（油气井工程专业论文）龙岗三高气田碳酸盐地层压力预测方法研究.pdf

p r c o l l e g eo fp e t r o l e u me n g i n e e r i n g c h i n au n i v e r s i t yo fp e t r o l e u m ( e a s tc h i n a ) 群y l i 叮 ， - 也 j p r 传 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名_ 奎童 日期：2d 1 1 年r 月三歹日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门 ( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被 查阅、借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用 影印、缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名：奎! 萱 指导教师签名： 缎名 日期：2 0 i f 年厂月巧日 日期：2 力i 1 年厂月z 日 协 1 “! - 0 1 ， a 摘要 我国四川盆地蕴含着丰富的天然气资源，是重要的天然气产区，但由于此地区气井 具有高压、高产、高含硫等特点，为钻井施工带来了诸多风险和安全问题。要降低三高 气田钻井风险的首要关键问题是能够准确预测地层的三个压力剖面，然后按照此剖面进 行探井工程设计，并严格按照此剖面确定的井身结构和钻井液密度组织生产。碳酸盐地 层三压力剖面预测研究的难点是如何建立适合碳酸盐岩地层的孔隙压力预测方法。因为 碳酸盐岩为化学沉积岩，没有正常压实规律，传统的基于欠压实理论的孔隙压力预测方 法基本不适用于碳酸盐地层。 本论文采取理论分析和室内声波实验相结合的研究方法。在总结前人关于异常地层 压力成因机制的基础上，结合碳酸盐的岩性特点，进行了灰岩室内声波实验，模拟了灰 岩在地下应力状态，研究了在孔隙度不变的条件下波速与有效应力之间的变化关系以及 有效应力不变的条件下波速与孔隙度之间的变化关系。在对大量实验数据进行回归分析 的基础上，应用有效应力原理，建立了一套碳酸盐地层孔隙压力预测新模型。 研究了碳酸盐地层裂缝成因和裂缝、孔洞、孔隙等不同系统的测井响应机理，筛选 出能够较好地识别裂缝系统的双侧向测井方法，并根据深、浅电阻率差值判断裂缝产状， 依据相应的估算模型定量计算裂缝孔隙度和张开度等裂缝参数，分析研究区块的裂缝发 育程度。 从井壁稳定的岩石力学机理出发，分析了井壁围岩的应力状态，考虑了裂缝的影响 作用，并根据c o u l o m b m o h r 强度准则和最大拉应力破裂准则给出了碳酸盐地层井壁坍 塌压力和破裂压力当量钻井液密度的计算公式。 基于v i s u a lb a s i c6 0 编程语言，编写了三高气田钻井地质风险预测软件，利用该软 件对龙岗实验区块中的龙岗x 井和龙岗x x 并进行了现场应用，给出了两口井的地层三 压力预测剖面。应用效果表明，本论文中建立的碳酸盐地层压力预测模型是可行的，且 与传统地层压力预测方法相比，更适用于碳酸盐地层，预测结果也更准确和科学。 关键词：碳酸盐、裂缝预测、孔隙压力、坍塌压力、破裂压力 j l ) j p l a p r e d i c t i o nm e t h o do ff o r m a t i o np r e s s u r ef o r c a r b o n a t ei nl o n g g a n gs o u rg a sf i e l d l il e i ( o i l & g a sw e l le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f c h e n gy u a n f a n g a b s t r a c t t h e r ea r er i c hi nn a t u r a lg a sr e s o u r c e si ns i c h u a nb a s i nw h i c hi sa ni m p o r t a r 碴n a t u r a l g a sp r o d u c i n ga r e a b u tb e c a u s eo ft h ec h a r a c t e r i s t i c si nt h i sr e g i o ns u c h 嬲h i 班一p r e s s u r e ， h i 曲p r o d u c t i o na n dh i 曲s u l f u rc o n t e n t , b r o u g h tan u m b e ro fr i s k sa n ds e c u r i t yi s s u e sf o r d r i l l i n g i no r d e rt or e d u c et h er i s ko ft h et h r e eh i g hg a sd r i l l i n g ，t h ep r i m a r yi s s u ei st h e a b i l i t yt oa c c u r a t e l yp r e d i c tt h ef o r m a t i o no ft h et h r e ep r e s s u r ep r o f i l e ，a n dt h e ne n g i n e e r i n g d e s i g nf o l l o w i n gt h ep r o f i l ea r em a d e a tl a s tp r o d u c t i o ni so r g a n j z e da c c o r d i n gt ot h ec a s i n g p r o g r a ma n dd e n s i t yo fd r i l l i n gf l u i dd e t e r m i n e di ns t r i c t t h ed i f f i c u l to fp r e d i c t i o n t h r e e - p r e s s u r ep r o f i l ei nc a r b o n a t ef o r m a t i o ni sh o w t ob u i l dam o d e la p p l i c a b l et oc a r b o n a t e b e c a u s et h ec a r b o n a t ei sc h e m i c a ld e p o s i t ，t h e r ei si n c a p a b l et om a k en o r m a lc o m p a c t i o n l i n e ；t h et r a d i t i o n a lt h e o r yw h i c hb a s e du n d e r c o m p a c t i o nt h e o r yc a t ln o ta p p l yt ot h ep r e s s u r e p r e d i c t i o ni nc a r b o n a t ef o r m a t i o n t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dl a b o r a t o r ye x p e r i m e n ta r ee m p l o y e di nt h i sp a p e r f i r s to fa l l ， b a s e do nar e v i e wo fa b n o r m a lp o r ep r e s s u r ep r e v i o u sa n dc o m b i n e dt h ec h a r a c t e r i s t i c so f c a r b o n a t e ，i n t e r i o rs o u n dw a v ee x p e r i m e n to fl i m e s t o n ei sm a d e ，t h es t a t eo fi n s t u - s t r e s si s s i m u l a t e d t h ec o r r e l a t i o n sb e t w e e ns o u n dw a v ev e l o c i t ya n de f f e c t i v es t r e s su n d e rc e r t a i n p o r o s i t y ，a n dt h ec o r r e l a t i o n sb e t w e e ns o u n dw a v ev e l o c i t ya n dp o r o s i t yu n d e rc e r t a i n e f f e c t i v es t r e s sa r er e s e a r c h e d b a s e do nt h er e g r e s s i o na n a l y s i so fe x p e r i m e n t a ld a t aa n dt h e a p p l i c a t i o no fe f f e c t i v e s t r e s sp r i n c i p l e ，an e wp r e d i c t i o nm o d e lo fp o r ep r e s s u r ei s e s t a b i l i s h e d s e c o n d l y , t h ef r a c t u r ec a u s e sa n dw e l ll o g g i n gm e c h a n i s mo fd i f f e r e n ts y s t e m ss u c ha s f r a c t u r ec r a c k s ，h o l e s ，a n dp o r es p a c e si nc a r b o n a t ef o r m a t i o na r er e s e a r c h e d i no r d e rt o r e s e a r c ht h ef r a c t u r ea b u n d a n c ei nc a r b o n a t ef o r m a t i o n ，t h ed u a ll a t e r o l o gi sa p p l i e dt o i d e n t i f yt h ea n g l eo ff r a c t r u c es y s t e ma n dc a c u l a t et h ef r a c t u r ep a r a m e t e r ss u c ha sp o r o s i t y a n dw i d t hb a s e do nt h ed i f f e r e n t i a l sb e t w e e nd e e pa n ds u p e r f i c i a lr e s i s t i v i t y 砀e 羁t h eb o r e h o l es t r e s ss t a t ei sa n a l y z e do nab a s i so fr o c km e c h a n i c sa n di s o t r o p i c m e c h a n i c a lm o d e l sf o rs t r e s sd i s t r i b u t i o nw i t hc o n d s i d e r a t i o no ft h ee f f e c t so fc r a k e s t h e d e t e r m i n i n gm e t h o do fe q u i v a l e n td r i l l i n gf l u i dd e n s i t y f o rc a r b o n a t ef o r m a t i o ni sa l s o p r e s e n t e di na c c o r d a n c ew i t hc o u l o m b m o h rs t r e n g t h c r i t e r i o na n dt h em a x i m u mt e n s i l e s t r e s sf a i l u r ec r i t e r i a f i n a l l y , at h r e e - h i g hg a sd r i l l i n gg e o l o g i c a lr i s kp r e d i c t i o ns o f t w a r ei sc o m p l i e dw i t h v i s u a lb a s i c6 0p r o g r a m m i n gl a n g u a g e a n dt h es o f t w a r ei sp r a c t i s e do nl o n g g a n gg a sf i e l d a se x a m p l eo fl o n g g a n g lw e l la n dl o n g g a n 9 3w e l l t h et h r e ep r e s s u r ep r o f i l e sa r eg i v e no f t w ow e l l 惫a p p l i c a t i o ns h o w st h a tt h en e wp r e s s u r ep r e d i c t o nm o d e lf o rc a r b o n a t ef o r m a t i o n i nt h i sp a p e ri sf e a s i b l e a n dc o m p a r e dt ot r a d i t i o n a lp o r ep r e s s u r ep r e d i c t i o nm e t h o d s ，t h e n e wm e t h o dc o n s i d e r si nam o r ea p p r o p r i a t e ，a n de s t i m a t i o nr e s u l t sa r em o r ea c c u r a t ea n d s c i e n t i f i c k e y w o r d s ：c a r b o n a t e ，f r a c t u r ep r e d i c t i o n , p o r ep r e s s u r e ，f r a c t u r ep r e s s u r e ，c o l l a p s e p r e s s u r e - 0 目录 第一章引言“1 。 1 1 选题来源及研究目的、意义“：l f 1 2 国内外研究现状1 1 2 1 异常压力形成机理研究现状1 1 2 2 碳酸盐岩层系异常压力形成机理研究现状_ 5 1 2 3 地层孔隙压力预测常用方法6 1 3 主要研究内容和技术路线9 1 3 1 主要研究内容9 1 3 2 技术路线一9 第二章研究区域地质背景- 1 l 2 1 区域地质简介1 1 2 1 1 构造概况及沉积发展史l l 2 1 2 生物礁、滩分布特征1 2 2 2 地层、岩性1 3 2 2 1 白垩系1 6 2 2 2 侏罗系1 6 2 2 3 三叠系1 7 2 2 4 二叠系1 8 2 3 错井概况1 9 2 3 1 井身结构：1 9 2 3 2 钻井新技术：- 2 0 卜 f 第三章碳酸盐地层声波特性实验2 1 3 1 试样制备2 1 3 1 1 实验设备2 l 3 1 2 岩样制备2 1 3 2 物理参数测量2 2 3 3 孔隙度测定实验2 3 3 3 1 孔隙度测定仪2 3 3 3 2 实验原理2 4 3 3 3 实验数据及误差分析2 5 3 4 渗透率测定实验2 8 3 4 1 渗透率测定仪2 8 。i 3 4 2 实验原理2 9 l ， 3 4 3 实验数据2 9 3 5 声波波速测定实验3 0 3 5 1 实验设备3 0 3 5 2 实验原理3l 3 5 3 实验方案3 2 3 6 实验结果分析及规律总结3 3 3 6 1 纵横波波速随有效应力的变化规律3 3 3 6 2 纵横波波速随平均应力的变化规律3 6 3 6 3 纵横波波速随孔隙度的变化规律3 8 3 6 4 碳酸盐地层压力计算模型4 3 第四章碳酸盐地层压力预测方法4 6 4 1 碳酸盐地层裂缝分布特征及识别方法4 6 4 1 1 碳酸盐地层裂隙成因4 6 4 1 2 碳酸盐岩地层裂隙识别方法4 8 4 2 碳酸盐地层压力预测方法。5 5 4 2 1 孔隙压力预测方法5 5 4 2 2 坍塌压力预测方法5 9 4 2 3 破裂压力预测方法6 2 4 2 4 岩石力学参数计算方法【3 7 5 4 堋：6 3 气 第五章软件开发6 6 ，、 5 1 软件概述6 6 5 1 1 软件运行环境。6 6 j 一卜 f ， & 5 1 2 软件流程6 8 5 1 3 数据库组成6 8 5 3 软件功能6 9 5 3 1 数据处理模块7 0 5 3 2 力学性质模块7 l 5 3 3 三个压力剖面模块7 5 5 3 4 风险分析模块7 6 5 4 软件安装7 6 第六章现场应用：7 9 6 1 龙岗x 井7 9 6 1 1 地质分层情况7 9 6 1 2 地层压力预测剖面图8 0 6 1 3 地层压力剖面分析8 2 6 2 龙岗x x 井8 2 6 2 1 地质分层情况8 2 6 2 2 地层压力预测剖面图8 3 6 2 3 地层压力剖面分析8 5 6 3 误差分析8 5 第七章结论与建议8 7 参考文献8 9 至受谢9 3 一 ： 矗 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第一章引言 1 1 选题来源及研究目的、意义 本论文研究内容来源于国家科技支撑计划下设课题三高气田钻完井安全设计技 术的子课题三高气田钻完井工程地质风险分析技术，结合硕士研究生培养计划， 将论文题目定为龙岗三高气田碳酸盐地层压力预测方法研究。 碳酸盐地层的孔隙压力预测问题一直是国内外研究的难点，长久以来都没有形成 一套准确的预测模型。而据统计在世界范围内，碳酸盐岩中的油气储量约占油气总储量 的3 8 【l 】，我国四川盆地川东北地区蕴含着丰富的天然气资源，特别二叠系和三叠系海 相碳酸盐地层的飞仙关和长兴组为天然气勘探的重要层位。 四川盆地川东北地区的特点是上部为陆相砂泥岩沉积，下部为海相碳酸盐沉积， 储集层主要为裂隙型及裂缝孔隙型灰岩、白云岩地层。在钻探过程中，往往由于地层 压力预测不准确，出现并涌、井喷和井漏的风险很大：上部砂泥岩地层出现井眼垮塌， 导致井下复杂；下部碳酸盐地层漏失严重，经常出现钻井液密度稍高就井漏，稍低就井 涌的尴尬局面。这些问题都严重制约了探井的钻井速度，给钻井工作带来极高的风险。 要降低海相碳酸盐地层钻井风险的关键是能够准确预测地层的三个压力剖面，然后按照 此剖面进行探井工程设计，并严格按照此剖面确定的井身结构和钻井液密度组织生产。 碳酸岩地层三压力预测的难点是如何建立适合碳酸岩地层的孔隙压力预测方法。因 为碳酸盐属化学沉积岩，没有正常压实规律，传统的基于欠压实理论的地层压力预测方 法基本不适用于碳酸盐地层。基于以上问题，本论文依托测井、钻井、试油等多领域资 料数据，结合碳酸盐室内声学特性实验，建立碳酸盐地层孔隙压力预测模型，并在此基 础上开发一套三高气田钻井地质风险预测软件系统，为钻井工程设计提供基础数据。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 异常压力形成机理研究现状 目前关于异常压力形成机理方面的研究主要集中于碎屑岩层系，对于碳酸盐岩层系 异常压力的发育、演化及其与油气成藏效应的研究比较局限。下面以砂泥岩层系异常压 力发育机理方面的研究现状进行论述。 孔隙流体压力，即地层压力，是指在沉积物的压实作用下地层孔隙中含有的流体所 i 第一章引言 承受的压力。在正常压力条件下，孔隙流体压力与静水压力一致，其大小取决于流体的 密度和液柱的垂直高度【2 引。当孔隙流体压力偏离了静水压力后则称为异常地层压力， 如下图1 1 所示。若孔隙流体压力低于静水压力则称为异常低压，这种现象主要出现在 某些致密砂岩气藏或遭受较强烈剥蚀的盆地；若孔隙流体压力高于静水压力则称为异常 高压或超压，其最高上限应为地层破裂压力，可接近或达到上覆岩层压力。 图1 - 1 异常高压示意图 f i 9 1 - 1s c h e m a t i co fo v e r p r e s s u r e 异常压力的成因是多种多样的，一种异常压力现象可能是多种因素共同作用的结 果，其中包括地质的、物理的、地球化学的和动力学的因素等。 对于砂泥岩剖面，形成异常高压的主要机制有三类：与应力相关的机制、与体积变 化相关的机制和其它机制。其中与应力相关的机制又包括：欠压实；构造运动：断层作 用；盐丘作用。与体积变化相关的机制又包括：地温变化；矿物脱水；矿物转化；烃类 成熟；气泡上升。其它机制又包括：渗透作用；高水头；浮力作用 4 , 5 , 6 , 1 4 , 1 5 , 1 6 , 1 7 】。 ( 1 ) 欠压实机制 在正常沉积地层中，随着埋深的增加，上覆岩层压力逐渐增大、部分孔隙流体被排 出，地层孔隙度逐渐减小，地层孔隙流体压力保持为静水压力，如下图1 2 中的绿线所 示。若这种排水作用被阻挡，地层孔隙度降低的趋势受到抑制，会使地层孔隙压力升高， 如下图1 2 中的黑线所示，这种现象被称之为欠压实。 含有大量粘土矿物的沉积物在快速沉积过程中，可能会发生欠压实现象。该系统中， 快速沉积涉及大量泥质，砂体会被泥质包围，如果沉积物负载率很高，砂体周围泥岩的 2 一一 簇 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 渗透性将快速下降。因此，砂体中的孔隙水就不能纵向穿过上覆的含粘土沉积物。于是， 对盖层负载的支撑就被转移给孔隙流体，地层内由于孔隙间流体受到新沉积负荷而形成 异常高压层【2 4 】。 可见，具有异常高压的泥岩层由于处于欠压实状态，孔隙度偏高，这在测井资料上 表现为各参数偏离正常趋势，即密度偏小、声波时差偏大等。 z 图1 2 欠压实机制示意图 f i 9 1 - 2s c h e m a t i c o fc o m p a c t i o ne f f e c t 援习 ， p 足a = = - 盯o ，t t 一- 乃p p 一 ( 1 2 ) 足= 吼一乃 一 3 第一章引言 ，m p a 7 且有效水平应力增长速度比孔隙压力通过裂缝从地层中扩 持续增长，直至最大值，即等于上覆岩层压力，则吃等于 z x y 图1 - 3 地下单元体受力图 f i 9 1 - 3s c h e m a t i ci l l u s t r a t i o no fi n - s i t us t r e s s e ss t a t e ( 3 ) 断层作用 大部分的欠压实异常高压，都伴随着断层的侧向封堵作用。侧向封堵，连同上覆巨 厚的页岩，阻止了压实或其它成岩作用过程中沉积物中孔隙流体的散失。地层水穿过粘 土流动的阻力是压实过程中孔隙度和渗透率降低的结果。 生长断层往往表现为崩塌型滑坡，许多情况可能是由于老的滑移被后期沉积埋藏所 致。生长断层下降盘地层比上升盘厚，是由于沉积过程中断层上下盘沿着断层面有持续 的移动。在沉积过程中，沉积物被压实期间，孔隙中的流体通常是垂直向上运移的，随 着压实作用的继续，泥质沉积物的纵向渗透率迅速降低，随着埋深的继续，由于上覆沉 积物的巨大压力和温度的增加，孔隙压力也增加。通常发现的异常高压在3 0 0 0m 深度 处才形成。 持续沉积会导致欠压实页岩负载过重，从而形成剪切带，于是地层水排出的同时伴 随着沉积块体的沉降。因此，同沉积断层有以下特征：沉积循环、地层水的排驱、沉积 块体沉降和温度升高。 ( 4 ) 地温 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 促使地层流体压力形成的另一个因素为地质高压区的升温现象。遭受压实的上覆沉 积物拥有正常的压力和较低的热导率，其作用就像一块毡子，降低了来自深部地幔的热 传导。封闭系统的形成需要一个非渗透性盖层，高压带上的毛毡效应集聚的热流形成地 层中的异常高压，给流体施加了另外一个压力增量。以下几个因素影响地层的热波动： 该带的普遍温度；基质与流体的比热；沉积地层的孔隙度与渗透率；岩石与流 体的密度和热膨胀；岩石和流体的化学成分。 ( 5 ) 成岩作用 b e m e r ( 1 9 8 0 ) 描述了早期成岩阶段的两个相位：初始阶段由水的化学成分控制； 早期埋藏阶段由受到细菌和表层生物扰动的化学改造的圈闭孔隙水控制。在初始阶 段，泥岩矿物的离子交换能力经历了逐渐地变化，而且生物扰动作用创造了一个良好的 氧化沉积环境。早期埋藏状态被看作是厌氧菌主导的还原带。基于野外观察和实验室研 究，r i e k e ( 1 9 7 2 ) 讨论了泥质矿物的转化作用。 。 在沉积过程中，蒙脱石粘土矿物将水吸收进入它的三维晶格结构中，这些水在压实 和埋藏期间被释放到了周围多孔介质的孔隙中。蒙脱石向伊利石的转化发生在8 0 - 2 0 度之间，同时释放出总量等于其一半体积的水。这些水的输入造成高压地层欠压实的增 加。当流体压力超过静岩压力时，断层就作为流体向上进入上覆正常压力的含水层的卸 压阀门。当地层压力下降时，断层就会关闭，直到地层压力再次超过静岩压力。 1 2 2 碳酸盐岩层系异常压力形成机理研究现状 由于碳酸盐岩成岩作用的复杂性，沉积物的胶结作用发生的同时进行沉积作用，因 此其异常压力的形成机理及研究方法不能简单地借用碎屑岩层系，需要依据其沉积环 境、构造活动、成岩演化等进行特性分析。 ( 1 ) 古油藏原油的热裂解作用 我国海相碳酸盐岩层系天然气的重要来源是古油藏原油的热裂解作用 7 , s , g j o 】。古油 藏原油裂解生成天然气的过程中，流体从液态转变为气态，气、液两相产生的密度差导 致流体体积发生膨胀，若在封闭体系中，膨胀后的流体无法逸出则形成异常高压。模拟 实验结果表明，在标准温度和压力的条件下，单位体积的标准原油可裂解生成5 3 4 3 体 积的气体【1 1 】；理论计算结果表明，在理想封闭条件卞，原油体积裂解l ，孔隙压力将 达到地层静水压力梯度【1 2 1 。综上所述，由古原油的热裂解作用产生的异常高压效果是很 可观的。 5 第一章引言 ( 2 ) 构造作用 异常压力主要与构造抬升、构造挤压、侧向滑动和刺穿等构造运动有关。在构造抬 升过程中，由于卸载和温度降低导致水热增压、矿物转变和油气生成等活动趋于停止， 因此很难形成异常高压，在这种情况下形成异常高压的最主要机制成为构造挤压作用。 在厚的页岩层序存在的情况下，页岩的低孔隙度、高阻抗和高密度是典型的特征，即构 造运动引起的过压实越强烈，从页岩挤压到相关储层的水量越高，从而导致异常高压， 这一点与砂泥岩剖面正好相反。 在碳酸盐岩储集层类型中最典型的是裂缝型储层，属于中等偏强应力敏感程度、塑 性形变的范畴。在垂直有效应力作用下，储层中的裂缝压缩闭合，骨架颗粒紧缩，由于 裂缝系统较强的自闭性，裂缝中的流体无法排出，此时构造挤压应力的增加不会引起储 层孔隙度的减少，最终裂缝中的流体承受了应当由岩石骨架颗粒承受的那部分应力而形 成异常高压【1 3 】。除此之外，裂缝系统的储集空间较小，且与外界的连通程度有限，其自 身增压或外部因素都很容易造成憋压而形成异常高压，多表现为小储量系统。 ( 3 ) 热化学硫酸盐还原( t s r t h e r m o c h e m i c a ls u l f a t er e d u c t i o n ) 作用 通过反应前后流体体积、岩石体积以及储层孔隙体积的变化，热化学硫酸盐还原 ( t s r ) 反应可以影响孔隙流体压力，表现为两方面： 一方面，从流体体积的变化而言，根据理论计算值，在t s r 反应中消耗1m o l 烷 烃可生成nm o l ( n 为烃类的碳数) c 0 2 和h 2 s 气体【1 8 1 。因此除甲烷外，热化学硫酸盐 还原反应前后的气体体积会发生剧烈的膨胀，当该反应过程发生在密闭的环境中时，由 于膨胀作用生成的气体无法排放就容易憋压形成超压。 另一方面，t s r 反应生成的h 2 s 气体对碳酸盐岩储层具有强烈的溶蚀改造作用， 储层的孔隙度增加，储层中的烃类大量被消耗，从而使孔隙流体的压力减小。根据理论 计算值，在t s r 反应中每消耗1m o l 的硬石膏( c a s 0 4 ) 可生成lt o o l 的方解石( c a c 0 3 ) ， 岩石体积减少或孔隙增加1 0c m 3 1 9 1 。 综上所述，t s r 反应具有增压和减压这两种相反的效应，其对储层孔隙流体压力的 影响是两种作用的综合表现。 1 2 3 地层孔隙压力预测常用方法 目前地层孔隙压力预测主要还是基于欠压实机制而提出的，分钻前地震层速度法、 钻井参数法和钻后测井资料法三类。这里只简单介绍地震层速度法和声波时差法。 6 一 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 ( 1 ) 地震层速度法 利用地震资料进行地层压力预测，主要是利用超压层的低速特点，因为在正常情况 下，速度随深度的增加而增加，当出现超压带时，将伴随出现层速度的降低。对于常规 二维地震来说，一般通过地震速度谱数据，得到层速度，建立正常压力趋势线，然后进 行压力预测。对于三维地震，若结合v s p 数据和测井数据，可精确获取层速度，能提 高压力预测精度。 e a t o n ( 1 9 7 6 ) 提出一个经验公式，一般称为伊顿模型，如下式【2 0 】： 。2 屏咖b a 烈刊 ( 1 - 3 ) 式中 所岩石密度，g c m 3 , p w 地层水密度，g c r n 3 , b 正常压实地层的速度，m s ： v 抽。异常压力地层的速度，m s 。 假定当岩石骨架应力与波速的三次方成比例时，用压实平衡方程很容易得到上式。 这表明e a t o n 公式实际上是建立的岩石骨架应力与纵波速度三次方成比例的假设条件下 的等效公式计算的一种特殊形式。因此具有与等效深度法一致的特点。 ( 2 ) 声波时差法e 2 1 2 雄3 矧 ， 以欠压实作用为主要的增压机制的泥岩，在地球物理数据上表现为“高孑l 隙度、高 声波时差、低密度 特征。当出现异常高孔隙时，孔隙中的流体就会承担部分本应由岩 石骨架承担的上覆载荷，这部分载荷在数值上等于流体的超压值。其次，生烃增压是因 源岩大量排烃进入封闭半封闭孔隙后，对异常高压带形成所起的作用等同于欠压实作 用，都是部分孔隙流体承受了一部分本该由岩石骨架承受的负荷，地层均已处于封闭一 半封闭的环境中，地层开始形成超压以后孔隙度将保持不变，形成超压的地层偏离正常 压实趋势线。所以，生烃增压与欠压实增压引起的超压开始形成时间都可以根据等效深 度法和沉积过程加以确定。 等效深度法计算地层压力的基本原理是在不考虑地层温度的情况下，在性质相同的 沉积层中，若不同深度上岩石的孔隙度相同，则其颗粒间的骨架应力也相同。真柄新次 ( 1 9 6 8 ) 提出用等效深度法求解地层压力，欠压实段埋深为z 的a 点处页岩孔隙度值 7 第一章引言 方正常压实段b 点处的页岩孔隙度相等，因此，a 点的有效应力等于b 点的有 ，如下图1 - 4 所示。 z a z 巾2由l 图1 - 4 等效深度法示意图 f i 9 1 - 4s c h e m a t i co fe q u i v a l e n td e p t hm e t h o d 根据t e ：r z a g h i 模型，存在两个等式瞵】： o a = o a 口+ o r b = 盯& + 式中o a 、a b _ a 点ib 点的总应力，m p a ： 、o b 厂a 点、b 点的有效应力，m p a ； p a p 、p b 厂a 点、b 点的孔隙压力，m p a 。 又因：仃j t 。= 仃艇 所以得： ( 1 4 ) 尸j = p = 一o b + ，知：p 彳g h a 一( p b p 。) g h b ( 1 - 5 ) 另一个由声波时差确定异常高压的方法是e a t o n 法，其公式表达式如下： 。= 岛州岛咄，曲陪) 似6 ) 8 飞 f 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 3 主要研究内容和技术路线 1 3 1 主要研究内容 针对灰岩地层孔隙压力预测问题，本论文的主要研究内容包括： ( 1 ) 碳酸盐声波实验研究：通过碳酸盐岩室内声波实验，模拟碳酸盐在地下的应 力状态，从而研究裂隙发育程度和异常高压对碳酸盐地层声学特征的影响规律，即孔隙 度一定的条件下声波波速与有效应力之间的变化关系和有效应力一定的条件下声波波 速与孔隙度之间的变化关系，通过回归分析方法建立相应的碳酸盐地层压力预测新模 型。 ， ( 2 ) 可识别裂缝系统的测井方法研究及裂缝参数计算：在对碳酸盐地层裂隙成因 机制研究的基础上，结合裂缝、溶洞及孔隙等系统的不同测井响应机理，筛选出能够较 好地识别裂缝系统的测井方法，即双侧向测井。根据裂缝孔隙度和裂缝张开度计算模型， 利用深、浅侧向电阻率差值判断裂缝产状，最终计算出裂缝孔隙度和张开度等裂缝参数， 进行碳酸盐地层裂缝分布特征及其发育程度预测。 ( 3 ) 坍塌压力和破裂压力预测方法研究：从井壁稳定的岩石力学机理出发，分析 井壁围岩的应力状态，并考虑裂缝的影响作用，根据c o u l o m b - m o h r 强度准则和最大拉 应力破裂准则建立碳酸盐地层井壁坍塌压力和破裂压力计算模型。 ( 4 ) 软件开发：使用v b 6 0 编程语言，结合前一阶碳酸盐声学特征实验得到的规 律和建立的地层三压力预测模型，开发一套针对龙岗三高气田的“三高气田钻井地质风 险预测软件系统”。 ( 5 ) 四川龙岗气田现场应用：应用开发的三高气田钻井地质风险预测软件系统， 并收集四川龙岗地区钻井、测井、试油等资料，对多口实验井进行现场预测应用，并绘 制其地层三压力预测剖面图。 1 3 2 技术路线 若利用碳酸盐岩本身的属性预测地层压力，必须研究碳酸盐岩地层地球物理参数的 变化规律。碳酸盐岩储层的基本特征是岩石的原生孔隙度很小，连通性较差，很难形成 有效的储集层，但由于发生构造运动而使岩石断裂产生裂缝后，增加了其孔隙之间的连 通性，为油、气运移提供了通道，而成为可能的有效储集层。裂缝系统对声波时差有增 大的影响作用，同时异常高压也会使声波时差表现为增大，声波时差的增大是裂缝系统 和异常高压综合作用的结果。在本文中，首先通过碳酸盐室内声学特性实验，系统研究 9 第一章引言 裂隙发育程度和异常高压对碳酸盐岩储层声学特征的影响规律，建立相应的地层压力预 测计算模型；其次，筛选出能够识别裂缝的双侧向测井方法，利用深、浅侧向电阻率差 值定量计算裂缝孔隙度和张开度等裂缝参数，预测裂缝系统发育程度；接着，根据 c o u l o m b m o h r 强度准则和最大拉应力破裂准则，考虑裂缝因素的影响，给出了碳酸盐 地层井壁坍塌压力和破裂压力当量钻井液密度的计算公式；最后，使用v b 6 0 编程语 言，应用碳酸盐声学特性实验建立的地层压力预测计算模型，开发一套三高气田钻井地 质风险预测软件系统，对四川龙岗三高气田进行现场预测应用，各出多口实验井的地层 三压力剖面图。 1 0 、 产 一 瓤 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 2 1 区域地质简介 第二章研究区域地质背景 龙岗构造是中国石油2 0 0 6 年的重要勘探成果，位于四川省南充市平昌县龙岗乡川 北低平构造区平昌构造带，地面为一个较平缓的西北向不规则穹隆背斜。区域构造位置 位于四川盆地川北低平构造带，地处梓潼凹陷、九龙山背斜、柘坝场潜伏构造之间，九 龙山至中坝构造群的东部，位于梓潼凹陷东斜坡，东邻九龙山构造的西南倾末端西翼【2 6 1 。 该构造的主力产层是飞仙关鲕滩储层和长兴组生物礁。 2 1 1 构造概况及沉积发展史 据目前的地震资料，从浅层至深层，构造形态基本一致，为梓潼凹陷东部由北西向 东南逐渐抬升的单斜构造，与九龙山背斜构造西南翼相接。本次发现的剑阁地区上二叠 统生物礁和下三叠统飞仙关鲕滩地震异常体，