碳酸鹽巖地層壓力預測方法

李瓊瑤，潘曉青

(1.西北大學地質系，陜西 西安 710069;2.西安市勘查測繪院，陜西 西安 710054)

地層壓力的預測對于研究盆地內油氣運、聚、成藏規律，預測有利區具有重要意義。隨著深層、超深層碳酸鹽巖儲層逐漸成為油氣勘探的新領域，如何進行碳酸鹽巖地層中的壓力預測及分布已成為一個不可忽視的問題[1]。碳酸鹽巖沉積速率慢，骨架剛度強，縱波速度(Vp)、孔隙度(φ)等巖石物理參數在正常壓力段和異常壓力段沒有像砂泥巖那樣明顯的變化，難以直接建立巖石物理性質與壓力的關系。目前國內外對碳酸鹽巖壓力預測方法的探索多集中在地區內經驗公式的建立。

1 基于有效應力原理的預測方法

根據有效應力理論，上覆巖層壓力由骨架和流體共同承擔，即Po=σ+Pp(Po:上覆巖層壓力;σ:有效應力; Pp:地層壓力)，找出對有效應力產生影響的巖石力學或流體力學參數，建立這些數據與有效應力間的關系，再間接求取地層壓力是這種方法的主要思路。基于有效應力原理的壓力預測方法是目前碳酸鹽巖壓力預測模型建立中最為常見的方法，其常用的模型如下：

1.1 Vp -σ模型

地層的縱波速度在異常壓力段會產生相應的變化，可通過室內試驗或現場資料數據統計回歸建立地區內Vp與σ的關系，間接求取Pp。根據程遠方等所做的三軸-聲速實驗，碳酸鹽巖在實驗條件下，Vp與σ、φ二者之間兩兩呈近似的線性關系[2]，即:

Vp=a-b·φ+c·σ (a、b、c:經驗系數)

在此實驗基礎上，不同學者考慮各種影響Vp的因素，針對不同地區提出了相對應的經驗公式，如徐路在川東北飛仙關組壓力預測模型中引入了泥質含量Vsh和含氣飽和度Sg[3]：

Vp=a-b·φ·Sg-c·φ·(1-Sg)+d·Vsh+m·σ(a、b、c、d、m:經驗系數)

建立Vp-σ模型計算地層壓力的方法所含參數多，減少了因單一測井資料所受外界因素的影響，能更好地反應因異常壓力導致的地層物理性質方面的差異，但在實際應用中需要大量數據的支撐。

1.2 Vp/Vs-σ或μ-σ模型

據前人研究發現，橫波速度Vs、縱橫波速度比Vp/Vs、泊松比μ對碳酸鹽巖異常壓力最為敏感，通過建立這三類參數與σ的關系是基于有效應力原理預測碳酸鹽巖地層壓力的重要方法。據夏宏泉等人研究發現，Vp/Vs或μ與有效應力σ都滿足以下關系[4]:

σ=m·en-x

(m、n:經驗系數;x:Vp/Vs或μ)

通過Vp/Vs或μ-σ模型計算Pp在孔隙-裂縫型灰巖儲層中普遍適用，針對白云巖儲層，Vp/Vs或μ對壓力的變化不是很敏感。

2 基于Biot理論的壓力預測方法

除了建立彈性模量與有效應力的關系外，以Biot多孔介質理論為基礎，從力學角度分別考慮巖石骨架和孔隙流體體積彈性模量，建立由骨架縱波速度和孔隙流體速度兩項構建的巖石縱波速度方程也是一種直接預測地層壓力的方法。

碳酸鹽巖的縱波速度主要由骨架速度組成，流體速度只占很小一部分，由于骨架顆粒剛度強，孔隙壓力的變化不會引起骨架速度的變化，因此可認為Vp的小幅度變化是由流體速度引起的，對于同一地層而言，流體速度可認為只與Pp有關，因此可直接建立流體速度與地層壓力的關系。

Yu Fu在進行塔里木盆地奧陶系碳酸鹽巖壓力預測時，從力學角度分析，認為地層壓力的大小取決于巖石受力變形的程度及傳遞給流體的應力大小，即Pp與巖石體積彈性模量和施加在巖石上的應力有關[6]：

(Kf:孔隙流體體積彈性模量;Ksat:巖石體積彈性模量;σ:地應力;A:固結系數,碳酸鹽巖取20)

Vahid Atashbarei在研究伊朗油田碳酸鹽巖孔隙壓力時，引入了壓縮性(體積模量倒數)來預測孔隙壓力[7]:

(Cb:體積壓縮系數;Cp:孔隙壓縮系數;σeff:上覆有效應力;a:經驗系數，介于0.9～1.0)

基于Biot理論的地層壓力預測方法理論基礎完善，限制條件少，適用范圍廣，不受巖性和壓力成因的限制，可直接建立地層壓力與流體速度的關系。

3 小結

無論是基于有效應力原理或基于Biot理論的碳酸鹽巖壓力預測模型都有其各自的優缺點，但都涉及較多參數，需要大量地區實測數據的統計，經驗性強，只有根據各地區實際地質情況擇優選取，才能做出最為準確的壓力預測，指導有利區的勘探。