CN113790044B - 一种多机制复合构成超压地层孔隙压力的评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多机制复合构成超压地层孔隙压力的评价方法，基于实测地层压力、随钻测试地层压力和泥浆密度等压力资料和声波时差、密度、电阻率等测井资料，首先利用泥岩压实作用曲线、声波速度与垂向有效应力的关系图版、声波速度与密度的关系图版，来综合确定不同地层段超压的形成机制，确定实际井的多机制复合构成超压段，再者构建多机制复合构成超压地层孔隙压力评价模型，最后利用实际井资料求取新构建的多机制复合构成超压地层孔隙压力评价模型中的几个未知参数，利用该模型来评价实际井多机制复合构成超压段孔隙压力的分布。本发明方法具有简单、准确和适用性更为广泛的特点，为复杂构造区多机制复合构成超压的准确评价提供了新方法。

Description

一种多机制复合构成超压地层孔隙压力的评价方法

技术领域

本发明涉及石油天然气勘探开发领域，具体涉及一种多机制复合构成超压地层孔隙压力的评价方法。

背景技术

目前，前陆盆地及复杂构造区为油气勘探的重要地区，其内油气藏多发育超压，且以强超压居多，有些地层甚至形成了接近或超过静岩压力的强超压，这些强超压的形成机制普遍较为复杂，往往有多种机制复合而成，且以卸荷超压机制为主。目前，已有多种常用的超压地层孔隙压力预测方法，如Eaton(1972)^[1]、Bower(1995)^[2]、Zhang(2013)^[3]等，尽管这些方法能预测具有卸荷超压贡献的地层压力，但用其预测以卸荷超压机制为主的强超压地层孔隙压力时，特别是针对接近或超过静岩压力的强超压地层孔隙压力预测时，这些方法已不再适用或预测效果较差。因此，需要发现一种新方法来评价多机制复合构成超压地层的孔隙压力。

[1]Eaton,B.A.,1972.Graphical method predicts geopressuresworldwide.World Oil,182,51-56.

[2]Bowers,G.L.,1995.Pore pressure estimation from velocity data:accounting for overpressure mechanisms besides undercompaction.SPE,27488.

[3]Zhang,J.,2013.Effective stress,porosity,velocity and abnormal porepressure prediction accounting for compaction disequilibrium andunloading.Marine and Petroleum Geology,45,2-11.

发明内容

本发明的目的在于提供一种多机制复合构成超压地层孔隙压力的评价方法，以克服现有技术存在的缺陷，本发明具有简单、准确和适用性更为广泛的特点，为复杂构造区多机制复合构成超压的准确评价提供了新方法。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种多机制复合构成超压地层孔隙压力的评价方法，包括以下步骤：

步骤1：整理压力数据和测井数据，所述压力数据包括实测地层压力、随钻测试地层压力以及泥浆密度，所述测井数据包括不同埋深泥岩的声波时差、密度以及电阻率；

步骤2：利用步骤1中整理的不同埋深泥岩的声波时差、密度以及电阻率及随钻测试地层压力、泥浆密度和实测地层压力随埋深的变化关系数据，来综合判断正常压实层段和超压层段；利用泥岩段密度求取正常压实泥岩段和超压泥岩段的垂向有效应力，利用泥岩的声波时差求取泥岩的声波速度；利用泥岩段的密度和求取的泥岩段的垂向有效应力和声波速度，建立声波速度与垂向有效应力的关系图版、声波速度与密度的关系图版，综合确定实际井超压层段中欠压实超压段和多机制复合构成超压段；

步骤3：利用步骤2确定的正常压实层段及其测井密度和测井声波时差资料，建立正常压实下的泥岩声波时差评价模型、垂向载荷应力评价模型；利用地层中欠压实超压形成后会引起声波时差测井相对同深度静水压力地层异常高的特征，建立声波时差与地层欠压实超压的关系式，与正常压实下的泥岩声波时差评价模型、垂向载荷应力评价模型结合，建立欠压实超压地层孔隙压力评价模型；将欠压实超压地层孔隙压力评价模型进一步变换，构建多机制复合构成超压地层孔隙压力评价模型；

步骤4：选取步骤2确定的实际井多机制复合构成超压段，利用步骤3建立的多机制复合构成超压地层孔隙压力评价模型，评价实际井多机制复合构成超压层段孔隙压力的分布。

进一步地，所述步骤3具体包括以下步骤：

步骤3.1：建立正常压实下的泥岩声波时差模型；如下式所示：

Δt_n＝Δt_ma+a·e^-bz

其中，Δt_n为正常压实下泥岩的声波时差，Δt_ma为泥岩基质的声波时差，z为埋深，a为利用测井声波时差和泥岩基质声波时差的差值与埋深之间的指数关系得到的拟合系数，b为利用测井声波时差和泥岩基质声波时差的差值与埋深之间的指数关系得到的泥岩压实系数；

步骤3.2：建立垂向载荷应力模型；

步骤3.3：利用地层中欠压实超压形成后会引起声波时差测井相对同深度静水压力地层异常高的特征，建立声波时差与地层欠压实超压的关系式，与步骤3.1正常压实下的泥岩声波时差评价模型、步骤3.2垂向载荷应力评价模型结合，建立仅欠压实超压地层孔隙压力评价模型；

步骤3.4：将步骤3.3建立的仅欠压实超压地层孔隙压力评价模型中的声波时差进一步校正，建立多机制复合构成超压地层孔隙压力评价模型。

进一步地，步骤3.2中建立的垂向载荷应力模型，如下式所示：

其中，σ_v为垂向载荷应力，g为重力加速度，ρ(z)为随深度变化的密度函数，表示为

ρ(z)＝ρ_ma-c·e^-dz

其中，ρ_ma为泥岩基质的密度，c为利用泥岩基质密度和测井密度的差值与埋深之间的指数关系得到的拟合系数，d为利用泥岩基质密度和测井密度的差值与埋深之间的指数关系得到的泥岩压实系数，将ρ(z)代入σ_v之中，即得到垂向载荷应力随深度的关系式为：

进一步地，步骤3.3中利用地层中欠压实超压形成后会引起声波时差测井相对同深度静水压力地层异常高的特征，建立声波时差与地层欠压实超压的关系式为：

其中，ΔP为地层欠压实超压的大小，ΔP＝P-P_静，P_欠为仅欠压实超压地层孔隙压力，P_静为静水压力，P_静＝ρ_水·g·z，其中ρ_水为地层中孔隙水的密度，σ_v为垂向载荷应力，Δt为测井获得的泥岩声波时差，Δt_n为正常压实下泥岩的声波时差，Δt₀为地表的泥岩声波时差，x为经验指数，取值范围在0～1之间，这时仅欠压实超压地层孔隙压力表示为：

其中，Δt_n为步骤3.1已建立的正常压实下的泥岩声波时差模型，σ_v为步骤3.2已建立的垂向载荷应力模型。

进一步地，当评价正常压实地层的孔隙压力时，取x为1，当评价欠压实超压地层的孔隙压力时，取x为1/3。

进一步地，步骤3.4中当地层中卸荷和欠压实共同作用产生超压时即为地层中超压为多机制复合构成，这时运用上述欠压实超压的地层孔隙压力公式来评价该地层压力时，其值往往会被低估，因此，利用步骤3.3的公式评价多机制复合构成超压地层孔隙压力时，需要对泥岩声波时差Δt进行校正，假定Δt校正后的泥岩声波时差为Δt_ul，这时多机制复合构成超压地层的孔隙压力P_复合评价公式修正为：

利用声波时差、密度和实测地层压力，获得校正后的泥岩声波时差Δt_ul与实测声波时差Δt之间的关系式：

Δt_ul＝e·Δt+f

其中，e和f为常数，这时，多机制复合构成超压地层的孔隙压力评价公式进一步变为：

进一步地，所述的步骤4具体过程为：

根据实际井的平均密度测井和平均声波时差测井随埋深的变化关系，确定正常压实段，进而确定步骤3.1正常压实段泥岩平均声波时差随深度关系的常数a和b，和步骤3.2正常压实段泥岩密度随深度关系的常数c和d；依据步骤2确定实际井的多机制复合构成超压段，结合声波时差、密度和实测地层压力，求取步骤3.4多机制复合构成超压地层孔隙压力评价模型中的常数e和f，进而选定步骤3.4多机制复合构成超压地层孔隙压力评价模型，来评价实际井的多机制复合构成超压段地层孔隙压力的分布。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

目前，油气勘探的热点地区—前陆盆地及复杂构造区中、深层多发育静岩压力附近的强超压，其超压往往有多种机制复合而成，基于测井资料的现有地层孔隙压力评价方法对中、深层发育的大于或等于静岩压力的强超压地层孔隙压力预测时已不再适用或效果较差，而本发明基于欠压实超压和卸荷超压机制形成后会引起地层声波时差测井的差异响应特征这种被普遍认可的基本原理作为模型推导的依据，并且模型推导的各个步骤之间具有较好的逻辑关系，最终新构建的多机制复合构成超压地层孔隙压力的评价方法，不仅能适用于小于静岩压力的强超压地层孔隙压力预测，也能适用于大于或等于静岩压力的强超压地层孔隙压力预测，同时，通过预测的地层孔隙压力与实测的地层孔隙压力的对比，发现其预测值与实测值吻合度高，表明其预测效果好。总之，本发明方法具有简单、准确和适用性更为广泛的特点，可为复杂构造区多机制复合构成超压的准确评价提供新方法。

附图说明

图1为本发明的流程示意图。

图2为N1井超压段及超压形成机制的识别图，其中(a)为声波时差、密度、地层电阻率、泥浆密度和随钻测试地层压力换算的压力系数随深度的关系图，(b)为密度与声波速度的关系图，(c)为垂向有效应力与声波速度的关系图。

图3为N1井正常压实下泥岩声波时差随埋深的关系图。

图4为N1井正常压实下泥岩密度随埋深的关系图。

图5为N1井多机制复合构成超压层段孔隙压力的评价图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

以准噶尔盆地南缘N1井为例，一种多机制复合构成超压地层孔隙压力的评价方法，包括以下步骤：

步骤1：收集并整理实际井的实测地层压力、随钻测试地层压力和泥浆密度等压力资料和声波时差、密度、电阻率等测井资料；

步骤2：利用实际井的测井资料，读取厚度大于5m泥岩段的平均声波时差、平均密度、平均电阻率，利用其数据分别编制平均声波时差、平均密度、平均电阻率随深度的变化曲线，利用平均密度和平均电阻率均出现负异常、平均声波时差出现正异常，并结合随钻测试地层压力和泥浆密度分别随埋深的变化关系，来综合判断正常压实层段和超压层段，综合判断认为，N1井的正常压实段为2466m以上，超压层段为2466m以下；利用声波速度与垂向有效应力的关系图版和声波速度与密度的关系图版，来综合确定卸荷增压的层段，具体判断时利用正常压实段的声波速度(可用声波时差变换得到)、密度和垂向有效应力，建立正常压实段的声波速度与垂向有效应力的关系曲线和声波速度与密度的关系曲线，将超压层段的数据点投到两个关系图中，如果声波速度与垂向有效应力的图版中，超压层段的数据点如落在了正常压实趋势线，说明超压为欠压实成因，超压层段的数据点偏离正常压实趋势线，且落在其左边，说明超压具有卸荷增压的贡献，如果声波速度与密度的图版中，超压层段的数据点落在了正常压实趋势线，说明超压为欠压实成因，如偏离正常压实趋势线，且落在其下方，说明超压具有卸荷增压的贡献。综合判断表明，N1井的2466m以下层段超压成因为欠压实和卸荷的共同作用，该超压层段为多机制复合构成超压段(图2)；

步骤3：多机制复合构成超压地层孔隙压力评价模型建立，具体包括：

步骤3.1：正常压实下的泥岩声波时差子模型建立，根据Wyllie et al.(1956)和Athy(1930)的研究成果，可建立泥岩声波时差与埋深的关系式为：

Δt_n＝Δt_ma+a·e^-bz

这里，Δt_n为正常压实下泥岩的声波时差，Δt_ma为泥岩基质的声波时差，一般取176.5，z为埋深，a为利用测井声波时差和泥岩基质声波时差的差值与埋深之间的指数关系得到的拟合系数，b为利用测井声波时差和泥岩基质声波时差的差值与埋深之间的指数关系得到的泥岩压实系数，a和b均能够用正常压实泥岩的测井声波时差和泥岩基质声波时差的差值与埋深的指数拟合关系得到(图3)。

步骤3.2：垂向载荷应力子模型建立，根据Engelder(1993)提出的地层垂向载荷应力计算模型，可建立垂向载荷应力(σ_v)随埋深的关系式为：

这里，g为重力加速度，ρ(z)为随深度变化的密度函数，可表示为：

ρ(z)＝ρ_ma-c·e^-dz

这里，ρ_ma为泥岩基质的密度，一般取2.71，c为利用泥岩基质密度和测井密度的差值与埋深之间的指数关系得到的拟合系数，d为利用泥岩基质密度和测井密度的差值与埋深之间的指数关系得到的泥岩压实系数，c和d均能够用正常压实泥岩基质密度和测井密度的差值与埋深的指数拟合关系得到(图4)。将ρ(z)代入σ_v之中，可得到垂向载荷应力随深度的关系式为：

步骤3.3：仅欠压实超压地层孔隙压力评价模型建立，利用地层中欠压实超压形成后会引起声波时差测井相对同深度静水压力地层异常高的特征，建立声波时差与地层欠压实超压的关系式为：

这里，ΔP为地层欠压实超压的大小，ΔP＝P-P_静，P_欠为仅欠压实超压地层孔隙压力，P_静为静水压力，P_静＝ρ_水·g·z，其中ρ_水为地层中孔隙水的密度，一般取1.03，σ_v为垂向载荷应力，Δt为测井获得的泥岩声波时差，Δt_n为正常压实下的泥岩声波时差，Δt₀为地表的泥岩声波时差，可取610，x为经验指数，取值范围在0～1之间。这时仅欠压实超压地层孔隙压力可表示为：

其中，Δt_n为步骤3.1已建立的正常压实下的泥岩声波时差模型，σ_v为步骤3.2已建立的垂向载荷应力模型。利用该公式评价正常压实地层的孔隙压力时，可取x为1，评价欠压实超压地层的孔隙压力时，可取x为1/3，这时该公式变为：

步骤3.4：多机制复合构成超压地层孔隙压力评价模型建立，当地层中卸荷和欠压实共同作用产生超压时即为地层中超压为多机制复合构成，运用上述欠压实超压的地层孔隙压力公式来评价该地层压力时，其值往往会被低估，因此，利用子步骤3.3的公式评价卸荷和欠压实共同增压作用的地层孔隙压力时，需要对泥岩声波时差Δt进行校正，假定Δt校正后的泥岩声波时差为Δt_ul，这时多机制复合构成超压地层的孔隙压力(P_复合)评价公式可变为：

利用声波时差、密度等测井资料和实测地层压力，可获得校正后的泥岩声波时差Δt_ul与实测声波时差Δt之间的关系式：

Δt_ul＝e·Δt+f

这里，e和f为常数。这时，多机制复合构成超压地层的孔隙压力评价公式可进一步变为：

步骤4：实际井多机制复合构成超压层段孔隙压力的分布评价。首先，依据已读取的实际井厚度大于5m泥岩段的平均密度测井、平均声波时差测井及平均深度，分别做平均密度、平均声波时差随埋深的变化关系图，依据泥岩正常压实段平均密度、平均声波时差与埋深的指数关系，可确定正常压实段；再者，利用正常压实段泥岩平均声波时差与泥岩基质声波时差176.5的差值与平均埋深的指数拟合关系，得到a和b值，求出N1实例井确定的a和b值分别为291.458、0.000485，把a和b代入步骤3.1中的模型中，求取正常压实下泥岩的声波时差；利用正常压实段泥岩基质密度2.71与泥岩平均密度的差值与平均埋深的指数拟合关系，得到c和d值，N1实例井确定的c和d值分别为0.539、0.000225，把c和d代入步骤3.2中的模型中，求取垂向载荷应力；将求取的正常压实下泥岩的声波时差和垂向载荷应力代入步骤3.3和步骤3.4的孔隙压力评价模型中，得到实际井两种情况下的地层孔隙压力评价模型；最后，依据步骤2确定实际井多机制复合构成超压层段，结合结合声波时差、密度等测井资料和实测地层压力等，来求取子步骤4多机制复合构成超压地层孔隙压力评价模型中的常数e和f，N1实例井确定的e和f值分别为-0.159、696.4，进而利用步骤3.4多机制复合构成超压地层孔隙压力评价模型，来评价实际井多机制复合构成超压层段孔隙压力的分布(图5)。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种多机制复合构成超压地层孔隙压力的评价方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：整理压力数据和测井数据，所述压力数据包括实测地层压力、随钻测试地层压力以及泥浆密度，所述测井数据包括不同埋深泥岩的声波时差、密度以及电阻率；

步骤2：利用步骤1中整理的不同埋深泥岩的声波时差、密度以及电阻率及随钻测试地层压力、泥浆密度和实测地层压力随埋深的变化关系数据，来综合判断正常压实层段和超压层段；利用泥岩段密度求取正常压实泥岩段和超压泥岩段的垂向有效应力，利用泥岩的声波时差求取泥岩的声波速度；利用泥岩段的密度和求取的泥岩段的垂向有效应力和声波速度，建立声波速度与垂向有效应力的关系图版、声波速度与密度的关系图版，综合确定实际井超压层段中欠压实超压段和多机制复合构成超压段；

步骤3：利用步骤2确定的正常压实层段及其测井密度和测井声波时差资料，建立正常压实下的泥岩声波时差评价模型、垂向载荷应力评价模型；利用地层中欠压实超压形成后会引起声波时差测井相对同深度静水压力地层异常高的特征，建立声波时差与地层欠压实超压的关系式，与正常压实下的泥岩声波时差评价模型、垂向载荷应力评价模型结合，建立欠压实超压地层孔隙压力评价模型；将欠压实超压地层孔隙压力评价模型进一步变换，构建多机制复合构成超压地层孔隙压力评价模型；

所述步骤3具体包括以下步骤：

步骤3.1：建立正常压实下的泥岩声波时差模型；如下式所示：

Δt_n＝Δt_ma+a·e^-bz

其中，Δt_n为正常压实下泥岩的声波时差，Δt_ma为泥岩基质的声波时差，z为埋深，a为利用测井声波时差和泥岩基质声波时差的差值与埋深之间的指数关系得到的拟合系数，b为利用测井声波时差和泥岩基质声波时差的差值与埋深之间的指数关系得到的泥岩压实系数；

步骤3.2：建立垂向载荷应力模型，如下式所示：

其中，σ_v为垂向载荷应力，g为重力加速度，ρ(z)为随深度变化的密度函数，表示为

ρ(z)＝ρ_ma-c·e^-dz

其中，ρ_ma为泥岩基质的密度，c为利用泥岩基质密度和测井密度的差值与埋深之间的指数关系得到的拟合系数，d为利用泥岩基质密度和测井密度的差值与埋深之间的指数关系得到的泥岩压实系数，将ρ(z)代入σ_v之中，即得到垂向载荷应力随深度的关系式为：

步骤3.3：利用地层中欠压实超压形成后会引起声波时差测井相对同深度静水压力地层异常高的特征，建立声波时差与地层欠压实超压的关系式，与步骤3.1正常压实下的泥岩声波时差评价模型、步骤3.2垂向载荷应力评价模型结合，建立仅欠压实超压地层孔隙压力评价模型；

步骤3.4：将步骤3.3建立的仅欠压实超压地层孔隙压力评价模型中的声波时差进一步校正，建立多机制复合构成超压地层孔隙压力评价模型；

步骤4：选取步骤2确定的实际井多机制复合构成超压段，利用步骤3建立的多机制复合构成超压地层孔隙压力评价模型，评价实际井多机制复合构成超压层段孔隙压力的分布。

2.根据权利要求1所述的一种多机制复合构成超压地层孔隙压力的评价方法，其特征在于，步骤3.3中利用地层中欠压实超压形成后会引起声波时差测井相对同深度静水压力地层异常高的特征，建立声波时差与地层欠压实超压的关系式为：

其中，ΔP为地层欠压实超压的大小，ΔP＝P-P_静，P_欠为仅欠压实超压地层孔隙压力，P_静为静水压力，P_静＝ρ_水·g·z，其中ρ_水为地层中孔隙水的密度，σ_v为垂向载荷应力，Δt为测井获得的泥岩声波时差，Δt_n为正常压实下泥岩的声波时差，Δt₀为地表的泥岩声波时差，x为经验指数，取值范围在0～1之间，这时仅欠压实超压地层孔隙压力表示为：

其中，Δt_n为步骤3.1已建立的正常压实下的泥岩声波时差模型，σ_v为步骤3.2已建立的垂向载荷应力模型。

3.根据权利要求2所述的一种多机制复合构成超压地层孔隙压力的评价方法，其特征在于，当评价正常压实地层的孔隙压力时，取x为1，当评价欠压实超压地层的孔隙压力时，取x为1/3。

4.根据权利要求2所述的一种多机制复合构成超压地层孔隙压力的评价方法，其特征在于，步骤3.4中当地层中卸荷和欠压实共同作用产生超压时即为地层中超压为多机制复合构成，这时运用上述欠压实超压的地层孔隙压力公式来评价该地层压力时，其值往往会被低估，因此，利用步骤3.3的公式评价多机制复合构成超压地层孔隙压力时，需要对泥岩声波时差Δt进行校正，假定Δt校正后的泥岩声波时差为Δt_ul，这时多机制复合构成超压地层的孔隙压力P_复合评价公式修正为：

利用声波时差、密度和实测地层压力，获得校正后的泥岩声波时差Δt_ul与实测声波时差Δt之间的关系式：

Δt_ul＝e·Δt+f

其中，e和f为常数，这时，多机制复合构成超压地层的孔隙压力评价公式进一步变为：

5.根据权利要求2所述的一种多机制复合构成超压地层孔隙压力的评价方法，其特征在于，所述的步骤4具体过程为：

根据实际井的平均密度测井和平均声波时差测井随埋深的变化关系，确定正常压实段，进而确定步骤3.1正常压实段泥岩平均声波时差随深度关系的常数a和b，和步骤3.2正常压实段泥岩密度随深度关系的常数c和d；依据步骤2确定实际井的多机制复合构成超压段，结合声波时差、密度和实测地层压力，求取步骤3.4多机制复合构成超压地层孔隙压力评价模型中的常数e和f，进而选定步骤3.4多机制复合构成超压地层孔隙压力评价模型，来评价实际井的多机制复合构成超压段地层孔隙压力的分布。

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