塔里木盆地致密砂岩气层异常高压的测井计算方法

夏宏泉,么勃卫,毕刚

(1.西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室,四川 成都 610500;2.西安石油大学石油工程学院,陕西 西安 710065)

0 引 言

多年来研究人员提出了一系列确定孔隙压力的计算方法,但到目前为止,准确计算致密气藏异常孔隙压力的问题仍未完全解决。中国含油气盆地普遍存在异常高压现象,如塔里木盆地、准格尔盆地、渤海湾盆地和莺琼盆地等都曾钻遇异常高压带(压力系数>1.5),如何提高异常孔隙压力的测井计算精度仍是亟待解决的问题[1-12]。

塔里木盆地克深地区白垩系致密砂岩气藏存在强烈的构造封闭作用,目的层段显现特异常高压(压力系数高达2.21),传统的基于声波时差测井曲线的等效深度法和伊顿法等已不能准确计算该区地层孔隙压力,严重地影响了地应力、地层坍塌压力和破裂压力等参数的计算精度。该盆地山前构造带急需开展利用声波时差测井曲线计算地层异常高压的优选方法研究。本文讨论了ED法、ET法、FP法和BS法计算地层孔隙压力的适用性,认为基于有效应力卸载机理的BS法更适合于计算当声波时差曲线变化不明显时的异常高地层压力。

1 基于正常压实趋势线计算异常高孔隙压力

等效深度法(ED法)和伊顿法(ET法)计算孔隙压力必须建立地层正常压实趋势线[10],其孔隙压力计算公式分别为式(1)和式(2)

pp=Go×DTV+(Gn-Go)He

(1)

式中,pp为孔隙压力,MPa;DTV为实际垂深,m;Go为上覆压力梯度MPa/m;Gn为正常压力梯度,MPa/m;He为等效深度,m。

pp=po-(po-pw)(Δtn/Δt)c

(2)

式中,po为上覆岩层压力,MPa;pw为地层静液压力,MPa;Δt为实测声波时差值,μs/ft*非法定计量单位,1 ft=12 in=0.304 8 m,下同;Δtn为将实际深度代入式(3)得到的正常压实趋势线上的声波时差值,μs/ft;c为压实指数,常取0.914。

图1为克深地区泥岩层正常压实的声波时差随埋深变化的趋势线图,N=3 951,R=0.931 5,方程为

ln Δt=4.5346-0.000093He

(3)

ED法认为,在不同深度但具有相同的岩石物理性质的泥页岩的骨架所受到的有效应力相等,没有考虑泥页岩的岩性、地层温度等影响因素。克深地区致密砂岩气层压力系数>1.65,异常压力点与等效深度点相距较远,用该法计算的孔隙压力和实测压力相差较大,适用性差。ET法也是基于欠压实作用形成高压机制,而克深地区目的层段是在强烈的构造挤压作用下形成异常高压,不属于欠压实机制。

另外,研究发现,在使用ED法和ET法计算工区致密砂岩气层的异常高孔隙压力时,计算的pp曲线纵向起伏变化较大,且需要通过反复试算与调整,人为地附加一个大的压力梯度校正值(例如0.65),才能保证计算结果与实测的压力值基本接近。这2种方法在此仅具有参考价值。

图1 泥岩层正常压实的Δt趋势线图

2 菲利浦法计算异常高孔隙压力

Fillippone法(FP法)不需要建立声波时差测井曲线的正常压实趋势线,仅需要层速度和一个经验常数[13],就可以计算浅层到深层的各层速度所对应的地层孔隙压力值,计算公式为

(4)

式中,vmax、vmin为介质孔隙度接近于零时的地层声速,前者近似岩石基质声速,后者近似于孔隙流体声速,m/s;vint为地层声速,由随钻地震资料提供,m/s;C0为经验参数。

FP法计算结果表明,采用调大或调小C0容易导致整个地层计算的压力剖面发生较大幅度变化,不符合实际地层压力纵向变化特征,而且也需要对pp计算值作附加校正,校正量为DTV×ΔCpg。

利用实测压力反算FP法的公式参数,得出C0=1.25、ΔCpg=0.65。同时发现该法计算的孔隙压力曲线纵向上起伏大、不稳定,与实际地层孔隙压力纵向变化特征不符,不适用于克深井区白垩系地层的异常高孔隙压力计算。

3 博沃斯法计算异常高孔隙压力

Bowers法(BS法)用声波速度和3个经验参数首先确定垂直有效应力,再由上覆岩层压力(po)减去垂直有效应力从而求得孔隙压力(pp)[14-16],可以用来计算欠压实或其他机理引起的孔隙压力异常增高。它不需要建立正常压实趋势线,不用人为添加孔隙压力附加校正系数,只需要确定适用于井区地层的Bowers公式中的3个参数。在异常高压情况下,沉积物的垂直有效应力将低于过去某些时候的值,并处于所谓的“卸载”状态。此时需要知道沉积层历史最大有效应力值σmax,并需要建立沉积层的“卸载unload”速度与有效应力状态,这可由卸载参数U指定。U值由经验确定;σmax由正常压实反映和用户指定值vmax计算得到;vmax为卸载发生层的最大地层声速;dmaxv为最大地层声速对应的深度,对应于卸载发生时的深度;DTV为垂深。

当dmaxv>DTV时,没有发生卸载,则正常孔隙压力为

(5)

当dmaxv≤DTV时,发生卸载,则异常孔隙压力为

(6)

(7)

式中,σmax为沉积层历史时期最大有效应力值,MPa;Δtmin为与最大层速度vmax对应的声波时差,μs/ft;Δtmax为与最小层速度vmin对应的声波时差,μs/ft;A、B、U为经验参数;其他参数意义同前。

根据实测点pP值由程序反算各个参数的合理取值,采用Bowers法计算各井孔隙压力并与实测孔隙压力对比,调整参数值,直到输出的孔隙压力计算曲线误差在工程允许范围内。

分析Bowers法计算的孔隙压力曲线变化趋势,总结A、B、U参数的变化对计算的孔隙压力结果影响,研究发现:

式(7)的底数分母部分是小于0的数值,所以A值取负保证计算的历史最大应力为正值。A在式(6)中分母位置,对孔隙压力计算结果影响较为温和,当其他参数不变时,A的绝对值增大,则计算的孔隙压力增大。

B在式(7)中的指数位置,如果B取负计算σmax,则A的绝对值非常大,而B取正值可以避免出现这种情况。B在式(6)中的指数位置,B绝对值的变化显著影响计算的孔隙压力值,当其他参数不变时,孔隙压力计算值随着B的绝对值变大而变大。

U取正值时不满足声波时差增大与孔隙压力增大的规律,所以U取负值。U=1时,式(6)变为式(5),即没有发生卸载,孔隙压力正常。U在式(6)中的指数位置,其大小的变化也能显著影响孔隙压力值的大小,U的绝对值变大则孔隙压力计算值变小。而且U的绝对值变小,pP曲线变得较为平滑,这为实际利用声波时差和密度测井曲线计算孔隙压力时3个参数的快速有效确定指明了方向。

经过大量实例分析验证,对参数进行调整验证,得出了适用于克深地区的异常高压计算BS法中3个经验参数(A=-0.8、B=2.7、U=-1.4),有普遍的推广性。

4 实例分析应用

塔里木盆地克深井区存在强烈构造封闭作用,其白垩系砂岩气藏具有埋藏深、致密、微裂缝发育和压力特高等特点。TS504井是该气田的一口高产气井,显现突出的特异常高压,在6 728～6 778 m井段实测地层压力为117～122.5 MPa,实测点压力与预测压力对比见表1。

表1 TS504井实测压力与预测压力对比

利用上述方法编程计算了TS504井的地层孔隙压力剖面(见图2),图2中红色标记点为实测孔隙压力点。利用ED法和FP法计算TS504井的孔隙压力曲线在6 730～6 759 m井段有大幅度变化,尤其在6 759～6 769 m井段呈跳跃式变化,不符合实际地层压力变化特征,即ED法和FP法不适合于克深地区异常高孔隙压力计算。采用ET法计算的孔隙压力曲线,在6 730～6 752 m井段存在小幅度波动现象,在6 752～6 769 m井段变化较为稳定,与实测值有一定的吻合,但曲线整体反映实际地层压力变化特征不够准确,且人为修正与调整孔隙压力曲线数值的压力梯度参数ΔCpg太大,只能作为孔隙压力计算参考。而BS法计算的孔隙压力曲线整体变化平缓,在6 728～6 778 m井段孔隙压力计算值为117.78～122.65 MPa,与实测压力一致性好,精度高。

图2 ED法、ET法、FP法、BS法计算TS504井孔隙压力曲线对比图

5 结 论

(1) 塔里木盆地致密砂岩气藏的异常高压不是地层欠压实作用形成的,而是强烈的构造封闭挤压作用形成的,其在Δt曲线上的响应变化特征不明显。

(2) ET法和ED法都需要准确建立研究区的声波时差正常压实变化趋势线,且考虑因素单一,计算的孔隙压力曲线跳跃变化明显,远低于实测地层异常高孔隙压力pp值。当声波时差曲线变化不大和无异常增大趋势时,都需要人为引入一个较大的压力梯度修正值才能计算异常高的地层孔隙压力,这2种方法都不适合计算深层致密砂岩气的异常高孔隙压力。

(3) FP法和BS法不需要建立正常压实趋势线,由实测压力数据点反算即可得孔隙压力计算所需要的关键参数。但FP法必须引入一个较大的压力梯度修正值才能使计算的pp某些值较符合实际地层异常高孔隙压力,计算的孔隙压力数值不可靠。而BS法可对非欠压实机理形成的异常高孔隙压力进行有效的测井计算,算法稳定,结果可靠,且不需要作附加的压力校正。