微分法多巖性壓實(shí)校正技術(shù)及其在勝利樁海地區(qū)的應(yīng)用

魏新輝，陳青云

（1.中國石化勝利油田有限公司樁西采油廠，山東東營 257237；2.中國有色桂林礦產(chǎn)地質(zhì)研究院有限公司，廣西桂林 541004）

0 引言

地層壓實(shí)校正是研究盆地演化史和古地貌恢復(fù)的主要內(nèi)容之一。1959年，魯貝和哈伯特提出在壓實(shí)平衡條件下頁巖的孔隙度隨著深度的增加呈指數(shù)遞減的規(guī)律（轉(zhuǎn)引自袁炳存，1984年）；1984年，袁炳存應(yīng)用地層骨架體積不變原理對碎屑巖地層古厚度恢復(fù)進(jìn)行了研究，提出了壓實(shí)校正方法[1]；1991年，龐雄奇等提出了基于地層質(zhì)量不變原理的壓實(shí)校正方法[2]。自20世紀(jì)80年代以來，許多學(xué)者對這兩種函數(shù)關(guān)系進(jìn)行了深入研究，提出了不少提高精度的方法[3-11]。雖然基于巖石骨架體積或質(zhì)量不變原理，應(yīng)用孔隙度-深度函數(shù)進(jìn)行地層壓實(shí)校正的思想得到普遍應(yīng)用，但其擬合的數(shù)據(jù)量大，欠壓實(shí)泥巖段擬合的計(jì)算方法過于復(fù)雜，地層剝蝕造成的深度差異也會(huì)導(dǎo)致孔隙度-深度函數(shù)關(guān)系復(fù)雜難求。更重要的是，普遍忽略了除泥巖以外的其他巖性的壓實(shí)差異性，進(jìn)一步導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果誤差較大。本文基于泥巖、砂巖和灰?guī)r微分法壓實(shí)校正研究，試圖建立新的多巖性壓實(shí)校正方法，提高壓實(shí)校正精度。

1 微分法分巖性壓實(shí)校正技術(shù)

1.1 非均質(zhì)巖體微分模型

微分法壓實(shí)校正技術(shù)精度高、計(jì)算簡便。但實(shí)際上，地層在三維空間上各處的孔隙度不同，整體為非均質(zhì)體。鑒于此，將現(xiàn)今埋藏深度為Z、截面積為s、厚度為H的地層等分為n（n→∞）個(gè)無窮小單元，則每個(gè)小單元可視為均質(zhì)體。其厚度為：

若截面積s為：

則該柱狀地層分解為由n個(gè)內(nèi)部均勻的小立方體單元累積而成（圖1）。設(shè)分解后每個(gè)單元的孔隙度為φ，厚度為hn，每個(gè)單元恢復(fù)到指定埋深時(shí)厚度變?yōu)镠i，孔隙度為φ0i，骨架變化量為f(φi)，基于兩處單元巖體的骨架體積相同，基于三點(diǎn)假設(shè)，每個(gè)單元體的原始沉積厚度為：

圖1 地層微等分校正模型

將恢復(fù)每個(gè)小立方體的初始厚度進(jìn)行累加，即為整套地層的初始沉積厚度。地層的初始沉積厚度為：

式中：H為現(xiàn)今埋深為Z處的地層厚度，m；H0為地層恢復(fù)至指定埋深的地層厚度，m；Hi為第i個(gè)單元體恢復(fù)后的初始地層厚度，m；φi為第i個(gè)單元體的現(xiàn)今的孔隙度，%；φ0i為第i個(gè)單元體恢復(fù)至指定深度的初始孔隙度，%。f(φi)為第i個(gè)單元體巖石骨架體積變化量，%。

1.2 不同巖性的壓實(shí)校正模型

不同的巖性具有不同的壓實(shí)規(guī)律，在地層壓實(shí)校正過程中需分巖性分段計(jì)算。基于假設(shè)條件（2）和（3），可構(gòu)建不同巖性的壓實(shí)校正模型。

1.2.1 泥巖的壓實(shí)校正模型

泥質(zhì)沉積物在埋藏成巖過程中，有機(jī)質(zhì)生烴、黏土礦物轉(zhuǎn)化對巖石骨架體積影響小，可忽略不計(jì)，即f(φi)≈0。松散沉積物在近地表情況下主要受到壓實(shí)作用，孔隙度與深度的函數(shù)關(guān)系穩(wěn)定，易于求取。1959年魯貝和哈伯特提出壓實(shí)平衡條件下沉積物孔隙度和深度存在如下關(guān)系式[1]：

在地層恢復(fù)到指定的埋深過程中，僅最頂部的小立方體恢復(fù)至Z0處，設(shè)其下部第i個(gè)小立方體恢復(fù)的深度為Z0i，存在關(guān)系式：

應(yīng)用式（6）可知每個(gè)微分單元的初始孔隙度為：

將式（7）代入式（4），則泥巖的壓實(shí)的校正公式為：

式中：φ0為地表泥質(zhì)沉積物的初始孔隙度，%；C0為地表泥質(zhì)沉積物的壓實(shí)系數(shù)；Z0為恢復(fù)到指定的埋深，m。

1.2.2 砂巖和灰?guī)r的壓實(shí)校正模型

前人實(shí)驗(yàn)研究成果表明，砂巖、灰?guī)r的壓實(shí)規(guī)律與泥巖具有相似性[12]，地層孔隙度與埋深呈指數(shù)關(guān)系，因此其差異性主要表現(xiàn)在壓實(shí)系數(shù)與泥巖不同。砂巖和灰?guī)r每個(gè)微分單元的初始孔隙為：

式中：C為砂巖或灰?guī)r壓實(shí)系數(shù)。

由于地層在埋藏過程中，砂巖、灰?guī)r存在膠結(jié)作用和溶蝕作用，即f(φi)≠0。當(dāng)這兩種作用對地層骨架改變量比較大時(shí)，需要計(jì)算這兩種作用對造成的巖石骨架改變量，然后根據(jù)實(shí)際資料將砂巖或灰?guī)r分正常壓實(shí)帶、膠結(jié)發(fā)育帶和溶蝕發(fā)育帶三個(gè)帶分別計(jì)算。推導(dǎo)的壓實(shí)校正公式分別為：

正常壓實(shí)帶：

膠結(jié)發(fā)育帶和溶蝕發(fā)育帶[當(dāng)為膠結(jié)發(fā)育帶時(shí)f(φi)＞0，反之f(φi)＜0]：

式中：f(φi)為砂巖的膠結(jié)量或溶蝕量，%，通過巖心礦物薄片估算。

2 實(shí)例應(yīng)用

石炭系勝利油田樁海地區(qū)是重要的含油氣層系之一，本文對其進(jìn)行壓實(shí)校正。

2.1 參數(shù)求取

壓實(shí)校正模型的建立后，需要求取微分單元體厚度、現(xiàn)今地層孔隙度、恢復(fù)到指定的深度、地表壓實(shí)系數(shù)、地表沉積物初始孔隙度和微分單元體骨架變化量等參數(shù)。

2.1.1 微分單元體長度hi

當(dāng)前測井采樣間距普遍為0.125 m，對于整套地層來說，邊長為0.125 m的巖石塊體可近似為均質(zhì)體，因而對各井微分單元的長度取值為0.125 m，即：

2.1.2 恢復(fù)原始深度Z0

地層壓實(shí)校正是將地層恢復(fù)到地表，因此有

2.1.3 地表參數(shù)C和φ0

近地表某一深度下巖石的孔隙度主要受到原始沉積物孔隙度和壓實(shí)系數(shù)的影響，不同的巖性具有不同的參數(shù)，據(jù)K. A. Hegarty（1988）和漆家福（2003）[10]研究成果，泥巖、砂巖、灰?guī)r的地表孔隙度分別取58%、43%、35%，壓實(shí)系數(shù)分別取0.0007、0.00041、0.0004。

2.1.4 孔隙度求取φi

聲波時(shí)差較能真實(shí)地反映地層的原生孔隙，用懷利公式或平均時(shí)間關(guān)系式求取地層各單元體的孔隙度[17]：

式中：ΔT為實(shí)測聲波時(shí)差，μs/m；ΔTm為骨架聲波時(shí)差，μs/m，砂巖為182 μs/m，碳酸鹽巖為143 μs/m ～156 μs/m，泥巖為300 μs/m ～400 μs/m；ΔTf為孔隙流體聲波時(shí)差，μs/m，泥漿為608 μs/m～620 μs/m。

2.1.5 微分單元骨架變化量

由于缺少巖心薄片資料，鑒于工區(qū)地層砂巖、灰?guī)r厚度小，砂地比低和灰地比小，溶蝕和膠結(jié)作用造成的巖石骨架量可忽略。

2.2 基于井資料的地層壓實(shí)校正實(shí)踐

壓實(shí)率表示地層的古沉積厚度與現(xiàn)今地層厚度之比，校正量表示地層的古沉積厚度與現(xiàn)今地層厚度之差值。當(dāng)?shù)貙又写嬖诓煌瑤r性時(shí)，還需先劃分巖性，然后依據(jù)參數(shù)求取方法及參數(shù)值，將各井資料代入壓實(shí)校正公式中，即可計(jì)算各井的層位的初始沉積厚度。依據(jù)各井壓實(shí)校正結(jié)果，進(jìn)一步計(jì)算可得出壓實(shí)率和校正量，以ZH715井為例，該井巖性為泥巖，校正前目的層厚度為58.1 m，校正后地層厚度為126.77 m，校正量為68.67 m，整個(gè)地層的壓實(shí)率為2.18。

應(yīng)用該方法完成了工區(qū)內(nèi)關(guān)鍵井石炭系的壓實(shí)校正計(jì)算（表1）。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，該區(qū)泥巖的壓實(shí)率最大，為2.02～2.23之間，灰?guī)r的壓實(shí)率最小，為1.41～1.49之間；砂巖處于中間，在1.58～1.63之間。壓實(shí)率不同主要受巖性、地層厚度和地層壓力的影響。不同巖性的可壓實(shí)性不同，其壓實(shí)率也不同；同種巖性，恢復(fù)至不同埋深，其初始孔隙度不同，故壓實(shí)率不同；當(dāng)?shù)貙訅毫Υ螅嬖谇穳簩?shí)時(shí)，地層的壓實(shí)作用變?nèi)酰瑝簩?shí)率減小；地層厚度大，早期沉積物在地表受壓實(shí)越強(qiáng)，壓實(shí)校正后地層壓實(shí)率減小。

表1 關(guān)鍵井的壓實(shí)校正計(jì)算結(jié)果表

3 結(jié)論

1）建立的微分法多巖性壓實(shí)校正技術(shù)細(xì)化了巖層內(nèi)部計(jì)算單元，提高了地層壓實(shí)校正計(jì)算精度。

2）影響地層壓實(shí)率的因素有埋深、地層厚度、欠壓實(shí)作用、砂巖和灰?guī)r含量。

3）工區(qū)內(nèi)巖性的變化和巖層厚度的橫向變化是引起壓實(shí)程度差異的首要原因，埋深和地層壓力變化為次要原因。壓實(shí)校正結(jié)果顯示，泥巖、砂巖、灰?guī)r壓實(shí)程度差異較大，其中泥巖壓實(shí)率為2.02～2.23，砂巖為1.58～1.63，灰?guī)r為1.41～1.48。