新區塊及未鉆井深部地層孔隙壓力預測方法
——以準噶爾盆地南緣高壓氣井為例

霍 進 石建剛 沈新普 李 淵 沈國曉

1.中國石油新疆油田公司 2. 中國石油大學（華東）

0 引言

準噶爾盆地南緣油氣田是我國正在開發中的區塊[1]。其西部、東部以氣藏為主，安集海區塊是位于南緣油氣田東部的1 個氣田。該處氣藏地質上具有上中下3 套生儲蓋組合。上部氣藏開發始于20 世紀90年代末。擬開發的深部氣藏垂深介于7 000～8 000 m。

地層孔隙壓力預測通常基于聲波和電阻率等測井數據來進行計算[2-7]，并且只能在有已鉆井或者目標井鄰近存在已鉆井的情況下才能進行。當目標儲層位于新開發的區塊或者未鉆井深部地層的時候，新開發區塊或未鉆井深部沒有測井數據可供參考，其孔隙壓力預測只能依靠地震波層速度[8-9]，而其鉆井安全鉆井液密度窗口的計算只能依靠三維地應力場的分析結果作為輸入參數來進行。已有的研究成果表明[10-12]在層速度數據點采樣精度須達到12 ms 以上時才能得到滿足精度要求的孔隙壓力預測結果。

除了層速度數據點的采樣精度，影響孔隙壓力預測精度的另一個重要因素是上覆巖石壓力的準確度和計算精度[13]。按照孔隙壓力預測的Eaton 聲波計算方法，孔隙壓力梯度是上覆巖石壓力和聲波時差的冪函數。因此，準確計算上覆巖石壓力就是保證孔隙壓力預測結果準確度的一個重要前提。

為此，筆者在Eaton 法中引入三維地應力和層速度來計算地層孔隙壓力：首先由地震層速度計算的未鉆井地層聲波時差、巖石密度、最大地應力、最小地應力；然后由Gardner 經驗公式法代入地震層速度計算上覆巖石壓力中的巖石密度；進而對目標區塊三維精細地應力場進行有限元建模計算，從而得到了目標區塊的精細地應力場三維數值解，獲得垂直地應力（最大主應力）、最小水平主應力，最后得到了地層孔隙壓力。

1 安集河海區塊概況

安集河海區塊包括X7 井等多口以上部儲層為目的層的已鉆井，如圖1 所示。區塊模型的長寬分別為20.5 km、15.5 km，深度方向最大為12 000 m。平面網格尺寸為500×500 m。重點對X1 井的6 000 m以下的下部生儲蓋組合開展地層壓力分析，包括上白堊統清水河組、下侏羅統三工河組及其下的下侏羅統八道灣組。

上部已鉆的X7 井等井的目的層為古近系安集海河組和紫泥泉子組，井深介于3 000 ～4 000 m。

圖1 安集海區塊內3 口井的相對位置平面圖及地層分布柱狀圖

區塊內斷層形式主要為逆斷層和逆沖斷層。這意味著區塊內水平地應力分量會有較高的取值。在近地表200 ～1 000 m 深度的地層，為松散礫石層，這個范圍內的地震波層速度的精度較差，如圖2 所示。

從圖2 可以看出，X1 井軌跡穿過的地層中，上部的地層為經歷了大幅抬升的地層，這部分的地層經歷了先壓實、后抬升的運動，其地層的正常壓實曲線的計算需要特別注意；下部地層屬于原位正常壓實，與上部地層的正常壓實趨勢曲線具有不同的斜率。具體情況需要結合上部已鉆井的孔隙壓力資料進行分析。

2 基于3D 地應力和層速度的孔隙壓力預測原理

2.1 Eaton 法的孔隙壓力計算原理

在地層孔隙壓力曲線的計算中，Eaton 法是最常用的計算方法[2]，即

式中σ、OBG、PPGN分別表示有效應力當量密度、上覆巖石壓力當量密度、地層孔隙壓力當量密度，g/cm3；dco、dcn分別表示欠壓實聲波時差、正常壓實曲線的聲波時差，ms/ft（1ft=0.3 048 m）；E 表示冪指數，為根據經驗、室內試件試驗以及工程測量結果而取值的參數。

在Eaton 法的計算過程中，地層正常壓實曲線的聲波時差是和地質沉積歷史相關的參數。因地質沉積歷史比較復雜，而且很多時候并沒有這些沉積歷史信息。因此地層正常壓實曲線需要根據已有鉆井和鉆井工程中觀察到的現象來標定。

圖2 過X1 井的南北與東西兩個方向的地震剖面及主要斷層分布圖

式（1）中上覆巖石壓力密度（OBG）通常由密度隨深度的積分來計算確定，即

式中z 表示任意一點的深度，m；z1和z2表示地表和地層中某給定位置點的深度，z2＞z1即z2是更深的深度點；ρ(z)表示地層巖石密度，g/cm3，它是深度z 的函數。

式（2）中的巖石密度可以通過Gardner 經驗公式法求得，即

式中v 表示地震波的傳播速度，m/s；A 為經驗系數，kg·s/m4；B 為無量綱冪指數。

當存在背斜構造且造山運動引起的水平擠壓作用較為明顯的時候，局部應力受構造的影響大，導致上覆巖石壓力系數值與式（2）隨密度積分計算得到的結果偏離較大，這時的孔隙壓力預測結果的準確度將隨之降低。

為了解決這個問題，我們采用了基于三維地應力場的上覆巖石壓力數值計算結果作為OBG，代入到式（1）Eaton 公式，來進一步分析計算孔隙壓力。這樣得到的孔隙壓力結果將計入背斜構造對上覆巖石壓力的影響，因此，比常規的基于密度隨深度積分的上覆巖石壓力得到的孔隙壓力計算結果要準確。

式（1）中其他參數取值為：指數E=3，正常靜水壓力密度PPGN=1.03 g/cm3，對于已有鄰井的孔隙壓力結果曲線標定所用數據為實測地層壓力系數（PP）或溢流鉆井液密度值等實測數據。

2.2 基于層速度和三維地應力場的孔隙壓力計算流程

本文提出的孔隙壓力計算流程如圖3 所示，包括5 個主要的計算步驟及內容。

圖3 基于3D 地應力及層速度的孔隙壓力及預測流程圖

由三維地震波解釋構造建立地質模型是分析計算的第一步。在這一步中，采用三維地質分析軟件，根據區塊地震數據，來建立區塊各層的地質構造。

第二步是進行鄰井上部地層的單井地質力學分析。雖然深部地層沒有測井數據，通過對已鉆的上部地層的單井測井數據進行分析，能夠得到上部地層地應力主分量的大小及方向[2-3]。

在這個分析過程中，測井數據中的聲波測井的縱波及橫波、密度測井等測井數據，可以用來結合實鉆信息計算孔隙壓力（PP）、上覆巖石壓力系數（OBG）、以及巖石材料參數的值，如彈性模量（E）、泊松比、黏結強度（CS）、內摩擦角（FA）等。而地應力3 個分量中的最小水平主應力（Shmin）需要結合泊松比、彈性模量等參數來計算，并通過地漏試驗來標定Shmin的計算過程中的參數取值。這個分析過程比較復雜。以使用聲波測井數據計算孔隙壓力這個最基本的過程為例，由于聲波—孔隙壓力二者之間缺乏解析函數關系，常規的做法是采用半經驗—半解析的經驗公式法來進行這個計算[3]。

單井地質力學分析過程中的最大水平主應力（SHmax）的取值比Shmin的取值過程要復雜很多：Shmin的取值曲線可以通過地漏試驗來直接標定，SHmax的取值則無法進行這樣直接的標定。工程中一般是通過采用坍塌壓力（SFG）與實鉆等效鉆井液密度ECD曲線的匹配來間接標定最大水平主應力SHmax。這里的匹配是指坍塌壓力在阻卡點要大于實鉆鉆井液、在沒有阻卡等復雜情況的安全鉆進深度點上坍塌壓力要小于實鉆鉆井液。

上部地應力分布的特性一般和下部的地應力分布特性有關：當上部呈現逆斷層應力狀態時，下部地應力的橫向擠壓系數也會比較大。反之，當上部地應力呈現正斷層應力狀態時，下部的地應力的橫向擠壓系數也會比較小。而橫向擠壓效應較強烈時，由于橫向變形效應的影響，上覆巖石壓力的值也會比較大。

因此，在進行下部地層的地應力預測分析時，上部地層的地應力值是很好的參考資料。

第三步是根據斷層形態及構造特征來確定水平構造應力系數。確定水平構造應力大小的意義是：橫向擠壓效應較強烈時，由于橫向變形效應的影響，上覆巖石壓力的值也會比較大。從而進一步導致相應的孔隙壓力比較大。一般逆斷層對應的最小水平主應力系數大于1，即上覆巖石壓力小于最小水平主應力。而正斷層對應的主應力分量中的上覆巖石壓力大于最大水平主應力。

這個水平構造應力系數取值過程中，通常的做法有兩個：首先是經驗法，根據從具有類似構造的鄰井分析中得到的構造應力系數的大小，憑經驗判斷目標井所在位置的構造應力系數的大小；第二個方法是試錯法，即通過給定不同的構造應力系數值，觀察由其得到的孔隙壓力是否與實鉆鉆井液密度曲線相匹配。在理論方面，到目前為止，還沒有一個用于從聲波測井等數據來計算構造應力系數的解析公式。

第四步是進行三維精細地應力場數值求解。這里的精細是由3 個因素支持的：①基于地震波的地層構造。②基于單井地質力學分析的初始輸入參數，包括孔隙壓力和三個主應力分量。由于沒有深部未鉆地層的測井數據，單井地質力學分析僅限在上部地層范圍內進行。③實測數據，包括地漏試驗實測得到的最小水平主應力點、以及影像測井確認的最大水平主應力方向，這一步里，將對三維區塊有限元模型施加重力載荷、初始地應力以及位移約束邊界條件。

第五步為孔隙壓力預測。這一步包括的內容有：①根據層速度計算地層的聲波時差。②根據聲波時差通過式（3）Gardner 經驗公式計算地層的巖石密度。③常規做法是根據巖石密度由式（2）計算上覆巖石壓力。本文的做法是通過建立區塊的三維精細地應力場，進行有限元數值計算，來得到上覆巖石壓力。這一步是關鍵的一步。④根據上覆巖石壓力及聲波時差，由式（1）計算孔隙壓力曲線。

3 工程實例分析計算

3.1 安集海區塊三維精細地應力場

3.1.1 構造模型及邊界條件

三維精細地應力場建模是最近5 年來興起的三維地應力有限元數值計算新技術[14-18]。它需要首先引入區塊地震波數據來建立精確的地質模型，然后在此基礎上引入已有的巖石地層測井數據來為模型提供準確的彈性模型等材料參數。

安集海區塊及其中的已鉆井的平面位置與地層信息已在圖1 中給出。區塊的地質構造模型和Abaqus有限元模型如圖4 所示，有限元模型中包括370 000個節點、約90 000 個C3D20R-20 節點高精度單元。

從圖4 可以看出，區塊被若干條逆沖斷層切割，形成的背斜構造明顯。有限元模型完整繼承了地層的構造。在造山運動過程中，斷層部位是位移間斷的位置：斷層兩側位置上的切向位移間斷、法向位移連續。經過了上億年的地質時期之后，現在的應力狀態主要由重力和背斜等局部構造決定。構造應力的影響還在，但是經過了上億年的地質時期之后，構造應力的幅值已經明顯減弱。在模擬斷層的時候，本模型作了簡化處理：斷層兩側只考慮材料屬性的變化、不考慮斷層面本身的模擬。也就是不把斷層面當成裂縫面。由于模型中只有重力載荷，而且模型是用來計算靜止的當前地應力場。這個計算過程中斷層兩側沒有相對運動，因此這個簡化是合理的。區塊模型的地應力場初始值來自于X7 井的單井地應力場分析結果。在輸入的時候，側壓力系數（即兩個水平主應力分量和上覆巖石壓力的比值）直接由單井地應力場分析結果換算過來。

圖4 安集海區塊的地質構造模型和Abaqus 有限元模型圖

3.1.2 鄰井X7 井地應力分析

3.1.2.1 已鉆地層的孔隙壓力及地應力

X7 井是1 口位于安集海區塊的安集海背斜頂部的直井。其目的層為安集海河組儲層，圖5 給出了X7 井鉆遇地層及其底界深度。

圖5-a 分別給出了X7 井測得的自然伽馬、密度、聲波時差。由于巖石密度測井數據的質量較差，分析中采用經過濾波的聲波時差測井數據，使用Gardener經驗式（3）的方法，重新計算了巖石密度（如圖5-b藍色曲線），用它來計算上覆巖石壓力及孔隙壓力等，如圖5-d 所示，給出了Eaton 聲波時差法得到的單井孔隙壓力解析解。由于上部地層有厚度達到1 000 m的礫石層，聲波時差數據的精度嚴重受影響。以測井縱波得到的孔隙壓力在垂深2 000 m 的準確度很差。在3 100 m 深度上有一處溢流點，溢流發生時的鉆井液密度為2.25 g/cm3。為此，給出了橄欖綠色的經驗預測地層壓力（PP）曲線，這條曲線是結合孔隙壓力測量值、溢流時的鉆井液密度以及孔隙壓力解析解三者，綜合判斷得到的孔隙壓力曲線，將作為接下來計算地應力場主應力曲線的依據。同時還給出了實測得到的破裂壓力（LOT），但是有兩個點的破裂壓力密度分別達到2.65 g/cm3和2.71 g/cm3。這些值明顯超過上覆巖石壓力當量密度（最大值2.51 g/cm3），屬于不合理的參數值。這是因為，當最小水平主應力Shmin大于上覆巖石壓力（OBG）時，破裂壓力就等于OBG：當達到OBG 的值的時候，地層破裂、鉆井液發生漏失。

圖5 X7 井的單井測井數據與孔隙壓力分析結果圖

鉆井記錄顯示，在2 243 m 和2 710 m 深度上各有一個鉆井液漏失點，漏失點的鉆井液密度為2.48 g/cm3。在2 243 m 附近地層漏失試驗。測得的漏失當量密度2.65 g/cm3（地破數據點井深2 243 m，套管鞋2 237 m，安集海河組），與鉆井液漏失密度相差0.17 g/cm3。這個差別是由于在地破試驗時遇到的地層的完整性較好、裂縫相對不發育，因此表現出較高的破裂壓力；而在鉆井過程中，在此附近遇到了裂縫發育程度高的地層位置點，導致承壓能力較低，出現這個0.17 g/cm3的差別。在209 m 處的地漏實驗得到的破裂壓力值為2.00 g/cm3。為了得到合理的最小水平主應力Shmin的解析解，這里把破裂壓力的值調整到與上覆巖石壓力曲線很接近的鉆井液漏失點曲線（LOT-C）數值點。最大水平主應力SHmax是通過采用1.05 構造應力系數得到的，即認為各處的SHmax/Shmin=1.05，這樣的取值是一個滿足實測現象的解析經驗公式做法。

3.1.2.2 三維精細地應力場數值解

用上述單井地應力分析結果作為初始地應力的輸入數據對X1 井研究區塊精細地應力場三維建模。略去過程，直接給出區塊地應力場三維有限元數值解。圖6 給出了通過三維精細地應力場分析得到的X1 井的目的層侏羅系三工河組（J1s）的最大水平主應力分布圖，圖6-a 為三維矢量分布圖，圖6-b 為最大水平主應力矢量的平面投影圖。由于地層起伏因素的影響，X1 井目的層的最大水平主應力分布隨水平位置的變化明顯。在背斜頂部的3 口井的位置上，最大水平主應力方向主要是北東—南西方向。

圖6 X1 井侏羅系三工河組（J1s）精細地應力場的最大水平主應力三維和平面分布圖

3.2 基于3D 地應力和層速度的X1 井孔隙壓力

基于上述的三維精細地應力場數值解，就可以將地應力場在目標井軌跡點上的應力分量值提取出來、輸入到Drillworks 單井地應力分析工具中，然后在給定層速度的基礎上，進行X1 井基于三維地應力場的孔隙壓力預測，結果如圖7 所示。圖7-a 為從區塊地震波速度中提取的層速度，圖7-b 為從地震波層速度轉換來的聲波時差，圖7-c 紫色線為用聲波數據經Gardener 經驗公式計算得到的地層巖石密度，黑色曲線為至當前日期的實鉆測井得到的巖石密度測井值。可以看出用聲波經驗公式計算得到的巖石密度比密度測井曲線數據的質量更好，也說明這一個層速度曲線是可信的。圖7-d 給出了基于3D 地應力場數值解和層速度的X1 井鉆井剖面的孔隙壓力預測結果。圖7 把X1 井位上的三維地應力場數值解轉換為壓力系數形式的曲線，這里只給出了最小主應力（Sminc-3D）。根據聲波時差曲線與上覆巖石壓力-3D曲線計算得到的孔隙壓力-3D 為淺綠色的曲線；根據單井上覆巖石壓力計算的孔隙壓力曲線為深綠色曲線。可以看出，因為單井及三維的上覆巖石壓力曲線差別不大，從而得到的兩條孔隙壓力曲線差別也很小。

在上部的安集海河組中，孔隙壓力值介于1.20 ～2.20 g/cm3，在深度3 200 m 附近的斷層破碎區，遇到鉆井液漏失情況，進行了承壓堵漏作業。

圖7 基于3D 地應力及層速度的X1 井地層壓力預測圖

在下部未鉆地層中的呼圖壁河組至三工河組中，預測孔隙壓力值介于1.90 ～2.01 g/cm3，從聲波計算得到的地層強度比較高，計算得到的坍塌壓力小于孔隙壓力值，這個深度段的鉆井液密度窗口下限取為孔隙壓力值，而鉆井液密度窗口的上限取最小主應力（Sminc-3D）曲線。這個最小主應力（Sminc-3D）曲線在正斷層應力狀態和走滑斷層應力狀態代表著最小水平主應力；在逆斷層應力狀態代表上覆巖石壓力系數（OBG）。

截至2020 年11 月14 日，四開鉆進至白堊系連木沁組，井深5 650 m。根據預測得到的孔隙壓力分布曲線，古近系安集海河組和紫泥泉子組異常高壓。實際鉆井過程中，在此深度段內氣測錄井觀測得到一定的氣顯示，表明此處的孔隙壓力與鉆井液密度接近。這表明預測孔隙壓力分布曲線是準確的。

東溝組中下部地層砂巖發育，地層承壓能力低，與上部地層同段鉆進風險高，同時，下部白堊系勝金口組和呼圖壁河組預測存在高壓，因此在井深4 131 ～5 650 m 的東溝組和連木沁組采用套管專封，封隔上下高壓層。計劃在2021 年2 月份開始五開以后井段鉆進。截至2021 年1 月份，整個鉆井施工較順利，沒有遇到嚴重事故，說明本文的孔隙壓力及三維地應力場主應力分量隨深度的分布曲線是正確的，其精度滿足了工程需要。

4 結論與建議

本文提出了一個基于三維地應力場和從地震波數據體中提取的層速度的方法，來預測計算未鉆地層的孔隙壓力。在分析三維地應力時需要單井地應力結果作為輸入參數，而實鉆鉆井液密度曲線是計算及標定地應力分量取值的主要參考指標。通過鉆井液密度曲線間接標定了孔隙壓力的取值范圍，以此保障孔隙壓力預測值的準確性。在X1 井的鉆井實踐中，采用了本文給出的孔隙壓力及鉆井液密度窗口預測結果。與通過已鉆井段取得的鉆井液密度數據等工程資料相比，孔隙壓力及鉆井液密度實測值和預測值吻合良好，說明本文方法是實用可行的。

結合鉆井實踐應用效果和理論計算兩個方面，需要說明的是：

1）當遇到斷層破碎區的時候，由于天然裂縫的存在，尤其是高導縫的存在，雖然鉆井液密度在安全窗口范圍內，仍然可能發生鉆井液漏失現象。這就需要進行承壓堵漏操作。實踐中證明了這一點。

2）基于地震波數據的聲波時差數據的精度與地震波數據提取點的密度有密切關系。當地震波數據的精度不夠高的時候，得到的孔隙壓力預測結果的精度也會比較低。本次X1 井的例子中的地震波精度比較高，得到的孔隙壓力曲線的精度能滿足工程需要。

3）后續施工中得到的聲波測井數據比從區塊地震波數據導出的聲波時差數據的精度要高。隨著鉆井施工的進行，不斷更新完善已有聲波時差數據，對整個預測計算結果的完善、保障計算結果的準確性，都有積極意義。

由于構造應力系數不僅與造山運動的歷史有關，而且與局部背斜等構造有關，在三維區塊的空間上其值隨位置變化。這給孔隙壓力的準確預測帶來一定的難度，實際計算分析過程中還需要進一步研究和完善。