地层压力基本知识.ppt

随钻地层压力的预测与评价 王志战 胜利地质录井公司地质研究解释中心 目录 前言一 孔隙压力术语二 温压场的划分三 国内外研究现状四 异常压力预测的发展趋势五 异常高压的成因机制 前言 异常压力与油气的生成 运移和聚集关系密切 据Hunt 1990 统计 世界上已发现180个超压盆地 其中有160多个为富油气盆地 其中多数为超压 在油气生成方面 异常高压可降低烃源岩的成熟度 延缓烃源岩热演化的进程 当地层压力超过一定门限时 压力对成烃有明显的抑制甚至是阻止作用 表现为压力系数与烃源岩生烃门限深度 石油窗下限深度的正相关 在油气运移和聚集方面 异常高压具有建设和破坏双重作用 发育异常高压的泥岩可作为良好的盖层 尤其是作为良好的区域性盖层 有利于油气成藏 异常高压可以成为泥岩排水 排烃的动力 产生的裂缝既可作为良好的油气运移通道 也可能导致油气盖层的破坏 促使油气重新分布 导致幕式成藏 前言 针对胜利地质录井公司而言 由于它是一个集钻前地质设计 随钻地质录井 钻后研究 解释 评价于一体的综合性服务机构 因而异常地层压力预测与监测技术贯穿于公司各个主营环节 搞好这项工作有助于提高地质设计水平 提高随钻监测精度 提高地质研究深度 提高解释评价水准 从而提高公司的整体技术势力 为油气勘探 开发提供更深入 更准确 更优质的服务 前言 研究异常地层压力的成因 分布及其与油气藏的形成及分布之间的关系是成藏动力学的核心内容 是成藏动力学系统研究和划分的依据 在油气田的滚动勘探开发过程中 准确的压力预测及细致而系统的油气层压力分布规律研究 一方面 可以帮助我们认识和发现新的油气层 对于了解地下油气层的能量 控制油气层压力变化 并合理地利用油气层能量以最大限度地采出地下油气具有十分重要的意义 另一方面 对于做好钻井 地质设计 在施工过程中保障钻井安全 提高钻探效率 降低钻井成本及合理保护油气层具有重要的指导意义 一 孔隙压力术语 静水压力 normalorhydrostaticpressure 斜率 slope 纯水 1 0g cm3 0 433psi ft盐水 1 07g cm3 0 465psi ft地层水 0 45 0 465psi ft1g cm3 433pst ft开放系统 opensystem acolumnofwater 压力值随深度而增加压力变化率只依赖于水的密度变化代表压力增加最大速率的方向向量是垂直的压力 深度的关系与流体容器的形状完全无关 静水压力的性质 一 孔隙压力术语 上覆应力 静岩压力 地静压力 overburdenstress 固体 流体美国海湾盆地水饱和的沉积岩密度为2 3g cm3 静岩压力梯度为 433psi ft 2 3g cm3 1 0psi ft 异常高压发生在静岩压力梯度线和清水静压梯度线之间的区域 静岩压力的性质 决定静岩压力的三个变量 与盐度有关的地层水密度 各种岩性的净厚度 各种岩性的孔隙度PG 岩柱的重量 水柱的重量 PG m 1 d w d 静岩压力梯度的变化原因 岩石体积密度随压实作用的增大而增加 地层水密度的增加 溶解在水中的固体总量 TDS 随深度而增加 一 孔隙压力术语 孔隙压力 porepressure The porepressure isthepressureofthefluidintheporespaceoftherock Thepointatwhichporepressuresexceedhydrostaticpressuresisthe topofoverpressures Inoverpressure fluidsaretrappedintheporesandbearpartoftheweightoftheoverlyingsolids Anypressureoverthehydrostaticpressureisoverpressure 超压 Theamountofporepressureexceedingthehydrostaticline Effectivestress 有效应力 istheamountofoverburdenstressthatissupportedbytherockgrains Anotherconceptimpliedinthefigureisthatporepressuredoesnotreachoverburdenstress Asporepressureapproachesoverburdenstress fracturesintherockopenandreleasefluidsandpressures 一 孔隙压力术语 一 孔隙压力术语 Typicaltrendcurvesforresistivity sonicvelocity anddensity Bluecurvesdenotenormalcompactiontrends Arrowsindicatedeviationsduetooverpressure 一 孔隙压力术语 Cross sectionofhypotheticalreservoirunit Intheabsenceoffluidflow thedifferenceinporepressurebetweenpointsAandBissimplytheweightofthefluidintheverticalreservoircolumn 一 孔隙压力术语 一 孔隙压力术语 压力梯度 Pressuregradients Alocalpressuregradientdefineshowpressurevariesoversmalldepthranges Atthesmallestscale itequalstheslopeofapressureversusdepthcurve Themostbasicpressuregradientthatweuseisequivalentmudweight EMW Pressureprofileforhypotheticalreservoirunit 一 孔隙压力术语 Itsutilityisthatforanydepthbelowthesurface wecanderivethepressureoftheboreholefluidsbydrawingalinefromtheoriginthroughtheappropriatemudweighttothedepthandgetthepressureforthatdepth Pressureplottedagainstdepthwithmudweightscaleadded 1lb gal 0519psi ft 静水压力梯度的性质 控制流体密度的因素 温度 压力 流体成分 包括溶解气和固体 流体相态 气体或液体流体密度和梯度变化范围 气体 84 3 C1 14 4 C2 0 5 CO2 0 8 N2 一 孔隙压力术语 Diagramillustratingporepressurebetweenhydrostaticgradientandfracturegradient 一 孔隙压力术语 Usingmudweightchangespressureaxistogradientaxis Thisistheviewpreferredbydrillers 一 孔隙压力术语 Casingpointsandmudweightprofileforhypotheticalsituation 一 孔隙压力术语 质心 centroid Becauseoverpressureofasandisconstant porepressuremustfollowahydrostaticgradient Shaleporepressuredoesnot Thesandactsasaconduittotransferpressuresupdip Atdepthshaleporepressuresexceedsandporepressuresbutshallowsandporepressuresexceedshaleporepressures Thecentroidisthedepthatwhichsandandshaleporepressuresareequal Thevalueofthecentroidconceptisthatitemphasizesthedifferencebetweensandandshaleporepressures Mostpore pressurepredictiontechniquesemphasizeshalepropertiessuchasvelocityandresistivitybutdonotaddressthisessentialmismatchoftheshaleandsandporepressures Thisconceptalsopointsoutthatsandsprovideamechanismforverticalandlateraltransferofpressures Asbasinssubsideanddewater thesandsprovidethemechanismforfluidescapeincludinghydrocarbons 一 孔隙压力术语 Simpleillustrationoflateraltransferwhenonesideofabasinsubsidesandfillswithshale Overburdeninthesubsidedportionishigherand ifburialissufficientlyfastthattheshalecan tdewaterquicklyenough itbecomesoverpressured Thisisknownasdisequilibriumcompaction 二 温压场的划分 压力场压力系数 pressurecoefficient 是地层某处的地层压力相对于该点正常压力的偏离程度 是该点实际地层压力和静水压力的比值 无量纲 地层压力系数消除了深度对压力场评价的影响 是压力场划分的首选参数 结合济阳坳陷的实际情况 根据压力系数 Pc 的大小将济阳坳陷的压力场划分为高压 Pc 1 2 常压 0 9 Pc 1 2 和低压 Pc 0 9 二 温压场的划分 地温场地温场是指某一地质空间内的地温变化特征及热量释放情况 通常主要用地温梯度及大地热流值等参数来描述 它们在地层中的直接反映就是地层温度 地温异常反映了某深度的地层温度相对于该深度的区域地温背景值的偏离程度 用该点的测温值与区域背景值的差值表示 t T kZ结合研究区的实际情况 根据地温异常可以把济阳坳陷地温场分为高温区 t 4 常温区 4 t 4 和低温区 t 4 温 压系统 地温场与地压场的耦合 a 单一型温 压系统b 高压型复式温 压系统c 低压型复式温 压系统 温 压系统 地温场与地压场的耦合 404 1 21 00 9 压力系数 地温异常 济阳坳陷温 压系统平面分区标准 三 国内外研究现状 国外研究现状自1951年Dickinson首次明确提出异常压力在油气地质研究及勘探中的意义以来 异常地层压力的研究取得了重大进展 Hunt在1990年提出的 异常流体压力封存箱 的概念 进一步推动和深化了不同压力系统与油气分布关系的研究 出版了大量专著和论文 成为动态分析盆地内油气成藏过程的一项重要技术 国外研究现状 异常地层压力的成因研究异常压力的成因研究是异常压力体系研究的基础 这方面的代表作有 Studiesinabnormalpressures Developmentsinpetroleumscience38 Originandpredictionofabnormalformationpressures Developmentsinpetroleumscience50 2002 国外将异常高压的产生机制归结为 泥岩欠压实 构造活动 断层 褶皱 侧滑或平移 来自断层下降盘的挤压 盐丘或泥岩底辟运动 地震 生长断层 压力传递 水热增温 有机质降解 气体运移 渗透作用 密度差异 浮力作用 这些成因可按性质分为物理的 化学的 或按作用过程分为有效应力成因的和流体扩张成因的 异常低压来源于 永冻土退化 气藏内气的快速泄露 温度降低 天然气水合物的形成 由于剥蚀或冰盖消失导致上覆岩层的压力降低 从而引起岩石体积的膨胀 国外研究现状 异常压力的分布研究在世界油气勘探过程中 各个大陆都钻遇到异常地层压力 异常压力可发生在浅至地下数百米 或超过六 七千米的深度中 可存在于碎屑岩 厚层蒸发岩和碳酸盐岩地层中 可分布于区域范围或极有限的范围 可分布于前寒武系 更新世地层 北美地区已发现的深盆气藏气层压力总是低于区域静水压力或高于区域静水压力 等于区域性静水压力的情况较少 阿尔伯达盆地 圣胡安盆地和丹佛盆地的白垩系深盆气藏多具异常低压特征 大绿河盆地 皮申斯盆地和尤因塔盆地的白垩系 第三系深盆气藏多具异常高压特征 国外研究现状 异常压力对储层物性的影响位于异常高压带的储层孔隙度通常比正常压力下同类型的岩石孔隙度大 孔隙度的增加往往伴着岩石其它特征的变化 如 渗透率增加 油气体积增大 毛管压力减小等 孔隙度增加主要是由于地质年代中地层水流动的溶蚀作用造成的 国外研究现状 异常压力对油气成藏的影响异常压力与生 运 储 盖 保等成藏要素关系密切 研究的代表作有 Basincompartmentsandseals AAPGMEMOIR61 1994 等 有机质演化产生的异常高压有助于突破压裂梯度 成为油气初始运移的主要动力 每个异常压力封存箱中都有一个顶面封隔层 该层是良好的油气盖层 国外研究现状 异常压力预测异常地层压力会导致岩石参数发生明显变化 这些变化在勘探技术和钻探技术上的表征是异常压力预测的主要研究对象 随着异常压力研究的深入及地震 测井 LWD SWD VSP 井间地震和计算机等相关技术的进步促使国外在异常压力预测方面的研究十分活跃 其代表机构或公司有AAPG BairdPetrophysicalInternational MaurerTechnologyInc CoreLaboratories等 代表作有 OriginandPredictionofAbnormalFormationPressures DevelopmentsinPetroleumScience50 2002 PressureRegimesinSedimentaryBasinsandTheirPrediction AAPGMemoir76 2002 PorePressureandFractureGradients SPEReprintSeriesNo 49 1999 等 主要方法有 国外研究现状 地震方面 提取地震层速度 建立速度或地层压力与深度的关系图 根据线性变化趋势预测异常地层压力 用三维叠前时间偏移求得高分辨率 高密度的速度函数预测孔隙压力梯度和压裂梯度 结合VSP等井内信息提高压力预测精度 通过对AVO梯度的低频部分求积校正叠偏速度 通过速度模拟 小波处理 地震反演等处理手段提取层速度 测井 声波 密度等 与地震联合进行异常压力预测 国外研究现状 测井方面 测井具有一定的滞后性 只能应用于已钻地区 并结合地震资料进行真正意义上的预测 随钻方面 SWD LWD MWD等随钻技术的不断进步使地层压力梯度和破裂梯度的实时预测更加准确 其他方面 利用盆地模拟等分析手段进行异常压力预测 利用泊松比与岩性的函数关系进行压裂梯度预测 利用微型盆地流体运移模型分析上覆岩层压力剖面和泊松比剖面 进行预探井压力梯度和压裂梯度的预测 国内研究现状 在我国挤压型与拉张型盆地内均存在异常地层压力 自发现卡拉2号超压大气田后 更促进了异常高压形成机理的研究 在塔里木 准噶尔 渤海湾 莺 琼 四川 鄂尔多斯 松辽等盆地均见到与异常地层压力及流体封存箱有关的论文或专著发表 代表作有 超压盆地与油气分布 马启富等 2000 等 异常地层压力的成因机制 异常高压的成因机制有10几种 包括 泥岩欠压实 水热增压 粘土矿物脱水 地层水渗透 生烃体积膨胀 地层抬升剥蚀 油藏中水对油气的浮力 压力渗透 构造挤压 等势面的不规则性等 但对具体盆地而言 起主导作用的往往是其中几个因素甚至一两个因素 国内学者将这些超压成因机制归结为沉积型和构造型两类或沉积成岩型 成烃型 构造型三类 异常低压的成因机制有 地层抬升遭受剥蚀 温度降低 生烃作用减弱或停止 气体散失 地下水流动等 异常压力在中国的分布 在海陆相地层中广泛分布 异常压力主要分布在第三系和白垩系年轻地层中 空间上分布广泛 压力系数大 2 压力系数随地层时代而降低 总体上 异常压力的分布深度在2700 3000m以下 而在松辽盆地 地温梯度较高 异常压力可在1500m埋深发生 在东部第三系拉张盆地中可发生于1900 2400m以下 在地层时代相同 岩性变化不大的情况下 压力系数和剩余压力通常随埋深而增大 对于陆相地层 异常压力的分布常与深湖相和半深湖相沉积有关 异常压力对储集性能的影响 研究较多的是超压对储集性能的影响 超压对储集性能的影响表现在对储层孔隙度和渗透率的保存和改善方面 异常高压可促进更多微裂缝的形成 增加超压体系内的储集空间 改善储集层的连通性 增强储集层的渗透性能 超压还有助于深部储层次生孔隙度的保存和改善 上述原因导致深盆气储层中多发育富气的 甜点 异常压力对油气成藏的影响 研究较多的仍然是超压对油气成藏的影响 主要表现在以下几个方面 超压是烃类初次运移的动力 超压层可成为良好的盖层 超压可引起幕式排烃成藏 超压不仅影响油气生成的相态 而且会延缓烃源岩热演化生烃的进程 在上述研究的基础上提出 超压体系油气藏是未来油气勘探的重要方向之一 超压体系的划分 超压体系由封隔层 顶 底板 及其之间具有超压流体的储集层组成 不同成因的超压体系具有不同的油气成藏特征 孙冬胜等将库车坳陷的超压体系划分为深部超压体系和上部超压体系两类 并指出深部超压体系的形成与生烃作用关系密切 而上部超压体系的形成则是后期构造侧向挤压的结果 徐士林等在纵向上将库车坳陷中 新生界地层流体压力分为三个逐层升高的台阶式压力结构带 浅层正常压力带 压力过渡带和异常高压带 张卫海等将准噶尔盆地南缘古近系 新近系异常高压系统按封闭形式的不同分为滞排型和顶封滞排型 刘晓峰等提出储层超压流体系统的概念 包括压力封闭层 超压流体 岩石骨架和输导通道四个基本要素 赵靖舟则分不同的压力组合模式 并研究其与前陆盆地天然气成藏模式之间的关系 异常压力预测 限于技术方面的原因 国内在异常压力预测方面的研究相对较为薄弱 地震方面通过井约束反演数据体提取层速度 建立精确速度场 从井出发 应用傅里叶趋势分析求取正常压实趋势层速度 经过衍生Fillippone法计算压力系数 应用地震叠加速度谱求取层速度 建立对应剖面上深度与层速度之间的关系 然后将整个测线上的层速度数据以等值线图的形式显示在地震深度剖面上 探讨层速度与超压带之间的关系 地震 测井联合预测地层压力 异常压力预测 测井方面研究声波测井 补偿密度测井 电阻率测井及自然电位测井资料与异常压力地层的对应关系 与地震 钻井资料联合进行地层压力预测 随钻方面岩石强度法 根据钻井参数评估岩石强度 通过建立岩石强度与孔隙压力之间的关系模型 来预测地层压力 泥 页 岩密度法 通过随钻测量泥 页 岩的体积密度 建立与深度的关系图 根据趋势线的偏移情况预测异常地层压力 适用于欠压实地层 dc指数检测法 dc是压实指数 应用于欠压实成因的异常压力预测 解释方法与泥 页 岩密度法类似 Sigma录井法 根据钻井参数计算出的一个反映地层可钻性的指数 适用于粘土质地层 四 异常压力预测的发展趋势 异常地层压力的研究和预测是一项十分综合的技术 它不仅涉及到成藏动力学 流体动力学 石油地质学 构造地质学 测井地质学等理论学科 更涉及到盆地模拟 地震 测井 钻井 录井等勘探技术 单科技术的进步及相关技术的综合是其发展的必由之路 四 异常压力预测的发展趋势 随着异常地层压力与油气成藏关系研究的不断深入 异常压力预测将成为油气勘探的一项重要手段异常流体压力几乎是世界范围内含油气盆地的普遍现象 异常压力与油气聚集的关系不仅仅体现在它们空间上的联系 更体现在它们之间成生上的联系 异常压力的存在对油气的生成 运移和聚集产生了重要影响 如在深盆气方面 在北美地区深盆气藏研究中发现 其气层压力总是低于或高于区域静水压力 但也出现有正常压力的情况 这三种特征在鄂尔多斯盆地中也均有体现 纵观国内外深盆气藏的实例 时代较老的多具异常低压 而第三系的多具异常高压 异常压力过渡带是油气聚集的有利场所 这一规律提供了一个新的油气勘探方法 利用异常压力的分布 特别是超压顶界面的分布 来预测油气藏 四 异常压力预测的发展趋势 随着地震采集技术 地震处理技术 地震解释技术及计算机 三维可视化 虚拟现实技术的发展与联合 钻前异常地层压力的预测将更加准确 在未来 新的孔隙压力预测方法将仍然采用多元地震技术采集的S波数据 上覆岩层压力梯度和破裂梯度将用重 磁反演技术进行三维预测 叠前和叠后地震反演将提供更加精确的速度场评价 新的地震处理方法将利用速度的各向异性来准确预测孔隙压力和三维应力场 这些方法也将被应用于非碎屑岩的压力预测 提取的信息可用来预测油气藏内的构造超压 压力预测将成为盆地和圈闭含油气系统评价的标准工具 并指导油气勘探 在开发领域 孔隙压力预测将提供三维压力体系模型 这对有效的油藏模拟和油藏管理将是十分重要的 四 异常压力预测的发展趋势 SWD LWD MWD等随钻测井技术在国外开展的十分火热 国内也在陆续引进 这些技术将进一步提高随钻压力预测精度 与地表地震技术结合 可大大提高钻前压力预测精度 随钻测井技术发展的核心是将电缆测量方式成熟的技术改造成为随钻测量方式 经过发展的特殊声波技术 电磁波电阻率及核磁共振等测井新技术的加盟 以及与综合录井技术 地质导向钻井技术的结合 赋予了随钻测井技术强大生命力 随钻测井是在地层刚被钻开 钻井液侵入开始发生的条件下进行的 所得数据为地层参数真值 用于实时压力预测 其结果必将更加准确 斯伦贝谢公司开发的井眼成像技术 哈里伯顿公司研发的核磁共振新仪器等都在为应用于随钻测井做准备 新技术和成熟技术的不断加盟必将为随钻压力预测提供更加广阔的发展空间 四 异常压力预测的发展趋势 盆地模拟和异常压力成因 演化 预测等的建模技术将更加完善 更加简便 盆地模拟和数学建模技术是异常压力研究和预测的有效工具 国外一 二维盆地模拟技术已经成熟 并研制了许多软件被推广应用 目前 正在向三维发展 力求实现的定量化 动态化和可视化 纵观国内外异常压力预测模式 无一不是建立在相应的数学模型基础之上 异常压力的形成 发展 演化及其预测是复杂的 建立有效而简单的模型是其走向成功的关键 存在问题 通过对国内外研究现状的分析发现 国内在异常压力的成因机制 分布规律及其对油气成藏的影响方面与国外研究程度相当 主要差异表现在对孔隙压力与有效应力的关系研究方面 对临界孔隙度模型 页岩压实模型的建立方面以及对油气藏内异常压力的动 静态研究方面 在异常压力预测方面 国内外差距较大 主要原因是国外地震采集 处理和解释的手段以及SWD LWD MWD等随钻测井技术比较先进 另外还有VSP及井间地震技术的发展和参与 都大大提高了压力预测的先进性和准确性 而国内长期以来一直处在靠单一的相对落后的地震处理数据 地震与测井联合以及利用钻井工程参数进行预测的不理想状态 国内外共同的不足有 对异常低压的研究和预测不够深入 对异常压力过渡带内岩石物理特性参数的研究不够深入 异常压力预测研究较多的是沉积成因型的 而对成烃型和构造型成因的研究不够深入 五 异常高压的成因机制 地质压力主要遇到两个主要环境 近期挤压褶皱作用活跃的区域构造带和快速堆积形成的巨厚相对年轻的沉积体 所以 异常高压很大程度上依赖于沉积体的地质历史 异常高压形成的一个主要条件是沉积体中具有足够低的渗透性岩石 使得流体流出速度相对沉积体压力恢复速度而言小得可以忽略 因此 异常高压通常出现在以页岩为主的沉积环境 欠压实作用与异常高压的形成 异常高压段的取心常显示为一些未固结成岩的泥质沉积物 而它们上 下的沉积物则早已固结成岩 这表明压实程度的差异 是欠压实作用存在的强力证据 异常高压段通常具有较高的孔隙度 较小的声波传播速度 较低的体积密度和电阻率 在钻遇过程中表现为钻速的突然加快 平衡地层压力所需的钻井液密度增大等 欠压实作用与异常高压的形成 欠压实作用与异常高压的形成 Porestructuremodelsusedtocharacterizeshalebehavior Poreswithaspectratiosinthe0 001 0 1rangeundergomostrebound Higheraspectratioporesaretoorigid Crack likeporesaretooflexible Bowers 2001 欠压实作用与异常高压的形成 欠压实作用与异常高压的形成 欠压实作用与异常高压的形成 欠压实作用与异常高压的形成 欠压实作用与异常高压的形成 欠压实作用作为异常压力形成的主要机制 已被广大研究者所接受 并被许多超压盆地的勘探实践所证明 其研究程度也较高 统计资料表明 欠压实作用通常发生在快速沉积的厚层低渗透层序中 在沉积盆地中 通常只有沉积速率大于100m Ma才能发生欠压实作用 产生欠压实作用的