王智瑞

(中海油田服務(wù)股份有限公司 物探事業(yè)部，天津 300451)

1 引 言

在油氣勘探過程中，地層孔隙壓力是油氣聚集，分布及運(yùn)移至關(guān)重要的參數(shù)之一，孔隙壓力的準(zhǔn)確預(yù)測能夠有效提高探井的成功率。在鉆井工程當(dāng)中，泥漿比重以孔隙壓力系數(shù)作為重要的參考依據(jù)，因此能否準(zhǔn)確預(yù)測地層孔隙壓力，直接影響到鉆井全程，甚至能夠決定鉆井的成敗。隨著勘探目標(biāo)由淺層向深層擴(kuò)展，在鉆井過程中遇到異常高壓的風(fēng)險(xiǎn)事件越來越多，很多石油勘探學(xué)者也開始更加重視地層孔隙壓力預(yù)測方法的開發(fā)和利用。

在20世紀(jì)初期，已經(jīng)開始有學(xué)者提出異常地層壓力是導(dǎo)致井眼垮塌，井漏及井噴等鉆井事故的主要因素之一，甚至危及到生命財(cái)產(chǎn)安全，但是當(dāng)時(shí)幾乎沒有相關(guān)工作的開展和研究。Hottman等(1965)提出利用地層類比法進(jìn)行正常壓實(shí)趨勢線的擬合，即著名的等效深度法。該方法適用于構(gòu)造簡單的地層，對(duì)于復(fù)雜構(gòu)造地層，例如橫向速度劇烈變化的地層，該方法無法進(jìn)行壓力外推反演，從而降低孔隙壓力預(yù)測的精度[1]。在1968年，Pennebaker等提出利用疊后地震資料來計(jì)算地層孔隙壓力，該方法在墨西哥灣地區(qū)得到了良好的應(yīng)用效果[2]。Eaton(1975)提出非常著名的伊頓法。該方法利用統(tǒng)計(jì)目標(biāo)工區(qū)的已鉆井信息來確定伊頓指數(shù)，雖然這種方法仍然有一些問題。例如，層速度場無法準(zhǔn)確求取；由于測井曲線資料缺失，無法得到準(zhǔn)確的正常壓實(shí)趨勢線等。但是這種方法需要的參數(shù)較少，所以具有非常高的應(yīng)用價(jià)值[3]。在1980年，F(xiàn)illippone將鉆井資料，地震資料與測井資料聯(lián)合起來進(jìn)行應(yīng)用，提出一種利用單一地層參數(shù)計(jì)算孔隙壓力的方法。該方法無需進(jìn)行正常壓實(shí)曲線的求取，進(jìn)而避免了正常壓實(shí)速度求取不準(zhǔn)帶來的誤差[4,5]。1987年，F(xiàn)oster等提出利用經(jīng)驗(yàn)公式建立垂直應(yīng)力場，進(jìn)而利用求取的垂直應(yīng)力反演孔隙壓力。該方法在經(jīng)驗(yàn)公式建立過程當(dāng)中加入了異常壓力成因機(jī)制的影響因素分析步驟，進(jìn)一步提高了壓力預(yù)測方法的普適性[6]。

劉震(1990)發(fā)現(xiàn)地層壓力與速度的關(guān)系并不是簡單的線性關(guān)系，利用該理論對(duì)Fillippone公式進(jìn)行了修改，大幅度提高了孔隙壓力預(yù)測的精度[7，8]。2003年，樊洪海等提出利用層析反演方法優(yōu)化地震波層速度場模型，進(jìn)而應(yīng)用于孔隙壓力預(yù)測當(dāng)中，提高了孔隙壓力預(yù)測精度[9-12]。2018年，徐嘉亮由正常壓實(shí)情況下的背景速度場出發(fā)結(jié)合Eaton公式推導(dǎo)了角道集剩余曲率與孔隙壓力系數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系，消除了層速度參數(shù)對(duì)壓力預(yù)測的影響[13,14]。

常規(guī)層析成像方法能夠?qū)^厚(大于1/4波長)的低速泥巖層進(jìn)行精確的建模，但是對(duì)于(小于1/4波長)厚度較小的泥巖層段，常規(guī)層析成像方法的分辨率及精度無法滿足速度建模的精度需求。

本文提出針對(duì)薄層具有較好反演效果的小尺度網(wǎng)格層析方法進(jìn)行速度場模型的建立，進(jìn)而進(jìn)行孔隙壓力預(yù)測的策略在渤海A油田得到較好的應(yīng)用，計(jì)算得到的孔隙壓力系數(shù)與實(shí)測壓力系數(shù)吻合度較高，該方法有望在實(shí)際生產(chǎn)當(dāng)中得到廣泛的應(yīng)用[15-17]。

2 小尺度網(wǎng)格層析層速度建立

目前，異常超壓包括多種類型，例如熱傳導(dǎo)超壓，生烴超壓，泥巖欠壓實(shí)超壓等。其中泥巖欠壓實(shí)主導(dǎo)的孔隙壓力異常表現(xiàn)為低電阻率、低速的特點(diǎn)。一般情況下，層速度隨著埋藏深度的增加而增大，但在部分泥巖層段，由于地層擠壓作用，孔隙水不能有效排出，而是保留在泥巖孔隙當(dāng)中，該部分孔隙水會(huì)導(dǎo)致異常高壓的產(chǎn)生，而且該層段由于存在地層水而表現(xiàn)為低速的特點(diǎn)[18]。

對(duì)于厚度較大的泥巖欠壓實(shí)地層，常規(guī)速度建模方法能夠?qū)Φ退倌鄮r層段速度進(jìn)行校正優(yōu)化。但是當(dāng)?shù)退倌鄮r厚度較小時(shí)，由于常規(guī)層析速度建模方法分辨率的限制，無法準(zhǔn)確反演低速泥巖層段的速度，從而導(dǎo)致孔隙壓力預(yù)測產(chǎn)生較大誤差[19,20]。

圖1 復(fù)雜構(gòu)造薄泥巖欠壓實(shí)地層剖面

偏移速度場中，微小的速度擾動(dòng)都會(huì)帶來偏移道集動(dòng)校正量的改變，即

(1)

式(1)中，Δt為i點(diǎn)的到時(shí)剩余時(shí)差(s)，Δt的大小取決于Δz和Δvi的變化量；Δz為偏移深度與聚焦深度的垂直距離(m)；v表示平均速度(m/s)；Δvi為剩余速度(m/s)；i表示速度模型被網(wǎng)格離散化任意一點(diǎn)；θ為反射角；φ為地層傾角；vi為任意一點(diǎn)的層速度(m/s)。

為使偏移道集同相軸拉平，需要對(duì)網(wǎng)格剖面的剖分點(diǎn)速度值進(jìn)行速度校正，即

(2)

式(2)中，Z′為地層真實(shí)深度(m)；Z1為中遠(yuǎn)偏移距的深度(m)。為了得到真實(shí)地層層速度，需要使Δz≈0，即

(3)

式(3)中，v0為初始速度(m/s)；v′為真實(shí)速度(m/s)；t0為旅行時(shí)(s)。當(dāng)進(jìn)行速度校正時(shí)，利用式(3)逐點(diǎn)校正網(wǎng)格點(diǎn)的速度值[21]。

本文方法沿用全局速度場迭代優(yōu)化思路，其具體實(shí)現(xiàn)步驟包括：①拾取偏移道集剩余曲率；②利用拾取的剩余曲率建立剩余旅行時(shí)矩陣；③采用共軛梯度算法求解剩余旅行時(shí)矩陣，得到剩余速度體；④利用HRS軟件對(duì)疊前及疊后地震數(shù)據(jù)進(jìn)行掃描，以提取地層傾角及方位角；⑤利用剩余速度體修正速度場模型，完成一次速度校正；⑥重復(fù)①至④步驟，通過偏移道集是否存在剩余曲率作為迭代是否終止的判別依據(jù)。利用網(wǎng)格層析速度建模方法進(jìn)行孔隙壓力預(yù)測流程圖如圖2所示。

圖2 孔隙壓力預(yù)測流程

3 目標(biāo)實(shí)際數(shù)據(jù)應(yīng)用

A油田存在多發(fā)欠壓實(shí)薄泥巖層段，如圖3所示，該區(qū)存在高壓甚至是超高壓風(fēng)險(xiǎn)，為后續(xù)鉆井帶來非常不利的影響。

圖3 薄泥巖欠壓實(shí)地層

分別利用常規(guī)層析方法和小尺度網(wǎng)格層析速度建模方法進(jìn)行三維速度場模型的建立，本文采用10 m×10 m的網(wǎng)格步長進(jìn)行網(wǎng)格剖分，并且抽取1井Inline線進(jìn)行方法對(duì)比，如圖4所示。常規(guī)層析方法由于速度場分辨率低，對(duì)于小于1/4波長厚度的地層沒有響應(yīng)，所以無法對(duì)泥巖欠壓實(shí)低速層進(jìn)行速度校正，利用該速度模型進(jìn)行孔隙壓力預(yù)測顯然是不正確的。利用本文提出的小尺度網(wǎng)格層析方法進(jìn)行速度建模能夠?qū)π∮?/4波長的低速層進(jìn)行精確的速度校正，進(jìn)而提高速度場建模精度及壓力預(yù)測精度。

圖4 速度模型

圖5所示為抽取的單道速度曲線與實(shí)鉆井聲波速度曲線的比較。常規(guī)層析成像方法建立的速度在中淺層與聲波速度吻合程度較高，在泥巖欠壓實(shí)層段存在較大的誤差。小尺度網(wǎng)格層析速度建模方法建立的速度模型與聲波速度在淺中深層段吻合程度均較高，從而說明本文方法對(duì)于低速泥巖速度場建模更為適用。

圖5 速度曲線

孔隙壓力系數(shù)為真實(shí)地層實(shí)測壓力與正常壓實(shí)情況下的壓力比值，它用來表征地層壓力的異常情況。分別應(yīng)用圖4所示的速度場進(jìn)行孔隙壓力系數(shù)計(jì)算，預(yù)測結(jié)果如圖6所示。常規(guī)方法計(jì)算得到的孔隙壓力系數(shù)與實(shí)測壓力系數(shù)值吻合度較差，誤差為0.3 P/Mpa，利用本文方法預(yù)測的孔隙壓力系數(shù)與實(shí)測壓力系數(shù)吻合程度較好，誤差僅為0.01 P/Mpa。

圖6 實(shí)測壓力系數(shù)與本文方法測量結(jié)果比較

4 結(jié) 論

常規(guī)層析成像方法能夠?qū)Τ跏紝铀俣饶Ｐ瓦M(jìn)行速度校正，以得到更為精準(zhǔn)的層速度，但是該方法受地震資料品質(zhì)的限制，其精度及分辨率均難以得到有效保障。本文針對(duì)渤海A油田中深層廣泛發(fā)育低速泥巖，且存在較大超高壓風(fēng)險(xiǎn)的實(shí)際情況，提出利用小尺度網(wǎng)格層析成像方法進(jìn)行速度場模型建立，進(jìn)而計(jì)算孔隙壓力值。由本文方法與常規(guī)方法比較中可得出以下結(jié)論：

1)常規(guī)層速度建模方法對(duì)于地震資料品質(zhì)的依賴程度較高，且對(duì)于小尺度構(gòu)造或較薄地層無法獲得準(zhǔn)確速度場，小尺度網(wǎng)格層析速度建模方法針對(duì)局部構(gòu)造進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)剖分，通過校正網(wǎng)格點(diǎn)速度值以優(yōu)化速度場模型，該方法對(duì)于目標(biāo)層位的速度優(yōu)化更為適用，且精度更高。

2)小尺度網(wǎng)格層析方法計(jì)算效率由網(wǎng)格步長大小決定，減小網(wǎng)格步長能夠提高速度反演精度，但是同時(shí)降低了計(jì)算效率；相反，增大網(wǎng)格步長能夠提高計(jì)算效率，但計(jì)算精度有所下降。

3)層析成像方法對(duì)于地震資料品質(zhì)的依賴程度較高，應(yīng)用低信噪比和低分辨率的地震數(shù)據(jù)無法獲得高精度的速度場模型。所以在進(jìn)行本文方法前，應(yīng)對(duì)疊前數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪處理，以滿足層析速度建模需求。