2. 西南石油大学资源与环境学院, 四川成都 610500
2. School of Resources and Environment Engineering, Southwest Petroleum University, Chengdu 610500, China
油气田开发过程中, 地震地层压力预测方法可以用于描述纵、横向地层压力的分布特征, 有助于系统研究油气层压力分布规律。常用的地层压力预测方法主要分为3类, 即钻前预测法、随钻监测法和钻后检测法。钻前预测法利用地震资料来预测异常地层压力位置, 此类方法不依赖于正常压实趋势线, 其计算精度受控于研究工区的实际情况与经验假设条件的符合程度, 主要适用于地层压力变化与地层速度相关性较好的地层; 随钻监测法利用机械钻速与钻压、钻头转速、水力因素的关系预测异常压力, 此类方法由于受现场泥浆密度变化、钻头磨损等影响, 因而其监测效果往往不准确; 钻后检测法是钻后通过测井评价检测地层压力的方法, 是一种“事后”技术, 常用方法包括声波时差求取地层压力法、Eaton法[1]等, 其中Eaton方法中数幂n随不同地区变化而变化, 较难确定, 需要较多的井数据作为先验信息。因此, 在新钻井或无钻井地区, 必须采用钻前预测法得到初探区空间压力分布信息。
在钻前预测方法中, 建立正确的压力预测模型和提高地震层速度精度是提高压力预测精度的关键点。
在建立压力预测模型方面, 国内外广泛采用的是FILLIPPONE[2]通过对墨西哥湾等地区的钻井、测井、地震等多方面资料的综合研究, 提出的不依赖于正常压实速度趋势线, 而利用地震层速度预测压力的Fillippone公式, 该方法建立了地层压力随层速度变化的经验模型。随后, MARTINEZ[3]和刘震等[4]在Fillippone公式基础上考虑了密度影响, 提出应根据工区情况校正地层压力和速度之间的关系。虽然众多学者完善了压力预测模型, 但若要提高压力预测数据纵向分辨率和横向分辨率, 必须从提高地震层速度计算精度方面进行研究。
层速度计算方法主要有3类。第一类是采用叠前深度偏移的偏移速度或者全波形反演的速度结构作为层速度, 这种层速度具有揭示复杂地质背景下构造与岩性细节信息的潜力。但由于叠前深度偏移层速度模型存在多解性, 很难让解释人员信服; 而全波形反演对地震数据品质要求高, 实际应用很困难; 因此这两种方法在生产中较少采用。第二类是利用Dix公式将叠加速度或偏移速度转化成层速度。降低由于Dix公式误差较大, 且转换成层速度之后需要进行平滑处理, 因而得到的层速度失去了较多的高频成分, 在纵向上不能反映速度之间的相对变化, 降低了压力预测数据的纵向分辨率。第三类方法是利用叠后反演波阻抗数据体提取层速度的方法, 这类方法计算的层速度保留了波阻抗高频变化的特征, 提高了层速度的纵向分辨率, 但由于波阻抗反演层速度只是一个相对速度, 它的值域并不准确, 因此若直接采用波阻抗反演层速度计算地层压力, 则得到的地层压力值不准确[5-18]。
基于以上分析, 本文提出以叠前时间偏移速度计算的地震层速度体低频速度(主频较低的速度)为背景, 并利用该速度背景对目标层的波阻抗反演层速度(主频较高的速度)进行标准化处理, 将标准化后的高低频闭合速度体作为压力预测计算的层速度体, 最后结合Fillippone压力预测模型计算地层压力的新方法。
1 方法原理利用高低频速度闭合技术, 对目标层波阻抗反演层速度进行标准化处理, 再融入到地震层速度背景中, 生成高低频闭合速度体, 最后采用Fillippone压力预测模型计算地层压力。
1.1 高低频速度闭合算法地震层速度和叠后阻抗反演层速度分别代表了低频(主频较低)和高频(主频较高)的速度信息, 它们用于压力预测时各有优势。其中, 地震层速度能够较准确反映深度信息和密度信息, 而深度和密度是计算地层孔隙压力的必要条件, 但由于地震层速度相对关系变化不大, 所计算的压力数据体纵向分辨率低, 无法准确反映较小地层之间的压力变化。而叠后阻抗反演层速度是从波阻抗反演而来, 继承了阻抗的高频性质, 能够较准确地反映目标层层速度之间的相对变化, 纵向分辨率高; 但阻抗反演层速度是一个相对速度, 其绝对值范围不准确, 不能直接计算地层压力。因此, 若要采用这两种层速度计算地层孔隙压力, 必须利用地震层速度的值域范围对叠后阻抗反演层速度进行标准化处理, 标准化后的速度, 保持了波阻抗的低频和高频特征, 并被层速度的值域约束, 这种速度才能应用到压力预测模型中。
首先, 通过叠后反演获得波阻抗后, 根据目标层段的岩性情况, 结合不同岩性中速度和密度的经验公式, 获得层速度, 在岩性较复杂时, 一般采用Gardner公式[19]和阻抗计算公式, 计算目标层阻抗反演层速度:
|
(1) |
|
(2) |
式中:I为波阻抗, 单位g·cm-3·m·s-1; ρ为密度, 单位g/cm3; vimp为阻抗反演的纵波速度, 单位km/s, 联合公式(1) 和公式(2) 可得:
|
(3) |
计算得到目标层的阻抗反演层速度后, 利用目标层的地震层速度对阻抗反演层速度进行标准化处理, 有:
|
(4) |
式中:vimp(t)为变换后目标层阻抗体t时刻所对应的阻抗反演速度; vimp(t)为目标层阻抗体t时刻所对应的原始阻抗反演速度; maxvimp, minvimp分别为目标层阻抗反演速度的最大值和最小值; maxvint, minvint分别为目标层地震层速度对应的最大值和最小值。
1.2 压力预测计算得到高低频闭合速度体后, 结合Fillippone压力预测公式[2]计算地层压力, 具体公式为:
|
(5) |
式中:Pov为上覆地层压力; vmax, vmin分别为地层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, 即:
|
(6) |
式中:K=(vσ-vσ0)/(T-T0), 其中, vσ, vσ0分别表示T和T0时刻的均方根速度, T与T0分别为某一层底面和顶面的双程旅行时; v0=vσ-KT0。上覆地层压力(Pov)计算可采用如下经验公式:
|
(7) |
式中:ρ为平均密度, 单位为g/cm-3; H为计算点埋深。
2 实际资料应用在JY地区, 1870测线过JK1井, 此井有声波测井资料, 在叠后波阻抗反演过程中, 主要针对目的层段QZS组进行反演, 整个数据采样间隔为4 ms, 时间长度为3 s; 目的层段为1 350~2 150 ms, 深度约为3 300~5 600 m, 为优质页岩发育区。此次地层压力预测的目的是分析目标层压力异常分布规律, 用纵向分辨率较高的压力数据体指导钻井跟踪, 并进一步预测油气藏成藏机制。在压力预测过程中, 首先采用高低频速度闭合技术, 将目标层阻抗反演层速度与地震层速度融合成新的高低频闭合速度体; 然后, 用闭合速度体结合Fillippone压力预测公式计算出1 870过井测线的压力系数剖面和压力值剖面。
2.1 高低频速度闭合技术应用图 1显示了地震层速度和叠后阻抗反演层速度无缝闭合的应用效果。图 1a是目标层(QZS)的阻抗体, 图 1b是目标层(QZS)阻抗体反演后的层速度, 可以观察到, 反演层速度继承了阻抗体的高频特点, 能够清晰反映出采样点之间的速度信息相对变化, 但值域变化很大, 范围为3 500~7 000 m/s, 结果不准确。图 1c是地震层速度剖面, 地震目标层速度范围为5 500~6 200 m/s, 与阻抗反演速度差别较大。图 1d是未经标准化处理的目标阻抗体反演层速度替代目标层地震低频层速度的效果图, 可以看出, 目标区域阻抗反演速度体与地震层速度值域完全不同, 非常突兀, 速度范围为3 300~7 000 m/s, 因此, 在计算目标层的地层压力时, 无法正确利用地震层速度的深度和密度信息, 即无法正确计算目标层地层压力。图 1e是用标准化处理后的反演层速度替代目标层地震低频层速度的效果图, 可以发现, 标准化处理后的反演层速度与地震层速度的值域相同, 均为3 300~6 500 m/s, 无缝融入到了地震层速度背景中, 同时又能够体现出目标层中速度之间的相对变化关系。对比图 1c和图 1e可以看出, 两个剖面中目标层速度体的趋势变化非常接近, 因此, 经过标准化处理后的速度体能够用于压力预测计算。
|
图 1 地震层速度和叠后阻抗反演层速度无缝闭合的应用效果 a目标层阻抗体; b目标层阻抗反演层速度; c地震层速度剖面; d用未经标准化处理的目标阻抗体层速度替代目标层地震低频层速度的剖面; e用标准化处理后的目标阻抗体层速度替代目标层地震低频层速度的剖面 |
图 2显示了JK1井点处理后目标层反演速度与实测速度对比结果(背景为波阻抗)。从图 2中发现, 两种速度均能反映低速对应低阻抗, 高速对应高阻抗的特点, 且变换后反演速度变化趋势和实测速度相对变化特征吻合, 说明闭合处理的反演速度符合实际资料情况; 处理后目标层的反演层速度值域与目标层地震层速度值域一致, 保持了地震层速度的低频变化趋势, 能够结合地震层速度体从浅至深计算深度、密度和上覆地层压力, 共同计算地层压力。
|
图 2 JK1井点处理后目标层反演速度与实测速度对比 |
采用Fillippone公式对地震层速度体和处理后的高低频闭合速度体进行地层压力计算, 并进行效果对比。图 3显示了过JK1井的QZS组目标层分别用地震层速度和高低频闭合速度预测的压力系数时间剖面对比结果。从图 3a中可以发现, 基于地震层速度计算的压力系数纵向分辨率很低, 无法体现压力趋势的细节特征, 压力系数范围在1.20~1.46;从图 3b中观察到, 基于高低频闭合速度预测的压力系数具有丰富的细节变化, 时间剖面上出现明显的高压和常压之间的强弱转换, 特别是出现了两个常压层之间的高压层, 有利于指导工程钻井施工, 压力系数范围为1.17~1.50;从图 3c可以发现, QZS组底部页岩从南至北存在压力系统联通性, 油气保存条件较好。
|
图 3 过JK1井分别用地震层速度和闭合后反演速度预测的压力系数时间剖面对比 a基于地震层速度计算的压力系数; b基于高低频闭合速度计算的压力系数; c压力系数与振幅叠合效果 |
分别用地震层速度和高低频闭合速度对过JK1井的QZS组目标层进行压力预测, 其时间剖面如图 4所示。从图 4a中可以看出, 基于地震层速度计算的压力值纵向分辨率很低, 压力值范围在45~73 MPa; 从图 4b中可以看出, 高低频闭合速度预测的地层压力值具有丰富的细节变化, 特别是随着深度变化, 时间剖面上出现明显的常压—弱超压—常压之间的压力转换, 这说明该目标区域弱超压特征明显, 不符合常规变化规律(常规变化是压力随着深度增大而增大), 压力值范围为43~75 MPa。
|
图 4 过JK1井QZS组目标层的基于地震层速度(a)和高低频闭合速度(b)计算的压力值时间剖面 |
表 1为JK1井分别采用地震层速度和高低频闭合速度体的预测压力系数、压力值与实测压力系数及压力值对比结果, 从表 1可以看出, 地震层速度的预测结果误差大于10%, 而高低频闭合速度体预测结果误差在6%以内, 与实测结果基本吻合, 其预测精度高于地震层速度预测精度。
|
表 1 JK1井预测压力系数、压力值与实测压力系数、压力值的对比结果 |
利用地震层速度预测地层压力时, 高低频速度闭合技术无法反映地层压力纵向细节的问题, 我们提出利用地震层速度的值域对阻抗反演层速度进行标准化处理, 使处理后的层速度体既具有地震层速度准确的值域范围, 又保留了阻抗高频细节变化的特征, 从而在压力计算中提高地层压力数据体的纵向分辨率。实际资料处理结果表明, 基于该技术的压力预测结果, 在纵向上能够对目标层的低压带、常压带、弱超压带和超压带进行定性划分, 并可观察目标层的压力系统或单元之间的连通性, 为钻井跟踪工作提供高分辨率的压力系数剖面, 有效指导钻井施工, 对于页岩工区具有很好的应用前景。
| [1] | EATON B A. The equation for geopressure prediction from well log[J]. Society of Petroleum Engineers of AIME, 1975, SPE5544: 1-5 |
| [2] | FILLIPPONE W R. Estimation of formation parameters and the prediction of overpressures from seismic data[J]. Expanded Abstracts of 52nd Annual Internat SEG Mtg, 1982: 502-503 |
| [3] | MARTINEZ R D. Deterministic estimation of porosity and formation pressure from seismic data[J]. Expanded Abstracts of 55th Annual Internat SEG Mtg, 1985: 461-464 |
| [4] |
刘震, 张万选, 张厚福, 等. 辽西凹陷北洼下第三系异常地层压力分析[J].
石油学报, 1993, 14(1): 14-24 LIU Z, ZHANG W X, ZHANG H F, et al. An analysis of abnormal formation pressures of Paleogene in the north sag of Liaoxi depression[J]. Acta Petrolei Sinica, 1993, 14(1): 14-24 DOI:10.7623/syxb199301002 |
| [5] |
倪冬梅, 韩立国, 宁媛丽, 等. 双谱速度分析下的地层压力预测[J].
世界地质, 2011, 30(4): 648-653 NI D M, HAN L G, NING Y L, et al. Formation pressure prediction by analysis on bi-spectrum velocity[J]. Global Geology, 2011, 30(4): 648-653 |
| [6] |
王英民, 夏广胜, 雷振宇, 等. 基于地震速度谱的深水区地层压力预测[J].
油气地球物理, 2011, 9(1): 15-18 WANG Y M, XIA G S, LEI Z Y, et al. Formation pressure prediction in the deep-water area based on seismic velocity spectrum[J]. Petroleum Geophysics, 2011, 9(1): 15-18 |
| [7] |
王兴岭, 冯斌, 李心宁. 井约束地震压力预测在滚动勘探开发中的应用[J].
石油地球物理勘探, 2002, 37(4): 391-394 WANG X L, FENG B, LI X N. Application of prediction by well-constrained seismic pressure in rolling exploration and development[J]. Oil Geophysical Prospecting, 2002, 37(4): 391-394 |
| [8] |
李刚毅. 地层压力预测技术及应用研究[D]. 成都理工大学, 2009
LI G Y.Application and Research on the Technology of Formation Pressure Predication[D]. Chengdu:Chengdu University of Technology, 2009 http://cdmd.cnki.com.cn/Article/CDMD-10616-2009221321.htm |
| [9] |
刘火祥. 利用地震资料约束反演预测地层压力[J].
石油地球物理勘探, 1995, 30(3): 400-404 LIU H X. Formation pressure prediction using restrained inversion of seismic data[J]. Oil Geophysical Prospecting, 1995, 30(3): 400-404 |
| [10] | WINTHAEGEN P L A, VERWEIJ J M. Estimating regional pore pressure distribution using 3D seismic velocities in the Dutch Central Sea Graben[J]. Journal of Geochemical Exploration, 2003, 78(3): 203-207 |
| [11] | DOMNESTEANU P, MCCANN C, SOTHCOTT J. Velocity anisotropy and attenuation of shale in under-and overpressured conditions[J]. Geophysical Prospecting, 2002, 50(5): 487-503 DOI:10.1046/j.1365-2478.2002.00329.x |
| [12] | HOTTMAN G E, JOHNSON R K. Estimation of formation pressures from log-derived shale properties[J]. Journal of Petroleum Technology, 1965, 17(6): 717-722 DOI:10.2118/1110-PA |
| [13] | FOSTER J B, WHALEN H E. Estimation of formation pressures from electrical surveys-offshore Louisiana[J]. Journal of Petroleum Technology, 1966, 18(2): 165-171 DOI:10.2118/1200-PA |
| [14] | ÖZDO ǦAN Y, NOLEN-HOEKSEMA R C, AMOS N. Pore pressure profiles in fractured and compacted rocks[J]. Geophysical Prospecting, 1994, 42(6): 693-714 DOI:10.1111/gpr.1994.42.issue-6 |
| [15] | LEE S, REILLY J, LOWE R, et al. Accurate pore pressure and frature pressure prediction using seismic velocities-an aid to deep water exploration and drilling design[J]. Expanded Abstracts of 67th Annual Internat SEG Mtg, 1997: 2013-2016 |
| [16] |
石万忠, 何生, 陈红汉. 多地震属性联合反演在地层压力预测中的应用[J].
石油物探, 2006, 45(6): 580-585 SHI W Z, HE S, CHEN H H. Application of joint inverse modeling of multi-seismic-attributes in predicting formation pressure[J]. Geophysical Prospecting for Petroleum, 2006, 45(6): 580-585 |
| [17] |
张世晖, 刘天佑, 晏银华. 惩罚函数法井约束地层压力预测[J].
石油物探, 2002, 41(3): 285-288 ZHANG S H, LIU T Y, YAN Y H. Log-constrained formation pressure estimation via SUMT method[J]. Geophysical Prospecting for Petroleum, 2002, 41(3): 285-288 |
| [18] |
张卫华, 何生, 郭全仕. 驾掌寺地区地层压力预测研究[J].
石油物探, 2005, 44(3): 276-279 ZHANG W H, HE S, GUO Q S. The Formation pressure prediction in Jiazhangsi area[J]. Geophysical Prospecting for Petroleum, 2005, 44(3): 276-279 |
| [19] | GARDNER G H F, GARDNER L W, Gregory A R. Formation velocity and density-the diagnostic basics for stratigraphic traps[J]. Geophysics, 1974, 39(6): 770-780 DOI:10.1190/1.1440465 |