CN113187463A - 一种基于地层超压单成因贡献率的随钻孔隙压力预测方法 - Google Patents

一种基于地层超压单成因贡献率的随钻孔隙压力预测方法 Download PDF

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Abstract

一种基于地层超压单成因贡献率的随钻孔隙压力预测方法，通过模拟实验获取不同超压成因下的实验数据，基于实验数据计算随钻孔隙压力。从复合成因的孔隙压力形成的力学机制出发，从力学角度上分解了复合成因的单成因贡献率，基于贡献率确定孔隙压力，提高了孔隙压力计算的精度。

Description

一种基于地层超压单成因贡献率的随钻孔隙压力预测方法
技术领域
本发明涉及海洋环境保护技术领域，具体涉及一种基于地层超压单成因贡献率的随钻孔隙压力预测方法。
背景技术
近年来，南海西部海域油气勘探程度不断加大，高温高压领域逐渐成为主要的勘探目标，但是其地质情况复杂，目的层发育多期水道砂体，不同砂体间存在高压力台阶或压力反转特征，孔隙压力预测困难。由于随钻孔隙压力预测精度不够，常常出现井涌、气侵、钻井液漏失等污染海洋环境的钻井问题。
在预测孔隙压力时，同一方法对于不同成因的孔隙压力计算结果相差很大，因此预测孔隙压力之前必须识别该地区超压的成因。超压成因识别方法主要包括直接的实证方法与间接的推理方法。前者主要指超压的地质-地球物理测井响应特征分析与实验测试分析等手段，后者主要是指对超压形成条件的理论分析以及超压成因的数值模拟。目前缺乏一种全面的超压成因识别方法。
现有理论中，地层孔隙压力预测方法较多，主要分为图版法和有效应力法。这些预测方法在单成因超压地层中应用效果较好，对于复合成因超压地层中孔隙压力预测误差较大。究其原因，传统孔隙压力预测方法都是基于单成因的理论假设，未考虑超压各成因之间的相互影响。
CN103713327A公开了一种基于测井及地震资料的页岩气储层最小闭合压力评价方法，该方法引入了图版方式，通过解释图版选择最小压力评价办法。该方法中没有引入复合成因的相关变量，使计算精度存在较大偏差。
因此，需要研究开发一种更精确更合理的随钻孔隙压力预测方法。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的不足，本发明提供了一种基于超压单成因贡献率的随钻孔隙压力预测技术。
为了解决现有技术的不足，具体提出了如下的解决方案：
一种基于地层超压单成因贡献率的随钻孔隙压力预测方法，其特征在于：通过模拟实验获取不同超压成因下的实验数据，基于实验数据计算随钻孔隙压力，该方法的具体步骤如下：步骤一，模拟不同超压成因岩石特征变化；步骤二，构建超压成因识别图版；步骤三，计算超压单成因贡献率；步骤四，计算复合成因超压孔隙压力。
进一步地，在步骤一中，通过实验方式模拟特征变化，基于实验数据建立加载型超压特征方程和卸载型超压特征方程。
进一步地，加载型超压特征方程是纯加载成因下孔隙压力与纯加载成因下孔隙度的函数，卸载型超压特征方程是纯卸载成因下孔隙压力与纯卸载成因下孔隙度的函数，优选地，加载型超压特征方程为
Figure BDA0003019676290000021
卸载型超压特征方程为
Figure BDA0003019676290000022
进一步地，超压成因识别图版包括两条曲线，一条为加载型特征方程曲线，另一条为卸载型特征方程曲线；在步骤二中确定复合超压成因点，判断复合超压成因点是否在所述两条曲线之间。
进一步地，在步骤三中，计算确定地层总孔隙压力方程和实际地层岩石总孔隙度方程，地层总孔隙压力方程是加载型超压压力和卸载型超压压力的函数，实际地层岩石总孔隙度方程是加载型超压压力、卸载型超压压力、总孔隙压力和总孔隙度的函数，优选地，地层总孔隙压力方程为Pp＝P1+P2-Pnormal，实际地层岩石总孔隙度方程为
Figure BDA0003019676290000023
进一步地，通过联合求解确定加载型超压压力和卸载型超压压力，加载型超压贡献率通过加载型超压压力和卸载型超压压力联合计算确定。
进一步地，在步骤四中需要目标点地层欠压实成因造成的孔隙压力，所述目标点地层欠压实成因造成的孔隙压力通过上覆岩压力梯度以及深度梯度计算确定。
进一步地，复合成因超压孔隙压力通过所述固定点地层孔隙压力梯度值与贡献率的比值确定，优选地，所述目标点地层欠压实成因造成的孔隙压力计算公式如下
Figure BDA0003019676290000031
G0a，G0b分别为a和b点的上覆岩层压力梯度，Ghb-b为点的静液压力梯度，ha，hb分别为a和b点的深度。
进一步地，步骤三中的所述计算是在步骤一、步骤二中确定的函数基础上确定出来的，步骤四中的压力计算是在步骤三中计算得出的所述贡献率基础上确定出来的。
本发明提供上述预测方法的随钻孔隙压力预测系统，其包括实现上述不同超压成因岩石特征变化模拟的模块，超压成因识别图版构建的模块；超压单成因贡献率计算的模块以及复合成因超压孔隙压力计算的模块。进一步，提供随钻孔隙压力预测装置，其包括处理器和存储器，所述预测系统的计算程序存储在存储器，通过处理器执行所述预测系统，实现所述的一种基于地层超压单成因贡献率的随钻孔隙压力预测方法。
本发明从复合成因的孔隙压力形成的力学机制出发，从力学角度上分解了复合成因的单成因贡献率。再利用目前比较成熟的欠压实成因(加载型超压)造成的孔隙压力计算方法，便可计算复合成因的孔隙压力，通过这样的方法提高了计算效率与精度，更加准确的预测随钻孔隙压力，提高了工程实践的可预见性。从单成因贡献出发综合考虑复合成因因素计算得出孔隙压力，使计算结果更贴合实际压力值，提高了计算的精度。
附图说明
图1随钻孔隙压力预测方法流程图；
图2加/卸载超压的应力-孔隙度图版。
图3应用实施例中计算结果与实测值结果比较。
具体实施方式
下面通过具体实施方式对本发明进行详细的说明，但不构成本发明的限制。
实施例一
为了计算复合成因超压孔隙压力，需要经过模拟实验、超压成因识别图版、贡献率计算以及孔隙压力计算四个主要实验计算内容，具体流程见图1。以下介绍每个内容中需要涉及的技术方案。
(1)模拟不同超压成因岩石特征变化的实验方案
用围压模拟水平地应力，轴向压力模拟地层沉积物的不断积累。用轴向载荷的减少来模拟孔隙流体膨胀作用导致的流体压力增加。因此，加载型超压等同于室内岩石三轴压缩实验中的轴向加载过程。卸载型超压等同于室内岩石三轴压缩实验中的轴向卸载过程。
实验方案：①根据取芯埋深的水平应力大小确定三轴压缩实验的围压大小；②对岩心进行完整的三轴压缩破坏实验，根据应力-应变关系获取岩石处于弹塑性状态的应力水平，基于此应力水平，确定加/卸载实验的最大轴向应力；④根据此最大轴向应力和围压大小开展模拟不同超压成因岩石特征变化的实验，记录应力、应变。
(2)超压成因识别图版
通过模拟不同超压成因岩石特征变化的实验，构建超压成因识别图版，如图2所示。该图版包括，加载型特征方程AO曲线1和卸载型特征方程BO曲线2。C点为复合超压成因特征3。
(3)超压单成因贡献率计算
首先通过有效应力(上覆岩层压力σv与孔隙压力P的差值)，分别确定纯加载型超压和纯卸载型超压的特征曲线方程：
加载型超压特征方程：
Figure BDA0003019676290000051
卸载型超压特征方程：
Figure BDA0003019676290000052
式中：f1、f2为单成因条件下有效应力与孔隙度的关系，即加/卸载超压岩石变形特征的实验分析结果；
Figure BDA0003019676290000053
为纯加载、卸载成因下的孔隙度；
P1、P2为纯加载、卸载成因下的孔隙压力。
式中上覆岩层压力σv在一定深度下被认为是定值，有效应力的大小取决于孔隙压力P1、P2，即认为单成因条件下的孔隙度是单成因条件下孔隙压力的函数。但实际上，总孔隙压力与加载型、卸载型孔隙压力的关系并非线性叠加，而是存在着重叠的部分，该部分应为正常孔隙压力趋势线对应的孔隙压力Pnormal。因此，地层总孔隙压力Pp的表达式为
Pp＝P1+P2-Pnormal (3)
考虑孔隙度与孔隙压力一一对应的关系，实际地层岩石的总孔隙度
Figure BDA0003019676290000057
应满足以下关系：
Figure BDA0003019676290000054
式中：
Figure BDA0003019676290000055
为实际地层正常孔隙压力贡献的孔隙度；
式(1)～式(4)即是单成因贡献率定量评价模型，迭代求解加载型超压P1和卸载型超压P2，可得加载型超压贡献率
Figure BDA0003019676290000056
(4)随钻孔隙压力预测技术方法
等效深度法预测孔隙压力基本依据是，在一定位置上有相同孔隙度的两个类似的粘土或泥岩层，其骨架承受的压应力必然相等，而与各自的埋深无关。假设不同深度处a、b两点具有相同的声波时差Δt值，而各自的深度不同(HA和HB)，HA和HB被称为等效深度。a点的地层孔隙压力梯度Gpa由下式计算：
Figure BDA0003019676290000061
式中，G0a,G0b-分别为a和b点的上覆岩层压力梯度；
Ghb-b点的静液压力梯度；
ha，hb-分别为a和b点的深度。
同时根据等效深度法预测孔隙压力的原理可知，它计算的是欠压实成因(加载型超压)造成的孔隙压力，结合上述获得的欠压实成因贡献率，则有复合成因超压孔隙压力Pp＝Gpa/α。
通过对上面计算内容进行梳理，针对图1中列出的流程图，介绍整个贡献率计算过程，整个计算过程包括六个步骤，具体各个步骤如下：
步骤一：根据目标区块的地应力水平，开展模拟不同超压成因岩石特征变化的实验，具体为三轴压缩试验，通过试验记录应力和应变的关系形成应力应变曲线。
步骤二：根据应力应变曲线，建立加载型超压特征方程：
Figure BDA0003019676290000062
和卸载型超压特征方程：
Figure BDA0003019676290000063
步骤三：根据加载型特征方程曲线和卸载型特征方程曲线，构建超压成因识别图版。
步骤四：通过测井数据解释和测试数据确定同一深度处的孔隙压力、孔隙度和地应力，在超压成因图版中绘制C点，若C点落在加载型特征方程曲线和卸载型特征方程曲线之间，则C点的孔隙压力成因为复合成因，否则为单一成因。
步骤五：根据上面提到的式(1)～式(4)，通过迭代法求解复合成因孔隙压力C点对应的加载型超压P1和卸载型超压P2，进而得到加载型超压贡献率
Figure BDA0003019676290000071
步骤六：根据式(5)计算目标点地层的加载型超压造成的孔隙压力Gpa，得到目标点地层复合成因超压孔隙压力Pp＝Gpa/α。
应用实施例
以南海西部海域为例介绍具体的技术应用过程：
南海西部海域高温高压A井黄流组一段3634米处上覆岩层压力为2.22g/cm3，岩心总孔隙度20.3％。该深度处实测孔隙压力为2.02g/cm3，对应的正常压实地层孔隙压力为1.01g/cm3，对应的正常压实地层孔隙度为10.2％。
通过室内加/卸载超压岩石的力学行为模拟，获得纯加载型超压和纯卸载型超压的特征曲线方程。
加载型超压特征方程：
Figure BDA0003019676290000072
卸载型超压特征方程：
Figure BDA0003019676290000073
孔隙度表达式：
Figure BDA0003019676290000074
地层压力表达式：P1+P2-1.01＝2.02 (9)
通过式(6)～(9)进行迭代法求解，可得到加载型成因的贡献率为57.9％。
根据等效深度法，求得与A井相邻的B井黄流组一段3513米处孔隙压力Gpa为1.18g/cm3，那么B井黄流组一段地层复合成因超压孔隙压力Pp＝Gpa/α＝1.18/0.579＝2.04g/cm3，其计算结果与该处实测值一致，如图3所示。

Claims (10)

1.一种基于地层超压单成因贡献率的随钻孔隙压力预测方法，其特征在于：通过模拟实验获取不同超压成因下的实验数据，基于实验数据计算随钻孔隙压力，该方法的具体步骤如下：
步骤一，模拟不同超压成因岩石特征变化；
步骤二，构建超压成因识别图版；
步骤三，计算超压单成因贡献率；
步骤四，计算复合成因超压孔隙压力。
2.根据权利要求1所述的基于地层超压单成因贡献率的随钻孔隙压力预测方法，其特征在于：在步骤一中，通过实验方式模拟特征变化，基于实验数据建立加载型超压特征方程和卸载型超压特征方程。
3.根据权利要求2所述的基于地层超压单成因贡献率的随钻孔隙压力预测方法，其特征在于：加载型超压特征方程是纯加载成因下孔隙压力与纯加载成因下孔隙度的函数，卸载型超压特征方程是纯卸载成因下孔隙压力与纯卸载成因下孔隙度的函数，优选地加载型超压特征方程为
Figure FDA0003019676280000011
优选地卸载型超压特征方程为
Figure FDA0003019676280000012
其中：f1、f2为单成因条件下有效应力与孔隙度的关系，即加/卸载超压岩石变形特征的实验分析结果；
Figure FDA0003019676280000013
为纯加载、卸载成因下的孔隙度；P1、P2为纯加载、卸载成因下的孔隙压力。
4.根据权利要求1所述的基于地层超压单成因贡献率的随钻孔隙压力预测方法，其特征在于：超压成因识别图版包括两条曲线，一条为加载型特征方程曲线，另一条为卸载型特征方程曲线；在步骤二中确定复合超压成因点，判断复合超压成因点是否在所述两条曲线之间。
5.根据权利要求1所述的基于地层超压单成因贡献率的随钻孔隙压力预测方法，其特征在于：在步骤三中，计算确定地层总孔隙压力方程和实际地层岩石总孔隙度方程，地层总孔隙压力方程是加载型超压压力和卸载型超压压力的函数，实际地层岩石总孔隙度方程是加载型超压压力、卸载型超压压力、总孔隙压力和总孔隙度的函数，
优选地，地层总孔隙压力方程为Pp＝P1+P2-Pnormal，
优选地，实际地层岩石总孔隙度方程为
Figure FDA0003019676280000021
其中，Pnormal为正常孔隙压力趋势线对应的孔隙压力。
6.根据权利要求5所述的基于地层超压单成因贡献率的随钻孔隙压力预测方法，其特征在于：通过联合求解确定加载型超压压力和卸载型超压压力，加载型超压贡献率通过加载型超压压力和卸载型超压压力联合计算确定，具体采用迭代法求解。
7.根据权利要求1所述的基于地层超压单成因贡献率的随钻孔隙压力预测方法，其特征在于：在步骤四中需要-目标点地层欠压实成因造成的孔隙压力，所述目标点地层欠压实成因造成的孔隙压力通过上覆岩压力梯度以及深度梯度计算确定。
8.根据权利要求7所述的基于地层超压单成因贡献率的随钻孔隙压力预测方法，其特征在于：复合成因超压孔隙压力通过所述目标点地层欠压实成因造成的孔隙压力与贡献率的比值确定，目标点地层欠压实成因造成的孔隙压力计算公式如下
Figure FDA0003019676280000022
G0a，G0b分别为a和b点的上覆岩层压力梯度，Ghb为b点的静液压力梯度，ha,hb分别为a和b点的深度。
9.根据权利要求1所述的基于地层超压单成因贡献率的随钻孔隙压力预测方法，其特征在于：步骤三中的所述计算是在步骤一、步骤二中确定的函数基础上确定出来的，步骤四中的压力计算是在步骤三中计算得出的所述贡献率基础上确定出来的。
10.一种实现如权利要求1至9任一项所述的预测方法的随钻孔隙压力预测系统，其特征在于：包括不同超压成因岩石特征变化模拟模块，超压成因识别图版构建模块；超压单成因贡献率计算模块以及复合成因超压孔隙压力计算模块；进一步，所述预测系统存储在存储器，处理器执行所述预测系统，实现权利要求1至9任一项所述的一种基于地层超压单成因贡献率的随钻孔隙压力预测方法。
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李文拓等: "海上高温高压地层孔隙压力预测方法研究", 《重庆科技学院学报(自然科学版)》, no. 002, 31 December 2020 (2020-12-31), pages 5 - 9 *
李超等: "泥岩化学压实作用的超压响应与孔隙压力预测", 《中国矿业大学学报》, no. 005, 31 December 2020 (2020-12-31), pages 951 - 973 *
胡益涛等: "莺-琼盆地随钻地层压力监测难点及应对措施", 《录井工程》, vol. 31, no. 004, 31 December 2020 (2020-12-31), pages 41 - 49 *
郭迎春等: "川西坳陷中段陆相地层压力演化及其成藏意义", 《石油勘探开发》, 31 August 2012 (2012-08-31), pages 426 - 433 *

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