CN104863577A - 利用地震纵波传播时间预测地层孔隙压力的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用地震纵波传播时间预测地层孔隙压力的方法，按照先后顺序包括以下步骤：测量已钻井在不同地层深度下的岩石体积密度，并结合地层测井数据计算上覆地层压力；测量地震纵波在目的井地层中的传播时间，并结合正常压实地层的孔隙度趋势线计算压实常数；测量不同岩芯的粘土含量；测量不同岩芯的孔隙压力和孔隙度，并确定不同岩芯的有效压力系数；建立岩芯有效压力系数与岩芯粘土含量之间的关系图版；利用关系图版，确定目的井地层的有效压力系数，并利用预测模型计算目的井地层的孔隙压力。本发明的预测方法，适用范围广且不受钻井影响，可通过室内试验对有效压力系数进行定量分析，从而提高预测结果的准确性。

Description

利用地震纵波传播时间预测地层孔隙压力的方法

技术领域

本发明属于油气勘探工程技术领域，涉及一种预测地层孔隙压力的方法，尤其涉及一种利用地震纵波传播时间预测地层孔隙压力的方法。

背景技术

地层孔隙压力从正常孔隙压力到异常高压不断变化，异常高压有时可达到正常孔隙压力的两倍。异常高压通常存在于世界上的许多盆地中，若钻井前不能准确的预测异常高压，则钻井过程中便会提高各种风险和事故的发生率。例如在莫斯科海湾深海，由孔隙压力和井底不稳定性产生的事故占据了非基性岩地层钻井时间的5.6％，占据了基性岩地层钻井时间的12.6％。异常高的孔隙压力可导致严重的钻井事故，例如井涌、井喷和井壁坍塌等，也可引发地质灾害，例如断层脆弱和泥火山等。因此，在油气勘探工程领域中，准确预测地层孔隙压力对钻井和作业至关重要。

异常高压产生的主要原因是地层的欠平衡压实。当沉积物正常压实时，孔隙度随流体排出而降低，在埋藏阶段，不断增加的上覆地层压力是流体排出的动力，若沉积过程较慢，则属于正常压实，上覆地层压力的增加和流体的排出是平衡的；当沉积物快速沉积或者地层的渗透率较低时，孔隙中的流体只能部分排出，剩余流体需要支撑全部或者部分上覆地层的压力，从而导致地层孔隙压力异常高。

目前，预测地层孔隙压力的方法有很多种。Hottman和Johnson方法，研究者利用测井数据得到的泥页岩特性预测地层孔隙压力，通过分析地震纵波在泥页岩中的传播时间，认为孔隙度随地层深度的增大而降低，这一孔隙度与地层深度之间的关系代表正常压实情况，若有异常压实地层出现，则孔隙度或者地震纵波传播时间偏离正常趋势线，通过分析数据，提出孔隙压力的计算公式为p_f＝σ_v-(α_v-β)(A₁-B₁lnΔt)³/z²。Eaton方法，研究者在前人研究的基础上提出了预测孔隙压力梯度的经验公式为p_pg＝OBG-(OBG-p_ng)(Δt_n/Δt)³，若利用该方法，则必须确定正常压实情况下，地震纵波在泥页岩中的传播时间。

通常预测孔隙压力的方法是基于泥页岩的岩石特性，通过这些方法得到的孔隙压力是在泥页岩中的压力，但是对于在砂岩地层、碳酸盐地层以及其它渗透性地层中的孔隙压力，要么假设泥页岩中的压力与砂岩中的压力相等，要么利用流体流动模型计算，然而这些方法均不准确。此外由于钻井干扰使井眼附近压力重新分布，这同样对地层孔隙压力产生影响。因此，急需开发一种适用范围广且不受钻井影响的预测地层孔隙压力的方法。

发明内容

为解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种利用地震纵波传播时间预测地层孔隙压力的方法，其目的在于：在钻井前能够准确预测不同地层深度的孔隙压力，尤其对异常高压能够做出精准预测，从而避免井涌、井喷和井壁失稳等异常事故的发生。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种利用地震纵波传播时间预测地层孔隙压力的方法，其按照先后顺序包括以下步骤：

步骤一：在同一区块选取目的井和已钻井；

步骤二：利用地层密度测井试验测量已钻井在不同地层深度下的岩石体积密度，并结合地层测井数据计算上覆地层压力；

步骤三：利用地震资料采集试验测量地震纵波在目的井地层中的传播时间，并结合正常压实地层的孔隙度趋势线计算压实常数；

步骤四：在已钻井中钻取岩芯，并测量不同岩芯的粘土含量；

步骤五：利用孔隙度应力敏感试验，测量不同岩芯的孔隙压力和孔隙度，并确定不同岩芯的有效压力系数；

步骤六：建立岩芯有效压力系数与岩芯粘土含量之间的关系图版；

步骤七：利用岩芯有效压力系数与岩芯粘土含量之间的关系图版，并结合已钻井测井资料和目的井地震资料确定目的井地层有效压力系数，计算目的井地层孔隙压力。

异常孔隙压力，通常为异常高压，主要由地层的欠平衡压实导致，其主要特征是地层孔隙度在某一地层深度偏离了正常趋势，且比正常值高。基于这一理论，本发明推导出了一个可同时满足正常压实情况和异常压实情况的新的孔隙度与地层深度之间关系的曲线模型，为在已有模型的基础上，考虑粘土含量与有效压力系数之间的关系，确定相应的有效压力系数，从而进行孔隙压力的预测。运用这一新的曲线模型，并结合地层孔隙度和地震纵波传播速度等参数计算有效压力和地层孔隙压力。利用已经存在的模型(孔隙度与地震纵波传播时间的关系模型)衍生出新的地震纵波传播时间与地层深度之间的关系模型，最终得到地震纵波传播时间与有效压力之间的指数关系模型，为 $\mathrm{\Δt}=\mathrm{\Δ}{t}_m+(\mathrm{\Δ}{t}_{m1}-\mathrm{\Δ}{t}_m)e^{-\mathrm{cz}({\mathrm{\σ}}_e/{\mathrm{\σ}}_n)},$ 其中σ_e＝σ_v-αp。

本发明将室内试验、地层测井数据和理论计算相结合，建立了一套可快速、准确预测地层孔隙压力的计算模型，该计算模型可同时用于预测正常压实地层和异常压实地层的孔隙压力。

所述步骤一中，可选定一口待钻井为目的井，在目的井周围选定一口邻井，该邻井为已钻井，目的井与已钻井所处的地层条件相同或者相似。

优选的是，所述步骤二中，上覆地层压力的计算公式为

${\mathrm{\σ}}_v={\mathrm{\ρ}}_{w}g{z}_w+g\underset{z_w}{\overset{z}{\∫}}{\mathrm{\ρ}}_b\left(z\right)\mathrm{dz}$

式中，σ_v——上覆地层压力，MPa；

ρ_b——岩石体积密度，kg/m³；

z——地层深度，m；

ρ_w——海水密度，kg/m³；

z_w——海水深度，m。

在上述任一方案中优选的是，所述岩石体积密度是所述地层深度的函数。

在上述任一方案中优选的是，所述步骤三中，测量地震纵波在目的井地层中的传播时间包括地震纵波在基质地层中的传播时间和地震纵波在泥质地层中的传播时间。

在上述任一方案中优选的是，所述步骤三中，压实常数的计算公式为

Δt_n＝Δt_m+(Δt_ml-Δt_m)e^-cz

式中，c——压实常数，m^-1；

Δt_n——地震纵波在正常压实地层中的传播时间，μs/m；

Δt_m——地震纵波在基质地层中的传播时间，μs/m；

Δt_ml——地震纵波在泥质地层中的传播时间，μs/m；

z——地层深度，m。

在上述任一方案中优选的是，所述地震纵波在正常压实地层中的传播时间随着所述地层深度的变化而变化。

在上述任一方案中优选的是，所述步骤四中，在已钻井中至少钻取五块岩芯。也可钻取更多岩芯，并分别对其粘土含量进行测量。每个岩芯对应一个粘土含量，测量的数据越多，趋势越明显，预测结果也越准确。本发明经过大量试验证明，对五块岩芯进行测量，即可获取关键数据点，同时节省时间和成本。

在上述任一方案中优选的是，所述步骤五中，不同岩芯的有效压力系数的确定方法，其按照先后顺序包括以下步骤：

步骤(1)：计算泥质地层孔隙度；

步骤(2)：分别对不同岩芯施加围压，并分别对不同岩芯改变围压值，然后分别测量不同岩芯在不同围压下的孔隙压力和孔隙度；

步骤(3)：分别计算不同岩芯在不同孔隙压力和不同孔隙度下的有效压力系数；

步骤(4)：分别对不同岩芯在不同孔隙压力和不同孔隙度下的有效压力系数进行回归，最终分别确定不同岩芯的有效压力系数。

在上述任一方案中优选的是，所述步骤(1)中，泥质地层孔隙度的计算公式为

φ₀＝(ρ_m-ρ₀)/ρ_m

式中，——泥质地层孔隙度，％；

ρ_m——泥质地层颗粒密度，kg/m³；

ρ_o——泥质地层密度，kg/m³。

在上述任一方案中优选的是，所述步骤(2)中，分别对不同岩芯至少设计十组围压值。也可设计更多组围压值，并分别测量不同围压下的孔隙压力和孔隙度，将所测量的数据进行回归，最终得到岩芯的有效压力系数。每个岩芯对应一个有效压力系数，测量的数据越多，趋势越明显，预测结果也越准确。本发明经过大量试验证明，对每块岩芯设计十组围压值，即可获得充分数据进行回归分析，所得到的有效压力系数准确，同时提高了工作效率、节省成本。

在上述任一方案中优选的是，所述步骤(3)中，岩芯在不同孔隙压力和不同孔隙度下的有效压力系数的计算公式为

σ_e＝σ_v-αp和 $\mathrm{\φ}={\mathrm{\φ}}_0{e}^{-\mathrm{cz}({\mathrm{\σ}}_e/{\mathrm{\σ}}_n)}$

式中，α——有效压力系数；

σ_e——垂直方向上的有效压力，MPa；

σ_v——上覆地层压力，MPa；

p——地层孔隙压力，MPa；

——地层孔隙度，％；

——泥质地层孔隙度，％；

σ_n——正常压实地层在垂直方向上的有效压力，MPa。

在上述任一方案中优选的是，所述步骤(4)中，不同岩芯分别对应一个粘土含量值和一个有效压力系数值。

在上述任一方案中优选的是，所述步骤七中，目的井地层孔隙压力的计算模型为

$p=[{\mathrm{\σ}}_v-\frac{{\mathrm{\σ}}_v-{\mathrm{\αp}}_n}{\mathrm{cz}}\ln \frac{{\mathrm{\Δt}}_{\mathrm{ml}}-\mathrm{\Δ}{t}_m}{\mathrm{\Δt}-\mathrm{\Δ}{t}_m}]/\mathrm{\α}$

式中，p——地层孔隙压力，MPa；

α——有效压力系数；

σ_v——上覆地层压力，MPa；

p_n——正常压实地层的孔隙压力，MPa；

Δt——地震纵波的传播时间，μs/m；

Δt_m——地震纵波在基质地层中的传播时间，μs/m；

Δt_ml——地震纵波在泥质地层中的传播时间，μs/m；

c——压实常数，m^-1；

z——地层深度，m。

在上述任一方案中优选的是，预测地层孔隙压力的关键参数包括有效压力系数、地层深度、地震纵波在基质地层中的传播时间和地震纵波在泥质地层中的传播时间。

在上述任一方案中优选的是，所述有效压力系数与粘土含量有关。

在上述任一方案中优选的是，所述有效压力系数为0.7-3.0。

在上述任一方案中优选的是，所述有效压力系数为0.8-2.5。

有效压力系数随着粘土含量的变化而变化。目前，在所有预测孔隙压力的方法或者模型中，几乎不提及有效压力系数的具体数值，即便涉及有效压力系数，但是为了计算简便，均采用数值1.0。本发明经过大量试验证明，有效压力系数与粘土含量有很大关系，不能简单的采用数值1.0或者将其忽略。从建立的岩芯有效压力系数与岩芯粘土含量之间的关系图版中可知，有效压力系数随着粘土含量的增加而增大，当粘土含量较低时，有效压力系数等于1.0，甚至小于1.0，当粘土含量较高时，有效压力系数大于1.0，甚至更高。有效压力系数优选为0.8-2.5，在此区间内，有效压力系数随着粘土含量的增加逐渐增大。

在上述任一方案中优选的是，所述利用地震纵波传播时间预测地层孔隙压力的方法适用于砂岩地层、泥页岩地层、碳酸盐地层。根据实际钻井情况，还可适用于其他岩石地层。

本发明利用地震纵波传播时间预测地层孔隙压力计算模型的推导过程如下：

1、正常压实地层的孔隙压力

正常压实地层的孔隙压力与地层深度和孔隙流体密度成正比，其计算公式如下：

p_n＝ρ_fgh                 (1)

其中，p_n为正常压实地层的孔隙压力，MPa；p_f为孔隙流体密度，kg/m³；h为流体柱的垂直深度。

2、有效压力、上覆地层压力、孔隙压力和有效压力系数四者之间的关系

在一维条件下，垂直方向的有效压力与孔隙压力之间的关系式如下：

σ_e＝σ_v-αp                      (2)

在正常压实情况下，垂直方向的有效压力与孔隙压力之间的关系式如下：

σ_n＝σ_v-αp_n                 (3)

其中，p为孔隙压力，MPa；σ_v为上覆地层压力，MPa；σ_e为垂直方向上的有效压力，MPa；σ_n为正常压实地层在垂直方向上的有效压力，MPa；p_n为正常压实地层的孔隙压力，MPa；α为有效压力系数，与地层粘土含量有关。

有效压力可由油藏物理数据和地层测井数据得到，例如电阻率测井和声波时差等。通常情况下，地应力包括三个相互垂直的主应力，即垂直方向上的主应力、水平最大主应力和水平最小主应力。实际上，地层压实主要由垂直方向上的压力产生，地层欠压实也主要与垂直方向上的压力有关。所以只要知道上覆地层压力和有效压力，即可通过上述公式计算出正常压实地层和欠平衡压实地层的孔隙压力。上覆地层压力的计算公式如下：

${\mathrm{\σ}}_v={\mathrm{\ρ}}_w{\mathrm{gz}}_w+g\underset{z_w}{\overset{z}{\∫}}{\mathrm{\ρ}}_b\left(z\right)\mathrm{dz}---\left(4\right)$

其中，σ_v为上覆地层压力，MPa；ρ_b为岩石体积密度，kg/m³；z为地层深度(从海平面起的深度)，m；ρ_w为海水密度，kg/m³；z_w为海水深度，m。岩石体积密度ρ_b为地层深度z的函数。

3、有效压力、孔隙度、孔隙压力和有效压力系数四者之间的关系

地层孔隙度与有效压力之间的关系式如下：

$\mathrm{\φ}={\mathrm{\φ}}_0{e}^{-{\mathrm{a\σ}}_e}---\left(5\right)$

其中，a为压实常数，m^-1；为地层孔隙度，％；为泥质地层孔隙度，％。由方程(5)可知，地层孔隙度是有效压力的函数。将方程(5)进行变换，得到如下方程：

${\mathrm{\σ}}_e=\frac{1}{a}\ln \frac{{\mathrm{\φ}}_0}{\mathrm{\φ}}---\left(6\right)$

在正常压实情况下，地层孔隙度与有效压力之间的关系式如下：

${\mathrm{\φ}}_n={\mathrm{\φ}}_0{e}^{-a_n{\mathrm{\σ}}_n}---\left(7\right)$

其中，为正常压实地层孔隙度，％；为泥质地层孔隙度，％；a_n为正常压实地层的压实常数，m^-1。将方程(7)进行变换，得到如下方程：

${\mathrm{\σ}}_n=\frac{1}{a_n}\ln \frac{{\mathrm{\φ}}_0}{{\mathrm{\φ}}_n}---\left(8\right)$

方程(6)与方程(8)相除，得到如下方程：

$\frac{{\mathrm{\σ}}_e}{{\mathrm{\σ}}_n}=\frac{a_n}{a}\frac{\ln {\mathrm{\φ}}_0-\ln \mathrm{\φ}}{\ln {\mathrm{\φ}}_0-{\ln {\mathrm{\φ}}_n}_{}}---\left(9\right)$

由于在正常压实地层中，孔隙度随着地层深度的增加由指数递减，因此有如下关系式：

${\mathrm{\φ}}_n={\mathrm{\φ}}_0{e}^{-c_{n}z}---\left(10\right)$

其中，为正常压实地层孔隙度，％；z为地层深度，m；c_n为正常压实地层的压实常数，m^-1。在此处，a_n＝c_n，a＝c。将方程(10)代入方程(9)中，得到如下方程：

${\mathrm{\σ}}_e={\mathrm{\σ}}_n\frac{\ln {\mathrm{\φ}}_0-\ln \mathrm{\φ}}{\mathrm{cz}}---\left(11\right)$

将方程(11)进行变换，得到如下方程：

$\mathrm{\φ}={\mathrm{\φ}}_0{e}^{-\mathrm{cz}({\mathrm{\σ}}_e/{\mathrm{\σ}}_n)}---\left(12\right)$

在正常压实情况下，σ_e＝σ_n，因此方程(12)与方程(10)相同，即在正常压实情况下，地层孔隙度与地层深度之间的关系模型的正确性得到验证。

在知道了有效压力与孔隙度和地层深度之间的关系后，由于有效压力与孔隙压力之间有一定关系，参见方程(2)和方程(3)，因此可由孔隙度对孔隙压力进行预测。将方程(2)、方程(3)和方程(12)进行变换，得到如下方程：

$p=[{\mathrm{\σ}}_v-({\mathrm{\σ}}_v-\mathrm{\α}{p}_n)\frac{\ln {\mathrm{\φ}}_0-\ln \mathrm{\φ}}{\mathrm{cz}}]/\mathrm{\α}---\left(13\right)$

其中，σ_v为上覆地层压力，MPa，可通过地层密度测井测量岩石体积密度，再由公式(4)计算得到；p_n为正常压实地层的孔隙压力，MPa；为泥质地层孔隙度，％，可由φ₀＝(ρ_m-ρ₀)/ρ_m计算得到；ρ_m为泥质地层颗粒密度，kg/m³；ρ_o为泥质地层密度，kg/m³。α与粘土含量有关。c可由正常压实地层的孔隙度趋势线得到，计算公式如下：

Δt_n＝Δt_m+(Δt_ml-Δt_m)e^-cz                   (14)

其中的参数可通过地层测井得到，从而计算出c值。

4、有效压力与地震纵波传播时间的计算模型

根据怀利方程，得到如下关系式：

$\mathrm{\φ}=\frac{\mathrm{\Δt}-\mathrm{\Δ}{t}_m}{\mathrm{\Δ}{t}_f-\mathrm{\Δ}{t}_m}---\left(15\right)$

${\mathrm{\φ}}_o=\frac{\mathrm{\Δ}{t}_{\mathrm{ml}}-\mathrm{\Δ}{t}_m}{\mathrm{\Δ}{t}_f-\mathrm{\Δ}{t}_m}---\left(16\right)$

其中，Δt为地震纵波的传播时间，μs/m；Δt_m为地震纵波在基质地层中的传播时间，μs/m；Δt_ml为地震纵波在泥质地层中的传播时间，μs/m；Δt_f为地震纵波在孔隙流体中的传播时间，μs/m。

将方程(15)和方程(16)代入方程(11)中，得到如下方程：

${\mathrm{\σ}}_e=\frac{{\mathrm{\σ}}_n}{\mathrm{cz}}\ln \frac{{\mathrm{\Δt}}_{\mathrm{ml}}-{\mathrm{\Δt}}_m}{\mathrm{\Δt}-\mathrm{\Δ}{t}_m}---\left(17\right)$

5、利用地震纵波传播时间预测地层孔隙压力的计算模型

将方程(2)、方程(3)和方程(17)进行变换，得到如下计算模型：

$p=[{\mathrm{\σ}}_v-\frac{{\mathrm{\σ}}_v-\mathrm{\α}{p}_n}{\mathrm{cz}}\ln \frac{\mathrm{\Δ}{t}_{\mathrm{ml}}-\mathrm{\Δ}{t}_m}{\mathrm{\Δt}-\mathrm{\Δ}{t}_m}]/\mathrm{\α}---\left(18\right)$

其中，σ_v为上覆地层压力，MPa，可通过地层密度测井测量岩石体积密度，再由公式(4)计算得到；p_n为正常压实地层的孔隙压力，MPa。α与粘土含量有关。c可由正常压实地层的孔隙度趋势线得到，计算公式为方程(14)，即Δt_n＝Δt_m+(Δt_ml-Δt_m)e^-cz，其中的参数可通过地层测井得到。Δt_m为地震纵波在基质地层中的传播时间，μs/m，Δt_ml为地震纵波在泥质地层中的传播时间，μs/m，根据不同地层情况，其取值也不同，然后测量不同地层深度下的地震纵波传播时间，取其中的点即可求得压实常数c，进而计算不同地层深度下的孔隙压力。

本发明的利用地震纵波传播时间预测地层孔隙压力的方法，简单易懂，方便操作，预测结果准确；适用范围广，即可用于常规砂岩，也可用于致密型砂岩，且不受钻井影响；可满足同时预测正常压实地层孔隙压力和异常压实地层孔隙压力的需要。本发明将室内试验、地层测井数据和理论推导相结合，建立了地层孔隙压力预测模型，该模型引入了有效压力系数，并通过室内试验对有效压力系数进行定量分析和测试，从而提高预测结果的准确性和可靠性，降低了钻井过程中异常事故的发生率。该模型的优势在于，预测地层孔隙压力主要取决于地层深度、地震纵波在基质地层和泥质地层中的传播时间以及地层粘土含量。

附图说明

图1为按照本发明的利用地震纵波传播时间预测地层孔隙压力的方法的一优选实施例流程图；

图2为按照本发明的利用地震纵波传播时间预测地层孔隙压力的方法的图1所示实施例建立的有效压力系数与粘土含量之间的关系图版；

图3为按照本发明的利用地震纵波传播时间预测地层孔隙压力的方法的图1所示实施例利用预测模型计算的地层孔隙压力与油气井中途测试结果的拟合图；

图4为按照本发明的利用地震纵波传播时间预测地层孔隙压力的方法的另一优选实施例利用预测模型计算的地层孔隙压力与油气井中途测试结果的拟合图。

具体实施方式

为了更进一步了解本发明的发明内容，下面将结合具体实施例详细阐述本发明。

实施例一：

如图1所示，按照本发明的利用地震纵波传播时间预测地层孔隙压力的方法的实施例，其按照先后顺序包括以下步骤：

步骤一：在同一区块选取目的井和已钻井；

步骤二：利用地层密度测井试验测量已钻井在不同地层深度下的岩石体积密度，并结合地层测井数据计算上覆地层压力；

步骤三：利用地震资料采集试验测量地震纵波在目的井地层中的传播时间，并结合正常压实地层的孔隙度趋势线计算压实常数；

步骤四：在已钻井中钻取岩芯，并测量不同岩芯的粘土含量；

步骤五：利用孔隙度应力敏感试验，测量不同岩芯的孔隙压力和孔隙度，并确定不同岩芯的有效压力系数；

步骤六：建立岩芯有效压力系数与岩芯粘土含量之间的关系图版；

步骤七：利用岩芯有效压力系数与岩芯粘土含量之间的关系图版，并结合已钻井测井资料和目的井地震资料确定目的井地层有效压力系数，计算目的井地层孔隙压力。

异常孔隙压力，通常为异常高压，主要由地层的欠平衡压实导致，其主要特征是地层孔隙度在某一地层深度偏离了正常趋势，且比正常值高。基于这一理论，本实施例推导出了一个可同时满足正常压实情况和异常压实情况的新的孔隙度与地层深度之间关系的曲线模型，为在已有模型的基础上，考虑粘土含量与有效压力系数之间的关系，确定相应的有效压力系数，从而进行孔隙压力的预测。运用这一新的曲线模型，并结合地层孔隙度和地震纵波传播速度等参数计算有效压力和地层孔隙压力。利用已经存在的模型(孔隙度与地震纵波传播时间的关系模型)衍生出新的地震纵波传播时间与地层深度之间的关系模型，最终得到地震纵波传播时间与有效压力之间的指数关系模型，为 $\mathrm{\Δt}={\mathrm{\Δt}}_m+(\mathrm{\Δ}{t}_{\mathrm{ml}}-\mathrm{\Δ}{t}_m)e^{-\mathrm{cz}({\mathrm{\σ}}_e/{\mathrm{\σ}}_n)},$ 其中σ_e＝σ_v-αp。

所述步骤一中，可选定一口待钻井为目的井，在目的井周围选定一口邻井，该邻井为已钻井，目的井与已钻井所处的地层条件相同或者相似。

所述步骤二中，上覆地层压力的计算公式为

${\mathrm{\σ}}_v={\mathrm{\ρ}}_{w}g{z}_w+g\underset{z_w}{\overset{z}{\∫}}{\mathrm{\ρ}}_b\left(z\right)\mathrm{dz}$

式中，σ_v——上覆地层压力，MPa；

ρ_b——岩石体积密度，kg/m³；

z——地层深度，m；

ρ_w——海水密度，kg/m³；

z_w——海水深度，m。

岩石体积密度是地层深度的函数。

所述步骤三中，测量地震纵波在目的井地层中的传播时间包括地震纵波在基质地层中的传播时间和地震纵波在泥质地层中的传播时间。

所述步骤三中，压实常数的计算公式为

Δt_n＝Δt_m+(Δt_ml-Δt_m)e^-cz

式中，c——压实常数，m^-1；

Δt_n——地震纵波在正常压实地层中的传播时间，μs/m；

Δt_m——地震纵波在基质地层中的传播时间，μs/m；

Δt_ml——地震纵波在泥质地层中的传播时间，μs/m；

z——地层深度，m。

地震纵波在正常压实地层中的传播时间随着地层深度的变化而变化。

所述步骤四中，在已钻井中钻取二十五块岩芯。每个岩芯对应一个粘土含量，测量的数据越多，趋势越明显，预测结果也越准确。

所述步骤五中，不同岩芯的有效压力系数的确定方法，其按照先后顺序包括以下步骤：

步骤(1)：计算泥质地层孔隙度；

步骤(2)：分别对不同岩芯施加围压，并分别对不同岩芯改变围压值，然后分别测量不同岩芯在不同围压下的孔隙压力和孔隙度；

步骤(3)：分别计算不同岩芯在不同孔隙压力和不同孔隙度下的有效压力系数；

步骤(4)：分别对不同岩芯在不同孔隙压力和不同孔隙度下的有效压力系数进行回归，最终分别确定不同岩芯的有效压力系数。

所述步骤(1)中，泥质地层孔隙度的计算公式为

φ₀＝(ρ_m-ρ₀)/ρ_m

式中，——泥质地层孔隙度，％；

ρ_m——泥质地层颗粒密度，kg/m³；

ρ_o——泥质地层密度，kg/m³。

所述步骤(2)中，分别对不同岩芯设计十组围压值，并分别测量不同围压下的孔隙压力和孔隙度，将所测量的数据进行回归，最终得到岩芯的有效压力系数。每个岩芯对应一个有效压力系数，测量的数据越多，趋势越明显，预测结果也越准确。

所述步骤(3)中，岩芯在不同孔隙压力和不同孔隙度下的有效压力系数的计算公式为

σ_e＝σ_v-αp和 $\mathrm{\φ}={\mathrm{\φ}}_0{e}^{-\mathrm{cz}({\mathrm{\σ}}_e/{\mathrm{\σ}}_n)}$

式中，α——有效压力系数；

σ_e——垂直方向上的有效压力，MPa；

σ_v——上覆地层压力，MPa；

p——地层孔隙压力，MPa；

——地层孔隙度，％；

——泥质地层孔隙度，％；

σ_n——正常压实地层在垂直方向上的有效压力，MPa。

所述步骤(4)中，不同岩芯分别对应一个粘土含量值和一个有效压力系数值。

所述步骤七中，目的井地层孔隙压力的计算模型为

$p=[{\mathrm{\σ}}_v-\frac{{\mathrm{\σ}}_v-\mathrm{\α}{p}_n}{\mathrm{cz}}\ln \frac{{\mathrm{\Δt}}_{\mathrm{ml}}-\mathrm{\Δ}{t}_m}{\mathrm{\Δt}-{\mathrm{\Δt}}_m}]/\mathrm{\α}$

式中，p——地层孔隙压力，MPa；

α——有效压力系数；

σ_v——上覆地层压力，MPa；

p_n——正常压实地层的孔隙压力，MPa；

Δt——地震纵波的传播时间，μs/m；

Δt_m——地震纵波在基质地层中的传播时间，μs/m；

Δt_ml——地震纵波在泥质地层中的传播时间，μs/m；

c——压实常数，m^-1；

z——地层深度，m。

预测地层孔隙压力的关键参数包括有效压力系数、地层深度、地震纵波在基质地层中的传播时间和地震纵波在泥质地层中的传播时间。有效压力系数与粘土含量有关，它随着粘土含量的变化而变化。

本实施例选用砂岩地层，验证孔隙压力预测模型的可行性和准确性。通过室内试验、地层测井数据和理论推导得到下列关键参数值：Δt_m＝219μs/m，Δt_ml＝393μs/m，α＝0.7-2.3，c＝0.00026m^-1。如图2所示，随着粘土含量的增加，有效压力系数逐渐增大，不同的粘土含量对应不同的有效压力系数，当砂岩地层中的粘土含量为0.05％、1.6％、5.6％、13.1％和23.6％时，所对应的有效压力系数分别为0.7、1.0、1.5、2.0和2.3。将各个参数值代入上述预测模型中，即可得到该目的井地层孔隙压力。随着地层深度的变化，粘土含量变化，有效压力系数也变化，因此计算得到的不同地层深度、不同粘土含量和不同有效压力系数下的地层孔隙压力也不同。将计算得到的地层孔隙压力与油气井中途测试(DST)结果进行拟合，发现二者的拟合性较好，如图3所示。

本实施例的利用地震纵波传播时间预测地层孔隙压力的方法，简单易懂，方便操作，预测结果准确；可满足同时预测正常压实地层孔隙压力和异常压实地层孔隙压力的需要，且不受钻井影响。此外，地层孔隙压力预测模型引入了有效压力系数，并通过室内试验对有效压力系数进行定量分析，从而提高了预测结果的准确性和可靠性，降低了钻井过程中异常事故的发生率。本实施例的预测方法和预测模型也可适用于泥页岩地层和碳酸盐地层。

实施例二：

按照本发明的利用地震纵波传播时间预测地层孔隙压力的方法的实施例，其步骤、室内试验方法、地层测井方法、理论推导、有益效果和适用范围等均与实施例一相同，不同的是：本实施例选用不同油田的砂岩地层，验证孔隙压力预测模型的可行性和准确性。在已钻井中钻取40块岩芯，分别进行粘土含量和有效压力系数测试。通过室内试验、地层测井数据和理论推导得到下列关键参数值：Δt_m＝230μs/m，Δt_ml＝672μs/m，α＝0.8-2.5，c＝0.00085m^-1。随着粘土含量的增加，有效压力系数逐渐增大，不同的粘土含量对应不同的有效压力系数。将各个参数值代入预测模型中，即可得到该目的井在不同地层深度、不同粘土含量和不同有效压力系数下的地层孔隙压力。将计算得到的地层孔隙压力与油气井中途测试(DST)结果进行拟合，发现拟合性较好，如图4所示，这说明本实施例的预测方法和预测模型具有较高的可行性和准确性。

本领域技术人员不难理解，本发明的利用地震纵波传播时间预测地层孔隙压力的方法包括上述本发明说明书的发明内容和具体实施方式部分以及附图所示出的各部分的任意组合，限于篇幅并为使说明书简明而没有将这些组合构成的各方案一一描述。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种利用地震纵波传播时间预测地层孔隙压力的方法，其按照先后顺序包括以下步骤：

步骤一：在同一区块选取目的井和已钻井；

步骤二：利用地层密度测井试验测量已钻井在不同地层深度下的岩石体积密度，并结合地层测井数据计算上覆地层压力；

步骤三：利用地震资料采集试验测量地震纵波在目的井地层中的传播时间，并结合正常压实地层的孔隙度趋势线计算压实常数；

步骤四：在已钻井中钻取岩芯，并测量不同岩芯的粘土含量；

步骤五：利用孔隙度应力敏感试验，测量不同岩芯的孔隙压力和孔隙度，并确定不同岩芯的有效压力系数；

步骤六：建立岩芯有效压力系数与岩芯粘土含量之间的关系图版；

步骤七：利用岩芯有效压力系数与岩芯粘土含量之间的关系图版，并结合已钻井测井资料和目的井地震资料确定目的井地层有效压力系数，计算目的井地层孔隙压力。

2.如权利要求1所述的利用地震纵波传播时间预测地层孔隙压力的方法，其特征在于：所述步骤二中，上覆地层压力的计算公式为

${\mathrm{\σ}}_v={\mathrm{\ρ}}_w{\mathrm{gz}}_w+g\underset{z_w}{\overset{z}{\∫}}{\mathrm{\ρ}}_b\left(x\right)\mathrm{dz}$

式中，σ_v——上覆地层压力，MPa；

ρ_b——岩石体积密度，kg/m³；

z——地层深度，m；

ρ_w——海水密度，kg/m³；

z_w——海水深度，m。

3.如权利要求2所述的利用地震纵波传播时间预测地层孔隙压力的方法，其特征在于：所述岩石体积密度是所述地层深度的函数。

4.如权利要求1所述的利用地震纵波传播时间预测地层孔隙压力的方法，其特征在于：所述步骤三中，测量地震纵波在目的井地层中的传播时间包括地震纵波在基质地层中的传播时间和地震纵波在泥质地层中的传播时间。

5.如权利要求1所述的利用地震纵波传播时间预测地层孔隙压力的方法，其特征在于：所述步骤三中，压实常数的计算公式为

Δt_n＝Δt_m+(Δt_ml-Δt_m)e^-cz

式中，c——压实常数，m^-1；

Δt_n——地震纵波在正常压实地层中的传播时间，μs/m；

Δt_m——地震纵波在基质地层中的传播时间，μs/m；

Δt_ml——地震纵波在泥质地层中的传播时间，μs/m；

z——地层深度，m。

6.如权利要求5所述的利用地震纵波传播时间预测地层孔隙压力的方法，其特征在于：所述地震纵波在正常压实地层中的传播时间随着所述地层深度的变化而变化。

7.如权利要求1所述的利用地震纵波传播时间预测地层孔隙压力的方法，其特征在于：所述步骤四中，在已钻井中至少钻取五块岩芯。

8.如权利要求1所述的利用地震纵波传播时间预测地层孔隙压力的方法，其特征在于：所述步骤五中，不同岩芯的有效压力系数的确定方法，其按照先后顺序包括以下步骤：

步骤(1)：计算泥质地层孔隙度；

步骤(2)：分别对不同岩芯施加围压，并分别对不同岩芯改变围压值，然后分别测量不同岩芯在不同围压下的孔隙压力和孔隙度；

步骤(3)：分别计算不同岩芯在不同孔隙压力和不同孔隙度下的有效压力系数；

步骤(4)：分别对不同岩芯在不同孔隙压力和不同孔隙度下的有效压力系数进行回归，最终分别确定不同岩芯的有效压力系数。

9.如权利要求8所述的利用地震纵波传播时间预测地层孔隙压力的方法，其特征在于：所述步骤(1)中，泥质地层孔隙度的计算公式为

φ₀＝(ρ_m-ρ₀)/ρ_m

式中，——泥质地层孔隙度，％；

ρ_m——泥质地层颗粒密度，kg/m³；

ρ_o——泥质地层密度，kg/m³。

10.如权利要求8所述的利用地震纵波传播时间预测地层孔隙压力的方法，其特征在于：所述步骤(2)中，分别对不同岩芯至少设计十组围压值。