一种改进的页岩气地震约束多因素孔隙压力预测方法

巫芙蓉 周诗雨 邓小江 杨 晓 黄 诚 蒋 波 王小兰 王 梦 李阳静

中国石油东方地球物理公司西南物探研究院

0 引言

地应力场在断层裂缝活动评价、井壁稳定、井位设计等方面发挥着重要的作用[1-2]。在其预测过程中，要面对一个关键问题，即如何构建高精度的孔隙压力场。作为油气藏基础参数的孔隙压力，它在地应力场预测[3]中具有非常重要的作用。孔隙压力的预测精度将直接影响到地应力场的预测精度，同时也是地应力场中最小主应力值的下限值。

通过分析四川盆地页岩气区块钻井实测孔隙压力数据发现，该区的孔隙压力系数具有以下特点：①横向变化大，相邻两井之间的孔隙压力系数差值大，最大可达到1.1；②区域之间虽然相互连通，但却存在着不同的压力区域，既有低压地区、也有高压地区；③纵向稳定，根据岩石物理实验、钻井和测井数据，整个页岩气储层段孔隙压力系数在纵向上没有大的波动。

孔隙压力可以通过随钻预测灰色模型加以预测[4]，但是所获得的结果只是井点处的孔隙压力，没有办法获得平面结果。目前在实际生产中，对四川盆地页岩气孔隙压力系数的分布主要通过以下两种方法得到：①直接根据井测试数据插值得到，但精度低，人为主观因素影响大；②根据目的层埋藏深度得到。研究发现，四川盆地页岩储层压力系数与其埋藏深度具有较为明显的正相关关系，作为川南CN地区重要的页岩气井N201、N211等井，简单地采用前期生产中压力系数与埋深的关系（y=1.6348lnx-11.276，R2=0.7647），计算的压力系数预测误差达到30%左右，孔隙压力误差绝对值介于12～13 MPa。由此可见，利用压力系数与埋深关系求取的孔隙压力精度较低，不利于页岩气“甜点”区的准确圈定及后续地应力场的研究，因而有必要对孔隙压力进行精准的预测。

一般认为孔隙度与有效应力之间存在着一定的关系。孔隙度可通过纵波速度加以计算，而通常情况下有效应力可约等于垂直主应力与孔隙压力之差[5]。因此大部分的地球物理测井孔隙压力预测方法中[6～8]（Eaton、Bowers、Phillipphone方法等），都基于纵波速度越低、孔隙度越大、有效应力越低、孔隙压力越大这一假设，利用纵波速度求解孔隙压力。各类常规的基于纵波速度的方法，如Eaton、Bowers、Phillipphone法在上述地区的应用都存在着一定的局限性。根据前面所述，四川盆地页岩气区块孔隙压力系数具有横向变化大、纵向稳定的特征。采用上述方法在进行预测时，横向和纵向预测值域无法协调：若要满足横向的压力系数变化，则纵向上会出现大幅度的压力系数波动；若要满足纵向上的压力系数变化稳定，则横向的压力系数变化值域又无法满足压力系数变化范围。因此，需要寻求新的孔隙压力经验关系式。

为此，笔者基于四川盆地页岩气区块的构造背景，综合分析速度、岩性、构造作用等因素对孔隙压力的影响，并利用测井、岩石力学实验、地震构造解释以及叠前同时反演数据，形成了一套地震约束下的多因素孔隙压力和孔隙压力系数预测方法，以期为后续页岩气“甜点”区选择、井位部署、水平应力参数预测等提供更高质量的数据支持。

1 蜀南页岩气田地质概况

中石油页岩气田主要分布在蜀南WY、CN等地区，WY建产区主要位于WY构造东南斜坡（图1），即W201—W204井区，由于受加里东构造运动的影响，WY构造西北方向为加里东古剥蚀区，古剥蚀线呈北东向展布。

CN建产区主要分布在CN构造西南斜坡和向斜区域，即N206南—N201井一带，CN地区由于受喜山期构造运动的影响形成CN构造核部的现今剥蚀区。由WY至LZ再到CN地区，龙马溪组埋藏深度表现为逐渐变深再变浅的变化规律。地层厚度有如下特点：由WY地区至LZ再到CN地区，地层厚度逐渐增大再减小；WY地区龙马溪组地层向西北方向逐渐减薄甚至缺失，地层厚度变化快且大，CN地区地层厚度较LZ地区薄，但是地层厚度较稳定（图1）。从构造平面图和剖面图可知，WY和CN页岩气主体开发区构造整体较简单，LZ地区构造较复杂，断层纵向断开层位、断距、规模较大（图1）。

2 蜀南页岩气孔隙压力影响因素分析

如前所述，大部分的地球物理测井孔隙压力预测方法都是通过孔隙度与有效应力之间的关系来搭建纵波速度与孔隙压力之间的关系，即以纵波速度为基础进行计算。但对于四川盆地页岩气，纵波速度的变化受到了除孔隙压力以外的其他因素影响。同时，孔隙压力本身也不仅仅与纵波速度有关。根据该地区的测井、岩石力学数据以及地质背景研究发现，对于四川盆地页岩气而言，断裂发育情况、岩性、剥蚀作用是除速度以外影响孔隙压力预测的3大因素。

2.1 断裂发育情况

图1 WY—LZ—CN地区地震反射剖面图

四川盆地经历的多期构造运动形成了埋藏、抬升、断裂和褶皱等多种作用，这些作用造成了页岩气的聚集与散失[9]。不同构造部位决定了断裂发育程度有所差异。蜀南邻近盆地边缘地区，大断层发育，构造核部断层往往切穿顶底板地层，向上切至须家河组甚至地表，造成页岩气的垂向逸散，压力系数低，保存条件差。如盆地边缘YB构造核部大断裂发育，Y201井压力系数1.1；CN地区的H9平台、ZT地区的YS107井，也由于临近大断层，压力系数分别为0.9和1.0。由盆地边缘到盆地内部，断层发育程度有所减弱，压力系数逐渐升高，保存条件逐渐变好。因此，不同构造部位断裂发育程度不同，断裂发育程度又影响了地层压力系数，同时影响页岩气的保存条件。

针对断裂发育对孔隙压力系数的影响，可选择断层断裂分类的方法进行考虑。根据四川盆地页岩气区开发经验总结，切穿不同层位的断层对压力系数影响不一，大致可两类：①从龙马溪组目的层切穿地表的断层，2 km范围内压力系数基本变为常压；②从龙马溪组切至二叠系或下三叠统的断层，通常在700 m范围内，压力系数有一定的降低。同时在该区域内，也存在油气泄漏的风险。因此，在进行井位部署时，应尽量避开这两类区域。

2.2 岩性

根据测井资料显示，四川盆地页岩气储层底均显示为高声波时差，低纵波速度的特点（图2）。根据地球物理孔隙压力预测理论，应该会相应出现孔隙压力明显升高的情况[5]。但根据钻井液密度数据反应，从下二叠统底至龙马溪组的孔隙压力系数基本不变。从测井数据来看，龙马溪组的孔隙度保持了相对稳定，反而是伽马曲线出现了明显升高的情况。四川盆地页岩气储层段高自然伽马强度被认为是页岩气中干酪根的函数[10]，即与地层岩性有关。

图2 WY地区某井测井曲线与钻井压力系数剖面

显然，四川盆地页岩气储层段纵波速度的明显降低，并不是仅仅由于孔隙压力增大导致的，还有岩性变化引起的纵波速度降低。因此，在预测孔隙压力时，需要将岩性的变化考虑在其中。

2.3 剥蚀作用

在加里东运动时期，四川盆地形成了乐山龙女寺古隆起，表现川西地区整体缺失石炭系、志留系，WY地区位于乐山龙女寺古隆起轴线的边缘，志留系地层遭受了不同程度的剥蚀。CN构造核部在喜山期遭遇了强烈剥蚀，核部出露上寒武统地层，由核部至向斜依次出现寒武系、奥陶系、志留系、二叠系、三叠系甚至侏罗系。通过对WY和CN地区现有页岩气井压力系数进行统计发现，储层段压力系数不仅与离剥蚀线（古剥蚀线、现今剥蚀线）的距离有关，还与目的层埋藏深度有关。随着志留系剥蚀程度的增加，如果离剥蚀线距离较近，纵然井的埋深较大，其下二叠统底至龙马溪组底部的孔隙压力系数仍然会显著低于其他相似埋藏深度的井。即在埋深、声波时差、储层物性均相近的情况下，越靠近剥蚀区，压力系数也相应越低。剥蚀作用会导致应力卸载、流体逸散，致使孔隙压力降低，而孔隙度仅会发生微小的恢复，此时反映孔隙度的纵波速度就无法完全反映孔隙压力[11]。因此在四川盆地页岩气压力系数预测中，需要结合区块的地质背景，根据具体情况考虑剥蚀作用对压力系数的影响。

3 改进的孔隙压力预测方法

孔隙压力的计算一般基于垂直主应力和有效应力：

式中pp表示孔隙压力，MPa；pe表示有效应力，MPa；Sv表示垂直主应力，MPa；α表示Biot系数；可用泊松比σ求得[7]：

式中vp表示叠前同时反演纵波速度，m/s；vs表示叠前同时反演横波速度，m/s。

基于地震约束进行地质建模和属性建模，并对建模所得密度体进行压力积分计算，即可得到上覆地层压力，可近似认为等于Sv。

pe与纵波速度和岩性相互影响，可通过建立三参数关系模型进行求解：

1）由于目前四川盆地缺少针对页岩气有效应力与纵波速度关系的实验研究，因此在这里，我们参考式（4）的Eaton法、式（5）的Bowers法、式（6）的Phillipphone法的函数形式，在此基础上进行进一步扩展。

式中Sv表示上覆地层压力，MPa；pw表示静水压力，MPa；vnormal表示正常趋势线上的纵波速度，m/s；c表示伊顿指数；vw表示地震波在水中的纵波速度，m/s；A，B表示常数；vmax，vmin分别表示目标层位内最大最小纵波速度，m/s；vint表示目标层位层速度，m/s。

2）引入岩性变化指示因子。对自然伽马测井数据进行归一化后，将其作为表征地层岩性变化的指示因子Li，引入孔隙压力的预测中。至此，有效应力则表征为了纵波速度和岩性变化指示因子的函数：

3）基于式（4）～（7），设计6组非线性回归实验（表1），并求解其相关系数，优选相关系数最高的表达式作为有效应力的回归关系式。

表1 非线性回归实验变量设计表

通过多地区数据进行试验表明，四川盆地页岩气储层一般采用式（8）的有效应力与孔隙压力的关系式，可取得较好预测效果：

式中A1、A2、A3表示回归系数，为常数值。

4）引入剥蚀强度因子D，对孔隙压力系数进行校正。不同地区的剥蚀强度表征方法略有不同，如地层厚度、剥蚀厚度、距离剥蚀线距离等，具体应结合区块地质背景进行确定。在WY地区，由于加里东古构造运动剥蚀作用造成的志留系厚度变化明显，因此，在该区块采用剥蚀厚度表征剥蚀强度；然而在CN地区小范围内，志留系厚度变化不甚明显，则采用离喜山期剥蚀线的距离作为剥蚀强度的表征。引入剥蚀强度后，对孔隙压力系数做二次校正，则函数式表达为：

通过多元拟合实验，相关性最高的表达形式为线性表达式：

其中，B1、B2、B3为回归系数，为常数值。

5）基于式（8）～（12），整理最终得到的孔隙压力系数表达式为：

4 叠前同时反演体

用于压力预测的速度有多种方法求取。通过地震资料处理然后利用Dix公式求取地层层速度[12-13]；通过钻井资料拟合速度与深度的关系求取速度[14]；也可以通过反演方法获得层速度[15-16]。为了获得细节更加丰富、精度更高的孔隙压力预测结果，本次研究我们利用叠前同时反演得到高精度纵横波速度体以及密度体作为孔隙压力预测的输入数据。为了保证成果的可靠性，在进行叠前同时反演时特别注重过程和结果的严格质控（图3）。

图3 叠前同时反演各阶段质控图

在角道集分组时，如果用于同时反演的角道集分组个数较少，叠前同时反演所利用的叠前地震信息也较少，会影响反演稳定性。如果用于同时反演的角道集个数过多，会降低每组数据的信噪比。以WY地区道集数据为例，该地区角道集目的层入射角范围在0°～42°，道集数据信噪比较高。因此，为增强叠前AVO反演的稳定性，得到稳定的密度反演体，适当增加了角道集分组数量。故将角道集分为7组来开展反演研究，即0°～6°、6°～12°、12°～18°、18°～ 24°、24°～ 30°、30°～ 36°与 36°～ 42°，并提取随角度变化的地震统计子波。所得到的速度和密度剖面如图4、5所示。

图4 WY地区纵波速度反演连井剖面

图5 WY地区密度反演连井剖面

5 应用实例与应用效果

在进行实际应用时，选择了地震约束下的孔隙压力建模方法，以构造模型为基础，实现多学科数据的一体化整合。基于深度域的构造解释成果、叠前同时反演成果、测井数据、岩石力学实验数据，共同构建地质模型、弹性参数模型及岩性力学模型。图6为WY某区的孔隙压力预测模型。

WY地区断裂不发育，因此可以不考虑断层的影响。根据该地区的实钻数据可以得到：A1=0.429 6，A2=0.455 8，A3=13.97，B1=0.139 8，B2=0.610 6，B3=2.678。该地区的储层段压力系数与地层厚度存在显著关系，因此采用地层厚度来表征剥蚀强度因子D。针对龙马溪组中部地层，B2C'p项（纵波速度与岩性）权重约占50%左右，B3D（剥蚀作用）权重约占40%，B1权重在10%以下。

图6 WY连片某地区孔隙压力预测模型图

WY井区实测的孔隙压力系数从0.92（低压区）一直变化至1.96（高压区）（表2），平面上压力系数变化范围大，且存在从低压区至高压区的过渡。若采用Eaton法则需要进行压力分区，而该区域储层连通，无明显的压力边界。若采用Bowers或者Phillipphone法，则会出现要么无法覆盖平面上压力系数的值域，要么在纵向上压力系数波动剧烈。

而采用改进的孔隙压力预测方法，在平面上，通过对WY井区8口井（验证井W70井、W8井）进行计算，龙马溪组的实测孔隙压力系数与预测孔隙压力系数的平均绝对误差为0.04以内，相对误差在4.35%以内，预测效果较好。

表2 WY地区验证井地层压力系数预测误差表

从纵向预测结果来看，常规方法所预测（以Phillipphone法为例）在纵向上的预测结果数值波动巨大，在P1l～O3w的范围内压力系数值从1.0变动至2.5以上。而新方法中由于引入了岩性指示因子，相同层段所预测的孔隙压力系数数值基本保持稳定（图7），这与梁山组（P1l）至龙马溪（O3w）组实测压力系数趋于较稳定的地质认识是一致的，说明本文的预测结果更加可靠。

按WY区块技术思路，根据CN区块数据分析可得，A1=0.156，A2=0.455 8，A3=-13.97，B1=-3.135，B2=2.13，B3=-0.043 66。其储层段压力系数与距离CN剥蚀区的距离显现显著关系，因此采用距离剥蚀区的距离来表征剥蚀强度因子D。与原CN地区孔隙压力预测结果相比，不仅平面上细节变化更丰富，所预测的结果也更合理，更符合该地区的实测结果（表3）。

图7 孔隙压力预测方法在WY地区的应用效果对比图

表3 CN地区验证井地层压力系数预测误差表

CN井区7口井（验证井N7井），实测孔隙压力系数与预测孔隙压力系数的平均绝对误差为0.06以内，相对误差在3.50%以内，预测效果较好。

6 结论

1）针对四川盆地目前下二叠统底至龙马溪组底的孔隙压力和孔隙压力系数分布特征，提出了考虑纵波反演速度、岩性变化、剥蚀程度的孔隙压力预测方法。

2）与该地区常用的井插值求孔隙压力系数的方法相比，本文中改进的孔隙压力预测方法所得结果预测精度更高，也更符合地质认识。与仅考虑纵波速度的传统预测方法相比，该方法不仅在平面上能够保证孔隙压力系数预测精度，同时在纵向上也能保持压力系数的稳定，在四川盆地的应用效果具有较为明显的优势，为后续的地应力预测和分析工作提供了良好的数据基础。