巫芙蓉 周詩雨 鄧小江 楊 曉 黃 誠 蔣 波 王小蘭 王 夢 李陽靜

中國石油東方地球物理公司西南物探研究院

0 引言

地應(yīng)力場在斷層裂縫活動評價、井壁穩(wěn)定、井位設(shè)計(jì)等方面發(fā)揮著重要的作用[1-2]。在其預(yù)測過程中，要面對一個關(guān)鍵問題，即如何構(gòu)建高精度的孔隙壓力場。作為油氣藏基礎(chǔ)參數(shù)的孔隙壓力，它在地應(yīng)力場預(yù)測[3]中具有非常重要的作用?？紫秹毫Φ念A(yù)測精度將直接影響到地應(yīng)力場的預(yù)測精度，同時也是地應(yīng)力場中最小主應(yīng)力值的下限值。

通過分析四川盆地頁巖氣區(qū)塊鉆井實(shí)測孔隙壓力數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，該區(qū)的孔隙壓力系數(shù)具有以下特點(diǎn)：①橫向變化大，相鄰兩井之間的孔隙壓力系數(shù)差值大，最大可達(dá)到1.1；②區(qū)域之間雖然相互連通，但卻存在著不同的壓力區(qū)域，既有低壓地區(qū)、也有高壓地區(qū)；③縱向穩(wěn)定，根據(jù)巖石物理實(shí)驗(yàn)、鉆井和測井?dāng)?shù)據(jù)，整個頁巖氣儲層段孔隙壓力系數(shù)在縱向上沒有大的波動。

孔隙壓力可以通過隨鉆預(yù)測灰色模型加以預(yù)測[4]，但是所獲得的結(jié)果只是井點(diǎn)處的孔隙壓力，沒有辦法獲得平面結(jié)果。目前在實(shí)際生產(chǎn)中，對四川盆地頁巖氣孔隙壓力系數(shù)的分布主要通過以下兩種方法得到：①直接根據(jù)井測試數(shù)據(jù)插值得到，但精度低，人為主觀因素影響大；②根據(jù)目的層埋藏深度得到。研究發(fā)現(xiàn)，四川盆地頁巖儲層壓力系數(shù)與其埋藏深度具有較為明顯的正相關(guān)關(guān)系，作為川南CN地區(qū)重要的頁巖氣井N201、N211等井，簡單地采用前期生產(chǎn)中壓力系數(shù)與埋深的關(guān)系（y=1.6348lnx-11.276，R2=0.7647），計(jì)算的壓力系數(shù)預(yù)測誤差達(dá)到30%左右，孔隙壓力誤差絕對值介于12～13 MPa。由此可見，利用壓力系數(shù)與埋深關(guān)系求取的孔隙壓力精度較低，不利于頁巖氣“甜點(diǎn)”區(qū)的準(zhǔn)確圈定及后續(xù)地應(yīng)力場的研究，因而有必要對孔隙壓力進(jìn)行精準(zhǔn)的預(yù)測。

一般認(rèn)為孔隙度與有效應(yīng)力之間存在著一定的關(guān)系。孔隙度可通過縱波速度加以計(jì)算，而通常情況下有效應(yīng)力可約等于垂直主應(yīng)力與孔隙壓力之差[5]。因此大部分的地球物理測井孔隙壓力預(yù)測方法中[6～8]（Eaton、Bowers、Phillipphone方法等），都基于縱波速度越低、孔隙度越大、有效應(yīng)力越低、孔隙壓力越大這一假設(shè)，利用縱波速度求解孔隙壓力。各類常規(guī)的基于縱波速度的方法，如Eaton、Bowers、Phillipphone法在上述地區(qū)的應(yīng)用都存在著一定的局限性。根據(jù)前面所述，四川盆地頁巖氣區(qū)塊孔隙壓力系數(shù)具有橫向變化大、縱向穩(wěn)定的特征。采用上述方法在進(jìn)行預(yù)測時，橫向和縱向預(yù)測值域無法協(xié)調(diào)：若要滿足橫向的壓力系數(shù)變化，則縱向上會出現(xiàn)大幅度的壓力系數(shù)波動；若要滿足縱向上的壓力系數(shù)變化穩(wěn)定，則橫向的壓力系數(shù)變化值域又無法滿足壓力系數(shù)變化范圍。因此，需要尋求新的孔隙壓力經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式。

為此，筆者基于四川盆地頁巖氣區(qū)塊的構(gòu)造背景，綜合分析速度、巖性、構(gòu)造作用等因素對孔隙壓力的影響，并利用測井、巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)、地震構(gòu)造解釋以及疊前同時反演數(shù)據(jù)，形成了一套地震約束下的多因素孔隙壓力和孔隙壓力系數(shù)預(yù)測方法，以期為后續(xù)頁巖氣“甜點(diǎn)”區(qū)選擇、井位部署、水平應(yīng)力參數(shù)預(yù)測等提供更高質(zhì)量的數(shù)據(jù)支持。

1 蜀南頁巖氣田地質(zhì)概況

中石油頁巖氣田主要分布在蜀南WY、CN等地區(qū)，WY建產(chǎn)區(qū)主要位于WY構(gòu)造東南斜坡（圖1），即W201—W204井區(qū)，由于受加里東構(gòu)造運(yùn)動的影響，WY構(gòu)造西北方向?yàn)榧永飽|古剝蝕區(qū)，古剝蝕線呈北東向展布。

CN建產(chǎn)區(qū)主要分布在CN構(gòu)造西南斜坡和向斜區(qū)域，即N206南—N201井一帶，CN地區(qū)由于受喜山期構(gòu)造運(yùn)動的影響形成CN構(gòu)造核部的現(xiàn)今剝蝕區(qū)。由WY至LZ再到CN地區(qū)，龍馬溪組埋藏深度表現(xiàn)為逐漸變深再變淺的變化規(guī)律。地層厚度有如下特點(diǎn)：由WY地區(qū)至LZ再到CN地區(qū)，地層厚度逐漸增大再減??；WY地區(qū)龍馬溪組地層向西北方向逐漸減薄甚至缺失，地層厚度變化快且大，CN地區(qū)地層厚度較LZ地區(qū)薄，但是地層厚度較穩(wěn)定（圖1）。從構(gòu)造平面圖和剖面圖可知，WY和CN頁巖氣主體開發(fā)區(qū)構(gòu)造整體較簡單，LZ地區(qū)構(gòu)造較復(fù)雜，斷層縱向斷開層位、斷距、規(guī)模較大（圖1）。

2 蜀南頁巖氣孔隙壓力影響因素分析

如前所述，大部分的地球物理測井孔隙壓力預(yù)測方法都是通過孔隙度與有效應(yīng)力之間的關(guān)系來搭建縱波速度與孔隙壓力之間的關(guān)系，即以縱波速度為基礎(chǔ)進(jìn)行計(jì)算。但對于四川盆地頁巖氣，縱波速度的變化受到了除孔隙壓力以外的其他因素影響。同時，孔隙壓力本身也不僅僅與縱波速度有關(guān)。根據(jù)該地區(qū)的測井、巖石力學(xué)數(shù)據(jù)以及地質(zhì)背景研究發(fā)現(xiàn)，對于四川盆地頁巖氣而言，斷裂發(fā)育情況、巖性、剝蝕作用是除速度以外影響孔隙壓力預(yù)測的3大因素。

2.1 斷裂發(fā)育情況

圖1 WY—LZ—CN地區(qū)地震反射剖面圖

四川盆地經(jīng)歷的多期構(gòu)造運(yùn)動形成了埋藏、抬升、斷裂和褶皺等多種作用，這些作用造成了頁巖氣的聚集與散失[9]。不同構(gòu)造部位決定了斷裂發(fā)育程度有所差異。蜀南鄰近盆地邊緣地區(qū)，大斷層發(fā)育，構(gòu)造核部斷層往往切穿頂?shù)装宓貙?，向上切至須家河組甚至地表，造成頁巖氣的垂向逸散，壓力系數(shù)低，保存條件差。如盆地邊緣YB構(gòu)造核部大斷裂發(fā)育，Y201井壓力系數(shù)1.1；CN地區(qū)的H9平臺、ZT地區(qū)的YS107井，也由于臨近大斷層，壓力系數(shù)分別為0.9和1.0。由盆地邊緣到盆地內(nèi)部，斷層發(fā)育程度有所減弱，壓力系數(shù)逐漸升高，保存條件逐漸變好。因此，不同構(gòu)造部位斷裂發(fā)育程度不同，斷裂發(fā)育程度又影響了地層壓力系數(shù)，同時影響頁巖氣的保存條件。

針對斷裂發(fā)育對孔隙壓力系數(shù)的影響，可選擇斷層斷裂分類的方法進(jìn)行考慮。根據(jù)四川盆地頁巖氣區(qū)開發(fā)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，切穿不同層位的斷層對壓力系數(shù)影響不一，大致可兩類：①從龍馬溪組目的層切穿地表的斷層，2 km范圍內(nèi)壓力系數(shù)基本變?yōu)槌?；②從龍馬溪組切至二疊系或下三疊統(tǒng)的斷層，通常在700 m范圍內(nèi)，壓力系數(shù)有一定的降低。同時在該區(qū)域內(nèi)，也存在油氣泄漏的風(fēng)險。因此，在進(jìn)行井位部署時，應(yīng)盡量避開這兩類區(qū)域。

2.2 巖性

根據(jù)測井資料顯示，四川盆地頁巖氣儲層底均顯示為高聲波時差，低縱波速度的特點(diǎn)（圖2）。根據(jù)地球物理孔隙壓力預(yù)測理論，應(yīng)該會相應(yīng)出現(xiàn)孔隙壓力明顯升高的情況[5]。但根據(jù)鉆井液密度數(shù)據(jù)反應(yīng)，從下二疊統(tǒng)底至龍馬溪組的孔隙壓力系數(shù)基本不變。從測井?dāng)?shù)據(jù)來看，龍馬溪組的孔隙度保持了相對穩(wěn)定，反而是伽馬曲線出現(xiàn)了明顯升高的情況。四川盆地頁巖氣儲層段高自然伽馬強(qiáng)度被認(rèn)為是頁巖氣中干酪根的函數(shù)[10]，即與地層巖性有關(guān)。

圖2 WY地區(qū)某井測井曲線與鉆井壓力系數(shù)剖面

顯然，四川盆地頁巖氣儲層段縱波速度的明顯降低，并不是僅僅由于孔隙壓力增大導(dǎo)致的，還有巖性變化引起的縱波速度降低。因此，在預(yù)測孔隙壓力時，需要將巖性的變化考慮在其中。

2.3 剝蝕作用

在加里東運(yùn)動時期，四川盆地形成了樂山龍女寺古隆起，表現(xiàn)川西地區(qū)整體缺失石炭系、志留系，WY地區(qū)位于樂山龍女寺古隆起軸線的邊緣，志留系地層遭受了不同程度的剝蝕。CN構(gòu)造核部在喜山期遭遇了強(qiáng)烈剝蝕，核部出露上寒武統(tǒng)地層，由核部至向斜依次出現(xiàn)寒武系、奧陶系、志留系、二疊系、三疊系甚至侏羅系。通過對WY和CN地區(qū)現(xiàn)有頁巖氣井壓力系數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，儲層段壓力系數(shù)不僅與離剝蝕線（古剝蝕線、現(xiàn)今剝蝕線）的距離有關(guān)，還與目的層埋藏深度有關(guān)。隨著志留系剝蝕程度的增加，如果離剝蝕線距離較近，縱然井的埋深較大，其下二疊統(tǒng)底至龍馬溪組底部的孔隙壓力系數(shù)仍然會顯著低于其他相似埋藏深度的井。即在埋深、聲波時差、儲層物性均相近的情況下，越靠近剝蝕區(qū)，壓力系數(shù)也相應(yīng)越低。剝蝕作用會導(dǎo)致應(yīng)力卸載、流體逸散，致使孔隙壓力降低，而孔隙度僅會發(fā)生微小的恢復(fù)，此時反映孔隙度的縱波速度就無法完全反映孔隙壓力[11]。因此在四川盆地頁巖氣壓力系數(shù)預(yù)測中，需要結(jié)合區(qū)塊的地質(zhì)背景，根據(jù)具體情況考慮剝蝕作用對壓力系數(shù)的影響。

3 改進(jìn)的孔隙壓力預(yù)測方法

孔隙壓力的計(jì)算一般基于垂直主應(yīng)力和有效應(yīng)力：

式中pp表示孔隙壓力，MPa；pe表示有效應(yīng)力，MPa；Sv表示垂直主應(yīng)力，MPa；α表示Biot系數(shù)；可用泊松比σ求得[7]：

式中vp表示疊前同時反演縱波速度，m/s；vs表示疊前同時反演橫波速度，m/s。

基于地震約束進(jìn)行地質(zhì)建模和屬性建模，并對建模所得密度體進(jìn)行壓力積分計(jì)算，即可得到上覆地層壓力，可近似認(rèn)為等于Sv。

pe與縱波速度和巖性相互影響，可通過建立三參數(shù)關(guān)系模型進(jìn)行求解：

1）由于目前四川盆地缺少針對頁巖氣有效應(yīng)力與縱波速度關(guān)系的實(shí)驗(yàn)研究，因此在這里，我們參考式（4）的Eaton法、式（5）的Bowers法、式（6）的Phillipphone法的函數(shù)形式，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行進(jìn)一步擴(kuò)展。

式中Sv表示上覆地層壓力，MPa；pw表示靜水壓力，MPa；vnormal表示正常趨勢線上的縱波速度，m/s；c表示伊頓指數(shù)；vw表示地震波在水中的縱波速度，m/s；A，B表示常數(shù)；vmax，vmin分別表示目標(biāo)層位內(nèi)最大最小縱波速度，m/s；vint表示目標(biāo)層位層速度，m/s。

2）引入巖性變化指示因子。對自然伽馬測井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行歸一化后，將其作為表征地層巖性變化的指示因子Li，引入孔隙壓力的預(yù)測中。至此，有效應(yīng)力則表征為了縱波速度和巖性變化指示因子的函數(shù)：

3）基于式（4）～（7），設(shè)計(jì)6組非線性回歸實(shí)驗(yàn)（表1），并求解其相關(guān)系數(shù)，優(yōu)選相關(guān)系數(shù)最高的表達(dá)式作為有效應(yīng)力的回歸關(guān)系式。

表1 非線性回歸實(shí)驗(yàn)變量設(shè)計(jì)表

通過多地區(qū)數(shù)據(jù)進(jìn)行試驗(yàn)表明，四川盆地頁巖氣儲層一般采用式（8）的有效應(yīng)力與孔隙壓力的關(guān)系式，可取得較好預(yù)測效果：

式中A1、A2、A3表示回歸系數(shù)，為常數(shù)值。

4）引入剝蝕強(qiáng)度因子D，對孔隙壓力系數(shù)進(jìn)行校正。不同地區(qū)的剝蝕強(qiáng)度表征方法略有不同，如地層厚度、剝蝕厚度、距離剝蝕線距離等，具體應(yīng)結(jié)合區(qū)塊地質(zhì)背景進(jìn)行確定。在WY地區(qū)，由于加里東古構(gòu)造運(yùn)動剝蝕作用造成的志留系厚度變化明顯，因此，在該區(qū)塊采用剝蝕厚度表征剝蝕強(qiáng)度；然而在CN地區(qū)小范圍內(nèi)，志留系厚度變化不甚明顯，則采用離喜山期剝蝕線的距離作為剝蝕強(qiáng)度的表征。引入剝蝕強(qiáng)度后，對孔隙壓力系數(shù)做二次校正，則函數(shù)式表達(dá)為：

通過多元擬合實(shí)驗(yàn)，相關(guān)性最高的表達(dá)形式為線性表達(dá)式：

其中，B1、B2、B3為回歸系數(shù)，為常數(shù)值。

5）基于式（8）～（12），整理最終得到的孔隙壓力系數(shù)表達(dá)式為：

4 疊前同時反演體

用于壓力預(yù)測的速度有多種方法求取。通過地震資料處理然后利用Dix公式求取地層層速度[12-13]；通過鉆井資料擬合速度與深度的關(guān)系求取速度[14]；也可以通過反演方法獲得層速度[15-16]。為了獲得細(xì)節(jié)更加豐富、精度更高的孔隙壓力預(yù)測結(jié)果，本次研究我們利用疊前同時反演得到高精度縱橫波速度體以及密度體作為孔隙壓力預(yù)測的輸入數(shù)據(jù)。為了保證成果的可靠性，在進(jìn)行疊前同時反演時特別注重過程和結(jié)果的嚴(yán)格質(zhì)控（圖3）。

圖3 疊前同時反演各階段質(zhì)控圖

在角道集分組時，如果用于同時反演的角道集分組個數(shù)較少，疊前同時反演所利用的疊前地震信息也較少，會影響反演穩(wěn)定性。如果用于同時反演的角道集個數(shù)過多，會降低每組數(shù)據(jù)的信噪比。以WY地區(qū)道集數(shù)據(jù)為例，該地區(qū)角道集目的層入射角范圍在0°～42°，道集數(shù)據(jù)信噪比較高。因此，為增強(qiáng)疊前AVO反演的穩(wěn)定性，得到穩(wěn)定的密度反演體，適當(dāng)增加了角道集分組數(shù)量。故將角道集分為7組來開展反演研究，即0°～6°、6°～12°、12°～18°、18°～ 24°、24°～ 30°、30°～ 36°與 36°～ 42°，并提取隨角度變化的地震統(tǒng)計(jì)子波。所得到的速度和密度剖面如圖4、5所示。

圖4 WY地區(qū)縱波速度反演連井剖面

圖5 WY地區(qū)密度反演連井剖面

5 應(yīng)用實(shí)例與應(yīng)用效果

在進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用時，選擇了地震約束下的孔隙壓力建模方法，以構(gòu)造模型為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)多學(xué)科數(shù)據(jù)的一體化整合?；谏疃扔虻臉?gòu)造解釋成果、疊前同時反演成果、測井?dāng)?shù)據(jù)、巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，共同構(gòu)建地質(zhì)模型、彈性參數(shù)模型及巖性力學(xué)模型。圖6為WY某區(qū)的孔隙壓力預(yù)測模型。

WY地區(qū)斷裂不發(fā)育，因此可以不考慮斷層的影響。根據(jù)該地區(qū)的實(shí)鉆數(shù)據(jù)可以得到：A1=0.429 6，A2=0.455 8，A3=13.97，B1=0.139 8，B2=0.610 6，B3=2.678。該地區(qū)的儲層段壓力系數(shù)與地層厚度存在顯著關(guān)系，因此采用地層厚度來表征剝蝕強(qiáng)度因子D。針對龍馬溪組中部地層，B2C'p項(xiàng)（縱波速度與巖性）權(quán)重約占50%左右，B3D（剝蝕作用）權(quán)重約占40%，B1權(quán)重在10%以下。

圖6 WY連片某地區(qū)孔隙壓力預(yù)測模型圖

WY井區(qū)實(shí)測的孔隙壓力系數(shù)從0.92（低壓區(qū)）一直變化至1.96（高壓區(qū)）（表2），平面上壓力系數(shù)變化范圍大，且存在從低壓區(qū)至高壓區(qū)的過渡。若采用Eaton法則需要進(jìn)行壓力分區(qū)，而該區(qū)域儲層連通，無明顯的壓力邊界。若采用Bowers或者Phillipphone法，則會出現(xiàn)要么無法覆蓋平面上壓力系數(shù)的值域，要么在縱向上壓力系數(shù)波動劇烈。

而采用改進(jìn)的孔隙壓力預(yù)測方法，在平面上，通過對WY井區(qū)8口井（驗(yàn)證井W70井、W8井）進(jìn)行計(jì)算，龍馬溪組的實(shí)測孔隙壓力系數(shù)與預(yù)測孔隙壓力系數(shù)的平均絕對誤差為0.04以內(nèi)，相對誤差在4.35%以內(nèi)，預(yù)測效果較好。

表2 WY地區(qū)驗(yàn)證井地層壓力系數(shù)預(yù)測誤差表

從縱向預(yù)測結(jié)果來看，常規(guī)方法所預(yù)測（以Phillipphone法為例）在縱向上的預(yù)測結(jié)果數(shù)值波動巨大，在P1l～O3w的范圍內(nèi)壓力系數(shù)值從1.0變動至2.5以上。而新方法中由于引入了巖性指示因子，相同層段所預(yù)測的孔隙壓力系數(shù)數(shù)值基本保持穩(wěn)定（圖7），這與梁山組（P1l）至龍馬溪（O3w）組實(shí)測壓力系數(shù)趨于較穩(wěn)定的地質(zhì)認(rèn)識是一致的，說明本文的預(yù)測結(jié)果更加可靠。

按WY區(qū)塊技術(shù)思路，根據(jù)CN區(qū)塊數(shù)據(jù)分析可得，A1=0.156，A2=0.455 8，A3=-13.97，B1=-3.135，B2=2.13，B3=-0.043 66。其儲層段壓力系數(shù)與距離CN剝蝕區(qū)的距離顯現(xiàn)顯著關(guān)系，因此采用距離剝蝕區(qū)的距離來表征剝蝕強(qiáng)度因子D。與原CN地區(qū)孔隙壓力預(yù)測結(jié)果相比，不僅平面上細(xì)節(jié)變化更豐富，所預(yù)測的結(jié)果也更合理，更符合該地區(qū)的實(shí)測結(jié)果（表3）。

圖7 孔隙壓力預(yù)測方法在WY地區(qū)的應(yīng)用效果對比圖

表3 CN地區(qū)驗(yàn)證井地層壓力系數(shù)預(yù)測誤差表

CN井區(qū)7口井（驗(yàn)證井N7井），實(shí)測孔隙壓力系數(shù)與預(yù)測孔隙壓力系數(shù)的平均絕對誤差為0.06以內(nèi)，相對誤差在3.50%以內(nèi)，預(yù)測效果較好。

6 結(jié)論

1）針對四川盆地目前下二疊統(tǒng)底至龍馬溪組底的孔隙壓力和孔隙壓力系數(shù)分布特征，提出了考慮縱波反演速度、巖性變化、剝蝕程度的孔隙壓力預(yù)測方法。

2）與該地區(qū)常用的井插值求孔隙壓力系數(shù)的方法相比，本文中改進(jìn)的孔隙壓力預(yù)測方法所得結(jié)果預(yù)測精度更高，也更符合地質(zhì)認(rèn)識。與僅考慮縱波速度的傳統(tǒng)預(yù)測方法相比，該方法不僅在平面上能夠保證孔隙壓力系數(shù)預(yù)測精度，同時在縱向上也能保持壓力系數(shù)的穩(wěn)定，在四川盆地的應(yīng)用效果具有較為明顯的優(yōu)勢，為后續(xù)的地應(yīng)力預(yù)測和分析工作提供了良好的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。