CN104267435B - 一种横观各向同性地层弹性系数的测井计算方法及装置 - Google Patents

一种横观各向同性地层弹性系数的测井计算方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种横观各向同性地层弹性系数的测井计算方法及装置，该方法包括：对岩心进行不同方向的取心，获得岩心样品；对岩心样品进行测量，获取岩心样品的纵波速度和横波速度，利用纵波速度和横波速度计算得到弹性系数C11,C13,C33,C44,C66；利用取心井的阵列声波测井数据和密度测井数据获取弹性系数C33,C44,C66；利用纵波速度和横波速度计算得到的弹性系数C11,C13,C33,C44,C66建立测井可测量的弹性系数C33,C44,C66和不可测量的弹性系数C11,C13之间的组合关系表达式；将通过取心井的阵列声波测井数据和密度测井数据获取的弹性系数C33,C44,C66代入组合关系表达式，得到测井不可测量的弹性系数C11,C13，最终获得表征横观各向同性地层的弹性系数。

Description

一种横观各向同性地层弹性系数的测井计算方法及装置
技术领域
本发明涉及石油勘探开发中的测井与工程技术领域，特别涉及一种横观各向同性地层弹性系数的测井计算方法及装置。
背景技术
常规储层弹性性质评价主要采用各向同性模型。随着油气勘探开发的不断深入发展，致密气、页岩气、煤层气、致密油等非常规油气在经济技术条件下展示了巨大的潜力，全球油气资源将迎来二次扩展。勘探目标越来越复杂，储层非均质性越来越强，非常规储层普遍具有横观各向同性性质。所谓横观各向同性表现为层状平面内性质一致、垂直于层状平面上性质不同。一般情况下，横观各向同性地层水平方向上的刚度大于垂直方向上的刚度。相应地，水平方向上的声波速度大于垂直方向上的声波速度，弹性各向异性理论描述了这一现象。对于页岩气、致密砂岩等非常规地层，由于地层性质的不同而采用各向同性模型时必然会导致错误的评价结果。因此如何评价横观各向同性地层弹性性质是当前亟待解决的问题。
一般利用弹性系数来表征地层弹性性质，横观各向同性地层需要5个弹性系数，如何利用测井方法来连续计算弹性系数是个难点。国内对于非常规储层弹性性质的研究少之又少，国外对于这项技术进行了技术封锁。前人曾经对于泥、页岩弹性性质进行过一定的实验研究(参见2004年9月《地球物理学报》杂志中，邓继新，史謌等著作的《泥岩、页岩声速各向异性及其影响因素分析》，其中记载了对泥、页岩弹性性质进行了系统的实验研究)，也在理论上探讨过弹性系数的求取方法(参见1999年1月《石油学报》杂志中，王越之，李自俊著作的《横观各向同性地层地应力的研究》，其中记载了横观各向同性地层弹性系数的推导)，但都没有将岩心实验与测井资料结合起来，更没有利用测井资料进行连续深度计算弹性系数的研究。
发明内容
为了解决现有技术的问题，本发明提出一种横观各向同性地层弹性系数的测井计算方法及装置，将岩心实验与测井资料结合起来，能够更准确地表征横观各向同性地层的弹性性质。
为实现上述目的，本发明提供了一种横观各向同性地层弹性系数的测井计算方法，包括：
对岩心进行不同方向的取心，获得岩心样品；
对所述岩心样品进行测量，获取所述岩心样品的纵波速度和横波速度，利用纵波速度和横波速度计算得到弹性系数C11,C13,C33,C44,C66；
利用取心井的阵列声波测井数据和密度测井数据获取弹性系数C33,C44,C66；其中，弹性系数C33,C44,C66为测井可测量的弹性系数，弹性系数C11,C13为测井不可测量的弹性系数；
利用所述纵波速度和横波速度计算得到的弹性系数C11,C13,C33,C44,C66建立测井可测量的弹性系数C33,C44,C66和不可测量的弹性系数C11,C13之间的组合关系表达式；其中，所述组合关系表达式为：C11＝C33*C66/C44，C13＝C33-1.97*C44；
将通过取心井的阵列声波测井数据和密度测井数据获取的弹性系数C33,C44,C66代入测井可测量的弹性系数C33,C44,C66和不可测量的弹性系数C11,C13之间的组合关系表达式，得到测井不可测量的弹性系数C11,C13，最终获得表征横观各向同性地层的弹性系数。
优选地，所述岩心样品获取的步骤具体为：从露头或全直径钻井取心上钻取三块不同方向的岩心样品，其中，所述不同方向为垂直于层理方向、平行于层理方向和与层理呈45度夹角。
优选地，所述岩心样品的纵波速度和横波速度包括：垂直岩心的纵波速度VPV、水平岩心的纵波速度VPH、水平岩心振动方向垂直于层理的横波速度VSV、水平岩心振动方向平行于层理的横波速度VSH和对称轴与层理面呈45度夹角岩心的纵波速度VP45。
优选地，所述利用纵波速度和横波速度计算得到弹性系数C11,C13,C33,C44,C66的步骤包括：
利用C12＝C11-2C66； 得到弹性系数C11,C13,C33,C44,C66。
优选地，所述利用取心井的阵列声波测井数据和密度测井数据获取弹性系数C33,C44,C66的步骤包括：
利用计算弹性系数C33,C44,C66；其中，ρ为地层密度，VP为纵波速度，Vslowshear为慢横波速度，Vfastshear为快横波速度。
为实现上述目的，本发明还提供了一种横观各向同性地层弹性系数的测井计算装置，包括：
岩心样品获取单元，用于对岩心进行不同方向的取心，获得岩心样品；
第一弹性系数获取单元，包括波速获取模块和弹性系数计算模块，所述波速获取模块用于对所述岩心样品进行测量，获取所述岩心样品的纵波速度和横波速度；所述弹性系数计算模块用于利用所述波速获取模块获取的纵波速度和横波速度计算得到弹性系数C11,C13,C33,C44,C66；
第二弹性系数获取单元，用于利用取心井的阵列声波测井数据和密度测井数据获取弹性系数C33,C44,C66；其中，弹性系数C33,C44,C66为测井可测量的弹性系数，弹性系数C11,C13为测井不可测量的弹性系数；
组合关系表达式获取单元，用于利用所述纵波速度和横波速度计算得到的弹性系数C11,C13,C33,C44,C66建立测井可测量的弹性系数C33,C44,C66和不可测量的弹性系数C11,C13之间的组合关系表达式；其中，所述组合关系表达式为：C11＝C33*C66/C44，C13＝C33-1.97*C44；
测井弹性系数获取单元，用于将通过取心井的阵列声波测井数据和密度测井数据获取的弹性系数C33,C44,C66代入测井可测量的弹性系数C33,C44,C66和不可测量的弹性系数C11,C13之间的组合关系表达式，得到测井不可测量的弹性系数C11,C13，最终获得表征横观各向同性地层的弹性系数。
优选地，所述岩心样品获取单元进一步用于从露头或全直径钻井取心上钻取三块不同方向的岩心样品，其中，所述不同方向为垂直于层理方向、平行于层理方向和与层理呈45度夹角。
优选地，所述波速获取模块获取的速度包括：垂直岩心的纵波速度VPV、水平岩心的纵波速度VPH、水平岩心振动方向垂直于层理的横波速度VSV、水平岩心振动方向平行于层理的横波速度VSH和对称轴与层理面呈45度夹角岩心的纵波速度VP45。
优选地，所述弹性系数计算模块进一步用于利用C12＝C11-2C66；得到弹性系数C11,C13,C33,C44,C66。
优选地，所述第二弹性系数获取单元进一步用于利用 计算弹性系数C33,C44,C66；其中，ρ为地层密度，VP为纵波速度，Vslowshear为慢横波速度，Vfastshear为快横波速度。
上述技术方案具有如下有益效果：本技术方案针对当前勘探热点页岩气和致密砂岩等非常规储层，通过岩心实验分析，确定了评价页岩气和致密砂岩弹性性质的2个不能通过测井得到的不可或缺的弹性系数与测井可测量得到的弹性系数之间的最佳组合关系。在此基础上，进一步实现了利用测井资料连续深度定量评价横观各向同性地层弹性性质的方法，使得采用的地层模型更贴近实际地层，计算结果更为合理，为后续的最大最小水平主应力、破裂压力评价等奠定良好的基础，进而指导钻井、完井、油气井压裂增产，预防漏、塌、喷、卡事故的发生，也是制定泥浆方案和设计套管程序、确定套管下深的重要依据。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提出的一种横观各向同性地层弹性系数的测井计算方法流程图；
图2为本发明提出的一种横观各向同性地层弹性系数的测井计算装置框图；
图3为本实施例的横观各向同性地层弹性系数的测井计算方法流程图；
图4为本实施例的岩心钻取方法示意图；
图5为本实施例的声波速度测量示意图；
图6为本实施例的可直接测量得到的弹性系数计算流程图；
图7为本实施例中不可直接测量得到的弹性系数计算流程图；
图8为本实施例中可直接测量得到的弹性系数与不可直接测量得到的弹性系数关系图之一；
图9为本实施例中可直接测量得到的弹性系数与不可直接测量得到的弹性系数关系图之二；
图10为本实施例中利用测井资料连续深度处理计算弹性系数成果图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，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。
如图1所示，为本发明提出的一种横观各向同性地层弹性系数的测井计算方法流程图。包括：
步骤101)：对岩心进行不同方向的取心，获得岩心样品；
步骤102)：对所述岩心样品进行测量，获取所述岩心样品的纵波速度和横波速度，利用纵波速度和横波速度计算得到弹性系数C11,C13,C33,C44,C66；
所述的弹性系数是描述弹性体应力和应变关系的参数。对于弹性体，可以用应变和应力来描述其受力状态，应力和应变之间的关系满足广义虎克定律。
τij＝Cijkl·εkl (1)
其中，τij为应力，εkl为应变，Cijkl为弹性系数。
所谓横观各向同性地层，表现为层状平面内性质一致、垂直于层状平面上性质不同。对于各向异性地层，需要所有21个弹性系数表征其弹性性质。对于横观各向同性地层，由于其对称性，C11＝C22，C13＝C23，C44＝C55，C14＝C15＝C16＝C24＝C25＝C26＝C34＝C35＝C36＝C45＝C46＝C56＝0，其中所以只需要C11,C12,C13,C33,C44等5个弹性系数即可表征横观各向同性地层的弹性性质。
步骤103)：利用取心井的阵列声波测井数据和密度测井数据获取弹性系数C33,C44,C66；其中，弹性系数C33,C44,C66为测井可测量的弹性系数，弹性系数C11,C13为测井不可测量的弹性系数；
步骤104)：利用所述纵波速度和横波速度计算得到的弹性系数C11,C13,C33,C44,C66建立测井可测量的弹性系数C33,C44,C66和不可测量的弹性系数C11,C13之间的组合关系表达式；其中，所述组合关系表达式为：C11＝C33*C66/C44，C13＝C33-1.97*C44；
步骤105)：将通过取心井的阵列声波测井数据和密度测井数据获取的弹性系数C33,C44,C66代入测井可测量的弹性系数C33,C44,C66和不可测量的弹性系数C11,C13之间的组合关系表达式，得到测井不可测量的弹性系数C11,C13，最终获得表征横观各向同性地层的弹性系数。
优选地，所述岩心样品获取的步骤具体为：从露头或全直径钻井取心上钻取三块不同方向的岩心样品，其中，所述不同方向为垂直于层理方向、平行于层理方向和与层理呈45度夹角。
优选地，所述岩心样品的纵波速度和横波速度包括：垂直岩心的纵波速度VPV、水平岩心的纵波速度VPH、水平岩心振动方向垂直于层理的横波速度VSV、水平岩心振动方向平行于层理的横波速度VSH和对称轴与层理面呈45度夹角岩心的纵波速度VP45。
优选地，所述利用纵波速度和横波速度计算得到弹性系数C11,C13,C33,C44,C66的步骤包括：
利用C12＝C11-2C66； 得到弹性系数C11,C13,C33,C44,C66。
优选地，所述利用取心井的阵列声波测井数据和密度测井数据获取弹性系数C33,C44,C66的步骤包括：
利用计算弹性系数C33,C44,C66；其中，ρ为地层密度，VP为纵波速度，Vslowshear为慢横波速度，Vfastshear为快横波速度。
如图2所示，为本发明提出的一种横观各向同性地层弹性系数的测井计算装置框图。包括：
岩心样品获取单元201，用于对岩心进行不同方向的取心，获得岩心样品；
第一弹性系数获取单元202，包括波速获取模块2021和弹性系数计算模块2022，所述波速获取模块用于对所述岩心样品进行测量，获取所述岩心样品的纵波速度和横波速度；所述弹性系数计算模块用于利用所述波速获取模块获取的纵波速度和横波速度计算得到弹性系数C11,C13,C33,C44,C66；
第二弹性系数获取单元203，用于利用取心井的阵列声波测井数据和密度测井数据获取弹性系数C33,C44,C66；其中，弹性系数C33,C44,C66为测井可测量的弹性系数，弹性系数C11,C13为测井不可测量的弹性系数；
组合关系表达式获取单元204，用于利用所述纵波速度和横波速度计算得到的弹性系数C11,C13,C33,C44,C66建立测井可测量的弹性系数C33,C44,C66和不可测量的弹性系数C11,C13之间的组合关系表达式；其中，所述组合关系表达式为：C11＝C33*C66/C44，C13＝C33-1.97*C44；
测井弹性系数获取单元205，用于将通过取心井的阵列声波测井数据和密度测井数据获取的弹性系数C33,C44,C66代入测井可测量的弹性系数C33,C44,C66和不可测量的弹性系数C11,C13之间的组合关系表达式，得到测井不可测量的弹性系数C11,C13，最终获得表征横观各向同性地层的弹性系数。
优选地，所述岩心样品获取单元201进一步用于从露头或全直径钻井取心上钻取三块不同方向的岩心样品，其中，所述不同方向为垂直于层理方向、平行于层理方向和与层理呈45度夹角。
优选地，所述波速获取模块获取2021的速度包括：垂直岩心的纵波速度VPV、水平岩心的纵波速度VPH、水平岩心振动方向垂直于层理的横波速度VSV、水平岩心振动方向平行于层理的横波速度VSH和对称轴与层理面呈45度夹角岩心的纵波速度VP45。
优选地，所述弹性系数计算模块2022进一步用于利用C12＝C11-2C66；得到弹性系数C11,C13,C33,C44,C66。
优选地，所述第二弹性系数获取单元203进一步用于利用 计算弹性系数C33,C44,C66；其中，ρ为地层密度，VP为纵波速度，Vslowshear为慢横波速度，Vfastshear为快横波速度。
如图3所示，为本实施例的横观各向同性地层弹性系数的测井计算方法流程图。包括：
S101，对岩心进行不同方向的取心；
如图4所示，为本实施例的岩心钻取方法示意图。主要从全直径岩心或露头等大块岩心上钻取3块小岩心，小岩心尺寸能够用于岩石弹性性质实验即可。3块小岩心的钻取方式分别为垂直于层理钻取1块，平行于层理钻取1块，与层理呈45度夹角钻取1块。
在本实施例中，对某一油田非常规储层所取全直径岩心进行垂直于层理、平行于层理和与层理呈45度夹角分别钻取1块直径为25mm、长度为50mm的小岩心，分别定义为垂直样，水平样和倾斜样。
S102，测量不同方向岩心的纵横波速度并计算弹性系数；
如图5所示，为本实施例的声波速度测量示意图。针对步骤S101中所钻取的3块岩心，分别测量纵横波速度。横波速度分为两个速度，传播方向一致，极化方向互相垂直，其中一个极化方向平行于层理方向，另一个速度平行于层理方向。
如图7所示，为本实施例中不可直接测量得到的弹性系数计算流程图。首先，分别测量垂直岩样、水平岩样和45度岩样的纵波速度和两个横波速度，求取C11,C13,C33,C44,C66，公式如下：C12＝C11-2C66，通过计算得到C11,C13,C33,C44,C66。
S103，计算测井可测量的弹性系数；
如图6所示，为本实施例的可直接测量得到的弹性系数计算流程图。首先收集阵列声波测井资料和密度测井资料，然后利用公式计算弹性系数C33,C44,C66，其中ρ为密度，VP为纵波速度，Vslowshear为慢横波速度，Vfastshear为快横波速度。
S104，建立测井可测量弹性系数和不可测量弹性系数的组合关系；
对于步骤S102获得的C11,C13,C33,C44,C66中，C33,C44,C66是可以通过测井测量计算得到的，为了能够连续深度计算C11,C13，必须寻求C33,C44,C66和C11,C13之间的关系，因为不可能整个井段连续取心。通过寻求两类参数之间的关系，便可利用可直接测量得到的弹性系数和不可直接测量得到的弹性系数之间的关系(C11＝f(C33,C44,C66),C13＝f(C33,C44))来进行连续的处理。
如图8所示，为本实施例中可直接测量得到的弹性系数与不可直接测量得到的弹性系数关系图之一。图8中的坐标系中，数据来源于岩心分析数据，横坐标为C33*C66/C44，该参数已知，纵坐标为C11，该参数未知，C11＝C33*C66/C44，相关系数R2＝0.977。
如图9所示，为本实施例中可直接测量得到的弹性系数与不可直接测量得到的弹性系数关系图之二。图9的坐标系中，数据来源于岩心分析数据，横坐标为C33-1.97C44，该参数已知，纵坐标为C13，该参数未知，C13＝C33-1.97*C44，相关系数R2＝0.982。
S105，计算测井不可测量的弹性系数
通过阵列声波测井和密度测井资料连续深度计算C33,C44,C66，并利用C11＝C33*C66/C44和C13＝C33-1.97*C44计算C11,C13，进而得到5个表征横观各向同性地层的弹性系数。
如图10所示，为本实施例中利用测井资料连续深度处理计算弹性系数成果图。在图10中，第一道为自然伽马曲线(GR)和井径曲线，自然伽马曲线表征岩性的变化，井径曲线表征井眼的好坏；第二道为深度道，表示测量井段(即目的层)距离井口的距离；第三道为孔隙度曲线，包括纵波时差(AC)、快横波时差(DTSM_FAST)、慢横波时差(DTSM_SLOW)和密度(DEN)曲线，通常用于计算孔隙度，此处用于计算弹性系数；第四道为弹性系数曲线，包括C11,C12,C13,C33,C44等5条曲线，用于表征地层性质。
本实施例的技术方案通过岩心实验分析与测井数据相结合，实现了利用测井资料连续深度定量评价横观各向同性地层弹性性质的方法，使得采用的地层模型更贴近实际地层，计算结果更为合理，为后续的最大最小水平主应力、破裂压力评价等奠定良好的基础，进而指导钻井、完井、油气井压裂增产，预防漏、塌、喷、卡事故的发生，也是制定泥浆方案和设计套管程序、确定套管下深的重要依据。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种横观各向同性地层弹性系数的测井计算方法，其特征在于，包括：
对岩心进行不同方向的取心，获得岩心样品；
对所述岩心样品进行测量，获取所述岩心样品的纵波速度和横波速度，利用纵波速度和横波速度计算得到弹性系数C11,C13,C33,C44,C66；
利用取心井的阵列声波测井数据和密度测井数据获取弹性系数C33,C44,C66；其中，弹性系数C33,C44,C66为测井可测量的弹性系数，弹性系数C11,C13为测井不可测量的弹性系数；
利用所述纵波速度和横波速度计算得到的弹性系数C11,C13,C33,C44,C66建立测井可测量的弹性系数C33,C44,C66和不可测量的弹性系数C11,C13之间的组合关系表达式；其中，所述组合关系表达式为：C11＝C33*C66/C44，C13＝C33-1.97*C44；
将通过取心井的阵列声波测井数据和密度测井数据获取的弹性系数C33,C44,C66代入测井可测量的弹性系数C33,C44,C66和不可测量的弹性系数C11,C13之间的组合关系表达式，得到测井不可测量的弹性系数C11,C13，最终获得表征横观各向同性地层的弹性系数。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述岩心样品获取的步骤具体为：从露头或全直径钻井取心上钻取三块不同方向的岩心样品，其中，所述不同方向为垂直于层理方向、平行于层理方向和与层理呈45度夹角方向。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述岩心样品的纵波速度和横波速度包括：垂直岩心的纵波速度VPV、水平岩心的纵波速度VPH、水平岩心振动方向垂直于层理的横波速度VSV、水平岩心振动方向平行于层理的横波速度VSH和对称轴与层理面呈45度夹角岩心的纵波速度VP45。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述利用纵波速度和横波速度计算得到弹性系数C11,C13,C33,C44,C66的步骤包括：
利用C12＝C11-2C66； 得到弹性系数C11,C13,C33,C44,C66；其中，ρ为地层密度。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述利用取心井的阵列声波测井数据和密度测井数据获取弹性系数C33,C44,C66的步骤包括：
利用计算弹性系数C33,C44,C66；其中，ρ为地层密度，VP为纵波速度，Vslowshear为慢横波速度，Vfastshear为快横波速度。
6.一种横观各向同性地层弹性系数的测井计算装置，其特征在于，包括：
岩心样品获取单元，用于对岩心进行不同方向的取心，获得岩心样品；
第一弹性系数获取单元，包括波速获取模块和弹性系数计算模块，所述波速获取模块用于对所述岩心样品进行测量，获取所述岩心样品的纵波速度和横波速度；所述弹性系数计算模块用于利用所述波速获取模块获取的纵波速度和横波速度计算得到弹性系数C11,C13,C33,C44,C66；
第二弹性系数获取单元，用于利用取心井的阵列声波测井数据和密度测井数据获取弹性系数C33,C44,C66；其中，弹性系数C33,C44,C66为测井可测量的弹性系数，弹性系数C11,C13为测井不可测量的弹性系数；
组合关系表达式获取单元，用于利用所述纵波速度和横波速度计算得到的弹性系数C11,C13,C33,C44,C66建立测井可测量的弹性系数C33,C44,C66和不可测量的弹性系数C11,C13之间的组合关系表达式；其中，所述组合关系表达式为：C11＝C33*C66/C44，C13＝C33-1.97*C44；
测井弹性系数获取单元，用于将通过取心井的阵列声波测井数据和密度测井数据获取的弹性系数C33,C44,C66代入测井可测量的弹性系数C33,C44,C66和不可测量的弹性系数C11,C13之间的组合关系表达式，得到测井不可测量的弹性系数C11,C13，最终获得表征横观各向同性地层的弹性系数。
7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述岩心样品获取单元进一步用于从露头或全直径钻井取心上钻取三块不同方向的岩心样品，其中，所述不同方向为垂直于层理方向、平行于层理方向和与层理呈45度夹角方向。
8.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述波速获取模块获取的速度包括：
垂直岩心的纵波速度VPV、水平岩心的纵波速度VPH、水平岩心振动方向垂直于层理的横波速度VSV、水平岩心振动方向平行于层理的横波速度VSH和对称轴与层理面呈45度夹角岩心的纵波速度VP45。
9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述弹性系数计算模块进一步用于利用C12＝C11-2C66； 得到弹性系数C11,C13,C33,C44,C66；其中，ρ为地层密度。
10.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述第二弹性系数获取单元进一步用于利用计算弹性系数C33,C44,C66；其中，ρ为地 层密度，VP为纵波速度，Vslowshear为慢横波速度，Vfastshear为快横波速度。
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