地震资料在海域勘探初期地层压力预测中的应用

2020-12-11张勇刚王红平王朝锋刘艳红左国平

石油地质与工程 2020年6期

张勇刚，王红平，王朝锋，刘艳红，庞旭，左国平

（中国石油杭州地质研究院，浙江杭州 310023）

超压在世界范围内广泛发育，几乎在所有的地质环境和年代地层中均可能存在。超压的形成机制往往受多种因素共同控制，如不均衡压实、生烃作用、水热增压、黏土矿物脱水、构造应力等。通常认为，除强挤压背景外，压实不均衡和生烃作用是形成规模超压的两种主要机制[1]；也有学者认为，相对新地层中，超压的形成更多受快速沉积引起压实不均衡的影响，比如美国墨西哥湾的诸多地区[2-4]、巴拉姆三角洲的前三角洲地带等[5]；相对老的沉积盆地中（澳大利亚南部等），侧向应力则对超压的形成起重要作用[6-7]。

对于地层压力的预测，不论在勘探阶段还是钻井过程中，都具有重要意义：在勘探阶段，对地层孔隙压力的预测有助于探索流体运移模式、评价盖层封闭有效性等；在钻井阶段，钻前地层压力预测有助于指导钻井泥浆的合理配备，使钻进过程达到最优化，最大限度地减小工程对原状地层的破坏，为人员安全提供保障，减少经济损失。

1 地层压力预测方法

对勘探程度不同的盆地，所能获取的资料类型不同，因此地层压力的预测方法也会有所差别。一些最可靠的定量超压检测和评价技术是以地球物理电缆测井为基础，但这些技术多数是已经钻开井孔获得测井和实际测试资料，是一种“事后”技术。在实际的勘探开发过程中，钻前进行地层压力预测，可以了解地下地层压力状况，降低钻井工程风险。目前钻前压力预测通常采用的方法有经验关系法（如Eaton 公式法、Bowers 公式法、Fillippone 公式法等）、等效深度法、有效应力法等，总体来看，这些压力预测方法基本上都是基于欠压实成因机制。Eaton 公式法是目前比较常用的一种经验关系法，既考虑了除压实作用以外，其他高压形成机制的作用，又总结和参考了钻井实测压力与各种测井信息之间的关系[9]。

Eaton（1976）改进公式[10-11]利用的是孔隙压力和其他几个参数的幂指数关系，这种关系并不随岩性或深度的变化而改变，其方法应用前提是给出一个假定的沉积压实条件，适用于砂泥岩层序：

式中：Pp为预测的孔隙压力，MPa；Pob为静岩压力，MPa；Ph为正常的静水压力，MPa；V为实测地层速度，m/s；Vn为地层正常压实时的速度，m/s；N为实验系数，通常为2～3。

地层压力预测方法中的关键引入参数是地层速度资料，地层速度通常会随深度增加而增加，但当出现超压带时, 常常伴随有速度反转特征，表现为低速异常响应，这是预测超压的理论基础。地层速度资料的获取来源主要是钻井和地震，钻井上可以从井筒的测录井声波数据获得，地震上可以从 VSP资料、地震反演层速度和叠加速度谱获取。VSP 资料是钻后获得，而海上钻井少、成本高，资料比较有限；地震反演层速度在无井地区需要高精度的地震资料，而且最好能有钻井约束，否则速度可靠程度不高，参考价值较低；地震叠加速度谱来源于地震资料处理，数据量较大且易于获得，数据纵横向采样密度相对较高，整体上能反映速度的变化趋势特征，因此，地震地层压力预测中最常用的速度是地震叠加速度谱。在海域初探区，由于勘探技术有限、成本高昂等因素的限制，钻井数量及资料的获取往往不如陆上丰富，地震速度谱资料在地层压力预测中便显得更为重要，有效的地震速度谱资料可以用于确定层速度、检测异常压力地层的存在及顶界深度且能预测异常压力的大小。对于少井区，先利用地震速度谱资料进行初步的压力预测，再利用钻井资料进行约束校正预测成果的可靠性；在无井区，则可运用地震速度谱资料对地层压力的变化趋势做定性预测。

2 岩石物理参数与压力变化响应特征

地震速度的变化可能受到岩石多种地质因素的影响，是这些因素共同作用的结果[12]，如果把低速异常作为超压层的唯一地震响应，会导致地震地层压力结果具有多解性和近似性。基于地层压力变化与岩石物理参数的响应特征分析，需要寻找或引入对地层压力具有敏感性的地震多属性参数，排除其多解性并验证压力计算结果的可靠性。上世纪90 年代以来，与岩石物性有关的一些地震属性也开始进入到钻前压力预测的研究中。美国斯坦福大学Prasad 和Meissner[13]通过实验得出以下结果：①饱含水砂岩的泊松比、横波质量因子与纵波质量因子比值以及体积模量与剪切模量的比值均随有效压力的降低而增大；②纵、横波频率和振幅都随有效压力的减小而减小，但相比而言，横波的频率对压力的变化更为敏感。澳大利亚科学研究院（CSIRO）Ciz. R[14]通过实验近似模拟了欠压实成因超压和流体体积膨胀两种机制下饱和水砂岩的地震纵波速度、瞬时频率随有效应力的变化规律，其实验结果表明：①地震纵波瞬时频率随着有效压力的降低而降低；②欠压实成因的超压与流体体积膨胀成因的超压均随着有效压力的减小而减小，速度的减小量和瞬时频率的减小量可以近似为某种函数，但瞬时频率对超压的响应表现得更为敏感。

当前无井或少井地区的压力预测主要采用的仍然是地震速度，但与岩石物理有关属性与压力的关系也不可忽视，以上实验结果显示，超压带可能对应地震的低频响应特征，可对压力计算结果进行辅助约束表征。本次研究基于地震速度，采用经验公式法对海上某区块已钻井剖面进行压力预测，预测结果与实钻结果对比，并引入对异常压力敏感的地震属性参数，对预测结果进行辅助验证。

3 应用实例

3.1 研究区概况

M 区块为勘探新区，位于缅甸西海岸若开海域，孟加拉湾盆地的东部，水深小于100 m。孟加拉湾盆地的形成与冈瓦纳大陆的裂解及之后印度板块与欧亚板块和缅甸板块的碰撞作用有关，其构造演化可以分为裂谷期（石炭纪/二叠纪-早白垩世）、漂移期（早白垩世-中始新世）、早期碰撞期（中始新世-渐新世）和晚期碰撞期（中新世-第四纪）。根据区域构造特征，将孟加拉湾盆地分为三个构造区带：西部稳定陆架区、中央盆地区和东部若开（Rakhine）褶皱带，M 区块位于中央盆地区和东部若开褶皱带的过渡区。研究区已完成二维地震资料的采集和处理，已钻井1 口。盆地基底为洋壳，为印度洋洋壳的一部分，推测基底埋深超过12 000 m，始新统-全新统主要为陆源沉积地层。

研究区内的一口钻井 W1 井原计划完钻井深为3 000 m，但实际钻进过程中由于钻速太慢且钻遇异常高压发生井涌的缘故而提前完钻。图1 为W1 井泥浆比重、孔隙压力与深度的关系，从图中可以看出，深度900 m 以上泥浆比重基本维持在1.10 g/cm3左右，即地层为常压；自井深约900 m 开始至约1 050 m，泥浆开始发生气侵，泥浆比重增大到1.22 g/cm3；在井深约1 050 m 处，钻速快速增大，泥浆发生强烈气侵，泥浆比重增大到1.30 g/cm3后往下钻进3 m，井内仍继续溢流，将泥浆比重增大到1.60 g/cm3，最终为了阻止气体流入，泥浆比重被调配到1.67 g/cm3，在打一个水泥塞之后泥浆比重降低到1.47 g/cm3，此时仍有少量的气侵，为了安全起见，重新钻进的时候将泥浆比重逐步提高到1.76 g/cm3，钻进过程中钻速又突然增大，泥浆中气体增加，泥浆比重被提高到1.82 g/cm3，后经测试此处真实的地层压力梯度为0.018 MPa/m，到达完钻深度时，泥浆比重增至2.03 g/cm3。分析可知，该井约900 m 以上为正常压力地层，900 m 以下地层发育异常高压。

图1 W1 井泥浆比重、孔隙压力与破裂压力关系

3.2 测井和地震速度预测地层压力

因该区仅有一口钻井，从井上仅能得到某个点上的纵向压力信息，为获得或预测全区的地层压力分布情况，需要引入地震层速度，充分利用其横向覆盖密度大的特点，并以已钻井中途测试数据（DST）和地层完整性测试数据（FIT）进行刻度，对压力计算公式中的实验参数进行微调，探索无井或少井地区地层压力预测方法的可行性。

图2 W1 井地震速度、对比地层压力与DST 实测压力关系

通过 W1 井声波测井速度与该井点附近地震测线层速度对比，可以看出由浅至深地震速度总体变化趋势与测井速度基本吻合，约深度800 m 处二者均出现速度反转现象，但地震速度的精度明显低于声波测井速度（图2a）。为了消除岩性对速度的影响，对声波测井速度按砂岩和泥岩进行过滤分选，然后分别运用砂、泥岩测井速度和地震速度采用 Eaton经验公式法计算地层压力。计算结果与钻井中途测试（DST）结果对比（图2b），以测井速度分岩性计算的地层压力与实测结果吻合度很高，而地震速度可以指示相对变化趋势，但精度相对较低。值得注意的是，从测井速度的计算结果来看，W1 井在井段1 000～1 200 m 砂岩的孔隙压力比中间所夹泥岩段要高，一般情况下砂岩生成自源异常高压的情况很少，砂岩中的异常高压一般源自附近的高压泥岩：经过长时间的地质历史时期，高压泥岩中的异常高压会通过各种形式向附近地层释放，最终达到一种动态平衡，而平衡的结果一般是泥岩与砂岩地层压力一致或泥岩地层压力稍高于砂岩地层压力。这说明中新世的构造运动有可能将深部超压通过断裂等途径转移到孔隙渗透性砂岩中，而周围的泥岩因为孔隙度有限，承接转移压力的大小也有限，导致砂岩压力高于周围泥岩压力。参考W1 井的正常压实趋势，采用Eaton经验公式法计算过W1井剖面的地层压力系数。从地层压力系数剖面（图3）分析，W1 井点附近从下上新统开始出现地层超压，到中上中新统，压力系数主要为1.4～1.6，但其下部有一个很明显的强超压仓，仓内压力系数超过1.6，下中新统底部也有一个近似的强超压仓。压力系数分布与 W1 井声波测井曲线所计算的地层压力结果基本吻合，较为可靠。W1 井左侧约3 000 m 向左，中上上新统和下上新统中发育强超压，至下部地层反而压力系数减小； W1 井右侧约1 500 m 向右，在下上新统和中上中新统中发育几个独立的强超压仓，由于这两侧均没有钻井，难以证实其超压仓存在的可信度。

3.3 地震属性约束预测压力可信度

图3 Eaton 经验公式法计算的压力系数剖面

由于约束井点较少，在离井点距离相对较远或地层埋深更深时，未有新井钻探前难以确定地层压力估算结果的可信度，因此，需要考虑引入其他的约束参数对地层压力作辅助表征，以期用多手段联合最大限度验证异常压力结果的可靠性。

图4 过W1 井测线提取瞬时频率剖面特征

在有地震资料的情况下，获得各种地震属性是最直接便利的手段，前文研究认为，地震瞬时频率对压力的变化响应较敏感，因此，对过 W1 井附近的地震测线提取地震瞬时频率（图4a）,从图上可知，在 W1 井两侧的中上上新统和下上新统地层中基本为中高频响应，未见明显大范围的低频特征，但井点到断层范围附近，这两套地层处的瞬时频率属性相对两侧有明显变低，频率的降低可能是由于断层附近地层较破碎或深部异常压力以断层为通道泄压所致。图4b 为W1 井点瞬时频率剖面的局部放大图，与分岩性计算地层压力的结果一致，较高压力的砂岩对应的地震瞬时频率较低，较低压力的泥岩对应的地震瞬时频率较高，即地震频率与地层压力之间存在一定的相关系。通过地震瞬时频率为约束参数对地层压力预测结果作辅助表征，可以确定 W1 井左右两侧外带存在的强超压仓可信度较低，而 W1井至断裂带范围地层局部存在超压的可信度较高，该参数虽然不能独立判定地层压力是否异常，但作为一种约束参数是可行的。