CN106368691B - 基于岩石物理地震信息三维异常孔隙压力预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于岩石物理地震信息三维异常孔隙压力预测方法。首先是应用岩石物理的纵波速度、横波速度和密度参数，计算岩性地层基质体积模量，加上岩芯地质分析，计算干燥孔隙空间刚度，进而求得孔隙压力系数，实现单井地层异常孔隙压力的计算；然后是应用三维地震反射数据体和三维叠前弹性波阻抗反演方法，得到三维纵波阻抗、横波阻抗、泊松比和密度数据体，参照单井地层异常孔隙压力的计算方法和求取的经验公式，实现三维地层异常孔隙压力的预测。该方法把测井和地震两种地球物理方法间接获得的岩石物理参数应用到异常地层孔隙压力预测，比直接从实验室测定岩石物理参数简单，比主观给定的参数来得科学，比单独用叠后地震速度计算来的精细。

Description

基于岩石物理地震信息三维异常孔隙压力预测方法

技术领域

本发明涉及油气勘探开发数据处理方法领域，主要是利用测井地震的地球物理信息及获得的岩石物理参数，预测地层的异常孔隙压力，为油气田的勘探开发服务，如油气运聚成藏分析、井位钻前准备等。

背景技术

地层压力与地层温度是油气田开发的重要基础参数。油气藏地层压力和温度的高低，不仅决定着油气流体的性质，还决定着油气田开发的方式、油气开采的技术特点与经济成本，以及最终的采收率。

异常地层压力环境是含油气盆地的普遍地质现象，它影响地下流体的存在和运动的形式，对油气的生成、运移、聚集和成藏产生直接的作用。异常地层压力不仅是石油地质学的一个重要研究问题，也是长期困扰钻井工程界的重大技术难题，给钻井施工安全和录井中油气层的识别与评价、油层保护带来了很大的困难。因此，在油气勘探开发过程中，异常地层压力的研究预测不仅具有理论意义，更是实际的需要。

但是，异常地层压力的形成机理和影响因素很多，国内外的研究一直在持续深入，目前还没找到一种理想的方法能够准确地对其进行预测和监测。人们早在20世纪30年代就已在钻井中遭遇到异常高压并认识到它们是引起众多钻井事故的主要原因。可是直到20世纪60年代才开始系统地研究这种现象(Fertl，1976；Magara，1978)。最早进行定量压力预测的是Hottman和Johnson(1965)，利用先前钻井中的电阻率和声波时差测井资料，创建了等效深度法的地层压力预测和监测方法，并且发现仅用等效深度法不能完全准确地预测地层压力，在某些地层中须建立适当的经验关系。Forster和Whalen(1966)进一步探讨了等效深度法和有效应力法，从泥岩的压实作用分析了压力预测和监测的可行性和存在的问题，奠定了定量计算地层孔隙压力的基础。随后，钻井、录井及测井的各种可以反映地层孔隙度和岩石性质变化的数据都被尝试用来预测和监测地层压力(Boatman，1967；Matthews和Kelly，1967；Fertl，1976；Magara，1978)。Bingham(1964)认识到影响钻井速度的因素来自地层、钻具及钻井过程，提出钻井速度、转盘转速、钻压和钻头尺寸之间应存在的相关关系。Jorden和Shirley(1966)进一步发展了Bingham的工作，提出了标定钻井速度的d指数方法，后来经Rehn和McColendon(1971)改进，推出了dc指数法。Pennebaker(1968)注意到地震资料是压力预测的重要信息，认为利用地震资料预测的关键点在于如何正确获得异常地层压力的深度和压力值。他们利用地震层速度资料预测了美国墨西哥湾地区的地层压力，其预测结果与实际使用的泥浆比重相当接近。Eaton(1972)详细分析和总结了前人的工作，提出了上覆负荷压力和地层压力随埋深变化的概念，建立了基于有效应力方程的页岩电阻率、dc指数和声波时差的孔隙压力关系式，即著名的伊顿法。随着地震方法技术的进步，20世纪80年代地震资料在压力预测中得到了广泛的应用(Bellotti和Giacca，1978；Dobrinin和Serebryakov，1989)。对于地震信息的利用不仅限于层速度，还有对地震数据体的综合分析和处理，根据地震波速和振幅等方面的特殊性质来预测(Grauls等，1995；Djevanshir和Akhnerdiev，1998)。国内樊洪海(2005)在分析总结常用的传统方法—Eaton法、dc指数法的基础上，提出了地层孔隙压力求取新方法。该方法的核心是建立描述泥质沉积物的声波速度与垂直有效应力函数关系的经验模型，实际预测过程中利用地震层速度资料。

地层孔隙压力预测方法基本上可分为三类：测井资料分析预测法、钻井资料分析预测法和地震信息分析预测法。测井、钻井是事后或事中预测，地震是事前预测。以往应用地震信息预测主要是地震层速度(纵波)，现在由于技术的进步，与测井资料的结合，使地震信息转化为岩石物理参数成为可能，可以有更多的地震信息应用于地层孔隙压力预测。本方法就是基于此，使地层孔隙压力预测技术向前推进一步。

发明内容

本发明提供一种应用测井和地震的基于岩石物理地震信息三维异常孔隙压力预测方法，弥补以往利用实验室岩石物理数据公式、主观经验数据公式或应用叠后地震速度数据公式预测地层异常孔隙压力方法的不足。

本发明的技术方案是。

基于岩石物理地震信息三维异常孔隙压力预测方法，首先是应用岩石物理的纵波速度、横波速度和密度参数，综合分析、交会，建立纵波速度与密度、不排水饱和状态下实测纵波速度与地层基质纵波速度之间关系的经验公式，计算岩性地层基质体积模量k₀，加上岩芯地质分析，计算干燥孔隙空间刚度k_φ，进而求得孔隙压力系数B，实现单井地层异常孔隙压力的计算；然后是应用三维地震反射数据体和三维叠前弹性波阻抗反演方法，得到三维纵波阻抗、横波阻抗、泊松比和密度数据体，参照单井地层异常孔隙压力的计算方法和求取的经验公式，实现三维地层异常孔隙压力的预测。

本发明的技术方案进一步包括：

应用岩石物理的纵波速度、横波速度和密度参数，求取地层基质体积模量k₀，其步骤如下：

1)应用多口井的纵波速度V_p和密度ρ值进行交会，拟合密度与纵波速度关系的经验公式：ρ＝f(V_p)；

2)利用声波测井和密度测井求孔隙度公式，求解地层骨架纵波速度

和密度(ρ_m)；

声波求孔隙度公式：

密度求孔隙度公式：

地层孔隙度：

由(1)、(2)和(3)得：

Δt_m(ρ-ρ_f)+ρ_m(Δt_f-Δt)-(ρΔt_f-ρ_fΔt)＝0

3)地层基质体积模量k₀求取：

其中：其中：ρ_f、Δt_f分别为孔隙流体密度和声波速度，

为实测地层声波速度，ρ为实测地层密度，ρ_m、V_pm分别是地层骨架密度和纵波速度，V_s是横波速度。

地层孔隙空间刚度k_φ的计算，包括球空腔缝洞、硬币形状缝隙、针状缝隙和两维管状裂缝型四种类型孔隙空间刚度的计算，以及这四种类型孔隙空间刚度的总和构成的地层孔隙空间刚度

的计算，具体计算步骤如下：

1)球空腔缝洞的孔隙空间刚度

2)硬币形状缝隙的孔隙空间刚度

3)针状缝隙的孔隙空间刚度

4)两维管状裂缝的孔隙空间刚度

仿照Hill平均模量的估算，地层总孔隙空间刚度：

其中：w(x)为权参数，w(x₁)+w(x₂)+w(x₃)+w(x₄)＝1，K₀为地层基质体积模量，ν为泊松比，a<<c，c为硬币状的硬币圆半径，a为硬币状的硬币厚度。

单井孔隙压力系数B和地层异常孔隙压力的计算，具体分为以下几个步骤：

1)单井孔隙压力系数B

孔隙压力的变化dP与施加的压缩应力的变化dσ之比称为孔隙压力系数B

已知地层孔隙空间刚度K_φ、地层基质体积模量K₀和孔隙流体体积模量K_f，就能求得孔隙压力系数B；

2)孔隙压力：

dP＝Bdσ

3)异常孔隙压力系数

异常孔隙压力系数定义为孔隙压力与静水压力之比，即：

若压缩应力水平方向为零，仅有上覆地层重力压力，则：

其中：ρ_w为地下静水密度，ρ_(z)为地层密度，Z为垂直埋深。

本发明的方法首先从已钻井的测井资料中求取岩石物理参数，避开难以确定的毕奥(Biot-Willis)系数，通过实际岩石参数拟合公式计算地层异常孔隙压力，然后应用叠前弹性波阻抗反演技术，把地震地球物理信息转化为岩石物理参数信息，预测准备钻井或没有钻井区域的地层异常孔隙压力。该方法把测井和地震两种地球物理方法间接获得的岩石物理参数应用到异常地层孔隙压力预测，比直接从实验室测定岩石物理参数简单、费用低，比主观给定的参数来得科学，比单独用叠后地震速度计算来的精细。

附图说明

图1基于岩石物理地震信息三维异常孔隙压力预测方法的流程框图

图2某单井井点处地层异常孔隙压力计算曲线

图3某地区三维地层异常孔隙压力空间分布

具体实施方式

如图1所示，该发明的实施主要分为以下几个步骤：

(1)已钻井的测井数据、岩性、岩电特征和地质分层等综合分析，获取井点岩石地球物理参数(声波纵波速度、横波速度和密度)及其他信息。多口井的纵波速度与密度交会，建立纵波速度与密度的经验关系式。

(2)利用声波测井和密度测井求孔隙度公式，反求地层骨架声波速度和密度，从而得到地层基质体积模量K₀。

(3)结合井点孔隙类型组成及组分，应用应力求孔隙空间刚度公式，计算得到地层孔隙空间刚度K_φ。

(4)已知流体体积模量，地层基质模量K₀和地层孔隙空间刚度K_φ，可以根据压力公式计算孔隙压力，然后计算出井点的异常孔隙压力曲线。

(5)三维地震数据体的分析。要求提供相对保幅处理，叠前偏移成像后的三维地震反射数据体及叠前CRP成像道集。

(6)已钻井的合成记录标定，建立井～震关系，准确地给地震赋予地质意义。

(7)根据叠前弹性波阻抗反演的方法技术要求，将叠前CRP成像道集合理地分成三个部分角度叠加数据，进行叠前波阻抗反演。最后获得较高质量的纵波阻抗、横波阻抗、密度及泊松比等数据体。

(8)利用纵波阻抗、横波阻抗、密度及泊松比等数据体数据，按照(2)、(3)和(4)的步骤方法，计算出整个三维体的异常孔隙压力，实现预测。

基于上述实施方案的具体技术方案是.

首先是已钻井的单井异常地层孔隙压力的计算。具体采用以下步骤：

1)已钻井的地质资料、测井资料的收集和综合分析，研究计算地层异常孔隙压力所必须的岩石物理参数(纵波速度、横波速度和密度)以及它们之间与地层岩性孔隙的关系。

2)地层基质体积模量K₀的计算。

a、应用多口井的纵波速度V_p和密度ρ值进行交会，拟合密度与纵波速度关系的经验公式：ρ＝f(V_p)。

b、利用声波测井和密度测井求孔隙度公式，求解地层骨架纵波速度

和密度(ρ_m)。

声波求孔隙度公式：

密度求孔隙度公式：

地层孔隙度：

由(1)、(2)和(3)得：

Δt_m(ρ-ρ_f)+ρ_m(Δt_f-Δt)-(ρΔt_f-ρ_fΔt)＝0

其中：ρ_f、Δt_f分别为孔隙流体密度和声波速度，

为实测地层声波速度，ρ为实测地层密度。

(若有地层骨架纵波速度

和密度(ρ_m)量板，则可直接计算地层基质体积模量K₀；若有实测的地层孔隙度

由(1)和(2)式直接反求地层骨架纵波速度

和密度(ρ_m)。)

c、地层基质体积模量K₀求取：

其中：ρ_m、V_pm分别是地层骨架密度和纵波速度，V_s是横波速度。

3)地层孔隙空间刚度k_φ的计算

一般地层的孔隙可分为四种类型：球空腔缝洞、硬币形状缝隙、针状缝隙和两维管状裂缝型。地层孔隙空间刚度K_φ就是这四种类型孔隙空间刚度的总和。四种类型孔隙各占总孔隙的多少，以那种孔隙为主要结合具体工区的地质特点、岩芯分析、测井资料而定。具体计算步骤如下：

a、球空腔缝洞

其中：K₀为地层基质体积模量、ν为泊松比。

b、硬币形状缝隙

其中：a<<c，c为硬币状的硬币圆半径，a为硬币状的硬币厚度。

c、针状缝隙

d、两维管状裂缝

仿照Hill平均模量的估算，地层总孔隙空间刚度：

其中：w(x)为权参数，w(x₁)+w(x₂)+w(x₃)+w(x₄)＝1

4)单井异常地层孔隙压力的计算

a、单井孔隙压力系数B的求取

孔隙压力的变化dP与施加的压缩应力的变化dσ之比称为孔隙压力系数(又称斯堪普顿(Skempton)系数)，一般用B表示。

已知地层孔隙空间刚度K_φ、地层基质体积模量K₀和孔隙流体体积模量K_f，就能求得孔隙压力系数B

b、孔隙压力：

dP＝Bdσ

c、异常孔隙压力系数

异常孔隙压力系数定义为孔隙压力与静水压力之比，即：

若压缩应力水平方向为零，仅有上覆地层重力压力，则：

其中：ρ_w为地下静水密度，ρ_(z)为地层密度，Z为垂直埋深。

然后是应用经过地震资料的处理如地震相对保幅处理，叠前偏移成像后的三维地震反射数据体，通过合成记录的标定，使地震与测井建立关系共同用地球物理语言表达地层，在测井弹性声波阻抗和密度参数的约束下，进行三维叠前弹性波阻抗反演，最终实现三维地层异常孔隙压力的预测。具体步骤如下：

1)合成记录的标定

合成记录标定是利用声波测井曲线、密度曲线计算出反射系数曲线，再与选定的地震子波褶积，形成人工合成地震记录，然后与井旁地震记录进行匹配。

合成记录标定的原则是：合成记录与地震剖面的反射波组特征基本一致，波形相似；测井资料的标志、目的层的地质分层与地震剖面的反射波组有良好的对应关系；在多井连井剖面上，各井的目的层分层测量深度和对应位置上的地震剖面反射波组的时间刻度对应统一。

影响合成记录波组对应关系的主要因素之一是子波。子波提取和合成记录制作是交互进行的，先从目的层段提取子波，利用波组特征作为标志层进行合成记录标定，经过对时深关系曲线进行合理的校正，使合成记录与井旁地震道对应关系良好，实现最大相关性，同时使地质分层和地震解释层位对应一致，获得一个初始的时深关系。在此基础上利用井旁地震道和初始标定的阻抗曲线，用最小平方法求取子波，然后用提取的子波重新制作合成记录，再作层位标定，如此反复，直到得到相对稳定的，时深关系合理、地震与合成记录相关性良好的子波为止。

2)三维叠前弹性波阻抗反演

叠前弹性波阻抗反演是在地震资料处理后的叠前道集数据(叠前CRP道集数据或部分叠加数据)上进行的。它是基于地震波在弹性界面上的反射透射理论建立的复杂Zoeppritz矩阵方程式，地震反射透射系数不仅与入射角、透射角有关，而且与上下岩层的纵波、横波、密度等弹性参数有关，相互之间关系非常复杂。通过对Zoeppritz矩阵方程式不同的简化近似，得到弹性波阻抗与纵波速度、横波速度、岩石密度和入射角四个变量的函数关系近似式：

其中：K＝β²/α²；α表示纵波速度；β表示横波速度；ρ表示密度；θ表示入射角

所以叠前反演涉及纵波、横波、密度、入射角4个参数。

三维叠前弹性波阻抗反演的主要内容：

a、叠前道集的品质分析及预处理

叠前CRP道集数据体的品质分析研究，研究在现有资料品质的前提下，叠前反演的可行性及解决办法，进行适当的叠前CRP道集预处理。

叠前CRP道集数据体的划分和部分叠加，根据偏移距大小(入射角度)，一般分成近道(小角度)、中道(中角度)、远道(大角度)三个部分，分别叠加形成三个部分叠加数据体。

b、测井资料分析及预处理

收集工区内井的测井曲线、试油、试采、分层等数据。对测井曲线进行编辑、质量控制和标准化处理。统计分析目的层段各种不同岩性的纵波速度、横波速度，流体性质的变化规律。

c、岩石物理分析、叠前CRP道集AVO、AVA特征分析研究

根据测井资料进行AVO正演，研究AVO正演道集振幅与入射角的关系，结合实际的道集资料进行分析，确定AVO异常类型。对密度资料进行校正、估算缺失的横波数据；完成对工区内储层与非储层速度、密度与岩性、流体、孔隙度的关系统计；开展流体替换研究，以获得地层岩石在不同水饱和条件下的岩石弹性参数结果并建立区域性的岩石物理解释模版，完成岩石物理参数与岩石弹性参数关系建立。

d、不同部分道集叠加数据体的精细井震标定

对工区内的井进行精细合成记录标定。对每个部分的叠加地震数据体，分别进行子波估算，分别进行精细合成记录的标定。不同的子波，对应不同的叠加地震数据体，分析差异，找出特点和规律。

e、三维构造控制模型的建立

对研究区内的主要目的层、控制层、主要的大断层进行构造解释，在此基础上建立符合实际地下地质沉积规律的地质构造控制模型。选择合理的内插方法，生成满足反演需求的井内插弹性波阻抗初始模型。

f、叠前弹性波阻抗反演

利用Zoeppritz矩阵方程式的简化近似式，进行叠前弹性波阻抗反演。对不同角度或者偏移距叠加后的多个地震数据体同时进行联立求解，生成纵波阻抗、横波阻抗、密度、纵横波速度比等岩石弹性参数数据体。进而得到泊松比、地层体积模量K等弹性参数数据体。

3)三维地层异常孔隙压力的预测

有了纵波阻抗、横波阻抗、密度、纵横波速度比等岩石弹性参数数据体，就可以仿照单井异常地层孔隙压力计算方法进行运算。

然后，井傍道预测的异常地层孔隙压力值与实际已钻井计算的异常地层孔隙压力值比较。一般只要叠前弹性波阻抗反演获得的纵波阻抗、横波阻抗、密度与井傍道实测计算的纵波阻抗、横波阻抗、密度吻合得好，井傍道预测的异常地层孔隙压力值与实际已钻井计算的异常地层孔隙压力值吻合也会好。若吻合较差，进行误差分析和校正，技术方法如同波阻抗迭代反演。

图2是本发明实施方式所完成的某单井井点处地层异常孔隙压力计算曲线。它表明井点处地层孔隙压力随深度的变化情况。压力系数的定义是同深度的实际地层压力与静水压力的比值。通常，压力系数小于1，表示地层孔隙压力负异常；在1～1.27之间，表示正常异常；在1.27～1.5之间，表示超压异常过渡带；在1.5～1.73之间，表示超压异常；当大于1.73时，表示强超压异常。钻井过程中，当钻遇超压过渡带，或超压、强超压地层时，就要相应采取措施，以防钻井事故。

图3是本发明实施方式所完成的某地区三维地层异常孔隙压力空间分布预测图。它表明了某地区三维空间地层异常孔隙压力的分布情况。在勘探选定井位钻探之前，运用它就可以提前预知所钻井位地下地层异常孔隙压力的状况，提前做好准备，做到心中有数。同时，它还可以作为预测油气运移、成藏的重要资料。

Claims (3)

1.基于岩石物理地震信息三维异常孔隙压力预测方法，其特征在于：首先是应用岩石物理的纵波速度、横波速度和密度参数，综合分析、交会，建立纵波速度与密度、不排水饱和状态下实测纵波速度与地层基质纵波速度之间关系的经验公式，计算岩性地层基质体积模量k₀，加上岩芯地质分析，计算干燥孔隙空间刚度k_φ，进而求得孔隙压力系数B，实现单井地层异常孔隙压力的计算；然后是应用三维地震反射数据体和三维叠前弹性波阻抗反演方法，得到三维纵波阻抗、横波阻抗、泊松比和密度数据体，参照单井地层异常孔隙压力的计算方法和求取的经验公式，实现三维地层异常孔隙压力的预测；

所述单井地层异常孔隙压力的计算方法和求取的经验公式如下：

单井孔隙压力系数B和地层异常孔隙压力的计算，分为以下步骤：

1)单井孔隙压力系数B

孔隙压力的变化dP与施加的压缩应力的变化dσ之比称为孔隙压力系数B

已知地层孔隙空间刚度K_φ、地层基质体积模量K₀和孔隙流体体积模量K_f，就能求得孔隙压力系数B；

2)孔隙压力：

dP＝Bdσ

3)异常孔隙压力系数

异常孔隙压力系数定义为孔隙压力与静水压力之比，即：

若压缩应力水平方向为零，仅有上覆地层重力压力，则：

其中：ρ_w为地下静水密度，ρ_(z)为地层密度，Z为垂直埋深。

2.根据权利要求1所述的基于岩石物理地震信息三维异常孔隙压力预测方法，其特征在于求取地层基质体积模量k₀，其步骤如下：

1)应用多口井的纵波速度V_p和密度ρ值进行交会，拟合密度与纵波速度关系的经验公式：ρ＝f(V_p)；

2)利用声波测井和密度测井求孔隙度公式，求解地层骨架纵波速度

和密度(ρ_m)；

声波求孔隙度公式：

密度求孔隙度公式：

地层孔隙度：

由(1)、(2)和(3)得：

Δt_m(ρ-ρ_f)+ρ_m(Δt_f-Δt)-(ρΔt_f-ρ_fΔt)＝0

3)地层基质体积模量k₀求取：

其中：ρ_f、Δt_f分别为孔隙流体密度和声波速度，

为实测地层声波速度，ρ为实测地层密度，ρ_m、V_pm分别是地层骨架密度和纵波速度，V_s是横波速度。

3.根据权利要求2所述的基于岩石物理地震信息三维异常孔隙压力预测方法，其特征在于地层孔隙空间刚度k_φ的计算，包括球空腔缝洞、硬币形状缝隙、针状缝隙和两维管状裂缝四种类型孔隙空间刚度的计算，以及这四种类型孔隙空间刚度的总和构成的地层孔隙空间刚度

的计算，具体计算步骤如下：

1)球空腔缝洞的孔隙空间刚度

2)硬币形状缝隙的孔隙空间刚度

3)针状缝隙的孔隙空间刚度

4)两维管状裂缝的孔隙空间刚度

仿照Hill平均模量的估算，地层总孔隙空间刚度：

其中：w(x)为权参数，w(x₁)+w(x₂)+w(x₃)+w(x₄)＝1，K₀为地层基质体积模量，ν为泊松比，a<<c，c为硬币状的硬币圆半径，a为硬币状的硬币厚度。

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