基于岩石物理建模的地应力预测方法及介质与流程

1.本发明涉及石油工程技术领域，更具体地，涉及一种基于岩石物理建模的地应力预测方法及介质。


背景技术：

2.地应力研究与分析是页岩油气勘探开发中一项基础而且非常重要的研究工作，广泛用于解决诸如油气富集区分布、井壁稳定性、储层改造裂缝分布、水力压裂起裂压力与裂缝延伸压力、套管变形、工程设计优化等问题。在石油工程中，地应力方位往往利用成像测井、偶极快慢横波或者多臂井径资料确定，地应力的方位研究相对简单。
3.地应力大小包括上覆地层压力、最大水平主应力、最小水平主应力，最大、最小水平主应力测量方法主要有水压致裂法、声发射kaiser效应法及差应变法等，此类方法通过岩心或现场试验直接测量离散岩石的地应力大小，为了获得地应力剖面，佐白科提出了有效应力比值法，该方法认为最大或者最小水平主应力有效应力比接近常数，采用有效应力比值法，可以获得基本与岩性无关的连续应力剖面，采用有效应力比值法计算的应力剖面不能有效的指导压裂设计。
4.学者们更多的考虑利用测井资料和地应力组合弹簧模型，计算最大最小水平主应力，组合弹簧模型的关键是求取构造应力系数，利用钻井中的地漏实验(lot)，采用水力压裂井壁诱发拉伸裂缝的条件，简化最大水平主应力公式并求得最大最小水平主应力，以此为基础计算构造应力系数，此种用水力压裂确定最大水平主应力的方法，在绝大多数环境下不能使用；由崩落的椭圆井眼长短半轴比值，结合最小水平主应力来计算最大水平主应力，在其基础上，采用综合计算方法计算最大最小水平主应力，并在套损预测中进行了应用，该方法由于采用摩尔库仑准测，利用地应力计算结果结合井壁破坏模式合成井壁破坏图像，将合成的图像与电成像测井资料进行对比，当二者反映的井壁破坏情况相符合，此时的水平构造应力系数可作为该区的水平构造应力系数，此方法只适用于脆性较好的地层，同时未使用应力多边形进行约束，精度相对偏低。
5.因此，有必要开发一种基于岩石物理建模的地应力预测方法及介质。
6.公开于本发明背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的一般背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。


技术实现要素：

7.本发明提出了一种基于岩石物理建模的地应力预测方法及介质，其能够修正lade公式岩石破裂准则，采用应力多边形进行约束反演，准确获取井壁破裂点的最大最小水平主应力，基于此校正构造应变系数，获得准确的最大最小水平主应力剖面。
8.第一方面，本公开实施例提供了一种基于岩石物理建模的地应力预测方法，包括：
9.计算孔隙压力；
10.计算岩石力学参数；
11.计算井壁破裂点的最大、最小有效水平主应力；
12.反演构造应变系数；
13.根据所述孔隙压力、所述岩石力学参数与所述构造应变系数，获得连续的最大、最小水平主应力剖面。
14.优选地，所述岩石力学参数包括biot系数、泊松比、杨氏模量。
15.优选地，计算孔隙压力包括：
16.通过密度测井曲线计算上覆地层压力；
17.通过所述上覆地层压力计算所述孔隙压力。
18.优选地，通过公式(1)计算所述孔隙压力：
[0019][0020]
其中，p
p
为地层孔隙压力，sv为上覆地层压力，ph为正常的静水压力，δtn为给定深度泥页岩正常趋势线时差值，δt0为给定深度实测的泥页岩地层时差值，n为eaton指数，与地层有关的系数。
[0021]
优选地，计算井壁破裂点的最大、最小有效水平主应力包括：
[0022]
建立所述井壁破裂点的最大、最小有效水平主应力与径向、周向、轴向应力分量的数学关系；
[0023]
计算所述井壁破裂点的最大、最小有效水平主应力。
[0024]
优选地，通过公式(2)计算所述井壁破裂点的最大、最小有效水平主应力：
[0025][0026]
其中，σ
θ
、σz、σr分别为径向、周向、轴向应力分量，f1、f2、f3、m为计算参数，σ
cpmax
、σ
cpmin
为围压的最大、最小值，ω为直井井壁崩落宽度，υ为泊松比，δp为井底压差，τ
rθ
为剪切应力分量，σh、σh分别为井壁破裂点的最大、最小有效水平主应力，σv为垂直有效应力。
[0027]
优选地，反演构造应变系数包括：
[0028]
构建弹簧模型，将所述井壁破裂点的最大、最小有效水平主应力代入所述弹簧模型中，基于最小二乘的曲面拟合反演所述构造应变系数。
[0029]
优选地，所述弹簧模型为：
[0030][0031]
其中，α为biot系数，sv为上覆地层压力，e为岩石静态杨氏模量，sh为最大水平主应力，sh为最小水平主应力，εh为最大水平应力方向的构造应变系数，εh为最小水平应力方向的构造应变系数。
[0032]
优选地，获得连续的最大、最小水平主应力剖面包括：
[0033]
将反演的所述构造应变系数代入至所述弹簧模型中，获得连续的最大、最小水平主应力剖面。
[0034]
作为本公开实施例的一种具体实现方式，
[0035]
第二方面，本公开实施例还提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现所述的基于岩石物理建模的地应力预测方法。
[0036]
本发明的方法和装置具有其它的特性和优点，这些特性和优点从并入本文中的附图和随后的具体实施方式中将是显而易见的，或者将在并入本文中的附图和随后的具体实施方式中进行详细陈述，这些附图和具体实施方式共同用于解释本发明的特定原理。
附图说明
[0037]
通过结合附图对本发明示例性实施例进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本发明示例性实施例中，相同的参考标号通常代表相同部件。
[0038]
图1示出了根据本发明的一个实施例的基于岩石物理建模的地应力预测方法的步骤的流程图。
[0039]
图2示出了根据本发明的一个实施例的孔隙压力的示意图。
[0040]
图3示出了根据本发明的一个实施例的岩石力学参数的示意图。
[0041]
图4示出了根据本发明的一个实施例的井壁破裂点对应的最大、最小水平主应力的示意图。
[0042]
图5示出了根据本发明的一个实施例的最大、最小水平主应力的示意图。
具体实施方式
[0043]
下面将更详细地描述本发明的优选实施方式。虽然以下描述了本发明的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。
[0044]
本发明提供一种基于岩石物理建模的地应力预测方法，包括：
[0045]
计算孔隙压力；在一个示例中，计算孔隙压力包括：
[0046]
通过密度测井曲线计算上覆地层压力；
[0047]
通过上覆地层压力计算孔隙压力。
[0048]
在一个示例中，通过公式(1)计算孔隙压力：
[0049][0050]
其中，p
p
为地层孔隙压力，sv为上覆地层压力，ph为正常的静水压力，δtn为给定深度泥页岩正常趋势线时差值，δt0为给定深度实测的泥页岩地层时差值，n为eaton指数，与地层有关的系数。
[0051]
具体地，地下岩体在地下存在三个在方向上相互垂直的主地应力，即岩体自重引起的上覆地层压力和两个水平方向的主地应力。
[0052]
地层某处的上覆地层压力是指该处以上地层岩石基质和孔隙中流体的总重力所产生的压力。采用密度测井曲线计算上覆地层压力为：
[0053][0054]
其中，sv为一定深度的上覆地层压力，ρ为密度测井曲线，g为重力加速度，h为目的层的深度。
[0055]
利用测井解释孔隙压力，广泛应用的是eaton公式，eaton原始方法是eaton在1972年提出来的一种基于正常压实趋势线计算地层压力的方法。利用的是孔隙压力和声波时差等参数的幂函数关系，这种关系并不随深度的变化而变化，即通过公式(1)计算孔隙压力。
[0056]
计算岩石力学参数；在一个示例中，岩石力学参数包括biot系数、泊松比、杨氏模量。
[0057]
具体地，采用基于岩石物理建模的方法求取岩石力学参数，利用业内主流的xu-panye多矿物组分岩石物理建模方法，首先根据多矿物的已知模量混合计算得到骨架体积模量ks和剪切模量μs，然后加入孔隙和流体得到干岩石体积模量k
dry
和剪切模量μ
dry
及饱含流体的体积模量k
sat
和剪切模量μ
sat
，最后计算杨氏模量e、泊松比υ、biot系数α＝1-k
dry
/ks，用于后期计算最大、最小主应力。
[0058]
计算井壁破裂点的最大、最小有效水平主应力；在一个示例中，计算井壁破裂点的最大、最小有效水平主应力包括：
[0059]
建立井壁破裂点的最大、最小有效水平主应力与径向、周向、轴向应力分量的数学关系；
[0060]
计算井壁破裂点的最大、最小有效水平主应力。
[0061]
在一个示例中，通过公式(2)计算井壁破裂点的最大、最小有效水平主应力：
[0062]
[0063]
其中，σ
θ
、σz、σr分别为径向、周向、轴向应力分量，f1、f2、f3、m为计算参数，一般而言，m在0-0.2之间，σ
cpmax
、σ
cpmin
为围压的最大、最小值，ω为直井井壁崩落宽度，υ为泊松比，δp为井底压差，τ
rθ
为剪切应力分量，σh、σh分别为井壁破裂点的最大、最小有效水平主应力，σv为垂直有效应力。
[0064]
具体地，根据地壳应力值不能超过原生断层的摩擦强度这一事实假定，采用应力多边形约束反演水平主应力，其核心思想是根据断层摩擦强度理论建立应力多边形，然后拾取成像测井图像崩落宽度或者钻井过程诱导拉伸裂缝，选择合适的岩石破裂准则，约束反演出水平主应力。
[0065]
井眼形成后，如果井壁应力集中超过岩石强度，岩石将发生剪切破坏，形成对称性的井壁崩落，假设井周岩石为孔弹性且各向同性，不考虑井壁渗流和温差应力的影响，井壁的应力分布为：
[0066][0067]
其中，θ为井周角。如果井壁发生井壁崩落，出现在最小水平主应力方向，如果成像测井观测到直井井壁崩落宽度为ω，则临界破坏位置的井周角为岩石破裂准则采用lade准则的变形形式为公式(2)，即通过公式(2)计算井壁破裂点的最大、最小有效水平主应力。由于岩石破裂准则数学公式中的参数往往是固定的，在拟合工程实验数据，存在一定的偏差，因此本方法将破裂准则的系数当做变量，利用岩心三维应力测试实验数据，采用最小二乘法拟合，得到最佳拟合的f1、f2、f3三个变量，即确定岩石破裂准则参数f1、f2、f3。
[0068]
反演构造应变系数；在一个示例中，反演构造应变系数包括：
[0069]
构建弹簧模型，将井壁破裂点的最大、最小有效水平主应力代入弹簧模型中，基于最小二乘的曲面拟合反演构造应变系数。
[0070]
在一个示例中，弹簧模型为：
[0071][0072]
其中，α为biot系数，sv为上覆地层压力，e为岩石静态杨氏模量，sh为最大水平主应力，sh为最小水平主应力，εh为最大水平应力方向的构造应变系数，εh为最小水平应力方向的构造应变系数。
[0073]
具体地，若存在多组井壁破裂点的最大、最小有效水平主应力，则每一组井壁破裂
点的最大、最小有效水平主应力均是关于εh、εh的函数，即：
[0074][0075]
最小二乘法是根据实际测量值与其对应的实际真实值之差的平方和达到最小求εh、εh的模型，也就是说最小二乘进行拟合的主旨思想是要求实测数据值与其对应的真实值之间的误差的平方和达到最小，则有
[0076][0077]
其中，l为计算误差的平方和，若使l达到最小，则必须满足：
[0078][0079]
由公式(8)化简可以得到：
[0080][0081]
令令令
[0082]
则有：
[0083]
[0084]
通过求解公式(10)的方程组，来确定最大水平主应力构造应变系数εh、最小水平主应力构造应变系数εh。
[0085]
根据孔隙压力、岩石力学参数与构造应变系数，获得连续的最大、最小水平主应力剖面。在一个示例中，获得连续的最大、最小水平主应力剖面包括：
[0086]
将反演的构造应变系数代入至弹簧模型中，获得连续的最大、最小水平主应力剖面。
[0087]
本发明还提供一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述的基于岩石物理建模的地应力预测方法。
[0088]
为便于理解本发明实施例的方案及其效果，以下给出两个具体应用示例。本领域技术人员应理解，该示例仅为了便于理解本发明，其任何具体细节并非意在以任何方式限制本发明。
[0089]
实施例1
[0090]
图1示出了根据本发明的一个实施例的基于岩石物理建模的地应力预测方法的步骤的流程图。
[0091]
如图1所示，该基于岩石物理建模的地应力预测方法包括：步骤101，计算孔隙压力；步骤102，计算岩石力学参数；步骤103，计算井壁破裂点的最大、最小有效水平主应力；步骤104，反演构造应变系数；步骤105，根据孔隙压力、岩石力学参数与构造应变系数，获得连续的最大、最小水平主应力剖面。
[0092]
选取资料齐全的井，l69井有实测横波数据、孔隙压力测试数据、地应力测试数据，因此可作为测试井。
[0093]
图2示出了根据本发明的一个实施例的孔隙压力的示意图。
[0094]
根据密度测井曲线，通过公式(4)计算上覆地层压力，通过公式(1)通过计算孔隙压力，如图2所示。
[0095]
图3示出了根据本发明的一个实施例的岩石力学参数的示意图，其中，ai：纵波阻抗；si：横波阻抗；k：体积模量；g：剪切模量；m：纵波模量；edyn：动态杨氏模量；vdyn：动态泊松比；lame：拉梅系数。
[0096]
采用基于岩石物理建模的方法求取岩石力学参数，利用业内主流的xu-panye多矿物组分岩石物理建模方法，首先根据多矿物的已知模量混合计算得到骨架体积模量和剪切模量，然后加入孔隙和流体得到干岩石体积模量和剪切模量及饱含流体的体积模量和剪切模量，最后计算杨氏模量、泊松比、biot系数α，用于后期计算最大、最小主应力。
[0097]
图4示出了根据本发明的一个实施例的井壁破裂点对应的最大、最小水平主应力的示意图。
[0098]
建立井壁破裂点的最大、最小有效水平主应力与径向、周向、轴向应力分量的数学关系；破裂点所在的深度为3053m，垮塌宽度为45
°
，内摩擦系数为0.63，再结合静态泊松比、上覆地层压力、孔隙压力、泥浆密度，通过公式(2)计算井壁破裂点的最大、最小有效水平主应力，则该井壁破裂点对应的最大、最小水平主应力如图4所示。
[0099]
构建弹簧模型为公式(3)，将井壁破裂点的最大、最小有效水平主应力代入弹簧模型中，基于最小二乘的曲面拟合反演构造应变系数，则最大水平应力方向的构造应变系数为0.00344675，最小水平应力方向的构造应变系数为0.00186254。
[0100]
图5示出了根据本发明的一个实施例的最大、最小水平主应力的示意图。
[0101]
将反演的构造应变系数代入至弹簧模型中，获得连续的最大、最小水平主应力剖面，如图5所示。本方法充分考虑岩性的影响因素，在应力多边形约束下利用lade破裂准则变形公式，求取最大最小主应力剖面，使得地应力值精度提高，储隔层垂向分辨率高，为后期的利用地震资料进行可压性评价提供很好的支撑。
[0102]
实施例2
[0103]
本公开实施例提供一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现所述的基于岩石物理建模的地应力预测方法。
[0104]
根据本公开实施例的计算机可读存储介质，其上存储有非暂时性计算机可读指令。当该非暂时性计算机可读指令由处理器运行时，执行前述的本公开各实施例方法的全部或部分步骤。
[0105]
上述计算机可读存储介质包括但不限于：光存储介质(例如：cd－rom和dvd)、磁光存储介质(例如：mo)、磁存储介质(例如：磁带或移动硬盘)、具有内置的可重写非易失性存储器的媒体(例如：存储卡)和具有内置rom的媒体(例如：rom盒)。
[0106]
本领域技术人员应理解，上面对本发明的实施例的描述的目的仅为了示例性地说明本发明的实施例的有益效果，并不意在将本发明的实施例限制于所给出的任何示例。
[0107]
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。