南海莺琼盆地地层压力预测技术现状及展望

李文拓，李 中，刘 兵，彭海龙，邓文彪

（中海石油（中国）有限公司湛江分公司，广东湛江 524057）

莺琼盆地位于中国南海北部，是一个快速沉降的新生代沉积盆地，其形成和发展受欧亚板块、印度板块和太平洋板块的共同作用和影响。作为世界三大海上高温高压含油气盆地之一，莺琼盆地异常压力研究一直是备受关注的热点。早在20世纪80年代，由中海油与西北大学合作，首次尝试使用速度谱对地层孔隙压力进行预测，成功地为压力预测工作在南海西部油田的开展迈出了第一步。此后，经过20多年勘探实践及技术攻关，中海油湛江分公司也逐渐探索总结出了一套适用于莺琼盆地异常压力预测的科学理论和技术方法，并取得了显著的实际应用效果[1-3]。但新问题仍然存在，压力预测问题仍是制约该区勘探开发的关键难题之一。

1 地层压力预测技术发展回顾

地层压力预测一直是一项世界级难题，很多学者致力于地层压力的研究工作，其发展大致经历了三个阶段。

（1）定性-半定量研究阶段（20世纪30～40年代）

早在20世纪30年代，Athy L.F.（1930）就开始研究压实作用[4]。Terzaghi（1936）在含水饱和土壤力学特征研究基础上提出多孔介质有效应力原理[5]，Biot（1941、1957）等人对有效应力原理进行了修正和完善[6]。随着油气勘探活动的不断加深与扩大，越来越多的超压盆地被发现。Diekinson G.（1953）解释了美国海湾地区异常压力的地质概况，揭开了世界范围内沉积盆地异常压力研究的序幕[7]。

（2）半定量-定量研究阶段（20世纪50～80年代）

Hottman和Johnson（1965）首先提出了利用泥页岩测井曲线预测地层压力的方法[8]，也就是后来被广泛应用的等效深度法。Pennebaker（1968）首先提出了使用地震资料进行异常压力预测[9]。随后，Eaton、Bowers、Dutta、Fillippone、Sayers以及Martinez等人相继完善了异常压力预监测理论[10-12]，提出了相应的计算模型，奠定了压力预测技术的理论基础。地球物理勘探法、地球物理测井法以及钻井资料分析法等主要理论方法逐步形成。

（3）科学研究阶段（20世纪90年代～至今）

随着录井、随钻测量及计算机数值模拟等技术的发展与应用，异常压力研究可用资料及方法手段也在不断丰富，理论体系也更加趋于成熟。针对钻井工程，形成了钻前预测、随钻监测、钻后检测的技术体系；针对地质研究，也形成了盆地模拟、三维压力建模、古压力恢复等众多技术手段。压力预测技术发展到这一阶段，具有以下特点：1）理论体系成熟；2）多学科交叉特征明显，综合性、应用性强；3）计算模型和研究方法丰富，时效性和精度要求也越来越高；4）商业化、工业化程度高越来越高，不同公司开发了众多成熟的商业化软硬件产品，并基于产品提供个性化技术服务。

2 莺琼盆地地层压力预测技术面临的挑战

莺琼盆地地层压力预测技术取得了显著成果，超压与成藏地质理论的相继完善以及钻前压力预测精度的不断提高，直接推动了东方、乐东、陵水等一批海上高温高压气田的成功发现[13-18]，但目前仍主要面临着以下三方面挑战。

（1）底辟构造影响

以莺歌海盆地为例。莺歌海盆地底辟指盆地高温高压塑性软泥、天然气等流体依靠其自身的能量突破上覆岩层快速向上流动形成的上拱构造，又称为泥-流体底辟，其分布如图1。

图1 莺歌海盆地底辟分布分区图

底辟形成伴随着大量的断裂和裂缝形成，引起两种作用：1）深部超压沿断裂垂向传递至浅部，从而使浅部储层发育超压。2）深部热液向上侵入，产生水热增压作用，加剧浅部超压。底辟的形成严重影响了地层超压的分布形态，底辟区与非底辟区具有显著不同（图2）。

图2 底辟带与非底辟带典型超压形态

勘探实践表明，底辟中心带超压界面变浅；相对周边具有更高的压力。具体底辟中心越远，地层压力越小，逐渐趋向等于欠压实背景下的异常压力。莺歌海盆地特殊的底辟构造严重影响了地层压力的分布，极大地增加了压力预测的难度。如何在压力预测工作中，将底辟因素考虑进去，进一步提高地层压力的预测精度是当前面临的关键挑战之一。

（2）储层段砂体超压预测

莺琼盆地储集体类型以中孔低渗-中高渗水道砂和海底扇储层为主。从第四系乐东组-中新统梅山组水道体系十分发育，水道类型多样，水道砂领域勘探潜力巨大，但至今未获得重大突破，亟需打开局面。其中，压力成因复杂，储层段砂体压力系数高（最高达2.30），钻井安全窗口窄（低至0.01g/cm3），井下复杂情况频发，是制约该区勘探突破的重要原因。

造成水道砂储层压力预测困难的原因主要有两方面：（1）砂体多期切割，相互叠合，导致砂体中压力传递或泄压现象普遍存在，而压力传递点的确定往往非常困难；（2）砂体相互独立，具有典型的泥包砂环境，形成了富泥环境下的孤立砂体。这种情况下，采用基于速度和压力经验关系的典型方法很难对孤立砂体中的压力情况进行准确预测。

面临复杂多变的区域地质特征和井下温压条件，盆地内高温高压井作业逐渐面临工业材料极限，作业难度和风险较常温常压井要高出数倍。而随着钻遇水道砂压力的继续上升，钻井难度又进一步提高，这对海上钻井作业技术提出了严峻挑战。近年来，在该领域多口探井的相继失利，严重制约了该领域的勘探进程。因此，水道砂储层超压预测问题是当前又一亟需解决的关键挑战。

3 地层压力预测技术关键

（1）超压成因机制研究

超压成因机制的研究是精确预测压力的基础，只有尽可能地弄清超压的形成机制及其分布特征，才能进行精确的地层压力预测工作。异常压力的成因是多种多样的，一般是多种因素的综合结果，其中以某一种为主，其它为辅。欠压实作用、生烃增压和构造挤压等是超压的主要成因。很多情况下，某一地层超压形成之后，在漫长的地质演化过程中，由于构造原因，超压还会进行重新分布，这就进一步增加了超压成因识别的难度。

莺琼盆地主要超压特征可以大致分为四类，即欠压实模式、砂体泄压模式、砂体传压模式及断裂传压模式，其预测关键点及难度见表1。识别不同目标的超压成因机制，然后选择适合的压力模型，控制关键点，是预测工作最重要的步骤。

表1 莺琼盆地主要超压结构特征及压力预测关键点、难度分析

（2）适应性计算模型建立

经过几十年的发展，地层压力定量研究方面取得了较多的成果，形成了一系列的计算方法及理论模型。按照研究对象的维度划分，孔隙压力预测研究可以分为一维井筒压力预测、二维平面压力预测及三维压力体预测。每个研究对象都有相应的具体方法，每种方法又都有其适应性和局限性，见表2。因此，如何建立适应于研究区域的理论模型，获取理论模型中的关键参数，对于压力研究来说至关重要。

（3）基础资料分析及精细速度建模

表2 常用的压力预测模型

地层压力预监测技术是一个多学科交叉的综合性应用性技术，以地层及流体为研究对象，运用多学科方法对地下流体压力进行预测和监测。因此，做压力预测之前要尽可能全面的搜集各种资料，对区域已钻井情况进行综合分析判断，见表3。

表3 压力分析所需基础资料

严格意义上，只有采用地震资料进行的地层压力研究才算是预测。压力预测理论模型的本质是建立层速度与地层压力的映射关系，但是地震波速度的影响因素众多，很难排除压力以外其他因素的影响，速度与压力不是一一对应的映射关系。此外，地震速度的精度和地震分辨率有限。这些都影响了压力预测的精度[19]。

4 地层压力预测技术发展方向

（1）超压地质理论的丰富与完善

超压地质理论的丰富和完善有助于增强对超压的认识和理解，是地层压力研究的理论指导。在区域超压体系、盆地超压演化、压力封存箱理论、欠压实理论、生烃增压理论等相关超压地质理论的指导下，综合考虑地层层序、岩性组合、压力成因等因素的影响，厘清超压的地质、地球物理及钻井工程响应机制，建立适应于本地区的超压计算理论模型，是做好该工作的必要手段。

“十二五”期间，中海油在莺琼盆地高温超压天然气成藏方面取得了重大突破，发现了上中新统黄流组一段高温超压、高产岩性气藏。新区新领域宏观及微观超压地质理论的研究，是今后亟待研究的重点工作之一，也是解决目前水道砂储层及花岗岩风化壳等特殊岩性储层超压预测问题的关键。

（2）地质模型指导下的层速度精确解释

超压层的低速特点是利用地震资料进行钻前压力预测的基本原理。取准层速度资料是预测地层压力的关键之一。要获得高精度速度场，必须首先作好地震资料的精细处理，压制好多次波，提高信噪比和分辨率，加密谱点解释。同时，充分利用已有钻井资料，综合考虑目标区域沉积模式、目标层位岩性、含气性等信息，在地质模型指导下开展层速度精确解释，分构造、分区带、分层段做好速度解释规律总结工作。此外，发展各向异性速度分析技术，开展地质约束下的叠前深度偏移，进一步解决莺琼盆地中深层速度各向异性问题，是提高现有方法压力预测精度的关键，也是今后发展的重点。

（3）压力预测多解性分析与识别

对海洋钻井而言，设计井周围的已钻井往往距离较远，构造差异大，可参考资料少，参考性不强。由于受到超压成因复杂性、超压响应多解性以及对目标区域地质研究的深入程度等众多因素影响，压力预测的结果往往具有多解性。尽可能地利用已钻井资料，总结区域性规律，是减小底辟构造、水道砂等地质因素对预测误差影响的重要手段。因此，区域已钻井压力资料库的建设也是今后需要开展的工作之一。