基于颗粒应力的深层超压预测方法研究：以准噶尔盆地腹部地区为例

韩宏伟，刘 震，马昕箬，李红梅，贺洋洋，徐泽阳

(1.中国石油化工股份有限公司胜利油田分公司物探研究院，山东 东营 257022；2.油气资源与探测国家重点实验室，北京 102249；3.中国石油大学(北京)地球科学学院，北京 102249)

0 引 言

地层压力是控制油气藏形成和分布的重要因素，不仅影响油气勘探，同时也是油气田开发中所面临的重要地质问题。在全球180多个含油气盆地[1]、我国29个含油气盆地或富油凹陷[2]中均识别出异常高压，可见地层压力与油气的生成、运移和聚集密切相关。高精度的钻前压力预测数据，有助于钻井程序设计的优化和高效钻探目标的实现，因此，地层压力预测研究无论对理论还是生产实践都有重要意义。

目前地层压力预测方法多样，可分为两种类型，一种是以欠压实成因为理论基础，通过拟合测量值与地层压力的关系来计算地层压力，包括等效深度法[3-4]，尽管该方法被学者们广泛采用，但也有人对等效深度法及有效应力的概念提出了质疑[5-7]。另一种压力预测模型是通过建立地球物理参数和地层压力的关系来进行预测，包括分别以测井资料和以地震资料为主导的方法，但基于测井资料的压力预测并非是钻前压力预测，并且受井位控制的影响，在平面上的预测具有局限性，而基于地震资料的压力预测利用的是地震波传播速度，预测范围相比测井方法更为广泛，目前已经提出了伊顿法[8]、菲利浦恩法[9-10]、斯通法[11]、基于菲利浦恩的迭代模拟法[12]、趋势地层压力预测模型[13]、精细地层压力模型[13]等。准噶尔盆地是我国西部大型叠合含油气盆地，其内部发育的异常高压一直受到学者们的广泛关注。当前在准噶尔盆地腹部地区的超压预测中采取的预测方法有：菲利浦恩法[14-16]、压力梯度法[14]、有效应力法[14]、等效深度法[14]、Holbrock法[14]等。研究总结认为，压力预测模型存在以下问题：(1)现有压力预测模型皆为统计性模型，忽略了成因分析在压力预测中的重要性；(2)经典压力计算模型假设条件苛刻；(3)压力计算的有效应力存在缺陷；(4)常见压力预测模型未考虑成因补偿，因此，压力预测模型仍需优化和完善。针对超压成因方面，前人研究认为，准噶尔盆地腹部超压主要源于欠压实作用、生烃作用和成岩作用[14、17-21]。刘震等[22]在分析盆地东部区带的超压成因时，认为南部褶皱带超压源于附加水平地应力和欠压实作用，附加水平地应力是主要的成因。研究区南部永进地区靠近南缘褶皱带，构造挤压应力可能是超压形成的重要原因，构造增压幅度大小的不确定在一定程度上会降低压力预测的精度。

针对存在问题，本文首先利用钻测井数据建立压力与埋深关系，明确准噶尔盆地腹部的实测压力分布特征；然后，基于地层孔隙动力学进行压力预测方法研究，构建基于颗粒应力的地层压力预测方法；再利用准噶尔盆地腹部地区的测井数据，求取模型参数，进行单井压力预测，并进行误差分析和校正；最后，通过研究区现今超压成因探讨，对预测压力进行成因补偿，最终建立研究区的压力新预测模型。

1 研究区地质概况

准噶尔盆地是一个以晚古生代-中新生代陆相沉积为主的大型含油气盆地，发育双层基底结构，由前寒武系结晶基底和早-中古生代形成的褶皱基底构成，其上发育石炭系至第四系的沉积盖层。准噶尔盆地在中海西期基本成型，经历了前陆盆地阶段、陆内凹陷阶段及再生前陆阶段的演化[23]，形成当今隆坳相间的构造格局(图1)。现今，准噶尔盆地受印度板块碰撞，具有明显南强北弱的挤压收缩特征[24]。

研究区位于准噶尔盆地腹部的中央坳陷带(图1)，具体位于盆1井西凹陷、昌吉凹陷西段，东边与莫索湾凸起相邻，西边为中拐凸起，南缘紧靠山前褶皱带，北部以达巴松凸起为界。受燕山运动的影响，准噶尔盆地被抬升，研究区侏罗系遭受强烈剥蚀[25]，自下而上发育八道湾组、三工河组和西山窑组，以河流相的砂岩、滨浅湖相的砂泥岩发育为特点。

准噶尔盆地腹部普遍发育深层超压系统，从目前钻遇甚至钻穿三叠系的井的钻杆测试地层压力分析表明，三叠系及其以下地层广泛出现超压。实测砂岩超压揭示深度为4 470～6 160 m，剩余压力为11～57 MPa，砂岩段超压实测值主要分布在侏罗系，少数在白垩系底部[20]，白垩系以上地层基本为常压。前人研究认为，超压顶界大多沿J1s顺层分布，4 000 m深度为常压和超压的分界线，且这一分界线穿层分布[26]。

2 研究区超压特征

研究区由南向北依次包括永进地区、征沙村地区和莫西庄地区，根据各地区的典型井，以实际地质资料和压力测试资料为基础，当钻井液密度增大，钻速增大、钻进指数(dc指数)偏离正常趋势减小时，为异常压力发育带。由于国内外对异常压力的分类标准不一，本文采用李明诚[27]的压力分类方案，当压力系数大于1.4时，表明地层发育高幅超压。

2.1 永进地区实测压力特征

永1井的实测压力显示(图2(a))，埋深在6 000 m附近(侏罗系西山窑组)处的压力系数在1.4至1.8之间，地层压力远远大于该深度的静水压力，发育高幅超压。该深度之下的钻井液密度提升至1.5～1.8 g/cm3，泥浆密度换算压力值与实测地层压力值相近，超压顶界大约在5 800 m处。

永6井无钻柱测试资料，仅从钻井液密度换算地层压力来看(图2(b))，随埋藏深度的增加，地层压力偏离静水压力幅度缓慢连续增加，压力突变界面难以确定。埋深在6 000 m以深的地层，发育明显异常高压。

2.2 征沙村实测压力特征

征1井在(图3(a))5 000 m(侏罗系三工河组)处的压力系数大约为1.3，发育弱幅高压。根据该井的dc指数曲线，在埋深5 000 m和5 080 m处，dc指数明显降低，指示地层超压发育段。

征101(图3(b))井的实测压力显示，5 055 m处的地层压力为90.46 MPa，压力系数高于1.8，指示侏罗系八道湾组发育强超压。结合该井的dc指数剖面，4 800 m附近的dc指数显著降低，为超压发育顶面(图3)。

综上所述，在“征”字号井地区，征101井和征1井超压发育顶面在4 800～4 900 m之间，征1井的超压幅度相比征101井较小，根据其井位图，征1井位于断裂附近，推测为断层活动导致地层发生泄压，地层超压强度减弱。

2.3 莫西庄地区实测压力特征

研究区北部的庄1井实测资料显示(图4(a))，在埋深4 600 m(八道湾组)地层发育超压，压力系数最高可达1.8，为强超压。其dc指数曲线也指示4 529.0～4 906.0 m为高压异常井段。

根据庄3井实测资料显示(图4(b))，埋深4 000 m以浅地层均为正常地层压力，已钻遇地层无明显超压发育。

通过对比三个地区典型井的单井超压发育特征，南部永进地区的超压发育层位在埋深6 000 m附近，中部“征”字号井的超压发育层位在埋深4 900 m附近，北部“庄”字号井超压发育层位约在4 500 m附近，由此可见，准噶尔盆地腹部超压发育深度由南向北逐渐变浅。压力系数特征表现为：永进地区的压力系数范围为1.3～1.8，发育超压-强超压，征沙村地区的压力系数在1.4～1.8之间，超压发育强度受断层泄压控制明显，莫西庄地区压力系数最高也可达1.8，整体来看，准噶尔盆地腹部的最大压力系数约为1.8，整体发育强超压。

3 压力预测方法原理

3.1 特察模型及存在问题

Hubbert于1959年将特察研究饱和水黏土的压实实验装置，即特察模型[28]，从土力学引入到地下岩石中[29]，该实验装置得到的结论即上覆地层产生的压力由岩石骨架颗粒和孔隙流体共同承担，这一观点被学者广泛接受。基于这一结论，Magara在1968年提出了经典地层压力预测模型，即等效深度法[3]，至今依旧是学者们普遍采用的压力预测方法。尽管后来发展了基于地震、测井资料的压力计算模型，但其都是基于特察模型，其存在问题如下。

首先，特察装置存在问题。特察通过实验装置来模拟饱和水黏土在压实过程中的受力情况，该装置中的弹簧代表地下岩石的骨架颗粒，水代表地下岩石孔隙中的流体，当在其上部的穿孔隔板中施加一个力，即上覆负荷压力，如果孔隙中的流体不排出时，弹簧不发生形变，则上覆负荷全部由孔隙流体承担，此时水桶内为超压状态。如果增大上覆负荷，一部分流体排出，弹簧被压缩，这时上覆负荷一部分被弹簧承担，即岩石骨架承担，另一部分被孔隙流体承担，如果进一步增大上覆负荷，孔隙流体全部排出时，此时的上覆负荷全由弹簧即骨架支撑，地层就达到了压实平衡的状态。当把实验中的弹簧数量减半时，只需要一半的上覆负荷就可以使穿孔隔板下降的高度一致，此时两个弹簧与一个弹簧的压缩量相同，即每个弹簧所受的力相等，但弹簧的总支撑力存在差异[7]。由此可见，弹簧的密度影响着压实排水的过程，在相同负荷下，弹簧密度的大小决定了弹簧压缩的难易程度。

其次，特察模型公式存在问题。特察在1923年提出，地下岩层总应力是有效应力与地层压力之和(式(1))，即上覆负荷由流体和骨架两个部分共同承担。

Pov=σe+Pf

(1)

其中，Pov为上覆负荷；σe代表有效应力；Pf代表地层压力。

基于上述对特察模型实验装置的讨论，弹簧的密度影响着其压缩程度，对于地下孔隙性岩石，岩石骨架颗粒的密度同样影响着岩石的压实程度。其中压实骨架颗粒的密度可以通过孔隙度反映，骨架颗粒密度越大，孔隙度越小，越难被压实。因此，有效应力的公式中并没有反映孔隙度的信息，它不能准确代表岩石骨架所受的力。并且，该公式中的力均为单位面积所受的力，表示受力的密度，且三维空间内的力是有方向的，如果将上覆负荷压力与地层压力只是做简单的相减处理就得到有效应力，显然也是存在问题的[7]。

第三，等效深度法的假设条件苛刻。等效深度法认为(图5)，欠压实段A点的孔隙度与正常压实段B点的孔隙度相等时，两者的有效应力相等。通过推理认为，等效深度法的适用前提是A′B′始终平行于CD，显然，地下地层压力条件复杂，不可能始终满足这一条件。因此，该方法的假设条件不符合实际地下情况，即孔隙度相等不一定代表其有效应力也相等。

3.2 基于颗粒应力的压力预测模型

刘震等通过分析孔隙性岩石的微观受力情况，提出了孔隙性介质静力平衡方程[7]。上覆岩层的质量为上覆负荷，该应力由岩石骨架颗粒和孔隙流体共同承担，通过将孔隙性岩石进行等效可以得到，孔隙流体承担的流体压力只作用在孔隙度大小上，岩石骨架承担的颗粒应力作用在1-φ的大小上(图6)，当压实达到平衡状态时，可得到式(2)：

Pov=(1-φ)σ+φPf

(2)

其中，Pov为上覆负荷；σ为颗粒应力；Pf为地层压力；φ为孔隙度。

该式为孔隙性介质静力平衡方程，其中σ表示岩石骨架颗粒真正承担的那部分力，区别于有效应力，因此将其称为“颗粒应力”。该平衡方程引入了孔隙度参数，弥补了有效应力未考虑骨架密度的缺陷，是统计上等效后的经验公式。

4 单井高幅超压预测

根据上述所建立的孔隙性介质静力平衡方程可推导出地层压力的预测模型，如式(3)：

(3)

其中，Pf为地层压力；σ为颗粒应力；Pov为上覆负荷；φ为孔隙度。

根据上式，若要计算地层压力需要求取三个参数：孔隙度、上覆负荷以及颗粒应力。通过模型参数求取，从而构建适用于研究区的基于颗粒应力的压力预测模型。

4.1 上覆负荷参数

地层的上覆负荷可以通过密度对深度积分得到(式(4))，其关键在于如何确定地层密度与埋深变化的关系。

(4)

其中，Pov为上覆负荷；ρ为地层密度；h为埋深；g为重力加速度。

对于全井段密度测井数据齐全的井，由于测井中每间隔0.125 m测得1个密度值，该间隔足够小，dh可以直接取0.125，该方法得到的上覆负荷更加精确。对于密度值数据不齐全或取样点间隔较大的井，可以通过拟合深度与密度的关系式，再进行积分，就可以得到上覆负荷与深度的函数，但由于地层密度值变化复杂，很难得到密度与深度精确的关系，两者的相关性对上覆负荷求取的准确度影响较大。

分别对比研究区南部、中部、北部地区的地层密度和埋深变化关系(图7)得到：随埋藏深度增加，在压实作用下，岩石内部颗粒趋于紧密接触，反映出地层密度整体呈增大趋势；由于超压段的密度通常低于正常压实作用下同深度点的地层密度，因此，在个别深度段会出现地层密度反转现象，即随埋藏深度增大，地层密度变化会偏离增大趋势线，表现为密度偏低现象，指示该层段地层内发育异常高压。例如庄1井的4 200～4 600 m深度段，征1井的4 800 m附近，均与实测压力资料具有较好的对应关系。局部深度段内地层密度随深度变化点呈现分散趋势，例如征101井的4 500～5 000 m深度段，永1井的5 600～5 800 m深度段，推测其受沉积因素影响，地层岩性变化大，或与组成岩石的矿物组分、含水量等也有关[30]。

单井地层密度随深度变化曲线仅代表单井井孔内的特征，结合多口井的数据进行综合分析，才能全面反映研究区整个范围的地层密度与深度关系，当个别井的地层密度与深度关系较差时，难以建立可靠的地层密度变化趋势，可根据邻井的特征进行推测。

将密度对深度进行积分后，得到各地区的上覆负荷，可见不同地区上覆负荷存在差异。

4.2 孔隙度参数

为了降低多参数引起的误差，将孔隙度仅表示为关于声波时差的函数，如果研究区有实测孔隙度数据，则将同一深度的孔隙度与声波时差关系拟合，得到的两者对应关系更接近地层真实情况，同时也降低了由压实系数产生的误差，但要注意的是，该方法需要添加约束条件，即当声波时差大小为骨架的声波时差时，反映的地层孔隙度为零，当声波时差大小等于孔隙流体的声波时差时，反映地层孔隙度为100%。如若研究区没有实测孔隙度数据，或数据稀少，则可通过经验公式获得孔隙度。

威利等[31]针对饱含盐水的孔隙性岩石提出了基于经验值的孔隙度计算公式，即时间平均方程，将其改写为声波时差表达式(式(5))

Δt=φ·Δtf+(1-φ)·Δtma

(5)

其中，Δtf代表孔隙流体的声波时差，Δtma为岩石骨架声波时差，φ为孔隙度。

根据统计准噶尔盆地腹部研究区声波时差与密度资料，显示骨架声波时差Δtma约为180 μs/m，孔隙流体声波时差Δtf约为655 μs/m(图8)。

最终建立的研究区孔隙度计算模型为：

φ=0.002283Δt-0.416

(6)

利用式(6)计算三个地区典型井的孔隙度，绘制出泥岩孔隙度与深度关系图(图9)，可以看出孔隙度随深度呈指数关系减小，在孔隙度异常偏大的层段，指示地层超压的存在。

4.3 颗粒应力参数求取

颗粒应力相比有效应力更加准确代表了地下岩石骨架颗粒所承担的力，基于孔隙性介质岩石静力平衡方程可以推出地层压力计算公式(式(3))。颗粒应力可以通过两种方式求取，首先是通过实测压力数据求取，求取孔隙流体压力首先需要获得三个参数，即上覆负荷、孔隙度和颗粒应力，那么如果已知实测压力值，则可带入压力计算公式中反推出测压点的颗粒应力。另一种方式是通过正常压实段的孔隙度与上覆负荷求取，由于正常压实段的孔隙流体压力等于静水压力，则可通过式(7)得到：

(7)

其中，Pov为上覆负荷；σ为颗粒应力；ρw为水的密度；φ为孔隙度；h为埋深；g为重力加速度。

由于颗粒应力只与所求深度的声波时差有关，其他参数均为地区经验参数。即：

σ=σ(Δt)

(8)

其中，σ为颗粒应力；Δt为声波时差。

因此，可将利用实测压力或正常压实段孔隙度所求取的颗粒应力和对应深度的声波时差绘制在坐标系中，如图10所示，可以看出颗粒应力与声波时差具有良好的相关性，通过直接拟合两者关系，则可得到研究区颗粒应力计算模型。

最终，建立适用于准噶尔盆地腹部研究区的基于颗粒应力的孔隙介质静力平衡地层压力计算模型为：

(9)

式中，Δt为声波时差，h为埋深；A、B为与地区有关的常数。

4.4 压力预测及误差校正

根据式(9)利用声波时差分别试算研究区南部、中部和北部的典型井地层压力，具体为永1井、征1井、征101井、庄1井4口井，以实测值作为评估模拟计算的标准，计算其系统误差并校正，得到结果如表1所示。

表1 地层压力计算结果及误差

地层压力预测结果显示(图11)，征1井的压力预测结果与实测压力值最为接近，永1井、征101井和庄1井的超压预测值均小于实测值，且永1井的误差值最大，是由于在地层压力试算过程中未考虑沉积因素外的超压成因影响。

将岩石静力平衡方程的压力预测结果与传统等效深度法进行对比，如表2所示,可见相对误差明显降低，压力预测精度提高了约4.4%。

5 讨 论

异常压力在沉积盆地中普遍发育，其成因复杂多样，但目前学者们提出的地层压力预测方法都是基于不均衡压实成因，未考虑生烃、水热增压、构造挤压、成岩作用等对压力预测的补偿，导致了压力预测精度不高。通过探讨研究区超压成因的主控因素，并通过对基于颗粒应力的地层压力预测模型进行成因补偿，从而进一步完善压力预测模型。

表2 地层压力计算结果及误差对比表

5.1 超压成因机制

前人在准噶尔盆地腹部地区进行了超压成因机制的研究[14、17-21]，但目前并未形成统一认识，研究区的超压成因机制仍不明确，通过调研前人研究成果结合研究区实际资料，对本地区的超压成因主控因素进行了初步探讨。

较好的封闭条件和较高的地温梯度，更有利水热增压。砂岩高温水热增压实验表明，明显水热增压作用与孔隙度和流体性质有关[32]。研究区深层的泥岩孔隙度极低，且平均地温梯度为2.3 ℃/100m，不利于水热增压。根据研究区的实测温度压力数据，地层压力增大的过程不受地层温度的影响，因此判断水热增压机制并非是研究区超压形成的主控因素。

有机质热演化生烃的过程对超压的产生有一定的贡献，目前学者们对于烃类裂解生气对超压的积极作用观点一致，但对于有机质生油能否产生超压还存在争议。Ungerer[33]认为生油会使体积减小3%～6%，而在高热演化阶段，生气可以使体积增加50%～100%。根据研究区地化资料显示，侏罗系三工河组和八道湾组的烃源岩现今处在低熟-成熟演化阶段，以生油为主，因此生烃增压不是研究区超压形成的主要因素。

构造作用是地层超压形成的重要原因之一。一方面，构造作用产生的横向挤压应力会对岩石产生侧向压实，从而形成超压[34]。另一方面，地层受构造作用抬升，但地层压力不变，在较浅部位也会表现出高于周围的地层压力[35]。准噶尔盆地自新生代以来，受南部北天山隆升影响，处于挤压环境。前人通过对准噶尔盆地南缘地层的超压研究，认为准南构造挤压应力向盆地内部传递[22]，准噶尔盆地腹部地区也受构造挤压的影响，特别是靠近南部的车莫古隆起。结合上述分析，水热增压，生烃增压可能对超压有贡献，但并非主要因素，研究区的高幅超压主要与构造挤压有关。

5.2 超压成因分量补偿

压力预测值与实测值的规律性差异与超压的成因有关，通过对异常高压进行压力分解(图12)，可对未考虑的成因部分进行补偿，从而可以提高压力预测的精度。

据此前分析，实际地层压力由正常静水压力、沉积作用产生的压力以及构造挤压产生的压力构成，可以表达为：

P地层=P静水+P沉积+P构造

(10)

其中沉积增压和构造增压是地层异常高压的部分。剩余压力可表示为：

P剩余=P地层-P静水=P沉积+P构造

(11)

沉积作用产生的异常压力主要包括成岩作用、黏土矿物转化、不均衡压实、生烃、水热增压等，而研究区主要的沉积增压为不均衡压实作用。此前基于颗粒应力的地层压力计算结果实际为静水压力与沉积增压之和，即：

P计算=P静水+P沉积

(12)

压力预测结果表明，计算的地层压力值与实测值还存在差异，这一部分的差值即为构造挤压应力造成，根据构造增压的形成机制，这一部分的超压难以通过模型计算，只能通过建立各地区的成因补偿模式来进行补偿，则附加地应力为：

P构造=P地层-P静水-P沉积=P地层-P计算

(13)

根据式(13)，对前文压力预测所用的4口井进行了附加地应力值的计算，按照永进、征沙村和莫西庄三个地区建立了三类超压成因补偿模式示意图(图13)。

根据图13所示，准噶尔盆地腹部地区的超压由沉积作用和构造作用造成，其中不均衡压实作用为主的沉积作用对超压贡献最大，构造挤压在不同地区对超压贡献不同。研究区南部永进地区的构造挤压影响最大，向中部征沙村地区及北部莫西庄地区，构造挤压产生的附加地应力逐渐减小。从单井纵向分布特征来看，随着埋深的增加，压力系数增量增加，即越深部位受构造挤压越强，附加地应力值越大。

根据测井数据与实测压力资料，提取多井在目的层侏罗系顶界附近的附加地应力值，绘制平面图(图14)。由于实测资料数据较少，深度分布范围有限，因此，选取侏罗系顶界上下各250 m的范围，即500 m深度段内的附加应力值的均值，来代表侏罗系顶界的补偿值。可以看出附加地应力的高值中心在永进地区，向北逐渐减小，附加压力系数范围在0.405～0.120之间。

对基于颗粒应力的压力预测模型进行补偿后，研究区侏罗系的预测压力分布图如图15。

从图15可以看出，侏罗系超压平面分布特征与附加地应力有很好的对应关系，均表现为南部超压发育幅度大，向北逐渐递减，压力系数分布在1～1.8之间，表明该区超压受构造挤压控制大。由于探井稀少，结合前人的研究，准噶尔盆地腹部地区侏罗系顶界超压中心位于昌吉凹陷的中西部地区[18]。

6 结 论

(1)准噶尔盆地腹部永-莫地区，超压发育层位由南向北逐渐变浅：永进地区超压发育层位为侏罗系西山窑组，埋深5 800 m以下，压力系数最大可达1.8；征沙村地区超压发育在侏罗系三工河组和八道湾组，超压发育层位在5 000 m附近，征1井压力系数低于征101井，与断层泄压有关；莫西庄地区超压发育在侏罗系八道湾组，超压顶界在4 600 m附近，最高压力系数也可达1.8。

(2)特察模型并非静力平衡方程，有效应力不等于岩石骨架真正承担的力，且孔隙度相等条件下，孔隙度不一定相等，针对上述问题，提出了孔隙性介质静力平衡方程，其中的颗粒应力反映骨架所受的真实力。并采用颗粒应力的压力预测模型，分别提取三个地区、6口典型井的测井数据分别求取上覆负荷压力、孔隙度和颗粒应力，带入公式分别得到研究区永进、征沙村和莫西庄地区的地层压力预测模型，相比等效深度法，预测精度提高4.4%。

(3)构造挤压应力是准噶尔盆地腹部超压的主控因素，通过成因补偿的分析，建立了三类超压成因补偿模式，由南向北附加地应力值减少，由浅到深，附加地应力值增大。成因补偿后预测超压平面分布特征为：以盆1井西凹陷的中西部为超压中心，研究区从南向北超压幅度降低，压力系数最高在永进地区，可达1.8，最低在莫西庄地区，压力系数略小于1。