CN102047145B - 矿藏应力预测 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种提供对矿藏内的层位上的某个点的最大水平应力的大小SH/SV的定量预测的方法，该方法包括以下步骤：a)接收包括该矿藏内的多条地震反射线的地震反射数据；b)解释该地震反射数据以识别至少一个背斜和/或向斜以及在压缩脉动时段期间产生的至少四个层位；c)将所识别的背斜和/或向斜绘制在平面图中；d)基于各个背斜的长度以及其与邻近的背斜的接近度，将各个背斜归类为一个或多个预定的应力状态，并且/或者基于各个向斜的长度以及其与邻近的向斜的接近度，将各个向斜归类为一个或多个预定的应力状态；其中，各个预定的应力状态对应于最大水平应力的大小SH/SV的预定值。
Description
技术领域
本发明涉及地震反射数据的解释，具体地涉及其在提供对作用于地壳内沉积盆地的应力大小的定量预测方面的用途。本发明在油气勘探(hydrocarbon exploration)和制造工业中有特定的应用，并且方便在下文中描述关于该具体应用的发明。然而应理解的是，本发明有更广的应用。
背景技术
油气勘探是有风险的行业。不能保证已经确定可能包含油气的区域(通常称为矿藏)会开采出油气。油气，具体地说是石油和天然气，在地壳的沉积盆地中积聚并形成储层(reservoir)。作为密度和孔隙压力差以及地壳内部产生的压缩应力(compressional stress)的结果，油气有可能穿透沉积盆地。石油和天然气将趋于穿过沉积盆地而抬升，直到被封闭层(seal)(例如泥岩层(seal))所阻止，在此它会积聚并形成储层。
成功开采油气的过程需要评估作用于矿藏的应力。作用于任何矿藏的应力(stress)的相互垂直的压缩分量都可以表示为SV(垂直应力)、SH(最大水平应力)、Sh(最小水平应力)。同时需要针对勘探和开采处理的不同阶段来评估这些应力，当钻取抽油井时，评估尤其重要。更具体来讲，当这些应力分量不相等时，它们趋向于使井眼横截面从圆形变形为椭圆形，这种现象称为井眼破裂，在某些情况下会导致井眼坍塌。
随着发现率持续下降，重点正从新的盆地和成藏组合(play)转向较小的内部盆地发现，而这需要更详细地理解盆地形成的断层以及它们对圈闭和圈闭构造的局部应力影响。提高原油采收率(improved oil recovery)不仅要发现新油田，还需要水平井眼(horizontal wellbore)稳定性的详细应力信息，以便通过从老油田开采新油来经济并有效地增加储量和采收率。结果，在过去的15年间开展了昂贵的基于井眼的测量。 然后在井眼之间对这些精确测量求平均以便进行应力预测，但是已知在小于2公里的距离内，应力方向会突然改变90°。
在此通过引用将转让给Petrecon Australia Pty Ltd的作为WO01/90783公开的国际专利申请PCT/AU01/00568完全并入，其公开了一种涉及全球同步压缩脉动的地震识别的改良解决方案。可以解释地震反射数据，以揭示在大约五百万年以前的上新世是开始产生这些结构的压缩的最后时期，并且自至少2.4亿年前的早三叠纪以来，相似的压缩脉动就周期性地重复出现。当从全球各个位置比较地震数据时，脉动周期可以解释为全球同步的。图1是示出全球同步压缩脉动的时段和位置的表。该认知提供了一个针对应力一致地震解释的工作流程，其可以预测在应力SH(SHD)的最大水平压缩分量的方向上的水平和垂直变化。
本发明的目的是提供一种验证作用于矿藏预钻孔(pre-drill)中的应力分量大小的定量估计或预测的方法。
通过参考以下说明书及其附图，本发明的其它目的和优点对于本领域普通技术人员将变得明显。
发明内容
本发明的一个方面提供了一种提供对矿藏内的层位上的某个点的最大水平应力(SH/SV)的大小的定量预测的方法，该方法包括以下步骤：
a)接收包括该矿藏内的多条地震反射线的地震反射数据；
b)解释地震反射数据以识别至少一个背斜和/或向斜以及在压缩脉动时段期间产生的至少四个层位；
c)将所识别的背斜和/或向斜绘制在平面图中；
d)基于各个背斜的长度以及其与邻近的背斜的接近度，将该背斜归类为一个或多个预定的应力状态，并且/或者基于各个向斜的长度以及其与邻近的向斜的接近度，将该向斜归类为一个或多个预定的应力状态；
其中，各个预定的应力状态对应于最大水平应力(SH/SV)的大小的预定值。
在一个实施方式中，解释地震反射数据以识别在压缩脉动时段期间 产生的至少四个层位的步骤包括以下步骤：
i)选择大致在最大下沉的方向上穿过矿藏的至少两条地震反射线；
ii)选择大致沿着矿藏的纵轴延伸的至少一条另外的地震线；
iii)在所述多条地震线中的一条上识别至少一个大体垂直的切壳断层；
iv)在所选择的地震线上识别多个层位；以及
v)在所选择的地震线上识别至少四个层位，第一对层位产生于第一压缩脉动时段内，第二对层位产生于第二压缩脉动时段内。
在本发明的一种形式中，在第一压缩脉动时段期间产生的层位处的地震线上的、至少有一个背斜的区域被归类为处于隆升应力状态。
在本发明的另一种形式中，该方法还包括以下步骤：
e)在第二压缩脉动时段期间产生的层位处的地震线上识别没有背斜或向斜的区域；
其中，最大水平应力(SH/SV)的大小从在步骤b中识别的区域到在步骤e中识别的区域减小。
在本发明的另一种形式中，该方法还包括以下步骤：
f)选择在压缩脉动时段期间产生的、被至少一个断层所切断的层位；以及
g)基于各个断层的长度，将各个断层归类为一个或多个预定的应力状态。
可以将切断在压缩脉动时段期间产生的层位的断层归类为逆应力状态或正应力状态。
根据一个实施方式，正应力状态被定义为长度大于2千米的直的正断层。
根据另一实施方式，荷载应力状态被定义为没有背斜且没有断层。
根据另一实施方式，隆升应力状态被定义为长度大于2千米的直的背斜，其最近的直的背斜的长度大于2千米并且在大于5千米之外。
根据另一实施方式，外延走滑应力状态被定义为长度小于等于2千米的直的正断层。
根据另一实施方式，走滑应力状态被定义为长度大于2千米的直的背斜，其最近的直的背斜的长度大于2千米并且在小于等于5千米之外，或者走滑应力状态被定义为长度大于2千米的直的向斜，其最近的直的向斜的长度大于2千米并且在小于等于5千米之外。
根据另一实施方式，压缩走滑状态被定义为长度小于等于2千米的直的逆断层。
根据另一实施方式，逆应力状态被定义为长度大于2千米的直的逆断层。
根据本发明的一种形式，最大水平应力(SH/SV)的大小从逆应力状态到正应力状态一直减小。
在本发明的一种具体形式中：
a)正应力状态对应于0.825至0.675范围内的最大水平应力大小(SH/SV)；
b)荷载应力状态对应于0.875至0.825范围内的最大水平应力大小(SH/SV)；
c)隆升应力状态对应于0.975至0.875范围内的最大水平应力大小(SH/SV)；
d)外延走滑应力状态对应于1.075至0.975范围内的最大水平应力大小(SH/SV)；
e)走滑应力状态对应于1.200至1.075范围内的最大水平应力大小(SH/SV)；
f)压缩走滑应力状态对应于1.400至1.200范围内的最大水平应力大小(SH/SV)；以及
g)逆应力状态对应于4.000至1.400范围内的最大水平应力大小(SH/SV)。
本方法可以进一步包括以下步骤：重复针对在压缩脉动时段期间产生的多个层位来确定最大水平应力(SH/SV)的大小的方法、并外推在这些层位之间所获得的结果。
在另一个实施方式中，本方法还包括以下步骤：通过基于各个背斜 的长度以及其与邻近的背斜的接近度将各个背斜归类为一个或多个预定的应力状态，并且/或者通过基于各个向斜的长度以及其与邻近的向斜的接近度将各个向斜归类为一个或多个预定的应力状态，来提供近似压裂梯度(Sh/SV)的定量预测，其中，各个预定的应力状态对应于压裂梯度的预定值。
在另一个实施方式中，本方法还包括以下步骤：通过基于各个断层的长度将各个断层归类为一个或多个预定的应力状态来提供近似压裂梯度(Sh/Sv)的定量预测。
在本发明的一种具体形式中：
a)正应力状态对应于0.725至0.650范围内的近似压裂梯度(Sh/Sv)；
b)荷载应力状态对应于0.775至0.725范围内的近似压裂梯度(Sh/Sv)；
c)隆升应力状态对应于0.825至0.775范围内的近似压裂梯度(Sh/Sv)；
d)外延走滑应力状态对应于0.875至0.825范围内的近似压裂梯度(Sh/Sv)；
e)走滑应力状态对应于0.925至0.875范围内的近似压裂梯度(Sh/Sv)；
f)压缩走滑应力状态对应于1.000至0.925范围内的近似压裂梯度(Sh/Sv)；并且
g)逆应力状态对应于1.500至1.000范围内的近似压裂梯度(Sh/Sv)。
根据一个实施方式，该方法还包括以下步骤：确定一对层位之间的孔隙压力，其中，在相同或包括矿藏上的背斜薄层的一对层位内，孔隙压力具有正常的梯度。
本方法还可以包括以下步骤：确定一对层位之间的孔隙压力，其中，在包括在矿藏上位于背斜薄层之上的向斜厚层的一对层位内，孔隙压力具有增大的梯度。
此外，确定一对层位之间的孔隙压力的步骤可以包括：测量向斜厚层相对于最接近的背斜薄层的厚度，其中，向斜厚层的厚度与背斜薄层 的厚度之比与孔隙压力超出正常梯度的增大成比例。
孔隙压力最大可以增大至正常的孔隙压力梯度的两倍。
本发明的另一方面提供了一种用于提供对矿藏内的层位上的某一点处的最大水平应力(SH/SV)的大小的定量预测的系统，该系统包括处理器以及用于存储一系列指令以使处理器实现于此描述的方法的关联存储装置。
本发明的另一方面提供了一种在系统中使用，以提供对矿藏内的层位上的某一点处的最大水平应力(SH/SV)的大小的定量预测计算机软件，该系统包括处理器以及用于存储包括一系列指令以使处理器实现于此描述的方法的计算机软件的关联存储装置。
本发明具有多种应用和优点，以下给出一些。
正确地指引钻头，从而显著地最小化井眼上的应力作用的效果是非常重要的。最好能够在钻井前估计应力分量SH、Sh以及Sv的大小和方向，以提高使作用于井眼的应力相等的可能性，从而通过使用最有效的钻井液密度来提高井眼的井壁的稳定性。
井眼不稳定的问题会导致井眼被重新开始或者以有限的时间在不同的深度进行侧钻，以设计侧钻井眼。由于地震数据是在矿藏内进行钻井之前搜集的，所以最好在确定昂贵的侧钻之前对SH的大小和方向进行地震确定。
石油和天然气会从可渗透断层上面的储层、延伸穿过盖层的断层而渗漏，然而，人们已注意到，当SH与断层大体垂直时，它将趋于不渗漏，而当SH与断层大体平行时，它将趋于渗漏。在勘探过程中有利的是，不需在矿藏内穿过储层进行钻孔就能够确定哪些断层将趋于渗漏，哪些断层将不趋于渗漏。
与SH大体平行的活跃渗漏断层允许流体从处于高压下的更深储层渗漏，以在浅层位中使压力增大而超出标准(norm)，并且如果钻井液密度太低，就会在这种层位导致钻孔风险。如果井眼轨迹与断层线平行到次平行(sub parallel)，并且井眼与邻近活动断层的压裂区域相交叉，则压裂的材料可能会倒塌并脱落进入井眼，导致钻杆阻卡。结合目前在正常 压力区域的非活动断层，该倒塌问题会非常明显，并且在两个示例中，如果与断层垂直地钻井眼，则可以极大地减少潜在的倒塌，因而指示希望能够画出断层的方向并预测预钻孔时SH的方向和大小。
低渗透性储层内的压裂看起来好像是小断层，并且取决于储层内部的应力趋于开放性或闭合性。石油和天然气可以优先地流经储层中开放性压裂，并且希望在钻孔之前预测这种流动在哪个方向上最大。同样地，通过将储层内的流体压力增大至储层岩石将平行于SH压裂的点，可以增大储层的有效渗透性，希望得到方向和大小的预钻孔信息以预测计划的压裂的方向。
通过注水开采的油气的二次开采过程需要开放性压裂方向和渗漏断层方向的信息，也需要由于注水开采可能形成的压裂的信息，可以通过从由本发明的方法所补充的生产井应力分析获得的SH的方向和大小的全油田的指示来确定它们。
在近海生产钻井过程中，钻屑和废液的处理常常通过由与SH平行的压裂形成过程将这种材料注射进入油气贫化的储层来实现。因此在石油产业预处理需要精确地理解废物压裂方向的SH方向的分布，以不干扰正在进行的生产，并且在其它可能的废物处理方案(例如，二氧化碳减量)中也需要，以不干扰地下水资源。
用于识别那些趋于渗漏的断层和那些趋于封闭的断层的确定SH的方法可以包括在至少两条地震反射线上识别断层，将断层绘制成平面图，其中当SH与断层大致垂直时，断层将趋于闭合，同时当SH与断层具有除大体垂直之外的角度时，断层将趋于渗漏。该方法还可以包括识别断层是否切断了整个上部地壳，因为这将趋于指示断层将可能与SH垂直并因此趋于不渗漏。应理解的是，相反的情景指示了断层将趋于渗漏。通过该信息，勘探地质学家和地球物理学家可以做出关于石油和天然气从储层渗漏的概率由此作出关于在该矿藏中的石油和天然气钻井的潜在利润率的明智判断。
应理解的是，地球上部地壳在压缩应力下变形以产生背斜和向斜，此时主水平压缩应力分量SH的方向将与那些背斜或向斜大体垂直。考虑 到地壳正在经历压缩脉动，SH在现今将被类似地指导，因为控制背斜和向斜的方向的切壳断层的方向没有改变。
附图说明
通过参考帮助理解根据本发明的方法的附图，以下更详细地描述本发明将是方便的。不应将附图和相关描述的特性理解为代替如在所附权利要求中给出的本发明的广泛识别的一般性。
图1是示出全球同步压缩脉动的时段和位置的表。
图2是在地表曲率减小和增大期间，较高和较低的地壳压缩和伸展(可能在平均半径附近脉动)的图形表示。
图3示出了在涉及Anderson应力状态的北海维京地堑的逆断层(reverse)活动、走滑断层(strike slip)活动和正(normal)断层活动中的地震震源机制解决方案。
图4是源自Snorre区域(位于图3中的矩形中)在Aptian压缩脉动期间的应力状态的地震的图形表示，其中Aptian压缩脉动是在地震测线的内部崩溃示出的切壳断层(例如，弯刀断层)上的主要位移的时间。
图5是示出根据本发明实施方式的方法的流程图。
图6是示出各种断层的位置和方向的随机横截面。该横截面对应于图8的西南角。
图7是示出各种断层和层位(horizon)的另一随机横截面。该横截面也对应于图8的西南角。
图8是第一层位与第二层位之间的等厚线或等厚图，其示出了切断层位的各种断层的识别。
图9是对应于图8的等厚线图的应力图，示出了在第二层位识别的各种应力状态。
图10是位于图9之上的应力图，示出了在与图9的应力图相同位置的第四层位识别的各种应力状态。
图11是与图9和图10的应力图上的下部三角形的位置相对应的压强深度图。
图12是与图9和图10的应力图上的上部三角形的位置相对应的压强深度图。
图13是用于实现本发明的方法的计算机系统的示意图。
具体实施方式
将某个点处的应力定义为三个互相垂直的压缩分量：垂直应力分量SV、最大水平应力分量SH以及最小水平应力分量Sh。沉积盆地中某个点处岩石的负荷或重量在数量上是已知的，或者可以被合理地估计。因为重力垂直地作用，所以Anderson(1951)推导出，岩石的重量SV可能有三个状态，其中它可以是互相垂直的压缩分量中最大的、中间的或最小的，得出如下的三个Anderson应力状态定义：
R 逆断层作用或逆冲(thrust)断层作用 其中SH＞＞Sh＞SV
SS 走滑断层作用 其中SH＞SV＞Sh
N 正断层作用 其中SV＞SH＞Sh
SH与诸如切壳断层的弱化基岩区垂直并受其控制。在小于2公里的水平距离内，SH的方向(以下称为SHD)可改变90°。假设SH是矢量，将两个或更多SHD求平均来建立局部SH趋势是不正确的。
将板块移动数千公里的水平力被归因于板块构造论。垂直力通过地壳曲率的改变来影响主要的水平力SH。垂直力在全球范围进行脉动、将陆地提升和压低数百米，因此促使SH从矿藏结构、通过盆地并在全球范围内变化。
地球不是完美的扁球体。大地水准面在北极和南极分别偏高和偏低大约15米，并在北中纬度和南中纬度分别偏低和偏高7米。基于人造卫星的研究表明，在某些纬度减少并且地壳的曲率减小的同时，其它的在增大。在一千年间，测得率说明了相对于完美扁球体7米的偏差。如果这些偏差持续几百万年，地球的形状将会从略微梨形的扁球体发生剧变。因此，该过程必须颠倒，并且这些扁圆形的偏离必须是脉动的(pulsing)。
地球在数百万年的数量级上脉动(见图1)。自从三叠纪早期，已经从地震上识别出了十六个压缩脉动。当前的脉动跨越上新世(PI)直到 全新世(五百万年)。看上去当前地球半径的每年3至4.15毫米的增长可能跨越该脉动中或者每个脉动中的该压缩性峰值，但是可能减少了压缩脉动峰值之间的相似数量。当前地球北方凹部和南方凸部的10至100米的快速脉动明显地被施加了可能几公里的更长脉动半径改变。由地震上超(onlap)来测量这些通过地震被识别的压缩性脉动。脉动是具有在倒置与/或背斜生长上的沉积性上超的板块构造。
在来自基岩的矿山应力测量的大多数陆地的大陆内部压缩的优势是已知的。比率SH/SV(以下称为SH或SHM的量值)被表明从在2.5千米的深度的大于1增加至在地表的4(见图2的左上方)。大陆内部逆断层地震震源机制解决方案也指出，通常SH/SV在地壳未变薄的平均十公里的深度之前以及在地壳变薄的接近20千米的更深的盆地之前并未达到1。在Adelaide山(17千米)下面和维京地堑(21千米)下面的更深的地震分别在这些未变薄和变薄的地壳构造中给出伸展正断层解决方案。
如图2所示，浅层数据和深层数据显示出地壳关于平均半径是可伸缩的。在压缩脉动期间，地壳充当铰链并且上部地壳和盆地沉积经受导致压缩(UCC)的向上弯曲或平展，但是盆地由于下部地壳伸展(LCE)依然下沉，因而导致沉积物在沉积的同时被压缩，从而保留可以由地震绘制地图的沉积和压缩脉动。在压缩脉动之间，弯曲可以倒转，导致上部地壳伸展(UCE)和下部地壳压缩(LCC)。
现在参照图3，在维京地堑的轴下面14至19公里深度的地震震源机制解决方案示出了与轴垂直并与通常和“地堑”相关的外延含义相反的逆断层压缩运动。正断层解决方案没有出现在轴下面，因为下部地壳的刚性太低而不能将应力增加到脆性断裂点。向浅层逆断层解决方案(12至15公里)下面的东方观测下部地壳伸展(LCE)，其中下部地壳在21公里的深度并且岩石的刚性足够经受脆性变形。本压缩脉动(上新世到目前)导致SH由穿过维京地堑轴的逆断层产生，而不是由术语“地堑”所暗指的正断层(与轴平行的SH)所产生。
上部地壳中的SH被传送至沉积剖面(section)。可以根据由本发明所引入的三个Anderson应力状态和Anderson应力状态的四个细分状态来 描述SH的大小(SHM＝SH/SV)。Anderson应力状态的四个细分状态是压缩性走滑、外延走滑、提升和荷载(loading)。SHM从较深盆地(14到20公里)中的SH＞＞SV(逆(或逆冲)断层作用)减少到中间盆地(3公里，阿普第阶(Aptian))中的SH＞SV(走滑)，减少到浅层盆地中的SH＝SV(提升)，减少到至海床的浅层盆地中的SH＜SV(荷载)。如果刚性足够，减小的曲率就导致下部地壳延伸，其将被正断层(21公里)切断(fail)。图3中示出的Anderson断层图形成了压缩性脉动期间的垂直次序。
下面参照图4，由Snorre区域中的反射地震数据来识别Anderson应力状态及其细分状态。绘制在阿普第阶压缩性脉动期间形成的背斜薄层(thin)和逆断层使得能够识别应力状态，因此SHM＝SH/SV＞1或在阿普第阶沉积物沉积期间的走滑立即超过储层。
通过地震在Snore区域上从阿普第阶(Ap)压缩脉动背斜得到的预钻孔SHD示出SHD与切壳断层的东方(以及东南侧)垂直。这种SHD的90°变化在该示例中使用的5公里地震测线栅格中是可辨认的。通常使用跨越场或矿藏的250到300m栅格来检测对于大于2公里长度的切壳断层的相似变化。阿普第阶SHD的平行于现今的源于侏罗纪储层的SHD的井眼破裂，立即低于阿普第阶。由于计划切壳断层中的走向和趋势没有改变，所以可以在任何深度确定SHD和SHM。
维京地堑轴中的逆断层解决方案反映了施加于较深地堑沉积物的上部地壳压缩(UCC)。SH/SV将随着沉积物的刚性减小垂直地减小至表面，并且传送压缩性应力的能力也减小。应力的减小反映在应力状态的垂直改变中(见图2和3)，即，地球表面曲率的减小导致应力状态形成这样的顺序，即，从下部地壳伸展(LCE)中的正断层到上部地壳中的逆断层并且SHM通过走滑的减小而减小，然后提升到由于减小刚性和沉积剖面从下面传送逆断层的能力通过沉积剖面的荷载。相同的应力改变水平地发生。
重复的SHD上剖面的控制因子是与SHD垂直的东侧断层。断层较大并且在侏罗纪具有2秒(双程时间)的法向位移(normal displacement)，并且断层较陡峭，在它在地震线的底部切断“内部坍塌”的最深沉积剖面 的深度上反转，然后是上部地壳。断层是弯曲的，并且在这里称为“弯刀断层”，因为这种弯曲类似中东的剑，其源于通常以逆断层的方式深深地切断剖面，并且作为剖面中较高的正断层。这些位移和弯曲是压缩脉动的函数，并且其起源归因于弯曲地壳的铰链效果，即，反映上部地壳压缩以及浅层正分量的逆断层分量是对由下部地壳外延回采(stoping)效应导致的下落的响应。脉动的可变大小会在弯刀断层上产生多于单个弯曲的更多弯曲。
在没有应力的地球表面上定义Anderson逆断层、正断层和走滑断层。在具有深度的每个Anderson断层面的倾角(dip)的改变(由限制的压力、刚性等引起)并非明确地由Anderson提出，而是给出暗示，带条纹的断层面在图2和图3的右边被向上和向下突出。在弯刀断层的曲率改变的情况下，由于地壳曲率的弯曲效应，应力实际上垂直地改变。
在过去的脉动期间和现在的脉动期间，由这些断层水平地给予的压缩与它们的走向垂直。SHD的90°改变(图4中心左边)的趋势反映在切壳断层、东侧弯刀断层的走向改变。Snorre示例示出SHD的该水平改变可以跨越小于10公里发生，并且已经在其它下至小于2公里的区域中被观察到。此改变是与切壳断层的距离的函数；越接近于断层，对SHD和SHM的影响就越大。通常，垂直地越过相似距离的SHD将有改变，导致SHD在相似的垂直贯通断层顶部之上的单位的平均；或者一个断层可以持续至更浅的深度，因此局部地控制SHD，只不过是在较低的SHM。
在从储层开采出任何石油或天然气之前，需要实质的研究。针对矿藏获取地震反射数据，从其可以估计任何储层的大概位置和尺寸。获取这种地震反射数据的方法是相关行业人员所熟知的，在这里将不进行详述。相反，本发明关注于数据的解释和分析。
通过计算机系统来执行在此描述的方法，该系统包括处理器和相关的存储装置，其中存储装置存储有一系列指令，以使处理器执行该方法的各个步骤，从而提供对矿藏中的层位上的点的最大水平应力(SH)的大小的定量预测。该方法首先包括输入已经利用例如KingdomTM或PrtrelTM的商用软件解释过的地震数据或地震反射线。
现在参照图5，在步骤510，该方法最少需要两条地震反射线以及优选地多条覆盖矿藏的地震反射线，以能够对矿藏进行充分解释和规划。在步骤520，通过大致在如图4所示的最大倾角的方向上与矿藏相交叉的至少两条地震反射线，以及如在步骤530所示的沿矿藏的纵向轴的至少另一条地震线，将最清楚地例示该矿藏。此外，在步骤540，地震反射线可以充分地指示至少一个大体垂直的切壳断层(也称为弯刀断层)的存在。
地震反射线提供了小形状的排列，其指示了包括背斜、向斜、逆断层、正断层以及大致垂直的切壳断层的各种地下特征。对该排列进行解释以识别各种在步骤550的特定时间被铺平(lay down)的通常水平的层位。每个层位都分配有地质年龄。这通常是这样实现的：在矿藏中钻出测量钻孔，以在记录的深度开采样本，并对从钻孔开采出的样本进行古生物学分析来确定其年龄。一旦知道了在记录的深度识别的样本的年龄，该信息就可以与地震线上的等效深度联系起来。在有些情况下，层位必须被分配没有来自矿藏中的测量钻孔数据的地质年龄，可以利用来自地震数据的已解释的层位从矿藏外部来推断数据。
在步骤560，该方法包括在地震线上识别至少四个层位，第一对层位是在第一压缩脉动时段内产生的，第二对层位是在第二压缩脉动时段内产生的。图1中列表显示了这些压缩脉动时段。在步骤570，必须在压缩脉动时段期间产生的至少四个层位的地震线上识别至少一个背斜或向斜。随着那些层位在压缩生长期间被褶皱(fold)而形成背斜或薄层部分(背斜薄层)的等厚线(在背斜的上表面之下)或者被逆断层所抵消，可以在地震反射线上识别地球经受压缩脉动的时段。同样地，褶皱可以形成与背斜近似平行的变厚沉降的向斜(向斜厚部)，因而成为压缩脉动时段期间的压缩应力的指示。然而，向斜可以简单地表现更宽广的盆地震源并且在背斜详细表示的水平上不反映SH的方向。在步骤580，当层位被绘制在平面图中时，那些与切壳断层平行的褶皱和/或断层指示了由于压缩应力而形成的褶皱。这指示了压缩脉动的时段。最后，在步骤590，基于其长度和与其它背斜的接近度，将绘制在平面图中的各个背斜归类 为一个或多个预定的应力状态，或者在向斜的情况下，基于其长度和与其它向斜的接近度，将各个向斜归类为一个或多个预定的应力状态。
无论是背斜还是向斜，并非所有的褶皱一定由压缩事件所形成。可以由向斜面(例如，陆地的边缘)下的重力滑动在隔障(barrier)处形成褶皱。然而，许多大褶皱在数百或数千平方公里内是近似平行的，并且形成于主水平压缩板构造的压缩边界(例如，喜马拉雅山脉或安第斯山脉)。平行于这些褶皱可以形成新的地壳和切壳断层。褶皱可以不必与在全球同步压缩脉动时段形成的、通常较小的褶皱在时间上一致，该全球同步压缩脉动是由陆地(以及海洋壳)内部的地壳曲率减小所引起的。如果非压缩脉动不与在全球压缩脉动期间形成的褶皱平行，则可以检测到它们。更具体来讲，陆地内的非压缩脉动褶皱较大并且不必与先前的切壳断层大致平行。因此，陆地内的非压缩脉动褶皱的脉动与脉动不平行，并且通常不重叠，并且不累加从脉动到脉动的振幅。如果这种褶皱在压缩脉动期间发生而通过SHD的改变可以被识别，则通过等厚线的方法来检测这种褶皱，并且如果在最近的压缩脉动时段期间褶皱没有被激活，则为了本发明忽略这种褶皱(例如，安第斯山脉或喜马拉雅山脉)。当板构造过程终止新形成的切壳断层时，假设在后来的压缩脉动时段期间与切壳断层相同的应力产生角色。
现在参照图6，通过检查示出多个层位的数据的随机横截面，可以做出针对输入的地震数据中的明显差错的初步估计。在横截面中，将在第一压缩脉动时段产生的第一对层位标记为H-1、H-2，并且将在第二压缩脉动时段产生的第二对层位标记为H-3、H-4。将各种断层标记为PSI-1、PSI-1b、PSI-3、PSI-3a、PSI-6、PSI-9、PSI-9a，并且PSI-j也可以在横截面中被识别，包括至少一个标记为PSI-1的切壳断层。
现在参照图7，以相对于地质时标更小的比例例示了图6所标记的断层和层位的进一步的随机横截面。该横截面提供进一步的机会以检查用于产生以下针对差错的等厚线图的输入层位以及断层数据。具体地，它突出了那些不连续的并且可能由于较少的数据没有被说明的或被忽略的最深的层位。这提供了矫正这种异常并增加所需描述的机会。在横截面上示出的各个阴影带表示地质时间段并对应于如在图1中例示的压缩脉动时段表格中所阴影编码的二叠纪至第三纪。
压缩脉动的内部或顶部以及底部的每一对层位(即，图6中的H-1、H-2以及H-3、H-4)都是从地震数据绘制的，并且表示为结构地图。对应于每一对层位的两个结构地图之间的差异是由结构地图所限定的单元的厚度或等厚线。
现在参照图8，其示出了在三叠纪晚期(LTr)压缩脉动时段期间的沉积的等厚线图(见图1)。已经针对连续地震勘测之间的任何模糊不清(栅格表面离开所选择的层位的地方)校正了等厚线图。在等厚线图的左手边可以识别出一系列逆断层。图的右手边包括许多较不明显的背斜。
将应力大小SHM表示为比值SH/SV。通过增加Anderson应力状态的数量并在根据现有地震数据而产生的等厚线中识别它们，并且利用向着表面减少的压缩脉动SHM＝SH/SV，如果负荷SV已知或者可以容易地估计负荷SV，则可以预测SHM的定量值。通常，将负荷SV估计为等于21KPa/m(每米千帕斯卡)，这是全世界公认的平均负荷SV。如果有理由从该平均值改变SV，则从SH/SV计算出的SH也将因此改变。
因此，本发明的方法包括将应力状态的数量从由Anderson(1951)提出的三种增加至下面详细描述的七种：
N 正断层作用 其中SV＞SH＞Sh
L 荷载应力状态 其中SV＞SH≥Sh
U 隆起应力状态 其中SH＞SV≥Sh
ESS 外延走滑断层作用 其中SH＞SV＞＞Sh
SS 走滑断层作用 其中SH＞SV＞Sh
CSS 压缩走滑断层作用 其中SH＞＞SV≥Sh
R 逆断层作用或逆冲断层作用 其中SH＞Sh＞SV
在等厚线上，可以如下识别这七种应力状态：
N 正断层或应力状态，即，SHM＝N被识别为长度大于2千米的直的正断层
L 荷载应力状态，即，SHM＝L被识别为没有背斜或正断层(即，
逆断层的长度的1/5。在具有中间等厚线偏移的逆断层情况下，使用中间半径(即，对于20至100毫秒是1/15，对于100至500毫秒是1/10)。
现在参照图9，其示出了根据一个实施方式的转换为识别在所绘制的区域内所识别的应力状态的应力图的图8的等厚线图。归类为七种应力状态中的一种应力状态使得能够推导出相应的SH的大小。从应力图下面提供的图例，或者通过在应力图上旋转指针以确定针对图上任意点的预测的SHM值，可以获得SHM。
除了主要的水平应力大小SH/SV＝SHM，还可以从将在应力图中识别出的特征归类为七种应力状态中的一种或多种应力状态来推导出近似的破裂梯度(fracture gradient)。
根据对应于以下表1中指示的范围来估计针对SHM＝SH/SV以及近似的断裂梯度＝Sh/Sv的定量值，并且SH/SV以及Sh/Sv同时地发生。该同时发生导致分别在SH/SV以及Sh/Sv应力状态边界计算默认值(如图9和图10的图例所例示的)，即，正断层和荷载应力状态之间的0.825和0.725(即，SH/SV以及Sh/Sv)、荷载应力状态和隆升应力状态之间的0.875和0.775、隆升应力状态和外延走滑断层之间的0.975和0.825、外延走滑断层和走滑断层之间的1.075和0.875、走滑断层和压缩走滑断层之间的1.200和0.925、压缩走滑断层和逆断层之间的1.400和1.000。以下值的范围与从传统的后钻孔方法得到的值是一致的。
| 应力状态 | 相对大小 | SH/SV | Sv | Sh/Sv |
| 正断层 | Sv＞SH＞Sh | 0.825-0.675 | 1 | 0.725-0.650 |
| 荷载力 | Sv＞SH≥Sh | 0.875-0.825 | 1 | 0.775-0.725 |
| 隆升 | SH＞SV≥Sh | 0.975-0.875 | 1 | 0.825-0.775 |
| 外延走滑断层 | SH＞Sv＞＞Sh | 1.075-0.975 | 1 | 0.875-0.825 |
| 走滑断层 | SH＞Sv＞Sh | 1.200-1.075 | 1 | 0.925-0.875 |
| 压缩走滑断层 | SH＞＞Sv≥Sh | 1.400-1.200 | 1 | 1.000-0.925 |
| 逆断层 | SH＞Sh＞Sv | 4.000-1.400 | 1 | 1.500-1.000 |
表1.七种应力状态SHM＝SH/Sv以及近似断裂梯度＝Sh/Sv的定量值的范围
[0137]
现在参照图10，进一步示出例示在与图9的应力图相同的位置上的第二对层位处识别的应力状态的应力图。该图表示了形成在Aalenian(Aa)压缩脉动时段的Poolowanna层位和Nappamerri层位之间的等厚线。再一次地，可以从应力图下面提供的图例，或者通过在应力图上旋转指针以确定针对图上任意点的预测的SHM或近似断裂梯度，推导出各个应力状态及其对应的大小以及近似断裂梯度。
现在参照图11，其示出了从图9和图10部分地得到的压力深度图，其中图9和图10示出了由SH/Sv提供的应力大小以及由Sh/Sv提供的近似断裂梯度。在图11上绘出了SH/Sv值，它是针对图9和图10上的坐标为475373，6994088的下部三角形的位置而获得的。这些提供了从两个压缩脉动应力图的最小值建立压力深度图所需的两个应力点。该图被延续至利用稍后的(或较浅的)压缩脉动应力图的表面。在图11中，当定量地表示负荷Sv时，以兆帕(MPa)定量地绘出SH/Sv点。业界通常使用21KPa每米(KPa/m)的Sv梯度。用户可以随意地将梯度减少至浅部的18KPa/m并增加至深部的22KPa/m。然后，相对于Sv绘出SH/Sv并且可以从通过将针对在特定深度的SV的定量值应用至该深度的SH/Sv来绘制的压强深度获得SH在任何深度的定量值。
现在参照图12，其示出了从图9和图10部分地得到的另一压力深度图，其中图9和图10包括由SH/Sv提供的应力大小，并且包括在图9和图10所示的上部三角形的坐标为473547，6996238的位置的近似断裂梯度。
在正常压力的盆地(即，正常孔隙压力梯度)中，孔隙流体或孔隙压力的重量是大约9KPa/m，并且也在图11和图12中绘出。岩石的抗张强度在浅部实际上是零，但是随着深度增加，可以随着孔隙压力的增加而减小。从实际测量得到抗张强度(T0)。T0虚线的梯度用作示出真正的断裂梯度稍微大于Sh/Sv的指示，并表示为Sh/Sv+T0。
所使用的钻井液的重量必须超过水柱的重量(已知为孔隙压力(Pp))加上预期的油和/或气的重量。同时，钻井液重量(MW)必须不超过最小水平应力分量Sh加上密封岩石单元(sealing rock unit)的抗张强度，否则井眼就会破裂。如图11和图12所示，Pp+油气＜MW＜Sh/Sv+T0(T0在图11和图12中被示出为垂直的真正垂直深度(True Vertical Depth)轴左边的虚线)。当Pp接近Sh时，钻井必须停止，因为压裂梯度将要被超过并且井会失去控制，并导致爆裂。
通过例示的方式，图12示出了从1510米到1730米的深度具有大约15MPa的正常孔隙压力。如果孔隙压力由于流体无法散去而增大，则如虚线所示，孔隙压力可以达到25MPa(在图12中以“增加的孔隙压力”示出，并且也称为“超压”)，就在大约27MPa的压裂梯度下面，其几乎是岩石的破裂点。业界使用来自地震观测和测井曲线的速率数据来识别这样的区域，即，被认为相同的岩石类型表现出等于比在附近区域所经受的更慢的速度的较慢地震走时。较慢的速度是由孔隙压力的增加所导致的。
希望使用其它不相关的方法来估计孔隙压力提高的区域。
如果包括任何等厚线的较低层位的结构地图大致平坦或一致地倾斜，而上部的结构地图不与较低的层位大致平行，则等厚线进入移动的低密度单元，位于增加的孔隙压力的较厚的部分可能试图通过沉积性序列增加。也就是说，孔隙压力在压缩性脉动时段期间(或甚至在其之外)形成的层位对内具有正常的梯度，但是如果在勘探中向斜厚层高于压缩脉动时段期间形成的一个或多个背斜薄层，则在等厚线的较厚部分或向斜部分是提高的或增加的孔隙压力。
如果邻近的等厚线薄层之间的等厚线厚层小于薄层厚度的两倍，则厚层指示了页岩并且孔隙压力被提高，其估计值大约是正常的流体静压力梯度乘以等厚的厚层到最近的薄层的最大为2的比率。
应理解的是，如果等厚厚层与薄层的比率大于2，则单元具有比周围的岩石更低的密度，并可能是底辟盐(diapiric salt)。
应理解的是，可以选择在压缩脉动时段期间产生的任何层位，并且在勘探中所采用并使用的所解释的层位的数量通常取决于钻井所预期的深度以及可能出现钻井问题的层位的数量。
现在参照图13，该方法可以利用硬件、软件或者其组合来实现，并且可以以一个或更多个计算机系统或处理系统实现。此外，可以通过一个或更多个能够实现上述功能的计算机系统来提供顾客用户终端和图形用户界面以及服务器的功能性。
计算机系统100包括一个或多个处理器，例如处理器110。处理器 110连接至通信基础设施120。计算机系统100可以包括显示接口130，其用于转发来自通信设备120的图像、文本以及其它数据从而供应给显示单元140。计算机系统100还可以包括主存储器150(优选地是随机存储器)，并且还可以包括副存储器160。
例如，副存储器160可以包括硬盘驱动器170、磁带驱动器、光盘驱动器等。可移动存储驱动器180以公知的方式从可移动存储单元190读取和/或向可移动存储单元190写入。可移动存储单元190表示软盘、磁带、光盘等。
可以理解，可移动存储单元190包括计算机可用的存储介质，其以一系列指令的形式存储有计算机软件，以使处理器110实现期望的功能性。在另选实施方式中，副存储器160可以包括其它允许计算机程序或指令被载入计算机系统100的相似装置。例如，这种装置可以包括可移动存储单元200以及接口210。
该计算机系统还可以包括通信接口220。通信接口220允许软件和数据在计算机系统和外部设备之间转移。通信接口220的示例可以包括调制解调器、网络接口、通信端口、PCM1A槽和卡等。经由通信接口220转移的软件和数据是信号的形式，其可以是电磁的、电子的、光学的，或能够被通信接口220接收的其它信号。信号经由通信路径240提供至通信接口220，其中通信路径240例如是电线或电缆、光纤、电话线、蜂窝式电话链接、无线电频率或其它通信信道。
虽然在上述的实施方式中，主要利用计算机软件来实现本发明，但在其它实施方式中，可以主要利用硬件，例如，诸如专用集成电路(ASIC)的硬件组件，来实现本发明。实现硬件状态机以执行这里描述的功能对于相关领域的技术人员将是明显的。在其它实施方式中，可以利用硬件和软件的组合来实现本发明。
本方法利用压缩脉动时段来说明现有的2D或3D地震数据，以使地质学家或地球物理学家能够预测断层封闭性，使钻井工程师能够在钻井规划中预测应力以避免昂贵的井眼破裂或倒塌，并使储层工程师针对最佳的油气开采预测开放性压裂。
本发明的优点是，预钻孔时可以确定地质应力的方向和大小。它是一种无需昂贵的后钻孔、传统的钻孔地质力学的独立技术。从地震反射数据获得SH的方向和大小之后，可以预测封闭性断层和非封闭性断层，开放性和封闭性压裂方向以及针对倾斜的或水平的钻井的最佳位置和方向。
如在压缩脉动的重复中实现的这种应力重复提供了针对应力一致的地震说明的工作流程，其可以在应力SHD的主水平压缩分量的方向上并且还在应力SHM的大小方面预测水平和垂直的改变。现在可以在任何期望的点、重要的勘探和例如关于应力的断层封闭性和开放性压裂方向的生产变量得到预钻孔。相似的储层开发参数(例如，压裂梯度和井眼稳定性预测)将最大化开采效率并减少开发成本。该技术也将帮助有效的二氧化碳减量，一个我们正在尽力挑战的新领域。
尽管结合有限数量的实施方式描述了本发明，但是对于本领域技术人员应该理解的是，根据在前的描述可以有许多选择、修改和变型。因此，本发明旨在包括所有这种在所公开的本发明的精神和范围内的选择、修改和变型。
Claims (24)
1.一种提供对矿藏内的层位上的某个点的最大水平应力的大小SH/SV的定量预测的方法，该方法包括以下步骤：
a）接收包括该矿藏内的多条地震反射线的地震反射数据；
b）解释该地震反射数据以识别至少一个背斜和/或向斜以及在压缩脉动时段期间产生的至少四个层位；
c）将所识别的背斜和/或向斜绘制在平面图中；
d）基于各个背斜的长度以及其与邻近的背斜的接近度，将各个背斜归类为一个或多个预定的应力状态，并且/或者基于各个向斜的长度以及其与邻近的向斜的接近度，将各个向斜归类为一个或多个预定的应力状态；
其中，各个预定的应力状态对应于最大水平应力的大小SH/SV的预定值。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，解释地震反射数据以识别在压缩脉动时段期间产生的至少四个层位的步骤包括以下步骤：
ⅰ）选择大致在最大下沉的方向上穿过所述矿藏的至少两条地震反射线；
ⅱ）选择大致沿着所述矿藏的纵轴延伸的至少一条另外的地震线；
ⅲ）在所述多条地震线中的一条上识别至少一个大体垂直的切壳断层；
ⅳ）在所选择的地震线上识别多个层位；以及
ⅴ）在所选择的地震线上识别至少四个层位，第一对层位产生于第一压缩脉动时段内，第二对层位产生于第二压缩脉动时段内。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，在第一压缩脉动时段期间产生的层位处的地震线上的、至少有一个背斜的区域被归类为处于隆升应力状态。
4.根据权利要求2或3所述的方法，该方法还包括以下步骤：
e）在第二压缩脉动时段期间产生的层位处的地震线上识别没有背斜或向斜的区域；
其中，所述最大水平应力的大小SH/SV从在步骤b中识别的区域到在步骤e中识别的区域减小。
5.根据权利要求1到3中任意一项所述的方法，该方法还包括以下步骤：
f）选择在压缩脉动时段期间产生的、被至少一个断层所切断的层位；以及
g）基于各个断层的长度，将各个断层归类为一个或多个预定的应力状态。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，将切断在压缩脉动时段期间产生的层位的断层归类为处于逆、逆冲或正应力状态。
7.根据权利要求1到3中任意一项所述的方法，其中，正应力状态被定义为长度大于2千米的直的正断层。
8.根据权利要求1到3中任意一项所述的方法，其中，荷载应力状态被定义为没有背斜且没有断层。
9.根据权利要求1到3中任意一项所述的方法，其中，隆升应力状态被定义为长度大于2千米的直的背斜，其最近的直的背斜的长度大于2千米并且在大于5千米之外。
10.根据权利要求1到3中任意一项所述的方法，其中，外延走滑应力状态被定义为长度小于等于2千米的直的正断层。
11.根据权利要求1到3中任意一项所述的方法，其中，走滑应力状态被定义为长度大于2千米的直的背斜，其最近的直的背斜的长度大于2千米并且在小于等于5千米之外，或者走滑应力状态被定义为长度大于2千米的直的向斜，其最近的直的向斜的长度大于2千米并且在小于等于5千米之外。
12.根据权利要求1到3中任意一项所述的方法，其中，压缩走滑状态被定义为长度小于等于2千米的直的逆断层。
13.根据权利要求1到3中任意一项所述的方法，其中，逆应力状态被定义为长度大于2千米的直的逆断层。
14.根据权利要求1到3中任意一项所述的方法，其中，所述最大水平应力的大小SH/SV从所述逆应力状态到所述正应力状态一直减小。
15.根据权利要求1到3中任意一项所述的方法，其中：
a）正应力状态对应于0.825至0.675范围内的最大水平应力大小SH/SV；
b）荷载应力状态对应于0.875至0.825范围内的最大水平应力大小SH/SV；
c）隆升应力状态对应于0.975至0.875范围内的最大水平应力大小SH/SV；
d）外延走滑应力状态对应于1.075至0.975范围内的最大水平应力大小SH/SV；
e）走滑应力状态对应于1.200至1.075范围内的最大水平应力大小SH/SV；
f）压缩走滑应力状态对应于1.400至1.200范围内的最大水平应力大小SH/SV；以及
g）逆应力状态对应于4.000至1.400范围内的最大水平应力大小SH/SV。
16.根据权利要求1到3中任意一项所述的方法，该方法还包括以下步骤：重复针对在压缩脉动时段期间产生的多个层位来确定所述最大水平应力的大小SH/SV的方法，并外推在这些层位之间所获得的结果。
17.根据权利要求1到3中任意一项所述的方法，该方法还包括以下步骤：通过基于各个背斜的长度以及其与邻近的背斜的接近度将各个背斜归类为一个或多个预定的应力状态，并且/或者通过基于各个向斜的长度以及其与邻近的向斜的接近度将各个向斜归类为一个或多个预定的应力状态，来提供近似压裂梯度Sh/SV的定量预测，其中，各个预定的应力状态对应于所述压裂梯度的预定值。
18.根据权利要求17所述的方法，该方法还包括以下步骤：通过基于各个断层的长度将各个断层归类为一个或多个预定的应力状态，来提供所述近似压裂梯度Sh/Sv的定量预测。
19.根据权利要求18所述的方法，其中：
a）正应力状态对应于0.725至0.650范围内的近似压裂梯度Sh/Sv；
b）荷载应力状态对应于0.775至0.725范围内的近似压裂梯度Sh/Sv；
c）隆升应力状态对应于0.825至0.775范围内的近似压裂梯度Sh/Sv；
d）外延走滑应力状态对应于0.875至0.825范围内的近似压裂梯度Sh/Sv；
e）走滑应力状态对应于0.925至0.875范围内的近似压裂梯度Sh/Sv；
f）压缩走滑应力状态对应于1.000至0.925范围内的近似压裂梯度Sh/Sv；并且
g）逆应力状态对应于1.500至1.000范围内的近似压裂梯度Sh/Sv。
20.根据权利要求1到3中任意一项所述的方法，该方法还包括以下步骤：确定在压缩脉动时段内产生的一对层位之间的孔隙压力，其中，在相同或包括所述矿藏上的背斜薄层的一对层位内，该孔隙压力具有正常梯度。
21.根据权利要求1到3中任意一项所述的方法，该方法还包括以下步骤：确定一对层位之间的孔隙压力，其中，在包括在所述矿藏上位于背斜薄层之上的向斜厚层的一对层位内，该孔隙压力具有增大的梯度。
22.根据权利要求21所述的方法，其中，确定一对层位之间的孔隙压力的步骤包括以下步骤：测量向斜厚层相对于最接近的背斜薄层的厚度，其中，向斜厚层的厚度与背斜薄层的厚度之比与孔隙压力超出所述正常梯度的增大成比例。
23.根据权利要求22所述的方法，其中，所述孔隙压力最大增大至正常孔隙压力梯度的两倍。
24.一种用于提供对矿藏内的层位上的某个点处的最大水平应力的大小SH/SV的定量预测的系统，该系统包括处理器以及用于存储一系列指令以使该处理器执行根据权利要求1到23中任意一项所述的方法的关联存储装置。
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