景琛

(中石化華北油氣分公司采氣一廠,河南 鄭州 450006)

0 引 言

富油凹陷盆地中,孔隙流體壓力的準確預(yù)測是安全鉆井、井身結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ),也是壓力控藏研究、油氣藏開發(fā)的重要依據(jù)[1-3]。前人提出了多種壓力預(yù)測的方法,主要包括3類:基于地震資料的方法[4-6]、基于鉆時資料的方法[7]和基于測井資料的方法[8-12]。對于成熟探區(qū),最常用的方法是基于測井資料的等效深度法[9]和Eaton法[11]。目前,根據(jù)等效深度法和Eaton法的壓力預(yù)測在資料預(yù)處理、預(yù)測步驟、結(jié)果檢驗等方面都已形成了一套完整的流程[13-16]。但在實際研究中,壓力預(yù)測采用的方法尚缺少選擇的依據(jù)以及多方法的對比,并缺少誤差分析,導(dǎo)致所預(yù)測的壓力存在較大差異。

為了提高壓力預(yù)測精度,完善壓力預(yù)測流程,本文在前人研究基礎(chǔ)上,重點對比分析目前常用的等效深度法和Eaton法的適用條件及預(yù)測過程中的誤差,并以沾化凹陷渤南洼陷為例,探討預(yù)測參數(shù)的優(yōu)選方法,進而分析2種壓力預(yù)測方法的有效性和適用條件,為預(yù)測方法優(yōu)選提供依據(jù)。

圖1 等效深度法和Eaton法預(yù)測壓力原理示意圖

1 壓力預(yù)測方法

等效深度法和Eaton法都利用測井資料進行地層壓力預(yù)測,是目前壓力預(yù)測最為常用的方法,但2種方法的理論依據(jù)及預(yù)測流程不同,導(dǎo)致適用條件也存在明顯差異。

1.1 等效深度法

等效深度法又稱平衡深度法,理論依據(jù)主要是有效應(yīng)力定理,認為具有相同孔隙度的地層其壓實程度相同,巖石的骨架應(yīng)力也相同,即理論上認為同樣的孔隙度值的2個深度點對應(yīng)相同的有效應(yīng)力[見圖1(a)],據(jù)此可計算B點的孔隙流體壓力pB[9]

pB=po,B-(po,A-pA)=ρmg(HB-HA)+ρwgHA

(1)

式中,pA、pB分別為A、B深度處孔隙流體壓力,MPa;po,A、po,B分別為A、B深度處上覆巖層壓力,MPa;ρm、ρw分別為上覆巖層、地層水密度,g/cm3;g為重力加速度,取值為0.009 81;HA、HB分別為A、B點的深度,m。

等效深度法預(yù)測壓力的關(guān)鍵是A點深度HA和上覆巖層密度ρm的求取,即需要建立準確的正常壓實趨勢線和地層密度—深度關(guān)系曲線。等效深度法是基于孔隙度的壓力預(yù)測方法,主要適用于欠壓實作用引起的地層壓力預(yù)測,對其他成因的超壓(如流體膨脹作用等),應(yīng)用效果可能不理想[17]。

1.2 Eaton法

Eaton法是一種半經(jīng)驗半定量的壓力預(yù)測方法,其原理是在碎屑巖地層中,超壓帶內(nèi)壓實曲線受超壓的影響而偏離正常趨勢,偏離的幅度與超壓強弱具有正相關(guān)關(guān)系。通過引入伊頓系數(shù)c,建立了同一深度點正常壓實趨勢下的參數(shù)值與實測值之間的比值與地層壓力的經(jīng)驗關(guān)系,進而預(yù)測地層流體壓力[11][見圖1(b)]

ρmgHB-(ρmgHB-ρwgHB)(Δtnorm/Δt)c

(2)

式中,pB、po,B、pn,B為B點孔隙流體壓力、上覆巖層壓力、靜水壓力,MPa;Δt、Δtnorm分別為B點實測、正常聲波時差,μs/m;c為伊頓指數(shù);ρm、ρw為上覆巖層、地層水密度,g/cm3;g為重力加速度,取9.8 m/s2;HB為B點埋深,m。

Eaton法是在等效深度法的基礎(chǔ)上,引入了伊頓系數(shù)c,通過改變c值,可以校正不同成因機制對預(yù)測壓力的影響,因此,Eaton法不僅可用于預(yù)測欠壓實成因的超壓,也可以預(yù)測流體膨脹等其他成因的超壓[18-21]。該方法不僅需要建立準確的正常壓實趨勢線和地層密度深度關(guān)系曲線,也需要優(yōu)選合適的伊頓系數(shù)c。伊頓系數(shù)c值受地層巖性、成巖程度、超壓成因機制等影響[22-23],不同地區(qū)存在明顯的差異。在墨西哥灣盆地,伊頓指數(shù)c取3效果較好[11];文萊Baram盆地中,盆地邊緣c取3、盆地中部c取6.5效果較好[17];在伊朗南部盆地中,伊頓系數(shù)c取0.5效果較好[24]。

2 壓力預(yù)測參數(shù)與方法優(yōu)選

渤南洼陷是沾化凹陷中部埋深最大的3級負向構(gòu)造單元,超壓普遍發(fā)育,超壓對研究區(qū)油氣的生成、運聚和分布具有重要的影響[25-28]。經(jīng)過近50年的油氣勘探,渤南洼陷基礎(chǔ)資料齊全,測井資料豐富,有助于分析壓力預(yù)測環(huán)節(jié)(正常壓實趨勢線、分段擬合密度—深度關(guān)系、迭代法確定伊頓系數(shù)c)的誤差,優(yōu)選預(yù)測參數(shù)。同時,渤南洼陷不同構(gòu)造帶的超壓成因機制差異較大[26,29],有利于探討等效深度法和Eaton法對壓力預(yù)測的適用條件以及有效性的對比,為壓力預(yù)測方法優(yōu)選提供依據(jù)。

圖2 ××5井正常壓實趨勢線與聲波時差匹配關(guān)系圖

2.1 正常壓實趨勢線優(yōu)選

擬合正常壓實趨勢線之前,需要初步分析研究區(qū)正常壓實泥巖段聲波時差(AC)變化趨勢,確定分構(gòu)造帶擬合或者全區(qū)擬合1條曲線。渤南洼陷不同構(gòu)造帶之間AC變化趨勢存在明顯差異,因此,分構(gòu)造帶擬合出3條主要的正常壓實趨勢線3、4、5,同時,結(jié)合前人在進行渤南洼陷壓力預(yù)測時所建立的正常壓實趨勢線1、2[25-26](見圖2),共得到5條可能的正常壓實趨勢線。對于每一口壓力預(yù)測井,分別用所建立的正常壓實趨勢線進行匹配,同時結(jié)合壓力實測值,優(yōu)選出預(yù)測效果最好的正常壓實趨勢線。

以××5井為例,通過正常壓實趨勢線與聲波時差資料(AC)匹配,可優(yōu)選正常壓實趨勢線。實測聲波時差數(shù)據(jù)顯示,××5井發(fā)育頂、底2套正常壓實層段:2 000～3 000 m段和3 150～3 700 m段,而在3 000～3 150 m段和3 700 m之下發(fā)育超壓(見圖2)。因此,正常壓實趨勢線優(yōu)選過程中分別分析不同趨勢線與2套正常壓實層段聲波時差的吻合程度?！痢?井正常壓實趨勢線與聲波時差匹配關(guān)系表明,曲線1在頂部正常壓實層段吻合較好,而在底部(3 150～3 700 m段)大于實測值,趨勢線發(fā)生偏離;曲線2在頂部正常壓實層段明顯低于實測值;曲線4在2套正常壓實層段內(nèi)均略低于實測值;曲線5明顯偏離實測值;曲線3吻合程度最高,為最優(yōu)趨勢線。

對渤南洼陷不同構(gòu)造帶65口井的正常壓實趨勢線優(yōu)選結(jié)果表明,研究區(qū)不同構(gòu)造帶具有不同的最優(yōu)趨勢線:對于渤南深洼帶和北部陡坡帶,選取趨勢線3;對于斷階帶和四扣深洼帶,選取趨勢線4;對于南部緩坡帶,實測聲波時差數(shù)據(jù)存在2種明顯不同的變化規(guī)律,分別與曲線1和5相匹配。

2.2 上覆巖層密度—深度關(guān)系

上覆巖層的密度是上覆巖層壓力計算的關(guān)鍵,受測井資料的限制,每口井的密度實測值一般只集中深部目的層段,而淺部資料則較少。因此,需要擬合上覆巖層密度與深度的關(guān)系曲線。但目前地層密度與深度并無公認的關(guān)系,秦潤森等[25]利用線性關(guān)系擬合了密度隨深度變化曲線,而Liu R等[30]認為密度與深度之間符合非線性關(guān)系。

對于渤南洼陷上覆巖層密度—深度關(guān)系,直接利用線性方程、非線性方程擬合全井段密度—深度關(guān)系的效果都較差,相關(guān)性很低。實測密度與深度關(guān)系分析結(jié)果表明,研究區(qū)中部(1 500～3 500 m井段)密度—深度關(guān)系符合線性關(guān)系,淺部(<1 500 m)和深部(>3 500 m)明顯偏離趨勢線,并考慮到各井實測密度數(shù)據(jù)主要集中在中深部,淺部數(shù)據(jù)較少,數(shù)據(jù)篩選發(fā)現(xiàn)僅×602井淺部(<1 500 m)密度數(shù)據(jù)較全、具有代表性。實際應(yīng)用中,采用3段式密度擬合:淺部(<1 500 m),直接采用×602井實測密度數(shù)據(jù);中部(1 500～3 500 m井段),采用所擬合的線性關(guān)系;深部(>3 500 m)采用各預(yù)測井實測的密度數(shù)據(jù)(見圖3)。利用此方法得到的密度—深度關(guān)系與實際數(shù)據(jù)符合程度較高,由此計算的上覆巖層壓力可靠性更高。

圖3 不同構(gòu)造帶密度深度關(guān)系圖

2.3 伊頓指數(shù)c確定

前人研究結(jié)果表明,伊頓指數(shù)c值在-5～50都可能,主要集中于0～12.6[20]。本文引入了預(yù)測壓力的相對誤差平方和,采用迭代法確定合適的c值。

首先在0～12.6之間隨機選值,通過初步計算,確定研究區(qū)最優(yōu)c值介于1～4;然后采用迭代的方法,取c=c0+kΔc,(c0=1,k=0,1,2,…,Δc=0.2),選擇12口具有實測壓力值的井,求出不同c值所對應(yīng)實測壓力深度處的壓力,并計算實測壓力與預(yù)測壓力的相對誤差,考慮到相對誤差有正有負,選擇相對誤差平方和最小的c值作為最終結(jié)果。根據(jù)不同c值與預(yù)測壓力相對誤差平方和關(guān)系圖(見圖4),可以確定c值取2.6時,預(yù)測效果最好。

圖4 伊頓指數(shù)c值與預(yù)測壓力相對誤差平方和關(guān)系圖

2.4 壓力預(yù)測方法優(yōu)選

在正常壓實趨勢線、密度—深度關(guān)系及伊頓指數(shù)c準確確定的基礎(chǔ)上,從不同構(gòu)造帶選擇20口具有實測壓力數(shù)據(jù)的井,分別采用等效深度法和Eaton法進行壓力預(yù)測,實測壓力與預(yù)測結(jié)果數(shù)據(jù)如表1所示,并據(jù)此對比2種方法的相對誤差。

表1 實測壓力與等效深度法和伊頓法預(yù)測壓力結(jié)果對比

相對誤差分析結(jié)果表明,不同構(gòu)造帶中2種方法的預(yù)測結(jié)果差別較大:緩坡帶和陡坡帶中,等效深度法的預(yù)測誤差明顯低于Eaton法,而在渤南深洼帶、斷階帶和四扣深洼帶,Eaton法預(yù)測結(jié)果較好。預(yù)測方法優(yōu)選結(jié)果與超壓成因相匹配:渤南深洼帶、四扣深洼帶、斷階帶生烴強,生烴增壓為主,緩坡帶、陡坡帶以欠壓實增壓為主[26,29],符合2種方法的適用條件。因此,可以根據(jù)超壓成因機制選擇壓力預(yù)測方法:對于欠壓實成因超壓,等效深度法和Eaton法都適用,可采用2種方法預(yù)測,并根據(jù)預(yù)測結(jié)果的相對誤差進一步優(yōu)選;而對于流體膨脹成因或其他成因的超壓,等效深度法不適用,可采用Eaton法進行預(yù)測。

2.5 地層壓力預(yù)測

在正常壓實趨勢線擬合、密度—深度“三段式”擬合以及Eaton指數(shù)c優(yōu)選的基礎(chǔ)上,利用聲波時差、密度測井資料對渤南洼陷各構(gòu)造帶單井的地層壓力進行預(yù)測。以××4井為例,該井位于渤深4斷階帶,正常壓實趨勢線選擇趨勢線4(見圖2);目的層段位于2 000 m以下,密度—深度關(guān)系采用“三段式”中的中部、下部2段擬合結(jié)果;壓力預(yù)測方法選擇Eaton法,伊頓指數(shù)c選擇2.6。將所優(yōu)選的參數(shù)代入式(2),可以預(yù)測××4井的地層壓力。預(yù)測結(jié)果表明,××4井Es3、Es4段整體發(fā)育超壓,其中Es3壓力系數(shù)介于1.2～1.4之間,Es4壓力系數(shù)整體在1.4左右。4 211.25 m處的實測壓力數(shù)據(jù)表明預(yù)測結(jié)果較準確,誤差僅2.81%(見圖5)。

圖5 ××4井地層孔隙壓力預(yù)測結(jié)果

根據(jù)所優(yōu)選的正常壓實趨勢線、密度—深度關(guān)系和Eaton指數(shù)c,采用等效深度法預(yù)測南部緩坡帶和北部陡坡帶的地層壓力,采用Eaton法預(yù)測渤南深洼帶、渤深4斷階帶和四扣深洼帶的壓力。結(jié)果表明,渤南洼陷不同構(gòu)造帶20口井的預(yù)測壓力平均相對誤差僅為4.8%,預(yù)測精度明顯提高。

3 結(jié) 論

(1) 等效深度法主要適用于欠壓實成因超壓的預(yù)測,正常壓實趨勢線和上覆巖層密度—深度關(guān)系曲線是利用等效深度法預(yù)測壓力的關(guān)鍵。在正常壓實泥巖段聲波時差(AC)變化趨勢分析的基礎(chǔ)上,建立可能的正常壓實趨勢線,據(jù)此與壓力預(yù)測井的AC進行匹配,同時結(jié)合壓力實測值,可優(yōu)選出預(yù)測效果最好的正常壓實趨勢線;可通過分段擬合的方法建立最符合實際的密度—深度關(guān)系。

(2) Eaton法適用于多種成因超壓的預(yù)測,伊頓指數(shù)c值的優(yōu)選是利用Eaton法預(yù)測壓力的關(guān)鍵。對于Eaton指數(shù)c,可通過隨機選值、初步確定伊頓指數(shù)c的范圍,在此基礎(chǔ)上,引入?yún)?shù)預(yù)測壓力相對誤差平方和,通過迭代法確定最優(yōu)的伊頓指數(shù)c。

(3) 超壓成因機制是壓力預(yù)測方法優(yōu)選的重要依據(jù),如渤南洼陷深洼帶、斷階帶和四扣深洼帶以生烴超壓為主,采用Eaton法預(yù)測誤差較低,而南部緩坡帶和北部陡坡帶以欠壓實超壓為主,等效深度法預(yù)測效果較好。