressure in order to find efficient wells, and high-yield wells. The existing prediction methods of pore pressure is the main use of the characteristics with low P-wave velocity in abnormal high pressure formation, but because of abnormal high pressure is not the only cause of P-wave velocity decreased, so the use of existing method in the prediction of pore pressure there exist certain errors. In recent years with the development of seismic exploration technology, many scholars using rock physics experiments confirmed that there is a close relationship between pore pressure and S-wave velocity, so we are starting from the definition of Young's modulus of the wave equation with the effective stress and the relationship between P-wave velocity, S-wave velocity and density, and introduce effective the porous medium theorem of development should be a new method to calculate pore pressure in reservoir. The method obtains a good application effect in low permeability reservoirs in Junggar basin oil and gas exploration.
Key words: S-wave velocity     low permeability reservoirs     pore pressure     effective stress     abnomal pressure    
 0 引 言

近年来，伴随理论认识的深化和勘探开发技术的进步，全球非常规油气勘探开发取得了一系列重大突破.非常规油气产量快速增长，在全球能源供应中的地位日益凸显(邹才能等，2011).在非常规油气勘探开发的过程中，人们逐渐认识到异常高压不仅有利于油气的保存，而且地下孔隙流体压力的高低与油气层的产能有关，压力越高，总体产能一般越大.当压力很小时，不仅产能低，而且开采过程中还要施加一定外力，对于非常规储层的增储上产而言，希望地层有更高的孔隙流体压力.而在钻井过程中突发性的井喷事故就是因为地下地层发育高压且钻井泥浆柱的压力小于孔隙流体压力所致(刘震，1997).因此，为了高效安全的钻遇异常高压的非常规储层，在很大程度上依赖于钻前精确预测孔隙流体压力.

自Pennebaker发表论文以来，许多学者研究了地震压力预测方法，使得利用地震资料预测孔隙流体压力取得了显著的进展(Pennebaker，1968).特别是1986年Han等人结合岩石物理实验通过引入Terzaghi有效应力定理预测孔隙流体压力促使孔隙流体压力预测技术取得了很大的进步(Terzaghi，1943；Han et al., 1986；Eberhart-Phillips et al., 1989).但受制于地震资料的限制，早期学者主要利用纵波速度与孔隙流体压力之间的关系来预测孔隙流体压力(邵新军等，2000；刘振峰等，2003；薛冈等，2004；罗晓容等，2004；张卫华等，2005；刘爱群等，2012).进入21世纪以来，我国学者马中高、夏宏泉和冯福平等人(夏宏泉等，2005；马中高等，2006；冯福平等，2009)分别在松辽盆地和四川盆地结合岩石物理实验建立各自研究区内孔隙流体压力和纵、横波速度以及密度之间的经验公式，通过横波速度的引入提高了钻前预测孔隙流体压力的精度.

1 非常规储层孔隙流体压力计算模型

地下地层岩石中任何一点垂向上都存在三个压力，即上覆岩层压力(Pov)，孔隙流体压力(Pf)和骨架有效应力(σ).Terzaghi方程是描述Pov、Pf和σ之间的经典方程，目前在地质、石油科学领域被广泛使用.然而由于Terzaghi方程是在相对疏松的介质中建立的方程存在一定的假设条件，我国学者李传亮等人认为Terzaghi方程没有引入反映多孔介质特性的重要参数孔隙度Φ，因而是不妥当的(李传亮等，1998).鉴于方程存在的问题，两位教授通过深入研究，重新建立了双相介质静力平衡方程

式中：Pov表示上覆岩层压力，MPa；Pf表示孔隙流体压力，MPa；σ表示骨架有效应力，MPa；Φ表示地层孔隙度，%.

2 计算上覆岩层压力的方法

全世界各沉积盆地的资料表明，上覆岩层压力与埋深呈正比，直线相关性极强.实际上，上覆岩层压力就是上覆地层平均密度与岩层深度的乘积，即

式中：Pov表示上覆地层压力，MPa；g表示重力加速度，N/kg；ρ表示上覆地层平均密度，g/cm3；h表示地层深度，m.

3 计算有效应力的方法

下面从虎克定律和杨氏模量的定义出发推导有效应力与岩石速度之间的理论关系.首先由虎克定律可得

式中：E为杨氏模量，MPa；σ为有效应力，MPa；ε为弹性应变.根据岩石物理实验，杨氏模量与拉梅系数、剪切模量之间的关系为

p>将(3)式和(4)式合并并考虑到地层在沉积压实的过程中，弹性应变主要为垂向上厚度的变化，因此假定ε=ΔH/H，可得

又因为：

将(6)式代入(5)式，建立有效应力与纵横波速度之间的关系

4 非常规储层孔隙流体压力计算方法

将(1)式变形可推导得

再将(2)式和(7)式带入(8)式中，即可得到非常规储层孔隙流体压力预测的方法公式

5 应用实例

准噶尔盆地孔隙流体压力分布复杂，长期以来由于孔隙流体压力预测不准，在钻井过程中常出现井壁失稳、卡钻、井壁坍塌、钻井液漏失等工程事故，严重影响了钻井速度.为减少工程复杂问题，准确预测孔隙流体压力至关重要(帕尔哈提等，2009).准噶尔盆地环玛湖斜坡区已发现了多个油气藏，其中三叠系百口泉组主要为扇三角洲平原和扇三角洲前缘沉积，岩性以杂色、褐色和灰绿色砂砾岩为主.储层物性差，甜点储层平均孔隙度为8%，渗透率为0.1~1 mD为典型的低孔低渗储层.

利用新方法在准噶尔盆地M131井区开展了方法的攻 关试验，建立了如图 1所示的流程图.主要利用纵、横波时差和叠前资料通过反演预测了M131井区孔隙流体压力的分布特征.

图 1 孔隙流体压力预测流程图Fig. 1 Predicting pore pressure flow chart

M131井区是准噶尔盆地近年来的勘探热点区域，工区内资料较丰富，有利于开展方法的试验.本次攻关首先在工区内开展三参数叠前同步反演，同时获得纵波速度、横波速度和密度数据体.如图 2、3、4分别为M131井区三叠系百口泉组二段(T1b2)的纵波速度层间切片、横波速度层间切片和密度层间切片.

在储层成因分析的基础上，采用“相带-河道-物性”逐级控制的新思路，预测“甜点”储层的分布.首先，利用全局自动地震层序地层解释技术得到等时的地质界面，恢复沉积期古地貌，精细刻画相带边界；然后，采用基于模型正演的地震属性定量分析技术，预测主河道砂体的展布范围；最后，在CRP道集优化处理的基础上，利用叠前弹性参数反演技术，预测储层物性的分布范围.利用核磁孔隙度测井资料，通过岩石物理参数交会分析，认为近角度弹性阻抗与孔隙度相关性好，可以很好地识别“甜点”的储层.在叠前CRP道集优化处理的基础上，充分利用振幅随偏移距变化的信息，以纵、横波速度、密度等测井资料为约束，联合反演出与地下岩层信息相关的多种弹性参数，进而进行储层物性的预测.如图 5所示为M131井区T1b2的孔隙度层间切片.图中红黄色区域为孔隙度大于8.5%的区域，与钻井吻合率为85%.

图 5 孔隙度层间切片Fig. 5 The slicing of porosity

将利用叠前反演得到的纵、横波速度和密度以及“甜点”预测最终得到的孔隙度代入公式(9)中，通过数据体之间的计算，最终得到研究区孔隙流体压力预测数据体.M2井为研究区内的一口探井，该井在钻遇目的层三叠系百口泉组(T1b)时DC指数偏离趋势线，为异常高压，对该井分别利用Terzaghi模型和双相介质模型进行孔隙流体压力预测.M2井钻井实测3593~3627.5 m，孔隙流体压力为62.6 MPa，利用Terzaghi方程计算的孔隙流体压力为56.03 MPa，而用双相介质模型计算的孔隙流体压力为61.51 MPa，如图 6所示.图中深红色和浅蓝色数据点分别代表上覆岩层压力和静水压力，红色三角数据点和绿色椭圆型数据点分别代表利用双相介质模型和Terzaghi模型计算得到的孔隙流体压力，从图中可知在埋深2600 m以下利用两种方法计算的孔隙流体压力均偏离静水压力趋势线，但双相介质模型计算的结果更接近实测压力值，精度更高.

图 6 不同方法计算的M2井孔隙流体压力剖面Fig. 6 The pore pressure profile of well M2 calculated with different methods

利用压力预测的结果结合研究区的地质认识，明确了环玛湖斜坡区异常高压的成因为封闭条件下的晚期高熟油气的充注作用.图 7为目标层T1b2的压力预测结果，利用该方法预测了M131井区发育81 km2的压力系数大于1.25的异常高压分布区，为M131井区针对低渗透储层的井位部署和有利钻探目标优选提供了有利的技术支撑.

图 7 M131井区孔隙流体压力系数平面图Fig. 7 The plan of pore pressure coefficient in M131 well area
6 结论与认识 6.1      通过引入双相介质静力平衡方程优化了孔隙流体压力预测的数理基础，并且明确了方程中参数的物理意义.

6.2     本文从杨氏模量的定义出发结合波动方程推导了有效应力与纵、横波速度以及密度之间的关系，开发了一种新的计算有效应力的方法.该方法提高了孔隙流体压力预测的精度.

6.3      将该方法应用于M131井区低孔低渗储层的孔隙流体压力预测中，预测结果与地质规律吻合较好，取得了较好的应用效果.

致 谢 感谢中国石油勘探开发研究院西北分院滕团余高工和中国石油新疆油田分公司勘探开发研究院勘探所唐勇所长对本次研究的指导.
参考文献
[1] Eberhart-Phillips D, Han D H, Zoback M D. 1989. Empirical relationships among seismic velocity, effective pressure, porosity, and clay content in sandstone[J]. Geophysics, 54(1): 82-89.
[2] Fen F P, Li Z B, Liu X M. 2009. Lithomechanics-based logging prediction of stratum pressure[J]. Petroleum Geology and Engineering (in Chinese), 23(3): 101-103.
[3] Han D H, Nur A, Morgan F D. 1986. Effects of porosity and clay content on wave velocities in sandstones[J]. Geophysics, 51(11): 2093-2107.
[4] Li C L, Kong X Y, Xu X Z, et al. 1998. Double effective stresses of porous media[J]. Chinese Journal of Nature (in Chinese), 21(5): 288-292.
[5] Liu A Q, Chen D Y, Ou Z N, et al. 2012. Seismic imaging of complex fault block key technology fields[J]. Progress in Geophysics (in Chinese), 27(2): 634-641, doi: 10.6038/j.issn.1004-2903.2012.02.028.
[6] Liu Z. 1997. Reservoir Seismic Stratigraphy (in Chinese) [M]. Beijing: Geological Publishing House.
[7] Liu Z F, Hao T Y, Wang F, et al. 2003. Research progress on the application of seismic data in sequence stratigraphy[J]. Progress in Geophysics (in Chinese), 18(1): 24-29.
[8] Luo X R. 2004. Quantitative analysis on overpressuring mechanism resulted from tectonic stress[J]. Chinese J. Geophys. (in Chinese), 47(6): 1086-1093.
[9] Ma Z G, Wu X Y, Wang Z H. 2006. Effect of effective pressure on compressional and shear wave velocities[J]. Progress in Exploration Geophysics (in Chinese), 29(3): 183-186.
[10] Pa E H T, Lei D W, Shao Y. 2009. Research and application of the formation pressure prediction method to complex regions in the Junggar basin[J]. Progress in Geophysics (in Chinese), 24(4): 1377-1383, doi: 10.3969/j.issn.1004-2903.2009.04.027.
[11] Pennebaker E S. 1968. Seismic data indicate depth, magnitude of abnormal pressures[J]. World Oil, : 73-77.
[12] Shao X J, Xu Y, Lv Z F, et al. 2000. A discussion about the methods for predicting pore pressure[J]. Petroleum Exploration and Development (in Chinese), 27(3): 100-102.
[13] Terzaghi K. 1943. Theoretical Soil Mechanics[M]. New York: John Wiley and Sons, Inc.
[14] Xia H Q, You X B, Lin Z, et al. 2005. Logging calculation for pore pressure on carbonate rock formation based on effectiveness stress method[J]. Drilling & Production Technology (in Chinese), 28(3): 28-30.
[15] Xue G, Guan L P, Wang L S, et al. 2004. The technology for detection of overpressured zones in formations: an example from the tongnanba fold-belt, Sichuan basin, China[J]. Progress in Geophysics (in Chinese), 19(3): 645-651.
[16] Zhang W H, He S, Guo Q S. 2005. The methods and headway for pressure prediction[J]. Progress in Geophysics (in Chinese), 20(3): 814-817.
[17] Zou C L, Tao S Z, Hou L H, et al. 2011. Unconventional Petroleum Geology (in Chinese) [M]. Beijing: Geological Publishing House.
[18] 冯福平, 李召兵, 刘小明. 2009. 基于岩石力学理论的测井地层压力预测[J]. 石油地质与工程, 23(3): 101-103.
[19] 李传亮, 孔祥言, 徐献芝,等. 1998. 多孔介质的双重有效应力[J]. 自然杂志, 21(5): 288-292.
[20] 刘爱群, 陈殿远, 欧振能. 2012. 琼东南盆地崖南区少井岩性建模技术研究[J]. 地球物理学进展, 27(2): 0634-0641, doi: 10.6038/j.issn.1004-2903.2012.02.028.
[21] 刘震. 1997. 储层地震地层学[M]. 北京: 地质出版社.
[22] 刘振峰, 郝天珧, 王峰,等. 2003. 地震资料在层序地层学中的应用进展[J]. 地球物理学进展, 18(1): 24-29.
[23] 罗晓容. 2004. 构造应力超压机制的定量分析[J]. 地球物理学报, 47(6): 1086-1093.
[24] 马中高, 伍向阳, 王中海. 2006. 有效压力对岩石纵横波速度的影响[J]. 勘探地球物理进展, 29(3): 183-186.
[25] 帕尔哈提, 雷德文, 邵雨. 2009. 准噶尔盆地复杂地区地层压力预测方法研究及应用[J]. 地球物理学进展, 24(4): 1377-1383, doi: 10.3969/j.issn.1004-2903.2009.04.027.
[26] 邵新军, 许昀, 吕中锋,等. 2000. 地层流体压力预测方法的讨论[J]. 石油勘探与开发, 27(3): 100-102.
[27] 夏宏泉, 游晓波, 凌忠,等. 2005. 基于有效应力法的碳酸盐岩地层孔隙压力测井计算[J]. 钻采工艺, 28(3): 28-30
[28] 薛冈, 管路平, 王良书,等. 2004. 盆地超压地层识别方法——以四川盆地通南巴构造带为例[J]. 地球物理学进展, 19(3): 645-651.
[29] 张卫华, 何生, 郭全仕. 2005. 地震资料预测压力方法和展望[J]. 地球物理学进展, 20(3): 814-817.
[30] 邹才能, 陶士振, 侯连华,等. 2011. 非常规油气地质[M]. 北京: 地质出版社.