陵水LS25-3-1井地震层速度在钻前压力预测中的应用

苏 超



陵水LS25-3-1井地震层速度在钻前压力预测中的应用

苏 超

（东北石油大学， 黑龙江 大庆 163318）

地层孔隙压力作为一个地质参数在油气勘探、钻井工程及油气开发中占有十分重要的地位。如今的钻井区域已经由陆地转向海洋，由浅海转向深海发展。随着石油勘探开发进程的不断推进，钻井工程所面临的地质条件越来越复杂，就钻井工程而言，孔隙压力是实现快速、安全、经济钻进的一个必不可少的重要参数，如何综合利用各种信息在钻井之前准确预测，已成为钻井工程迫切需要解决的问题之一。本文依据大量的详实数据，将陵水LS25-3-1井在钻前与钻后的地层压力剖面图加以对比分析，有力地论述了该方法在实际生产实践中的可行性，为钻井提供可靠保障。

地震波； 钻井工程； 压力预测； 声波时差； 密度拟合

通过对陆上和海上油气田的勘探开发，其中的数据表明，地层压力异常的地区大量存在，而钻井过程中存在的异常高压地层比低压地层更多。压力系数从1.10~1.60以上的地层压力可定义该地层为异常高压地层。例如，塔里木油田的北缘的库车坳陷、中原油田的文留结构沙四段地层、冀东油田的高尚堡构造沙三段等。本文主要介绍南海陵水LS25-3-1井在钻前压力预测与钻后测井资料的对比情况。

目前，在钻井行业中公认关于地层压力异常的形成机理可认为有以下几种：

（1）岩石孔隙体积的变化：垂直载荷（欠压实）；侧向构造加载；次生胶结；

（2）孔隙流体体积的变化：温度变化；矿物转化；烃类生成；烃类热降解；流体（主要为气运移）；

（3）流体压力（水动头压力）变化和流体流动：渗透作用；流体压力压头；油田开采；永冻环境；相对密度差异（如气、油之间）。

在钻进过程中，目的层逐渐由浅层转向深层，碰到的地层压力体系相对复杂，对地层压力预测精度要求也相对提高，因此准确了解钻头前方地层压力变化对于制定合理的钻井措施，设计科学的井身结构、配制合理的钻井液体系、设计合理的完井方法、降低钻井成本、储层保护，具有十分重要的工程意义。这同时也是使得钻前地层压力预测技术持续发展的主要原因。

目前地层压力预测的原理都基于勘探地球物理学，即通过高分辨率的地震波，特别是三维地震，可用来精确地确定圈闭，产层的连通性，水体的大小，在有利的条件下，还可预测含油气范围。通过利用地震资料预测钻井的风险，如断层、油气分布范围及超压带，可以降低钻井成本[1]。

1 地层压力预测模型 — Eaton模型

Eaton法是现在常用于地层压力预测的经验方法，归纳了压实作用和其他异常高压形成的机理，类比和归纳了钻井实测压力与不同测井信息之间的联系，是一种相对实用的方法。Eaton法计算地层孔隙压力是依据地层压实理论、有效应力理论和均衡理论[2]。通过建立正常压实趋势线方程，从正常压实出发，依据泥岩地层实际测井数据，来定量计算偏离正常压实趋势线时地层孔隙压力的大小，公式如下：

伊顿指数可依据实际测量的地层孔隙压力资料求取：

静液柱压力是由液柱自身的重力所产生的压力，它的数值与液体的密度、液柱的垂直高度或深度有关[3]，即：

上覆岩层压力指的是覆盖在某一深度地层以上的地层基岩的重量和岩石孔隙中流体的重量的总和，所产生对该地层的压力：

由于地震波的反射的速度与反射时间呈反比，所以公式（2）也可写成如下关系：

Eaton方法实质上式反应的由于泥岩欠压实造成的异常高压，对其它因素引起的异常高压，该方法不适用。

2 地层密度模型 — Gardner模型

储层中流体性质（如石油和天然气的比重，油气比，天然气饱和压力等），对储层流体移动速度和密度都具有一定的影响。在某种特殊条件下，可令地震过程中的反射波特性发生突变[4]。基于理论与实践，在正常状况下，水饱和岩层的体积密度和波速明显地高于含气疏松岩层的值[5]。而含油和含水岩层的速度差值极小，即可能与含气有关，与含油无关。通过研究全球468个原油样品的压缩率（即体积模量的倒数）和体积密度，溶有较多的天然气的原油与一般的原油相比，压缩率和体积密度有很大差别，从而可导致反射特征突变。当原油的气油比增大时，体积密度反而减小[6]。同样密度也受周围储层参数的影响。总的来说气油比增大密度减小。气油比从0变化到3 000，体积密度同时缩减至原来的1/2，而含油气地层密度远小于不含油气的地层密度。因此与速度的多解性相比，求解地层密度可协助我们预测岩性和勘探油气。

储集岩层中存在孔隙以及微裂缝，可以使得岩石密度减小，地震层速率降低，影响了分界面上波阻抗大小、波阻抗差,进而间接影响了反射系数的分布情况。故需要建立密度与地震层速度、声波时差等参数的关系，即可估算出地层的密度[7]。

国内外专家提出了各种评价上覆岩层压力的方法，可将这些方法系统的分成两类，即密度补足法和上覆岩层压力直接评估法[8]。在密度补足法中，Garder模型通过建立密度-声波的相关性进而确定上部地层密度，其它方法则通过下部地密度测井数据的拟合来确定上部地层密度[9]。通过下部密度测井数据拟合确定上部地层的密度，基本上是建立在连续沉积压实假设的基础上的，类似的方法还有孔隙度法。孔隙度法通常通过建立孔隙度随井深变化曲线获得。

本文采用的密度补足法，Gardner模型如下：

3 应用实例

3.1 建立声波时差与地层速度的数量关系

3.2 建立趋势线方程

通过对声波时差测井所测量的弹性波在地层中的传播时间数据进行处理，进而可以确定地层的孔隙压力。声波时差可以反映岩性、压实程度和孔隙度[10]。由于声波时差测井在含气层呈现周波跳跃，但是在其他环境（如：井径、温度、地层水矿化度）的变化时所受的影响较小。所以用它评价和计算地层孔隙压力比较有效。

利用声波或层速度数据评价地层孔隙压力精度取决于所收集的原始声波或层速度资料的质量[13]。另外，由于地层压力还会受温度、应力等因素的影响，为准确预测地层压力还需对声波或层速度数据的趋势线进行修正。

根据钻前的地震层速度与深度的关系建立图像：

图1 声波时差的自然对数与地层深度的关系曲线

根据图像：建立1 300~2 500 m的趋势线方程：

图2 正常压实段的趋势线方程

由此求解出趋势线方程：

此回归方程的相关性²= 0.996 05，接近1.00，说明相关性强，此方程符合条件。

反求声波时差与地层深度的关系方程，可知：

3.3 拟合地层密度

通过钻前测量的地震层速度（换算成对应的声波时差）与钻后测井的声波时差数据，可求得对应的地层密度（该公式在此研究区块A、B皆取0.25）。

3.4 静液柱压力

3.5 上覆岩层压力

上覆岩层压力是进行破裂压力计算、孔隙压力分析的基础数据，上覆岩层压力一般要通过对上覆地层密度的积分求取，但对于深水钻井，还要考虑水深及转盘高度的影响，设转盘面到海平面的高度为，海平面到海底泥面的深度为，泥面以下深度处的上覆岩层压力（如图3），可以通过下式计算：

式中，为海水密度，为岩层密度，为重力加速度。

根据上覆岩层压力：该区块0~1 000 m是海水。该区块的上覆岩层压力应分两段进行求解：

第一段（0~1 000 m）：

第二段（1 000~7 279 m）：

进入地层后，可认为一定深度内地层的密度是这段地层上下层面的平均值，即：

所以进入地层后的上覆地层压力为：

依据钻前地震层速度和钻后测井数据，将上覆岩层压力梯度随深度的变化绘制成图表，结果如下：

图4 上覆岩层压力梯度密度随地层深度的变化曲线

3.6 地层压力

在伊顿指数的选取上通过试算法确定，即：由于在钻前没有该井的计算数据，通过伊顿法利用地层压力测试数据反算该区块伊顿指数，结合邻井测井资料得到各井地层压力剖面该地层钻前地震层速度求得的地层压力当量密度的曲线进行对比，确定伊顿指数的数值为1.8。

根据钻前地震数据以及钻后测井数据，利用伊顿法（Eaton）（公式（1）、公式（6））预测地层压力，将计算结果绘制成图如下：

图5 地层压力当量密度随地层深度的变化曲线

表1 测井资料预测地层压力误差表

3.7 钻前数据与钻后数据处理分析

图4所示为钻前地震层速度与钻后声波时差测井数据所建立的上覆岩层压力梯度随地层深度变化的剖面。从该图中可以看出：钻前通过地震层速度分析得到的上覆岩层压力梯度与钻后声波时差测井测量到的上覆岩层压力梯度测算值吻合良好。钻前地震层所测量的0~1 000 m段为海水段，此段上覆岩层压力梯度为恒定值；大于1 000 m开始上覆岩层压力梯度呈现增大的趋势，且随着地层深度的增加地层的上部压实不断增加，导致上覆岩层压力当量密度值有变大的趋势。

图5给出了钻前地震层速度与钻后声波时差测井数据建立的地层压力梯度随地层深度变化的的函数关系曲线，该曲线反映了：钻前地震层速度预测的地层压力当量密度与钻后声波时差测井测量的地层压力当量密度能够很好地吻合。由钻前地震层速度的测量数据可以看出，该地层随着深度的增加呈现异常高压，并且在4 000~7 000 m处变化明显，其可能的成因是地层孔隙空间的缩小，包括构造挤压作用和快速沉积所引起的欠压实。

3.8 误差分析

地震速度不仅能一定程度地反映岩性变化，也可反映成岩程度—密度、孔隙度等，甚至能一定程度地反映孔隙流体的性质。声波测井是测量纵波在1 m地层内传播所需要的时间，其倒数为传播速率。这两种速度具有同样的物理意义。即异常地层压力在地震速度资料上具有在声波测井上相同的特征。因而从理论上讲：地震速度资料完全可以用与声波时差相同的方法评价地层压力。只是后者是井孔内测得，更直接、

连续和真实；前者是野外地(水) 面采集的，存在各种干扰和人为误差，精度稍逊。

相对于声波时差法，使用地震层速度资料计算地层压力的误差主要来自以下两个方面：

1)地震层速度本身的误差，在采集和计算中均可产生。

2)地层密度拟合的模型、伊顿指数的选取以及地层压实模式，即压实趋势线，受速度精度和岩性识别上的影响。

4 结 论

用伊顿法（Eaton）的原理，以陵水区块LS25-3-1井为研究对象，建立了地震层速度在钻前地层压力预测模型；通过钻后的声波测井来评价钻前预测的准确性，以此来肯定该方法有较高的精度，并且可以用于实际的生产实践中。

本文对钻前地震层速度预测地层压力进行了较为深入的研究，基于上述的研究可以得出以下几个方面的结论：

（1）对LS25-3-1井的孔隙压力进行统计（图5），统计结果表明LS25-3-1井属于正常的静水压力系统，但在3 600 m后出现不同程度的异常高压。

（2）沉积岩欠压实地层的地层压力预测：使用地震层速度进行地层压力预测，需要建立趋势线方程、拟合地层密度、计算上覆岩层压力。

（3）该方法的关键技术需要确定伊顿指数：在伊顿指数的选取上需要参考该井周围的邻井，通过周围邻井的地层压力利用试算法反算伊顿指数。

（4）对LS22-1-1井测井资料预测方法、研究院预测结果、层速度预测结果实测点进行对比分析（表1），结果表明这几种方法预测结果具有较好的一致性，都能和实测值很好的吻合（误差在10%以内），且测井资料预测结果精度相对较高，能满足工程需要。

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Application of the Seismic Velocity of Lingshui LS25-3-1 Well in Predrilling Pressure Prediction

（Northeast Petroleum University, Heilongjiang Daqing 163318, China ）

As a geological parameter, formation pore pressure plays an important role in oil and gas exploration, drilling engineering and oil and gas development. Today, the drilling area has turned to marine from land. With the development of petroleum exploration, drilling engineering geological conditions are more and more complex, how to integrate a variety of information to realize predrilling pressure prediction has become one of the problems to be solved urgently. In this paper, on the basis of detailed data, formation pressure profile chartsof Lingshui LS25-3-1 well before and after drilling were compared, the feasibility of the method in the actual production was effectively proved, which could provide a reliable guarantee for drilling.

seismic wave; drilling engineering; pressure prediction; acoustic time difference; density fitting

TE 122

A

1004-0935（2017）03-0304-06

2016-12-20

苏超（1993-），男，硕士研究生，辽宁省盘锦市人，现攻读东北石油大学油气井工程，从事钻井方向研究。