胡益濤 陳 沛 劉世寧

(①中法渤海地質(zhì)服務(wù)有限公司湛江分公司；②中海石油(中國)有限公司湛江分公司)

0 引 言

鶯-瓊盆地是鶯歌海盆地與瓊東南盆地的合稱，位于我國南海，屬第三紀(jì)沉積盆地。鶯歌海盆地發(fā)育在古紅河斷裂帶上，盆地分為鶯東斜坡、鶯西斜坡及中央坳陷三個一級構(gòu)造，其中中央坳陷從北到南又分為河內(nèi)凹陷、臨高低凸起、鶯歌海凹陷、中建凸起四個二級構(gòu)造單元。瓊東南盆地位于海南島東南，西以Ⅰ號大斷層與鶯歌海盆地分界，東與珠江口盆地的神狐隆起相接，南與西沙隆起毗鄰，北枕海南隆起區(qū)。盆地面積約為4.5×104km2，最大沉積厚度12 km以上，總體上呈北東向延伸。鶯歌海盆地是獨特的超壓高溫盆地，平均地溫梯度高達4.25℃/100 m，壓力系數(shù)最高可達2.3，勘探開發(fā)難度巨大[1-2]。近年來，中海石油湛江分公司隨鉆壓力監(jiān)測技術(shù)團隊在鶯-瓊盆地相繼進行了50余口井的高溫高壓井作業(yè)。實踐發(fā) 現(xiàn)，由于盆地內(nèi)發(fā)育區(qū)域性的特殊地質(zhì)構(gòu)造，使得地層壓力的成因呈現(xiàn)多樣化，給隨鉆地層壓力監(jiān)測工作帶來了嚴(yán)峻的考驗。本文對在鶯-瓊盆地實施隨鉆地層壓力監(jiān)測的地質(zhì)難點進行分析，并提出應(yīng)對措施，以期為下一步隨鉆地層壓力監(jiān)測工作起到指導(dǎo)作用。

1 鶯-瓊盆地隨鉆地層壓力監(jiān)測難點

1.1 底辟構(gòu)造易造成地層薄弱帶及儲集層他源高壓

作為鶯歌海盆地的主要特征，底辟構(gòu)造發(fā)育對盆地油氣藏的形成起著極為重要的作用，對盆地地層壓力的分布也起著重要的作用。在鶯歌海盆地由于底辟造成的地層薄弱帶和他源高壓無法從壓力指示參數(shù)反映出來，使得監(jiān)測的難度加大，成為在該盆地實施地層壓力監(jiān)測的一大難點所在。

鶯歌海盆地邊界斷層的右旋走滑控制了近南北向區(qū)域張應(yīng)力方向。當(dāng)?shù)貙訅毫咏蜻_到地層破裂壓力時，地層沿主張應(yīng)力方向發(fā)生破裂, 流體和部分塑性泥巖通過破裂向上釋放，形成底辟。因此，鶯歌海盆地的底辟作用是在古近系斷層不發(fā)育的構(gòu)造格架下，盆地快速沉降和細粒沉積物充填引起的強超壓和邊界斷層長期右旋走滑控制的區(qū)域張應(yīng)力共同作用的結(jié)果，底辟活動使上覆地層發(fā)生變形，從而在盆地沉降中心形成圈閉；同時,晚期的底辟活動優(yōu)先繼承早期底辟活動過程中的水力破裂面，多期底辟活動形成了斷面不規(guī)則斷距較小但分布密集的斷層，構(gòu)成流體(包括油氣)快速垂向運移的主要通道，而這垂向運移的通道也恰好為他源高壓的產(chǎn)生提供了必要的條件[3-4]。

1.2 斷裂構(gòu)造對超壓的分布起著決定性作用

在鶯-瓊盆地，斷裂活動對超壓的分布起著至關(guān)重要的作用，在油氣運聚過程中，斷層起著傳壓和泄壓的雙重不確定性作用。無論是傳壓還是泄壓，從壓力指示參數(shù)上均很難準(zhǔn)確識別，成為該地區(qū)實施地層壓力監(jiān)測的難點之一。

1.2.1 斷裂傳壓作用

斷裂傳壓作用具體表現(xiàn)形式為：淺層常壓，隨著埋深逐漸增加，壓力也開始逐漸增加。但與傳統(tǒng)欠壓實結(jié)構(gòu)不同，當(dāng)鉆遇目的層砂層時，存在高壓“突變”界面，并不是緩慢增加，且該高壓層速度并未明顯降低，dc指數(shù)也無明顯變化，與超壓沒有明顯響應(yīng)關(guān)系。作為鶯-瓊盆地分界的Ⅰ號斷裂，垂向發(fā)育終止于鶯歌海組、黃流組下部，上部發(fā)育著巨厚的區(qū)域性的泥質(zhì)蓋層。據(jù)統(tǒng)計，在該區(qū)鉆探的Y 13-1-1等6口井鶯黃組上部地層孔隙流體壓力為正常靜水壓力，黃流組下部和梅山組泥巖地層則呈現(xiàn)異常高壓，且該區(qū)斷層下降盤超壓現(xiàn)象比上升盤更普遍，超壓值比上升盤更高，這是由于該斷層封閉性較好，流體壓力未得到較好的釋放[5-6]。在剖面上出現(xiàn)了異常高壓囊，也是由于該區(qū)泥質(zhì)巖發(fā)育，斷層活動性偏弱，流體壓力未及時排泄而導(dǎo)致。在鉆井過程中發(fā)現(xiàn)該區(qū)塊鉆井難度非常大，復(fù)雜井況時有發(fā)生，目的層壓力系數(shù)均超過2.0，實際壓力的大小和預(yù)測值相差較大，具有很強的不可預(yù)測性。

1.2.2 斷裂泄壓作用

斷裂泄壓作用主要是指砂巖地層在原生模式下是自源型高壓模式，但后期由于構(gòu)造運動形成斷裂式通道，使得體系中滲透性好的富砂層中的流體隨著構(gòu)造通道向上運移，砂層中的流體通過構(gòu)造通道與淺層流體或地表水相連，形成相對低壓地層。其壓力結(jié)構(gòu)特征表現(xiàn)形式為淺層常壓，隨著埋深增加地層壓力開始逐漸增大，在富砂層段內(nèi)由于砂體通過斷裂形成泄壓現(xiàn)象，因此地層壓力減小，表現(xiàn)出明顯反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)特征。過了富砂層后隨著埋深的繼續(xù)增加地層壓力又開始逐漸增大，為“兩段式”壓力結(jié)構(gòu)。壓力指示參數(shù)在常壓井段和壓力上升井段均能很好地反映地層壓力的變化情況，一一對應(yīng)關(guān)系明顯，但當(dāng)進入泄壓地層后，三種壓力指示參數(shù)會出現(xiàn)明顯的分異，導(dǎo)致計算結(jié)果無法很好地反映地層壓力的真實信息。

1.3 瓊東南中央水道區(qū)地層壓力不確定性大

中新世末以來，瓊東南盆地西部地區(qū)發(fā)育了許多下切谷和水道，主要發(fā)育在陸坡地區(qū)，陸架區(qū)也有下切特征。盆底軸向大型下切谷和重力流體系，認(rèn)為由泥石流沉積、濁積水道-天然堤復(fù)合體及海相泥巖等組成，是典型的侵蝕型水道，是在海平面明顯下降期侵蝕下切，隨后在海進時期被充填形成的，它們沿陸架斜坡前緣帶平行于岸線發(fā)育，形成壯觀的環(huán)帶狀下切谷和重力流體系[7-8]。該水道被命名為“瓊東南中央水道”(圖1)。由于該水道強大的下切作用，易形成地層的不整合面，使得地層泄壓或傳壓成為常態(tài)，甚至出現(xiàn)過同一口井在不同的砂體出現(xiàn)泄壓和傳壓的兩種特性，但從鉆井參數(shù)上根本無法反映出來，成為在該地區(qū)實施地層壓力監(jiān)測的又一個地質(zhì)難點。

圖1 瓊東南盆地中央水道發(fā)育區(qū)

2 應(yīng)對措施

為了應(yīng)對上述在鶯-瓊盆地實施隨鉆地層壓力監(jiān)測的難點，通過不斷的探索和總結(jié)，目前初步形成了加強鉆前分析、鉆中預(yù)監(jiān)測及引入中途VSP測井進行鉆頭前壓力預(yù)測的應(yīng)對措施，這些措施在隨鉆壓力監(jiān)測實鉆作業(yè)中取得了良好的效果，可用于指導(dǎo)鶯-瓊盆地高溫高壓井隨鉆壓力監(jiān)測。

2.1 深化對鉆前區(qū)域的地質(zhì)認(rèn)識

異常壓力的形成與地層沉積環(huán)境和區(qū)域構(gòu)造密不可分，單井的壓力情況并非孤立存在，其與整個區(qū)域的地質(zhì)構(gòu)造情況密切相關(guān)。因此，在鉆前必須加強對區(qū)域地質(zhì)特性的認(rèn)識，從地震、鄰井等數(shù)據(jù)中尋求與正鉆井壓力相關(guān)信息，分析壓力成因及大致變化情況。

LT 31井距LT 19井12.1 km，距LT 26井23 km，低部位毗鄰昌南、樂東8-1底辟，并且位于撓曲坡折帶之下，廣泛發(fā)育溝源斷裂及海底扇砂體。目的層為黃一段A、B、C三套砂體。鉆前根據(jù)對比井位信息及所處構(gòu)造位置分析：在近斜坡區(qū)，周邊已鉆井中LT 26井更靠近斜坡，其聲波速度在黃流組目的層為3 800～4 000 m/s，地層壓力較低；而LT 19井遠離斜坡，其聲波速度在黃流組目的層為3 000～3 100 m/s，地層壓力系數(shù)高達2.2。由此可見，越遠離斜坡帶，地層壓力越高。LT 31井位于兩者之間，鉆前結(jié)合地震資料及LT 19、LT 26井聲波速度刻畫2條過井點層速度譜，位于LT 19和LT 26井聲波速度之間，根據(jù)兩條層速度初步預(yù)測目的層地層壓力系數(shù)為2.00～2.10，實鉆該井聲波速度低于預(yù)測層速度，目的層壓力系數(shù)為2.15(圖2)。

2.2 探索異常壓力成因的有效識別

異常高壓的形成原因眾多，但無論對于何種形式的異常高壓，從根本上看，其形成均具備兩個前提：孔縫空間與孔隙流體；封存流體的良好封閉環(huán)境。在此基礎(chǔ)上，異常高壓的形成條件可表示為：

ΔVf/ΔVP>1

(1)

式中：ΔVP為地層中的孔縫空間體積；ΔVf為地層中的孔隙流體體積。

當(dāng)孔隙流體體積變化大于孔縫空間體積變化，就產(chǎn)生了異常高壓，這是形成異常高壓的根本原因，通常存在三種情況：孔縫空間體積變?。挥行碌牧黧w增加到原孔隙中；原有孔隙流體出現(xiàn)體積膨脹。

對于異常高壓成因從作用來源角度可分為自源超壓、鄰源超壓和他源超壓三種類型，從原始沉積加載過程力學(xué)關(guān)系角度可分為符合原始加載機制、再次加載機制、卸載機制、孔隙度基本不變4種類型。判斷超壓成因的方法主要有測井曲線組合分析法、Bowers法、聲波速度與密度交會圖法、孔隙度對比法、壓力計算反推法和綜合分析法[9]。

筆者收集了2010-2016年鶯歌海盆地東方、樂東區(qū)塊及瓊東南盆地崖城、陵水區(qū)塊33口井的數(shù)據(jù)，最終根據(jù)各區(qū)塊異常高壓對于測錄井?dāng)?shù)據(jù)的響應(yīng)規(guī)律，推薦目標(biāo)區(qū)塊異常高壓形成機制判別方法如下。

(1)采用測井曲線組合法隨鉆識別，隨時觀察聲波時差、電阻率、密度和dc指數(shù)的變化規(guī)律：若均明顯偏離趨勢線，則判斷為加載型；若密度基本不偏離，聲波時差偏離較小，則判斷為卸載型。

(2)采用聲波速度與密度交會圖法進行隨鉆二次解釋，將獲得的有效聲波速度和密度繪制交會圖，若符合加載曲線，為加載型，反之為卸載型，若處于兩者間則為加載+卸載型。

(3)鉆后測壓驗證，根據(jù)有效應(yīng)力法，結(jié)合測壓數(shù)據(jù)，繪制有效應(yīng)力與聲波速度的交會圖，若符合加載曲線則為加載型，反之為卸載型，處于兩者間則為加載+卸載型。

(4)地質(zhì)分析最終驗證。按照上述識別步驟，最終形成鶯-瓊盆地主要探區(qū)地層異常高壓成因識別成果表(表1)。

2.3 優(yōu)選模型和參數(shù)實施壓力預(yù)監(jiān)測

隨鉆過程中廣泛應(yīng)用的地層壓力監(jiān)測方法主要有等效深度法、經(jīng)驗系數(shù)法、Eaton法和Bowers法，常用測錄井壓力指示參數(shù)主要有聲波時差、電阻率、密度及dc指數(shù)。為了探究各壓力監(jiān)測方法及參數(shù)在鶯-瓊盆地的適用性并探索區(qū)域性最優(yōu)模型和參數(shù)，筆者收集了2010-2016年期間鶯歌海盆地東方區(qū)塊、樂東區(qū)塊及瓊東南盆地崖城區(qū)塊、陵水區(qū)塊29口井的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，選擇了目前應(yīng)用最為廣泛的4種地層壓力監(jiān)測方法，結(jié)合地層異常高壓成因類型，分別對不同方法、不同指示參數(shù)的適用性進行分析，并給出了不同區(qū)塊、不同井、不同地層在使用不同方法、不同數(shù)據(jù)進行地層壓力監(jiān)測時的經(jīng)驗參數(shù)及預(yù)測精度。

2.3.1 等效深度法

目標(biāo)區(qū)內(nèi)聲波時差、電阻率、密度僅有少數(shù)井進行全井段測井，且無法找到等效深度，而dc指數(shù)進行了全井段監(jiān)測，且可找到等效深度點，但將dc指數(shù)用于等效深度法對不同異常壓力類型的地層壓力監(jiān)測平均誤差高于37%(圖3)。

圖2 LT 31井井位信息及其聲波特征與鄰井聲波特征對比

表1 鶯-瓊盆地主要探區(qū)異常高壓成因識別成果

2.3.2 經(jīng)驗系數(shù)法

為研究經(jīng)驗系數(shù)法在鶯-瓊盆地的適用性，分別統(tǒng)計了鶯歌海盆地東方區(qū)塊、樂東區(qū)塊以及瓊東南盆地崖城區(qū)塊、陵水區(qū)塊實測地層壓力與Δt/Δtn、Rn/Ro、Den/De、dcn/dc的數(shù)據(jù)，并繪制了相關(guān)圖板(圖4)。

根據(jù)分析結(jié)果可知，4個區(qū)塊聲波時差、電阻率、密度和dc指數(shù)值與地層壓力的相關(guān)性都很差，說明該方法無論采用何種測錄井?dāng)?shù)據(jù)對鶯-瓊盆地的地層壓力進行監(jiān)測都會產(chǎn)生較大的誤差。

圖3 等效深度法對不同壓力成因的適用性分析

圖4 經(jīng)驗系數(shù)法對參數(shù)的適用性分析

2.3.3 Eaton法

根據(jù)實測地層壓力、ECD數(shù)據(jù)和鉆井情況確定了不同區(qū)塊、不同地層、不同井的壓力指示參數(shù)的趨勢線和Eaton指數(shù)，同時將地層壓力計算結(jié)果與實測地層壓力進行對比。分別對加載型、卸載型、卸載后加載型、加載+卸載型高壓中聲波時差、電阻率、密度和dc指數(shù)的監(jiān)測誤差進行了對比，發(fā)現(xiàn)以下結(jié)果(圖5)。

(1)Eaton模型對加載型高壓監(jiān)測精度最高，誤差基本在5%以下；對卸載后加載型高壓監(jiān)測精度最低，誤差多在10%～25%。

(2)對加載型高壓，聲波時差和密度數(shù)據(jù)監(jiān)測精度最高，電阻率數(shù)據(jù)最差。

(3)對卸載型高壓，同一測點各數(shù)據(jù)監(jiān)測精度相差不大。

圖5 Eaton法對不同壓力成因的適用性分析

(4)對卸載后加載型高壓，聲波時差數(shù)據(jù)監(jiān)測精度最高。

(5)對加載+卸載型高壓，聲波時差和密度數(shù)據(jù)監(jiān)測精度最高。

2.3.4 Bowers法

該方法采用垂直效應(yīng)力與聲波速度之間的原始加載及卸載曲線方程直接計算垂直有效應(yīng)力，利用有效應(yīng)力定理確定孔隙壓力，因此不需要建立正常趨勢線，其主要分為加載和卸載兩個曲線方程[10]。

加載曲線方程：

V=V0+AσevB

(2)

式中：V為聲波速度，ft/s(1 ft=0.3048 m，下同)；σev為垂直有效應(yīng)力；V0、A、B為模型參數(shù)，由鄰井?dāng)?shù)據(jù)V，σev(σev由實測地層壓力或正常壓實段數(shù)據(jù)獲得)回歸求得。

卸載曲線方程：

V=V0+A[σmax(σ/σmax)1/U]B

(3)

(4)

式中：σmax、Vmax分別為卸載開始時的最大垂直有效應(yīng)力和聲波速度；U為泥頁巖彈塑性系數(shù)。

由于卸載曲線中，密度變化很小，無法反映地層壓力變化，本方法主要采用聲波時差數(shù)據(jù)計算地層壓力。根據(jù)成壓機制判斷結(jié)果、實測地層壓力、ECD數(shù)據(jù)和鉆井情況確定不同區(qū)塊、不同地層、不同井需要選用的加卸載模式及不同模式下的經(jīng)驗參數(shù)，同時將地層壓力計算結(jié)果與實測地層壓力進行對比?；诼暡〞r差數(shù)據(jù)，將Bowers法監(jiān)測的鶯歌海盆地東方、樂東區(qū)塊及瓊東南盆地崖城、陵水區(qū)塊29口井的地層壓力，分別與自源型、他源型、泄壓型高壓中Bowers法與Eaton法的監(jiān)測誤差進行對比后發(fā)現(xiàn)(圖6)：

(1)對加載型和加載+卸載型高壓，Eaton模型的計算精度明顯高于Bowers模型。

(2)對卸載型和卸載后加載型高壓，Eaton模型和Bowers模型計算精度相差不大，Bowers模型略優(yōu)于Eaton模型。

(3)Bowers參數(shù)選擇難度較大，Eaton法也可進行非欠壓實成因壓力計算。

2.4 引入中途VSP測井進行地層層位及壓力預(yù)測

鉆前壓力預(yù)測所使用的速度值一般來自地震速度譜或三維地震體反演，由于受到地震資料分辨率和精度的影響，獲得的地層速度與實際地層速度有一定的誤差。近年來，隨著鶯歌海盆地高溫高壓項目的持續(xù)推進，鉆探難度越來越大，局部地質(zhì)構(gòu)造和地層壓力體系也越來越復(fù)雜，鉆前的層位和壓力預(yù)測均與實鉆存在較大差異，亟需引入精度更高的技術(shù)解決鉆頭前方探視的問題。

隨鉆過程利用VSP 垂直地震剖面資料的特殊性及其在速度和精度方面的優(yōu)越性，可以獲得已鉆地層精確的層速度，準(zhǔn)確標(biāo)定各地震反射層對應(yīng)的地質(zhì)層位，并利用先進的算法完成未鉆地層速度的反演計算，進而對地層壓力預(yù)測進行隨鉆更新。

Y 31井設(shè)計井深超過5 000 m，目的層壓力系數(shù)在1.83～1.86之間，井底溫度超200℃，屬典型的超高溫高壓井，可有效參考的鄰井資料較少，作業(yè)窗口窄、風(fēng)險高。為了更準(zhǔn)確地標(biāo)定地層深度，預(yù)測地層孔隙壓力，優(yōu)化套管下深，精細作業(yè)計劃，降低作業(yè)風(fēng)險，鉆至4 250 m進行中途VSP測井，以VSP資料為基礎(chǔ)時深關(guān)系，利用隨鉆聲波資料進行合成地震記錄標(biāo)定，井震匹配好(圖7)。對三亞組一段次要目的層A和B砂體進行深度預(yù)測時，提前預(yù)測4 549 m深度存在高壓砂巖(表2)，決定在4 545 m鉆開砂巖前中完下9-5/8"(244.475 mm)套管，規(guī)避了在壓力作業(yè)窗口不足的情況下揭開高壓砂體的安全風(fēng)險。

圖6 Bowers法對不同壓力成因的適用性分析

圖7 Y 31井VSP速度與實鉆聲波對比

表2 Y 31井預(yù)測層位與實測層位對比

3 應(yīng)用效果分析

針對南海西部高溫高壓重難點井隨鉆壓力監(jiān)測難點，從2017年開始，通過實施以上應(yīng)對措施形成的隨鉆壓力綜合評價技術(shù)，除了使用常規(guī)方法進行計算外，還充分考慮地層壓力成因分析、參數(shù)可靠性分析及優(yōu)選、計算模型優(yōu)化及優(yōu)選、電性參數(shù)合理應(yīng)用等措施，建立一套綜合地層壓力評價方法，使得地層壓力監(jiān)測手段不再單一。實施應(yīng)對措施后隨鉆壓力監(jiān)測精度、穩(wěn)定性穩(wěn)步提高，從90%提高至95%以上。

4 結(jié)束語

在鶯-瓊盆地壓力監(jiān)測實踐中認(rèn)識到，該區(qū)地層壓力成因復(fù)雜，不確定因素多，監(jiān)測難度極大。分析認(rèn)為在以下三種情況下，傳統(tǒng)壓力指示參數(shù)難以有效反映壓力的變化：一是多期底辟活動造成流體溝通而形成的他源高壓；二是由于斷層對流體的溝通，而引起的傳壓或泄壓；三是水道下切作用，形成地層不整合面，而引起的泄壓或傳壓。

通過不斷探索與總結(jié)，初步形成了應(yīng)對措施如下：一是加強鉆前區(qū)域地質(zhì)認(rèn)識，摸清區(qū)域壓力成因及大致變化情況；二是利用測錄井響應(yīng)識別壓力成因；三是根據(jù)不同壓力成因選擇最優(yōu)參數(shù)進行壓力監(jiān)測計算；四是引入中途VSP測井進行鉆頭前地層層位及壓力預(yù)測。