四川盆地涪陵地区页岩储层压力预测及高压形成机制分析

陈亚琳，郁 飞，罗 兵，邹贤军

(中国石化 江汉油田分公司 勘探开发研究院，武汉 430223)

异常高压是海相页岩气富集高产的关键因素，地层压力是影响页岩气水平井部署和产能的重要因素[1-3]。四川盆地涪陵页岩气田实际开发效果表明，在涪陵一期产建区地层压力系数与产能具有较好的正相关关系；在涪陵二期产建区，构造特征复杂，地层压力变化较大，如何准确预测地层压力非常重要。国内外关于地层压力预测的方法和模型有多种，多数是基于1943年TERZAGHI建立的孔隙压力与有效应力的关系准则[4]，具有代表性的方法主要有：等效深度法(1965)、Eaton法(1976)、Bowers法(1995)、Fillippone法(1982)和Eberhart-Phillips法(1985)等。这些方法都是基于国外压力数据建立的模型，具有较强的区域特征。国内在利用上述模型开展压力预测时，需要采取一定的改进措施[5-6]。在三维压力预测方面，如何准确获得地层速度是区域压力预测的关键。早在1968年PENNEBAKER[5]就提出利用地震层速度预测地层压力，但受速度谱分辨率的限制，地层压力预测的精度并不高；随着地震处理技术的发展和地震反演方法在速度处理中的应用[7-9]，使得地震速度的分辨率得到极大改善，为提高区域压力预测精度提供了基础。

目前在涪陵地区页岩储层的地层压力预测技术和高压形成机制方面开展的研究较少，笔者在对现有压力预测方法的原理及适用性分析的基础上，结合涪陵页岩气田龙马溪组页岩气层的地质特点和资料情况，以Eaton法为基础，通过改进正常压实趋势线的建立方法提高单井地层孔隙压力预测的精度，并联合测井、地震速度资料，建立了以广义线性高精度速度反演为核心、单井高精度孔隙压力预测为约束的三维地层压力预测技术流程，为涪陵页岩气田储层压力预测提供理论依据。同时，对涪陵地区页岩层段高压成因机制进行探索研究，为页岩储层地层压力预测的发展方向提出建议。

1 地层压力预测方法

目前，国内外常用且使用效果较好的地层压力预测方法主要有Fillippone法、Bowers法和Eaton法3种。其中，Fillippone法[10]是根据速度与孔隙压力变化的规律预测地层压力，该方法不依赖正常压实趋势线；Bowers法是一种有效应力法，该方法提出加载、卸载曲线的概念，认为不同的高压成因其有效应力与声波速度的变化遵循不同的曲线关系[11]。理论上来说，这2种方法对于同时存在欠压实、流体膨胀等多种成因机制的高压预测效果较好。但2种方法的计算公式中均涉及多个经验参数，参数具有极强的区域性，参数准确性直接影响预测结果的精度，在井资料或测压资料缺少的地区应用受限[12]。而Eaton法由于涉及参数少，方法容易实现，应用最为广泛。

涪陵页岩气田高压成因机制复杂，且实际测压资料较少，选用Bowers或Fillippone法关键参数的求取十分困难。通过对研究区已钻井岩性、电性特征分析，发现在韩家店组中上部泥岩地层中存在正常压实的泥岩段，而在龙马溪组下部—五峰组的高压段声波速度、密度存在明显反转，因此，本次选用Eaton法作为涪陵地区预测地层孔隙压力的首选。

1.1 Eaton法基本原理

Eaton法是EATON在1972年提出的一种基于正常压实趋势线计算地层压力的方法，是基于有效应力和泥岩压实理论提出的。该方法的前提是给出一个假定的沉积压实条件，它利用的是孔隙压力和声波时差、速度等参数的幂函数关系，这种关系不随岩性或深度的变化而变化，其一般公式形式为[13]：

Pp=Po-(Po-Pw)(νinst/νn)N

(1)

式中：Pp为预测地层孔隙压力，MPa；Po为静岩压力，MPa；Pw为静水压力，MPa；νn为正常压实地层的速度，m/s；νinst为地层实测的声波速度，m/s；N为幂指数，无量纲。指数N随地区和地质年代的不同而变化，需要根据区域的实测压力数据进行测试获取。

国外研究结果表明，对于存在流体膨胀机制的超压地层，采用原始的Eaton法预测结果可能会偏低，但通过调整正常趋势线或者伊顿指数N，增大正常压实地层的速度，降低有效应力，可以使得预测的地层孔隙压力增大，预测的压力数据将沿卸载曲线分布，从而弥补流体膨胀等其他压力成因引起的超压[11]。因此，理论上来说，只要建立的正常压实趋势线合理、伊顿指数N可靠，Eaton法可以满足欠压实、流体膨胀等多种成因机制的压力预测。

1.2 预测方法改进

Eaton法在实际应用中预测精度受正常压实趋势线的制约明显。针对这一问题，本文结合涪陵页岩气田岩性、构造、岩石物理性质的变化特征，通过以下3个步骤对正常压实趋势线的建立过程进行控制：

(1)纵向上分段、多井建立：涪陵地区沉积过程中地层岩性纵向上存在明显的变化，需要对不同岩性的地层分段建立压实趋势线；

(2)平面上分区建立：对于稳定沉积的区域，应该具有统一的正常压实趋势，而涪陵地区经历了多期构造运动的改造，平面上速度由北往南也存在明显差异，本次以声波速度曲线的横向变化为基础，以三级断裂为界分区块建立正常压实趋势线，采用默认Eaton指数对地层压力进行初算；

(3)利用实测数据，反复调试修正：利用地层压力测试数据、泥浆密度曲线等数据，对初算的地层压力结果进行验证，反复调整正常压实趋势线和Eaton指数，直至二者吻合，由此得到最终的正常压实趋势线。

2 应用实例

2.1 研究区概况

涪陵页岩气田构造位置位于四川盆地东南构造区川东高陡褶皱带的东南部，研究区主体位于万县复向斜，处于江南雪峰造山系峰带。受江南雪峰造山带由南东向北西的递进变形影响，研究区总体呈北东向隆凹相间的构造格局，局部受后期改造出现北西向构造，具有明显的南东强北西弱、南东早北西晚的递进变形特征[14]。涪陵页岩气田勘探开发主要目的层为上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组，整体处于相对安静的浅水—深水陆棚沉积环境，发育一套暗色碳质、硅质页岩。钻探结果显示，该套富有机质页岩整体分布稳定，自上而下页岩颜色加深，有机碳含量增高。其中，五峰—龙马溪组一亚段地层储集性能好，有机质丰度高，含气性好，为目前主要开发层系。五峰—龙马溪组一亚段地层普遍具有高压特征，一期主体区钻井液相对密度在1.3～1.45 g/cm3之间，JYA井实测地层压力系数1.37；在二期产建区构造复杂区块，钻井液密度更高，普遍在1.5～1.7 g/cm3之间，水平井微注入试验测试地层压力系数1.6左右。

2.2 地层压力预测

2.2.1 单井地层压力预测

准确的单井地层压力求取是开展三维地层压力预测的基础，单井压力预测主要包括：上覆压力求取、单井正常压实趋势线建立、压力预测模型参数优选和地层压力计算4个部分。其中，正常压实趋势线建立和压力预测模型参数优选是最为关键的环节。

(1)正常压实趋势线的建立。基于前述正常压实趋势线的改进方法，在对涪陵地区三级构造单元划分的基础上，利用多井声波速度趋势分区块建立正常压实趋势线。依据三级断裂及主要构造形态，涪陵页岩气田可以划分为11个三级构造单元，现以一期产建区为例进行详细说明。一期产建区位于涪陵地区焦石坝背斜带上，已钻导眼井6口，纵向岩性特征基本一致，在韩家店组顶部存在明显的地层沉积间断，上下地层岩性存在明显差异，上部地层以灰岩沉积为主，下部地层以泥页岩沉积为主。利用纯泥岩段特征明显的5口井，对原始声波速度曲线进行泥岩趋势过滤，分别对上奥陶统五峰组—中志留统韩家店组的大套泥页岩地层和上覆的灰岩地层建立压实趋势线(图1)。

(2)预测模型参数的确定。JYA井2 360.1 m地层DST实测地层压力32.31 MPa，地层压力系数为1.37，以该井数据为标定，确定涪陵地区单井孔隙压力预测模型参数。由于实测压力数据仅有一个数据点，纵向上地层压力的分布趋势主要参考钻井液密度曲线，求取得到的Eaton指数N为2.8。将JYA井模型参数应用于其他井，并用实钻信息进行验证。如一期产建区中JYB井五峰—龙马溪组下段(2 524～2 575 m)槽面显示有孔状气泡，钻井液密度1.4 g/cm3，采用模型参数预测的地层压力系数为1.43，略高于钻井液密度，说明预测结果比较合理。

图1 四川盆地涪陵地区正常压实趋势线示意

(3)单井压力预测。采用上述方法对涪陵页岩气田导眼井进行孔隙压力预测，认为涪陵地区泥页岩地层孔隙压力具有如下特点(图2)：自上而下呈“三段式”分布特征，即韩家店组中部以上地层为常压带，孔隙压力系数为0.9～1.1；韩家店组下部地层孔隙压力系数逐渐增加，至龙马溪组上部为压力过渡带，地层压力系数为1.1～1.3；龙马溪组下部—五峰组地层为高压带，孔隙压力系数为1.3～1.6，其中，二期构造复杂区块受构造挤压产生的增压作用明显，位于平桥区块的井地层孔隙压力系数均大于1.5。

2.2.2 三维压力预测

在井上确立了压力预测的模型和参数，即可用于三维地层孔隙压力预测。Eaton法进行地层压力预测的原理是通过比较井点速度与正常压实趋势线的偏离程度，偏离越大，表明地层压力越大，因此，三维地层孔隙压力预测的成败取决于地震速度的精度[15]。

(1)高精度速度场建立。传统地震层速度的获得是利用常规地震资料处理的均方根速度通过Dix公式转换得到，纵向分辨率低[16]，而且转换后的层速度与实际的测井速度往往存在较大误差，直接采用处理得到的速度体进行压力预测会导致结果产生较大的偏差，不能反映真实的地层压力。本次联合测井、地震信息，在高精度速度分析的基础上，通过井约束的广义线性速度反演获得高精度的三维速度场，以提高三维地层孔隙压力预测的精度。首先，通过叠前噪声压制、信号加强、超道集等一系列道集优化处理技术，提高原始CRP道集的信噪比，使得速度谱能量团更加集中(图3)；第二，以初始速度体V0为基础，开展高精度速度分析，通过加密速度解释网格、提高目的层段纵向的样点拾取精度，并以声波测井速度作为趋势约束，提高地震速度与地层速度的相关性；第三，通过“三步法”得到高精度层速度体，包括三维约束Dix反演层速度、基于井约束的低频背景趋势校正、基于井约束的速度广义线性反演，提高层速度的精度和分辨率。

(2)三维压力预测效果。涪陵地区构造特征复杂，三维地层压力预测采用统一的正常压实趋势线会造成预测结果出现偏差。基于分区建立的正常压实趋势线，通过地质建模建立横向变化的背景压实趋势模型，再结合高精度处理的层速度体，采用Eaton法对涪陵地区三维孔隙压力进行预测。

图2 四川盆地涪陵地区JYA井地层压力剖面

图3 四川盆地涪陵地区道集优化处理前后速度谱对比示意

图4 四川盆地涪陵地区页岩层段地层压力系数分布

涪陵地区五峰—龙马溪组下段的地层压力预测结果表明(图4)，地层压力系数东低西高，与构造变形强度东强西弱的认识相对应。东带地层压力系数整体较低，小于1.2；西带普遍存在高压特征，地层压力系数大于1.3。其中，在一期产建区西南部和东西两翼的断裂复杂带地层压力系数偏低，与构造作用导致压力释放有关；在二期平桥、江东等构造复杂区块，局部地层压力系数大于1.5，可能与强烈的构造挤压作用有关。

2.3 高压成因机制分析

2.3.1 异常高压形成机制判别方法

异常高压成因机制多种多样，包括不平衡压实、生烃作用、水热增压、黏土矿物脱水、流体密度差异和构造运动等十余种。依据沉积压实过程中的力学关系，可以将主要的高压形成机制分为3类(表1)。其中，加载、卸载2类机制引起的异常高压是研究的重点[17-20]。

沉积压实过程中力学关系的实质是研究有效应力与孔隙变形之间的关系，与孔隙变形相关的测井曲线主要有声波速度、电阻率、密度等，不同的高压成因机制在泥岩段具有不同的测井响应特征，其有效应力与声波速度、密度等的变化遵循不同的曲线关系。当地层处于正常压实、欠平衡压实状态或受到强烈的构造挤压作用时，会造成垂直有效应力持续增加或保持不变，沉积物处于一种逐渐加载或维持原有载荷的力学过程，此时声波速度—垂直有效应力关系曲线符合加载曲线关系(图5a)[17]；在波速—密度交会图中，随着密度增加，声波速度也会逐渐增加。其中，构造挤压机制可以认为是处于一种三维压实状态，是加载速率更快的加载过程，曲线形态与欠压实的加载曲线形态明显不同。当地层中存在流体膨胀作用时，导致孔隙体积增加而垂直有效应力在原始状态基础上减小，为地层的沉积卸载过程，此时反映岩石卸载过程的声波速度—垂直有效应力关系曲线符合卸载曲线(图5b)[17]，声波速度、电阻率曲线出现反转，而密度曲线变化不大；在声波速度—密度交会图中，声波速度会迅速降低，密度则保持不变或缓慢减小。

表1 异常高压形成机制分类

图5 声波速度与垂直有效应力关系曲线[17]

超压形成机制判别主要包括3个步骤：首先，基于泥质含量提取纯泥岩的声波速度、密度、电阻率等曲线数据；其次，依据声波速度、密度等曲线变化趋势，判断是否存在反转现象，并提取反转点附近泥岩段的声波速度—密度交会图，区分加载和卸载机制；最后，综合区域构造背景、应力测量结果以及声波速度—密度加载曲线形态，判断是否存在再次加载的机制(构造作用)。

2.3.2 高压成因机制分析

涪陵地区多口井纯泥岩段的声波速度、密度、电阻率纵向分布特征表明，在韩家店组上部的正常压实段，波速、密度、电阻率曲线在对比图中均无明显偏转；在龙马溪组下部—五峰组目的页岩层段，普遍存在高压特征，声波速度、电阻率和密度测井曲线均发生了明显反转，说明存在加载类的高压机制类型。

以焦石坝背斜带JYA井和平桥背斜JYC井为例，分别提取2口井反转点附近泥岩段的声波速度和密度数据，制作二者的交会图(图6)，认为在目的页岩层段除了存在加载机制的高压成因外，还存在卸载机制(流体膨胀)的高压成因。研究表明，川东南地区五峰—龙马溪组页岩有机质类型为Ⅰ型，页岩热演化程度较高，Ro介于2%～3.5%，达到了油气生成的后期阶段[21-22]；涪陵地区在燕山晚期进入主生气期，烃类气体集中大量生成，页岩层的生烃量远高于排烃量，页岩储层压力显著增高。因此，生烃作用为涪陵地区页岩地层高压的重要成因机制之一。

从JYC井的声波速度—密度交会图(图6b)上还能明显看出加载曲线存在明显的拐点，认为加载机制中除原始沉积的欠压实机制外，还可能存在构造挤压机制[23]。前人研究表明，涪陵地区经历了多期构造运动，在燕山期遭受了由南东至北西强烈的挤压作用，平面上构造变形强度具有明显差异性。JYA井位于一期产建区内，处于焦石坝背斜核部，构造变形强度较弱，声波速度—密度交会图(图6a)中构造挤压机制不明显，高压成因机制以生烃作用、欠压实为主。JYC井位于涪陵页岩气田南部的平桥背斜上，为一狭长的窄陡背斜，构造变形指数要高于一期产建区；声波速度—密度交会图(图6b)中其加载曲线具有明显的拐点，呈两段式分布，说明平桥区块与一期产建区相比遭受了更剧烈的构造挤压，高压成因机制以生烃作用、欠压实和构造挤压为主。

图6 四川盆地涪陵地区五峰—龙马溪组页岩层段声波速度与密度交会图

综合分析认为，涪陵地区目的页岩层段的压力异常是由欠压实、生烃作用、构造挤压3种机制混合作用所致，其中构造挤压在不同构造带发挥的作用不一样。现阶段研究认为，一期产建区构造挤压机制较弱，在二期构造复杂区块，构造挤压作用也是产生异常压力的重要机制之一。

本次仅对涪陵地区目的页岩层段的高压形成机制做了探索性研究，尚需要进一步结合区域沉积背景、构造演化特征、曲线变化特征，对纵向上每一段压力异常的成因机制进行深入分析，研究每种超压机制出现的时期、顶底界面以及对压力系统的具体影响。同时，在高压机制明确和新钻井实测压力数据丰富的基础上，综合Eaton法、Bowers法等方法进一步改进页岩气地层压力预测方法。

3 结论

(1)采用改进后的Eaton方法，在涪陵地区页岩储层单井孔隙压力预测中取得较好的应用效果，建立的以广义线性速度反演为核心的井控速度精细处理流程，可以有效提高层速度场的处理精度，为准确开展涪陵地区三维孔隙压力预测提供数据基础。

(2)涪陵地区志留系地层孔隙压力纵向上呈“三段式”分布特征，自上而下地层压力系数逐渐增加，由常压地层向高压层逐渐过渡。其中，龙马溪组下部—五峰组的目的页岩层段为高压带，孔隙压力系数在1.3～1.6。

(3)根据岩石加载和卸载时不同的测井曲线响应特征，通过声波速度—密度交会图，结合区域有机质演化特征和构造地质特征，可以对涪陵地区目的页岩层段的高压成因机制进行判别。

(4)涪陵地区志留系的压力异常是由欠压实、生烃作用和构造挤压3种机制共同作用的结果。其中，生烃作用是目的页岩层段产生超压的主要机制，构造作用在构造复杂区块是产生压力异常的重要机制之一。

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