CN105298478A - 一种用于断裂构造的地层孔隙压力确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种断裂构造的地层孔隙压力的确定方法，能够克服传统方法无法计算断裂构造地层孔隙压力的不足，工程实用性强，具有较高的计算精度。包括以下步骤：(1)选择一口参考井，利用测井数据确定成压机制(加载或卸载)和计算模型；(2)利用参考井的测井数据(H，DT，DEN)、孔隙压力测试结果(P_p＝f(H))和计算模型，反演各地层的计算参数(X或A、B)；(3)将参考井的孔隙压力测试结果(P_p＝f(H))转化为目标井的孔隙压力参考值(4)分别对正断层、逆断层和走滑断层，计算地层孔隙压力上限<maths num="0001"></maths>(5)利P＇_p=f＇(H＇)和P_upper对步骤2中的计算参数进行修正，获得新的计算参数X＇、A＇、B＇，并计算目标井的地层孔隙压力。

Description

一种用于断裂构造的地层孔隙压力确定方法

技术领域

本发明涉及一种石油开发领域中地层孔隙压力的确定方法，具体涉及一种断裂构造的地层孔隙压力的确定方法。

背景技术

随着浅层油气资源的不断开采，浅层油气资源已接近枯竭，为了满足日益增长的能源需求，深层油气资源和复杂地层油气资源越来越引起人们的关注。断裂构造受地地质构造影响强烈，地层断裂、断层发育，油气藏比较分散，开发难度大。同时，断裂构造地层非均质性强，地层孔隙压力分布不均匀，导致钻井溢流甚至井喷事故频发，给钻井带来了极大的困难。地层孔隙压力是指岩石孔隙中流体(油、气、水)具有的压力，也简称为地层压力或者孔隙压力。正常压实地层具有的地层孔隙压力等于从地表到地下某处的连续地层水的静液压力。高于正常静液压力的地层孔隙压力称为异常高压。对于钻井工程来说，异常高压带来潜在威胁包括井眼报废、井漏、井喷、井壁失稳、卡钻、地层污染、多余套管和钻井成本增加等。因此异常高压一直是钻井承包商、地质学家和工程师们研究的重点，对地层孔隙压力进行准确计算和分析有助于优化钻井设计、保证钻井安全、提高钻井效率。近年来，由于复杂油气藏和深水油气资源勘探开发的快速发展，对钻井工程提出了更高的要求。钻井工程师们发现常规的地层孔隙压力计算结果有时很不准确，在某些地质条件下地层孔隙压力的计算精度不能满足工程需求，因此有必要开展提高地层孔隙压力计算精度新方法的研究与应用。

确定地层孔隙压力的传统方法是首先选择计算模型，然后利用已钻井反演计算参数，最后地震或者测井数据计算目标井的地层孔隙压力。但在断裂构造中，地质构造运动强烈，地层抬升剥蚀严重，地层沉积层序性的差异较大。另一方面，断裂和断层发育，可能导致油气运移受阻，也可能产生新的油气通道，地层孔隙压力的横向非均质性增大。因此是实际钻井过程中，利用已钻井反演的计算参数往往误差很大，导致目标井地层孔隙压力预测失准，进而影响合理钻井液密度和井身结构的设计，说明传统的方法并不适用。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种具有工程实用性的断裂构造地层孔隙压力的确定方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种断裂构造的地层孔隙压力确定方法，包括以下步骤：

1)针对目标井，选择一口距离比较近的参考井，获得参考井的地层沉积层序、测井数据(H，DT，DEN)和地层孔隙压力测试结果(P_p＝f(H))，利用测井数据确定成压机制(加载或卸载)和孔隙压力计算模型(Eaton模型或Bowers模型)；其中P_p为地层孔隙压力压力实测值，f()为地层孔隙压力实测值与地层深度的关系，H为测井地层深度，DT为声波时差，DEN为地层密度；

2)利用参考井的测井数据(H，DT，DEN)、地层孔隙压力测试结果(P_p＝f(H))和步骤1)确定的计算模型(Eaton模型或Bowers模型)，反演各地层的计算参数(X或A、B)；其中X、A、B为计算参数

3)对比目标井和参考井的地层沉积层序，利用水利联通原理将参考井的地层孔隙压力测试结果(P_p＝f(H))转化为目标井的地层孔隙压力测试结果(P′_p＝f′(H′))，其中P′_p为转化之后的目标井地层孔隙压力测试结果，H′为转换之后的测试深度，f′()为转化后的地层孔隙压力测试值与地层深度的关系。

4)根据地震剖面判断目标井所在区块的断层类型，分别针对正断层、逆断层和走滑断层，采用下列关系计算地层孔隙压力上限 $P_{upper}=\{P_{upper}{|}_{\min }^{normal},P_{upper}{|}_{\min }^{reverse},P_{upper}{|}_{\min }^{strike}\},$ 其中：

正断层孔隙压力上限： $P_{upper}{|}_{\min }^{normal}=\frac{\left(\frac{6{\mathrm{\&mu;}}_s-1}{1-{\mathrm{\&mu;}}_s}\right)\&Integral;\mathrm{\&rho;}gdh+\frac{5({\mathrm{\&epsiv;}}_h{E}_s+{\mathrm{\&mu;}}_s{\mathrm{\&epsiv;}}_H{E}_s)}{1-{\mathrm{\&mu;}}_s^2}}{\&lsqb;5\mathrm{\&alpha;}(\frac{{\mathrm{\&mu;}}_s}{1-{\mathrm{\&mu;}}_s}-1)+4\&rsqb;}$

逆断层孔隙压力上限： $P_{upper}{|}_{\min }^{reverse}=\frac{\left(\frac{5-6{\mathrm{\&mu;}}_s}{1-{\mathrm{\&mu;}}_s}\right)\&Integral;\mathrm{\&rho;}gdh-\frac{{\mathrm{\&epsiv;}}_H{E}_s+{\mathrm{\&mu;}}_s{\mathrm{\&epsiv;}}_h{E}_s}{1-{\mathrm{\&mu;}}_s^2}}{\&lsqb;4-\mathrm{\&alpha;}(\frac{{\mathrm{\&mu;}}_s}{1-{\mathrm{\&mu;}}_s}+1)\&rsqb;}$

走滑断层孔隙压力上限： $P_{upper}{|}_{\min }^{strike}=\frac{\left(\frac{{\mathrm{\&mu;}}_s}{1-{\mathrm{\&mu;}}_s}\right)\&Integral;\mathrm{\&rho;}gdh+\frac{E_s(5{\mathrm{\&epsiv;}}_h-{\mathrm{\&epsiv;}}_H)+{\mathrm{\&mu;}}_s{E}_s(5{\mathrm{\&epsiv;}}_H-{\mathrm{\&epsiv;}}_h)}{4(1-{\mathrm{\&mu;}}_s^2)}}{\&lsqb;1+\mathrm{\&alpha;}(\frac{{\mathrm{\&mu;}}_s}{1-{\mathrm{\&mu;}}_s}-1)\&rsqb;}$

式中，ε_h，ε_H均为应力构造系数，由室内试验获得；μ_S，E_S分别为地层静态泊松比和弹性模量，可由动态泊松比和弹性模量转化，由室内试验获得；ρ为地层密度；h为地层深度；α为有效应力系数。

5)利用步骤3)中的转后的地层孔隙压力测试值P′_p＝f′(H′)和步骤4)中的地层孔隙压力上限P_upper对步骤2中的计算参数进行修正，获得新的计算参数X′、A′、B′；

6)利用新的计算参数和计算模型(Eaton模型或Bowers模型)计算目标井的地层孔隙压力。

本发明由于采用以上技术方案，其具有以下优点：本发明是在传统孔隙压力计算方法的基础上提出的改进方法，该方法工程实用性强，充分利用了地层孔隙压力测试结果和地震数据这一现场能够获得的少数数据，有效提高了孔隙压力计算精度，经过现场实际情况检验，具有很好的应用效果。本发明适用于断裂构造地层孔隙压力的预测。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为地层异常高压加载成压机制的示意图；

图3为地层异常高压卸载成压机制的示意图；

图4为水利连通对地层压力测试值转化的示意图；

图5为用于判断地层孔隙压力的地层孔隙压力上限图版；

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明进行详细的描述。

本发明的一种用于断裂构造的地层孔隙压力确定方法，包括以下步骤(如图1所示)：

1)针对目标井，选择一口距离比较近的参考井，获得参考井的地层沉积层序、测井数据(H，DT，DEN)和地层孔隙压力测试结果(P_p＝f(H))，利用测井数据确定成压机制(加载或卸载)和孔隙压力计算模型(Eaton模型或Bowers模型)；其中P_p为地层孔隙压力压力实测值，f()为地层孔隙压力实测值与地层深度的关系，H为测井地层深度，DT为声波时差，DEN为地层密度。具体过程如下：

传统的孔隙压力计算模型包括Eaton模型和Bower模型，可描述为：

Eaton模型： $P_p={\mathrm{\&sigma;}}_v-({\mathrm{\&sigma;}}_v-{\mathrm{\&rho;}}_{sw}){\left(\frac{{\mathrm{DT}}_{nl}}{DT}\right)}^X$

Bowser加载模型： $P_p={\mathrm{\&sigma;}}_v-\frac{{\left(\frac{1/DT-1/{\mathrm{DT}}_{ml}}{A}\right)}^{(1/B)}}{H}$

Bowser卸载模型： $P_p={\mathrm{\&sigma;}}_v-\frac{{\left({\mathrm{\&sigma;}}_{max}\right)}^{(1-U)}{\left(\frac{1/DT-1/{\mathrm{DT}}_{ml}}{A}\right)}^{(U/B)}}{H}$

式中，P_p为孔隙压力，g/cm³；σ_v为上覆岩层压力，g/cm³；ρ_sw为海水密度，g/cm³；DT为测井声波时差，s/m；DT_nl为正常声波时差值，s/m；X为Eaton系数；H为地层深度，m；DT_ml为未胶结饱和粘土中的声波时差，s/m；A、B是经验参数；σ_max是最大有效应力，MPa

但是为了选择合适的计算模型，需要判断异常高压的成压机制，将已钻井的声波时差(DT)和密度(DEN)测井数据做成交汇图，分别根据图2和图3判断异常高压的成压机制。如果是加载机制，则采用Eaton模型或Bower加载模型，如果是卸载机制，则采用Bowers卸载模型。

2)利用参考井的测井数据(H，DT，DEN)、地层孔隙压力测试结果(P_p＝f(H))和上述确定的计算模型(Eaton模型或Bowers模型)，反演各地层的计算参数(X或A、B)；其中X、A、B为计算参数。

3)对比目标井和参考井的地层沉积层序，利用水利联通原理将参考井的地层孔隙压力测试结果(P_p＝f(H))转化为目标井的地层孔隙压力测试结果(P′_p＝f′(H′))，其中P′_p为转化之后的目标井地层孔隙压力测试结果，H′为转换之后的测试深度，f′()为转化后的地层孔隙压力测试值与地层深度的关系。具体过程如下：

转化过程如图4所示，利用已钻井的地层分层和压力测试数据求出地层转化系数，地层转化系数代表已钻井压力测试点深度与该地层厚度的比值，如下：

$k=\frac{H_{1p}-H_{1t}}{H_{1b}-H_{1t}}$

式中，k为地层转化系数；H_p为压力测试点深度，m；H_t为压力测试点所在地层的顶部深度，m；H_b为压力测试点所在地层的底部深度，m；1代表已钻井；2代表目标井。

根据目标井的预测地层分层求出校正的地层压力测试点深度，如式：

H_2p＝H_2t+k(H_2b-H_2t)

由此可得转化后的地层孔隙压力测试值：

ρ_2p＝ρ_1pH_1p/H_2p+ρ_f(H_2p-H_1P)/H_2p

式中，ρ_p为地层压力系数，g/cm³；g为重力加速度，m/s²；ρ_f为地层流体密度，g/cm³。

由一系列的转化后的地层孔隙压力测试值可得P′_p＝f′(H′)。

4)利用三轴试验机测试获得应力构造系数(ε_h，ε_H)和动态弹性模量和泊松比(μ_d，E_d)。

5)根据地震剖面判断目标井所在区块的断层类型，分别针对正断层、逆断层和走滑断层，采用下列关系计算地层孔隙压力上限 $P_{upper}=\{P_{upper}{|}_{\min }^{normal},P_{upper}{|}_{\min }^{reverse},P_{upper}{|}_{\min }^{strike}\},$ 其中：

正断层孔隙压力上限： $P_{upper}{|}_{\min }^{normal}=\frac{\left(\frac{6{\mathrm{\&mu;}}_s-1}{1-{\mathrm{\&mu;}}_s}\right)\&Integral;\mathrm{\&rho;}gdh+\frac{5({\mathrm{\&epsiv;}}_h{E}_s+{\mathrm{\&mu;}}_s{\mathrm{\&epsiv;}}_H{E}_s)}{1-{\mathrm{\&mu;}}_s^2}}{\&lsqb;5\mathrm{\&alpha;}(\frac{{\mathrm{\&mu;}}_s}{1-{\mathrm{\&mu;}}_s}-1)+4\&rsqb;}$

逆断层孔隙压力上限： $P_{upper}{|}_{\min }^{reverse}=\frac{\left(\frac{5-6{\mathrm{\&mu;}}_s}{1-{\mathrm{\&mu;}}_s}\right)\&Integral;\mathrm{\&rho;}gdh-\frac{{\mathrm{\&epsiv;}}_H{E}_s+{\mathrm{\&mu;}}_s{\mathrm{\&epsiv;}}_h{E}_s}{1-{\mathrm{\&mu;}}_s^2}}{\&lsqb;4-\mathrm{\&alpha;}(\frac{{\mathrm{\&mu;}}_s}{1-{\mathrm{\&mu;}}_s}+1)\&rsqb;}$

走滑断层孔隙压力上限： $P_{upper}{|}_{\min }^{strike}=\frac{\left(\frac{{\mathrm{\&mu;}}_s}{1-{\mathrm{\&mu;}}_s}\right)\&Integral;\mathrm{\&rho;}gdh+\frac{E_s(5{\mathrm{\&epsiv;}}_h-{\mathrm{\&epsiv;}}_H)+{\mathrm{\&mu;}}_s{E}_s(5{\mathrm{\&epsiv;}}_H-{\mathrm{\&epsiv;}}_h)}{4(1-{\mathrm{\&mu;}}_s^2)}}{\&lsqb;1+\mathrm{\&alpha;}(\frac{{\mathrm{\&mu;}}_s}{1-{\mathrm{\&mu;}}_s}-1)\&rsqb;}$

式中，ε_h，ε_H均为应力构造系数，由室内试验获得；μ_s，E_s分别为地层静态泊松比和弹性模量，可由动态泊松比和弹性模量转化，由室内试验获得；ρ为地层密度；h为地层深度；α为有效应力系数。

图5表示最终得到的孔隙压力上限图版。

6)利用步骤3)中的转后的地层孔隙压力测试值P′_p＝f′(H′)和步骤5)中的地层孔隙压力上限P_upper对步骤2中的计算参数进行修正，获得新的计算参数X′、A′、B′；

7)利用新的计算参数和计算模型(Eaton模型或Bowers模型)计算目标井的地层孔隙压力。

Claims (5)

1.一种断裂构造的地层孔隙压力确定方法，包括以下步骤：(1)针对目标井，选择一口距离比较近的参考井，获得参考井的地层沉积层序、测井数据(H，DT，DEN)和地层孔隙压力测试结果(P_p＝f(H))，利用测井数据确定成压机制(加载或卸载)和孔隙压力计算模型(Eaton模型或Bowers模型)；其中P_p为地层孔隙压力压力实测值，f()为地层孔隙压力实测值与地层深度的关系，H为测井地层深度，DT为声波时差，DEN为地层密度；(2)利用参考井的测井数据(H，DT，DEN)、地层孔隙压力测试结果(P_p＝f(H))和步骤(1)确定的计算模型(Eaton模型或Bowers模型)，反演各地层的计算参数(X或A、B)；其中X、A、B为计算参数；(3)对比目标井和参考井的地层沉积层序，利用水利联通原理将参考井的地层孔隙压力测试结果(P_p＝f(H))转化为目标井的地层孔隙压力测试结果(P′_p＝f′(H′))，其中P′_p为转化之后的目标井地层孔隙压力测试结果，H′为转换之后的测试深度，f′()为转化后的地层孔隙压力测试值与地层深度的关系。(4)根据地震剖面判断目标井所在区块的断层类型，分别针对正断层、逆断层和走滑断层，采用下列关系计算地层孔隙压力上限 $P_{upper}=\{P_{upper}{|}_{\min }^{normal},P_{upper}{|}_{\min }^{reverse},P_{upper}{|}_{\min }^{strike}\},$ 其中正断层孔隙压力上限为逆断层孔隙压力上限为走滑断层孔隙压力上限为式中，ε_h，ε_H均为应力构造系数，由室内试验获得；μ_s，E_s分别为地层静态泊松比和弹性模量，可由动态泊松比和弹性模量转化，由室内试验获得；ρ为地层密度；h为地层深度；α为有效应力系数；(5)利用步骤(3)中的转后的地层孔隙压力测试值P′_p＝f′(H′)和步骤(4)中的地层孔隙压力上限P_upper对步骤(2)中的计算参数进行修正，获得新的计算参数X′、A′、B′；(6)利用新的计算参数和计算模型(Eaton模型或Bowers模型)计算目标井的地层孔隙压力。

2.如权利要求1所述的一种断裂构造的地层孔隙压力确定方法，其特征在于，所述步骤(3)中对已钻井地层孔隙压力实测值的转化方法，为利用已钻井的地层分层和压力测试数据求出地层转化系数，地层转化系数代表已钻井压力测试点深度与该地层厚度的比值，如下式中，k为地层转化系数；H_p为压力测试点深度，m；H_t为压力测试点所在地层的顶部深度，m；H_b为压力测试点所在地层的底部深度，m；1代表已钻井；2代表目标井。根据目标井的预测地层分层求出校正的地层压力测试点深度，如式H_2p＝H_2t+k(H_2b-H_2t)，由此可得转化后的地层孔隙压力测试值为ρ_2p＝ρ_1pH_1p/H_2p+ρ_f(H_2p-H_1p)/H_2p，式中，ρ_p为地层压力系数，g/cm³；g为重力加速度，m/s²；ρ_f为地层流体密度，g/cm³；由一系列的转化后的地层孔隙压力测试值可得P′_p＝f′(H′)。

3.如权利要求1所述的一种断裂构造的地层孔隙压力确定方法，其特征在于，所述步骤(4)中地层孔隙压力上限确定方法，为：

针对正断层、逆断层和走滑断层，采用下列关系计算地层孔隙压力上限 $P_{upper}=\{P_{upper}{|}_{\min }^{normal},P_{upper}{|}_{\min }^{reverse},P_{upper}{|}_{\min }^{strike}\},$ 其中正断层孔隙压力上限：逆断层孔隙压力上限：走滑断层孔隙压力上限：式中，ε_h，ε_H均为应力构造系数，由室内试验获得；μ_s，E_s分别为地层静态泊松比和弹性模量，可由动态泊松比和弹性模量转化，由室内试验获得；ρ为地层密度；h为地层深度；α为有效应力系数。

4.如权利要求1或3所述的一种断裂构造的地层孔隙压力确定方法，其特征在于，所述步骤(4)中的应力构造系数采用岩石三轴试验机获得。

5.如权利要求1或3所述的一种断裂构造的地层孔隙压力确定方法，其特征在于，所述步骤(4)中的动态弹性模量和泊松比采用岩石三轴试验机获得。