地层孔隙压力预测方法在松辽盆地北部深层的应用

0 引 言

多年来,地层孔隙压力(以下简称地层压力)预测始终备受油气田勘探开发的重视,前人做了大量的基础理论研究工作,针对欠压实、地应力、上覆压力等因素,提出了不同的地层压力成因模型,在实践中进行验证总结,得出了多种预测方法。地层压力的研究涉及多学科、多技术,大庆探区的地层压力预测工作重点主要放在这些预测方法的融合应用上,尤其重视区域应用效果。本文针对松辽盆地北部深部地层(以下简称深层)的地质特点,结合地质分析的方法认识地层压力,研究钻井过程中一系列复杂情况,建立地质、压力、工程等多方信息匹配关系,进而给出较为客观、可靠的地层压力预测剖面。

地层压力预测研究从合理认识已知邻井的相关资料开始,逐步认清深层的地质和压力特征,这是本文阐述的重要方法和基本出发点。松辽盆地北部深层为勘探重点区块,地质情况复杂,存在诸多地层压力预测难题。经过近十年的钻探实践总结和研究,松辽盆地深部地层压力预测工作取得了阶段性成果,并在松辽盆地北部深层应用效果良好,地层孔隙压力预测平均相对误差8.41%。

1 深层地质特征和压力特征

松辽盆地北部深层之所以成为勘探重点,不仅是因为其拥有良好的油气资源,还因其复杂的地质条件给勘探开发带来的诸多挑战。该盆地深部地层纵向上泛指泉头组二段直至基底一系列地层,岩性涵盖沉积岩、火成岩、变质岩等。盆地发育经历了断陷期和坳陷期的重大地质时期转换^[1],勘探开发范围内各个构造都受火山活动与构造运动双重成因的影响,断裂及火山活动机制共同控制了本区的构造格局及地层发育,由此带来了区块之间或区块层间地层压力的不均衡,地层压力系数数据变化大,其范围为0.61.2。

深层火成岩地层压力预测涉及所采用方法的适用性问题,如何正确预测地层压力成为其中难题之一。另外受勘探程度的限制,已知井的资料是有限的(无论是横向井间,还是纵向层间),且存在数据间矛盾或指向不明而带来多重歧义的问题,给地层压力预测工作带来了诸多困扰。为解决这一问题,开展了地层压力预测新方法的研究,以地层的基本属性为切入点,通过引入地质理论来讨论压力相关问题,创新开展地层压力预测。

2 地层孔隙压力预测理论及方法

目前,地层压力的主要预测方法都基于岩石的压实理论^[2]:在碎屑岩地层中,地层压力与泥页岩压实程度有关。正常情况下,随着沉积层埋深的增加,泥页岩层所受的上覆地层压力逐渐增大。在上覆压力的作用下,泥页岩孔隙中的流体正常排出,形成正常压实地层。当由于快速沉积等原因导致泥页岩孔隙流体不能正常排出时,随着埋深的增加而造成异常地层孔隙流体压力,易形成异常地层高压;当地层抬升后经风化剥蚀,地层缺失,引起上覆地层压力降低,下伏地层压力释放,易形成异常地层低压。

地层孔隙压力计算有Eaton、Bowers和Miller等模型,根据数据来源的不同(如声波时差、电阻率、地震数据等)可演变为多种地层压力预测方法。在松辽盆地深部地层压力预测工作中,选取Eaton Sonic Method(伊顿声波时差法),数据易于获得,适应性较强。其经验公式为:

P_p=OBG-(OBG-P_pn)(D_tn/D_to)^c (1)

式中:P_p为预测地层孔隙压力梯度,g/cm³;OBG为计算上覆地层压力梯度,通过测井密度数据计算获得,g/cm³;P_pn为区域正常静水压力梯度,g/cm³;D_to 为测井声波时差值,μs/m;D_tn为正常声波时差趋势线值,μs/m;c为常数,无量纲。

进行地层压力预测之前,首先要获取所预测区域的正常静水压力值P_pn、OBG趋势线值和c值。根据公式(1),用已知井的声波时差测井数据计算压力剖面数据,并进行实钻或实际测试压力校正后,修正c值,再来预测新井(以下称为新井)地层压力数据。遵循区域沉积特征的同一性和相似性原则,把校正后的已知井压力剖面通过地层层位对应关系,外推为新井的地层压力剖面,这是基于测井参数预测为前提的常规地层压力预测剖面外推法。

常规地层压力预测剖面外推法是基于地质属性相似性原则,具有一定的局限性。深层地质关系复杂,地层横向可比性差。同时受勘探程度的制约,已知邻井与新井的地层对应关系会有不匹配问题,使常规地层压力预测方法应用受到一定程度的限制。为解决这样的问题,需要参考多学科理论和新的工作方法,完成由已知到未知的推演,进而完善拓展剖面外推法。如应用物探反演技术,在源数据处理的过程中完成已知地质信息的外推,通过物探反演数据参与压力剖面的计算,解决地层特性可比性差的问题,这也体现了多技术参数介入完善压力剖面外推方法的积极意义。还可以根据盆地地质发育史,合理分析已知地层压力数据,建立不同区块、不同层位的地层与压力数据的匹配关系,把零散的数据整合到统一地质体数据中,构建地层压力数据体,解决压力预测应用中已知数据少或数据不一致等问题,完成校正地层压力预测计算方法的推演。以此构建了新型深部地层压力预测剖面外推法,较好地解决了松辽盆地北部深部地层压力预测问题。

3 深部地层压力剖面外推法的应用

地层压力剖面外推法的发展和完善是提高深部地层压力预测水平的重要手段。针对深层地质特点,用地层压力剖面外推法解决深层地层压力预测问题。首先根据深层下部断陷期和上部坳陷期地层沉积特征不同,对应地层的实测压力数据值域也不同,将深部地层粗略划分为两部分:登娄库组及其以上地层和营城组及其以下地层(以下分别简称深层上部、深层下部);然后建立工区地层正常压实趋势线,进一步建立深层压力数据与地质体的关系,修正地层压力剖面,通过地层压力预测剖面外推法,为勘探开发施工提供地层压力指导数据;最后通过实例应用效果分析,验证方法的适用性。

3.1 建立地层正常压实趋势线

建立地层正常压实趋势线,首先从已钻井数据中获取公式(1)中计算参数OBG、P_pn、D_to以及常数c的值。经证实,泥页岩地层的声波时差数值与泥页岩地层压实程度相关。正常压实情况下,岩层埋深H与岩层声波时差D_tn的对数值呈线性关系^[3]:

lnD_tn=-kH+a (2)

式中:a为常数;k为斜率。

对于不同地质区块,公式(2)中的a和k值会有差别;当D_to偏离D_tn时,地层压力可能存在异常情况。实际工作中,应选取大段正常压实泥页岩层的声波时差值为正常压实趋势线的回归数据体,获得k值和a值。因此,应根据区域地质特征的不同,分区、分层建立区域地层正常压实趋势线,将其作为地质与压力预测结合的切入点。

3.1.1 深层上部理论趋势线的确定

深层上部地层为沉积岩特征,与松辽盆地中浅层地层处于同一套压力系统中。坳陷盆地沉积连续面积广,沉积岩地层区域地质的同一性和可比性决定了单井地层正常压实趋势线有相似的特征,可以建立区域地层正常压实趋势线。

按照公式(2)建立的区域地层正常压实趋势线见图1,图中起伏的曲线为同区不同井的声波时差测井曲线。可以看出,共同的地质属性决定了其相似的趋势形态,单井正常地层压实趋势线(图1中的红色倾斜直线)相近。叠合多井测井曲线和单井地层正常压实趋势线,共性的特征就更为显著。回归多井声波时差数据,建立区域地层正常压实趋势线(图1黄色倾斜直线),可以增强不同井之间压力预测结果的可比性。为方便讨论用斜率k值表示地层正常压实趋势线,求取同区所有单井地层正常压实趋势线k值的平均值K,用以表示该区域地层正常压实趋势线。区域地层正常压实趋势线K值为动态数据,随井数的增加其值更趋稳定。

3.1.2 深层下部地层正常压力趋势线的确定

松辽盆地深层坳陷火成岩地层“高位喷发,低位充填”的特征造就了岩层展布厚度不均一,带来了火成岩层属性的不均衡,从而决定了火成岩地层不能形成稳定、统一的区域地层正常压实趋势线。深层下部地层中火石岭组和营城组以火成岩为主,火成岩地层裂缝发育,还有受后期构造活动改造或地层沉积过程历经的风化剥蚀,进一步强化了局部地层裂缝的发育^[4],呈现出火成岩地层可压缩的“弹性”属性。受上覆地层的重力作用,火成岩孔缝空间被压缩,使地层也具有“压实”特征,可以应用欠压实理论预测火成岩地层压力。但火成岩地层还有块状、厚层等具备不可压缩的“钢性”属性,故不能一成不变地套用沉积岩压力预测方法。

根据已钻井录井剖面,选取深层下部地层低伽马值泥页岩段所对应的声波时差数据,回归深部地层正常压实趋势线。把深层上部地层和下部地层正常压实趋势线形成的夹角(θ)作为一个新的量化指标,即图2中上部红色直线和下部黄色直线的平面夹角。火成岩发育程度与构造位置的变化关系导致上下部地层正常压实趋势线夹角θ的不同。如图2所示,XS 27井位于徐家围子坳陷中部,构造位置低,火成岩发育,厚度较大,上下部地层正常压实趋势线的夹角θ较大;而靠近坳陷边缘的SS 3井,构造位置高,火成岩不发育,上下部地层正常压实趋势线夹角θ变小,近于平行(有的井会重合)。通过区域正常压实趋势线斜率K值或夹角θ值,可显示地层的构造位置不同,把地层正常压实趋势线在地质意义上进行了统一,有效解决了火成岩地层压力预测问题。

通过深层上下部地层正常压力趋势线的确认,解决了深层复杂地质条件下已知井地层压力剖面的建立问题。完成新井的地层压力预测,还需要针对深层的勘探程度和不同地层的地质特点等实际情况进行研究,建立与其相适合的压力预测外推方法,完善地层压力预测方法。

3.2 深层地层孔隙压力特征总结和应用

地层压力预测工作的各个环节,如源数据的获取、压力计算、剖面校正和预测外推等,都不能脱离地质分析这项基础工作。在此基础上,地层压力预测剖面外推法可以较好地解决松辽盆地深层钻探中遇到的诸多问题。以下进行总结和应用介绍。

3.2.1 深部地层压力与地质特征的关系

在该区域深层钻探中,由于已知邻井数据少,且数据匹配关系较差,增大了地层压力预测工作的难度。通过统计分析生产作业中的实测数据,认识区域上地层压力分布的基本情况,结合深部地层压力分布的特征,建立地质特征与地层压力的关系模型,解决单井地层压力预测中数据不全等问题。深部地层孔隙压力数据来源于测试或试油数据。按构造单元细分,统计该区域113口井216个数据点(表1),建立了松辽盆地北部徐家围子登娄库组、营城组孔隙压力平面分布图(图3)。宏观上,从三肇-朝阳沟背斜带到徐家围子断陷中部,压力值由低到高,其原因是三肇-朝阳沟背斜带,构造阶梯状排列处于相对高位,上部地层剥蚀,压力释放后数值较小;徐家围子的营城组构造运动强烈,火山喷发,地应力相对高,地层压力值较高;中间的斜坡可以理解为一个压力过渡带,其数据值中等,同时存在高低值。通过建立地质地层与压力分布的关系模型,把零散的压力数据整合到地质体数据中,基于岩层地质属性的相关性,借鉴有限的数据,解决了压力数据在不同区域或层段上分布不均衡的问题。宏观上对不同区块或层位的压力分布特征的总结,是校正单井压力预测结果的一个重要依据,为地层压力预测剖面外推法的应用奠定基础。

3.2.2 地层压力预测剖面外推法的应用

由于深部地层复杂,井间地层可对比性不稳定,经常出现新井与已知邻井的地质特征不相匹配的情况(如地层的缺失或尖灭引起不同井间的对比层消失,不同井的对比层井深差异大等问题),用常规剖面外推方法往往预测结果偏差大。引入地震反演数据来进行地层压力预测,可修正这一问题。

地震资料中包含丰富的地质信息,如构造、物性、岩性等^[5]。地震反演是利用地表地震观测资料,以已知地质规律和已知钻井资料为约束,对地下岩层空间结构展布和物理性质进行成像求解的过程,也就是把界面性的地震资料转换为类似于测井的资料来解析相关地质信息,用于地层的横向对比。地震反演充分发挥地质资料具有良好剖面和空间控制作用的优势,利于实现一系列地质性质描述的目的。基于这样的认识,可以把地震反演的过程看做是地层地质信息的外推过程。所以,获得反演数据的同时,也完成了地质信息的获取和地层压力预测外推两个工作环节。应用地震反演数据计算地层孔隙压力剖面,进一步修正常规预测方法得到的结果,增强了预测数据的可靠性。预测结果经过试油结论的验证,效果良好。

综上所述,多种技术和资料的融合,提升了地层压力预测剖面外推法的正确性,显示出多技术融合的必要性,是深部地层压力预测应用的一个创新点,拓展了常规地层压力预测方法,形成了一套适应松辽盆地深部地层压力预测的新方法。

3.3 地层孔隙压力预测的应用效果

在综合分析地质、压力和钻井施工等情况的基础上,应用前述地层压力预测新方法,预测深部地层孔隙压力,在实际施工中显示出良好的应用效果。由表2可见,地层压力预测结果与试油数据对比,累计9口井10层数据,平均相对误差8.41%。每年预测新探井近百口,钻井施工无事故90%以上,验证了预测地层压力正确,压力窗口(针对一口井,由地层孔隙压力与地层漏失压力所控制的保证不漏、不涌、不塌、不卡的密度范围)测算合理,该方法在深层的适用性良好。

现以ZS 20井作为新井来进行分析。首先收集并分析了大量的邻井相关数据,如压力、地质、测井、钻井、试油及压裂等数据。在同一区域,该井位于徐西地区南部的断陷内,构造位置较低,地层火成岩发育,沉积较厚。根据构造位置和井位关系(图4a),选择邻井ZS 6为目标井,两口井地质特征相似,地层对应关系较好。

依据前述地层压力预测方法,根据深层地质特点把ZS 6井测井数据划分为上下两部分(图4b)。上部地层应用区域的地层正常压实趋势线(三肇凹陷区块内,已知单井正常压实趋势线K值的平均值)计算并建立了压力剖面;下部地层正常压实趋势线依据目标井ZS 6井测井声波时差曲线来建立,与上部区域地层正常压实趋势线的夹角θ较大。应用专业压力分析软件分别建立这两口井的压力剖面,借鉴深层地质与压力特征关系,参考表1中肇东-朝阳沟背斜带营城组数据(平均压力系数1.08),结合邻井实测压力数据,对新井地层压力曲线进行校正,再应用邻井地质分层数据,通过已知井压力剖面外推,建立新井的压力预测剖面。

邻井ZS 6井和ZS 8井曾多次发生油气浸和漏失、卡钻等事件。营城组实钻钻井液密度均小于ZS 6井,其值为1.141.18 g/cm³,ZS 8井为1.081.17 g/cm³,均小于1.18 g/cm³,扣除钻井液密度附加值0.050.10 g/cm³后,与表1中肇东-朝阳沟背斜带营城数据平均值1.08相当。总体上,该井压力预测结果(图4c)符合作业施工实际,无工程事故及复杂发生,验证了该方法可以正确预测地层压力,压力窗口选择合理。这为选择合适的钻井液密度,确保实现地质目的、工程作业和压力控制的统一,实现安全钻井提供了准确的压力数据基础。

该井完井阶段,试油结论也验证了地层压力预测结果的正确性。图4c中红色三角指示后期试油结果给出的地层孔隙压力数据。ZS 20井在沙河子组3 547.63 m试油,地层实测压力为38.2 MPa,折算地层压力当量密度为1.1 g/cm³,对比该井等深点预测压力当量密度为1.1 g/cm³,表明预测与实测数据吻合。

4 结束语

地层压力预测是个复杂过程,涉及多学科、多技术。地层孔隙压力预测方法,尤其是预测压力剖面外推法在松辽盆地北部深层的应用中,引入了诸多地质分析方法,深化了地层压力预测技术,在实际应用中效果显著。但是,不同的油藏有不同成因机理和演化史,与其相适应的地层压力预测方法也不同,需要考虑更多技术的介入,进行多技术融合,不断完善地层压力预测方法。采用多技术融合方法预测地层压力是油气田勘探开发中地层压力预测工作发展的主要方向。

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参考文献

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