基于巖石物理學參數計算地層壓力的方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及勘探地球物理資料處理技術領域，特別是涉及到巖石物理學中一種基 于巖石物理學參數計算地層壓力的方法。
【背景技術】
[0002] 目前地層壓力（地層孔隙流體壓力）預測的應用主要分為兩個方面，一是利用地 震速度對地層壓力進行鉆前預測，為鉆井工程服務，主要是對地層可能存在的異常高壓進 行預測，防止鉆井事故發生，鉆井泥漿比重一般介于地層的正常壓力和地層破裂壓力之間。 二是利用測井資料對已鉆井進行地層壓力估算，進一步預測地層的應力、破裂壓力和坍塌 壓力，以便對儲層進行壓裂，為石油勘探開發服務。除此之外，一些地質學家們期望精確的 地層壓力預測能為油氣聚集成藏研究提供一些有利的證據，以便進行油氣成藏的分析。
[0003] 精確的地層壓力預測一直是石油勘探開發中所面臨的一大難題，由于地層壓力的 成因復雜，不同地區的壓力特征也有所不同。以泥巖或頁巖（以下簡稱泥頁巖）欠壓實和 等效深度法為理論基礎的地層壓力預測方法長期以來在地層壓力預測研究中占主導地位。 關于地層異常高壓力的成因和表現方面，一般認為泥頁巖的欠壓實作用，由于孔隙中的流 體不能排出，孔隙體積維持壓實前的狀態（比正常壓實狀態下的孔隙體積大），此時泥頁巖 縱波速度會比正常壓實情況下的縱波速度低，在這種情況下泥頁巖能導致地層產生異常高 壓；而在實際鉆井中，地層的異常高壓都表現在可滲透性地層（如砂巖）發育層段。根據實 際資料分析，即使是欠壓實的泥頁巖的孔隙度也是非常低的，孔喉半徑十分的微小，毛細管 壓力非常的大，孔隙中的流體以束縛水的狀態存在，同時泥頁巖的滲透率是非常低的（除 泥頁巖裂縫外），其內部和外部的流體無法通過泥頁巖，所以在鉆井過程中鉆遇到泥頁巖層 段地層一般不會表現出異常高壓。
[0004] 在上述這種情況下，一直存在爭論，有的人認為此時泥頁巖不存在高壓，而有的人 認為此時泥頁巖存在高壓，只是泥頁巖中的流體太少，滲透率極低，所以表現不出高壓。關 于此爭論目前還沒有權威來定論誰是正確的，誰是不正確的。李傳亮（2009)指出泥巖地層 是否存在異常高壓從來沒有被證實過，因為其地層壓力無法實測；并且指出等效深度法并 不等效。Shaker (2002)認為目前地層壓力的術語可能被混淆了，預測的地層壓力是那些相 對不滲透巖石（頁巖和泥巖）的地層壓力，而實際測量的地層壓力卻是儲層特性巖石（砂 巖）的地層壓力。在很多情況下，砂巖孔隙中的壓力與頁巖夾層的壓力沒有直接的關系，地 層孔隙壓力的預測存在疑點和誤區。Zoback(2011)認為有兩種情況需要根據地球物理數據 預測地層壓力：第一種情況是鉆前通過地震反射數據預測孔隙壓力，在可能出現的高壓地 區進行鉆井安全設計需要孔隙壓力剖面；第二種情況是估算頁巖中的孔隙壓力，由于滲透 性較差難以直接測量，即使在鉆后也需要檢測。在這兩種情況下，在某些區域應用效果較好 的技術手段有可能在其他區域變得不適用。并且指出，在存在較大擠壓應力或者沉積和初 始壓實后孔隙壓力增加較大的情況下，不能利用簡單壓實曲線對孔隙壓力進行預測。一個 以泥頁巖欠壓實或等效深度法為理論基礎的地層壓力預測經驗公式很難揭示地層壓力的 本質，這一直是地層壓力預測技術研究的一個瓶頸，由此可見地層壓力的研究目前還存在 一些疑點需要解決，尋找地層壓力的本質才是最根本的途徑。
[0005] 根據石油勘探實踐發現，地層異常高壓力與油氣聚集有著非常密切的關系，簡單 來講地層孔隙中的流體受到擠壓或膨脹作用，如果流體不能發生轉移，那么就意味著會產 生異常高壓，這是一個遵循石油地質學油氣運移理論的原理。從巖石物理學的角度來講，如 果砂巖儲層中存在異常高壓的流體，那么巖石物理學參數（如泊松比、體積模量、剪切模量 等巖石物理參數）與正常壓力狀態下的巖石物理參數有什么區別呢？ 一直以來，大家公認 為縱波速度（如聲波測井速度、VSP測井速度和地震速度）是預測地層壓力的最佳參數，即
[0006]
[0007] 其中VP是巖石的縱波速度，K是巖石的體積模量，μ是巖石的剪切模量，P是巖 石的密度。可以看出，地層壓力其實是地層巖石物理學參數的一個綜合表現結果，這就提出 一個問題，我們在預測地層壓力時，實質上在預測什么，要想獲得更加精確的地層壓力預測 結果，有沒有更好的途徑。

【發明內容】

[0008] 本發明的目的是針對目前地層壓力預測的難點和疑點，如何從地層壓力的力學特 性來展開巖石物理學方面的研究將會是一個好的出發點，地層壓力的研究要建立在地質背 景的分析和巖石力學理論的基礎上，結合地球物理勘探方法來對地層壓力進行表征，提出 了一種基于巖石物理學參數計算地層壓力的方法。該方法根據Skempton系數Β和多孔介質 有效應力原理推導出一種新的地層壓力計算方法，通過求取有效應力系數α和Skempton 系數B估算地層壓力。
[0009] 本發明的目的通過如下技術措施來實現。
[0010] 基于巖石物理學參數計算地層壓力（地層孔隙流體壓力）的方法，利用地層的縱 波速度vp、橫波速度、、密度P和孔隙度Φ測井數據，并按如下步驟：
[0011] 步驟1，利用Gassmann方程推導出干巖體積模量KdlT和巖石基質物質（顆粒）的 體積模量ΚΜ的比值f的表達式； λ.μ
[0012] 步驟2,根據V-G-H模型計算礦物（顆粒）成分的有效體積模量Km，Wood模型計 算孔隙流體的體積模量K f，求取^1之值，由此求取有效應力系數α和Skempton系數B ;
[0013] 步驟3,根據Skempton系數B和多孔介質有效應力原理推導出一種新的地層壓力 計算方法，并且根據有效應力系數α和Skempton系數B估算地層壓力。
[0014] 上述方案進一步包括：
[0015] 在步驟1中，利用Gassmann方程推導出干巖體積模量KdlT和巖石基質物質（顆粒） 的體積模量κ Μ的比值&的表達式：
[0016]
(1-1)
[0017] 式中：KdlT為干巖體積模量，KTOt為飽和巖石的體積模量（濕巖），K ma為巖石基質物 質（顆粒）的體積模量，Kf為孔隙流體的體積模量，Φ為巖石的孔隙度。
[0018] 在步驟1中，具體推導步驟如下：
[0019] 由 Gassmann 方程得
[0020](1-·-2) 、 ，
wv··/' uw /t wr; t- s x
[0021] 同時由波動方程得
(1?3)
[0022]
[0023] 根據（1一2)、（1一3)兩式得到巖石在不排水情況下的體積模量
[0024]
[0025] 由（1一5)式得到干燥巖石的體積模量
[0026]
[0027]
[0028]
[0029] 在步驟2中，根據V-G-H模型計算礦物（顆粒）成分的有效體積模量ΚΜ，Wood模 A.\.. 型計算孔隙流體的體積模量Kf，求取·#·;??之值，由此求取有效應力系數α和Skempton系數 八ma. B〇
[0030] 在步驟2中，具體推導步驟如下： Ιζ
[0031] 根據上述步驟1中求得的結果可進一步求取有效應力系數a，即a = 因 此只需求取巖石在不排水情況下的體積模量KTOt、巖石基質物質（顆粒）的體積模量ΚΜ和 孔隙流體的體積模量Kf，就可直接求得Biot系數a。
[0032] 根據上述（1一 3)、（1一4)兩式推導得到
[0033]
[0034] 式中：VP為巖石的縱波速度，Vs為巖石的橫波速度，P為巖石密度。
[0035] 由Wood (1955)模型來求取孔隙流體的體積模量：
[0036]
[0037]
[0038] p = SWPW+(1-SW) Phyd
[0039] 式中：V為孔隙流體的速度，KR為孔隙流體的體積模量，P為孔隙流體的密度，S w 為含水飽和度，Kw為水的體積模量，Khyd為烴類的體積模量，p w為水的密度，p hyd為烴類的 密度。
[0040] 對于孔隙中全為水時，孔隙流體的體積模量為
[0041]
[0042] 式中：Kf為孔隙流體的體積模量，Vf為孔隙流體的速度，P f為孔隙流體密度。
[0043] 由Voigt，Reuss和Hill (又稱V-R-H模量模型）的模量模型估算巖石基質物質 (顆粒）的體積模量Km:
[0044] Km 的下界（Russ)為
[0048] Hill 求平均[0049] Kna= (Kr+Kv)/2 (1-13)
[0045]
[0046]
[0047] A-
[0050] 由以上求得Kwet、Kma和Kf，代入上述對應的式（1-7)，即可計算出+之值，由此 ?ζ 可根據a = 計算出有效應力系數α。此方法計算有效應力系數系數α只需要巖石 的縱波速度VP、橫波速度、、密度Ρ和孔隙度Φ，以及孔隙流體的速度Vf和密度Pf等數 據，就可輕易地求出效應力系數系數α，在實際應用中簡單實用，便于操作。
[0051] 在步驟2中，根據Skempton(1954)給出的孔隙壓力dP與施加的壓縮應力do之 間的關系表達式和巖石干燥孔隙空間的剛度Κφ (Jaeger和Cook, 1969 ;Zimmerman，1991)的 表達式推導出Skempton系數B的可計算表達式，其推導過程為
[0052]
[0053]
[0054] 由（1 -14)和（1 -15)兩式推導得到Skempton系數B的計算表達式：
[0055]
[0056] 式中：dP為孔隙流體壓力，do為平均應力。根據求取的f之值，ΚΜ和K f來估 my 算 Skempton 系數 B。
[0057] 在步驟3中，根據Skempton系數B和多孔介質有效應力原理推導出一種新的地層 壓力計算方法，并且根據有效應力系數α和Skempton系數B估算地層壓力。其基本推導 過程為：
[0058] 根據式（1 一16)可輕易地求出Skempton系數B，同時可以根據Skempton系數B、 孔隙流體壓力dP和平均應力d 〇的關系推導巖石孔隙流體壓力的表達式，在這里用地層的 平均應力代替地層的有效應力，