地震資料在海域勘探初期地層壓力預測中的應用

張勇剛，王紅平，王朝鋒，劉艷紅，龐 旭，左國平

（中國石油杭州地質研究院，浙江杭州 310023）

超壓在世界范圍內廣泛發育，幾乎在所有的地質環境和年代地層中均可能存在。超壓的形成機制往往受多種因素共同控制，如不均衡壓實、生烴作用、水熱增壓、黏土礦物脫水、構造應力等。通常認為，除強擠壓背景外，壓實不均衡和生烴作用是形成規模超壓的兩種主要機制[1]；也有學者認為，相對新地層中，超壓的形成更多受快速沉積引起壓實不均衡的影響，比如美國墨西哥灣的諸多地區[2-4]、巴拉姆三角洲的前三角洲地帶等[5]；相對老的沉積盆地中（澳大利亞南部等），側向應力則對超壓的形成起重要作用[6-7]。

對于地層壓力的預測，不論在勘探階段還是鉆井過程中，都具有重要意義：在勘探階段，對地層孔隙壓力的預測有助于探索流體運移模式、評價蓋層封閉有效性等；在鉆井階段，鉆前地層壓力預測有助于指導鉆井泥漿的合理配備，使鉆進過程達到最優化，最大限度地減小工程對原狀地層的破壞，為人員安全提供保障，減少經濟損失。

1 地層壓力預測方法

對勘探程度不同的盆地，所能獲取的資料類型不同，因此地層壓力的預測方法也會有所差別。一些最可靠的定量超壓檢測和評價技術是以地球物理電纜測井為基礎，但這些技術多數是已經鉆開井孔獲得測井和實際測試資料，是一種“事后”技術。在實際的勘探開發過程中，鉆前進行地層壓力預測，可以了解地下地層壓力狀況，降低鉆井工程風險。目前鉆前壓力預測通常采用的方法有經驗關系法（如Eaton 公式法、Bowers 公式法、Fillippone 公式法等）、等效深度法、有效應力法等，總體來看，這些壓力預測方法基本上都是基于欠壓實成因機制。Eaton 公式法是目前比較常用的一種經驗關系法，既考慮了除壓實作用以外，其他高壓形成機制的作用，又總結和參考了鉆井實測壓力與各種測井信息之間的關系[9]。

Eaton（1976）改進公式[10-11]利用的是孔隙壓力和其他幾個參數的冪指數關系，這種關系并不隨巖性或深度的變化而改變，其方法應用前提是給出一個假定的沉積壓實條件，適用于砂泥巖層序：

式中：Pp為預測的孔隙壓力，MPa；Pob為靜巖壓力，MPa；Ph為正常的靜水壓力，MPa；V為實測地層速度，m/s；Vn為地層正常壓實時的速度，m/s；N為實驗系數，通常為2～3。

地層壓力預測方法中的關鍵引入參數是地層速度資料，地層速度通常會隨深度增加而增加，但當出現超壓帶時, 常常伴隨有速度反轉特征，表現為低速異常響應，這是預測超壓的理論基礎。地層速度資料的獲取來源主要是鉆井和地震，鉆井上可以從井筒的測錄井聲波數據獲得，地震上可以從 VSP資料、地震反演層速度和疊加速度譜獲取。VSP 資料是鉆后獲得，而海上鉆井少、成本高，資料比較有限；地震反演層速度在無井地區需要高精度的地震資料，而且最好能有鉆井約束，否則速度可靠程度不高，參考價值較低；地震疊加速度譜來源于地震資料處理，數據量較大且易于獲得，數據縱橫向采樣密度相對較高，整體上能反映速度的變化趨勢特征，因此，地震地層壓力預測中最常用的速度是地震疊加速度譜。在海域初探區，由于勘探技術有限、成本高昂等因素的限制，鉆井數量及資料的獲取往往不如陸上豐富，地震速度譜資料在地層壓力預測中便顯得更為重要，有效的地震速度譜資料可以用于確定層速度、檢測異常壓力地層的存在及頂界深度且能預測異常壓力的大小。對于少井區，先利用地震速度譜資料進行初步的壓力預測，再利用鉆井資料進行約束校正預測成果的可靠性；在無井區，則可運用地震速度譜資料對地層壓力的變化趨勢做定性預測。

2 巖石物理參數與壓力變化響應特征

地震速度的變化可能受到巖石多種地質因素的影響，是這些因素共同作用的結果[12]，如果把低速異常作為超壓層的唯一地震響應，會導致地震地層壓力結果具有多解性和近似性。基于地層壓力變化與巖石物理參數的響應特征分析，需要尋找或引入對地層壓力具有敏感性的地震多屬性參數，排除其多解性并驗證壓力計算結果的可靠性。上世紀90 年代以來，與巖石物性有關的一些地震屬性也開始進入到鉆前壓力預測的研究中。美國斯坦福大學Prasad 和Meissner[13]通過實驗得出以下結果：①飽含水砂巖的泊松比、橫波質量因子與縱波質量因子比值以及體積模量與剪切模量的比值均隨有效壓力的降低而增大；②縱、橫波頻率和振幅都隨有效壓力的減小而減小，但相比而言，橫波的頻率對壓力的變化更為敏感。澳大利亞科學研究院（CSIRO）Ciz. R[14]通過實驗近似模擬了欠壓實成因超壓和流體體積膨脹兩種機制下飽和水砂巖的地震縱波速度、瞬時頻率隨有效應力的變化規律，其實驗結果表明：①地震縱波瞬時頻率隨著有效壓力的降低而降低；②欠壓實成因的超壓與流體體積膨脹成因的超壓均隨著有效壓力的減小而減小，速度的減小量和瞬時頻率的減小量可以近似為某種函數，但瞬時頻率對超壓的響應表現得更為敏感。

當前無井或少井地區的壓力預測主要采用的仍然是地震速度，但與巖石物理有關屬性與壓力的關系也不可忽視，以上實驗結果顯示，超壓帶可能對應地震的低頻響應特征，可對壓力計算結果進行輔助約束表征。本次研究基于地震速度，采用經驗公式法對海上某區塊已鉆井剖面進行壓力預測，預測結果與實鉆結果對比，并引入對異常壓力敏感的地震屬性參數，對預測結果進行輔助驗證。

3 應用實例

3.1 研究區概況

M 區塊為勘探新區，位于緬甸西海岸若開海域，孟加拉灣盆地的東部，水深小于100 m。孟加拉灣盆地的形成與岡瓦納大陸的裂解及之后印度板塊與歐亞板塊和緬甸板塊的碰撞作用有關，其構造演化可以分為裂谷期（石炭紀/二疊紀-早白堊世）、漂移期（早白堊世-中始新世）、早期碰撞期（中始新世-漸新世）和晚期碰撞期（中新世-第四紀）。根據區域構造特征，將孟加拉灣盆地分為三個構造區帶：西部穩定陸架區、中央盆地區和東部若開（Rakhine）褶皺帶，M 區塊位于中央盆地區和東部若開褶皺帶的過渡區。研究區已完成二維地震資料的采集和處理，已鉆井1 口。盆地基底為洋殼，為印度洋洋殼的一部分，推測基底埋深超過12 000 m，始新統-全新統主要為陸源沉積地層。

研究區內的一口鉆井 W1 井原計劃完鉆井深為3 000 m，但實際鉆進過程中由于鉆速太慢且鉆遇異常高壓發生井涌的緣故而提前完鉆。圖1 為W1 井泥漿比重、孔隙壓力與深度的關系，從圖中可以看出，深度900 m 以上泥漿比重基本維持在1.10 g/cm3左右，即地層為常壓；自井深約900 m 開始至約1 050 m，泥漿開始發生氣侵，泥漿比重增大到1.22 g/cm3；在井深約1 050 m 處，鉆速快速增大，泥漿發生強烈氣侵，泥漿比重增大到1.30 g/cm3后往下鉆進3 m，井內仍繼續溢流，將泥漿比重增大到1.60 g/cm3，最終為了阻止氣體流入，泥漿比重被調配到1.67 g/cm3，在打一個水泥塞之后泥漿比重降低到1.47 g/cm3，此時仍有少量的氣侵，為了安全起見，重新鉆進的時候將泥漿比重逐步提高到1.76 g/cm3，鉆進過程中鉆速又突然增大，泥漿中氣體增加，泥漿比重被提高到1.82 g/cm3，后經測試此處真實的地層壓力梯度為0.018 MPa/m，到達完鉆深度時，泥漿比重增至2.03 g/cm3。分析可知，該井約900 m 以上為正常壓力地層，900 m 以下地層發育異常高壓。

圖1 W1 井泥漿比重、孔隙壓力與破裂壓力關系

3.2 測井和地震速度預測地層壓力

因該區僅有一口鉆井，從井上僅能得到某個點上的縱向壓力信息，為獲得或預測全區的地層壓力分布情況，需要引入地震層速度，充分利用其橫向覆蓋密度大的特點，并以已鉆井中途測試數據（DST）和地層完整性測試數據（FIT）進行刻度，對壓力計算公式中的實驗參數進行微調，探索無井或少井地區地層壓力預測方法的可行性。

圖2 W1 井地震速度、對比地層壓力與DST 實測壓力關系

通過 W1 井聲波測井速度與該井點附近地震測線層速度對比，可以看出由淺至深地震速度總體變化趨勢與測井速度基本吻合，約深度800 m 處二者均出現速度反轉現象，但地震速度的精度明顯低于聲波測井速度（圖2a）。為了消除巖性對速度的影響，對聲波測井速度按砂巖和泥巖進行過濾分選，然后分別運用砂、泥巖測井速度和地震速度采用 Eaton經驗公式法計算地層壓力。計算結果與鉆井中途測試（DST）結果對比（圖2b），以測井速度分巖性計算的地層壓力與實測結果吻合度很高，而地震速度可以指示相對變化趨勢，但精度相對較低。值得注意的是，從測井速度的計算結果來看，W1 井在井段1 000～1 200 m 砂巖的孔隙壓力比中間所夾泥巖段要高，一般情況下砂巖生成自源異常高壓的情況很少，砂巖中的異常高壓一般源自附近的高壓泥巖：經過長時間的地質歷史時期，高壓泥巖中的異常高壓會通過各種形式向附近地層釋放，最終達到一種動態平衡，而平衡的結果一般是泥巖與砂巖地層壓力一致或泥巖地層壓力稍高于砂巖地層壓力。這說明中新世的構造運動有可能將深部超壓通過斷裂等途徑轉移到孔隙滲透性砂巖中，而周圍的泥巖因為孔隙度有限，承接轉移壓力的大小也有限，導致砂巖壓力高于周圍泥巖壓力。參考W1 井的正常壓實趨勢，采用Eaton經驗公式法計算過W1井剖面的地層壓力系數。從地層壓力系數剖面（圖3）分析，W1 井點附近從下上新統開始出現地層超壓，到中上中新統，壓力系數主要為1.4～1.6，但其下部有一個很明顯的強超壓倉，倉內壓力系數超過1.6，下中新統底部也有一個近似的強超壓倉。壓力系數分布與 W1 井聲波測井曲線所計算的地層壓力結果基本吻合，較為可靠。W1 井左側約3 000 m 向左，中上上新統和下上新統中發育強超壓，至下部地層反而壓力系數減小； W1 井右側約1 500 m 向右，在下上新統和中上中新統中發育幾個獨立的強超壓倉，由于這兩側均沒有鉆井，難以證實其超壓倉存在的可信度。

3.3 地震屬性約束預測壓力可信度

圖3 Eaton 經驗公式法計算的壓力系數剖面

由于約束井點較少，在離井點距離相對較遠或地層埋深更深時，未有新井鉆探前難以確定地層壓力估算結果的可信度，因此，需要考慮引入其他的約束參數對地層壓力作輔助表征，以期用多手段聯合最大限度驗證異常壓力結果的可靠性。

圖4 過W1 井測線提取瞬時頻率剖面特征

在有地震資料的情況下，獲得各種地震屬性是最直接便利的手段，前文研究認為，地震瞬時頻率對壓力的變化響應較敏感，因此，對過 W1 井附近的地震測線提取地震瞬時頻率（圖4a）,從圖上可知，在 W1 井兩側的中上上新統和下上新統地層中基本為中高頻響應，未見明顯大范圍的低頻特征，但井點到斷層范圍附近，這兩套地層處的瞬時頻率屬性相對兩側有明顯變低，頻率的降低可能是由于斷層附近地層較破碎或深部異常壓力以斷層為通道泄壓所致。圖4b 為W1 井點瞬時頻率剖面的局部放大圖，與分巖性計算地層壓力的結果一致，較高壓力的砂巖對應的地震瞬時頻率較低，較低壓力的泥巖對應的地震瞬時頻率較高，即地震頻率與地層壓力之間存在一定的相關系。通過地震瞬時頻率為約束參數對地層壓力預測結果作輔助表征，可以確定 W1 井左右兩側外帶存在的強超壓倉可信度較低，而 W1井至斷裂帶范圍地層局部存在超壓的可信度較高，該參數雖然不能獨立判定地層壓力是否異常，但作為一種約束參數是可行的。

4 結論

（1）地震資料用于地層壓力預測時，地震層速度可用于地層壓力量化預測和計算，超壓帶可能對應地震低頻響應，可對壓力計算結果可信度進行輔助約束表征。

（2）地層壓力預測過程中采用多元多信息平臺獲取高精度層速度，同時結合多種地震屬性預測地層壓力將是未來的主流趨勢，但目前超壓對應地震低頻響應的機理尚不統一，有待進一步研究論證。