張勇剛，王紅平，王朝鋒，劉艷紅，龐 旭，左國平

（中國石油杭州地質(zhì)研究院，浙江杭州 310023）

超壓在世界范圍內(nèi)廣泛發(fā)育，幾乎在所有的地質(zhì)環(huán)境和年代地層中均可能存在。超壓的形成機(jī)制往往受多種因素共同控制，如不均衡壓實(shí)、生烴作用、水熱增壓、黏土礦物脫水、構(gòu)造應(yīng)力等。通常認(rèn)為，除強(qiáng)擠壓背景外，壓實(shí)不均衡和生烴作用是形成規(guī)模超壓的兩種主要機(jī)制[1]；也有學(xué)者認(rèn)為，相對(duì)新地層中，超壓的形成更多受快速沉積引起壓實(shí)不均衡的影響，比如美國墨西哥灣的諸多地區(qū)[2-4]、巴拉姆三角洲的前三角洲地帶等[5]；相對(duì)老的沉積盆地中（澳大利亞南部等），側(cè)向應(yīng)力則對(duì)超壓的形成起重要作用[6-7]。

對(duì)于地層壓力的預(yù)測，不論在勘探階段還是鉆井過程中，都具有重要意義：在勘探階段，對(duì)地層孔隙壓力的預(yù)測有助于探索流體運(yùn)移模式、評(píng)價(jià)蓋層封閉有效性等；在鉆井階段，鉆前地層壓力預(yù)測有助于指導(dǎo)鉆井泥漿的合理配備，使鉆進(jìn)過程達(dá)到最優(yōu)化，最大限度地減小工程對(duì)原狀地層的破壞，為人員安全提供保障，減少經(jīng)濟(jì)損失。

1 地層壓力預(yù)測方法

對(duì)勘探程度不同的盆地，所能獲取的資料類型不同，因此地層壓力的預(yù)測方法也會(huì)有所差別。一些最可靠的定量超壓檢測和評(píng)價(jià)技術(shù)是以地球物理電纜測井為基礎(chǔ)，但這些技術(shù)多數(shù)是已經(jīng)鉆開井孔獲得測井和實(shí)際測試資料，是一種“事后”技術(shù)。在實(shí)際的勘探開發(fā)過程中，鉆前進(jìn)行地層壓力預(yù)測，可以了解地下地層壓力狀況，降低鉆井工程風(fēng)險(xiǎn)。目前鉆前壓力預(yù)測通常采用的方法有經(jīng)驗(yàn)關(guān)系法（如Eaton 公式法、Bowers 公式法、Fillippone 公式法等）、等效深度法、有效應(yīng)力法等，總體來看，這些壓力預(yù)測方法基本上都是基于欠壓實(shí)成因機(jī)制。Eaton 公式法是目前比較常用的一種經(jīng)驗(yàn)關(guān)系法，既考慮了除壓實(shí)作用以外，其他高壓形成機(jī)制的作用，又總結(jié)和參考了鉆井實(shí)測壓力與各種測井信息之間的關(guān)系[9]。

Eaton（1976）改進(jìn)公式[10-11]利用的是孔隙壓力和其他幾個(gè)參數(shù)的冪指數(shù)關(guān)系，這種關(guān)系并不隨巖性或深度的變化而改變，其方法應(yīng)用前提是給出一個(gè)假定的沉積壓實(shí)條件，適用于砂泥巖層序：

式中：Pp為預(yù)測的孔隙壓力，MPa；Pob為靜巖壓力，MPa；Ph為正常的靜水壓力，MPa；V為實(shí)測地層速度，m/s；Vn為地層正常壓實(shí)時(shí)的速度，m/s；N為實(shí)驗(yàn)系數(shù)，通常為2～3。

地層壓力預(yù)測方法中的關(guān)鍵引入?yún)?shù)是地層速度資料，地層速度通常會(huì)隨深度增加而增加，但當(dāng)出現(xiàn)超壓帶時(shí), 常常伴隨有速度反轉(zhuǎn)特征，表現(xiàn)為低速異常響應(yīng)，這是預(yù)測超壓的理論基礎(chǔ)。地層速度資料的獲取來源主要是鉆井和地震，鉆井上可以從井筒的測錄井聲波數(shù)據(jù)獲得，地震上可以從 VSP資料、地震反演層速度和疊加速度譜獲取。VSP 資料是鉆后獲得，而海上鉆井少、成本高，資料比較有限；地震反演層速度在無井地區(qū)需要高精度的地震資料，而且最好能有鉆井約束，否則速度可靠程度不高，參考價(jià)值較低；地震疊加速度譜來源于地震資料處理，數(shù)據(jù)量較大且易于獲得，數(shù)據(jù)縱橫向采樣密度相對(duì)較高，整體上能反映速度的變化趨勢(shì)特征，因此，地震地層壓力預(yù)測中最常用的速度是地震疊加速度譜。在海域初探區(qū)，由于勘探技術(shù)有限、成本高昂等因素的限制，鉆井?dāng)?shù)量及資料的獲取往往不如陸上豐富，地震速度譜資料在地層壓力預(yù)測中便顯得更為重要，有效的地震速度譜資料可以用于確定層速度、檢測異常壓力地層的存在及頂界深度且能預(yù)測異常壓力的大小。對(duì)于少井區(qū)，先利用地震速度譜資料進(jìn)行初步的壓力預(yù)測，再利用鉆井資料進(jìn)行約束校正預(yù)測成果的可靠性；在無井區(qū)，則可運(yùn)用地震速度譜資料對(duì)地層壓力的變化趨勢(shì)做定性預(yù)測。

2 巖石物理參數(shù)與壓力變化響應(yīng)特征

地震速度的變化可能受到巖石多種地質(zhì)因素的影響，是這些因素共同作用的結(jié)果[12]，如果把低速異常作為超壓層的唯一地震響應(yīng)，會(huì)導(dǎo)致地震地層壓力結(jié)果具有多解性和近似性。基于地層壓力變化與巖石物理參數(shù)的響應(yīng)特征分析，需要尋找或引入對(duì)地層壓力具有敏感性的地震多屬性參數(shù)，排除其多解性并驗(yàn)證壓力計(jì)算結(jié)果的可靠性。上世紀(jì)90 年代以來，與巖石物性有關(guān)的一些地震屬性也開始進(jìn)入到鉆前壓力預(yù)測的研究中。美國斯坦福大學(xué)Prasad 和Meissner[13]通過實(shí)驗(yàn)得出以下結(jié)果：①飽含水砂巖的泊松比、橫波質(zhì)量因子與縱波質(zhì)量因子比值以及體積模量與剪切模量的比值均隨有效壓力的降低而增大；②縱、橫波頻率和振幅都隨有效壓力的減小而減小，但相比而言，橫波的頻率對(duì)壓力的變化更為敏感。澳大利亞科學(xué)研究院（CSIRO）Ciz. R[14]通過實(shí)驗(yàn)近似模擬了欠壓實(shí)成因超壓和流體體積膨脹兩種機(jī)制下飽和水砂巖的地震縱波速度、瞬時(shí)頻率隨有效應(yīng)力的變化規(guī)律，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：①地震縱波瞬時(shí)頻率隨著有效壓力的降低而降低；②欠壓實(shí)成因的超壓與流體體積膨脹成因的超壓均隨著有效壓力的減小而減小，速度的減小量和瞬時(shí)頻率的減小量可以近似為某種函數(shù)，但瞬時(shí)頻率對(duì)超壓的響應(yīng)表現(xiàn)得更為敏感。

當(dāng)前無井或少井地區(qū)的壓力預(yù)測主要采用的仍然是地震速度，但與巖石物理有關(guān)屬性與壓力的關(guān)系也不可忽視，以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，超壓帶可能對(duì)應(yīng)地震的低頻響應(yīng)特征，可對(duì)壓力計(jì)算結(jié)果進(jìn)行輔助約束表征。本次研究基于地震速度，采用經(jīng)驗(yàn)公式法對(duì)海上某區(qū)塊已鉆井剖面進(jìn)行壓力預(yù)測，預(yù)測結(jié)果與實(shí)鉆結(jié)果對(duì)比，并引入對(duì)異常壓力敏感的地震屬性參數(shù)，對(duì)預(yù)測結(jié)果進(jìn)行輔助驗(yàn)證。

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 研究區(qū)概況

M 區(qū)塊為勘探新區(qū)，位于緬甸西海岸若開海域，孟加拉灣盆地的東部，水深小于100 m。孟加拉灣盆地的形成與岡瓦納大陸的裂解及之后印度板塊與歐亞板塊和緬甸板塊的碰撞作用有關(guān)，其構(gòu)造演化可以分為裂谷期（石炭紀(jì)/二疊紀(jì)-早白堊世）、漂移期（早白堊世-中始新世）、早期碰撞期（中始新世-漸新世）和晚期碰撞期（中新世-第四紀(jì)）。根據(jù)區(qū)域構(gòu)造特征，將孟加拉灣盆地分為三個(gè)構(gòu)造區(qū)帶：西部穩(wěn)定陸架區(qū)、中央盆地區(qū)和東部若開（Rakhine）褶皺帶，M 區(qū)塊位于中央盆地區(qū)和東部若開褶皺帶的過渡區(qū)。研究區(qū)已完成二維地震資料的采集和處理，已鉆井1 口。盆地基底為洋殼，為印度洋洋殼的一部分，推測基底埋深超過12 000 m，始新統(tǒng)-全新統(tǒng)主要為陸源沉積地層。

研究區(qū)內(nèi)的一口鉆井 W1 井原計(jì)劃完鉆井深為3 000 m，但實(shí)際鉆進(jìn)過程中由于鉆速太慢且鉆遇異常高壓發(fā)生井涌的緣故而提前完鉆。圖1 為W1 井泥漿比重、孔隙壓力與深度的關(guān)系，從圖中可以看出，深度900 m 以上泥漿比重基本維持在1.10 g/cm3左右，即地層為常壓；自井深約900 m 開始至約1 050 m，泥漿開始發(fā)生氣侵，泥漿比重增大到1.22 g/cm3；在井深約1 050 m 處，鉆速快速增大，泥漿發(fā)生強(qiáng)烈氣侵，泥漿比重增大到1.30 g/cm3后往下鉆進(jìn)3 m，井內(nèi)仍繼續(xù)溢流，將泥漿比重增大到1.60 g/cm3，最終為了阻止氣體流入，泥漿比重被調(diào)配到1.67 g/cm3，在打一個(gè)水泥塞之后泥漿比重降低到1.47 g/cm3，此時(shí)仍有少量的氣侵，為了安全起見，重新鉆進(jìn)的時(shí)候?qū)⒛酀{比重逐步提高到1.76 g/cm3，鉆進(jìn)過程中鉆速又突然增大，泥漿中氣體增加，泥漿比重被提高到1.82 g/cm3，后經(jīng)測試此處真實(shí)的地層壓力梯度為0.018 MPa/m，到達(dá)完鉆深度時(shí)，泥漿比重增至2.03 g/cm3。分析可知，該井約900 m 以上為正常壓力地層，900 m 以下地層發(fā)育異常高壓。

圖1 W1 井泥漿比重、孔隙壓力與破裂壓力關(guān)系

3.2 測井和地震速度預(yù)測地層壓力

因該區(qū)僅有一口鉆井，從井上僅能得到某個(gè)點(diǎn)上的縱向壓力信息，為獲得或預(yù)測全區(qū)的地層壓力分布情況，需要引入地震層速度，充分利用其橫向覆蓋密度大的特點(diǎn)，并以已鉆井中途測試數(shù)據(jù)（DST）和地層完整性測試數(shù)據(jù)（FIT）進(jìn)行刻度，對(duì)壓力計(jì)算公式中的實(shí)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行微調(diào)，探索無井或少井地區(qū)地層壓力預(yù)測方法的可行性。

圖2 W1 井地震速度、對(duì)比地層壓力與DST 實(shí)測壓力關(guān)系

通過 W1 井聲波測井速度與該井點(diǎn)附近地震測線層速度對(duì)比，可以看出由淺至深地震速度總體變化趨勢(shì)與測井速度基本吻合，約深度800 m 處二者均出現(xiàn)速度反轉(zhuǎn)現(xiàn)象，但地震速度的精度明顯低于聲波測井速度（圖2a）。為了消除巖性對(duì)速度的影響，對(duì)聲波測井速度按砂巖和泥巖進(jìn)行過濾分選，然后分別運(yùn)用砂、泥巖測井速度和地震速度采用 Eaton經(jīng)驗(yàn)公式法計(jì)算地層壓力。計(jì)算結(jié)果與鉆井中途測試（DST）結(jié)果對(duì)比（圖2b），以測井速度分巖性計(jì)算的地層壓力與實(shí)測結(jié)果吻合度很高，而地震速度可以指示相對(duì)變化趨勢(shì)，但精度相對(duì)較低。值得注意的是，從測井速度的計(jì)算結(jié)果來看，W1 井在井段1 000～1 200 m 砂巖的孔隙壓力比中間所夾泥巖段要高，一般情況下砂巖生成自源異常高壓的情況很少，砂巖中的異常高壓一般源自附近的高壓泥巖：經(jīng)過長時(shí)間的地質(zhì)歷史時(shí)期，高壓泥巖中的異常高壓會(huì)通過各種形式向附近地層釋放，最終達(dá)到一種動(dòng)態(tài)平衡，而平衡的結(jié)果一般是泥巖與砂巖地層壓力一致或泥巖地層壓力稍高于砂巖地層壓力。這說明中新世的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)有可能將深部超壓通過斷裂等途徑轉(zhuǎn)移到孔隙滲透性砂巖中，而周圍的泥巖因?yàn)榭紫抖扔邢?，承接轉(zhuǎn)移壓力的大小也有限，導(dǎo)致砂巖壓力高于周圍泥巖壓力。參考W1 井的正常壓實(shí)趨勢(shì)，采用Eaton經(jīng)驗(yàn)公式法計(jì)算過W1井剖面的地層壓力系數(shù)。從地層壓力系數(shù)剖面（圖3）分析，W1 井點(diǎn)附近從下上新統(tǒng)開始出現(xiàn)地層超壓，到中上中新統(tǒng)，壓力系數(shù)主要為1.4～1.6，但其下部有一個(gè)很明顯的強(qiáng)超壓倉，倉內(nèi)壓力系數(shù)超過1.6，下中新統(tǒng)底部也有一個(gè)近似的強(qiáng)超壓倉。壓力系數(shù)分布與 W1 井聲波測井曲線所計(jì)算的地層壓力結(jié)果基本吻合，較為可靠。W1 井左側(cè)約3 000 m 向左，中上上新統(tǒng)和下上新統(tǒng)中發(fā)育強(qiáng)超壓，至下部地層反而壓力系數(shù)減小； W1 井右側(cè)約1 500 m 向右，在下上新統(tǒng)和中上中新統(tǒng)中發(fā)育幾個(gè)獨(dú)立的強(qiáng)超壓倉，由于這兩側(cè)均沒有鉆井，難以證實(shí)其超壓倉存在的可信度。

3.3 地震屬性約束預(yù)測壓力可信度

圖3 Eaton 經(jīng)驗(yàn)公式法計(jì)算的壓力系數(shù)剖面

由于約束井點(diǎn)較少，在離井點(diǎn)距離相對(duì)較遠(yuǎn)或地層埋深更深時(shí)，未有新井鉆探前難以確定地層壓力估算結(jié)果的可信度，因此，需要考慮引入其他的約束參數(shù)對(duì)地層壓力作輔助表征，以期用多手段聯(lián)合最大限度驗(yàn)證異常壓力結(jié)果的可靠性。

圖4 過W1 井測線提取瞬時(shí)頻率剖面特征

在有地震資料的情況下，獲得各種地震屬性是最直接便利的手段，前文研究認(rèn)為，地震瞬時(shí)頻率對(duì)壓力的變化響應(yīng)較敏感，因此，對(duì)過 W1 井附近的地震測線提取地震瞬時(shí)頻率（圖4a）,從圖上可知，在 W1 井兩側(cè)的中上上新統(tǒng)和下上新統(tǒng)地層中基本為中高頻響應(yīng)，未見明顯大范圍的低頻特征，但井點(diǎn)到斷層范圍附近，這兩套地層處的瞬時(shí)頻率屬性相對(duì)兩側(cè)有明顯變低，頻率的降低可能是由于斷層附近地層較破碎或深部異常壓力以斷層為通道泄壓所致。圖4b 為W1 井點(diǎn)瞬時(shí)頻率剖面的局部放大圖，與分巖性計(jì)算地層壓力的結(jié)果一致，較高壓力的砂巖對(duì)應(yīng)的地震瞬時(shí)頻率較低，較低壓力的泥巖對(duì)應(yīng)的地震瞬時(shí)頻率較高，即地震頻率與地層壓力之間存在一定的相關(guān)系。通過地震瞬時(shí)頻率為約束參數(shù)對(duì)地層壓力預(yù)測結(jié)果作輔助表征，可以確定 W1 井左右兩側(cè)外帶存在的強(qiáng)超壓倉可信度較低，而 W1井至斷裂帶范圍地層局部存在超壓的可信度較高，該參數(shù)雖然不能獨(dú)立判定地層壓力是否異常，但作為一種約束參數(shù)是可行的。

4 結(jié)論

（1）地震資料用于地層壓力預(yù)測時(shí)，地震層速度可用于地層壓力量化預(yù)測和計(jì)算，超壓帶可能對(duì)應(yīng)地震低頻響應(yīng)，可對(duì)壓力計(jì)算結(jié)果可信度進(jìn)行輔助約束表征。

（2）地層壓力預(yù)測過程中采用多元多信息平臺(tái)獲取高精度層速度，同時(shí)結(jié)合多種地震屬性預(yù)測地層壓力將是未來的主流趨勢(shì)，但目前超壓對(duì)應(yīng)地震低頻響應(yīng)的機(jī)理尚不統(tǒng)一，有待進(jìn)一步研究論證。