油气勘探阶段求取地层压力基本方法

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摘 要:本文在充分调研国内外求取地层压力方法的基础上,根据油气勘探阶段钻探过程,将求取地层压力方法划分为五种:钻前地震资料预测、随钻监测、钻后测井资料检测和钻后电缆式地层测试器与钻后试油(气)过程中实测地层压力.基于勘探实践需求,详细分析各种方法的理论基础、求取过程、适用条件及局限性,目的在于向勘探人员提供准确、合理求取地层压力的方法,进而能够正确分析研究区的压力特征,正确指导油气田快速、完全、高效勘探进程.

关 键 词 :地层压力 预测 监测 检测 实测 基本方法

在油气勘探初期阶段,钻前准确预测地层压力对于合理优化井身结构、确定钻井泥浆密度,钻井过程中准确监测地层压力对于保证钻井安全、提高钻探效率,钻后正确检测、实测地层压力对于合理选择完井及试油方式均具有重要的指导意义;正确分析地层压力,对于评价储集层性能、油气藏类型,研究油气藏形成过程都具有重要的地质意义.

1.求取地层压力的地质基础

油气勘探阶段,地层压力的“求取”实际上包括四个方面,即预测、监测、检测和实测.预测、监测与检测主要针对异常高压地层,而实测则涵盖了所有渗透性地层.那么,地层压力是如何产生的?异常高压又是如何形成的呢?这些是求取地层压力的地质基础.

1.1 地层压力的形成

地层压力是指作用于地层孔隙空间的流体(油、气、水)的压力,正常地层压力等于地表到某一地层深度的静水压力,超过静水压力的地层压力为超压,低于静水压力的地层压力为低压[1].

Terzaghi于1948年基于实验模型提出了饱含水粘土压实理论,Hubbert于1959年将其模型应用于地下很好地解释了地层压力的形成过程.Hubbert将上覆地层的负荷压力分解成传递给固体颗粒格(骨)架的压力(即有效应力)和传递给孔隙流体的压力两部分[2-4](图1),亦即

S等于σ+P

其中,S为负荷压力,或称总地压力,它代表全部上覆沉积物的负荷;σ为有效压力或称岩石静压力,代表岩石格(骨)架颗粒之间的支撑力;P为地层压力.

负荷压力可以通过已钻井的视密度测井资料等多种途径求得.地层压力与有效应力的总和不变,它们之间是互为消长的关系,只要求出有效应力就可以确定地层压力.有效应力是地层压实成岩的主要因素,但无法直接测量,只有通过测量其产生的结果来间接地计算其值,所以求取地层压力的关键是如何合理地求取有效应力[5].目前,常用的方法是根据由有效应力的变化及与地层孔隙度关系来求取有效应力.

1.2 异常高压的形成机理

产生异常高压的本质是岩石孔隙中的流体不能够及时地排出从而承担了部分上覆沉积负荷,形成超压的最重要的控制因素是岩石的渗透率[6-10].产生超压的机制除了“不均衡压实外”,还有很多种,但主要可分为三大类:一类为与应力有关的机制,一类为与流体体积变化相关的机制,一类为与浮力和流体运动有关的机制(图2).

2.求取地层压力方法

地层压力的判断正确与否直接关系着油气井的生命与钻井工作者的安全,因此,油气勘探者一直在寻求如何更好地求取地层压力.目前,国内外求取地层压力的方法有很多种[11-19],基本涵盖了油气勘探的各个阶段.根据一口井的钻探过程,本文将求取地层压力方法划分为五种:钻前地震资料预测、随钻监测、钻后测井资料检测、钻后电缆式地层测试器实测与钻后试油气过程中实测地层压力.

2.1 钻前地震资料预测地层压力

图2 超压形成控制因素与产生机制图

(据Richard E. Swarbrick and Mark J. Osborne,1998,略修改)

2.1.1 方法发展历程

自Pennebaker于1968年在《world oil》上发表"Seiic data depth magnitude of abnormal pressures" 论文以来,钻前地震资料预测地层压力取得了显著的进展[20-21];20世纪70年代,Eaton(1972,1975),Fi11ippone(1979)总结出了一套用地震层速度直接计算地层压力的经验公式;20世纪90年代以来,美国Chevron与Amoco公司分别提出了利用邻井资料与基于岩石物理学理论依据预测地层压力的新方法[14].近年来,O[22] 和4D 地震[23]等技术也用于预测地层压力.而且,该方法更趋于向综合方向发展,利用测井[24]或测试资料[25]对地震预测进行约束.

2.1.2 方法理论基础

目前,钻前地震资料预测地层压力,还只限于压实理论基础上.地震波的传播速度与岩性、岩层压实程度、地层孔隙度、孔隙中所含流体的性质以及饱和度等有关.正常情况下,地震波传播速度随着埋藏深度的增加而增大;在异常高压地层,常常出现高孔隙度、低密度、低电阻、低速度等特征.利用地震速度谱资料,取适当的深度间隔,分别计算出层速度V,在座标纸上绘出深度(H)与层速度(V)的关系线,对于处于正常压力的地层,层速度V-△t关系曲线近似为斜线,即所谓正常压实趋势线,当剖面中存在异常高压地层时,实测的压力趋势线将会偏离正常压实趋势线,根据偏离的位置可以确定异常高压地层层位及深度[12,17](图3).


2.1.3 方法分类与实现过程

利用地震资料预测地层压力的方法按其侧重点大致可分为3类: (1)理论公式法,利用岩石体变模量与地层速度的关系推导出压力与地层速度之间的关系,从而利用地层速度计算地层压力;(2)量版法,将速度与地层压力制成量版,将速度投影到量版,即查得相应的压力;(3)经验公式法,经验公式是目前运用得最多的方法,比较常用的有Eaton (1972) 法、Dutta (1986, 2002) 法, Fillippone 法(1979, 1983)[27],Lee et. al(1997) 法和基于实验模拟的经验公式.目前在我国用得最广泛的经验公式是Fillippone法及其改进式[21].

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