基于有效应力的地层压力预测在渤海BZ1区的应用

史 浩，周东红，吕丁友

（中海石油（中国）有限公司天津分公司，天津塘沽，300452）

1 问题的提出

进行地层压力预测研究，不但有利于油气地质研究，而且对钻井安全的保障起到至关重要的作用。地层超压可导致地震波速度下降，因此，目前地层压力主要的预测方法是地震速度预测法。该方法进行压力预测的关键问题是地层层速度的求取问题，只有获得了高精度、高分辨的速度场，才能得到较准确的压力场。利用地震层速度检测地层压力技术是较传统的技术，但是随着勘探深度和难度的加大，传统方法具有一定的局限性［1］，主要表现在：①需要建立正常压力深度趋势线，且假定其为直线；②只适用欠压实异常机制；③不适用于检测泥岩以外其他岩性的地层孔隙压力；④预测方法有局限性和多解性，所有方法的应用都是有假设前提的，且有经验性；⑤导致地震波速度降低的原因有多种，对压力以外的其他因素难于消去。

渤海油田随着勘探开发的进程不断推进，中深层系勘探已成为今后主要目标之一。但是，局部地区深部地层常常存在异常高压，中深层目的层埋深较深、地震资料品质较差，传统压力预测方法精度不高，给勘探研究及钻探提出了巨大的挑战。本文采用基于有效应力技术的地层压力预测方法，针对渤海油田BZ1地区进行钻前压力预测研究。

2 有效应力技术预测地层压力的原理

2．1 有效应力原理

有效应力原理是岩石力学中的一个基本概念。1923年，Terzaghi在含水饱和土壤力学特征研究基础上提出有效应力原理［2－3］，即有效应力等于上层总压力减去孔隙流体压力，即：

上式中，σ为Terzaghi有效应力，即压差，MPa；p1为上覆地层总压力，即围压，MPa；p为孔隙流体压力，MPa。有效应力原理表示研究平面上的总应力、有效应力与孔隙流体压力三者之间的关系，当总应力保持不变时，孔隙流体压力与有效应力可以相互转化，即孔隙流体压力减小等于有效应力的等量增加。有效应力把围压和孔隙流体压力这两个独立的变量简化为一个变量，从而方便了对多孔岩石性质的分析，围压和空隙流体压力变化引起的任意物理性质的变化都可以用有效应力来描述［4－5］。基于有效应力原理，可以根据上覆地层压力和有效应力分析进行地层孔隙流体压力的预测。上覆地层压力可通过密度测井数据求取；有效应力可通过测井解释数据进行非线性回归估计。

2．2 上覆地层压力的求取

某深度处的上覆地层压力是指该深度以上地层岩石骨架和孔隙流体总重力产生的压力。密度测井曲线可以较真实地反映地下岩石的体密度随其埋藏深度的变化规律［6］。上覆岩石的压力梯度主要取决于上覆岩石的体密度，上覆岩层压力梯度和上覆岩层压力通过如下公式求取：

上式中：G0为上覆岩层压力梯度，kg／m；ρw、hw分别为海水密度及水深，kg／m3，m；ρ0、h0分别为上部无密度测井地层段的平均密度及厚度，kg／m3，m；ρhi为一定深度的密度，kg／m3；Δh为深度间隔，m；g为重力加速度，9．81g／s2；H为目的层深度，m。

2．3 有效应力估计

Eberhart（1989）等研究认为，孔隙度、泥质含量和有效应力［3］是影响砂泥岩中声波速度的主要因素。因此，可以选取孔隙度、泥质含量和声波时差3个参数，进行非线性回归计算有效应力［6，7］。首先选取一口或几口具有代表性的已钻井，以其测井、测压资料作为样本数据，提取孔隙度、泥质含量和声波时差3个参数作为输入，有效应力作为输出，组成有效应力训练样本数据，进行回归估计。

2．4 压力预测技术流程

基于有效应力的地层压力预测主要技术流程如下：①对地层层速度进行校正，转换伪密度体，对伪密度体进行积分，得到上覆地层压力体；② 对校正后的层速度与有效应力进行相关性分析，得到有效应力体；③ 利用有效应力与地层压力的关系进行数据体运算，得到预测的孔隙压力体（图1）。

图1 基于有效应力技术的地层压力预测流程

3 应用实例

3．1 研究区概况

研究区BZ1构造位于渤海中部海域渤中凹陷西斜坡，该构造东营组为受大断层控制的滚动断背斜构造，浅层为断背斜、断块型构造（图2），目的层埋藏深度为2 500～3 500 m。位于BZ1构造东侧的BZ2、BZ3等构造在钻井时事故较多，先后发生气侵、井涌、井漏、卡钻、下尾管遇阻、坐封不成功等情况，其中，BZ2构造上钻探的第一口井BZ2－1由于先后发生了井涌、井漏及卡钻等严重事故导致该井提前完钻，其后评价井钻探证实该构造区存在压力系数为1．51～1．7的超压异常。位于BZ1构造东南侧的BZ8含油构造在钻第一口井时揭示了压力系数为1．22～1．32的超压。因此，针对本研究区开展压力预测研究，对油气成藏综合研究、井位部署和钻井设计及安全施工都具有非常重要的意义。

图2 研究区位置图

本次压力预测研究所用数据为该区三维地震速度谱数据、层位解释成果数据、已钻井的测井及测井解释数据等。

3．2 上覆地层压力数据体计算

首先利用地震速度谱数据进行速度建模，在速度建模的过程中，利用已知井声波曲线与地震层速度匹配对比以进行质量控制，使地震层速度与井的声波速度趋势基本吻合，否则，将会导致孔隙压力预测结果存在一定的不确定性。因此，通过利用BZ2－2井的声波测井数据对过BZ2－2井的地震层速度进行质量控制，得到较理想的地震层速度，根据BZ2－2井的地层密度与速度进行拟合曲线，建立速度与密度的关系。然后，由该区的地震层速度体计算地层的伪密度数据体。获得该区地层伪密度数据体后，就可以通过积分计算获得该区的上覆地层压力数据体。

3．3 有效应力数据体估计

选取BZ2－2井有代表性的测井、测压资料作为样本数据，有效应力作为输出，通过非线性多元回归，使从中提取的孔隙度、泥质含量和声波时差3个参数与输入的孔隙度、泥质含量和声波时差3个参数的控制误差最小，从而进行有效应力估计。根据BZ2－2井声波曲线与有效应力的关系，可确定本区有效应力与速度的函数关系（图3），利用该关系式并通过该区地震层速度计算得到该区的有效应力数据体。

图3 研究区有效应力与地层速度的交汇关系分析

3．4 孔隙压力预测

通过以上步骤分别求取了该区的上覆地层压力和有效应力数据体，根据有效应力原理，就可求得该区的地层孔隙压力数据体，从而得到孔隙压力预测剖面。在求取BZ1区块的地层孔隙压力剖面之后，利用围区已钻井BZ2－2井进行校正，将地震层速度预测的地层孔隙压力数据与已知井BZ2－2资料结合得到BZ1－2井的地层孔隙压力的全井段结果（图4）。由图可知，BZ1－2井区地层孔隙压力在3 000 m以上为静水压力状态，其地层孔隙压力系数为1．03；在3 000 m以下即进入异常高压状态，其地层压力系数值至1．33。

图4 利用已知井校正的压力预测结果

3．5 预测结果与实钻结果对比

在综合石油地质条件研究基础上，该区实施钻探了BZ1－2井，该井在3 435～3 455 m深度进行DST测试时揭示了1．501的异常超压，在3360～3 365 m深度进行DST测试时揭示了1．333的异常超压。实钻结果与预测结果吻合较好。

4 结论

基于有效应力技术的地层压力预测方法是区别于传统技术的一种有效的技术。该技术是在Eberhart的声波速度经验模型基础上发展而来的，研究平面上的总应力与有效应力和孔隙流体压力存在密切关系，而垂直有效应力与孔隙度、泥质含量和声波时差等3个参数密切相关。与传统方法相比，该技术考虑了上覆地层压力的影响，且不需要建立深度趋势线，其精度相对比较高，同时得到的是三维的孔隙压力结果。其缺陷是需要校正井的测井资料，对于一个新的勘探区域来说，关键是要找到用来校正的井资料数据。

该技术主要是利用地震速度资料，而地震速度资料在得到的过程中存在一定的不确定性，且其精度相对较低，直接影响预测结果的精度和可靠性。因此，在使用该技术时，为了获得可信度较高的预测结果，有时有必要对研究区速度谱进行精细分析，以获得相对高分辨率的地震层速度。

该技术使用简便，预测精度较高，易于推广，尤其适合于预探井的地层孔隙压力预测。

［1］张建宁．地震速度谱资料预测地层压力的陷阱分析［J］．勘探地球物理进展，2005，28（1）：51－56．

［2］Terzaghi K．Die berechnung der durchlaeassigkeitsziffer destones aus demverlauf hydrodynamoschen spannungserscheinugen［J］．Sitzungsber．Akad．Wiss．Wien．，1923，132：125－138．

［3］Eberhart P D，Han D H，Zoback M D．Empirical relationships among seismic velocity，effective pressure，porosity，and clay content in sandstone［J］，Geophysics，1989，54（1）：82－88．

［4］王连捷，孙宝珊，王薇，等．地应力对油气运移的驱动作用［J］．地质力学学报，2011，17（2）：132－140．

［5］罗晓容．构造应力超压机制的定量分析［J］．地球物理学报，2004，47（6）：1086－1093．

［6］魏茂安，陈潮，王延江，等．地层孔隙压力预测新方法［J］．石油与天然气地质，2007，28（3）：395－400．

［7］史清江，王延江．用于非线性回归估计的支撑向量机［M］．山东济南：山东大学出版社，2004：236－240．