地层压力预测方法

地震地层压力预测

摘要

目前，地震地层压力预测方法归纳起来可以分为图解法和公式计算法两大类10余种。本文对各种地震地层压力预测方法进行了系统地归纳和总结，并对各种方法的特点、适用性以及存在的问题进行分析和讨论.在此基础上，就如何提高压力预测的精度，提出了一种简单适用的改进措施，经J1.K地区的实测资料的验证，效果良好。

主题词地层压力地震预测正常压实异常压实

引言

众所周知，油气层的压力是油气层能量的反映，是推动油气在油层中流动的动力，是油气层的“灵魂”。因此，在石油和天然气的勘探开发中，研究油气层的压力具有十分重要的意义。

首先，在油气田勘探中，研究油气层压力特别是油气层异常压力的分布，以及预测和控制油气层压力的方法，不仅可以保证安全快速地钻进，而且可以正确地设计泥浆比重和工程套管程序;同时也可以帮助选择钻井设备类型和有效安全正确的完井方法等。这些都直接关系到钻井的成功率以及油气田的勘探速度等问题。其次，在油气田开发过程中，准确的压力预测以及认真而系统的油气层压力分布规律的研究，不仅可以帮助我们认识和发现新的油气层，而且对于了解地下油气层能量、控制油气层压力的变化，并合理地利用油气层能量最大限度地采出地下油气均具有十分重要的意义。

多少年来，人们在异常地层压力(这里主要指异常高压或超压)预测方面进行了种种尝试，然而直到本世纪70年代以来，随着岩石物理研究的不断深人以及地震技术的不断提高，才真正使得地层压力的地震预测成为现实。

对于异常高压地层，一般表现为高孔隙率、低密度、低速度、低电阻率等特点，因此，凡是可以反映这些特点的各种地球物理方法均可用于检测地层压力。但是，由于各种测井方法均为“事后”技术，这就使得在初探区内利用地震方法进行钻前预测显得尤为重要。与此同时，地震地层压力预测还可以提供较测井方法更为丰富的空间压力分布信息。

利用地震资料进行地层压力预测，主要是利用了超压层的低速特点，因为在正常情况下，速度随深度的增加而增加，当出现超压带时，将伴随出现层速度的降低。可见，取准层速度资料是预测地层压力的关键之一，而选择合适的地层压力预测方法同样是一个十分重要的环节。

到目前为止，地震地层压力预测的方法名目繁多，但就总体而言，大致可分为图解法和公式计算法两大类。本文将对各种地震地层压力预测方法的内容、特点、应用效果以及存在的问题等作一系统全面的叙述。在前人研究工作的基础上，就如何提高地震地层压力预测的精度，本文提出一种简单而实用的改进措施，经JLK(吉拉克)地区实际资料的计算，效果良好。

地震地层压力预测方法综述

图解法

在所有地震地层压力预测方法中，最为直观简便的方法莫过于图解法了。按照判定超压层方式的不同，又可细分为等效深度图解法、比值法和量板法三种。

等效深度图解法

等效深度图解法(或可形象地称之为直接趋势线判别法)是以页岩压实概念为基础

的一种传统预测方法。当依据页岩层段数据点建立了正常压实趋势线之后，利用实测速度值对正常趋势线的偏离便可直接测出高压异常的存在，以及异常高压地层的顶面埋深值。一般地，当地层为正常压实时，实测的层速度v i将等于理论层速度v n(或称正常压实层速度)，即v

v n;当地层为过压实时，有v i>v n;当地层为欠压实时，有v i

一直被广泛地采用。将其引人地展勘探的具体作法是:根据地震资料求取层速度v i和深度H 的关系曲线，再将该曲线与研究区内的正常压实趋势线进行比较，进而划分出高压异常层段及其顶面埋深.这种方法的有效性不仅取决于地震速度计算的精度，而且取决于正常压实趋势线的准确性。该法只能给出超压层的位臵，难以确定地层压力值的大小，是一种定性预测方法。此外，为了克服低速异常的多解性，该法还要求事先获得研究区内的大套岩性信息。

比值法或差值法

这种方法是由意大利通用石油公司的P. Bellotti等人于1987年首次提出的。它是根据实测地层速度值v i和相应层段的页岩正常压实速度值v n之比或差值来判定超压层空间位臵的一种预侧方法。究其实质，该法实际上是等效深度法的一个变形。它与等效深度法具有同样的观测效果，而且同样需要预先获得大套岩性信息以克服多解性。

当v i和v n为已知时，利用下式便可求得相应的比值R或差值△，有

对于从浅层到深层的不同计算点，我们可以通过计算得到一条随深度变化的R曲线或△曲线，其图形解释遵循如下规律:

若R≈1(或△≈0)，地层为正常压实页岩或高压实的碳酸盐岩;若R>1(或△>0)，地层为过压实页岩、碳酸盐岩或浅层胶结地层;若R<1 <或△<0)，地层为高孔隙率的岩石(如砂岩)或异常压力地层，即超压层。

关于上述两种方法的具体实例见文献1。

量板法

量板法实质上是一种地质统计判别法。所谓量板实际上是根据大量已知数据建立的压力梯度(或当量泥浆比重)与声波时差差值(或比值)的交会图，如图1左所示。当然也可以利用已知地层压力梯度值(或当量泥浆比重值)对声波时差进行标定来编制计算图板，如图1右所示，它是一组与正常压实趋势线相平行的线。

图1地展地层压力预测量板实例

在获得第一种计算量板和相应研究区的正常压实趋势线时，利用地震反演的速度值或时差值便可求得相对于正常压实速度的差值或比值，然后，借助于量板便可得到相应的压力值。对于第二种量板，实用中一般将其绘制在透明的半对数坐标纸上，并将其覆盖于由地震反演得到的与量板具有相同比例尺的时差一深度曲线上，然后按计算点落在量板中的位臵，由量板直接读出其相应的压力梯度值或当量泥浆比重值，进而求得地层压力的估算值。相比之下，人们更偏爱第一种量板。

需要说明的是，量板法虽然可以实现地层压力的定量计算，但准确的量板的建立往往需要大量的已知钻井资料，这对于无井或少井的初探区是不适用的。然而，对于高成熟探区，由于井资料较多，建立相应的压力计算量板就容易得多，这对于我们进行储层压力预测或控制无疑是最为直接而有效的方法。

公式计算法

从前面的叙述中已经看到，图解法虽然直观简便，但主要用于地层压力的定性预测。量板法虽然可以实现地层压力的定量估算，但对超压层预测来说则是一种“事后”技术。因此，在一定假设条件下利用所得到的各种经验公式来定量估算初探区的地层压力就显得尤为重要了。

压实平衡方程法

在地层封闭条件下，上覆地层压力是由组成岩石的颗粒质点和孔隙中的流体共同承担的，也就是说，当地层不被破坏时，上覆地层压力、地层孔隙流体压力及地层压力、以及岩石骨架应力三者之间始终保持着力的平衡，用公式表示为

（1）式中：P ov为上覆地层压力；P f为孔隙流体压力；P c为岩石骨架应力。根据此方程只要求出其中任意两个量，便可确定第三个量。

当按照压实平衡方程求取地层压力时，需要事先确定上覆地层压力P ov和岩石骨架

应力P c。通常上覆地层压力的计算有多种方法，但困难的是岩石骨架应力一般较难确定，从而限制了这一方法的适用性。

意大利通用石油公司的P. Bellotti和Giacca(1978)在意大利波河流域盆地进行地层压力预测方法的研究中，曾提出如下的两个计算岩石骨架应力和上覆地层压力的经验公式

(2)

(3)

式中：V sb为泥岩速度(m/s)；d mx二为基质密度(g/cm3) ；V max为岩石基质速度(m/s)；V i为土壤最小速度(m/s)；V i为层速度(m/s);△H i为间隔厚度(m)；A、B为经验常数。

式(2)对于页岩地层或一般的碎屑岩地层是适用的，但需先确定系数A、B。对于意大利波谷盆地，Bellotti等人给出的A=0. 9223,B=599。蒋凤仙(1988)的研究表明，系数A,B是确定异常压力带顶部位臵的关键。在实用中应根据研究工区的实际资料来确定相应的系数A、B。而V max和V min是取常数或随深度按一定规律变化，对异常压力带位臵的判定影响不大。

简单分析式(3)不难看出，该式实际上是不可用的，甚至可以说是错误的。一方面将原文献中提供的各个参数值代入该式进行计算时，所得上覆地层压力总为负值;另一方面，当不考虑值的正负而取绝对值时，利用该式计算的上覆地层压力值居然不及同深度静水压力值的十分之一，显然这是不对的。因此，当应用式(1)进行压力预测时，上覆地层压力的计算避免使用式(3)。具体计算时，可采用上覆地层压力的定义式，或采用平均速度来求取上覆地层压力。

从理论上讲，如果能够准确确定P c和P ov值，该方法应适用于任何压实成因的地层，而且能够给出较为准确的压力值。

等效深度公式计算法

借助于等效应力原理和压实平衡方程，我们很容易地得到如下公式

(4)

式中：H B为异常压力带深度；H A为相应于H B的等效深度；G。为上覆地层压力梯度；

G W为静水压力梯度。该式由Reynold早在1974年就导出过。在实用中由于H A一般较难确定，所以需引入正常压实趋势线并假定按指数规律变化时，将式(4)变为

（5）

式中:C为地层压缩因子，数值上等于正常压实趋势线的斜率；△t0为初始地层间隔传播时间，等于正常压实趋势线在时间轴上的截距；△t为异常压力带的间隔传播时间。

该法对于压实成因的正常或异常地层均是适用的。由于在实际应用中建立准确的正常压实趋势线并不是一件容易的事，特别是当研究区内资料较少时，正常压实趋势线一般难以做出，这在一定程度上又极大地限制了这一方法的适用性。这种局限性不只是等效深度法所独有，而是所有依赖于正常压实趋势线的方法所共有的。

这种方法的特点是可以计算异常地层压力的绝对值。其精度除与层速度的精度密切相关外，还与正确的正常压实趋势线的建立密切相关。蒋凤仙曾利用该法在拖船埠地区由4口井的实测声波时差进行过压力估算，将预测值与实测值进行比较，其最大、最小和平均

相对误差分别为14.2%、1.4%、8.62%。显然，采用等效深度公式计算法预测地层压力的精度基本上可满足目前压力预测的精度要求(一般要求误差小于10%)。但是需要重视正常压实趋势线的建立，否则难以达到预期的效果。另外，需注意的是，由于岩性的不同以及不整合等原因，压实的情况有很大的差异。因此不能将压实趋势线任意地向下或向上延伸，而应分段制作压实趋势线，否则会造成预测错误。

Eaton法

继Reynold之后，Eaton(1976)又提出一个与Reynold公式十分相似的经验公式，即

(6)

式中:Ot，为地层正常压实时的时差值;Ot为实测地层的时差值;尸w为静水压力值。

假定当岩石骨架应力P c与纵波速度的三次方成比例时，用压实平衡方程可以很容易地导出式(6)(推导略)。这表明Eaton公式实际上是建立在岩石骨架应力与纵波速度三次方成比例的假设条件下的等效公式计算的一种特殊形式。因此除具有与等效深度公式计算法共同的特点和不足外，其适用性还受相应假设条件的限制，适用范围远不如等效深度公式计算法广。

Fillippone法与刘震法

Fillippone法是由加利福尼亚联合石油公司的W. R. Fillppone提出的。他在1978年和1982年通过对墨西哥湾等地区的测井、钻井、地震等多方面资料的综合研究，先后提出两套不依赖正常压实趋势线的简单而实用的计算公式，并在墨西哥湾等地的实际应用中取得了良好的效果，具体公式如下

(7)

(8)

式中。V max、V min分别为孔隙率接近于零和刚性接近于零时的地层速度，前者近似于基质速度，后者近似于孔隙流体速度；V mxp、V mnp分别为地层的最大和最小压实速度；V i 为预测层段的层速度。

这两类公式在形式上是一样的，只是V max、V min、V mxp、V mnp各自随深度变化的规律不同，即它们的数学表达式不同，即

（9）

（10）式（9）中：，Vб、Vб0分别表示T和T0分别为某一层

底面和顶面的双程旅行时；。式（10）中：，

；，为时刻的均方根速度，为计算点处的双程旅行时。

对于式（7）、（8）中的上覆地层压力均可采用如下经验公式

（11）

式中：为平均密度；为计算点埋深；系数0.4335为单位换算系数，也有人称之为静水压力梯度值，我以为均不合适。若称之为单位换算系数，则其值应为0. 4335而不应当是0. 465；若称之为静水压力梯度，则等式两端的量纲不同。

利甩上述公式，蒋凤仙在拖船埠地区的预测结果表明，采用第一类公式计算的压力值的精度较高、误差均小于10%，其中最大误差为9%，而最小误差为2.8%。而利用第二类公式计算的压力值的精度普遍较低，最大预测误差为39%，最小误差为0. 2%，平均误差为21. 99 %。这表明矩船埠地区地层的最大、最小压实速度较符合线性规律，事实上也正是如此。

进一步分析式(7)不难发现，该式实际上只在两个极点处是成立的，即时，地层为致密岩石，无流体存在，故地层压力P f= 0当时，岩石为纯流体块，无基质存在，故地层压力P f=P ov。

当实际地层速度不满足这两个极限条件时，压力的估算主要是靠线性内插的办法来求得。也就是说，式(7)实际上隐含了地层压力与速度之间呈线性变化这样一个假设条件。然而实际的地层未必都满足这种变化规律。刘震(1990)通过对辽东湾辽西凹陷的压力测试资料的分析发现，在异常压力幅度不太大的中、浅层深度范围内，地层压力与速度呈对数关系，于是他将Fillippone公式修正为

（12）上式在辽西凹陷的压力预测中取得了较好的效果。但是，需要说明的是，经修正后的式(12)仍然未能摆脱经验的局限性，同式(7)一样仍然只在两个极限点上才是成立的。

这类方法的一个共同特点是，它们可以计算出从浅到深各个层速度点的压力值。由于其不依赖正常压实趋势线，因此具有很大的推广价值，特别是在初探区，这种方法尤为适用。其计算精度除与公式中各参量的取值有关外，更重要的是取决于工区的实际情况与相应经验关系的符合程度。实践证明，这类方法在我国的许多探区的应用效果均好于其它方法。

Stone法

stone等人(1983)在进行地层压力预测研究中，也曾提出一个经验计算公式，即

（13）如果说前面各经验公式至少在量纲上还具有某种一致性，式(13)则是一个纯粹的经验公式，式中各量之间只存在统计的意义。只要工区内有足够的资料可以确定公式中的经验常数和正常压实趋势线，便可使用。据原文献资料，系数C可取为0. 485。该式的计算精度取决于时差△t的估算精度和压实趋势线的制作精度。

Martinez法

该法也称之为迭代模拟法。其核心实际上是Fillippone公式，所不同的只是Martinez(1986)对其进行改写，并考虑了密度影响，经改写后的Fillippone公式为

（14）

式中：为深度处的地层压力；为相应深度的上夜地层的压力，并且

；为第个采样网格的深度；为采样网格的平均密度值，可由伪体密度测井资料导出；采样网格（为采样网格总数)；C max (z i)和C min ( z i)为施加于采样网格i上的两个约束条件，前者为孔隙率趋于零时的速度，后者为刚性趋于零时的速度，这两个约束条件及纵波速度C i (z i)均可由合成声波测井给出。此法的主要优点是考虑了密度的影响，预测精度相对提高了，而且可以实现地层压力的连续显示，有助于实际应用(如识别不同的压力系统和小断层等)。但此法的最大缺点是程序复杂，计算麻烦，故一直未能广泛采用。

从上面的叙述不难看出，公式计算法按公式计算的特点不同，可以进一步分为依赖正常压实趋势线的公式法和不依赖正常压实趋势线的公式计算法两类。前者主要包括等效深度公式计算法、Eaton法、Stone法，而后者则包括Fillippone法、刘震法和Martine:法等。

对于第一类方法，准确的压力预测必须保证所用的正常压实趋势线是真实的，因为它是这些方法的基础。特别是对于埋深较大的地层，正确的正常压力趋势线是极端重要的。因为随着深度的增加，任何偏差都会增大，从而导致最终压力评价的误差变本加厉。但如何建立正常压实趋势线并没有固定不变普遍适用的规则，除经验之外，可以说别无他法。这就从根本上决定了这类方法的精度完全受控于正常压实趋势线的精度。这些方法的适用性也完全取决于所在工区是否有足够的资料能够作出正确的正常压实趋势线。

对于第二类方法，由于其不依赖于正常压实趋势线，因此应用起来较为方便，特别是对初探区更为适用。不过，其计算精度受控于研究工区的实际情况与各经验假设条件的符合程度。