一种排烃门限以下地层超压的量化表征方法与流程

本发明属于地层超压分析技术领域，尤其涉及一种排烃门限以下地层超压的量化表征方法。

背景技术：

地层超压是驱动油气运移、制约油气藏形成与分布的一个重要因素，对地层超压进行量化表征有利于指导油气藏的勘探工作。地层超压的形成主要来源于两方面，一方面是由于欠压实作用导致的压力增加，另一方面是由于生排烃作用导致的压力变化。

目前，地层超压的量化表征方法通常是基于欠压实增压和生烃增压这两种机理，通过分别建立欠压实增压计算模型和生烃增压计算模型，对地层超压进行量化表征。其中，欠压实增压计算模型通常可采用等效深度法或根据实测压力数据通过线性拟合法建立；而生烃增压计算模型通常基于生烃前后的岩石孔隙体积，根据质量守恒定律和体积守恒定律建立。例如：郭小文等根据质量守恒定律和体积守恒定律，建立了一种生烃增压计算模型，该模型进一步结合欠压实增压计算模型，可用于地层超压的量化表征。然而，这种地层超压的量化表征方法仅考虑了欠压实作用和生烃作用导致的压力增加，而未考虑排烃作用导致的压力衰减，用于量化表征排烃门限以下地层超压时，其误差较大。

因此，如何提供一种误差小、且适用于排烃门限以下地层超压的量化表征方法是当前急需解决的一个技术难题。

技术实现要素：

本发明针对上述的现有地层超压的量化表征方法用于量化表征排烃门限以下地层超压时误差较大的技术问题，提出一种排烃门限以下地层超压的量化表征方法，能够适用于排烃门限以下地层超压的量化表征，且误差较小。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种排烃门限以下地层超压的量化表征方法，包括以下步骤：

(1)根据欠压实增压计算模型，计算研究区排烃门限以下地层的欠压实增压量；

(2)根据生烃增压计算模型，计算所述排烃门限以下地层对应的生烃增压量；

(3)根据排烃降压计算模型，计算所述排烃门限以下地层对应的排烃降压量；所述排烃降压计算模型为：

其中，ΔP_排为排烃降压量，单位为MPa；k为排烃率；V_o1为排烃前液态烃的体积，单位为m³；V_k1为排烃前干酪根的体积，单位为m³；V_w1为排烃前孔隙水的体积，单位为m³；C_o为原油的压缩系数，单位为MPa^-1；C_k为干酪根的压缩系数，单位为MPa^-1；C_w为水的压缩系数，单位为MPa^-1；

(4)将步骤(1)-(3)中计算得到的所述排烃门限以下地层的欠压实增压量、生烃增压量和排烃降压量代入排烃门限以下地层超压的量化模型，计算得到所述排烃门限以下地层对应的地层超压量；所述排烃门限以下地层超压的量化模型为：

△P_超＝△P_欠+△P_生-△P_排

其中，ΔP_超为地层超压量，单位为MPa；ΔP_欠为欠压实增压量，单位为MPa；ΔP_生为生烃增压量，单位为MPa；ΔP_排为排烃降压量，单位为MPa。

作为优选，步骤(1)中，所述欠压实增压计算模型利用生烃门限和排烃门限之间不同深度地层的实际压力数据，采用线性拟合法建立。

作为优选，步骤(1)中，采用线性拟合法建立所述欠压实增压计算模型的具体步骤为：选取生烃门限和排烃门限之间多个不同深度地层作为样本地层，测量所述样本地层的实际压力数据，计算所述样本地层对应的实际地层超压；根据生烃增压计算模型，计算所述样本地层对应的生烃增压量；将计算得到的所述样本地层对应的实际地层超压减去生烃增压量，得到所述样本地层对应的欠压实增压量；利用多个所述样本地层的深度数据和对应的欠压实增压量数据，采用线性拟合法建立欠压实增压计算模型。

作为优选，在所述排烃降压计算模型中，排烃前液态烃的体积V_o1的计算公式为：

其中，V_o1为排烃前液态烃的体积，单位为m³；ρ_o为地表原油密度，单位为kg/m³；F为干酪根的生烃转化率；HI为氢指数，单位为mg/g；M_t为岩石质量，单位为kg；TOC为实测烃源岩有机质丰度；P_h为静水压力，单位为MPa；ΔP_生为生烃增压量，通过生烃增压计算模型计算获得，单位为MPa；C_o为原油的压缩系数，单位为MPa^-1。

作为优选，在所述排烃降压计算模型中，排烃前干酪根的体积V_k1的计算公式为：

其中，V_k1为排烃前干酪根的体积，单位为m³；ρ_k1为干酪根密度，单位为kg/m³；F为干酪根的生烃转化率；HI为氢指数，单位为mg/g；M_t为岩石质量，单位为kg；TOC为实测烃源岩有机质丰度；ΔP_生为生烃增压量，通过生烃增压计算模型计算获得，单位为MPa；C_k为干酪根的压缩系数，单位为MPa^-1。

作为优选，在所述排烃降压计算模型中，排烃前孔隙水的体积V_w1的计算公式为：

其中，V_w1为排烃前孔隙水的体积，单位为m³；ρ_t为岩石骨架密度，单位为kg/m³；M_t为岩石质量，单位为kg；为地表孔隙度；C为压缩因子，单位为m^-1；H为地层的深度，单位为m；ΔP_生为生烃增压量，通过生烃增压计算模型计算获得，单位为MPa；C_w为水的压缩系数，单位为MPa^-1。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：

1、本发明提供的排烃门限以下地层超压的量化表征方法引入排烃降压计算模型计算排烃降压量，采用的量化模型中包含欠压实增压量、生烃增压量和排烃降压量，充分考虑了欠压实作用、生烃作用和排烃作用对地层压力的影响，适用于排烃门限以下地层超压的量化表征，且误差较小。

2、本发明提供的排烃门限以下地层超压的量化表征方法简单易行，可精确预测排烃门限以下地层的超压，有利于指导油气藏的勘探工作。

附图说明

图1为本发明实施例所提供的排烃门限以下地层超压的量化表征方法的流程图。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。在本发明的描述中，需要说明的是，本发明中地层超压特指地层实际压力高于正常地层静水压力的剩余流体压力部分。

本发明实施例提供了一种排烃门限以下地层超压的量化表征方法，其流程图如图1所示，包括以下步骤：

(1)根据欠压实增压计算模型，计算研究区排烃门限以下地层的欠压实增压量。

在本步骤中，需要说明的是，排烃门限是指烃源岩中生成的烃类开始以游离相大量向外排运时的临界地层深度，该深度以下的地层中普遍存在排烃作用，所述排烃门限可根据研究区的地质资料确定。还需要说明的是，所述欠压实增压计算模型可采用等效深度法或根据实测压力数据通过线性拟合法建立，也可采用本领域技术人员所熟知的其他现有的欠压实增压计算模型。

(2)根据生烃增压计算模型，计算所述排烃门限以下地层对应的生烃增压量。

在本步骤中，需要说明的是，所述生烃增压计算模型可采用本领域技术人员所熟知的现有的生烃增压计算模型。例如，郭小文等(生油增压定量模型及影响因素，石油学报，第32卷第4期，2011年7月)根据质量守恒定律和体积守恒定律，建立的生烃增压计算模型，计算公式如下：

式(1)中，ΔP_生为生烃增压量，单位为MPa；F为干酪根的生烃转化率，通过盆地模拟实验获得；HI为氢指数，根据地质资料获得，单位为mg/g；ρ_o为地表原油密度，单位为kg/m³；ρ_k1为干酪根密度，单位为kg/m³；ρ_w为地层水密度，单位为kg/m³；ρ_t为岩石骨架密度，单位为kg/m³；C_o为原油的压缩系数，单位为MPa^-1；C_k为干酪根的压缩系数，单位为MPa^-1；C_w为水的压缩系数，单位为MPa^-1；g为重力加速度，单位为m/s²；H为地层的深度，单位为m；为地表孔隙度；C为压缩因子，单位为m^-1；TOC为实测烃源岩有机质丰度。

(3)根据排烃降压计算模型，计算所述排烃门限以下地层对应的排烃降压量；所述排烃降压计算模型为：

式(2)中，ΔP_排为排烃降压量，单位为MPa；k为排烃率；V_o1为排烃前液态烃的体积，单位为m³；V_k1为排烃前干酪根的体积，单位为m³；V_w1为排烃前孔隙水的体积，单位为m³；C_o为原油的压缩系数，单位为MPa^-1；C_k为干酪根的压缩系数，单位为MPa^-1；C_w为水的压缩系数，单位为MPa^-1。

在本步骤中，需要说明的是，所述排烃降压计算模型是发明人首次提出的，是发明人根据质量守恒定律、基于排烃机制下岩石孔隙体积的组成变化而建立的，其建立过程如下：

排烃前岩石孔隙总体积V₁由排烃前干酪根的体积V_k1、排烃前液态烃的体积V_o1以及排烃前孔隙水的体积V_w1三部分组成(即V₁＝V_k1+V_o1+V_w1)，排烃后岩石孔隙总体积由排烃后干酪根的体积V_k2、排烃后液态烃的体积V_o2以及排烃后孔隙水的体积V_w2三部分组成(即V₂＝V_k2+V_o2+V_w2)。

排烃后，由于部分液态烃的排出，导致岩石孔隙中的流体压力降低，干酪根、残余液态烃和孔隙水等流体的体积均产生相应膨胀，因而，排烃后干酪根的体积V_k2为排烃前干酪根的体积V_k1与干酪根的膨胀体积ΔV_k2二者之和(即V_k2＝V_k1+ΔV_k2)；排烃后液态烃的体积V_o2为残余液态烃的体积与残余液态烃的膨胀体积ΔV_o2二者之和(即V_o2＝(1-k)V_o1+ΔV_o2，k为排烃率)；排烃后孔隙水的体积V_w2为排烃前孔隙水的体积V_w1与孔隙水的膨胀体积ΔV_w2二者之和(即V_w2＝V_w1+ΔV_w2)。

假设排烃作用前后岩石孔隙总体积不变(即V₁＝V₂)，则排出液态烃的体积等于干酪根的膨胀体积ΔV_k2、残余液态烃的膨胀体积ΔV_o2和孔隙水的膨胀体积ΔV_w2三者之和，即：

kV_o1＝△V_k2+△V_o2+△V_w2 (3)

式(3)中，k为排烃率；V_o1为排烃前液态烃的体积，单位为m³；ΔV_k2为干酪根的膨胀体积，单位为m³；ΔV_o2为残余液态烃的膨胀体积，单位为m³；ΔV_w2为孔隙水的膨胀体积，单位为m³。

根据瞬时排烃机理，即排烃的瞬时导致压力减小，干酪根、残余液态烃和孔隙水等流体的体积产生相应膨胀，进一步结合压缩系数的定义，得到干酪根、残余液态烃和孔隙水等流体的膨胀体积的表达式如下：

△V_k2＝V_k1·C_k·△P_排 (4)

△V_o2＝(1-k)·V_o1·C_o·△P_排 (5)

△V_w2＝V_w1·C_w·△P_排 (6)

式(4)-(6)中，ΔV_k2为干酪根的膨胀体积，单位为m³；V_k1为排烃前干酪根的体积，单位为m³；C_k为干酪根的压缩系数，单位为MPa^-1；ΔP_排为排烃降压量，单位为MPa；ΔV_o2为残余液态烃的膨胀体积，单位为m³；k为排烃率；V_o1为排烃前液态烃的体积，单位为m³；C_o为原油的压缩系数，单位为MPa^-1；ΔV_w2为孔隙水的膨胀体积，单位为m³；V_w1为排烃前孔隙水的体积，单位为m³；C_w为水的压缩系数，单位为MPa^-1。

将式(4)-(6)代入式(3)中并整理，即可得到公式(2)。

(4)将步骤(1)-(3)中计算得到的所述排烃门限以下地层的欠压实增压量、生烃增压量和排烃降压量代入排烃门限以下地层超压的量化模型，计算得到所述排烃门限以下地层对应的地层超压量；所述排烃门限以下地层超压的量化模型为：

△P_超＝△P_欠+△P_生-△P_排 (7)

式(7)中，ΔP_超为地层超压量，单位为MPa；ΔP_欠为欠压实增压量，单位为MPa；ΔP_生为生烃增压量，单位为MPa；ΔP_排为排烃降压量，单位为MPa。

在本步骤中，需要说明的是，由于排烃门限以下地层中存在欠压实作用、生烃作用和排烃作用，因此，排烃门限以下地层的超压量由这三种作用共同决定。本步骤中采用的量化模型包含欠压实增压量、生烃增压量和排烃降压量，充分考虑了欠压实作用、生烃作用和排烃作用对地层压力的影响，因此，用于量化表征排烃门限以下地层超压时，误差较小。

在一优选实施例中，步骤(1)中，所述欠压实增压计算模型利用生烃门限和排烃门限之间不同深度地层的实际压力数据，采用线性拟合法建立。为了进一步降低量化表征的误差，本实施例中限定了欠压实增压计算模型的建立方法。这种采用线性拟合法建立的欠压实增压计算模型，由于是基于实际压力数据建立的，相比于等效深度法获得的预测模型，其准确度更高。在本实施例中，需要说明的是，欠压实作用普遍存在于全部地层中，且欠压实增压量与地层深度之间具有较好的线性关系，因此，可采用线性拟合法建立欠压实增压计算模型。还需要说明的是，生烃门限和排烃门限之间不同深度地层的实际压力数据可通过钻杆测试(DST)获得。

在一优选实施例中，步骤(1)中，采用线性拟合法建立所述欠压实增压计算模型的具体步骤为：选取生烃门限和排烃门限之间多个不同深度地层作为样本地层，测量所述样本地层的实际压力数据，计算所述样本地层对应的实际地层超压；根据生烃增压计算模型，计算所述样本地层对应的生烃增压量；将计算得到的所述样本地层对应的实际地层超压减去生烃增压量，得到所述样本地层对应的欠压实增压量；利用多个所述样本地层的深度数据和对应的欠压实增压量数据，采用线性拟合法建立欠压实增压计算模型。

在本优选实施例中，需要说明的是，生烃门限是指烃源岩中开始生成大量液体烃时的临界地层深度，该深度以下的地层中普遍存在生烃作用，所述生烃门限可根据研究区的地质资料确定。还需要说明的是，生烃门限和排烃门限之间的地层中主要存在欠压实作用和生烃作用，其地层超压量为欠压实增压量与生烃增压量二者之和，因此，通过将所述样本地层对应的实际地层超压与生烃增压量作差，即可得到欠压实增压量。

此外，地层超压是由于地质因素引起的实际压力高于正常地层静水压力的剩余流体压力，因此，所述样本地层对应的实际地层超压可通过将测量得到的实际压力数据与静水压力作差得到。所述静水压力的计算公式为：P_h＝ρ_wgH(8)，式(8)中，P_h为静水压力，单位为MPa；ρ_w为地层水密度，单位为kg/m³；g为重力加速度，单位为m/s²；H为地层的深度，单位为m。

在一优选实施例中，在所述排烃降压计算模型中，排烃前液态烃的体积V_o1的计算公式为：

式(9)中，V_o1为排烃前液态烃的体积，单位为m³；ρ_o为地表原油密度，单位为kg/m³；F为干酪根的生烃转化率，通过盆地模拟实验获得；HI为氢指数，根据地质资料获得，单位为mg/g；M_t为岩石质量，单位为kg；TOC为实测烃源岩有机质丰度；P_h为静水压力，单位为MPa；ΔP_生为生烃增压量，通过生烃增压计算模型计算获得，单位为MPa；C_o为原油的压缩系数，单位为MPa^-1。为了便于计算排烃降压量，本实施例进一步限定了排烃降压计算模型中排烃前液态烃体积的计算公式，该计算公式涉及的各参数的数据便于获得，且计算得到的排烃前液态烃的体积更为准确。

在一优选实施例中，在所述排烃降压计算模型中，排烃前干酪根的体积V_k1的计算公式为：

式(10)中，V_k1为排烃前干酪根的体积，单位为m³；ρ_k1为干酪根密度，单位为kg/m³；F为干酪根的生烃转化率，通过盆地模拟实验获得；HI为氢指数，根据地质资料获得，单位为mg/g；M_t为岩石质量，单位为kg；TOC为实测烃源岩有机质丰度；ΔP_生为生烃增压量，通过生烃增压计算模型计算获得，单位为MPa；C_k为干酪根的压缩系数，单位为MPa^-1。为了便于计算排烃降压量，本实施例进一步限定了排烃降压计算模型中排烃前干酪根体积的计算公式，该计算公式涉及的各参数的数据便于获得，且计算得到的排烃前干酪根的体积更为准确。

在一优选实施例中，在所述排烃降压计算模型中，排烃前孔隙水的体积V_w1的计算公式为：

式(11)中，V_w1为排烃前孔隙水的体积，单位为m³；ρ_t为岩石骨架密度，单位为kg/m³；M_t为岩石质量，单位为kg；为地表孔隙度；C为压缩因子，单位为m^-1；H为地层的深度，单位为m；ΔP_生为生烃增压量，通过生烃增压计算模型计算获得，单位为MPa；C_w为水的压缩系数，单位为MPa^-1。为了便于计算排烃降压量，本实施例进一步限定了排烃降压计算模型中排烃前孔隙水体积的计算公式，该计算公式涉及的各参数的数据便于获得，且计算得到的排烃前孔隙水的体积更为准确。

为了更清楚详细地介绍本发明实施例所提供的排烃门限以下地层超压的量化表征方法，下面将结合具体实施例进行描述。

实施例1

选取饶阳凹陷河间洼槽沙一段为研究区，河间洼槽沙一段为古近系生烃层系，其地层中存在欠压实作用和生排烃作用，其生烃门限为2900m、排烃门限为3750m。对研究区排烃门限以下地层超压进行量化表征，包括以下步骤：

(1)选取研究区内的宁古3井、宁古4井和宁古5井为研究井，以这三口研究井生烃门限和排烃门限之间(即深度在2900m-3750m之间)的多个不同深度地层作为样本地层，通过钻杆测试(DST)测量所述样本地层的实际压力数据，通过将测量得到的实际压力数据与静水压力作差，计算所述样本地层对应的实际地层超压，具体数据见表1。

表1宁古3井、宁古4井和宁古5井的样本地层对应的数据

表1(续)宁古3井、宁古4井和宁古5井的样本地层对应的数据

根据公式(1)，计算所述样本地层对应的生烃增压量，具体数据见表1。计算时，通过盆地模拟实验获得干酪根的生烃转化率F，取氢指数HI为350，取地表原油密度ρ_o为900kg/m³，取干酪根密度ρ_k1为1200kg/m³，取地层水密度ρ_w为1000kg/m³，取岩石骨架密度ρ_t为1700kg/m³，取原油的压缩系数C_o为2.2×10^-3MPa^-1，取干酪根的压缩系数C_k为1.4×10^-3MPa^-1，取水的压缩系数C_w为0.44×10^-3MPa^-1，取重力加速度g为9.8m/s²，地层的深度H根据地质资料获得，取地表孔隙度为60％，取压缩因子C为2.4×10^-3m^-1，取实测烃源岩有机质丰度TOC为1.5％。

将计算得到的所述样本地层对应的实际地层超压减去生烃增压量，得到所述样本地层对应的欠压实增压量，具体数据见表1；利用多个所述样本地层的深度数据和对应的欠压实增压量数据，采用线性拟合法建立欠压实增压计算模型，得到的欠压实增压计算模型如下：

△P_欠＝0.003×H-5.6807 (12)

式(12)中，ΔP_欠为欠压实增压量，单位为MPa；H为地层的深度，单位为m。

根据公式(12)，计算宁古3井、宁古4井和宁古5井在排烃门限以下地层(即深度在3750m及以下的地层)的欠压实增压量，具体数据见表2。

表2宁古3井、宁古4井和宁古5井在排烃门限以下地层对应的数据

表2(续)宁古3井、宁古4井和宁古5井在排烃门限以下地层对应的数据

(2)根据公式(1)，计算所述排烃门限以下地层对应的生烃增压量，具体数据见表2。计算时，公式(1)中涉及的各参数的取值或获得方法与步骤(1)中计算所述样本地层对应生烃增压量时相同，此处不再赘述。

(3)根据公式(2)，计算所述排烃门限以下地层对应的排烃降压量，其中，排烃前液态烃的体积V_o1、排烃前干酪根的体积V_k1和排烃前孔隙水的体积V_w1分别采用公式(9)、公式(10)和公式(11)计算，具体数据见表2。计算时，排烃率k根据研究区地质资料获得，公式(2)、公式(9)、公式(10)和公式(11)中涉及的其余参数的取值或获得方法与步骤(1)中计算所述样本地层对应生烃增压量时相同，此处不再赘述。

(4)将步骤(1)-(3)中计算得到的所述排烃门限以下地层的欠压实增压量、生烃增压量和排烃降压量代入排烃门限以下地层超压的量化模型公式(7)中，计算得到所述排烃门限以下地层对应的地层超压量，具体数据见表2。

对比例1

与实施例1的区别在于，不包括步骤(3)，且步骤(4)中地层超压量化模型采用现有的不考虑排烃作用的量化模型，即：△P_超＝△P_欠+△P_生(13)，其中，ΔP_超为地层超压量，单位为MPa；ΔP_欠为欠压实增压量，单位为MPa；ΔP_生为生烃增压量，单位为MPa。除上述区别外，其他步骤与实施例1相同。

将实施例1和对比例1中计算得到的所述排烃门限以下地层对应的地层超压数据，分别与实际地层超压数据进行对比，得到的误差率数据如表3所示。

表3实施例1和对比例1的误差率数据

根据上表的误差率数据可见，采用现有的不考虑排烃作用的量化模型(对比例1)计算的误差率均值在50％左右，而采用包含排烃降压量的量化模型(实施例1)计算的误差率均值在6％左右。由此可见，采用本发明实施例提供的排烃门限以下地层超压的量化表征方法计算得到的数据，与实际地层超压数据更为吻合，其误差更小。