引用本文
邱万军, 胡益涛, 印森林. DRIFTS与随钻地层孔隙压力监测协同耦合的复杂超压判别方法[J]. 录井工程, 2025,36(3): 58-64.
QIU Wanjun, HU Yitao, YIN Senlin. Complex overpressure discrimination method for synergistic coupling of DRIFTS and formation pore pressure monitoring while drilling[J]. Mud Logging Engineering, 2025,36(3): 58-64.
Doi:10.3969/j.issn.1672-9803.2025.03.009  
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DRIFTS与随钻地层孔隙压力监测协同耦合的复杂超压判别方法
邱万军①, 胡益涛①, 印森林②
①中法渤海地质服务有限公司湛江分公司
②长江大学录井技术与工程研究院

作者简介：邱万军 助理工程师,1996年生,2019年毕业于广东石油化工学院石油工程专业,现在中法渤海地质服务有限公司湛江分公司主要从事海洋钻井现场综合录井工作。通信地址：524057 广东省湛江市坡头区南油5区物业楼2楼中法地质。E-mail：qiuwj@cfbgc.com

收稿日期: 2025-08-13
摘要

针对传统地层孔隙压力监测方法在生烃增压作用较强地层中存在的不足,提出一种基于地层孔隙压力监测技术与漫反射红外傅里叶变换光谱（DRIFTS）技术协同耦合的新型地层压力趋势判别方法。在随钻地层压力监测过程中,利用测录井参数（如 dc指数、声波时差、电阻率等）偏离正常趋势线的特征识别异常压力地层,同时引入DRIFTS技术快速分析岩屑样品的矿物成分、总有机碳含量（ TOC）及镜质体反射率（ Ro）,揭示有机质生烃增压效应。以珠江口盆地文昌A凹陷B井为例,通过地层压力技术与DRIFTS技术的协同耦合构建图板,进而识别出该井4 350 m为生烃增压拐点,发现地层孔隙压力上升趋势与 TOC、 Ro的升高趋势高度一致,验证了协同判别方法的有效性。与传统模型相比,该方法能够同时量化欠压实与生烃作用的超压贡献,显著提高了复杂超压机制地层的压力判别精度。DRIFTS技术对矿物与有机质的高分辨率分析能力,与随钻压力监测数据的动态结合,为钻井工程提供了更可靠的地层压力预测与安全指导,具有重要现场应用价值。

关键词: 地层压力; 随钻监测技术; DRIFTS技术; 协同耦合; 生烃增压; 珠江口盆地
中图分类号:TE132.1 文献标志码:A
Complex overpressure discrimination method for synergistic coupling of DRIFTS and formation pore pressure monitoring while drilling
QIU Wanjun①, HU Yitao①, YIN Senlin②
①Zhanjiang Branch, China France Bohai Geoservices Co., Ltd., Zhanjiang, Guangdong 524057, China
②Mud Logging Technology and Engineering Research Institute of Yangtze University, Jingzhou, Hubei 434023, China
Abstract

In view of the shortcomings of traditional formation pore pressure monitoring methods in the strata with strong hydrocarbon generation pressurization effects, a new method for discriminating formation pressure trend based on synergistic coupling of formation pore pressure monitoring technology and diffuse reflectance infrared Fourier transform spectroscopy（DRIFTS） technique is proposed. During the process of formation pressure monitoring while drilling, the characteristics of logging parameters （such as dc index, interval transit time, resistivity, etc.） deviating from the normal trend line are used to identify abnormal pressure formations. At the same time, DRIFTS technique is introduced to rapidly analyze the mineral composition, total organic carbon content （ TOC） and vitrinite reflectance （ Ro） of cuttings samples, revealing the hydrocarbon generation pressurization effects of organic matter. Taking well B in Wenchang A Sag of Pearl River Mouth Basin as an example, a chart was constructed through the synergistic coupling of formation pressure and DRIFTS techniques, and then 4 350 m was identified as the inflection point of hydrocarbon generation pressurization, and it was found that the rising trend of formation pore pressure was highly consistent with the increasing trend of TOC and Ro, which verified the effectiveness of the synergistic discrimination method. Compared with the traditional models, this method can simultaneously quantify the overpressure contributions of undercompaction and hydrocarbon generation, significantly improving the pressure discrimination accuracy of complex overpressure mechanism formations. The high-resolution analysis ability of DRIFTS technique for minerals and organic matter, dynamically combined with the data of pressure monitoring while drilling, provides more reliable formation pressure prediction and safety guidance for drilling engineering, and has important field application value.

Keyword: formation pressure; monitoring while drilling; DRIFTS technique; synergistic coupling; hydrocarbon generation pressurization; Pearl River Mouth Basin
0 引言

异常地层孔隙压力形成机制由一种或多种因素叠加控制, 主要包括地质、物理、地球化学和动力学等成因类型。异常高压的形成必须满足一定体积的孔缝空间和孔隙流体, 以及具备封存异常高压流体的良好封闭环境。当流体体积大于孔缝空间体积时, 就会产生异常高压。研究表明, 异常高压的形成来源可分为欠压实作用、构造作用、孔隙流体膨胀作用、地层抬升作用、剥蚀作用和流体密度差异作用[1, 2, 3, 4, 5, 6, 7], 其中欠压实作用与孔隙流体膨胀作用最为常见。在生烃增压作用较强的地层, 往往存在起压速度快、压力过渡带不明显的特征, 传统的地层压力监测方法难以准确识别, 针对这一局限性, 本文提出了一种基于随钻地层孔隙压力监测技术与漫反射红外傅里叶变换光谱（DRIFTS）技术协同耦合的新型地层压力趋势判别方法, 以提高复杂超压机制地层的预测精度, 为现场钻井作业提供更可靠的技术支持。

1 随钻地层压力监测技术

地层孔隙压力趋势分析与压力剖面构建是钻井工程中井身结构设计与钻井液密度优化的核心依据。随钻测井技术通过动态获取井下参数, 已成为当前地层压力预测中时效性最强、精度最高的手段之一。其理论基础在于沉积岩快速沉积时, 孔缝中的流体无法及时排出, 导致地层产生欠压实现象, 从而形成异常地层压力。目前欠压实作用是地层异常压力最主要的一种成因。

进行随钻地层压力建模时, 需要引入正常趋势线的概念, 正常趋势线经历多年的演变[8], 已发展出基于有效应力理论的系列方法（如Eaton法、dc指数法等）。尤其Eaton法在国内取得了很好的现场应用效果, 其核心在于通过实时测井参数偏离正常趋势线识别欠压实超压层, 为钻井安全提供关键依据。

1.1 欠压实超压判识

泥岩压实是一个非线性过程, 在浅部地层（垂直有效应力较小时）, 泥岩孔隙中流体（水为主）易被排出, 颗粒快速靠拢, 孔隙度随应力增加而急剧降低; 随深度增加（垂直有效应力增大）, 孔隙中剩余流体难以排出（泥岩渗透性极低）, 颗粒间接触紧密, 孔隙度下降速率逐渐减缓, 最终趋于一个稳定的残余孔隙度（受矿物颗粒本身压缩极限限制）。

利用泥岩孔隙度与垂直有效应力可建立指数衰减模型[9]：

ϕ=ϕ0e-kσev（1）

式中：ϕ 为泥岩孔隙度; ϕ 0为地表或初始沉积时的泥岩孔隙度; k为地区或地质年代相关系数; σev为垂直有效应力。

当泥岩地层处于正常压实状态时, 垂直有效应力会随着地层埋深增加而逐渐变大, 孔隙度会逐渐变小, 因此可以认为泥岩孔隙度与地层埋深成反比关系。定义泥岩孔隙度随深度增加而减小这条曲线为正常趋势线。利用这一特点, 建立横坐标为泥岩孔隙度、纵坐标为深度的对数曲线。实钻过程中, 当泥岩孔隙度持续偏离正常趋势线时, 所钻地层为异常压力地层。依此类推, 在随钻过程中, 若dc指数、随钻电阻率、随钻声波时差偏离正常趋势线, 则同样定义偏离正常趋势线地层为异常压力地层。如图1所示, 珠江口盆地文昌A凹陷B井在恩平组一段钻遇大段泥岩后, 可以看出dc指数、电阻率、声波时差均出现往左偏离趋势线的现象, 表明此段地层为异常压力地层, 地层孔隙压力处于抬升状态。

图1 文昌A凹陷B井随钻地层压力综合剖面图板

1.2 动态压力剖面构建

进行新地区钻井时, 利用钻井参数和测井参数分别建立对应的正常趋势线, 随着钻井的进行, 将实际收录的参数值投到相应对数坐标轴上, 并通过实际测井参数与正常泥岩地层参数的比值来判断压力异常带, 进行地层孔隙压力的计算（公式2-公式4）, 从而建立地层压力剖面图板。该图板集地层层位、岩性、测井数据（随钻电阻率、声波时差、自然伽马等）等资料于一体, 能够全面展示地层剖面相关信息（图1）。

p1=p0-（p0-ph）（R0RN）1.2（2）

式中：p1为电阻率计算地层孔隙压力, Pa; p0为上覆地层压力, Pa; ph为正常静水压力, Pa; R0为计算点泥岩测井电阻率, Ω · m; RN为计算点泥岩正常电阻率, Ω · m。

p2=p0-（p0-ph）（dcdcn）1.2（3）

式中：p2为dc指数计算地层孔隙压力, Pa; dc为计算点实际可钻性指数; dcn为计算点正常可钻性指数。

p3=p0-（p0-ph）（DTNDT）3（4）

式中：p3为声波时差计算地层孔隙压力, Pa; DTN为计算点正常声波时差, μ s/ft; DT为计算点测井声波时差, μ s/ft; 其中, 1 ft=0.304 8 m。

一般工程上为了易于对比地层压力与钻井液密度关系, 通常利用公式（5）将地层孔隙压力的单位换算成g/cm3。

ρ=pgH×103（5）

式中： ρ为密度, g/cm3; p为压力, Pa; g为重力加速度, 9.81 m/s2; H为垂直深度, m。

2 漫反射红外傅里叶变换光谱技术

漫反射红外傅里叶变换光谱技术是一种适用于井场岩屑分析的快速筛选技术, 可在30 min内同步获取矿物成分、总有机碳含量（TOC）及镜质体反射率（Ro）参数[10, 11, 12, 13, 14], 为生烃增压地层的超压判别提供地球化学依据。

2.1 技术原理

DRIFTS技术采用装有反射前端模块的Bruker Alpha-R光谱仪进行测量。该光谱仪测量中红外区域375~4 000 cm-1之间漫反射红外光的强度, 岩屑样品矿物成分中的化学键以特征频率吸收红外（IR）辐射, 从而产生红外吸收光谱。由于每种矿物都有一组独特的吸收峰和峰形, 通过将未知样品的测量光谱与已知矿物标准光谱库进行加权最小二乘回归, 可以量化未知样品中的矿物浓度。当前方法可求解9种无机矿物成分（蒙脱石、伊利石、高岭石、绿泥石、石英-长石、白云母、方解石、白云石和硬石膏）的浓度。利用中红外光谱中对应于脂肪族C-H伸缩区域（2 800~3 000 cm⁻¹ ）的部分来估算有机质（干酪根）浓度和热成熟度。通过将有机质的质量浓度除以1.2（以考虑干酪根中的H、N、O和S等非碳成分）, 可将有机质浓度转换为TOC[15]。总而言之, 此项技术不仅能够测量岩屑样品中部分矿物成分, 并且能够测量其中的有机质浓度。

2.2 岩屑处理及分析流程

在进行DRIFTS技术测量前, 需要对岩屑样品进行热清洗, 目的是去除钻井液和钻井液添加剂的影响, 并且为了提高扫描精度, 需要对岩屑样品加以研磨, 最后将研磨后的样品放置在光谱仪下方进行测量。该项技术可以在没有测井曲线的情况下分析地层矿物主要成分, 单次测量时间一般为30 min左右, 并且能够根据实际需求加密样品深度间隔, 协助地质工作者快速建立地层岩性剖面。此外, 一般测井工具与钻头具有一定的距离, 因为测井工具零长的原因, 零长以下地层无法测到, 但DRIFTS技术可以通过捞取该段岩屑进行矿物成分测量, 实现岩性标定。

2.3 测量数据分析

表1为A井珠海组二段DRIFTS技术测量岩屑样品数据, 该数据为钻进时捞取的样品分析所得, 取样间隔为10 m。对比各种矿物成分百分比可快速区分岩性, 并且可以观察到3 610~3 690 m井段岩屑样品的TOC、Ro含量变化。若想提高地层岩性分辨率, 可以加密取样间隔, 将取样间隔加密至5 m/次或2 m/次, 岩性样品间隔越密, 地层岩性剖面数据越准确。测量后的数据可以快速成图（图2）, 可以及时观察到地层矿物成分与TOC随深度的变化趋势。石英+长石、黏土矿物（伊利石等）占比变化反映沉积时物源供给（如伊利石陡增, 表明物源区黏土输入可能发生变化）、成岩作用（如白云母、方解石变化, 指示碳酸盐胶结或黏土转化）, 进而影响地层孔隙结构、岩石力学性质。TOC变化反映原始有机质富集程度, 高值段（3 650~3 680 m）可能是沉积时还原环境好、有机质保存佳, 是潜在烃源岩发育层。Ro数值波动体现热演化差异：整体稳中有升, 说明随深度增加, 地温等使有机质逐步演化; 局部波动（如3 680 m, Ro为0.9%）可能与局部热流、地层埋深速率不同有关, 影响生烃进程与阶段。表1中TOC和Ro呈抬升趋势, 表明当前地层逐渐进入烃源岩发育层。

表1 A井珠海组二段DRIFTS技术测量岩屑样品数据

图2 A井珠海组二段DRIFTS技术测量岩屑样品成果

3 双技术协同耦合应用

文昌A凹陷作为珠江口盆地典型的生烃凹陷, 主要发育古近系文昌组（中深湖相腐泥型、浅湖相腐殖-腐泥混合型）与恩平组（浅湖相腐殖-腐泥混合型、河沼相腐殖型）2套主力烃源岩。受控于先存断裂的存在及应力场的变化, 该区古近系主要发育早期张性断裂及伸展-走滑断裂2种类型的断裂体系。其差异性对盆地内各凹陷油气成藏条件具有不同的控制作用, 断裂的形成和演化不仅控制了储集体的分布, 形成多种类型圈闭, 也为油气垂向运移提供了主要通道。A凹陷的超压机制主要为欠压实与生烃作用, 早期以欠压实作用为主, 晚期则以生烃作用为主[15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22]。

对于以生烃作用机制为主的地层, 常规欠压实的压力模型无法准确判断地层孔隙压力变化趋势。通过结合DRIFTS技术, 将TOC和Ro变化趋势引入随钻地层孔隙压力监测图板, 二者的变化趋势与地层孔隙压力变化趋势具有较好的相关性和一致性。

以文昌A凹陷B井4 200~4 600 m井段（数据间隔为50 m）为例, 该井DRIFTS技术测量岩屑样品矿物数据如表2所示。采用表中TOC和Ro数据与随钻地层压力数据, 同时引入一个裂解烃量的参数（裂解烃量代表裂解生成气的能力）, 其数据来源于地球化学录井分析仪分析结果。综合上述所有数据, 绘制出随钻地层孔隙压力技术与DRIFTS技术协同耦合图板（图3）。

表2 文昌A凹陷B井地层DRIFTS技术测量岩屑样品矿物数据

图3 随钻地层孔隙压力技术与DRIFTS技术协同耦合图板

通过实际测井参数与正常泥岩地层参数比值, 利用公式（2）-公式（4）, 对相关参数进行地层压力计算, dc指数、电阻率和声波时差计算结果共同表明, 地层压力从4 200 m开始升高, 地层压力梯度从1.01 g/cm3抬升, 至井底达1.98 g/cm3, 尤其在4 350 m左右, 地层压力出现拐点, 压力梯度上涨较快（图3）。DRIFTS技术生烃参数显示岩屑TOC由1.06%增至4.07%, Ro从0.8%升至1.2%, 裂解烃量同步跃升。通过协同拐点识别, 4 350 m处蒙脱石含量突增至7.6%、TOC突破3.4%（表2）, 压力系数陡增0.15, 标志生烃增压成为主导机制。

此案例表明地层孔隙压力上涨趋势与TOC、Ro上升趋势具有一致性。通过结合DRIFTS技术中TOC和Ro变化趋势（随深度变化）和随钻地层孔隙压力计算结果来辅助判断地层孔隙压力变化趋势, 具有较高的准确度, 在现场应用中能够取得良好的效果。

4 结论

（1）对于欠压实作用为主的超压地层, 通过判断正常趋势与实际测井值偏离趋势, 可较好地指示地层超压程度和判断压力过渡带与异常带。但对于叠加其他超压机制的地层, 尤其是在生烃增压作用较强的地层, 通过Eaton法只能计算出欠压实作用贡献的超压值, 生烃作用对超压的贡献值无法通过该模型得出。由于国内外对于生烃增压贡献值计算的研究较少, 暂没有更好的方法能够在随钻过程中准确得出具体的生烃增压贡献值。

（2）DRIFTS技术作为一项新技术, 在分析地层岩屑样品方面具有高精度、高分辨率的优点, 不仅可以分析地层中矿物成分与有机质含量, 还可以将这两项结果以具体百分比数值体现, 对于建立地层岩性剖面图帮助很大。

（3）两种技术耦合方法能够有效突破单一机制模型的“ 盲区” , 为生烃活跃区进行钻井作业提供高精度的风险预警, 在油气勘探开发领域具有不可忽视的学术价值与现场应用价值, 不仅有助于深入理解复杂地质条件下的地层压力变化机制, 而且能够为提高钻井安全性、优化勘探开发方案提供重要的理论依据和技术手段, 对推动类似地质环境下油气行业的勘探开发进程具有积极意义。

（编辑 卜丽媛）

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