四川W區塊地層壓力預測方法及應用

劉偉?吳超?趙姍姍

摘要：中國已探明6個頁巖氣田，成為北美外最大的頁巖氣生產國，主要分布在重慶市與四川省。頁巖氣地層壓力分布對安全高效鉆井至關重要。目前，壓力預測軟件適用于泥巖地層，但四川盆地主要母巖類型為碳酸鹽巖，軟件預測可靠性不高。缺乏有效預測模型，采用鄰井壓力預測技術，通過已鉆井資料對幾口井進行預測，校正后建立地層壓力剖面，有效解決了壓力預測難題。

關鍵詞：頁巖氣儲層；壓力預測；鄰井；地層壓力剖面；實測壓力

一、前言

預測地層壓力剖面在鉆井工程設計與實施中扮演著關鍵的角色。它對于確定合理的鉆井井身結構和鉆井液密度至關重要，有助于確保井眼的安全，提高機械鉆速，并有效保護油氣層。精準的地層壓力估算和快速的修正能力對于達到最佳的套管設計至關重要，同時可以降低井控風險。此外，預測地層壓力也有助于提高鉆井的安全系數，從而更有利于實現安全和經濟的鉆井過程。特別是在新的勘探區域或未知地層條件下，地層壓力的準確預測變得尤為重要。當鉆探穿越未知的高壓層時，地層壓力的失控可能導致井噴、鉆機損毀，嚴重危及油氣層的完整性。

在當前技術條件下，測井資料提供了對地層信息最為詳盡的反映。由于測井資料直接采集自地層內部，具備良好的縱向連續性、高分辨率以及數據可靠性的優勢，因此能夠更直接、更真實地呈現地層的狀況。而地層的聲速、密度、電阻率等參數與地層孔隙壓力存在一定關系，呈現一定的規律性。因此，可以根據這些地層測井數據來預測地層的孔隙壓力[1]。本文采用聲波時差法建立單井的三壓力剖面，然后用實測泥漿密度進行糾偏，保證壓力剖面的可靠性。聲波時差法在進行壓力預測時有多種方法可選，目前包括基于趨勢線建立的等效深度法[2]、Eaton法[3]等。還有一些基于有效應力的方法，如Bowers法[4]和Tau模型[5]等，用于預測地層孔隙壓力。Eaton法是一種基于正常壓實趨勢線計算地層壓力的方法，是目前石油行業中應用最廣泛的方法之一，但其局限性在于僅適用于泥巖地層。另一方面，Bowers法考慮了泥巖欠壓實及其他異常高壓形成機制，主要考慮了欠壓實和孔隙流體膨脹。鑒于四川地區地層情況的復雜性、易漏易塌等綜合因素，本文綜合考慮采用Bowers法進行孔隙壓力的預測。

二、W區塊的地質特點

W區塊是國家級頁巖氣開發示范工程的重點開發地區，該區塊有中生界和新生界地層，地質構造為榮威穹窿與新店子向斜，其中頁巖氣目的層為下志留統龍馬溪組，是優質頁巖的發育層段。在一般的泥頁巖中，異常高的孔隙壓力主要是由于不平衡的壓實過程導致的。在這種情況下，相應的孔隙度增加，使用與孔隙度相關的測井參數（如聲波時差、電阻率等）進行孔隙壓力預測通常能夠取得良好的效果。然而，頁巖氣地層中異常孔隙壓力的成因機理較為復雜，異常高壓的形成可能不再以不平衡的壓實為主要原因，油氣的生成也可能導致孔隙壓力的增大[6]。頁巖層的楊氏模量越大，泊松比越小，其脆性越強。例如，五峰組頂部的觀音橋層泊松比約為0.389，楊氏模量的最低值為19290Mpa，最大值為23334 Mpa。龍馬溪組的泊松比主要分布在0.2～0.4之間，楊氏模量主要分布在21453～26367 Mpa之間。在四川威遠區塊的龍馬溪組中，井下與露頭的頁巖石中含有石英、長石、黃鐵礦、黏土礦物、方解石、白云石等成分，這些成分的含量差異較大，分別為5.80%、3.11%、0.64%、9.84%、13.52%、5.88%。由此可知，四川威遠氣田屬于非均質性裂縫型氣藏[7]。

三、壓力預測

（一） 單井壓力預測

采用原始的Eaton法不適用頁巖氣儲層壓力預測，采用修正Eaton法或者采用Bowers法預測異常孔隙壓力。

將井1、井2和井3的聲波數據分別導入壓力預測軟件，采用Bowers法進行孔隙壓力的預測，在此基礎之上計算破裂壓力和坍塌壓力，三壓力預測結果如圖1、圖2、圖3所示。

（二）建立三壓力剖面

由于受地層的起伏、厚度變化、延伸趨勢以及斷層的影響，目標層段內地層壓力呈現較大的空間變化。因此，在預測待鉆井地層壓力時，需充分考慮地層的空間展布和區域地質構造。這需要定義一個包含地層埋深和壓力信息的地層壓力矩陣。建立區域內巖層的空間分布是利用附近已鉆井的井筒資料進行地層壓力描述的重要基礎，可借助地形生成技術進行相關研究。通過綜合分析已鉆井的測井資料、巖性資料和地質信息，獲取已鉆井井位的部署和地質分層數據。然后，利用地形生成技術建立區域內立體地層的空間展布。根據待鉆井的井位部署和斷層構造情況，將構造區域劃分成塊狀或分區域，以獲取該構造區域內鄰井和待鉆井位的地層劃分情況。

在鄰井壓力預測中，更為關鍵的是壓力預測的準確性和結果的可信度。換言之，重要的是了解預測井與參考井之間地層壓力的實際相關性有多大。選擇的參考井和預測井應在同一構造上，地質條件相同，沒有斷層分隔。有人提出了參考井可靠性分級的辦法，按等級分為A級（可靠，在同一構造無斷層，地層壓力相似度大于90%）、B級（比較可靠，在同一構造上有斷層，相似度80%左右）和C級（基本可靠，在同一構造上有兩個以上斷層，相似度70%）[8]。

鄰井地層壓力數據、鄰井的空間位置以及目標區域的空間連續性，是影響地層壓力外推方法計算準確度的關鍵因素。對于存在斷層或地質構造較為復雜的地區，需要充分了解地質構造特征，并借助地震資料進行構造分析和區塊劃分，以便建立目標井的地層壓力。

選取該地區重要的四個關鍵地層建立地質模型如圖4所示，可知待鉆井和已鉆的三口井之間從地質構造上沒有斷層，沒有褶皺等大的地質構造變化，因此，可以采用鄰井資料數據對未知井進行壓力預測。

（三）w-井壓力預測

首先，通過計算各鄰井的地層孔隙壓力，可以利用地層壓力矩陣構建方法建立鄰井的地層孔隙壓力矩陣。然后，通過深度平差處理和空間插值處理，將鄰井的壓力分別移植到待鉆井位置。在考慮鄰井的綜合效果后，形成待鉆井的壓力曲線。

在進行壓力預測時，首先需要對該區塊進行地層分組，這一步對于后期進行壓力預測至關重要，是對整個區塊地層認識的基礎。以威遠區塊為例，對2700～4300m進行地層分組，建立地質層面。然后，根據之前的已知數據對預測井進行壓力分析和計算。計算結果如圖5所示。

四、三壓力預測與實測結果對比

圖6所示黑色曲線為實鉆鉆井液密度，可以看出實際鉆進的鉆井液密度完全在安全窗口之內，表明預測結果是可靠的，對現場鉆進施工具有實際的指導意義。

五、結語

地層壓力預測對于鉆井施工的重要性不言而喻，在資料有限的情況下，根據已鉆井資料對待鉆井進行預測具有重要的意義。

待鉆井預測中地質層面的建立是重中之重，需要對該區域地層有充分認識是進行地層壓力預測的關鍵。通過在W區塊待鉆井預測結果表明該方法可以給實際鉆井施工提供可靠的參考依據。

參考文獻

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[2] RANSON R C. A method for calculation pore pressures from well logs[J]. The Log Analyst， 1986， 27（2）：72-76.

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[7]劉若冰.超壓對川東南地區五峰組——龍馬溪組頁巖儲層影響分析[J].沉積學報，2015，33（04）：817-827.

[8]管志川，魏凱.利用已鉆井資料構建區域地層壓力剖面的方法[J].中國石油大學學報（自然科學版），2013，37（05）：71-75.

責任編輯：王穎振、周航