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利用地球物理资料预测异常地层压力 马文涛I 2，於文辉2 〔1.同济大学海洋地质国家重点实验室，上海200092；2丨中国地质大学（武汉〕能源地球 物理研究所，湖北武汉430074】 摘要:各种地球物理属性（如速度、电阻率、泊松比、振幅等〉与有效应力间存在某种函数 关系。根据有效应力原理，可以利用地球物理属性计算有效应力和地层压力。地层压力预测 的关键因素是建立反映异常地层压力成因的数学物理模型和选取合适的地球物理属性。利用 地球物理资料进行地层压力预测尤其是钻前预测可以从以下几个方面着手：(1)充分了解地 质背景，结合测井和钻井资料分析异常地层压力成因；〔2〕(3)分析有效应力与速度及其它属性的关系，确定合适的压力预测模型；(4)利用最优化方法标定模型中的经验参数；〔5〕利用地震资料反演适用于压力预测的高分辨率 地层速度和提取其它地震属性；〔6〕7〕.ODP190,196航次的科学目标中就包括了流体的流动路径和流体压力在构造演化中的作用，研究推断异常高压造成 了滑脱带内裂缝孔隙的增大⑻。异常高压引起的流体横向流动可能造成大陆坡滑塌和冷泉的 形成@。IODP特别设计了两个航次研究墨西哥湾陆坡新生代沉积层中的超压状况和流体流动。308航次是该计划的第一阶段，旨在实时测量墨西哥湾深水沉积中的超高压状况，进而探索大陆坡的稳定性、海底渗透和大规模盆地流体流动过程与机理。异常地层压力的产生受多种因素控制，奇林格将这些机制分为三类： (1）岩石孔隙体积变化：①垂直载荷〔欠压实〕 (2）孔隙流体体积变化：①温度变化；②矿物转换；③烃类生成；④烃类热降解； ⑤流体（主要为气）运移。 (3)流体压力（水动力压头）变化和流体流动：①渗透作用；②流体压力压头；③ 油田开采；④永冻环境；⑤流体密度差异（如气、油之间） 准确了解超压盆地异常压力状态与分布可帮助解决生产问题，也为水文地质学和石油地 质学研究提供基础数据。本文将重点讨论利用地球物理资料预测异常压力的原理和方法。不 同压力条件下地层和岩石的物理性质存在差异是地球物理资料能够预测地层压力的前提。与 正常压力地层相比，异常压力地层具有（1）高孔隙度,(2)低密度，(3)低有效应力，(4) 高地温,(5)低层速度，(6)高泊松比等性质【12】。 2有效应力原理 土力学工程师Terzaghi提出岩石的压实只与有效应力有关。地下岩石任意一点的应力状态都可以由这点的三个主应力，,表示。如果岩石孔隙中充填孔隙流体且压力 为u，则主应力可由两部分组成。一部分是流体压力u，它作用于流体和固相部分之上，各 个方向压力大小相等。另一部分是只作用于固相部分的有效应力，=-u，=-u, =-u 由此可见，有效应力实际是岩石骨架中固体颗粒间的相互作 式中为总应力张量，p为孔隙压力，当i=j时，=1，当i≠j时, =0。一般情况下假设岩石的物理性质变化是垂向有效应力和孔隙压力变化的结果。 有效应力可以简化为： 式中S为总应力的垂直分量，是某一深度上覆岩石骨架和流体重力之和。可以通过体密度积分求得： 如果已知有效应力，则通过公式（丨）式就能计算出孔隙压力。 需要指出的是Terazghi的公式中，有效应力实际为压差〔围压与孔隙压力之差〕，其结论与浅层土壤或未固结岩石符合较好。对于地下岩石，Brandt，Nur和Byerlee，Todd和Simmons，Robin等指出有效应力应表示为： 式中0n≤1为有效应力系数。公式〔1〕实际是n=1时的特例。 3地球物理属性与有效应力的关系 岩石的物理性质是有效应力的函数，其中F为岩石的力学或传导等属性。 当有效应力相等时，岩石的这些性质都保持不变。 Gardner等,King,Daily和Lin,Dovorkin和Mavko，Siggins和Dewhurst等人的实验结果都表明纵、横波速度是有效应力（或压差）的单调函数，随有效应力（或压差）的增加而增加。图1是Dvorkin和Mavko实验室中干燥条件下超声波测定的不含泥质，孔隙度为18 %的砂岩的纵、横波速度。从图中可以看出，当压差较小时，纵波和横波速度都变化较快，随着压差的逐渐增大，纵、横波速度增加的速率明显变慢，对压力变化越来越不敏感。这是由于不同形状的孔隙抗压强度不同造成的。岩石中的裂缝，微裂缝等纵横比（aspectration）很小的孔隙弹性模量较小，随有效应力增大逐渐闭合，而圆形和近似圆形的纵横比近于1的孔隙弹性模量大，不易变形。有效应力由小变化至中等时速度的快速变化很可能是由与裂缝，微裂缝等小纵横比孔隙的闭合造成的。当这些裂缝型孔隙完全闭合后，速度对有效应力的变化不再敏感。 图1 纵、横波速度 随压差变化关系图 Eberhart-Phillips,Han和Zoback给出了干燥/或饱和流体砂岩速度随有效应力变化的经验 公