缝洞型碳酸盐岩地层孔隙压力测井预测方法研究

王亚娟 彭梦芸 李世银 琚岩 庄大琳

(1.西南石油大学地球科学与技术学院，成都 610500;2.西南石油大学石油与天然气工程学院，成都 610500;3.中国石油塔里木油田公司勘探开发研究院，新疆 库尔勒 841000)

目前基于测井资料预测地层孔隙压力常用的方法有等效深度法、Eaton(伊顿法)、有效应力法等。

(1)等效深度法。由Hottman和Johnson提出，该方法基于沉积岩的正常压实理论，通过构建测井参数的正常压实趋势线进行地层孔隙压力测井预测。

(2)Eaton法。即伊顿法，Eaton在对墨西哥湾等地区地层孔隙压力大小及测井信息关系分析的基础上，研究得到地层孔隙压力与测井参数之间的幂指关系模型，进而实现地层压力测井预测［1］。与等效深度法相似，该方法同样以正常压实为理论基础，并需要构建正常压实趋势线。

(3)有效应力法。该方法基于Terzaghi有效应力理论，在上覆地层压力分析基础上，通过建立有效应力与测井岩石物理响应的关系进行地层孔隙压力预测。其中，准确、合理获取所分析地层的有效应力是该方法的关键，Bowers［2］、Han［3］、Eberhart Phillips［4］等众多学者［5-8］对有效应力计算模型进行了不懈探索和改进，使得该方法日益成熟。

上述方法在砂泥岩地层已得到广泛应用，并取得了较好的应用效果。但对于缝洞发育的碳酸盐岩地层而言，成岩、构造及储层中油气生成、运移、存储的复杂性使得异常孔隙压力成因机制十分复杂，目前尚无明确的统一标准用以判定孔隙压力预测方法的适用性及应用效果。

鉴于此，本文以塔里木盆地碳酸盐岩储层为例，研究缝洞型碳酸盐岩地层孔隙压力测井预测方法，并探讨其适用性。

1 研究工区基本地质特征

研究工区为一个下部碳酸盐岩与其上覆碎屑岩组成的大古隆起，碳酸盐岩类储层主要分布在奥陶系，地层埋深普遍在5 000 m以上，其上部为灰色、褐灰色泥晶灰岩、粉晶灰岩，岩性致密，下部为褐灰色、灰色、浅灰色含泥灰岩、含云灰岩、泥晶灰岩。受多期次构造以及成岩胶结、溶蚀、造缝等作用的影响，储集层的非均质性强，局部缝洞发育充分，缝洞规模大小不一。储集空间以次生溶蚀孔洞、裂缝为主;储层类型以孔洞型和裂缝— 孔洞型为主，局部发育裂缝型和洞穴型储层。

钻井过程中，该套地层多次发生溢流、井漏等井下复杂现象，对钻井安全造成极大威胁，严重阻碍了该工区油气高效开发进程。

2 基本原理及计算模型建立

2.1 等效深度法

等效深度法假定:在正常压实成岩条件下，深度不同但具有相同岩石物理性质或测井值的泥页岩骨架所受的有效应力相等［9］。基于该假定，在建立正常压实趋势线的基础上，如果异常压力段与正常压实趋势线上某一点具有相同的测井值，则这2点的压实程度和深度等效。

正常压实趋势线的正确构建是利用等效深度法进行地层孔隙压力测井预测的基础与关键。声波、密度、电阻率、自然伽马等多条测井曲线均可用于正常压实趋势线的建立，但为了避免其他因素的影响，建议选用受井眼不规则程度及地层非均质性影响较小的声波时差测井数据［10］。考虑到正常压实理论的适应性，通常选用纯泥岩层段的测井数据进行正常压实趋势线的构建。

构建研究工区A1、A2井正常压实条件下声波时差的趋势线(图1)，并得到声波时差与地层埋深的关系(式1)，进而得到等效深度法计算模型(式2)。

图1 工区A1井、A2井压实趋势线

2.2 Eaton 法

与等效深度法相同，Eaton法同样基于泥岩正常压实理论并以正常压实趋势线的构建为基础，该理论方法中引入了压实校正系数c，也称为Eaton指数。通常将系数c作为常数进行处理，但近期的研究发现，校正系数c在不同地区(不同地质沉积盆地)由于岩性、成岩作用程度以及流体类型的差异而不同［11-12］。以 A1、A2井为研究对象，分别建立由实测点计算的Eaton指数与深度、声波时差的关系曲线(图2)，可看出Eaton指数与地层埋深、声波时差具有较好的相关性。

图2 Eaton指数c与深度、声波时差的关系曲线

选取声波时差进行地层孔隙压力预测，结合式(1)所示的声波时差正常压实趋势线，可得到基于Eaton指数与深度关系的地层孔隙压力Eaton计算模型如式(3)所示。

式中:c为地层压实校正系数，c=H-1.604×106;G0为上覆岩层压力梯度，MPa/m;GN为静水压力梯度，MPa/m;Gf为地层破裂压力梯度，MPa/m。

2.3 有效应力法

根据Terzaghi有效应力理论，若已知上覆岩层压力和岩石骨架有效应力，即可计算求取地层孔隙压力。上覆岩层压力可由密度测井信息获得，因此准确获取地层有效应力成为利用该方法评价地层孔隙压力的关键。通常认为有效应力与纵横波速之比和泊松比呈一定的指数关系。传统的实现方法是通过实测点建立有效应力与纵横波速比或泊松比的模型，从而得到地层孔隙压力［13］。

图3 有效应力与测井响应的关系

考虑到研究工区碳酸盐岩地层孔洞发育、孔隙结构复杂多样，地层孔隙压力异常的原因机制复杂，仅靠单一的声波测井数据进行预测将产生多解性，并导致较大误差。针对上述问题，对有效应力与测井数据的相关性逐一进行分析，结果显示密度、声波时差、自然伽马均与有效应力呈较好的相关性(图3)。

综合上述信息对研究工区缝洞型碳酸盐岩地层有效应力进行分析，依据研究工区多口井的地层压力测试结果及测井数据，并通过多元回归分析得到有效应力计算模型，如式(4)所示:式中，GR、AC、DEN分别为自然伽马、声波时差、密度，可由测井数据直接获取。

3 研究工区预测压力与实测值对比

结合测井资料，分别根据上述3种不同的等效深度法、Eaton法和有效应力法建立的地层孔隙压力测井预测模型，对该工区的另外2口井(A5、A6)进行了地层孔隙压力预测(图4)。

图4 3种不同方法预测地层孔隙压力与实测压力值对比图

由上述3种方法预测的地层孔隙压力值和实测值的对比分析可知:等效深度法和Eaton法预测值较为相近，与实测值相比普遍偏小，误差较大，不适合用于碳酸盐岩的地层孔隙压力预测，而有效应力法计算的地层孔隙压力值与实测值基本吻合。分析其原因:(1)碳酸盐岩中很难找到大段的纯泥岩段，非泥岩段不符合压实理论;(2)造成碳酸盐岩压力异常的原因复杂，不均衡压实作用对压力异常的贡献大小还不太明确。等效深度法与Eaton法预测出的地层孔隙压力值较为相近也正是由于这2种计算方法均是以正常压实趋势线方程为基础，而有效应力法则不需要建立正常压实趋势线，故精度较高。

采用综合多因素的有效应力计算模型对该工区内另外5口井进行地层孔隙压力预测，并与实测值进行对比(表1)。可看出有效应力法预测值与实测值的相对误差均小于10%，完全满足工程需求。

表1 有效应力法地层压力预测结果与实测值对比

4 预测方法的适用性分析

等效深度法最大的优点是不需要实测压力值，但其预测精确度对正常压实趋势线的依赖强，从而使其存在如下局限性:(1)地层深度纵向变化大，不能从上到下采用同一趋势线方程;(2)只适用于不均衡压实成因的异常孔隙压力预测;(3)压实规律仅适用于泥岩段，在碳酸盐岩储层中采用灰质泥岩或者泥质灰岩段作为视泥岩段存在弊端;(4)压实曲线的建立常常带有一定的主观性。

Eaton法也是以正常压实趋势线为基础，相比于等效深度法需要用一定量的实测压力值建立Eaton指数的计算模型，有了实测点的修正，预测精确度稍高于等效深度法。但仅利用单一测井信息进行，在均质砂泥岩地层孔隙压力预测中效果较好，而对碳酸盐岩地层尤其缝洞发育碳酸盐岩地层的孔隙压力预测精度效果相对较差。

有效应力法与前2种计算方法相比，由于不依赖于正常压实趋势线，避免了上述压实趋势线存在的局限性，与实测压力值相比，精度最高、可靠性好，适合用于碳酸盐岩地层孔隙压力预测。然而，有效应力的合理求取是关键所在，受到碳酸盐岩储层非均质性强及孔隙结构复杂多样的影响，传统的单参数模型精度低且存在多解性。基于测井资料，考虑多种异常压力成因，综合多种测井信息评价地层有效应力，进而实现地层孔隙压力预测，是今后地层孔隙压力预测的发展趋势。

5 结语

(1)碳酸盐岩储层非均质性极强，缝、洞发育，成岩作用复杂。基于有效应力理论，综合孔隙度、泥质含量和密度等因素建立的孔隙压力预测模型，避免了只靠声波测井数据建立的传统模型带来的误差，能够更好地反映造成碳酸盐岩地层孔隙压力异常的复杂成因，预测结果与实测压力值间相对误差均在10%以内，充分满足工程需求。

(2)Eaton法和有效应力法均需要用到大量的实测压力点，而等效深度法的计算不需要实测压力值，对尚无足够实测地层压力值的砂泥岩地区初期勘探具有实际意义。

(3)传统的地层孔隙压力预测方法都建立在正常压实趋势线基础上，而有效应力法可不依赖正常压实趋势线，避免压实趋势线应用范围的局限性。

［1］Eaton B A.Graphical Method Predicts Geopressure Worldwide［J］.World Oil，1972，182:51-56.

［2］Bowers G L.Pore Pressure Estimation from Velocity Date:Accounting for Overpressure Mechanisms Besides under Compaction［G］.SPE27488，1994.

［3］Han D H，Nur A，Morgan D.Effect of Porosity and Caly Content on Wave Velocities in Sandstone［J］.Geophysics，1986，51(11):2093-2107.

［4］Eberhart P D，Han D，Zoback M D.Empirical Relationships among Seismic Velocity，Effective Pressure，Porosity，and Clay Content in Sandstone［J］.Geophysics，1989，54(1):82-89.

［5］谢润成.川西坳陷须家河组探井地应力解释与井壁稳定性评价［D］.成都:成都理工大学，2009:20-30.

［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］薛东亚，高德利.深部地层压力智能辨识方法［J］.岩石力学与工程学报，2003，22(2):208-211.

［8］何世明，安文华，王书琪，等.基于灰色理论的地层孔隙压力随钻预测［J］.钻采工艺，2008，31(1):18-19.

［9］刘向君，刘堂晏，刘诗琼.测井原理及工程应用［M］.北京:石油工业出版社，2006.

［10］夏宏泉，刘之的，陈平，等.碳酸盐岩剖面地层孔隙压力计算方法研究［J］.西南石油大学学报(自然科学版)，2003，25(5):5-7.

［11］樊洪海.测井资料检测地层孔隙压力传统方法讨论［J］.石油勘探与开发，2003，30(4):72-74.

［12］Eaton B A.The Equation for Geopressure Prediction from Well Logs［G］.SPE 5544，1975.

［13］冯福平，李召兵，刘小明.基于岩石力学理论的测井地层压力预测［J］.石油地质与工程，2009，23(3):101-103.