長沙嶺構造帶三維地層壓力計算方法及分布規律

葉 志 樊洪海 張國斌,2 唐守寶

（1.中國石油大學石油工程教育部重點實驗室，北京 102249；2.中國石油西部鉆探工程公司，新疆烏魯木齊 830000）

超壓分布研究是油氣運移成藏研究的重要內容之一，也是鉆井工程設計與施工的重要依據，在油氣勘探開發中的意義日益突出［1-2］。營爾凹陷長沙嶺構造帶是玉門油田酒東盆地地質勘探的重要地區，已發現良好的高產工業油氣流。但是構造帶內異常高壓十分發育，特別是在白堊系赤金堡組地層中存在壓力系數達到2.0左右的超高壓鹽水層，這給該地區的石油鉆探工作造成了很大困難。長3井等幾口重點探井的鉆探過程表明，當鉆遇高壓地層時鉆井復雜事故頻發，鉆井成本明顯增加。因此研究構造帶內地層壓力分布特征，從三維角度對地層壓力進行空間描述，不但可以預測有利的含油氣層段，還可以節約鉆井成本，提高鉆井效率。

1 重點探井單井地層壓力分析

長沙嶺構造帶位于酒東盆地營爾凹陷中南部，為一向東傾伏的大型古隆起鼻狀構造，面積約44.2 km2，構造帶內發育了白堊系下溝組和赤金堡組兩套成藏組合［3］。構造帶內異常地層壓力發育，目前已經完鉆多口探井，有必要對重點探井的單井地層壓力進行系統分析，獲得縱向壓力分布特征。并且確定合適的壓力計算模型參數，為三維地層壓力分析打下基礎。選擇了長2井、長3井、長4井、長7井等4口重點探井進行單井壓力分析。本構造帶自上而下所揭露的地層依次為新生界第四系、新近系、古近系、中生界白堊系。其中長2井、長3井、長4井在白堊系赤金堡組完鉆，長7井在白堊系下溝組完鉆，完鉆井平均井深4 797 m。

聲波資料檢測地層壓力是最常用的地層壓力評價方法，文中采用了聲速檢測泥頁巖異常高壓的簡易方法來計算和分析4口探井的地層壓力。簡易方法的特點是從泥頁巖壓實規律出發，建立了一種聲波速度和有效應力的線性—指數函數關系，針對泥頁巖欠壓實超壓情況計算精度較高。在利用聲波速度資料求出有效應力后，即可借有效應力定理計算地層壓力［4-5］。

式中，V為聲波速度；σ為垂直有效應力；a、k、b、d為簡易方法模型系數；po為上覆巖層壓力；pp為地層壓力。

圖1為用簡易方法得到的長2井地層壓力剖面，通過單井壓力檢測曲線與鉆井液密度曲線以及實測壓力的對比可知，長2井地層壓力檢測結果比較合理。

圖1 長2井單井地層壓力剖面

長2井于2001年6月完鉆，完鉆井深4 700 m。2 900 m井段之前屬于正常壓力。2 900～3 422 m井段的白楊河組、柳溝莊組以及中溝組上段平均壓力系數1.1～1.28，屬于壓力過渡帶。3 422～3 864 m井段的中溝組下段以及下溝組中上段壓力系數1.35～1.52。4 000 m之后的赤金堡組壓力系數1.79～1.95，屬于超高壓。長3井于2005年年底完鉆，完鉆井深5 050 m。該井出現良好的工業油氣流顯示，4 650～4 866 m井段日產油49 m3、天然氣1萬m3。二開鉆至井深4 278 m時揭開了高壓鹽水層，對應的壓力系數在1.4左右。鉆至赤金堡組地層平均壓力系數達到了1.89。長4井于2007年2月完鉆，完鉆井深5 493 m。長4井進入中溝組后地層壓力系數開始逐漸偏高，4 120 m對應地層壓力系數為1.42。進入赤金堡組地層5 200 m對應地層壓力系數為1.67。長7井于2008年8月完鉆，完鉆井深3 945 m，3 844 m后進入高壓層，平均壓力系數在1.45左右。

從4口已鉆井的鉆進過程和壓力剖面等數據來看，各井在鉆探過程中都遇到不同程度的高壓地層。受到異常地層壓力的影響，鉆井復雜事故頻發，鉆井作業的非生產時間被極大延長，4口井平均純鉆井周期達到了224 d，耗費了巨大的鉆井成本。因此展開長沙嶺構造帶三維地層壓力計算方法研究，有助于在鉆前獲得詳細的地層壓力空間分布信息，進行合理的鉆井設計與施工。

2 長沙嶺構造帶三維地層壓力計算

2.1 三維地層壓力計算方法

近年來隨著叢式井、水平井和大位移井技術的快速發展，單純的一維壓力評價已經很難滿足工程需要，從三維角度研究地層壓力分布規律更符合工程要求。在以往的地層壓力計算方法中，獲得的結果通常是幾個離散的壓力點或者一條壓力曲線，這些壓力數據通常不能滿足鉆井工程設計及區域地層壓力場的研究。為此提出了一種基于單點計算模型的三維地層壓力計算方法，能夠利用三維層速度數據精確計算三維地層壓力。

地震數據是以地震道為單位進行組織的，通常采用SEG-Y文件格式進行存儲。經過地震資料反演得到的三維層速度數據也是以道為單位組織的，每道上有若干層速度數據點，并且數據點間的采樣間隔一致。在層速度計算地層孔隙壓力時，假設層速度和地層壓力之間為簡單的一一映射關系。即一個層速度點對應一個地層壓力點，速度高算出的地層地層壓力低，速度低算出的地層壓力高，不考慮其他影響層速度的因素以及上下地層間的邏輯關系。在這種假設條件下可以把每一地震道看作是一口虛擬井，可以采用類似于單井聲波測井資料檢測地層壓力的方法逐道逐點計算地層壓力［6-7］。

假設對如下圖所示的區塊進行地震勘探，該區塊上已有若干已鉆井，分別位于井位A、B、C、D，現在要求計算整個區塊的三維地層壓力。在實際計算時，首先利用已鉆井的測井資料，建立4口已鉆井的地層壓力剖面，并分層確定相應的壓力模型參數。在逐道計算地層壓力時，首先確定該道（目標道）的地理坐標，然后通過空間插值計算，從鄰近已鉆井的分層數據可大致對該道在垂直方向上進行層位劃分。同樣可以根據已鉆井的分層模型參數通過空間插值確定目標道的分層模型系數。最后利用該道的層速度數據，結合由空間插值獲得的分層模型參數計算該道的地層壓力。本算法橫向上利用已鉆井來進行約束，縱向上考慮了地層層位的影響，有效提高了三維地層壓力計算的精度。根據上述算法，逐道逐點地通過地震層速度來求取地層孔隙壓力，直到處理完每一個地震道。最終得到的是與三維層速度一一對應的三維地層壓力。

圖2 三維勘探區塊示意圖

空間插值是本算法中用到的重要技術之一，本文中選用了目前應用較好的克里金插值方法。為便于討論，將克里金插值簡化為（x,y,z）=krig（x,y,z）的形式，并利用該簡化形式和簡易方法的壓力計算模型對前面提出的算法進行數學描述。假設在探區內有m口井，每一口井的井位地理坐標為（xi,yi），已知該探區內有n個地層層位，在第i口井中第j個層位的頂界深度記為hij，其中i=1,2,…,m，j=1,2,…,n。對每一口井分層確定模型系數，也就是利用聲波測井數據分層建立聲波速度—有效應力的函數關系。若以簡易方法為例，則第i口井中第j個層位的模型系數可記為aij、kij、bij、dij，其中i=1，2,…，m，j=1，2，…，n。

現在假設需要計算勘探區域上任一道S道的地層壓力，目標道S道的地理坐標為（xs,ys）。根據約束井的分層情況，利用空間插值可以確定目標道的分層情況以及各層模型參數。目標道S的層位j頂界深度記為hsj，則根據克里金插值有

式中，（xs,ys,hsj）為地震道S的層位j頂界深度的三維坐標；（xi,yi,hij）為第i口井上第j個層位頂界深度的三維坐標。

同樣利用克里金插值算法，可以確定目標道S的j層位的簡易方法模型系數asj、ksj、bsj、dsj，則有

式中，（xs,ys,hsj）為地震道S的層位j頂界深度的三維坐標；（xi,yi,hij,aij）、（xi,yi,hit,kij）、（xi,yi,hij,bij）、（xi,yi,hij,dij）分別為第i口井層位j頂界深度的三維坐標和該坐標對應的模型系數a、k、b、d；asj、ksj、bsj、dsj分別為地震道S的層位j的簡易方法模型系數。

在確定S道第j個層位的頂界深度和模型參數之后，即可利用層速度計算地層壓力。假設地震道S上的某層速度點l的深度為hl，層速度值為Vl，隸屬于層位j，則利用簡易方法有

式中，asj、ksj、bsj、dsj為地震道S的層位j的線性—指數模型系數；Vl為隸屬于層位j的層速度點l的層速度值；σl為層速度點l的有效應力；ppl為層速度點l對應的地層壓力值；pol為層速度點l對應的上覆巖層壓力值。

利用上面的算法可以逐道逐點確定各層速度點的地層壓力，進而求取整個區域的三維壓力，然后再利用三維可視化技術即可清晰顯示出整個空間的三維壓力分布情況。

2.2 三維層速度數據求取

三維層速度數據求取是計算三維地層壓力的首要步驟，利用三維地震反演技術進行地震反演是獲取三維層速度的主要途徑。地震反演技術就是充分利用測井、鉆井、地質資料提供的豐富的構造、層位、巖性等信息，從常規的地震剖面推導出地下地層的波阻抗、密度、速度、孔隙度等巖石屬性信息。文中采用測井約束下的波阻抗反演技術，波阻抗是巖石密度與聲波速度的乘積，利用地震資料反演出波阻抗以后即可求取聲波速度。

收集長沙嶺構造帶的三維地震資料，利用JASON反演軟件進行了地震反演，獲得了如圖3所示的三維層速度數據體。

圖3 長沙嶺構造帶三維地震層速度（m/s）

為了說明該區域地震反演的效果，從三維層速度體中提取出了長2井和長3井井位處的反演層速度數據，并將其分別與2口井的聲波速度測井數據進行了對比。對比結果見圖4，說明反演效果較好，為下一步計算三維地層壓力提供了精確的層速度數據。

圖4 地震反演層速度與測井聲波速度對比

2.3 長沙嶺構造帶三維地層壓力計算

在計算長沙嶺構造帶三維地層壓力時，選擇了4口重點探井長2井、長3井、長4井、長7井作為約束井。長沙嶺構造帶的異常壓力主要是由欠壓實造成的，經過前面單井壓力分析可知縱向上存在2個高壓層，第1個超壓頂界大約在中溝組中下段或下溝組上段，第2個超壓頂界大約在赤金堡組上段。因此在計算時，首先根據縱向上壓力分布特征可以大致確定4口探井的分層模型參數。4口井的分層模型參數見表1，在三維地層壓力計算時可以利用空間插值算法構建出整個三維層速度體上各道的模型參數。

表1 4口約束井的分層模型參數

在獲得模型參數之后，利用反演得到的三維地震層速度數據，結合編制的計算機程序即可逐道逐點的計算長沙嶺構造帶的三維地層壓力，壓力計算結果如圖5所示。

圖5 長沙嶺構造帶三維地層壓力體（g/cm3）

3 長沙嶺構造帶異常高壓分布特征

長沙嶺構造帶白堊系的下溝組和赤金堡組是主要的儲集層段，也是超壓集中分布的2個層段，正好對應著縱向上的2個高壓層。因此對這2個層段進行重點研究，確定其壓力分布形態，即可掌握整個構造帶的超壓分布特征。

3.1 縱向分布

圖6 過長3井二維地層壓力剖面（g/cm3）

根據前面對幾口重點探井的單井壓力分析可知長沙嶺構造帶的下溝組下段和赤金堡組地層有明顯的異常高壓存在。為了方便分析構造帶縱向壓力分布特征，從三維壓力體中提取出了過長3井的縱向二維壓力剖面，并切除了赤金堡組底界以下地層。如圖5所示，長沙嶺構造帶存在2個明顯的高壓層，第一高壓層主要分布在下溝組中下段地層，壓力系數在1.43～1.65左右。第二高壓層主要分布在赤金堡組地層，并且集中在赤金堡組下段，平均壓力系數在1.8以上，最高壓力系數達到2.04，屬于超高壓地層。

3.2 橫向分布

圖7是赤金堡組頂界的橫向壓力剖面，從圖中可以看出赤金堡組地層的東部偏南區域壓力系數最大，最大壓力系數達到了2.04，西部偏北區域壓力系數相對較小，壓力系數總體上南高北低、東高西低。而赤金堡組地層層位北淺南深、西淺東深，整體上從西北部斜坡帶到東南部凹陷深陷區地層深度逐漸變深。由此可見壓力系數與地層深度有較好的相關關系，埋深越深，壓力系數越大，這也間接說明了欠壓實是本構造帶異常高壓形成的主要原因。長7和長2井位于西北斜坡帶（長7井未鉆穿下溝組），長3井和長4井相對更靠近深陷區，因此在同一層位上長3和長4井壓力系數相對較大。

圖7 赤金堡組頂界地層橫向壓力剖面

4 結論和認識

（1）建立了基于單點計算模型的三維地層壓力計算方法，能夠利用三維地震反演層速度數據準確計算三維地層壓力。地震反演的精度、約束井的選擇以及層位分層信息是影響三維地層壓力計算精度的主要因素。

（2）長沙嶺構造帶縱向上在下溝組下段和赤金堡組存在明顯的異常高壓，橫向上壓力系數與地層埋深有較好的相關關系，總體上南高北低、東高西低，從西北斜坡帶到東南深陷區壓力系數逐漸升高。

（3）編制的計算機程序能夠實現三維地層壓力的計算和顯示，有助于獲得精準的地層壓力空間分布信息，為油藏工程和鉆井工程提供幫助。

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