格罗宁根储层中与远距离钻井相关的地震速度变化 – 科学报告

如前所述,P 波到检波器 10 的传播时间的暂时减少和 PS 波延迟时间的增加可能是由气水接触 (GWC) 的暂时向上运动来解释的。 在这里,我们更详细地研究这种解释。

来自地震观测的 GWC 高程

多孔砂岩中气代水引起的地震速度变化可以用流体代用的Gassmann模型计算25、26. 流体饱和岩石的体积模量与孔隙度以及矿物基质、孔隙流体和干岩骨架的体积模量有关。 在气水替代的情况下,流体的体积模量将增加,这将增加岩石的有效体积模量,从而增加 P 速度。 另一方面,剪切模量不会改变,因为它主要取决于岩石的固体框架。 然而,由于密度的小幅增加,预计 S 速度会略有下降。

使用 Gassmann 模型对 GWC 水平变化的定量估计需要准确的基体、流体(气体和盐水)和岩石框架的体积和剪切模量值。 因为这些都是未知的,粗略的估计会有很大的不确定性,所以我们采取了更实际的方法。 我们根据声波测井数据估计了 GWC 上方和下方的平均 P 速度,发现 P 速度分别为 3321 m/s 和 3688 m/s(补充材料,第 5 节)。 假设这些值,0.7 ms 的 P 波走时减少将对应于 GWC 的高程 23 m。 我们进一步检查了 GWC 的升高是否也可以解释 PS 延迟时间的增加(\(\Delta (t_{PS}-t_P)\) \(\simeq\) 1.0 毫秒)。 假设 GWC 移动 23 m,S 波传播时间增加 0.3 ms,垂直传播的 S 波速度为 2000 m/s,含气砂岩12,我们发现 S 波速度仅下降 52 m/s (2.6%)。 这种降低仅是密度增加对由水替代气体引起的剪切速度的影响。 尽管这些值看起来很现实,但应注意不确定性很大,23 m 仅应解释为从我们的测量中推断出的 GWC 高程的指示。

另一个观察结果是噪声水平的快速下降,以及相对于其他地震检波器(图 4)的地震检波器 10 观测到的噪声水平迅速恢复到正常水平。 这种快速变化很容易通过改变 GWC 的水平来实现,尽管目前尚不清楚这将如何降低噪声水平。

与钻孔 ZRP-3 钻孔作业的关系

如果 GWC 的临时升高可以解释地震观测,那么问题就出现了导致 GWC 升高的原因。 检查了该地区的天然气生产数据,但与我们的数据没有相关性。 由于异常发生的时间似乎与在 4.5 公里处钻探 ZRP-3 井有关,我们调查了 NAM 提供的详细钻探报告。

钻探于 2015 年 5 月 23 日开始,7 月 13 日钻入十布尔粘土岩到达储层(图 3a)。 钻井泥浆的井下损失发生在 7 月 18 日和 7 月 19 日的第一个小时。在 7 月 23 日至 8 月 21 日之间的有限时间内进行了更深的钻探,最大深度达到了 3284 m。 7 月 31 日达到 GWC 深度,8 月 11 日钻进石炭系页岩。8 月 28-29 日钻孔固井,8 月 30 日水泥硬化后留下钻孔。

第一个结论是,我们的观察与实际钻探的间隔之间没有相关性。 首先,钻井和取芯周期在时间上分散,而我们的观察显示了一个长达一个月的趋势,主要是减少旅行时间(图 3a)。 其次,钻孔噪声会影响所有检波器对之间的传播时间,但这没有被观察到(补充材料,图 S3)。 因此,钻井噪声不能解释观察结果。 我们还考虑了在十波尔粘土岩中钻井过程中发生的井下损失。 然而,这些井下损失是在异常观测开始后 30 小时开始的。

一个更可能的原因是钻井引起的孔隙压力变化。 NAM向我们提供了静态井底压力数据(\(必和必拓_s\)),由钻孔深度 (H), 钻井泥浆密度 (\(\rho _m\)) 和重力加速度 (G): \(必和必拓_s=\rho _m gh\). 这些数据如图 3a 所示。 注意 \(必和必拓_s\) 仅代表井口处总井底压力 (BHP) 的一部分,因为不包括动态压力效应。 快速下降 \(必和必拓_s\),例如在 7 月 19 日至 23 日期间与泥浆流失有关的情况,将通过井眼流体循环进行动态补偿,以稳定 BHP。 从 7 月 23 日到 8 月 19 日,当钻井深度从 2919 增加到 3267 m 时,钻井深度逐渐增加 \(必和必拓_s\) 从 36 到 39 MPa,如图 3a 中的蓝色虚线框所示。 BHP 逐渐增加的趋势与从检波器 8 到 10 的 P 波走时减少反相关,并与检波器 10 处 PS 延迟时间的增加相关(图 3a,b)。

假设我们在 SDM-1 的异常观测与 ZRP-3 的井底压力(BHP)有关,它们很可能与孔隙压力的变化有关。 GWC的海拔高度 \(\sim\) 23 m 将对应于砂岩含水部分的孔隙压力增加 \(\sim\) 0.23兆帕(\(\Delta P = \rho _w g \Delta h\))。 通过将储层钻井作业的开始和结束时间与我们异常观测的开始和结束时间联系起来,我们计算了压力前沿从 ZRP-3 传播到 SDM-1 所需的时间。 7 月 13 日 7:45 至 17:00 对十布尔粘土岩进行了钻探,而异常地震观测于 7 月 17 日在 \(\sim\) 00:00(图 4a)。 这给出了 3 天和 7-16 小时的时间延迟。 可以对异常期的结束进行类似的计算。 ZRP-3 的水泥硬化发生在 8 月 30 日 (00:00–07:30)。 水泥硬化后,井被密封,不再受到钻孔作业的影响。 将其与 9 月 2 日 19:00 的 SDM-1 异常结束(图 4b)相结合,给出了 3 天 11.5-19 小时的时间延迟。

孔隙压力扩散

根据我们的地震观测及其与 ZRP-3 井底压力的相关性,推断孔隙压力变化可能导致 SDM-1 中 GWC 水平的变化。 接下来,应验证孔隙压力扩散过程可以解释 ZRP-3 储层钻井与 SDM-1 在 4.5 km 距离处 GWC 响应之间的时间延迟。

在各向同性和球形扩散的情况下,水力扩散率 (D) 与流体承载多孔介质中的孔隙压力扩散相关联,可以从时间 () 压力前沿达到一定距离 (r)27

$$\begin{aligned} r = \sqrt{4 \pi D t}。 \end{对齐}$$

(1)

考虑到 3 天和 7-16 小时(开始)和 3 天和 11.5-19 小时(结束)的时间延迟,根据压力前沿的传播时间估计孔隙压力扩散率。 最大(3 天 19 小时)和最小(3 天 7 小时)时间的扩散率为 4.9 m\(^2\)/s 和 5.7 m\(^2\)/s,分别。

水力扩散率的独立估计 (D) 可以从材料属性中计算出来,包括平均孔隙率 (0.1528) 和渗透性 (120 mD29),“方法”中提供了更多详细信息。 我们发现孔隙压力扩散率为 3.9 m\(^2\)/s,与先前估计的 4.9–5.7 m 扩散率范围相似,但略小\(^2\)/秒。 对于这个扩散率范围,需要 151-176 mD 的渗透率,略高于我们采用的 120 mD 值,但在格罗宁根气藏测量的 1-1000 mD 的宽范围内30. 由此得出结论,储层含水部分的孔隙压力扩散可以解释钻井造成的 ZRP-3 处超压与 SDM-1 处 GWC 变化之间的时间延迟。

格罗宁根储层存在高度断层,断层可以作为屏障,也可以作为孔隙压力的有效管道,具体取决于方向:平行于断层的损坏区域的渗透率通常较高,而在断层的渗透率较低31. 储层顶部的 NAM 断层图(图 5a)显示断层在 SDM-1 和 ZRP-3 之间的中间偏移约 150 m,将储层的两个隔室与两侧的井分开(图 5b) ) . 该断层可能会阻碍孔隙压力通过两个隔室之间的含气部分直接扩散。 另一方面, \(\sim\) 距钻井位置 4.5 km 处 GWC 水位变化 20 m,高扩散率(\(\sim\) 5米\(^2\)/s) 建议在两个位置之间设置高渗透性管道。 NAM 断层图没有显示连接断层,尽管推测有两个 ENE-WSW 趋势断层段可能在储层底部相连(图 5a)。

图 5
图 5

(一个) 储层顶部的地形,黑色断层以及钻孔 SDM-1 和 ZRP-3 的位置。 从 Stedum 到 Loppersum 的铁路由黑色虚线表示。 透明区域表示两侧的两个断层段之间的推测连接。 (b) 通过 SDM-1 和 ZRP-3 的横截面的水库顶部深度(a 中的白线)。

重要的是要知道 SDM-1 是一口顶部和底部开口的井,并在 2965 至 2995 m 的储层深度处射孔。 井内高密度盐水柱的负载防止储层的气体通过穿孔向内流动。 由于井是一个开放系统,它对储层中静水压力的变化很敏感。 我们的推测假设是,由远程井口超压引起的压力前沿并通过储层的含水部分传播,到达 SDM-1 并将盐水柱向上移动,从而抬高了井内的地下水位。 随着穿孔井内的水位变化,其附近的 GWC 也升高,这由地震数据检测到。

尽管我们意识到我们的部分解释是高度推测性的,但我们无法找到另一个合理的解释。 然而,很明显,这些观察结果与远距离钻探有关,这种影响是出乎意料的,可能对其他钻探活动很重要。

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