利用泥巖聲波時差 預(yù)測地層壓力方法優(yōu)選

徐 源，龐雄奇，胡 濤，徐田武，鄭曉薇

(1.油氣資源與勘探國家重點實驗室，北京 102249； 2.中國石油大學(xué)(北京)，北京 102249； 3.中國石化中原油田分公司，河南 濮陽 457000)

1 區(qū)域地質(zhì)概況

東濮凹陷柳屯洼陷為渤海灣盆地一個典型超壓盆地[1-10]，處于東濮凹陷西部斜坡帶，面積約為200 km2，其形成和發(fā)育受東部文西斷層和西部邢莊斷層影響，平面上呈以洼陷為中心負向構(gòu)造形態(tài)(圖1)。柳屯洼陷地層由第四系平原組、新近系明化鎮(zhèn)組和館陶組、古近系東營組、沙河街組和孔店組組成，厚度約為6 000 m。主要勘探層系為沙河街組沙三段，屬深湖—半深湖相，砂泥巖互層頻繁。

圖1 研究區(qū)構(gòu)造位置

2 預(yù)測地層壓力

濮深18-8井為2009年在柳屯洼陷的斜坡帶部署的深層探井[11]。根據(jù)泥巖聲波時差測井資料顯示(圖2)，濮深18-8井存在3段超壓地層，正常壓實地層為2 500～3 100 m，第1段超壓地層為3 100～3 800 m，第2段為3 950～4 100 m，第3段為4 150～4 250 m。

2.1 平衡深度法計算

平衡深度法由真柄欽次于1981年提出[12-14]，因其原理較為可靠、操作簡便快捷而被廣泛應(yīng)用于眾多含油氣盆地的地層壓力預(yù)測。結(jié)合正常壓實段2 500～3 000 m聲波時差數(shù)據(jù)，模擬得出地表聲波時差Δt為481 μs/m、壓實常數(shù)c為0.000 205 996(圖3)。計算全井地層聲波時差，與實際測得數(shù)據(jù)比對，在3 250 m以下計算的聲波時差小于正常壓實地層的聲波時差(圖4)。

圖2 濮深18-8井聲波時差與深度關(guān)系

平衡深度法地層壓力計算如式(1)所示，計算結(jié)果見圖5。

(1)

式中：p為地層壓力，MPa；ρs為上覆巖石密度，g/cm3；ρw為地層水密度，取值為1.1 g/cm3；Z為實際埋深，m；g為重力加速度，取值為9.798 m/s2；Δt為地層聲波時差，μs/m；Δt0為地表聲波時差，取值為481 μs/m；c為壓實常數(shù)，為2.05×10-4。

圖3 深度與聲波時差關(guān)系

圖4 平衡深度法預(yù)測聲波時差

2.2 Eaton法預(yù)測地層壓力

Eaton法是Eaton于1975年提出的一種預(yù)測地層壓力的經(jīng)驗方法[15-17]，通過建立地層壓力與聲波時差的關(guān)系式來對地層壓力進行預(yù)測，計算結(jié)果準(zhǔn)確度較高，應(yīng)用程度較廣。取巖石骨架聲波時差為213 μs/m，地表聲波時差為656 μs/m，結(jié)合正常壓實段2 500～3 000 m聲波時差數(shù)據(jù)，可生成線性函數(shù)，模擬出c為0.000 7。計算全井地層聲波時差，與實際測得數(shù)據(jù)對比(圖6)，可見無論是在淺層還是深層，對正常壓實段的聲波時差擬合非常準(zhǔn)確。

圖5 平衡深度法預(yù)測地層壓力

圖6 Eaton法預(yù)測聲波時差

Eaton法地層壓力計算如式(2)所示，計算結(jié)果見圖7。

(2)

式中：Δt0取值為656 μs/m；Δtm為巖石骨架聲波時差，取值為213 μs/m；c取值為7×10-4。

圖7 Eaton法預(yù)測地層壓力

2.3 Zhang法預(yù)測地層壓力

Zhang法是學(xué)者張金才在總結(jié)前人預(yù)測方法的基礎(chǔ)上，通過對Chapman模型進行改進，于2013年提出的一種新的地層壓力預(yù)測方法[18]，目前該方法在地層壓力預(yù)測中的應(yīng)用還非常少。該方法中壓實常數(shù)計算方法、取值與Eaton法一致。

Zhang法地層壓力計算如式(3)所示，計算結(jié)果見圖8。

(3)

3 結(jié)果與差異性分析

3.1 計算結(jié)果與實測值差異性分析

3種方法計算的地層壓力值的變化趨勢與實測地層壓力變化趨勢大體相似，但計算結(jié)果與實測壓力值之間均存在一定誤差，主要因為3種計算方法均采用10 m聲波時差的平均值來計算地層壓力；而實測壓力為某一點地層壓力，受測井資料影響，只要二者趨勢一致，有一定誤差屬正?，F(xiàn)象。不同方法之間的誤差大小不同，其中平衡深度法的誤差最大，Eaton法的誤差最小，這是由不同方法的適用性所致。目前還沒有一種方法能精確計算出各類地質(zhì)情況的地層壓力的方法，而地層在經(jīng)過抬升-剝蝕-再埋藏等構(gòu)造變化，對計算地層壓力有一定影響，文中未考慮這種情況。

圖8 Zhang法預(yù)測地層壓力

3.2 不同方法之間計算結(jié)果差異性分析

平衡深度法、Eaton法和Zhang法的計算結(jié)果之間既存在相似點，又存在差異性。3種方法的計算結(jié)果均顯示，濮深18-8井的地層在3 000～3 100 m處開始發(fā)育超壓，但是平衡深度法的計算結(jié)果(圖5)顯示濮深18-8井在3 000～4 500 m范圍內(nèi)所有層系為一套超壓，而Eaton法(圖7)和Zhang法(圖8)的計算結(jié)果則顯示，濮深18-8井在3 000～4 500 m發(fā)育有3個不同的超壓層系(3 100～3 800、3 950～4 100、4 150～4 250 m)。結(jié)合濮深18-8井的測井?dāng)?shù)據(jù)和錄井資料認為，Eaton法和Zhang法的計算結(jié)果更符合實際地質(zhì)情況。

3.2.1 預(yù)測方法的原理不同

平衡深度法采用的是等效深度的概念，認為孔隙度相同處的等效應(yīng)力相同，故將超壓處的某點等效為正常壓實處等孔隙度某點進行計算，其中，地表聲波時差等參數(shù)經(jīng)模擬計算得出，未取經(jīng)驗值；Eaton法是綜合大量數(shù)據(jù)后得出的經(jīng)驗公式，有一定可靠性，其中地表聲波時差與巖石骨架聲波時差因研究區(qū)不同而取不同的經(jīng)驗值；Zhang法是在超壓層段假設(shè)有一點正常壓實，無超壓，且在此深度的上覆壓力與研究點一致，地表聲波時差與巖石骨架聲波時差取經(jīng)驗值，進行綜合計算。3種方法的計算原理不同，導(dǎo)致計算公式不同，擬合的參數(shù)有差異。3種方法均是利用2 500～3 000 m正常壓力段聲波時差數(shù)據(jù)擬合正常壓實情況下泥巖孔隙度變化趨勢，平衡深度法聲波時差擬合曲線(圖4)在4 000 m段以后偏離正常壓實規(guī)律，誤差逐漸變大；而Eaton法和Zhang法聲波時差擬合曲線(圖6)能一直較好地擬合壓實規(guī)律，并與實測聲波時差基本相符。這些差異導(dǎo)致了最終地層壓力計算結(jié)果的不同。

3.2.2 數(shù)據(jù)處理方式不同

平衡深度法在計算深層地層壓力時，模擬等效深度逐漸偏小，導(dǎo)致計算壓力偏大；Eaton法和Zhang法都是取用經(jīng)驗值，故準(zhǔn)確經(jīng)驗值對這2種方法的計算結(jié)果起著決定性作用。

4 結(jié) 論

(1) 東濮柳屯洼陷濮深18-8井2500～3 100 m地層為正常壓實，3 100 m以下地層存在3段超壓，分別為3 100～3 800、3 950～4 100、4 150～4 250 m。

(2) 對3種預(yù)測地層壓力方法分析，平衡深度法預(yù)測地層壓力在深層不適用，東濮凹陷柳屯洼陷深層地層壓力預(yù)測采用Eaton法和Zhang法更為準(zhǔn)確。

(3) 選取模型和數(shù)據(jù)處理方法的不同是導(dǎo)致3種方法計算結(jié)果差異根本原因。選取模型上，平衡深度法采用的是等效深度的概念，Eaton法采取的是經(jīng)驗公式，Zhang法是綜合經(jīng)驗公式與假設(shè)點的一種方法，使用時均有一定局限性；數(shù)據(jù)處理上，平衡深度法隨著埋深的增加，等效深度偏小，導(dǎo)致計算結(jié)果偏大，Eaton法和Zhang法受研究區(qū)經(jīng)驗值取值影響較大，在計算深層地層壓力時，采用Eaton法和Zhang法更為準(zhǔn)確。