地层压力与地层温度

第七章地层压力与地层温度
主要内容
一、有关地层压力的概念
二、异常地层压力研究
三、油层压力研究
四、地层温度研究
五、油气藏驱动类型
地层压力与地层温度是开发油气田的能量，也是油气田开发中重要的基础参数。

油气藏地层压力和温度的高低，不仅决定着油气等流体的性质，还决定着油气田开发的方式、油气开采的技术特点与经济成本，以及最终的采收率。

因此，对一个油气田来说，在勘探阶段以至整个开发过程中，都非常重视地层压力和温度这两个基础参数的获取。

第一节有关地层压力的概念
压力的单位是帕，符号是Pa。

1Pa是指1m2面积上受到1N的力时形成的压力。

即：
1Pa= 1N/m2
1MPa=103KPa=106Pa
1MPa=10.194kgf/cm2
或 1kgf/cm2=98.067kPa
粗略计算时，可认为1kgf/cm2=100kPa=0.1MPa，其误差约为2%。

1、上覆岩层压力（地静压力）
上覆岩石骨架和孔隙空间流体的总重量所引起的压力。

其值的大小与上覆岩层的厚度、骨架密度和孔隙流体密度有关。

单位为MPa 。

上覆岩层压力梯度:单位岩柱高的压力。

单位为MPa/m 。

据统计,第三纪岩层的平均压力梯度为0. 0231MPa/m （密度测井）;碎屑岩岩层的最大压力梯度为0.031MPa/m ;浅层的岩层压力梯度一般小于0.031MPa/m 。

2、静水压力（流体静压力）
液柱重量所产生的压力。

其大小与液体的密度和液柱的高度有关，而与液体的形状和大小无关。

静水压力梯度：单位液柱高度的压力值。

由于水的密度一般为1×103kg/m 3 ，所以，静水压力梯度约为 0.01MPa/m 。

3.地层压力
作用于岩层孔隙空间内流体上的压力，又称为孔隙流体压力。

常用Pf 表示。

含油、气区内的地层压力称为油层压力或气层压力。

地层压力全部由流体本身所承担。

油气层未被钻开之前，油层内各处的地层压力保持相对平衡状态。

一旦油气层被钻开并投入开采，油气层压力的平衡状态遭到破坏，在油气层压力与井底压力之间产生的压差作用下，油气层内的流体就会流向井筒，有时甚至喷出到地面。

（自喷采油，到后期，压力释放较多后不能自喷，注水、抽油机采油）
地层压力梯度：又称孔隙流体压力梯度，指单位深度的流体压力值，用Gf 0g r P H ρ=00 P G H
= H w P h g ρ=0.1H H P G h ρ==
表示。

其值的大小与地层所处的地质条件有关。

静水压力PH 、上覆岩层压力Po 和地层压力Pf 三者之间的关系：
a 、地层渗透性能良好，与地表水相连通：此时流体承担的压力（地层压力）即为连通孔隙中的静水压力：Pf = PH ，相应地 Gf = GH 。

而上覆岩层压力Po 全部由岩石基质来承担。

b 、地层渗透性能较好，但上下左右均被不渗透的隔层所隔，呈透镜体状：此时流体所承担的压力最终要和上覆地层压力趋于平衡，即：Pf = Po ，或 Gf = Go 。

c 、地层渗透性能较差，且岩性非均质性较强，孔隙水与地表水有连通，但其连通性不好，流体可缓慢渗透，处于一种半封闭状态：此时上覆岩层压力由孔隙流体和岩层基质共同负担，这种情况下的地层压力是小于上覆岩层压力而大于静水压力的。

即：
PH ＜ Pf ＜ Po 或 GH ＜ Gf ＜ Go
第二节 异常地层压力研究
对沉积盆地中异常高压的研究，世界范围都给予了足够的重视。

理论上，它完善了成油晚期学说，正是异常高压的存在，使得原本在晚期由于压实作用而致密的储层保持了异常高的孔隙度，使油气的运移和聚集成为可能；勘探中，由于高效（或有效）源岩、有效储层、较高能量等各成藏的有利因素是相伴出现的，对异常高压的预测实际上就是对有利成藏区段的圈定。

我国东部地区下第三系盆地，从水力作用上讲，都属于压实流盆地，纵向上都具有三个水力系统：上部浅层淡水系统（2000m 以内），中层含盐正常压力系统（2000—3500m ）和深层（3500m 以下）超压系统。

因此，深层异常压力系统的研究十分重要。

另一方面，深层油气储层由于受到复杂的成岩作用影响，对其有利储集空间发育规律的研究尤为重要。

国内外的研究和勘探表明，次生孔隙的发育是深层油气储集的主体，其发育区段和发育程度受控于欠压实泥岩的发育或异常孔隙流体压力的存在。

与盆地构造、沉积具有一定的协调性，共同控制着油气生成、运移f f P G H
和聚集。

因此，研究深层异常压力的时空演化和分布规律，指导勘探目标的确定，评价有利的储层区段分布，具有重要的指导意义。

另外，能够为目标钻探、科学钻井提供压力预测剖面，指导钻井泥浆设计，有效地保护油层。

一、异常地层压力的概念
异常地层压力是相对于正常地层压力而言的。

在正常压实条件下，地层压力一般用同深度的静水柱压力来表示。

正常地层压力就是指从地表到目的层中部的静水压力或流体静压力。

但是由于地下诸多因素的影响，造成地层压力常常不等于静水柱压力。

通常把偏离静水柱压力的地层孔隙流体压力称之为异常地层压力，或称压力异常。

异常分为两种情况：高异常、低异常。

为了反映地下地层压力的性质和大小，国内常采用压力系数αp 来表示。

αp ：实测地层压力与同深度静水压力的比值。

即：
αp = 1，Pf = PH ：正常地层压力；
αp ＜1，Pf ＜PH ：低压异常；
αp ＞1，Pf ＞PH ：高压异常；
αp ＞＞ 1：超高压异常。

同样，为了反映异常地层压力的性质和大小，国外常采用压力梯度Gp 来表示，即每增加1m 地层的深度，地层压力的变化值。

Gp = 0.01MPa/m 时：正常地层压力；
Gp ＞ 0.01MPa/m 时：高压异常；
Gp ＜ 0.01MPa/m 时：低压异常。

一般地，2000m 以上，属正常地层压力；2000m 以下地层压力开始出现异常。

二、异常地层压力的形成机理
1、异常高压的形成机理
（1） 欠压实
这是目前比较流行的一种成因解释，世界上一些沉积盆地中的异常高压主要f p H
P P α=
是由于沉积物，特别是泥页岩沉积物的压实作用所引起的。

按照地层压力的平衡关系：
S=Pf+σZ
式中：S为上覆岩层压力(包括岩石骨架和其中的流体)；
Pf为目的层孔隙流体压力；
σZ为目的层骨架所承受的垂直应力。

在一个开放的压实环境下，当由于上覆岩层重量所造成的目的层压实量与目的层孔隙向外界排出的流体量相平衡时，目的层孔隙压力保持正常压力。

而当目的层埋藏达到一定深度时，其孔隙性和渗透率皆降低到不能以压实的速率排液时，必然造成压力升高形成异常高压。

即地层出现欠压实。

这种欠压实和异常高压的产生可用Terzagh模型进行很好的解释。

在盛满水的圆筒中，每隔一定距离安置一块孔板，孔板与孔板之间用弹簧支撑，孔板与筒壁之间接触很严密，水不能通过。

孔板：代表地层的孔、渗性；
弹簧：代表岩层的固体骨架。

载荷：上覆岩层压力；
水：地层流体；
圆筒顶部有一加压装置，模拟上覆岩层压力。

加上载荷时，弹簧受压而缩短，孔板随之下降，此时，水通过孔板向上流动，其流动速度与孔板的渗透性好环和上部所加载荷的大小有关。

在加压过程中，通过接在圆筒底部的压力计，我们可以观察压力的变化情况：
A、如果孔板渗透性很好，水能从其中快速通过，则所加载荷全部由弹簧承担，压力表指针始终保持静水柱压力不变。

B、如果孔板渗透性差，水不能尽快地通过孔板，则所加载荷必然就有一部分由水来承担，压力表上的读数就会升高，但是，经过一定时间后，水还是可以缓慢通过孔板的，最后达到平衡状态。

显然，随着水的流出弹簧被压缩，最后，载荷又全部由弹簧来承担。

此时，压力表指针读数又恢复到原来静水柱压力的位置。

C、如果最上一层孔板为不渗透的隔板时，水不能流出，则所加载荷将分别由弹簧和水所共同承受，这时，压力表上指针将指向高于静水柱压力的刻度，并且不再下降。

这种高于静水柱压力的压力就是高异常地层压力。

上述这种情况，相当于储层四周都为泥页岩、岩盐或膏岩所封闭时，在上覆沉积物压力作用下，粘土孔隙中的水不能充分地排出，使粘土处于欠压实状态，结果就导致了高压异常的形成。

可见，形成高压异常的关键是储层处于隔绝或封闭状态，至少流体受围岩严格控制不易渗流出来，使之处于一种欠压实状态。

（2）矿物脱水
在成岩作用过程中，有些矿物会脱出层间水和析出结晶水，增加储层中流体的数量，引起压力升高。

如粘土矿物中常常含有大量的蒙脱石，而这些蒙脱石则含有大量的晶格层间水和吸附水，随着沉积物不断地增加，埋深不断加大，地层温度也不断升高，当温度达到蒙脱石的脱水门限温度时，蒙脱石将释放大量的晶格层间水和吸附水，并向伊利石转化。

如果这种排水被限制在一个封闭的体系中，这些被释放出来的水就在粘土孔隙中积蓄起来，必然造成地层孔隙压力的升高，形成异常高压。

通常，蒙脱石的脱水作用是与页岩的欠压实作用同时出现的。

1967年，保厄斯用湾岸地区的资料说明：蒙脱石向伊利石的转化开始于6000英尺的深度，且向深处转化的速度不断增加，通常，到了9000~12000英尺的地方基本上就没有蒙脱石的存在了。

又如，石膏向无水石膏转化时会析出大量的水：
CaSO4·2H2O = CaSO2 + 2H2O
若这一过程发生在封闭的地质环境中，这些水积蓄起来就增加了地层中孔隙流体压力，从而造成高压异常。

（3）水热增压
世界钻探经验表明：异常高压地带总是伴随着异常高温地带出现。

随着埋深增加而不断升高的温度会引起岩层骨架及孔隙流体的膨胀，但后者远大于前者。

温度增加可以促使孔隙水的运移，当热膨胀引起的流体运移由于流体被阻挡而无法逸出时，孔隙流体压力将升高，而产生高压异常。

另外，温度升高还可引起岩石中流体相态的变化，析出CO2等气体，温度升高到一定程度还可引起油页岩中干酪根发生热裂解，生成烃类气体等。

若这一过程发生在封闭的地质环境中，这些气体的产生将提高系统的压力而形成高压异常。

如美国路易斯安那湾岸地区的一个资料：当地下平均地温梯度为25℃/km 时，温度每增加1℃，地层压力就增加15.8kg/cm2，所以说，温度升高常常会伴随着压力的增大，温度对压力的影响是不容忽视的。

（4）烃类的生成
目前，生烃作用被认为是形成超压的最重要因素。

在逐渐埋深期间，沉积物中的有机质在一定条件下（一般认为温度达到93.3℃,生油母质R0>0.6%，生气母质R0>0.7%或更大时）转化为烃类的过程是引起异常高压的重要因素。

有机物转化成烃（尤其是低分子烃类）的反应使流体体积增加；另外，烃类生成中所生成的物质和水在一起，在地层中变单相流动为多相流动时，其两种流体渗透率之和降低到单相流动时的1/10（Chapman，1972）。

在封闭的地质环境中，由于体积的增加和流体渗透率的降低，从而导致地层孔隙压力的升高，形成异常高压。

许多研究（Meissner，1981；Momper，1978；Tissot，1984）表明，与烃类生成有关的超压产生的破裂是烃类从源岩中运移出来进入储集层的主要原因。

当源岩中的有机质或圈闭在储集层中的油转变成甲烷时，引起相当大的体积增加，在良好的封闭条件下能产生极高的地层压力，驱使流体发生流动。

在有效封闭存在的地方，不断生成的甲烷能将压力升高到超过静岩压力，从而使封闭层破裂并导致流体通过封闭层渗漏。

甲烷的生成对异常压力的产生是一个潜在的高效机制，尤其是在与源岩有密切联系的岩石中。

连续的甲烷生成能产生如此巨大的压力，以致于封闭层不能无限期地存在，它们将或者不断地出现渗漏，或者周期性地发生破裂和渗漏，即所谓的“幕式”排烃理论。

（5）古压力
在被块状、致密的不渗透岩石完全封闭的古老储层中，在构造作用下被抬升到浅部，其中的压力相对于浅部显然是超压体系。

原来埋藏较深（h1）且处于封闭地质条件的地层，由于后来地壳上升，使上覆地层受到剥蚀，原地层的埋藏深度变浅（h2），因为地层仍然是封闭的，古压力保持不变。

所以，对于变浅以后的深度来说，其正常地层压力显然小于这一古压力，成为高压异常地层。

（6）构造作用
异常高压可能起因于断裂、褶皱、侧向滑动、崩塌、断块下降等引起的挤压、刺穿盐丘或页岩的运动、地震等。

断裂
①开启的断裂：深层流体向浅层低压流体的注入作用可在浅层形成高压异常。

②封闭型断裂：
a、未发生断裂前：正常。

b、发生断裂，研究井处地层相对上升，埋深减小，高压异常。

c、发生断裂，研究井处地层相对下降，埋深增大，低压异常。

盐丘
(7)测压水位的影响
我们计算正常地层压力时，是根据流体静压力来计算的，而这种计算是在一种理想情况下进行的，即测压水位（供水区露头海拔高度）与研究井井口的海拨高度相同（供水区露头与研究井井口是处于同一水平面上）。

然而，事实上，由于地壳不均匀的剥蚀作用，其表面总是凹凸不平的。

如果测压水位高于井口海拨，油井显示异常高压（2井）。

如果测压水位低于井口海拨，油井显示异常低压（1井）。

（8）流体密度差异
背斜油气藏，特别是气水系统,在藏顶部的气井往往显示出异常高的压力。

（9）注入作用(储油层重新加压)
较深剖面生成的高流体压力通过断层或裂缝注入到浅处储层中，这样使浅处的地层产生高压异常。

或者，在钻井过程中，由于固井质量差，未能将深层与浅层的油层分隔开，使深部具有较高压力的油层与浅部较低压力的油层连通，流体将从高压层窜入到低压层，而使浅层的油层增压，而造成浅层高压异常的出现。

（10）胶结作用
储层发生胶结作用，使胶结矿物充填了孔隙空间，在封闭的地质环境中，体积的缩小，就会使压力增高而产生高压异常。

（11）渗析作用
当粘土或页岩两侧的溶液浓度存在着差别时，粘土或页岩起着半渗透膜的作用。

浓度低的溶液通过半渗透膜向浓度高的溶液渗流，从而在浓度高的一侧就产生了渗析压力。

若这一过程若发生在封闭的地质环境中就造成了异常高压的形成。

2、异常低压的形成机理
（1）测压水位的影响
（2）古压力
（3）构造作用
（4）页岩减压膨胀：
上覆岩层由于风化或剥蚀作用而减小了对下部页岩的压力，因而引起页岩体积膨胀，压力释放。

而邻近的、呈透镜状的砂岩中的压力为了与减小的页岩压力平衡，它也将减小，这样，就引起了砂岩储油层压力的降低，从而造成低压异常。

（5）温度降低：
由于地壳上隆或风化剥蚀作用，使上覆岩层的厚度减小，导致地层温度降低，而温度的降低将导致部分矿物发生转换，新的矿物对水的吸附作用就会降低页岩的孔隙流体压力，造成低压异常。

（6）地下流体的开采：
在有些地区，由于大量地开采油、气和地下水，当地层能量得不到补充时，随着流体的采出，压力就会降低，从而形成低压异常。

由上述形成压力异常的各种因素分析中，我们可以看出：形成压力异常的关键是要有一个良好的、由非渗透性或渗透性极差的物质所组成的“封闭”的地质环境，这种封闭的地质环境能防止流体的逸散。

异常地层压力的形成是一个非常复杂的地质过程，影响因素很多。

因此，要弄清一个地区压力异常的形成机理，必须综合该区的各种地质资料来进行分析。

三、异常地层压力的预测方法
对异常地层压力的预测，主要是确定异常地层压力带的层位和深度（顶深），计算出异常压力值。

具有高压异常的油、气层在地下并不是孤立存在的，在其周围岩层特别是作为盖层的泥、页岩层，是处于正常地层压力到异常地层压力的过渡带上的，这个过渡地带必然具有异常压力带的一些特殊性质。

1、地质特征
2、地球物理特征
这些特征，是我们进行异常地层压力预测的基础。

（一）异常压力带的地质特征
1、岩性的致密程度
在碎屑岩地层中，异常地层压力(常指异常高压)由于普遍与欠压实地层相关联。

因此，其岩石的致密程度一般都低于正常压力地层。

这在钻井过程中可以根据地层的可钻性加以判断。

2、储层的发育程度
储层不仅是地层流体的储集容器和疏导通道，同时也是地层压力的传导体，储层越发育，异常压力越难保持。

因此，异常压力多发育于储层相对缺乏的区段。

以岩性控制占优势的碎屑地层中，一般都保持有普遍的异常高压。

从这个意义上讲，大型整装的油气田应该发育于正常压力体系，在一般情况下，其储层发育，埋深浅，勘探价值高。

而异常高压油藏，其勘探风险大，埋藏深，规模有限。

3、孔渗性
异常压力地层由于含有异常高的流体含量，保持了其孔隙度，因而具有异常高的孔隙度和渗透率。

这就是根据地层速度预测地层压力的重要依据。

4、成岩性
由于压力的封闭作用，孔隙流体承担了部分上覆地层重量，这就减轻了岩石骨架的承受力，因而也就阻碍了成岩作用的产生，造成超压地层一般机械压实作用较弱。

从成岩阶段的划分上看，超压地层多位于晚成岩阶段，正好与油气的晚期生成相对应，为油气的初次运移提供了基本动力条件。

否则，油气的聚集就变成了不可能事件。

5、形成环境
由于异常压力与欠压实地层相伴生，是在地层压实到其排液的渗透率下限时产生的。

因此，其形成受控于埋深和沉积环境两大因素。

埋深因素是显而易见的，而沉积环境因素一般为盆地深水环境。

6、构造特征
强烈的构造活动不仅破坏地层的完整性，同时也破坏地层的压力系统，在构造活动区，往往是断裂发育区，异常压力不易保存，并且异常压力的分布规律也变得不易掌握。

这与一个具体的油藏保存条件密切相关。

（二）异常压力带的地球物理特征
1、速度特征
由于异常高压地层具有异常高的孔隙度，其速度表现为低速特征。

这就是我们由声波测井和地震速度资料预测异常压力的依据。

2、密度特征
与地层速度相对应，异常高压地层由于其压实程度低，其密度也异常降低。

3、电阻率
由于异常高压地层含有异常高的流体，而油田地层水多含有大量的盐份，其导电性好。

因此，异常高压地层较正常压力地层为低阻特征。

4、自然电位
超压层的自然电位特征可由盐度原理来表述，Overton & Timko提出了一个非常简单，清洁砂岩的含盐量Cw与相邻泥岩孔隙度φsh之间的关系：Cw*φsh = 常数。

就是说，地层水含盐量(假设砂岩与泥岩之间盐度是平衡的)与邻近泥岩的孔隙度成反比。

在正常压实情况下，随埋深增加，泥岩孔隙度减小，地层水含盐量增加。

而在异常地层压力环境下则偏离这一趋势，在超压层中，泥岩孔隙度异常增大，而储层地层水含盐量异常减小。

目前异常地层压力的预测主要在碎屑岩中进行得比较成功，而对于碳酸盐岩异常压力的预测方法到目前为止还没有一种比较完善和可靠的方法。

对于碎屑岩地区异常地层压力的预测，常采用以下几种方法：
（一）地震勘探法
在新探区或海上无钻井资料可供参考的情况下，常采用地震资料来预测异常地层压力。

地震波的传播速度（层速度）与岩性和埋深有关（即与密度有关），一般，随深度增加而增大。

但是，在异常高压层段，由于页岩是欠压实的，造成孔隙度增大，密度减小，使传播速度明显下降。

实际工作中，按适当的深度间隔，如25m、50m或100m分别计算出各层的传播时间Δt，绘出井深与Δt的关系图，对于正常情况下的岩层，定出其变化的趋势线，即正常压实线，明显偏离正常压实线的可判断为异常压力，刚开始偏离的那一点为过渡带顶界，偏离幅度越大，异常程度越高。

另外，重力勘探、磁法勘探、电法勘探均可作为预测异常压力的一种辅助手段。

（二）钻井资料分析法
1、钻井速度法
对于正常压实的碎屑岩剖面，随着埋深的增大，页岩密度增大，当钻井时采取的钻压、转速、钻头类型以及水力条件一定时，页岩的钻速随井深增加而减小。

但是，当出现异常高压时，钻速就会很快增大。

根据钻速突然增加的现象，就可初步判断地下可能存在高压异常，而将钻速突然加大时的井深定为高压异常过渡带的顶点位置。

2、D 指数法
Bingham 在不考虑水力因素的影响下，根据湾岸地区的经验，提出了一个标准钻速方程：
V = K1·K2·Ne(P/D)d
V ：机械钻速，英尺/小时；
K1：岩石的可钻性系数；
K2：钻头类型及钻头磨损系数；
e ：转速指数；
N ：转速，转/分；
P ：钻压，磅；
D ：钻头直径，英寸；
d ：表明机械能量的指数。

在这个方程中可以看出，影响钻速的因素很多，为了能够准确反映出钻速与地层压力之间的关系，必须消除其它因素对钻速的影响。

1966年Jorden 和Shirley 选择现场上使用的单位，在合适的范围内解上述方程，求出了d 指数。

为了排除泥浆比重的影响，又引入了dc 指数。

r1 ：正常地层压力下的泥浆比重；
r2 ：实际使用的泥浆比重。

我们就是用dc 指数来标定钻速的：dc 指数与钻速成反比，d 指数（dc 指数）只具有岩性因素，即主要受岩性因素的影响：
在正常压实情况下，d 指数或dc 指数是随井深的增加而增大的，而当钻遇到高压异常过渡带时，d 指数或dc 指数将向着减小的方向偏离正常压实趋势线。

lg 0.054
lg 0.672m v N d P D =1
2
c d d γγ=⋅
由此，通过绘制研究井的d指数或dc指数与深度的关系曲线，就可预测过渡带的顶部位置和异常地层压力。

3、返出泥浆温度
异常高压地带常常伴随着异常高温地带的出现。

所以在钻遇到高压异常过渡带时，地层温度随深度增加而升高的速度远远超过了正常情况。

所以，根据从泥浆出口返出来的泥浆温度突然升高的现象，就可判断可能钻遇到了异常高压的过渡带。

一般，从出口管返出的泥浆温度变化大于正常温度2～10°F时，就可能存在一个过渡层，但这个温度也受岩性、导热系数、起下钻、泥浆循环时间和速度的影响。

因此，在使用时，还应根据具体情况进行修正。

4、页岩岩屑密度
页岩岩屑密度是随井深增加而增大的，但是，如果钻遇到异常高压过渡带时，页岩因为在这个带是欠压实的，所以其密度将急剧变小而偏离正常压实趋势线，因此，通过绘制页岩岩屑密度与井深的关系曲线图，就可以来预测异常地层压力过渡带的位置。

在利用钻井资料预测地层压力时，除上述方法外，在钻井过程中，转盘扭矩突然增加，起钻时阻力加大，井喷、井涌以及井漏等现象的发生，均可作为钻遇到异常高压的标志。

（三）地球物理测井法
预测高压异常，测井方法效果较好。

一般有以下三种：
1、声波测井
声波纵向传播速度主要是岩性和孔隙度的函数。

对页岩来说，声波测井曲线基本上反映了φ的变化。

在正常压实情况下，页岩φ随深度增加而减小，所以声波时差也将随着埋深增加而减小，而当钻遇到异常高压过渡带时，声波时差将朝着增加的方向偏离正常趋势线。

通过在半对数座标纸上作声波时差与深度关系曲线图，就可以预测异常高压过渡带的位置。

另外，还可对异常压力值进行定量解释，有两种方法：
⑴页岩时差差值-压力梯度关系曲线法
页岩时差差值：同一深度实际测得的页岩声波时差Δtsh与正常趋势的声波时差Δtshn之差。

A、根据相邻地区已钻井的资料，以地层流体压力梯度为纵座标，以Δtsh-。