深水鉆井井筒中天然氣水合物生成區(qū)域預(yù)測

1、海洋通報第 26 卷 第 1 期2007 年 02 月Vol. 26，No.1Feb. 2007JOURNAL OF MARINE SCIENCE BULLETIN深水鉆井中淺水流災(zāi)害問題及其地球物理識別技術(shù)董冬冬 1, 2，趙汗青 1, 2，吳時國 1，伍向陽 3(1. 中國科學(xué)院海洋研究所，山東 青島 266071；2. 中國科學(xué)院研究生院，北京 100049；3. 中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所，北京 100029)摘 要：在深水鉆井中，淺水流是一種常見的地質(zhì)災(zāi)害。中國正在進(jìn)行深水油氣勘探，十分有必要開展這方面的地質(zhì)災(zāi)害研究。介紹了淺水流的形成機制及地球物理特性。目前用于識別和預(yù)測淺水流

2、的手段有測井和反射地震兩大類方法。主要介紹了幾種用于參數(shù)提取的地震反演方法，如傳統(tǒng) Dix 反演、疊后振幅反演、層析反演、疊前振幅反演等。關(guān)鍵詞：淺水流; 異常高壓; Vp/Vs; 測井方法; 地震反演; 深水油氣中圖分類號：P75；TE2文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1001-6932(2007)01-0114-0120目前，許多國家，尤其是美國，都已將勘探、生產(chǎn)油氣的目光投向了深水區(qū)域，深水油氣勘探成為世界油氣的新的增長點 1-4。與此同時，深水鉆井平安中的地質(zhì)災(zāi)害已經(jīng)成為制約深水油氣開發(fā)并受到嚴(yán)重 關(guān)切的問題。近年來，在墨西哥灣的深水鉆井過程中，在海底以下較淺的深度鉆遇到高壓的細(xì)粒沉積砂層 (

3、圖 1)， 其壓力之高以至于在井孔內(nèi)產(chǎn)生強大的砂水流，導(dǎo)致鉆井的巨大損失。高壓砂層的這種現(xiàn)象通常發(fā)生在海 底以下較淺的未固結(jié)的松散沉積物中，因此稱其為“淺水流Shallow water flow, SWF5, 6。1999 年，在得克薩斯 州里格市召開的淺水流鉆探會議上，工業(yè)部門報告深水鉆井大約 30 % 的花費都是來自平安事故，其中主要是過高 壓問題，即在一定深度地層中的流體孔隙壓超過了相同深 度處的靜水壓力。淺水流就是一種典型的地層過高壓現(xiàn)象，鉆井時如果遇到淺水流砂層，砂水流將會沖進(jìn)井孔并向上 噴發(fā)，發(fā)生鉆井事故。對于已鉆好的井孔，在砂水流的不 斷侵蝕下，井孔壁被淘出空洞會很容易發(fā)生變形，

4、從而破壞井的平安性。而彌補這些損失的費用通常是相當(dāng)昂貴的， 據(jù)統(tǒng)計，墨西哥灣用于預(yù)防淺水流和修復(fù)被損鉆井的費用已超過 2 億美元 7，在墨西哥灣 123 口深水井中有 97口井存在淺水流問題79 %，其中有 30 口井因淺水流問 題而無法完成鉆井24 %。在里海、挪威海及北海同樣報 道了淺水流問題 8, 9。由此可見，中國在進(jìn)入深水鉆探領(lǐng)圖 1 墨西哥灣井孔中的淺水流據(jù) Flemings 等, 2002Fig.1 Shallow water flow in a deepwater Gulf of Mexico borehole (after Flemings et al., 2002)域之際

5、10，對淺水流問題應(yīng)當(dāng)引起足夠的重視。但中國目前還非常缺乏這方面的經(jīng)驗，只有極少文獻(xiàn)涉及相關(guān)內(nèi)容 11，因而，為減輕和防止可能面對的災(zāi)害，非常有必要研究淺水流的形成機制，并深入探索 對其進(jìn)行識別和預(yù)測的技術(shù)方法。淺水流的形成機制1淺水流通常發(fā)生在 450 2 000 m 水深、海底泥線 (mudline) 以下 300 600 m 的范圍內(nèi) 7。對海底地層進(jìn)行應(yīng)力分析時，通常涉及四個概念：破裂壓力F，F(xiàn)racture pressure，是指地層開始出現(xiàn)張性裂隙收稿日期：2005-10-31；收修改稿日期：2006-01-18基金工程：中國科學(xué)院知識創(chuàng)新工程重要方向性工程KZCX3-SW-219

6、資助時的壓力；上覆壓力S，Overburden pressure，是指覆蓋在地層上部的巖石骨架和孔隙流體總體作用于地層的壓力；孔隙壓力P， Pore pressure，是指作用在地層孔隙流體上的壓力；有效應(yīng)力 ( ， Effective pressure )，是指作用在固體巖石骨架上的壓力，它等于上覆壓力減去孔隙壓力： = S P 。有效應(yīng)力控制著沉積物的壓實 過程。無論在任何深度，只要存在有效應(yīng)力降低的環(huán)境，都會降低壓實速率并導(dǎo)致地層異常高壓出現(xiàn)。圖 2 代表深水盆地中一種典 型的壓力深度曲線，在較淺處，孔隙壓力、破裂壓力和上覆壓力三者非常接近，這種應(yīng)力狀態(tài)很容易導(dǎo)致淺水流的形成，給鉆井造成

7、 災(zāi)害。淺水流的發(fā)生有三個主要的條件：砂質(zhì)沉積物、有效的封閉層和過高壓 11。淺水流本質(zhì)上就是出現(xiàn)異常高壓的地下砂體。綜合 前人的研究成果，淺水流層中異常高壓的出現(xiàn)可以有以下幾種形成 機制：a) 機械壓實作用不平衡 7, 12-13。如果地層中頁巖和泥巖上部 物質(zhì)的沉積速率非?？?，造成了載荷的快速增加。分散包裹在頁巖圖 2深水盆地中一種典型的壓力深度曲線據(jù) Dutta,2002A typical pressure versus depth profile inthe deepwater basins ( after Dutta, 2002)和泥巖內(nèi)部的砂體在不斷加大的載荷作用下需要往外排出水分

8、，但是由于周圍被低滲透率的頁巖或泥巖包圍，其排水受到了阻礙無法正常壓實，從而造成了 孔隙壓的增大，同時降低了顆粒之間的有效壓力， 使沉積顆粒接近懸浮狀態(tài) ( 圖 3 )。b) 成巖作用引起的粘土脫水作用和蝕變 14。 蒙脫石是粘土的重要組分，顆粒之間包含了相當(dāng)數(shù)量的水分。在 65 120 的溫度下，蒙脫石在 鉀長石的催化作用下脫水轉(zhuǎn)變成伊利石。這個過程將蒙脫石中的層間水釋放到孔隙中成為自由水，造成孔隙壓力的增加和有效應(yīng)力的減小。c) 浮力作用 15。如果砂體中的水全部或局部 被油氣所取代，由于油氣的密度比水小，在浮力作用下造成孔隙的膨脹，從而使儲層內(nèi)的孔隙壓力增加。這種機制的主要影響因素是油氣

9、的密度、油氣 柱的高度和孔隙水的密度。d) 構(gòu)造抬升或侵蝕 14。如果地層遭受快速抬圖 3 淺水流砂體的形成機制及沉積環(huán)境據(jù)Mallick &Dutta,2002Fig.3 Formation mechanism and sedimentary environment of SWF sands(after Mallick & Dutta, 2002)升和侵蝕，同時地層封閉性較好，仍保持著其內(nèi)部的孔隙流體壓力，那么也會造成該深度處的異?？紫秹?。在南美的奧利諾科河三角洲、委內(nèi)瑞拉、特立尼達(dá)島、蘇門答臘島和加利福尼亞都有這種現(xiàn)象的出現(xiàn)。e) 水熱壓力 16。水熱增壓現(xiàn)象是由于孔隙流體

10、的熱膨脹系數(shù)比周圍巖石骨架的高，因此當(dāng)?shù)貙颖谎?埋并封閉的較好的話，隨著溫度的增高孔隙流體膨脹導(dǎo)致異常高壓。但是封閉層需要滿足什么條件才能產(chǎn) 生這種現(xiàn)象尚存在很大的爭議。從目前的研究來看，對淺水流的形成機制比較一致的認(rèn)識是認(rèn)為機械壓實作用不平衡導(dǎo)致了砂層出現(xiàn) 過高壓。就地震檢測來說，前兩種機制引起的異常地壓相對可以容易地檢測出來。這是因為這兩種機制都 與沉積物的壓實性質(zhì)有關(guān)，而沉積物的壓實相比照擬有規(guī)律，可以較容易地利用的巖石物性和地震原 理進(jìn)行描述和模擬，而且這些機制可以相對容易地與觀測值對應(yīng)起來。但是它們?nèi)源嬖谝欢ǖ牟淮_定性， 而且其他機制的影響也不能完全排除。116海洋通報26 卷2地球

11、物理特性及識別技術(shù)淺水流層具有很高的孔隙度，表現(xiàn)出低密度的性質(zhì)，同時由于具有很高的孔隙壓力，沉積顆粒之間的有效應(yīng)力大大降低，幾乎表現(xiàn)為流體的性質(zhì)，因而具有很低的縱波速度和橫波速度。但是橫波速度降低的 幅度比縱波速度大，在地球物理屬性上表現(xiàn)為高的 Vp/Vs 值或者高的泊松比，這已被許多研究所證實 17, 18。淺水流層中的Vp/Vs 值可以到達(dá) 10 的數(shù)量級甚至更高相應(yīng)的泊松比為0.49或者更高7。這些性質(zhì)都可以被用來識別和預(yù)測淺水流。根據(jù)所用的地球物理資料的不同，對淺水流的預(yù)測可以大體分為兩種方法：測井方法和反射地震方法。2.1測井方法識別和預(yù)測淺水流過高壓性質(zhì)的測井方法包括鉆井時的測量M

12、WD、鉆井之后的測井及 VSP 測井 等方法。在各種測井方式中，聲波測井?dāng)?shù)據(jù)被認(rèn)為是指示異常地壓的最好標(biāo)志，因為它受井孔、組分溫度 和鹽度的影響較小。根據(jù)淺水流聲波速度較低的物理特性，可以從聲波測井得到的速度曲線與正常曲線作 比較，其偏離正常曲線的程度經(jīng)常被認(rèn)為是過高壓組分的指示標(biāo)志。如果從測井?dāng)?shù)據(jù)中直接確定孔隙度和孔隙壓那么需要事先了解目標(biāo)地層的物理性質(zhì)，包括地震速度和孔 隙度之間的關(guān)系、孔隙度和有效壓力之間的關(guān)系等。異常高的孔隙壓經(jīng)常對應(yīng)著高的孔隙度和低的地震波 速。Hamilton 早在 1976 年就對海洋沉積物的彈性性質(zhì)進(jìn)行過詳細(xì)的研究 19。Lee 研究了海底過高壓松 散沉積物的彈

13、性性質(zhì)，運用 BGTL (Biot-Gassmann Theory by Lee) 理論求取縱橫波速度比，并對理論公式 中各參數(shù)的求取以及縱橫波速度比與有效應(yīng)力、有效應(yīng)力與橫波速度之間的關(guān)系進(jìn)行了詳細(xì)討論，為研究 淺水流，建立過高壓帶模型提供了理論根底 20。利用測井信息建立盆地模型來預(yù)測過高壓帶也是石油工業(yè)部門經(jīng)常采用的方法 21。盆地建模假設(shè)孔 隙壓力由沉積過程的脫水速率決定，在考慮沉積速率、封閉層、流體的運移、區(qū)域構(gòu)造等因素的條件下， 綜合利用聲波數(shù)據(jù)及垂直測井?dāng)?shù)據(jù)建立地質(zhì)模型 22。地質(zhì)模型能夠提供孔隙壓和深度之間的關(guān)系曲線， 可以用來預(yù)測過高壓層是否存在。這種曲線提供的雖然是大尺度的

14、低頻信息，但是在獲取其它高分辨率信 息之前還是非常有用的 23。2.2反射地震方法在鉆井之前識別出淺水流等過高壓層毫無疑問是最有價值的。反射地震方法可以實現(xiàn)這一目的而且預(yù) 測精度高，所以是目前最有效和最常使用的方法。這類方法是根據(jù)淺水流層的性質(zhì)，從地震數(shù)據(jù)中提取有 用參數(shù)，然后將其作為識別標(biāo)志來預(yù)測淺水流。McConnell 從高分辨率二維數(shù)據(jù)體和常規(guī)三維數(shù)據(jù)體中提 取振幅信息預(yù)測淺水流砂體 24。然而，由于在較淺層砂與頁巖的波阻抗差異是比較小的，界面的反射振 幅比較弱，因此單獨依靠振幅預(yù)測淺水流砂體是不可靠的 25。研究說明，淺水流層具有相對低的縱橫波 速度和相對高的縱橫波速度比或者泊松比1

15、7, 18，這些都是識別淺水流更為明顯的標(biāo)志，所以速度信息 是該類方法最經(jīng)常提取的參數(shù)。使用速度進(jìn)行最簡單的異常地壓預(yù)測包括以下幾個步驟：(1) 獲得地震速度；(2) 校正速度；(3) 將地 震速度和巖石速度聯(lián)系起來；(4) 建立一個聯(lián)系速度和有效應(yīng)力及孔隙度的巖石模型；(5) 使用巖石模型和 經(jīng)校正的地震速度獲得有效應(yīng)力、孔隙壓力和上覆壓力。用于壓力分析的速度必須是巖石速度，它與從疊加速度中獲得的層速度有很大的不同 26。巖石速度 依賴于許多參數(shù)，比方孔隙度、流體飽和度、孔隙結(jié)構(gòu)、溫度、巖性、膠結(jié)度和聲波頻率等等。傳統(tǒng)的疊 加速度分析是在沒有做特殊處理比方三維疊前深度偏移，包括 DMO，以及

16、大偏移距反射數(shù)據(jù)的各向異 性處理的根底上通過 Dix 反演推算出層速度 27，這種層速度通常不是巖石速度，而在早期估計地層壓 力時通常采用這種速度 28。近年來，隨著高性能計算機的出現(xiàn)和計算本錢的大幅降低出現(xiàn)了一些新的反 演方法，這些方法提取的速度精度更高而且更加接近巖石速度。目前在預(yù)測淺水流等高壓層的技術(shù)中最常采用的新的反演方法主要有以下幾種。2.2.1疊后振幅反演Poststack amplitude inversion疊后振幅反演主要是基于地震數(shù)據(jù)的一維反演，可以應(yīng)用到任何地震數(shù)據(jù)體中。假設(shè)地下介質(zhì)是由每一個 CMP 點處的一系列地層所組成，每一層具有各自的密度、速度和層厚度，以及相同的

17、雙程反射時間隔。該方法可以通過反射系數(shù)計算出波阻抗，然后做 進(jìn)一步的巖性或物性分析。對于垂直入射的縱波，與波阻抗有關(guān)的反射系數(shù)定義如下：Ck = ( k +1vk +1 k vk ) ( k +1vk +1 + k vk )式中：Ck 是第 k 個界面的反射系數(shù)， k vk 是第 k 層的波阻抗。因此，第 k+1 層的波阻抗可表示為： k +1vk +1 = k vk (1 + Ck ) (1 Ck )這一運算通常被稱為道積分。但是這種方法得到的波阻抗信息往往缺少低頻的信息如，0 5 Hz。 實際研究中通常利用密度和速度之間的關(guān)系將波阻抗轉(zhuǎn)化為速度，使疊后數(shù)據(jù)的每一個地震道都轉(zhuǎn)化為擬 速度測井

18、道pseudo-velocity log trace，從而利用速度信息對地層進(jìn)行壓力預(yù)測 29。2.2.2層析反演Topography inversion層析反演屬于多維反演方法的一種，它能夠獲得有關(guān)地下三維速度場和地質(zhì)構(gòu)造的更加詳細(xì)的信息 30-34。層析反演主要運用三維旅行時反演技術(shù)，通常先在深度域給出地下結(jié)構(gòu)的初始模型及相關(guān)參數(shù)，例如彈性波速度，然后運用 Snell 定律計算出初始模型的射線路徑。 比較計算出的旅行時和實際觀測數(shù)據(jù)的誤差，然后根據(jù)誤差調(diào)整模型，反復(fù)迭代直到滿足事先給定的精度 要求。這種方法同時提供了地下反射層的深度和速度場信息，特別適用于巖層速度變化很大的情況，比方正 常

19、沉積層上面覆蓋有過高壓層，因而適用于淺水流的識別。但該方法有時會因為地震數(shù)據(jù)的帶寬限制而得 不到速度的微小變化，那么可以將反射層析成像及偏移作為輔助方法。層析方法具有反演方法所固有的不 唯一性或多解性，不同的初始模型將會得出不同的最終結(jié)果，因而通常要利用某些信息，比方常規(guī)測井?dāng)?shù) 據(jù)或 VSP 數(shù)據(jù)，對速度進(jìn)行約束以提高反演精度。利用合理的約束條件，層析反演方法所得到的速度信息 更加接近地下的巖石速度，從而更適用于壓力預(yù)測。2.2.3疊前振幅反演Prestack amplitude inversion層析反演方法利用的僅是地震波旅行時的信息，而疊前振幅反演方法得到的速度既依賴于旅行時信息又依賴于

20、振幅信息，因而這種方法包含了基于波動方程的全波形分析技術(shù) 26。Mallick 開展了一種基于遺傳算法的疊前反演方法，這是一種統(tǒng)計最優(yōu)化算法，不但可以提供高分辨率的縱波速度而且還能估計橫波速度，同時給出低頻速度趨勢 35, 36。反演時首先對道集進(jìn)行自動動校正，生成一個初始均方根速度。然后通過均方根速度推算出層速度，由層速度場中推出以深度為函數(shù)的背景密度。應(yīng)用動校正后的 AVO 信息確定初始密度和泊松比值。一旦選好了初始模型包括速度、密度和泊松 比，遺傳算法就在參數(shù)空間內(nèi)按照給定的搜索間隔生成隨機的彈性地質(zhì)模型母體。對于每一個這樣的隨 機模型都采用完全波動方程模擬程序計算出其合成地震記錄，因此

21、考慮了所有的初至波、屢次波和轉(zhuǎn)換波 反射。然后對每一個模型的合成數(shù)據(jù)和實際觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行比照，計算出誤差值。模型的繁殖、交叉、變異 和開展等遺傳過程都依據(jù)這種誤差應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)遺傳搜索算法進(jìn)行，最終使誤差收斂。Mallick (2002) 等用疊前全波形反演方法結(jié)合巖石模型從傳統(tǒng)的三維地震資料中預(yù)測淺水流，淺水流 區(qū)與高縱橫波比區(qū)對應(yīng)較好 ( 圖 4 ) 7。研究認(rèn)為，能否成功識別淺水流很大程度上取決于淺水流周圍沉積物的彈性性質(zhì)。當(dāng)這些沉積物固結(jié)較好，泊松比小于或等于 0.42 時可以通過疊前波形反演識別淺水流。如果沉積物固結(jié)較差，泊松比大于 0.42 時那么很難從疊前地震資料中識別出淺水流。Lu S

22、haoming (2003) 對墨西哥灣的 Garden Banks 地區(qū)的三維疊前地震數(shù)據(jù)采用 AVA 反演方法反演出 Vp/Vs 以預(yù)測淺水流，反 演結(jié)果與實際鉆井結(jié)果吻合得非常好10。118海洋通報26 卷時間 / s圖 4 對實際地震記錄作疊前波形反演所獲得的 Vp/Vs 圖，淺水流區(qū)與高 Vp/Vs 值對應(yīng)據(jù) Mallick&Dutta, 2002Fig.4 Vp/Vs obtained from prestack waveform the inversion. SWF zones correspond to high Vp/Vs values (after Mallick

23、&Dutta, 2002)結(jié) 論3淺水流給深水鉆井工程帶來很大的威脅，在國外的許多海域已經(jīng)成為一種主要的地質(zhì)災(zāi)害，并且也已造成巨大的財產(chǎn)損失。中國南海廣闊的深海海域發(fā)育有大量的濁流和等深流沉積37,38，因此隨著中國深水 勘探開發(fā)的不斷深入，很有可能在進(jìn)行深水鉆井時遇到淺水流這一地質(zhì)災(zāi)害。鑒于以上原因，中國完全有 必要開展淺水流的前期研究，開展淺水流影響深水鉆井平安的快速評價技術(shù)。通過借鑒國外的研究進(jìn)展，淺水流的識別和預(yù)測方法大體包括測井、反射地震兩大類方法，在每一類 方法中又包含有許多具體的應(yīng)用技術(shù)，特別是地震反演方法目前在國外已經(jīng)成為識別和預(yù)測淺水流的主要 方法。但是考慮到數(shù)據(jù)可利

24、用情況的不同，每一種方法都有可能在實際的工作中起到作用。同時限于地球 物理研究的多解性，每一種方法又都有其局限性，因此在資料允許的情況下應(yīng)該綜合應(yīng)用多種方法，盡量 增加約束條件，從而最大程度地提高淺水流識別和預(yù)測的精度。針對中國在深水鉆井中可能要出現(xiàn)的淺水流災(zāi)害問題，今后還應(yīng)進(jìn)行以下幾個方面的研究：a) 重點著眼于泥線下 1 000 m 以內(nèi)砂體的巖石物理性質(zhì)和地球物理識別技術(shù)研究。b) 針對淺水流砂體超壓的形成和流動破壞過程進(jìn)行數(shù)值模擬，以便更深入和全面理解淺水流問題的物 理本質(zhì)，指導(dǎo)淺水流的識別和防范工作。c) 采用合理的工藝泥漿和井壁處理等，完善鉆過淺水流層的鉆井技術(shù)，提高防范淺水流災(zāi)害

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