基于超压成因机制的压力预测方法与应用

景琛

(中石化华北油气分公司采气一厂,河南 郑州 450006)

0 引 言

富油凹陷盆地中,孔隙流体压力的准确预测是安全钻井、井身结构设计的基础,也是压力控藏研究、油气藏开发的重要依据[1-3]。前人提出了多种压力预测的方法,主要包括3类:基于地震资料的方法[4-6]、基于钻时资料的方法[7]和基于测井资料的方法[8-12]。对于成熟探区,最常用的方法是基于测井资料的等效深度法[9]和Eaton法[11]。目前,根据等效深度法和Eaton法的压力预测在资料预处理、预测步骤、结果检验等方面都已形成了一套完整的流程[13-16]。但在实际研究中,压力预测采用的方法尚缺少选择的依据以及多方法的对比,并缺少误差分析,导致所预测的压力存在较大差异。

为了提高压力预测精度,完善压力预测流程,本文在前人研究基础上,重点对比分析目前常用的等效深度法和Eaton法的适用条件及预测过程中的误差,并以沾化凹陷渤南洼陷为例,探讨预测参数的优选方法,进而分析2种压力预测方法的有效性和适用条件,为预测方法优选提供依据。

图1 等效深度法和Eaton法预测压力原理示意图

1 压力预测方法

等效深度法和Eaton法都利用测井资料进行地层压力预测,是目前压力预测最为常用的方法,但2种方法的理论依据及预测流程不同,导致适用条件也存在明显差异。

1.1 等效深度法

等效深度法又称平衡深度法,理论依据主要是有效应力定理,认为具有相同孔隙度的地层其压实程度相同,岩石的骨架应力也相同,即理论上认为同样的孔隙度值的2个深度点对应相同的有效应力[见图1(a)],据此可计算B点的孔隙流体压力pB[9]

pB=po,B-(po,A-pA)=ρmg(HB-HA)+ρwgHA

(1)

式中,pA、pB分别为A、B深度处孔隙流体压力,MPa;po,A、po,B分别为A、B深度处上覆岩层压力,MPa;ρm、ρw分别为上覆岩层、地层水密度,g/cm3;g为重力加速度,取值为0.009 81;HA、HB分别为A、B点的深度,m。

等效深度法预测压力的关键是A点深度HA和上覆岩层密度ρm的求取,即需要建立准确的正常压实趋势线和地层密度—深度关系曲线。等效深度法是基于孔隙度的压力预测方法,主要适用于欠压实作用引起的地层压力预测,对其他成因的超压(如流体膨胀作用等),应用效果可能不理想[17]。

1.2 Eaton法

Eaton法是一种半经验半定量的压力预测方法,其原理是在碎屑岩地层中,超压带内压实曲线受超压的影响而偏离正常趋势,偏离的幅度与超压强弱具有正相关关系。通过引入伊顿系数c,建立了同一深度点正常压实趋势下的参数值与实测值之间的比值与地层压力的经验关系,进而预测地层流体压力[11][见图1(b)]

ρmgHB-(ρmgHB-ρwgHB)(Δtnorm/Δt)c

(2)

式中,pB、po,B、pn,B为B点孔隙流体压力、上覆岩层压力、静水压力,MPa;Δt、Δtnorm分别为B点实测、正常声波时差,μs/m;c为伊顿指数;ρm、ρw为上覆岩层、地层水密度,g/cm3;g为重力加速度,取9.8 m/s2;HB为B点埋深,m。

Eaton法是在等效深度法的基础上,引入了伊顿系数c,通过改变c值,可以校正不同成因机制对预测压力的影响,因此,Eaton法不仅可用于预测欠压实成因的超压,也可以预测流体膨胀等其他成因的超压[18-21]。该方法不仅需要建立准确的正常压实趋势线和地层密度深度关系曲线,也需要优选合适的伊顿系数c。伊顿系数c值受地层岩性、成岩程度、超压成因机制等影响[22-23],不同地区存在明显的差异。在墨西哥湾盆地,伊顿指数c取3效果较好[11];文莱Baram盆地中,盆地边缘c取3、盆地中部c取6.5效果较好[17];在伊朗南部盆地中,伊顿系数c取0.5效果较好[24]。

2 压力预测参数与方法优选

渤南洼陷是沾化凹陷中部埋深最大的3级负向构造单元,超压普遍发育,超压对研究区油气的生成、运聚和分布具有重要的影响[25-28]。经过近50年的油气勘探,渤南洼陷基础资料齐全,测井资料丰富,有助于分析压力预测环节(正常压实趋势线、分段拟合密度—深度关系、迭代法确定伊顿系数c)的误差,优选预测参数。同时,渤南洼陷不同构造带的超压成因机制差异较大[26,29],有利于探讨等效深度法和Eaton法对压力预测的适用条件以及有效性的对比,为压力预测方法优选提供依据。

图2 ××5井正常压实趋势线与声波时差匹配关系图

2.1 正常压实趋势线优选

拟合正常压实趋势线之前,需要初步分析研究区正常压实泥岩段声波时差(AC)变化趋势,确定分构造带拟合或者全区拟合1条曲线。渤南洼陷不同构造带之间AC变化趋势存在明显差异,因此,分构造带拟合出3条主要的正常压实趋势线3、4、5,同时,结合前人在进行渤南洼陷压力预测时所建立的正常压实趋势线1、2[25-26](见图2),共得到5条可能的正常压实趋势线。对于每一口压力预测井,分别用所建立的正常压实趋势线进行匹配,同时结合压力实测值,优选出预测效果最好的正常压实趋势线。

以××5井为例,通过正常压实趋势线与声波时差资料(AC)匹配,可优选正常压实趋势线。实测声波时差数据显示,××5井发育顶、底2套正常压实层段: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之下发育超压(见图2)。因此,正常压实趋势线优选过程中分别分析不同趋势线与2套正常压实层段声波时差的吻合程度。××5井正常压实趋势线与声波时差匹配关系表明,曲线1在顶部正常压实层段吻合较好,而在底部(3 150～3 700 m段)大于实测值,趋势线发生偏离;曲线2在顶部正常压实层段明显低于实测值;曲线4在2套正常压实层段内均略低于实测值;曲线5明显偏离实测值;曲线3吻合程度最高,为最优趋势线。

对渤南洼陷不同构造带65口井的正常压实趋势线优选结果表明,研究区不同构造带具有不同的最优趋势线:对于渤南深洼带和北部陡坡带,选取趋势线3;对于断阶带和四扣深洼带,选取趋势线4;对于南部缓坡带,实测声波时差数据存在2种明显不同的变化规律,分别与曲线1和5相匹配。

2.2 上覆岩层密度—深度关系

上覆岩层的密度是上覆岩层压力计算的关键,受测井资料的限制,每口井的密度实测值一般只集中深部目的层段,而浅部资料则较少。因此,需要拟合上覆岩层密度与深度的关系曲线。但目前地层密度与深度并无公认的关系,秦润森等[25]利用线性关系拟合了密度随深度变化曲线,而Liu R等[30]认为密度与深度之间符合非线性关系。

对于渤南洼陷上覆岩层密度—深度关系,直接利用线性方程、非线性方程拟合全井段密度—深度关系的效果都较差,相关性很低。实测密度与深度关系分析结果表明,研究区中部(1 500～3 500 m井段)密度—深度关系符合线性关系,浅部(<1 500 m)和深部(>3 500 m)明显偏离趋势线,并考虑到各井实测密度数据主要集中在中深部,浅部数据较少,数据筛选发现仅×602井浅部(<1 500 m)密度数据较全、具有代表性。实际应用中,采用3段式密度拟合:浅部(<1 500 m),直接采用×602井实测密度数据;中部(1 500～3 500 m井段),采用所拟合的线性关系;深部(>3 500 m)采用各预测井实测的密度数据(见图3)。利用此方法得到的密度—深度关系与实际数据符合程度较高,由此计算的上覆岩层压力可靠性更高。

图3 不同构造带密度深度关系图

2.3 伊顿指数c确定

前人研究结果表明,伊顿指数c值在-5～50都可能,主要集中于0～12.6[20]。本文引入了预测压力的相对误差平方和,采用迭代法确定合适的c值。

首先在0～12.6之间随机选值,通过初步计算,确定研究区最优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),选择12口具有实测压力值的井,求出不同c值所对应实测压力深度处的压力,并计算实测压力与预测压力的相对误差,考虑到相对误差有正有负,选择相对误差平方和最小的c值作为最终结果。根据不同c值与预测压力相对误差平方和关系图(见图4),可以确定c值取2.6时,预测效果最好。

图4 伊顿指数c值与预测压力相对误差平方和关系图

2.4 压力预测方法优选

在正常压实趋势线、密度—深度关系及伊顿指数c准确确定的基础上,从不同构造带选择20口具有实测压力数据的井,分别采用等效深度法和Eaton法进行压力预测,实测压力与预测结果数据如表1所示,并据此对比2种方法的相对误差。

表1 实测压力与等效深度法和伊顿法预测压力结果对比

相对误差分析结果表明,不同构造带中2种方法的预测结果差别较大:缓坡带和陡坡带中,等效深度法的预测误差明显低于Eaton法,而在渤南深洼带、断阶带和四扣深洼带,Eaton法预测结果较好。预测方法优选结果与超压成因相匹配:渤南深洼带、四扣深洼带、断阶带生烃强,生烃增压为主,缓坡带、陡坡带以欠压实增压为主[26,29],符合2种方法的适用条件。因此,可以根据超压成因机制选择压力预测方法:对于欠压实成因超压,等效深度法和Eaton法都适用,可采用2种方法预测,并根据预测结果的相对误差进一步优选;而对于流体膨胀成因或其他成因的超压,等效深度法不适用,可采用Eaton法进行预测。

2.5 地层压力预测

在正常压实趋势线拟合、密度—深度“三段式”拟合以及Eaton指数c优选的基础上,利用声波时差、密度测井资料对渤南洼陷各构造带单井的地层压力进行预测。以××4井为例,该井位于渤深4断阶带,正常压实趋势线选择趋势线4(见图2);目的层段位于2 000 m以下,密度—深度关系采用“三段式”中的中部、下部2段拟合结果;压力预测方法选择Eaton法,伊顿指数c选择2.6。将所优选的参数代入式(2),可以预测××4井的地层压力。预测结果表明,××4井Es3、Es4段整体发育超压,其中Es3压力系数介于1.2～1.4之间,Es4压力系数整体在1.4左右。4 211.25 m处的实测压力数据表明预测结果较准确,误差仅2.81%(见图5)。

图5 ××4井地层孔隙压力预测结果

根据所优选的正常压实趋势线、密度—深度关系和Eaton指数c,采用等效深度法预测南部缓坡带和北部陡坡带的地层压力,采用Eaton法预测渤南深洼带、渤深4断阶带和四扣深洼带的压力。结果表明,渤南洼陷不同构造带20口井的预测压力平均相对误差仅为4.8%,预测精度明显提高。

3 结 论

(1) 等效深度法主要适用于欠压实成因超压的预测,正常压实趋势线和上覆岩层密度—深度关系曲线是利用等效深度法预测压力的关键。在正常压实泥岩段声波时差(AC)变化趋势分析的基础上,建立可能的正常压实趋势线,据此与压力预测井的AC进行匹配,同时结合压力实测值,可优选出预测效果最好的正常压实趋势线;可通过分段拟合的方法建立最符合实际的密度—深度关系。

(2) Eaton法适用于多种成因超压的预测,伊顿指数c值的优选是利用Eaton法预测压力的关键。对于Eaton指数c,可通过随机选值、初步确定伊顿指数c的范围,在此基础上,引入参数预测压力相对误差平方和,通过迭代法确定最优的伊顿指数c。

(3) 超压成因机制是压力预测方法优选的重要依据,如渤南洼陷深洼带、断阶带和四扣深洼带以生烃超压为主,采用Eaton法预测误差较低,而南部缓坡带和北部陡坡带以欠压实超压为主,等效深度法预测效果较好。