（油气井工程专业论文）碳酸盐岩地层压力预测研究.pdf

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：歪：蕴：塑 日期： 年 月日 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：石未跋 指导教师签名：一年墓墨望堑一 日期： 日期： 年月日 年月日 葡要 对地层压力进行预测是实现优质、高效、安全钻井的前提，也是油气层保护的关键 环节。我国中西部海相碳酸盐岩盆地一般地质情况复杂，地下压力体系多变，油气埋藏 较深，在油气田的勘探开发过程中对其进行有效的地层压力预测就变得更为重要。 本文在充分了解相关的理论背景、研究状况以及发展趋势的基础之上，分析了异常 地层压力的成因机制，总结了碳酸盐岩地层中地层异常压力的成因机制及主要影响因 素；分析了现有各种地层压力预测方法的原理和存在的问题，结合碳酸盐岩地层的异常 压力成因机制，找出适合碳酸盐岩地层的压力预测方法。 通过碳酸盐岩样品的声波特性规律实验总结碳酸盐岩地层中声波波速与有效应力 及孔隙度的关系，建立起地层压力预测的经验模型。通过对地层中的泥质含量以及含气 饱和度对声波波速的影响的研究，在模型中引入了泥质含量和含气饱和度，修正了利用 实验建立的模型，并用m a t l a b 进行了地层压力预测软件的编写，并取得了较好的效 果。 利用人工神经网络能够对关系不确定的参数进行训练和自我学习的功能，以前面模 型中的地层参数作为学习样本，调用m a t l a b 人工神经网络工具箱中的b p 模型进行压力 预测，为碳酸盐岩地层压力预测提供了新的思路和方法。但是限于学习样本的多少对预 测效果的影响，该方法仅限于实测地层压力丰富的地区。 关键词：碳酸盐岩，地层压力，异常高压成因机制，测井资料，人工神经网络 。， 1 c f ， 瓜 r e s e a r c ho i lp o r ep r e s s u r ep r e d i c t i o ni n c a r b o n a t ef o r m a t i o n x ul u ( 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 l i ny m g s o n g a b s t r a c t p r e d i c t i n gt h ep o r ep r e s s u r ei st h ep r e m i s eo fa c h i e v i n ge x c e l l e n t ，e f f i c i e n ta n ds a f e d r i l l i n go p e r a t i o na n di ti sa l s ot h ek e yp a r to fp r o t e c t i n go i l & g a sl a y e r m a r i n ec a r b o n a t e b a s i ni nt h em i d d l e - w e s to fo u rc o u n t r yu s u a l l yh a sv e r yd i f f i c u l tg e o l o g i c a ls 缸u c t u r ea n d m u l t i v a r i a t eu n d e q 争 o u n dp r e s s u r es y s t e m ，s oi ti sv e r ys i g n i f i c a n tt oe f f i c i e n t l yp r e d i c ti t s p o r ep r e s s u r ei nt h ep r o c e s so fe x p l o r a t i o na n dd e v e l o p m e n to f t h eb a s i n t h i st h e s i sa n a l y z e st h em e c h a n i s mo fa b n o r m a lp o r ep r e s s u r et h r o u g hl e a r n i n gr e l a t e d t h e o r yk n o w l e d g e , r e s e a r c hc o n d i t i o na n dd e v e l o p m e n tt e n d e n c ya n dc o n c l u d e st h em a i n i n f l u e n c i n gf a c t o r so fc a u s i n ga b n o r m a lp o r ep r e s s u r ei nt h ec a r b o n a t er e s e r v o i r t h et h e s i s a l s oa n a l y z e st h ep r i n c i p l ea n dd e f e c to fc u r r e n tp r e d i c t i o nm e t h o d sa n df i n d st h ep r o p e r c a r b o n a t ep o r ep r e s s u r e p r e d i c t i o nm e t h o db yc o m b i n i n gt h ef o r m i n gm e c h a n i s mo f a b n o r m a lp r e s s u r ei nt h ec a r b o n a t e 。 i nt h i st h e s i s , a l le x p e r i e n c i n gm o d e lo fp r e s s u r ep r e d i c t i o ni se s t a b l i s h e db a s e do nt h e r e l a t i o n s h i po fa c o u s t i cv e l o c i t ya n de f f e c t i v es t r e s sa n dp o r o s i t yw h i c h i ss u m m a r i z e di nt h e e x p e r i m e n t so ft h ea c o u s t i cp r o p e r t i e so fc a r b o n a t er o c ks a m p l e so fc a r b o n a t er o c ks t r a t a l a w s a n a l y z i n gt h ef o r m a t i o nf a c t o r so fc l a yc o n t e n ta n dg a ss a t u r a t i o nw h i c hc a ni n f l u e n c e t h ef o r m a t i o na c o u s t i cv e l o c i t y , t h i st h e s i si n t r o d u c e sc l a yc o n t e n ta n dg a ss a t u r a t i o ni n t ot h e p o r ep r e s s u r ep r e d i c t i o nm o d e l t h ep r e s s u r ep r e d i c t i o ns o f t w a r ei sd e s i g n e du s i n gm a t l a b ， a n dt h es o f t w a r ec a np r e d i c tp r e s s u r ei nt h ec a r b o n a t ef o r m a t i o nu s i n gm o d i f i e dp r e d i c t i o n m o d e l a tl a s tb e c a u s eo ft h ef a c t o r st h a th a sc o m p l i c a t e dr e l a t i o n s h i pc a nb et r a i n e da n ds e l f s t u d i e di nt h ea r t i f i c i a ln e u r a ln e t , w eu s et h eb pm o d e li nt h em a t l a ba r t i f i c i a ln e u r a ln e t t o o l b o xt op r e d i c tp o r ep r e s s u r e t h i sp r o d u c e san e wt h o u g h ta n dm e t h o df o rp r e s s u r e p r e d i c t i o no fc a r b o n a t ef o r m a t i o n , t h i sm e t h o d i si m p a c t e db yt h en u m b e ro fs t u d ys a m p l e s ，i t r i u 目录 第一章前言1 1 1 研究目的及意义1 1 2 国内外研究现状1 1 2 1 碳酸盐岩异常地层压力的成囚1 1 2 2 地层压力预测的研究进展4 1 3 本文主要研究内容、思路及目标。6 第二章碳酸盐岩地层压力预测方法研究8 2 1 地层压力预测所用资料分析8 2 1 1 地层压力预测所用资料8 2 1 2 地震资料和测井资料的特点8 2 2 根据预测原理的地层压力预测方法分类1 0 2 2 1 基于压实理论的地层压力预测方法一l o 2 2 2 基于岩石力学理论的地层压力预测方法一1 3 2 2 3 基于实验或钻井资料统计的经验模型1 6 2 3 适合碳酸盐岩的地层压力预测方法1 8 2 3 1 碳酸盐岩地层压力预测方法选择的影响因素1 8 2 3 2 适用于碳酸盐岩的地层压力预测方法一1 9 第三章碳酸盐岩声波特性规律实验研究2 1 3 1 实验准备2 1 3 1 1 岩石采集2 l 3 1 2 岩样制备2 1 3 1 3 物理参数的测量2 2 3 2 岩心孔隙度测定2 3 3 2 1 实验设备2 3 3 2 2 实验原理2 3 3 2 3 实验结果处理及误差分析2 4 3 3 岩心渗透率测定2 4 3 3 1 实验设备2 4 3 3 2 实验原理及结果处理2 5 3 4 岩心声波特性规律实验2 5 3 4 1 实验设备2 5 3 4 2 实验原理2 6 3 4 3 实验过程2 7 v 3 5 实验结果分析2 7 3 5 1 岩心纵、横波波速与有效应力的关系2 7 3 5 2 岩心纵、横波波速与孔隙度的关系- 2 9 3 5 3 实验结论31 第四章碳酸盐岩地层压力预测模型的研究及应用3 3 4 1 考虑地层泥质含量的影响后对地层压力预测模型的修正3 3 4 2 考虑地层流体种类的影响后对地层压力预测模型的修正3 4 4 2 1 地层孔隙中流体对声波波速的影响3 4 4 2 2 考虑了地层流体种类后修正的地层压力预测模型3 5 4 3 地层中其他因素对地层声波波速的影响3 6 4 4 碳酸盐岩地层压力预测模型的应用3 6 4 4 1 研究区块概况。3 6 4 4 2 软件功能介绍3 7 4 4 3 利用该软件的地层压力预测。3 8 第五章基于人工神经网络b p 模型的碳酸盐岩压力预测4 2 5 1 人工神经网络基本原理4 2 5 1 1 人工神经元结构模型4 2 5 1 2 神经网络的互联模式。4 2 5 1 3 人工神经网络的功能及特点4 4 5 2b p 网络理论4 4 5 2 1b p 网络结构4 4 5 2 2b p 网络学习规则4 5 5 2 3b p 网络的缺陷4 5 5 3 基于b p 模型的碳酸盐岩地层压力预测方法4 5 5 3 1 样本数据的处理4 6 5 3 2 地层压力预测4 6 第六章结论与建议4 8 6 1 结论4 8 6 2j 室议4 8 参考文献4 9 致谢5 3 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第一章前言 1 1 研究目的及意义 地层压力是一个油田在勘探开发过程中所要取得的一个基础数据。在油田的地质勘 探过程中，一个区块地层压力的准确预测能够为了解该地区油气的分布、运移以及聚集 等方面的规律提供重要信息，有助于设计和制定合理的开发方案、提高油气产量；在油 田的钻井实践中，地层压力预测的准确程度，关系到所用钻井液密度是否准确，设计的 井深结构是否合理，这有助于减少钻井过程中井喷井漏等事故的发生，使得钻井速度提 高、钻井周期缩短，减少了钻井施工的成本，直接关系到油田的开发速度和经济效果， 并对油田工作人员的生命财产安全有着重要影响，具有极大的经济效益和社会效益。另 外，准确地预测地层压力还能够减少泥浆对地层的侵害，有利于保护油气层【1 。3 1 。所以， 对于地层异常压力的研究，特别是特殊地层中异常高压的研究，引起人们越来越多的关 注。 目前，经过几十年的勘探开发，我国陆相盆地中能找到的油气接替资源已经非常有 限。而在我国中西部却分布着面积达3 0 0 x l o - n 2 的海相地层，在这些海相地层中碳酸 盐岩占有很大比重，在塔里木盆地、鄂尔多斯盆地、四川盆地以及华北地区都有广泛发 育。在上述碳酸盐岩地层中探明石油储量为1 5 2 x1 0 8 t 油当量，探明天然气1 3 6 x1 0 1 2 m 3 ， 探明率分别为6 5 和2 8 6 5 ，勘探程度相对较低，有着广阔的油气潜在远景和勘探开 发潜力m 】。 一般来说中国碳酸盐岩盆地的形成时间跨度较大，埋藏深度较深，其地质情况复杂， 地下压力体系多变且气田较多，因而碳酸盐岩地层中对地层压力的预测在油气田的勘探 开发过程中就显得更为重要。尽管现在对于砂泥岩等的地层压力预测技术已经较为成 熟，但是由于碳酸盐岩地层特殊的生成、保存环境以及空间分布的不均质性和储集结构 的复杂性，使得其地层压力也呈现出较为复杂的分布状态，在预测的时候精确度不高。 于是，碳酸盐岩储层中地层压力预测方面的研究，对于中西部海相碳酸盐岩地层油气田 的勘探开发，有着重要而现实的意义。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 碳酸盐岩异常地层压力的成因 我国的海相碳酸盐岩地层主要分布在古生代和远古代的地层中，经历的地史时间比 第一章前言 较长，所处地层构造变动比较多，保留至今的异常地层压力成因相对比较复杂。在碳酸 盐岩地层实际钻井过程中，出现异常低压的情况不是很多，对油田钻井施工影响较大的 是地层异常高压。但是，对于碳酸盐岩地层的异常高压形成机制，目前国内外研究的不 是特别深入，我们在前人的研究基础上，经过综合分析，可以得出以下几点认识。 1 2 1 1 生烃作用及烃类裂解作用的影响 l 、碳酸盐岩沉积成岩过程中欠压实现象不明显 碳酸盐岩地层在沉积成岩的过程中上覆岩层压力主要由岩石骨架来承担，欠压实现 象表现的不明显。 地层压实作用是碳酸盐岩地层中的一种非常重要的成岩作用，这已经被目前国内外 大多数石油工作者所认同。同时地层压实作用也是碳酸盐岩地层中孔隙度减少的一个重 要影响因素。但由地层压实作用所决定的碳酸盐岩地层中岩石的物性特征，不会像砂泥 岩地层中那样明显 6 - 7 1 。 2 、碳酸盐岩地层的沉积速率低 泥质岩层如果要形成异常高压，在地层沉积压实过程中它的沉积速率必须大于 4 0 m m p a 。假设碳酸盐岩地层在沉积压实过程中的压实特性与泥质岩层是近似的，那么 按碳酸盐岩在地层沉积压实过程中的沉积速率，压实作用将不会形成异常高压。这是因 为在海相碳酸盐岩盆地中，地层的沉积速度一般比较缓慢，一般只有1 0 m m p a 。 3 、碳酸盐岩地层中生烃作用及烃类裂解作用的影响 1 9 7 4 年，h e d b e r g 指出，由于细菌的作用，在地层沉积成岩过程的早期会有大量的 甲烷气体生成，它们之中有的会随着地层流体的流动排出地表，有的则会进入与该地层 相邻的储集层中。 生成的甲烷最初会溶解在地层流体当中，随着生成甲烷的增多，当它超过了地层中 流体的溶解能力时，不能溶解于地层流体的甲烷便以游离态聚集在地层孔隙中，随着甲 烷气体的逐渐增加，地层压力也随之不断升高。另外，随着地层埋深的不断增加，地层 温度也不断上升，在一定的压力和温度条件下，原油便开始裂解成为天然气，这时候地 层压力将会进一步增大。所以，在碳酸盐岩等沉积岩地层中，生烃作用以及烃类的裂解 作用是异常地层压力形成的一个主要来源。 1 2 1 2 碳酸盐岩地层异常高压形成的其他因素 我国的碳酸盐岩地层生成时间比较长，原始的地层压力形成以后，在漫长的地质过 程中；地层中的压力经过不断的破坏和改造，现今存留的地层压力状况是由多种地质作 2 中国石油大学( 华东) 硕七学位论文 用长时间共同改变的结果。 这些改造碳酸盐岩原始地层压力的动力包括溶蚀作用以及胶结充填作用等。另外， 由于地层中要形成异常高压区，必须保留着良好的封盖条件，所以现今地层中异常高压 的分布还受地层构造和地层中断裂带的影响。在漫长的地质演化过程中，各种地质作用 对地层压力的改造不是孤立存在的，它们在地层异常高压的形成过程中所起的作用往往 是综合在一起的，并且在不同地质条件下，不同的地质时期，各种因素往往互有主次之 分，所起的作用也不尽相同。 1 、碳酸盐岩成岩后期的溶蚀作用 在碳酸盐岩地层中，由于岩石中的胶结充填作用，使得地层中的储渗空间变小。如 果该地层密闭性良好，则该地层压力增加。与此相反，由于溶蚀作用能够增大储渗空间， 这就使得地层压力减小。所以，如果一个地区溶蚀作用发育，其储集层渗透性比较好， 即使有较好的封盖条件，该地区一般也不会形成异常地层压力。反之，在致密的储层中 则很容易形成异常高压。 2 、断褶、隆起的作用 地层岩石由于受构造应力的作用会产生褶皱、隆起以及裂缝等，在长期的地质演变 过程中，这些地质构造作用对地层中的压力分布有着重要的影响，一方面它可能会导致 异常高压的产生，另一方面它也可能起一种泄压的作用。其具体作用在不同的盆地不同 的区块是不一样的。 综上所述，碳酸盐岩地层中异常高压的形成机制与泥页岩差别较大，泥质含量较少 的碳酸盐岩地层在沉积压实、成岩过程中，由于沉积速率比较慢，欠压实现象不明显， 由该因素导致的地层异常高压的情况也不多。欠压实不是碳酸盐岩地层形成地层异常高 压的主要因素。 在碳酸盐岩地层中，地层异常高压的形成往往是由一种或几种因素共同起作用的结 果，在不同的区块不同的地层，起主要作用的因素也不尽相同。这些在碳酸盐岩地层异 常高压的形成过程中起主要作用的因素有烃类的形成作用、液态烃类的裂解作用以及石 膏向硬石膏转换等矿物转化作用、水热增压等因素。 另外，由于我国的海相含油盆地发育时间比较早，含油碳酸盐岩地层主要集中在古 生代和远古代。这些盆地经历的地史时间较长，盆地内构造变动的次数比较多，有的构 造变动还比较剧烈。褶皱、隆起、溶蚀、断裂等构造作用对该地层内的地层异常高压的 形成有着很大的影响，但构造作用具体的影响在不同的盆地不同的区块内也有所不同。 3 第一章前言 1 2 2 地层压力预测的研究进展 上世纪3 0 年代石油工作者已经在油田钻井中认识到地层异常高压，并逐渐了解它 对钻井施工具有一定的危害，但相应的地层压力预测工作并没有及时地开展。 地层压力预测方法按照与钻井的先后关系可以分为钻前地层压力预测、随钻地层压 力监测以及钻后测井压力预测。随钻地层压力监测指的是在钻井过程中利用钻井资料对 产该井井底的地层压力进行实时监测。常用的地层压力监测方法主要有：t 指数法、标准 化钻速法以及页岩密度法等。随着钻井技术的不断进步，近几年又有不少新的随钻地层 压力监测方法相继问世，但该方法实质上是一种地层压力的监测方法，而并非能实现对 某口井或某个区块的地层压力进行预测。 1 9 6 5 年，h o t t m a n 和j o h n s o n 创建了目前仍在油田现场普遍使用的地层压力预测方 法。该方法的基本原理是等效深度法，它利用已钻井的电阻率和声波时差等测井资料建 立所钻地层的正常压实趋势线，并且发现仅用等效深度法很难准确地预测某区块的地层 ， 压力，在很多情况下还需要建立适当的经验关系式。随后f o r s t e r 和w h a l e i l 进一步研究 了等效深度法和有效应力法，主要从泥页岩的压实作用分析了地层压力预测的可行性及 其存在的问题，为进一步定量地计算地层压力奠定了基础。之后随着钻井、录井及测井 技术的发展，这些能够反映地层孔隙度和岩石性质的数据都被当时的研究者尝试用来进 行地层压力预测。1 9 6 8 年，p e n e b a k e r 注意到地震资料包含着地层中压力变化的重要信 息，并且意识到如何准确获取层速度是利用地震资料来预测地层压力的关键点，他首先 利用地震资料预测了美国墨西哥湾沿岸地区的地层压力，并取得了较好的预测结果【8 - 9 。 在1 9 7 2 年和1 9 7 5 年，e a t o n 在认真分析和总结前人研究成果的基础上，针对建立 在等效深度法基础上的地层压力预测方法存在的一些列问题，提出了页岩电阻率、声波 时差和谚指数的地层压力关系式，即后来广为人知的伊顿法。伊顿法实际上是一种建立 在泥页岩压实理论基础上的经验关系公式，在对公式中的参数进行确定时，需要大量的 钻井资料作为参考。尽管伊顿法也存在一些问题，但它已在很多地区得到大量的推广和 应用，具有比较高的实用价值。 1 9 7 8 年，f i l l i p p o n e 在综合研究了美国南部墨西哥湾地区的地震、钻井、测井等多 方面的资料后，提出了一个不依赖于正常压实趋势线，而是利用地层中层速度预测地层 压力的经验模型；并于1 9 8 2 年又提出了改进式，在其中引入一个可通过钻井数据来校 正的系数，通过该系数在不同地区的不同取值，克服了先前公式在应用范围上的局限性， 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 在很多地方也取得了比较好的应用效果。1 9 8 6 年，d u t t a 在研究中将地层压力看作是页 岩比率、温度和成岩作用的函数。1 9 8 9 年，e b e r h a r t p h i l l i p s 等人建立起地层中声速传 播速度与孔隙度、有效应力和泥质含量之间的统计关系。1 9 9 4 年，y i l m a z 等人在研究 裂缝性储层过程中建立了裂缝性储层的地层压力与渗透率的关系模型。1 9 9 5 年，b o w e r s 在考虑了地层压力的成因机制后提出一个经验公式，先求取有效应力以此来预测地层压 力。1 9 9 7 年，l e e 等人在研究中将地层异常高压作为孔隙度和水深的函数建立起一个新 的模型【1 0 1 。 2 0 世纪8 0 年代以来，随着地震测量技术以及地震资料处理技术的发展，利用地震 资料预测地层压力的方法得到了越来越多的重视。在这一过程中，加强地质方面的研究， 更加深人细致地了解所研究区块地层的岩性、物性特征以及沉积、成岩过程，从具有多 解性的各种地震探测资料中提取更多所需的信息，是近些年来地层压力预测方面的主要 研究方向。测井方面的工作主要有细致分析研究区块的岩性剖面，提高测井资料在数据 处理方面的准确性，利用已钻井的实测资料建立地层压力预测经验关系，考虑更多地层 压力影响因素对已有的预测模型或经验公式进行修正等。 在国内，随着石油工业的发展，对地层压力预测也进行了深入而广泛的研究。原地 矿部王健安教授等人于上世纪8 0 年代初在国内开展了随钻地层压力检测的技术攻关， 利用d c 指数法较好地解决了碎屑岩地层压力预测中存在的问题。1 9 9 0 年，刘震教授在 对辽东某区块已钻井的测井、试井等资料数据进行研究时发现，该地区地层压力和地层 声波波速之间的关系不是线性关系，而是更为复杂的一种非线性关系，并在此基础上将 f i l l i p p o n e 公式进行修正，使得利用该公式对地层压力的预测精度有了进一步提高。另 外，顾汉明教授、刘天佑教授、樊洪海教授都在利用地震资料进行地层压力预测方面做 出了较大的贡献【l u ；高德利教授、杨进教授等在随钻地层压力预检测方面做了大量开创 性研究，取得了较好的效果。 随着国内东部油田相继进入开发后期，原油含水率偏高，增产上储难度加大，南方 及西部海相碳酸盐岩地层油气田开发得到越来越多地重视。针对于碳酸盐岩等地层的复 杂地质条件和特殊岩石物性，近年来很多专家对其地层压力预测理论和方法进行了研究 和探讨。郑有成针对碳酸盐岩地层缺少足够泥岩层的现状，提出利用同一区块内某些井 的泥质灰岩或灰质泥岩构建地层的正常压实曲线，经过修正后利用等效深度法进行地层 压力预测。胜利油田钻井工艺研究院采用不依赖于正常压实趋势线的修正后的f i l l i p h o n e 方程对四川嘉陵江组碳酸盐岩地层孔隙压力进行预测，取得了较好的效果。西南石油学 5 第一章前言 院夏宏泉等人通过实验对碳酸盐岩地层有效应力与地层岩石纵横波速比及泊松比之间 关系进行了研究，建立了利用有效应力原理进行地层压力预测的经验模型，并给出了通 过纵波测井资料来计算横波波速的关系式，在其研究区块也取得了较好的效果。 目前，针对于油田新区勘探开发中地质情况复杂的现状，避开以往把地层异常压力 归于地层欠压实理论的缺陷，提出了不依赖于正常压实理论，而是基于岩石力学理论的 地层压力预测方法，使得其适用范围更加广泛，是今后复杂地层和特殊岩性地层压力预 测发展的方向。同时，随着人工神经网络、灰色预测理论及模糊数学等理论在地震资料、 测井资料处理方面的应用，数据处理手段更加广泛，地层压力预测的精度也将会得到进 一步提耐1 2 1 。 1 3 本文主要研究内容、思路及目标 通过调研该研究方向的国内外研究现状以及对其存在问题的分析，总结了现有地层 压力预测技术的几点不足： ( 1 ) 现有地层压力预测没有把异常压力的成因及其分类与压力的预测方法进行有 机组合，使得已有的大多数地层压力预测方法在碳酸盐岩等特殊岩性地层的应用有着理 论上的缺陷，从而大大限制了这些方法的应用与发展。 ( 2 ) 在地层压力预测所用模型的构建中，往往只采用一种或几种与地层压力相关 性较强的参数，没有把其中对该地层特殊物性响应敏感而又与地层压力相关的参数考虑 全面。 因此，在充分了解本论文相关的理论背景、研究状况以及发展趋势的基础之上，本 文涉及以下研究内容： ( 1 ) 分析异常地层压力的成因机制，结合碳酸盐岩沉积成岩的地质背景，总结碳 酸盐岩地层中异常压力的成因机制及主要影响因素； ( 2 ) 分析现有各种地层压力预测的原理和存在的问题，针对碳酸盐岩地层中特殊 的异常压力成因机制，找出适合碳酸盐岩地层的压力预测方法； ( 3 ) 通过碳酸盐岩样品的声波特性规律实验总结碳酸盐岩地层中声波波速与有效 应力及孔隙度的关系，建立起适合碳酸盐岩地层压力预测的经验模型； ( 4 ) 通过对地层中的泥质含量以及含气饱和度对声波波速的影响的研究，在模型 中引入了泥质含量和含气饱和度，修正了利用实验建立的模型； ( 5 ) 利用m a t l a b 进行程序编写，设计了基于上述模型的地层压力预测软件，实 6 - 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 现了对碳酸盐岩的地层压力预测； ( 6 ) 利用人工神经网络能够对关系不确定的参数进行训练和自我学习的功能，研 究了以上面模型中的地层参数作为学习样本，调用m a t l a b 人工神经网络工具箱中的b p 模型进行压力预测，可以为碳酸盐岩地层压力预测提出新的思路和方法。但预测结果的 准确度受地层实测压力数据的多少影响很大，在地层实测压力点较少的地区准确度不 高。该方法仅限于实测地层压力丰富的地区，具有较大局限性。 7 第二章碳酸盐岩地层压力预测方法研究 第二章碳酸盐岩地层压力预测方法研究 2 1 地层压力预测所用资料分析 2 1 1 地层压力预测所用资料 地层压力预测可以分为钻前地层压力预测、随钻地层压力监测、钻后地层压力预测。 随钻地层压力监测是一种地层压力实时监测方法，并不能实现真正意义上的压力预测。 另外两种方法分别有各自的优缺点，都可以实现对地层压力的预测。根据两者使用资料 的不同，又分别被称为地震资料法和测井资料法。 在石油勘探阶段，一个区块在钻井之前，地震资料往往是唯一可以得到的资料。地 震资料法在地层压力预测过程中使用的资料是地震资料，它主要通过寻找与地层压力关 系密切的岩石及流体力学参数与地震资料间的关系，应用地震资料来进行某一区块地层 压力的直接预测。多年来，人们对利用地震资料来预测地层压力的方法进行了许多有益 尝试，直到上世纪7 0 年代，随着地震技术的不断提高，才使得利用地震资料来预测地 层压力得到广泛应用。 测井资料法应用的数据资料主要为测井资料，它通过寻找测井资料或者是可通过测 井资料求取的地层参数与地层压力之间的关系，建立地层压力与这些参数之间的数学模 型，通过己钻井的测井资料来预测本地区或者是地质状况相似的区块的地层压力。 2 1 2 地震资料和测井资料的特点 2 1 2 1 地震资料和测井资料各自的优缺点 1 、测井资料 测井资料受到的人为影响因素少，具有获取信息量大、准确性高、能随井深连续变 化、资料直接来自地层深部等特点，可以从多个侧面来反映所测地层的物理性质，如地 层的声波波速、电阻率、密度、自然伽马、自然电位等参数。所以利用测井资料预测的 地层压力精度比较高，可靠性相对较强，被公认为是比较理想的预测地层压力的方法。 利用测井资料计算的地层压力可以用来评估地质结构近似的同一区块的地层压力以及 指导邻近待钻井的施工【13 1 。 在常规测井资料中，声波时差测井资料较电阻率测井资料、密度测井资料等受井眼、 地层条件等外界因素的影响较小，而且资料相对比较齐全，所以利用声波时差测井资料 来预测地层压力具有普遍性和代表性。利用声波时差测井资料能够获得比较精确的地层 压力剖面，是确定地层压力比较理想的资料，对于所预测探区的后续详探井以及开发井 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 确定更为合理的井深结构及钻井液密度窗口，实现安全优质快速钻井具有重要的意义。 应用测井资料预测地层压力的精确程度主要取决于所应用数学模型的选取及该模 型在某一区块应用的适用性。另外测井资料预测地层压力属于事后预测，必须先取得所 研究区块己钻井的测井资料，在勘探初期区块内测井资料不多的时候显得无能为力。 2 、地震资料 利用地震资料预测地层压力可以适用于勘探初期测井资料较少的区块，是一种直接 的地层压力预测方法，但是由于地层中能够影响地震资料变化的多种地质因素难以排 除，预测的结果往往精度较低。相对于测井资料，利用地震资料来计算地层压力的时候 存在的问题主要来自于以下两个方面【1 禾1 6 】： ( 1 ) 地震波速度本身的误差。 地震波速度本身的误差在采集和计算中均可产生。根据地震资料算出的层速度精度 是有限的。即使现在地震勘探技术本身的精度较过去已经有了很大幅度的提高，但地震 速度分析的结果仍然存在一定的误差。许多基于反演的技术可以为地层压力预测提供比 较精确的速度值，但不管是哪一种反演方法，无论是叠前还是叠后，都依然要以可靠的 和岩石物理可接受的速度模型为基础。而即使反演方法可以提供给我们高频成分，地震 速度的分辨率仍然不会太高。这种地震速度自身所固有的误差将会对地层压力预测的准 确性造成一定的影响。 ( 2 ) 进行时一深转换时产生的误差。 在地层压力预测的计算过程中需要找出地层中深度速度的对应关系，地震速度资 料需要做时深转换。在没有测井资料的时候，这种转换的结果总与实际情况存在一定的 误差。 另外，用地震技术通常探测不出薄超压页岩和砂岩中的压力回归，而这些探测不到 的隐蔽地层可能会在钻井过程中出现意料不到的问题。 2 1 2 2 地震资料和测井资料的联系 利用地震资料获得的地层速度不仅能在一定程度上反映地层岩性的变化，还可以反 映出地层成岩程度，如岩石的密度、孔隙度等，甚至可能在一定程度上反映地层孔隙流 体的性质。测井资料中的声波测井测量的是纵波在地层内传播l m 所用的时间，其倒数 即为声波速度。 这两种速度的物理意义是相同的，换言之，地层异常压力在地震速度资料上的响应 特征与在声波测井上的响应特征是相同的。因而从理论上讲，利用地震资料完全可以用 9 第二章碳酸盐岩地层压力预测方法研究 与声波时差相同的方法来预测地层异常压力。只是测井资料是井孔内测得，相对来讲更 直接、连续和真实；而地震资料是在野外地面采集的，在采集过程中存在各种外界的干 扰和人为误差，在精度上稍差一些。 2 2 根据预测原理的地层压力预测方法分类 现有的地层压力预测方法包括很多种，不同的方法在预测原理方面各不相同，使得 各个预测方法都有着自身的优点及其局限性，这导致了每一种预测方法适用的条件是不 同的。要找出适合于碳酸盐岩地层的压力预测方法，首先要了解各个方法在预测原理方 面的差异。 2 2 1 基于压实理论的地层压力预测方法 2 2 1 1 地层压实理论 基于地层压实理论的地层压力预测方法的理论依据是：泥质沉积物的不平衡压实是 地层产生异常高压的原因。 压实理论认为：地层沉积过程是由上覆岩层的重力引起的的。随着地层的沉降，上 覆沉积物不断增加，下层岩石逐渐被压实。在正常沉积压实的地层中，随着地层埋藏深 度的增加，岩石就会越来越致密，地层密度随之增大，孔隙度减小。 如果地层沉积速度很快，岩石颗粒没有足够的时间去排列，孔隙内部的流体排出就 会受到限制，基岩无法增加它的岩石颗粒与颗粒之间的压力，即无法增加对上覆岩层的 支撑能力，由于上覆岩层继续沉积，而下面基岩的支撑能力没有得到增加，孔隙中的流 体必然要支撑一部分本来应由岩石颗粒所支撑的那部分上覆岩层压力，从而导致了该地 层异常高压的形成【1 7 1 。 在正常的沉积条件下，假定泥页岩的孔隙度与地层垂直有效应力有着如下的关系， 即压实函数： 矽= 死e 1 口 ( 2 - 1 ) 式中：一泥页岩的孔隙度； 死一泥页岩在地面上的孔隙度； 盯一地层岩石垂直有效应力，1 0 0 k p a ； c 一模型系数。 在地层正常沉积压实的情况下，式2 1 可以改写为式2 2 的形式： 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 矽= 唬- e z w ( 2 2 ) 式中：日一地层的深度，m 。 该式表明，地层孔隙度的对数与井深呈线性关系，将孔隙度和井深绘制在半对数坐 。标纸上即为正常压实趋势线。 在泥岩中，如果一个地层存在欠压实情况，那么该地层的孔隙度将会变大而偏离正 ， 常压实曲线，那么就认为该地层存在异常高压【1 8 1 9 1 。 2 2 1 2 基于压实理论的地层压力预测方法 1 、经验图版法 经验图版法应用的是一种地质统计的方法。首先对所在探区内已知的地层声波波速 和已知地层压力资料进行搜集，再对两者之间的关系进行统计研究，然后作成一个图版， 以此图版作为该地区地层压力的预测工具。预测地层压力时，由实测的地层声波波速在 所做图版上反查地层压力。这种方法可以实现地层压力的定量计算，但它预测结果的准 确程度却依赖于所做图版的准确与否，而确定图版需要大量已知的钻井资料，所以该方 法在无井和少井的初探区很难应用【2 0 】。 2 、等效深度法 等效深度法的理论基础是等效深度原理以及地层压实理论。地震资料的等效深度法 是从利用测井资料建立正常压实趋势线的地层压力预测方法演变而来的。 其原理是：如果要预测压力的目标层某一点a 与正常压实地层某一深度上一点b 的声波速度是相同的，那么这两个地层中岩石被压实的程度就非常接近，说明两个地层 骨架承受的有效应力是近似的，就认为地层中这两点深度等效。那么这两个等效深度点 之间的地层重力就由地层流体来承担，由此引起地层高压。 p p = 一一口+ 昂口 ( 2 - 3 ) 式中：耳- - a 点的地层压力，m p a ： 。 吃_ - a 点的上覆岩层压力，m p a ： 一 尼口- b 点的上覆岩层压力，m p a ； 昂丑- b 点的地层压力，m p a 。 3 、e a t o n 法 1 9 7 6 年，e a t o n 给出了声波波速与地层有效应力之间的关系式： 1 l 第二章碳酸盐岩地层压力预测方法研究 仃= c r ( v v ) ” ( 2 4 ) 式中：仃所求地层有效应力，m p a ； 吒、屹一分别为正常压实时的有效应力和声波波速，m p a ，m s ： ，一实际测得的地层声波波速，m s ： 捍一是用来描述声波波速对地层有效应力的灵敏程度的指数。 于是，所求地层压力可以写为： e = 乞一( 只。- p 。) ( v i v a ) ” ( 2 - 5 ) 式中：e 地层上覆岩层压力，m p a ； 、e 。一正常压实时地层的上覆岩层压力和地层压力，m p a 。 如果假定岩石骨架应力与纵波波速的三次方成比例，可以很容易用压实平衡方程推 导出来。这表明e a t o n 公式的实质是建立在岩石骨架应力与纵波波速的三次方成比例这 一特定假设条件下的等效深度法计算公式。因此该公式除了具有与等效深度法共同的特 点和不足外，还受到该假设条件的限制，其适用范围不如等效深度法广2 1 1 。该方法的应 用需要事先建立地层正常压实趋势线，然后根据正常压实条件下地层中的声波波速变化 趋势线来估计屹。 2 2 1 3 基于压实理论的地层压力预测方法局限性 在异常地层压力以欠压实为主要成因的泥页岩地层中，这些方法取得了很好的预测 效果，对石油钻井的安全快速钻进作出了重要贡献。即使在实际应用中出现难以用现有 理论解释的现象，人们也很少进行深入的研究，只是习惯于用实测的数据来校正预测模 型的参数等。但是随着石油勘探领域的扩大，在砂岩、碳酸盐岩、碎屑岩等构成的地层 中，该方法的应用效果与实际相差很大，其局限性逐渐显现出来。主要有如下几点 2 2 - 2 3 】： 1 、这些方法只适用于泥岩地层，对非泥岩地层并不适用； 2 、对于异常地层压力成因为欠压实以外的地层，传统