張永華，陳 祥，張 悅，杜 偉，趙雨晴*

(1.中國石化河南油田分公司，河南 鄭州 450000；2.中國石油大慶油田有限責(zé)任公司，黑龍江 大慶 163000)

0 引 言

地層壓力是地層內(nèi)部能量的反映，是推動(dòng)油氣在儲層中流動(dòng)的動(dòng)力。因此，地層壓力與油氣的生成、運(yùn)移和聚集有密切的關(guān)系，特別是由于構(gòu)造運(yùn)動(dòng)與沉積環(huán)境的變化，造成局部地區(qū)目的層異常高壓是油氣勘探開發(fā)過程中必須關(guān)注的問題[1-3]。研究地層壓力特別是異常壓力的成因與分布，對于深入研究含油氣盆地油氣的生成、運(yùn)移、成藏過程具有重要的指導(dǎo)作用。目前，針對地層壓力預(yù)測的主要方法有依據(jù)井筒的測井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測以及利用地震速度數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測[4-5]。由于測井資料是對地層的直接測量，因此，使用測井資料比使用地震速度數(shù)據(jù)預(yù)測地層壓力精度高，但由于受鉆井資料限制，在沒有測井資料的井段和地區(qū)無法進(jìn)行地層壓力預(yù)測；雖然地震資料分布均勻，但用地震速度譜求取層速度等參數(shù)受多種因素影響，預(yù)測精度較低。

泌陽凹陷是南襄盆地的次級構(gòu)造單元，地層壓力的分布趨勢是中部深凹區(qū)相對較高，凹陷四周相對較低，總體上異常高壓欠發(fā)育，但在富含油氣的巖性圈閉區(qū)域存在異常高壓。因此，開展地層壓力研究有利于發(fā)現(xiàn)新的巖性油氣藏。在分析凹陷壓力形成機(jī)制的基礎(chǔ)上，利用單井的測井信息與高精度三維地震的速度信息，通過地震波形指示反演方法，將縱向分辨率高的測井資料和空間數(shù)據(jù)豐富的高精度三維地震資料有機(jī)結(jié)合起來，既提高了反演數(shù)據(jù)體垂向分辨能力，又提高了空間的數(shù)據(jù)預(yù)測能力，獲得精度較高的地層層速度信息，根據(jù)層速度與地層孔隙壓力關(guān)系計(jì)算地層壓力，對深凹區(qū)的地層壓力進(jìn)行預(yù)測。

1 異常壓力形成機(jī)制

泌陽凹陷深凹區(qū)目的層核三段地層以泥巖、泥質(zhì)粉砂巖為主，流體儲集層處于一種封閉的環(huán)境中。異常地層壓力的成因是沉積、生烴、構(gòu)造作用的綜合結(jié)果。

1.1 沉積作用

泌陽凹陷在目的層核三段為快速沉降、快速充填期，形成了大套泥頁巖及砂泥薄互層[6-9]。凹陷中南部核三上段沉降、沉積速度快，沉積了較厚的泥質(zhì)巖層和砂泥巖薄互層。沉積速率過快，會導(dǎo)致排水能力減弱。為了維持壓力平衡，核三段上段沉積的70～160 m厚層泥巖、3～6 m的砂泥巖薄互層，與來自北部三角洲厚度為20 m左右的砂層相接觸，受地層載荷作用，厚層泥巖、砂泥巖薄互層的孔隙水通過與其接觸且滲透性好的厚砂層排出?？紫端懦鲈斐膳c其接觸的厚砂層的孔隙度和滲透率迅速降低而形成致密帶，阻滯了厚層泥巖層與砂泥巖互層內(nèi)部孔隙流體的順利排出，從而造成厚層泥巖與砂泥巖互層的局部地區(qū)呈現(xiàn)欠壓實(shí)狀態(tài)，產(chǎn)生局部異常高壓。

1.2 生烴作用

泌陽凹陷主力烴源巖主要集中在核桃園組，發(fā)育典型褐色油頁巖、褐色—褐灰色泥巖、黑色泥巖、頁巖、含砂夾層的頁巖等。在核三3段沉積時(shí)期發(fā)育一套較厚的泥頁巖，厚度為40～340 m。有機(jī)質(zhì)以Ⅰ、Ⅱ型為主，地溫梯度高(0.041 ℃/m)，烴源巖成熟門限淺，約為1 500 m左右，大量生烴階段的頂界埋深為1 700 m[10-11]。在沉積地層進(jìn)入生油門限后，烴源巖開始生油，隨著油氣大量的生成，孔隙流體發(fā)生膨脹，在橫向上受斷層及非滲透性巖性阻擋，造成局部地層壓力增加。

1.3 構(gòu)造作用

受凹陷南部邊界斷裂活動(dòng)的影響，在凹陷內(nèi)部產(chǎn)生拉張或局部水平擠壓應(yīng)力，造成差異沉降，形成斷裂、微幅度、滑脫等構(gòu)造。在差異沉降過程中，局部地區(qū)由于保持前期地層的封閉系統(tǒng)，當(dāng)垂向有效應(yīng)力增大或減小時(shí)，對應(yīng)地層孔隙壓力仍為前期深度的壓力，變化后所在深度的壓力與正常壓力不一致，形成壓力異常。

2 地層壓力預(yù)測原理

由彈性波動(dòng)力學(xué)可知，地震波在地層中傳播的速度(地震層速度)是地層有效應(yīng)力和孔隙度的函數(shù)[12-13]，與地層結(jié)構(gòu)、孔隙間流體性質(zhì)、物性特征有關(guān)。在正常沉積地層中，隨著埋藏深度加大，地層的壓實(shí)程度不斷增加，造成地層孔隙度逐漸減小，地震層速度隨著深度的增加而不斷增大。若某一深度地層為異常高壓，則該處孔隙度比相同深度處正常沉積的孔隙度高，地震層速度表現(xiàn)為相對低值。根據(jù)層速度的變化即可以預(yù)測地層壓力分布。

Fillippone等[14]提出了不依賴正常壓實(shí)趨勢線的計(jì)算公式，在墨西哥灣和北海等地的實(shí)際應(yīng)用中取得了良好的效果。依據(jù)井筒資料與地震資料，求得層速度，根據(jù)地震波層速度與地層孔隙壓力關(guān)系計(jì)算地層壓力[15-19]，其公式如下：

(1)

vmax=1.4v0+3Kt

(2)

vmin=0.7v0+0.5Kt

(3)

v0=vr-Kt0

(4)

K=(vr-vr0)/(t-t0)

(5)

D=0.23vi0.25

(6)

式中：pA為地層壓力，MPa；vi為第i層的層速度，m/s；vmax為最大層速度，是巖層有效孔隙度近于零時(shí)的縱波速度，m/s；vmin為最小層速度，是地層孔隙流體的速度，m/s；D為地層平均密度，kg/m3；H為地層埋藏深度，m；g為重力加速度，m/s2；t0、t分別為地層頂、底界面雙程旅行時(shí)間，ms；vr0、vr分別為地層頂、底界面均方根速度，m/s。

3 異常壓力預(yù)測實(shí)例

3.1 研究區(qū)概況

泌陽凹陷屬于南襄盆地的次級構(gòu)造單元，為一南深北淺的箕狀凹陷。泌陽凹陷自北向南可分為北部斜坡帶、中部深凹區(qū)和南部陡坡帶3個(gè)構(gòu)造單元。深凹區(qū)構(gòu)造簡單，斷裂不發(fā)育，局部構(gòu)造受基底起伏的控制，以發(fā)育向斜為主。泌陽凹陷成盆史經(jīng)歷了晚白堊世初始斷陷期、古近紀(jì)主斷陷期、新近紀(jì)坳陷期3個(gè)發(fā)展期。古近紀(jì)主斷陷期是泌陽斷陷的主要成盆期，古近紀(jì)玉皇頂組、大倉房組沉積時(shí)期為強(qiáng)烈斷陷階段，古近紀(jì)核桃園組三段、二段沉積時(shí)期為穩(wěn)定斷陷階段，為一套暗色泥巖夾薄層粉砂巖、細(xì)砂巖為主的湖相沉積，分布范圍廣，是斷陷內(nèi)主要生、儲油層段。核三段是最主要勘探目的層系，核三段又細(xì)分為8個(gè)亞段，由下至上分別為核三8段—核三1段，其中，核三8段—核三5段稱為核三下段，核三4段—核三1段稱為核三上段。泌陽凹陷物源豐富，砂體發(fā)育，具有典型陸相伸展斷陷盆地的多物源、快速堆積的特征。其中，核桃園組核三段為主要勘探目的層系，經(jīng)過四十余年勘探開發(fā)，資源發(fā)現(xiàn)率達(dá)到68.3%。下一步的勘探目標(biāo)主要是深凹區(qū)及其周緣的巖性、斷層-巖性油藏[20-27]。

深凹區(qū)既是凹陷的沉降、沉積中心，同時(shí)也是凹陷的生油中心，有機(jī)質(zhì)豐度高、生油母質(zhì)類型好，生油巖熱演化程度適中，且生油開始早，具有供油時(shí)期長、油源充足的優(yōu)越條件。同時(shí)深凹區(qū)為多物源交匯部位，為大套泥巖與砂泥巖薄互層發(fā)育區(qū)，北部三角洲砂體與南部扇三角洲砂體配置易形成巖性、斷層-巖性及砂泥巖薄互層油藏。為了進(jìn)一步指導(dǎo)巖性油藏勘探工作，利用高精度三維地震速度信息、鉆井的聲波測井曲線，通過波形指示反演獲得研究區(qū)的速度體，采用基于Fillippone 法預(yù)測地層壓力，對深凹區(qū)主要目的層段的壓力進(jìn)行預(yù)測，尋找油氣富集區(qū)，分析評價(jià)巖性圈閉。

3.2 層速度的求取

應(yīng)用Fillippone法進(jìn)行壓力預(yù)測時(shí)，精細(xì)的層速度預(yù)測是提高壓力預(yù)測精度的關(guān)鍵。為了準(zhǔn)確獲得層速度，采用波形指示反演的方法進(jìn)行速度預(yù)測。以高精度三維地震數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對主要目的層段的主頻進(jìn)行分析，提取準(zhǔn)確的時(shí)變子波，并在VSP測井速度標(biāo)定，制作合成記錄，準(zhǔn)確獲得單井的地層速度。用精細(xì)的構(gòu)造解釋建立多井初始阻抗模型，采用波形指示反演得到波阻抗。獲得波阻抗數(shù)據(jù)體后，利用Garden公式分離得到層速度體，其結(jié)果與測井速度吻合。圖1為利用三維地震速度譜資料求得的層速度與井震反演技術(shù)求得的層速度剖面對比圖(圖中T52、T53分別為核三段的頂部反射層和底部反射層)。由圖1可知，由于應(yīng)用了泌陽深凹區(qū)測井的速度信息，通過井震反演得到層速度數(shù)據(jù)體更能精細(xì)地反映地下速度的變化。

3.3 地層壓力預(yù)測

求取泌陽凹陷深凹區(qū)層速度數(shù)據(jù)體后，利用式(1)獲得地層壓力數(shù)據(jù)體，再以高精度三維地震資料解釋的主要目的層反射層位為基礎(chǔ)，制作地層切片，預(yù)測研究區(qū)目的層段地層壓力的空間分布。將井點(diǎn)處預(yù)測的地層壓力與實(shí)測地層壓力對比可知：B354井點(diǎn)預(yù)測地層壓力為37.00 MPa，壓力系數(shù)為1.28，實(shí)測地層壓力為35.65 MPa，壓力系數(shù)為1.31，二者誤差在3%以內(nèi)，表明該預(yù)測方法具有較好的適用性。同時(shí)，預(yù)測的地層異常壓力分布與油氣分布也有一定的聯(lián)系，結(jié)合研究區(qū)的地質(zhì)、層速度、構(gòu)造等資料，可以較好地指示出油氣運(yùn)移通道和聚集的有利分布區(qū)。

圖2為預(yù)測的地層壓力剖面圖，由圖2可知，地層壓力隨深度增加而增大。由核三3段中部地層壓力平面圖(圖3)可以看出，地層壓力較大的地區(qū)分布在深凹區(qū)的中南部B163—B100—B96井區(qū)，該區(qū)是生油巖主要發(fā)育區(qū)，也是沉積、沉降中心，地層高壓與生烴+負(fù)載復(fù)合增壓因素有關(guān)，預(yù)測的壓力變化趨勢與凹陷的沉積環(huán)境及構(gòu)造背景具有一致性。

圖1 三維地震速度譜與井震反演層速度剖面對比

圖2 東西向地層壓力預(yù)測剖面

圖3 核三3段中部地層壓力

圖4為地層壓力系數(shù)與構(gòu)造疊合圖。由圖4可知，核三3段預(yù)測的地層壓力系數(shù)總體表現(xiàn)為南高北低、東高西低。地層壓力分布并非嚴(yán)格受深度的控制，同時(shí)還受到沉積物性、地層結(jié)構(gòu)及構(gòu)造背景的影響。在凹陷南部邊界斷裂附近、B114、B1及B354井區(qū)出現(xiàn)局部較高壓區(qū)。因?yàn)樵谀喜窟吔鐢嗔迅浇貙勇裆畲?，烴源巖厚度大，為壓力較大地區(qū)。而在邊界斷裂帶附近的B403井區(qū)為一常壓區(qū)，因?yàn)樵谠摼浇l(fā)育了一個(gè)北西向的逆斷層，造成壓力系統(tǒng)的泄壓。

圖4 核三3段中部地層壓力系數(shù)與構(gòu)造疊合

總體來說，泌陽凹陷深凹區(qū)是相對高流體勢中心，有利于油氣向凹陷四周高部位運(yùn)移，形成環(huán)狀油氣分布。

在凹陷斜坡帶與深凹區(qū)的過渡帶發(fā)育砂巖透鏡體、砂巖薄互層等巖性油藏。B354井在核三3段中部2 761.4～2 777.9 m為異常高壓區(qū)，發(fā)育砂巖透鏡體油藏，鉆井在該層段獲得自噴原油127.5 t/d。B114井在核三3段中部2 573.0～2 584.8 m為一異常高壓區(qū)，發(fā)育砂巖薄互層油藏，鉆井在該層段獲得自噴原油45.1 t/d、氣2 463 m3/d。預(yù)測在B100與B96井南部與邊界斷裂之間是巖性圈閉富含油氣地區(qū)。

4 結(jié) 論

(1)對泌陽凹陷地層壓力形成機(jī)理進(jìn)行研究，明確產(chǎn)生異常壓力的主控因素，認(rèn)為泌陽凹陷異常壓力主要與泥巖快速沉降作用及有機(jī)質(zhì)生烴裂解、構(gòu)造作用有關(guān)。

(2)分析目的層段的異常壓力的分布區(qū)與油氣藏的關(guān)系，預(yù)測在B100井與B96井南部與邊界斷裂之間是巖性圈閉富含油氣地區(qū)有利目標(biāo)區(qū)。