E-mail Alert Rss
 

物探与化探, 2021, 45(2): 490-495 doi: 10.11720/wtyht.2021.2580

方法研究·信息处理·仪器研制

一种快速建立上覆岩层压力体的方法

周星,, 李英, 郭军, 何玉

中海石油(中国)有限公司 天津分公司,天津 300459

A fast method for establishing pressure body of overburden

ZHOU Xing,, LI Ying, GUO Jun, HE Yu

Tianjin Branch,CNOOC Ltd.,Tianjin 300459,China

责任编辑: 叶佩

收稿日期: 2019-12-13   修回日期: 2020-11-12   网络出版日期: 2021-04-20

Received: 2019-12-13   Revised: 2020-11-12   Online: 2021-04-20

作者简介 About authors

周星(1985-),女,2013年毕业于同济大学,主要从事压力预测工作。Email: zx-8501@163.com

摘要

上覆岩层压力是地层沉积压实作用的源动力,也是地层孔隙压力计算的重要基础数据。本文通过Eaton公式推导出密度变化与上覆岩层压力和孔隙压力的计算模型,验证了不同厚度下低密度泥岩对上覆岩层压力以及孔隙压力的影响关系,证实密度差异为0.3 g/cm3、厚度从100~500 m的低密泥岩对孔隙压力的影响最大仅为 0.02 psi,从3~250 Hz的频率扫描密度曲线计算得到的上覆岩层压力几乎无差别,证实上覆岩层压力仅代表沉积地层的低频成分,因此根据正常压实地层有效应力和上覆岩层压力的关系确定了基于井控地震层速度场转换上覆岩层压力体的快速方法。以渤海西部某构造为例,新方法求取的上覆岩层压力体被多口钻井一一验证,满足了快速勘探评价的需求。

关键词： 上覆岩层压力体 ; 密度影响 ; 层速度

Abstract

Overburden pressure is the source power of sedimentary compaction,and is also the key data to compute core pressure.This paper shows density variation with overburden pressure and core pressure,the effect of different thicknesses of mudstone on overburden pressure and core pressure.It is proved that the maximum core pressure variation is 0.02 while density variation of mudstone is 0.3 g/cm3 from 100 to 400 m,and overburden pressure is almost the same by density integration which is filtered form 3 to 250 Hz,which represents low-frequency tendency.Therefore,on the basis of the relationship between the effective stress of the normal compacted formation and the pressure of the overlying strata,a fast method was established for converting the pressure field according to the well-controlled seismic layer velocity field,which was verified by multiple drill holes in some structure of West Bohai Sea,thus satisfying rapid exploration.

Keywords： overburden pressure ; density effect ; interval velocity

PDF (3734KB) 元数据 多维度评价 相关文章 导出 EndNote| Ris| Bibtex  收藏本文

本文引用格式

周星, 李英, 郭军, 何玉. 一种快速建立上覆岩层压力体的方法. 物探与化探[J], 2021, 45(2): 490-495 doi:10.11720/wtyht.2021.2580

ZHOU Xing, LI Ying, GUO Jun, HE Yu. A fast method for establishing pressure body of overburden. Geophysical and Geochemical Exploration[J], 2021, 45(2): 490-495 doi:10.11720/wtyht.2021.2580

0 引言

上覆岩层压力po是地层沉积作用的源动力,是指覆盖在该地层以上的岩石及岩石的孔隙中流体的总质量造成的压力。它是研究地层孔隙压力,储层孔渗物性,油气供给和钻完井工程中的重要参数。

一般来说,同一区块内po变化不大,可视为深度的函数,而不同区块由于压实程度不同和构造起伏差异,po横向变化较大。且po不可直接测量,常规方法是利用密度数据沿深度积分,然后通过井间插值建立上覆岩层压力体,但该方法存在一定的局限性。当浅层密度曲线缺失,或因为测井事故导致密度部分缺失时,在少井区上覆岩层压力体求取误差较大。樊洪海等[1]采用关于深度h的四参数e指数线性模型拟合测井密度曲线,从而得到区域上覆岩层压力体,并在2011年提出一种可以直接求解三维上覆岩层压力的方法,即通过地震数据反演得到密度体,然后通过空间插值得到上覆岩层压力体[2]。在渤海油田快速勘探的节奏下,基于地震数据反演密度求取上覆岩层压力进行压力预测的方法速度较慢,因此寻求上覆岩层压力快速求取方法尤为必要。

在渤海油田,超压类型以欠压实成因为主,Eaton法是地层孔隙压力预测的主要手段。为了研究密度与上覆岩层压力、孔隙压力的关系,笔者推导了基于Eaton指数的密度与孔隙压力的关系公式,通过对100~500 m不同厚度的0.3 g/cm3的密度差异曲线积分,证实上覆岩层压力最大差异仅为100 psi,换算为孔隙压力误差不超过0.02 psi。此外,通过不同频率的滤波器对密度曲线积分,证实3~260 Hz的密度曲线求取的上覆岩层压力并无差异,因此上覆岩层压力反映的是地层的低频成分,仅与压实趋势有关。该认识为下一步快速计算上覆岩层压力体提供了理论和数据基础。

叠前偏移的速度场反映的是地层的大致压实趋势,密度、速度均与深度成线性变化关系,但两者趋势并不一致[3]。根据Wyllie对砂岩的试验,证实控制速度的重要参数是有效压力[4],King[5]、沈连蒂等[6]通过研究给出了速度与有效压力满足指数变化关系,马中高等[7]通过实验室研究,用指数函数拟合得到了不同岩性的纵横波速度与有效压力的定量关系,为速度场转换上覆岩层压力体提供了重要的理论参考。速度场精度的不同导致拟合精度的差异,本文基于正常压实地层有效应力和上覆岩层压力的关系,通过约束速度反演保留速度场的低频趋势,建立速度场和上覆岩层压力的关系式,然后利用多井点约束校正相关参数,求取合适的参数计算渤海西部某区块的上覆岩层压力体,多口实钻井证实了新方法求取的上覆岩层压力与实钻井吻合程度高并且快速有效,是一种值得推广的上覆岩层压力体计算方法。

1 密度与po的变化关系

渤海油田新近系以河流相沉积为主,密度变化不大,在古近系为河流相和湖湘沉积模式,由于潜山基底的隆起,地层横向变化大,跟深度有关的上覆岩层压力不满足线性变化。笔者统计了遍布渤海10余口典型探井的上覆岩层压力,井点分布如图1所示。密度变化范围从2.2~2.6 g/cm3(图2),随着埋深的增加,各区块上覆岩层压力差异变化明显(图3),3 000 m深度处上覆岩层压力最大相差500 psi。因此在渤海海域简单利用同一解析函数拟合上覆岩层压力并不可取。

图1

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图1   渤海典型井平面分布

Fig.1   The map view of target wells


图2

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图2   密度分布特征

Fig.2   The density distribution characterstic of target wells


图3

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图3   渤海典型井上覆岩层压力

Fig.3   The overburden pressure of target wells


图4展示了渤中同一构造多口井的上覆岩层压力,井区内大部分井上覆岩层压力趋势相同,但1井和6井依然差别大于200 psi,且随着深度的增加有变大趋势,且拟合的上覆岩层压力po -fit和1井存在差异。

图4

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图4   渤中某构造6口井上覆岩层压力po与拟合po-fit

Fig.4   The overburden pressure as well as fitted pressure of six wells in a structure


为了研究密度与上覆岩层压力的定量关系,笔者进行了如下推导:

对于欠压实成因的地层超压,Eaton法求取孔隙压力(本文均指压强pp)的公式为[8]:

pp=po-(po-pω)VVnn,

其中:po是上覆岩层压力,pω是静水压力,V是地震层速度,Vn是地层正常压实速度,n是Eaton指数。

求取上覆岩层压力(压强)的公式为:

po=ρωghω+∑h=hωHρgΔh,

式中:ρω为海水密度,hω为海水深度,ρ为地层密度。压力系数:

ζ=pp/pω。

结合式(1)~(3),求解密度ρ的导数,得:

dζdρ=1-VVnn∑h=hωHΔhpωh。

根据常规砂泥岩速度和Eaton指数参考值可知,低速异常的变化率为10-1,低速泥岩密度的变化在 0.2~0.5之间,因此密度变化对压力系数的影响较小约为10-2。

为了验证上述观点,以渤西某井为例,在2 900~3 400 m设计了厚度不等的低密泥岩段(图5),通过计算得到相应的上覆岩层压力(图6)和压力系数(图7),当密度差异为0.3 g/cm3时,上覆岩层压力最大差异仅为100 psi,换算为孔隙压力误差不超过0.02 psi。通常情况下,欠压实泥岩的低速特征明显并伴有低密度特征,但密度改变量低于速度改变量百分比。

图5

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图5   不同厚度的低密泥岩模型

Fig.5   The mudstone model of low density with different thickness


图6

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图6   不同厚度泥岩计算的上覆岩层压力

Fig.6   The overburden pressure calculated by mudstone of different thickness


图7

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图7   不同厚度泥岩计算得到的压力系数

Fig.7   The pressure coefficients calculated by mudstone of different thickness


上覆岩层压力是密度曲线的积分表达式,反映的是地层的低频趋势,通过一系列滤波器对密度曲线进行3~250 Hz的滤波,得到的上覆岩层压力几乎重合在一起,为后续快速求取上覆岩层压力场奠定了数据基础。

2 速度与po的定量关系及应用

根据前人的研究[9,10,11],可以用如下的数学模型来描述速度与压力的关系:

V=V0(1-ke-cσ),

其中,V0是参考点速度,一般取高压点时的速度对应值,V/V0可视为归一化速度,σ为有效应力,k、c均为常系数。

根据传统的地层压力理论,上覆岩层压力po、有效应力σ和孔隙压力pp满足如下关系式[12,13]:

po=pp+σ。

当地层为正常压实地层时,地层流体连通,孔隙压力(流体压力)等效于静水压力,上覆岩层压力:

po=pω+σ。

经过前文的论述,上覆岩层压力反映的是地层的低频趋势,和低速泥岩的厚度(欠压实程度)关系不大,因此建立速度和上覆岩层压力体的转换关系。

叠前时间偏移速度场反映的是地层宏观变化趋势,本次研究通过约束速度反演保留速度场的低频趋势,基于井控校正求解式(5)和式(7),建立偏移速度场和上覆岩层压力体关系,直接利用速度场求取po,由密度反演积分求po的数天时间缩短为数小时,大大提高了工作效率,满足了快速勘探的需求。

渤中某构造位于渤海海域西南部,该构造位于中生界地层覆盖区和太古宇地层出露区,构造横向变化大,已钻井较少且深度较浅(图8),叠前时间偏移速度场与地质构造吻合程度高(图9),具有较高的参考价值。图10为本文方法计算的上覆岩层压力剖面,与构造起伏一致。

图8

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图8   东三段层位与钻井平面分布

Fig.8   The map view of Dongsan Member layer and drilled wells


图9

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图9   渤中某构造速度场与地震叠合

Fig.9   A velocity profile superimposes on a seismic section of some structure in Bozhong


图10

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图10   上覆岩层压力与地震叠合

Fig.10   A overburden pressure profile superimposes on a seismic section


图11展示了实钻求取的上覆岩层压力和基于井控校正的速度场求取上覆岩层压力体。由对比图可以看出,井控校正速度场(绿色线)求取的上覆岩层压力体与实钻(蓝色线)吻合较好,以其中某口井为例,精度要高于井曲线插值获得的po(红色线)。

图11

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图11   不同方法求取对比

Fig.11   The overburden pressure calculated by different methods


3 结论和讨论

一般地,为避免当压实程度不同和构造起伏引起的上覆岩层压力差异,井间插值和密度反演积分求取po并不满足快速勘探的需要。

本文通过对Eaton法密度与上覆岩层压力及压力系数变化关系的推导,以及对渤海海域10口典型探井的密度的统计和对上覆岩层压力关系的研究,从理论和实际数据证实了上覆岩层压力是地层低频成分的反映,从而为速度场快速转换为上覆岩层压力体提供了可靠依据。通过在渤中某构造的实际应用,基于井控校正的速度场求取上覆岩层压力体准确高效,是一种在实际生产中值得推广的方法。

上覆岩层压力体是孔隙压力预测的重要环节,但对于渤海大多数高压(压力系数大于1.5)包含非欠压实成因,仅基于速度预测的Eaton法存在不足,准确预测孔隙压力依然任重而道远[14,15,16,17,18,19,20]。

参考文献

樊洪海, 张传进, 纪荣艺, 等.

上覆岩层压力梯度合理计算及拟合方法

[J]. 石油钻探技术, 2002,30(6):589-596.

[本文引用: 1]

Fan H H, Zhang C J, Ji R Y, et al.

Determination and regression of Overburden Pressure Gradient

[J]. Petroleum Drilling Techniques, 2003,38(6):589-596.

[本文引用: 1]

樊洪海, 叶志.

三维上覆岩层压力计算方法研究

[J]. 岩石力学与工程学报, 2011,30(2):3878-3883.

[本文引用: 1]

Fan H H, Ye Z.

Investigation on three-dimensional overburden pressure calculation method

[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2011,30(2):3878-3883.

[本文引用: 1]

Fred J H. 地震振幅解释[M].孙夕平,赵良武译. 北京: 石油工业出版社, 2006.

[本文引用: 1]

Fred J H. Seismic amplitude interpretation[M].Sun X P,Zhao L W,Tran. Beijing: Petroleum Industry Press, 2006.

[本文引用: 1]

Wyllie M R J, Grerory A R, Gardner G H F.

An experimental investigation of factors affecting elastic wave velocities in porous media

[J]. Geophysics, 1958,23(3):459-493.

[本文引用: 1]

King M S.

Wave velocities in rocks as a function of changes in overburden pressure and pore fluid saturants

[J]. Geophysics, 1966,31(1):50-73.

[本文引用: 1]

沈联蒂, 史歌.

岩性、含油气性、有效覆盖压力对纵、横波速度的影响

[J]. 地球物理学报, 1994,37(3):391-398.

[本文引用: 1]

Shen L D, Shi G.

Effect of lithologic character,petroleum and effective overburden pressure on compressional wave and shear wave

[J]. Chinese J. Geophysics, 1994,37(3):391-398.

[本文引用: 1]

马中高, 伍向阳, 王中海, 等.

有效压力对岩石纵横波速度的影响

[J]. 勘探地球物理进展, 2006,29(3):183-186.

[本文引用: 1]

Ma Z G, Wu X Y, Wang Z H, et al.

Effect of effective pressure on compressional and shear wave velocities

[J]. Progress in Exploration Geophysics, 2006,29(3):183-186.

[本文引用: 1]

Eaton B A.

The effect of overburden stress on geopressure prediction from well Logs

[J]. Journal of Petroleum Technology, 1972,24(8):929-934.

[本文引用: 1]

马中高.

碎屑岩地震岩石物理学特征研究

[D]. 成都:成都理工大学, 2008.

[本文引用: 1]

Ma Z G.

Study on the rock physics properties of clastic formation

[D]. Chengdu:Chengdu University of Technology, 2008.

[本文引用: 1]

Han D H.

Effects of porosity and clay content on acoustic properties of sandstones and unconsolidated sediments

[D]. Palo Alto:Stanford University, 1986.

[本文引用: 1]

Faust L.

Velocity function including lithologic variation

[J]. Geophysics, 1953,18(2):271-287.

[本文引用: 1]

臧艳彬, 王瑞和, 李新芝, 等.

基于密度测井资料计算上覆岩层压力的不确定性分析

[J]. 中国石油大学学报:自然科学版, 2010,34(6):60-65.

[本文引用: 1]

Zang Y B, Wang R H, Li X Z, et al.

Uncertainty analysis of calculating overburden pressure based on density logging data

[J]. Journal of China University of Petroleum:Natural Science Edition, 2010,34(6):60-65.

[本文引用: 1]

国春香, 郭淑文, 翟桐立, 等.

地震压力系数预测在深层天然气勘探中的应用

[J]. 物探与化探, 2017,41(5):852-855.

[本文引用: 1]

Guo C X, Guo S W, Zhai T L, et al.

The application of prediction of seismic pressure coefficient to deep gas exploration

[J]. Geophysical and Geochemical Exploration, 2017,41(5):852-855.

[本文引用: 1]

刘爱群, 范彩伟, 蔡军, 等.

高温高压盆地东方区黄流组三维压力建模技术

[J]. 物探与化探, 2016,40(2):423-427.

[本文引用: 1]

Liu A Q, Fan C W, Cai J, et al.

The three-dimensional pressure modeling technology for Huangliu formation of Dongfang area in the HTHP basin

[J]. Geophysical and Geochemical Exploration, 2016,40(2):423-427.

[本文引用: 1]

李中, 刘和兴, 李磊, 等.

基于改进的Bowers 法预测南海陵水深水高温地层异常压力

[J]. 西安石油大学学报:自然科学版, 2019,34(6):60-66.

[本文引用: 1]

Li Z, Liu H X, Li L, et al.

Prediction of abnormal pressure in Lingshui deep-water high temperature formation based on improved Bowers method

[J]. Journal of Xi'an Shiyou University:Natural Science Edition, 2019,34(6):60-66.

[本文引用: 1]

Bowers G L.

Determining an appropriate pore-pressure estimation strategy

[M]. Houston:Offshore Technology Conference, 2001.

[本文引用: 1]

范芬, 刘爱群, 任科英, 等.

乐东—陵水坡折带速度分析及时深转换方法

[J]. 物探与化探, 2016,40(6):1185-1191.

[本文引用: 1]

Fan F, Liu A Q, Ren K Y, et al.

Velocity analysis and time-depth conversion study of Ledong-Lingshui slope-break belt

[J]. Geophysical and Geochemical Exploration, 2016,40(6):1185-1191.

[本文引用: 1]

许知齐.

页岩油异常地层压力预测方法的研究

[D]. 武汉:长江大学, 2018.

[本文引用: 1]

Xu Z Q.

Study on prediction method of abnormal stratigraphic pressure of shale oil

[D]. Wuhan:Yangtze University, 2018.

[本文引用: 1]

沈章洪.

渤海油田古近系超压成因分类及分布特征

[J]. 中国海上油气, 2016,28(3):31-36.

[本文引用: 1]

Shen Z H.

Genetic classification and distribution characteristics of overpressure in the Paleogene of Bohai oil fields

[J]. China Offshore Oil and Gas, 2016,28(3):31-36.

[本文引用: 1]

沈章洪.

镜面反射——大套泥岩地震强反射的一种成因

[J]. 中国海上油气, 2012,24(1):43-46.

[本文引用: 1]

Shen Z H.

Mirror reflection:a cause of the strong seismic record from massive mud rocks

[J]. China Offshore Oil and Gas, 2012,24(1):43-46.

[本文引用: 1]

/

〈 〉

京ICP备05055290号-3
版权所有 © 2021《物探与化探》编辑部
通讯地址：北京市学院路29号航遥中心 邮编：100083
电话：010-62060192；62060193 E-mail：whtbjb@sina.com