基于岩石物理学参数计算地层压力的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及勘探地球物理资料处理技术领域，特别是涉及到岩石物理学中一种基 于岩石物理学参数计算地层压力的方法。
【背景技术】
[0002] 目前地层压力（地层孔隙流体压力）预测的应用主要分为两个方面，一是利用地 震速度对地层压力进行钻前预测，为钻井工程服务，主要是对地层可能存在的异常高压进 行预测，防止钻井事故发生，钻井泥浆比重一般介于地层的正常压力和地层破裂压力之间。 二是利用测井资料对已钻井进行地层压力估算，进一步预测地层的应力、破裂压力和坍塌 压力，以便对储层进行压裂，为石油勘探开发服务。除此之外，一些地质学家们期望精确的 地层压力预测能为油气聚集成藏研究提供一些有利的证据，以便进行油气成藏的分析。
[0003] 精确的地层压力预测一直是石油勘探开发中所面临的一大难题，由于地层压力的 成因复杂，不同地区的压力特征也有所不同。以泥岩或页岩（以下简称泥页岩）欠压实和 等效深度法为理论基础的地层压力预测方法长期以来在地层压力预测研究中占主导地位。 关于地层异常高压力的成因和表现方面，一般认为泥页岩的欠压实作用，由于孔隙中的流 体不能排出，孔隙体积维持压实前的状态（比正常压实状态下的孔隙体积大），此时泥页岩 纵波速度会比正常压实情况下的纵波速度低，在这种情况下泥页岩能导致地层产生异常高 压；而在实际钻井中，地层的异常高压都表现在可渗透性地层（如砂岩）发育层段。根据实 际资料分析，即使是欠压实的泥页岩的孔隙度也是非常低的，孔喉半径十分的微小，毛细管 压力非常的大，孔隙中的流体以束缚水的状态存在，同时泥页岩的渗透率是非常低的（除 泥页岩裂缝外），其内部和外部的流体无法通过泥页岩，所以在钻井过程中钻遇到泥页岩层 段地层一般不会表现出异常高压。
[0004] 在上述这种情况下，一直存在争论，有的人认为此时泥页岩不存在高压，而有的人 认为此时泥页岩存在高压，只是泥页岩中的流体太少，渗透率极低，所以表现不出高压。关 于此争论目前还没有权威来定论谁是正确的，谁是不正确的。李传亮（2009)指出泥岩地层 是否存在异常高压从来没有被证实过，因为其地层压力无法实测；并且指出等效深度法并 不等效。Shaker (2002)认为目前地层压力的术语可能被混淆了，预测的地层压力是那些相 对不渗透岩石（页岩和泥岩）的地层压力，而实际测量的地层压力却是储层特性岩石（砂 岩）的地层压力。在很多情况下，砂岩孔隙中的压力与页岩夹层的压力没有直接的关系，地 层孔隙压力的预测存在疑点和误区。Zoback(2011)认为有两种情况需要根据地球物理数据 预测地层压力：第一种情况是钻前通过地震反射数据预测孔隙压力，在可能出现的高压地 区进行钻井安全设计需要孔隙压力剖面；第二种情况是估算页岩中的孔隙压力，由于渗透 性较差难以直接测量，即使在钻后也需要检测。在这两种情况下，在某些区域应用效果较好 的技术手段有可能在其他区域变得不适用。并且指出，在存在较大挤压应力或者沉积和初 始压实后孔隙压力增加较大的情况下，不能利用简单压实曲线对孔隙压力进行预测。一个 以泥页岩欠压实或等效深度法为理论基础的地层压力预测经验公式很难揭示地层压力的 本质，这一直是地层压力预测技术研究的一个瓶颈，由此可见地层压力的研究目前还存在 一些疑点需要解决，寻找地层压力的本质才是最根本的途径。
[0005] 根据石油勘探实践发现，地层异常高压力与油气聚集有着非常密切的关系，简单 来讲地层孔隙中的流体受到挤压或膨胀作用，如果流体不能发生转移，那么就意味着会产 生异常高压，这是一个遵循石油地质学油气运移理论的原理。从岩石物理学的角度来讲，如 果砂岩储层中存在异常高压的流体，那么岩石物理学参数（如泊松比、体积模量、剪切模量 等岩石物理参数）与正常压力状态下的岩石物理参数有什么区别呢？ 一直以来，大家公认 为纵波速度（如声波测井速度、VSP测井速度和地震速度）是预测地层压力的最佳参数，即
[0006]
[0007] 其中VP是岩石的纵波速度，K是岩石的体积模量，μ是岩石的剪切模量，P是岩 石的密度。可以看出，地层压力其实是地层岩石物理学参数的一个综合表现结果，这就提出 一个问题，我们在预测地层压力时，实质上在预测什么，要想获得更加精确的地层压力预测 结果，有没有更好的途径。
【发明内容】
[0008] 本发明的目的是针对目前地层压力预测的难点和疑点，如何从地层压力的力学特 性来展开岩石物理学方面的研究将会是一个好的出发点，地层压力的研究要建立在地质背 景的分析和岩石力学理论的基础上，结合地球物理勘探方法来对地层压力进行表征，提出 了一种基于岩石物理学参数计算地层压力的方法。该方法根据Skempton系数Β和多孔介质 有效应力原理推导出一种新的地层压力计算方法，通过求取有效应力系数α和Skempton 系数B估算地层压力。
[0009] 本发明的目的通过如下技术措施来实现。
[0010] 基于岩石物理学参数计算地层压力（地层孔隙流体压力）的方法，利用地层的纵 波速度vp、横波速度、、密度P和孔隙度Φ测井数据，并按如下步骤：
[0011] 步骤1，利用Gassmann方程推导出干岩体积模量KdlT和岩石基质物质（颗粒）的 体积模量ΚΜ的比值f的表达式； λ.μ
[0012] 步骤2,根据V-G-H模型计算矿物（颗粒）成分的有效体积模量Km，Wood模型计 算孔隙流体的体积模量K f，求取^1之值，由此求取有效应力系数α和Skempton系数B ;
[0013] 步骤3,根据Skempton系数B和多孔介质有效应力原理推导出一种新的地层压力 计算方法，并且根据有效应力系数α和Skempton系数B估算地层压力。
[0014] 上述方案进一步包括：
[0015] 在步骤1中，利用Gassmann方程推导出干岩体积模量KdlT和岩石基质物质（颗粒） 的体积模量κ Μ的比值&的表达式：
[0016]
(1-1)
[0017] 式中：KdlT为干岩体积模量，KTOt为饱和岩石的体积模量（湿岩），K ma为岩石基质物 质（颗粒）的体积模量，Kf为孔隙流体的体积模量，Φ为岩石的孔隙度。
[0018] 在步骤1中，具体推导步骤如下：
[0019] 由 Gassmann 方程得
[0020](1-·-2) 、 ，
wv··/' uw /t wr; t- s x
[0021] 同时由波动方程得
(1?3)
[0022]
[0023] 根据（1一2)、（1一3)两式得到岩石在不排水情况下的体积模量
[0024]
[0025] 由（1一5)式得到干燥岩石的体积模量
[0026]
[0027]
[0028]
[0029] 在步骤2中，根据V-G-H模型计算矿物（颗粒）成分的有效体积模量ΚΜ，Wood模 A.\.. 型计算孔隙流体的体积模量Kf，求取·#·;??之值，由此求取有效应力系数α和Skempton系数 八ma. B〇
[0030] 在步骤2中，具体推导步骤如下： Ιζ
[0031] 根据上述步骤1中求得的结果可进一步求取有效应力系数a，即a = 因 此只需求取岩石在不排水情况下的体积模量KTOt、岩石基质物质（颗粒）的体积模量ΚΜ和 孔隙流体的体积模量Kf，就可直接求得Biot系数a。
[0032] 根据上述（1一 3)、（1一4)两式推导得到
[0033]
[0034] 式中：VP为岩石的纵波速度，Vs为岩石的横波速度，P为岩石密度。
[0035] 由Wood (1955)模型来求取孔隙流体的体积模量：
[0036]
[0037]
[0038] p = SWPW+(1-SW) Phyd
[0039] 式中：V为孔隙流体的速度，KR为孔隙流体的体积模量，P为孔隙流体的密度，S w 为含水饱和度，Kw为水的体积模量，Khyd为烃类的体积模量，p w为水的密度，p hyd为烃类的 密度。
[0040] 对于孔隙中全为水时，孔隙流体的体积模量为
[0041]
[0042] 式中：Kf为孔隙流体的体积模量，Vf为孔隙流体的速度，P f为孔隙流体密度。
[0043] 由Voigt，Reuss和Hill (又称V-R-H模量模型）的模量模型估算岩石基质物质 (颗粒）的体积模量Km:
[0044] Km 的下界（Russ)为
[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，代入上述对应的式（1-7)，即可计算出+之值，由此 ?ζ 可根据a = 计算出有效应力系数α。此方法计算有效应力系数系数α只需要岩石 的纵波速度VP、横波速度、、密度Ρ和孔隙度Φ，以及孔隙流体的速度Vf和密度Pf等数 据，就可轻易地求出效应力系数系数α，在实际应用中简单实用，便于操作。
[0051] 在步骤2中，根据Skempton(1954)给出的孔隙压力dP与施加的压缩应力do之 间的关系表达式和岩石干燥孔隙空间的刚度Κφ (Jaeger和Cook, 1969 ;Zimmerman，1991)的 表达式推导出Skempton系数B的可计算表达式，其推导过程为
[0052]
[0053]
[0054] 由（1 -14)和（1 -15)两式推导得到Skempton系数B的计算表达式：
[0055]
[0056] 式中：dP为孔隙流体压力，do为平均应力。根据求取的f之值，ΚΜ和K f来估 my 算 Skempton 系数 B。
[0057] 在步骤3中，根据Skempton系数B和多孔介质有效应力原理推导出一种新的地层 压力计算方法，并且根据有效应力系数α和Skempton系数B估算地层压力。其基本推导 过程为：
[0058] 根据式（1 一16)可轻易地求出Skempton系数B，同时可以根据Skempton系数B、 孔隙流体压力dP和平均应力d 〇的关系推导岩石孔隙流体压力的表达式，在这里用地层的 平均应力代替地层的有效应力，