CN104698492A - 一种计算异常地层压力的方法 - Google Patents

Abstract

本发明是关于一种计算异常地层压力的方法，所述的方法包括：通过杨氏模量与纵横波速度之间的关系获得第一有效应力；通过体积模量与纵横波速度之间的关系获得第二有效应力；对所述第一有效应力与所述第二有效应力加权平均，获得最终有效应力结果；根据最终有效应力结果，利用有效应力定理确定异常压力地层段。本发明提供的方法，提高了地层压力预测的精度，通过消除地层中含气对地层速度的影响，进而建立了地层速度与有效应力之间的高精度模型，开发了弹性模量加权法来预测地层压力。

Description

一种计算异常地层压力的方法

技术领域

本发明涉及地球物理技术领域，尤指一种利用地球物理技术计算地层压力的一种计算异常地层压力的方法。

背景技术

自1968年Pennebaker发表文章论述利用地震资料预测异常压力以来，利用地球物理技术进行压力预测的精度在逐步提高。但是目前仅仅应用纵波速度检测超压带，有时会出现错误。因为纵波速度的降低并不是唯一由超压带引起的，含气层的纵波速度也会是很低的。因此，在页岩气等含气地层压力的识别中，仅仅利用纵波速度不能区别低速层是含气层还是超压带。

因此，当前亟需一种新的计算异常地层压力的方法，用以提高页岩气等含气储层中地层压力预测的精度，消除地层中含气对地层速度的影响，建立地层速度与有效应力之间的高精度模型。

发明内容

为了达到上述目的，本发明提供一种通过从杨氏模量和体积模量的定义出发结合波动方程推导了有效应力与纵横波速度之间的关系，开发出弹性模量加权法来计算地层压力的方法。而具体方法如下：

本发明提供一种计算异常地层压力方法，所述方法包括：

通过杨氏模量与纵横波速度之间的关系获得第一有效应力；

通过体积模量与纵横波速度之间的关系获得第二有效应力；

对所述第一有效应力与所述第二有效应力加权平均，获得最终有效应力结果；

根据最终有效应力结果，利用有效应力定理确定异常压力地层段。

本发明的一种计算异常地层压力的方法更进一步包括：所述通过杨氏模量与纵横波速度之间的关系获得第一有效应力包括：

根据岩石物理特征与杨氏模量、纵横波速度之间的关系获得以下关系式：

其中：E表示杨氏模量；ρ、Vp和Vs分别表示岩石骨架的密度、纵波速度和横波速度。

本发明的一种识别页岩气异常底层压力方法更进一步包括：所述通过杨氏模量与纵横波速度之间的关系获得第一有效应力包括：

根据杨氏模量的定义与获得以下关系式：

其中ΔH/H为单位厚度压缩量，表示岩石骨架受有效应力产生的应变。

本发明的一种计算异常地层压力的方法更进一步包括：所述通过体积模量与纵横波速度之间的关系获得第二有效应力包括：

根据岩石物理特征与体积模量、纵横波速度之间的关系获得以下关系式：

其中K表示体积模量；ρ、Vp和Vs分别表示岩石骨架的密度、纵波速度和横波速度。

本发明的一种计算异常地层压力的方法更进一步包括：所述通过体积模量与纵横波速度之间的关系获得第二有效应力包括：

根据体积模量的定义与获得以下关系式：

其中ΔH/H为单位厚度压缩量。

本发明的一种计算异常地层压力的方法更进一步包括：对所述第一有效应力与所述第二有效应力加权平均，获得最终有效应力结果包括：

根据所述第一有效应力与所述第二有效应力与岩石骨架所承受的有效应力，获得以下关系式：

σ=fσ_E+(1-f)σ_K，其中σ为岩石骨架所承受的有效应力，σ_E为利用杨氏模量计算求得的有效应力；σ_K为利用体积模量计算求得的有效应力；f为加权系数。

本发明的一种计算异常地层压力的方法更进一步包括：所述根据最终有效应力结果，利用有效应力定理确定异常压力地层段包括：

根据最终有效应力利用有效应力定理求得地层压力，并通过地层压力与静水压力的比值确定异常压力地层段。

本发明的一种计算异常地层压力的方法更进一步包括：所述纵横波速度包括：

运用叠后波阻反演和道积分约束的多属性反演方法综合预测纵、横波速度。

本发明的一种计算异常地层压力的方法更进一步包括：所述通过地层压力与静水压力的比值确定异常压力地层段还包括：

根据静水压力的定义，通过以下关系式：P_w=gρ_wh/10³，其中Pw表示静水压力，单位为MPa；g表示重力加速度，无量纲；ρw表示地层水的相对密度，单位为g/cm3；h表示水柱高度，单位为m，求得静水压力值，将所述静水压力与地层压力作比较，根据其比较值确定异常压力地层段。

本发明的一种计算异常地层压力的方法更进一步包括：所述对所述第一有效应力与所述第二有效应力加权平均还包括：

将第一有效应力和第二有效应力分别与现有实测数据比对，然后拟合比对趋势线并获得拟合系数。

按照弹性模量加权法的公式，分配加权系数给第一有效应力进而求得弹性模量加权法计算的地层压力系数，每一次分配加权系数后计算的新的地层压力参数与实测数据比对，最终选择一个拟合系数最高的加权系数。

本发明的一种计算异常地层压力的方法更进一步包括：所述运用叠后波阻反演还包括：

获取测试数据，所述测试数据包括：波阻抗曲线、层位解释结果和岩性信息；根据获得的测试数据确定初始波阻抗模型；

将地震道估计结果与实际地震道做比较，获得剩余误差值；

利用初始波阻抗模型反演，求得相关关系，实现叠后波阻抗反演；

根据获得的测试数据，分别建立区域纵波速度、横波速度和密度与叠后波阻抗的拟合关系式，将叠后波阻抗体分别转换为纵波速度体、横波速度体和密度体。

本发明的有益技术效果在于：通过本发明提供的方法，提高了地层压力预测的精度，通过消除地层中含气对地层速度的影响，进而建立了地层速度与有效应力之间的高精度模型，开发了弹性模量加权法来预测地层压力。

附图说明

图1为计算异常地层压力的方法流程图；

图2为Fillipone法计算地层压力系数与DC指数交会图；

图3为体积模量法计算地层压力系数与DC指数交会图；

图4为杨氏模量法计算地层压力系数与DC指数交会图；

图5为弹性模量加权法加权系数优选；

图6为弹性模量加权法计算地层压力系数与DC指数交会图；

图7为N201井利用弹性模量加权法计算的地层压力随埋深变化趋势。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。

本发明实施例提供一种计算异常地层压力的方法，以下结合附图对本发明进行详细说明。

图1是本发明实施例提供的一种计算异常地层压力的方法，如图1所示，所述的计算异常地层压力的方法包括以下步骤：

S101，通过杨氏模量与纵横波速度之间的关系获得第一有效应力。

在本发明实施例中，杨氏模量是指岩石骨架在弹性变形范围内，作用于岩石骨架上的纵向应力与纵向应变的比例常数。也常指岩石骨架所受应力如拉伸、压缩、弯曲、扭曲、剪切等与岩石骨架产生的应变之比。其杨氏模量的表达公式可由：表达，式中：E表示杨氏模量；σ_E表示岩石骨架所受应力；e表示岩石骨架产生的应变。

然后根据杨氏模量的定义与地层中纵横波速度之间的关系，可获得第一有效应力。

S102，通过体积模量与纵横波速度之间的关系获得第二有效应力。在本发明实施例中，体积模量可描述为均质各向同性固体的弹性，可表示为单位面积的力，表示不可压缩性，公式可由：表达，式中：K表示体积模量；σ_K表示岩石骨架所受有效应力；ΔV/V表示岩石骨架体积应变。

然后根据体积模量的定义与地层中纵横波速度之间的关系，可获得第二有效应力。

S103，对所述第一有效应力与所述第二有效应力加权平均，获得最终有效应力结果。

由于通过体积模量和杨氏模量计算有效应力，均是在一定的假设条件下成立的，因此需对其进行精确度的调整，所以将其一定比率加权求和建立弹性模量加权法将提高有效应力预测的精度。

S104，根据最终有效应力结果，利用有效应力定理确定异常压力地层段。

将获得的精确度较高的有效应力带入有效应力定理中，以此求得地层压力，并通过地层压力与静水压力的比值确定异常压力地层段。

在上述实施例中，步骤S101还包括，根据岩石物理特征，杨氏模量与地层中纵横波速度之间有以下关系式：式中：E表示杨氏模量；ρ、V_p和V_s分别表示岩石骨架的密度、纵波速度和横波速度。而，将杨氏模量的表达式，与上述关系式相结合，以此可推导出以下关系式：式中：ΔH/H为单位厚度压缩量，表示岩石骨架受有效应力产生的应变。

在上述实施例中，步骤S102还包括，根据岩石物理特征，体积模量与地层中纵横波速度之间有以下关系式：式中：K表示体积模量；ρ、V_p和V_s分别表示岩石骨架的密度、纵波速度和横波速度。而，将体积模量的表达式，与上述关系式相结合，以此可推导出以下关系式：式中：ΔH/H为单位厚度压缩量，表示岩石骨架受有效应力产生的应变。

在上述实施例中，步骤S103还包括，由于通过体积模量和杨氏模量计算有效应力，均是在一定的假设条件下成立的，因此，对杨氏模量和体积模量计算得到的有效应力加权平均，开发出一种新的计算有效应力的方法“弹性模量加权法”具体为将和按照一定比率加权求和建立弹性模量加权法将提高有效应力预测的精度，即：

σ=fσ_E+(1-f)σ_K

式中：σ为岩石骨架所承受的有效应力，σ_E为利用杨氏模量计算求得的有效应力；σ_K为利用体积模量计算求得的有效应力；f为加权系数。

其中弹性模量加权法中加权系数的优选需要借助一些已钻井资料，如DC指数、实测压力系数等。

1、分别用体积模量法和杨氏模量法计算获得地层压力系数。

2、用计算得到的压力系数与DC指数（或实测压力系数等实际资料）交会，然后拟合交会趋势线并获得拟合系数。

3、按照弹性模量加权法的公式，分配加权系数给杨氏模量法计算的地层压力系数进而求得弹性模量加权法计算的地层压力系数，每一次分配的加权系数后计算的新的地层压力参数与DC指数（或实测压力系数等实际资料）交会，最终选择一个拟合系数最高的加权系数。

在上述实施例中，步骤S104还包括静水压力获取或求值方法，其中静水压力是指与岩石表面及地表连通的开放体系下的水柱压力。常具有以下性质(Dahlberg,1994)：①压力值随深度而增加；②压力变化率只依赖于水的密度变化；③代表压力增加最大速率的方向向量总是垂直地面的；④压力和深度的关系与流体容器的形状完全无关。静水压力的计算公式为：

P_w=gρ_wh/10³

式中：P_w表示静水压力，单位为MPa；g表示重力加速度，无量纲；ρ_w表示地层水的相对密度，单位为g/cm³；h表示水柱高度，单位为m。

在本发明实施例中，地层中纵波与横波速度是通过叠后波阻抗反演和道积分约束的多属性反演等方法进行综合预测的，因为，地震资料反演技术就是充分利用测井、钻井、地质资料提供的丰富的构造、层位、岩性等信息，从常规的地震剖面推导出地下地层的波阻抗、密度、速度、孔隙度、渗透率、沙泥岩百分比、压力等信息。因此，本发明通过此方法在提高纵波与横波速度的精度之外还提高了异常地层段的精度确定。

⑴叠后波阻抗反演的具体方式

首先应综合地震、测井和地质等资料得到的波阻抗曲线、层位解释结果和岩性信息，确定一个初始波阻抗模型。这个初始模型把应用地质知识解释的层位、断层和岩性信息反馈到反演中去。

把地震道的估计结果与实际地震道相比，得到剩余误差值。利用这个误差，通过随机算法（或模拟退火、神经网络、遗传算法等非线性全局最优化方法），在噪声和模型协方差估计值得约束下，迭代修改模型，直到获得一个可以接受的剩余误差为止。最终控制反演过程的稳定性与分辨率，进而处理出高质量的波阻抗剖面。

利用测井波阻抗反演结果采用拟和、地质统计学（克里金、协克里金）方法求取相关关系，实现叠后波阻抗反演。目前，有很多商业软件可以完成叠后波阻抗反演，如Strat、Jason、Geoscope等。

利用测井资料分别建立区域纵波速度、横波速度和密度与叠后波阻抗的拟合关系式，然后将叠后波阻抗体分别转换为纵波速度体、横波速度体和密度体。

⑵道积分约束的多属性反演具体方式

先对地震数据进行道积分反演。道积分技术是80年代中期由Takeshi等人提出的、主要用于岩性解释的一种地震道反演技术，目前有很多商业软件可以完成，如Strat、Jason、Geoscope等。

利用道积分反演的体做为约束条件在Strat软件中利用Emerge模块进行纵波速度、横波速度和密度的多属性反演。EMERGE在井点处通过交会分析建立测井数据和地震数据的关系式，然后利用神经网络学习这种关系进而推广应用到无井地区，通过分析地震属性，利用学习的关系，将这个关系应用到三维区中。

在本发明实施例中，通过杨氏模量与体积模量确定识别页岩气异常压力地层段具体方法如下：

（1）利用密度测井曲线计算上覆岩层压力

全世界各沉积盆地的资料均表明，上覆岩层压力与埋深呈正比，直线相关性极强，实际上，上覆岩层压力就是上覆地层平均密度与岩层深度的乘积，即

P_ov=gρh/10³

式中：P_ov表示上覆岩层压力，单位为MPa；g表示重力加速度，无量纲；ρ表示上覆地层平均密度，单位为g/cm³；h表示岩层深度，单位为m。

（2）利用DC指数等钻井资料建立正常压实趋势线确定单位厚度压缩量

利用“DC”指数分层段建立正常压实趋势线，主要目的是避免大的不整合面对正常压实趋势线的影响。结合“DC”指数随深度的变化规律，由最小二乘法计算压实系数。

所述小二乘法指的是变量与变量之间存在着各种不同的关系，其中孔隙度、层速度、DC指数、Sigma指数等压实参数与井深之间存在一元线性关系，用公式表示如下：y=a+bH式中：y表示压实参数，包括（孔隙度、层速度、DC指数等），H表示井深，a和b为区域参数，其中b近似于单位厚度压缩量。由最小二乘法可以得出：b=L_xy/L_xx、a=H_平均-b·y_平均式中，L_xx=∑(H_i-H_平均)²、L_xy=∑(H_i-H_平均)(y_i-y_平均)²、H_平均=(∑(H_i))/n、y_平均=(∑(y_i))/n、i=1,2,3,…,n。

（3）地层速度的求取

方法一:利用井资料约束叠后波阻抗反演方法求得波阻抗体，然后根据井资料拟合波阻抗数据体与纵波速度、横波速度和密度之间的关系，求得纵波速度、横波速度和密度。方法二:利用道积分约束的多属性反演计算纵波速度、横波速度和密度。

综合应用两种方法计算得到的纵横波速度和密度，提高地层速度预测的精度。

（4）异常压力计算

将计算得到的纵波速度、横波速度、密度和单位厚度压缩量代入体积模量加权法的公式σ=fσ_E+(1-f)σ_K中计算有效应力，然后根据有效应力定理求得地层压力，并通过地层压力与静水压力的比值确定异常压力地层段。

经实践，在四川盆地分别利用弹性模量加权法、Fillipone法、杨氏模量法、体积模量法等不同方法计算了志留系页岩地层中的地层压力，并利用钻井DC指数的结果与不同方法计算的压力系数交会拟合。从拟合的结果来看，弹性模量加权法的拟合系数最高，比前人用的Fillipone法拟合系数提高了4%。

请参考附图图2-图4，分别为Fillipone法计算地层压力系数与DC指数交会图、体积模量法计算地层压力系数与DC指数交会图与杨氏模量法计算地层压力系数与DC指数交会图。将上述附图于经过附图5中不同加权系数优选后的弹性模量加权法计算地层压力系数与DC指数交会图（图6）作比较，可以看出弹性模量加权法的拟合系数最高，因此可以明显得出通过弹性模量加权法确定的异常压力地层段更为准确。

请参考图7，N201井利用弹性模量加权法计算的地层压力随埋深变化趋势，其中，圆圈为上覆地层压力，方框为计算地层压力，三角形为静水压力。从图中可知N201井埋深2200m以下开始出现高压异常，其中2400m以下的压力值超过40MPa，压力系数大于2为异常高压地层。从实际测试资料来看，N201井在井段2495～2498m，2505～2508m，2513～2516m，试井外推地层压力49.877MPa，属于异常高压地层,由此可确定异常地层段。

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 (12)

1.一种计算异常地层压力的方法，其特征在于，所述方法包括：

通过杨氏模量与纵横波速度之间的关系获得第一有效应力；

通过体积模量与纵横波速度之间的关系获得第二有效应力；

对所述第一有效应力与所述第二有效应力加权平均，获得最终有效应力结果；

根据最终有效应力结果，利用有效应力定理确定异常压力地层段。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述通过杨氏模量与纵横波速度之间的关系获得第一有效应力包括：

结合岩石物理特征与杨氏模量、纵横波速度之间的关系获得以下关系式：

其中：E表示杨氏模量；ρ、Vp和Vs分别表示岩石骨架的密度、纵波速度和横波速度。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述通过杨氏模量与纵横波速度之间的关系获得第一有效应力包括：

根据杨氏模量的定义与获得以下关系式：

其中σ_E为第一有效应力，ΔH/H为单位厚度压缩量，表示岩石骨架受有效应力产生的应变。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述通过体积模量与纵横波速度之间的关系获得第二有效应力包括：

根据岩石物理特征与体积模量、纵横波速度之间的关系获得以下关系式：

其中K表示体积模量；ρ、V_p和V_s分别表示岩石骨架的密度、纵波速度和横波速度。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述通过体积模量与纵横波速度之间的关系获得第二有效应力包括：

根据体积模量的定义与获得以下关系式：

其中σ_K为第二有效应力，ΔH/H为单位厚度压缩量。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对所述第一有效应力与所述第二有效应力加权平均，获得最终有效应力结果包括：

根据所述第一有效应力与所述第二有效应力与岩石骨架所承受的有效应力，获得以下关系式：

σ=fσ_E+(1-f)σ_K，其中σ为岩石骨架所承受的有效应力，σ_E为利用杨氏模量计算求得的有效应力；σ_K为利用体积模量计算求得的有效应力；f为加权系数。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述对所述第一有效应力与所述第二有效应力加权平均还包括：

将第一有效应力和第二有效应力分别与现有实测数据比对，然后拟合比对趋势线并获得拟合系数。

按照弹性模量加权法的公式，分配加权系数给第一有效应力进而求得弹性模量加权法计算的地层压力系数，每一次分配的加权系数后计算的新的地层压力参数与实测数据比对，最终选择一个拟合系数最高的加权系数。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据最终有效应力结果，利用有效应力定理确定异常压力地层段包括：

根据最终有效应力利用有效应力定理求得地层压力，并通过地层压力与静水压力的比值确定异常压力地层段。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述通过地层压力与静水压力的比值确定异常压力地层段还包括：

根据静水压力的定义，通过以下关系式：P_w=gρ_wh/10³，其中P_w表示静水压力，单位为MPa；g表示重力加速度，无量纲；ρ_w表示地层水的相对密度，单位为g/cm³；h表示水柱高度，单位为m，求得静水压力值，将所述静水压力与地层压力作比较，根据其比较值确定异常压力地层段。

10.根据权利要求1-5所述的方法，其特征在于，所述纵横波速度包括：

运用叠后波阻抗反演和道积分约束的多属性反演方法综合预测纵、横波速度。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述运用叠后波阻抗反演还包括：

获取测试数据，所述测试数据包括：波阻抗曲线、层位解释结果和岩性信息；根据获得的测试数据确定初始波阻抗模型；

将地震道估计结果与实际地震道做比较，获得剩余误差值；

利用初始波阻抗模型反演，求得相关关系，实现叠后波阻抗反演；

根据获得的测试数据，分别建立区域纵波速度、横波速度和密度与叠后波阻抗的拟合关系式，将叠后波阻抗体分别转换为纵波速度体、横波速度体和密度体。

12.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述道积分约束的多属性反演具体方式还包括：

获取地震数据，进行道积分反演；

将所述反演结果作为约束条件，进行纵波速度、横波速度和密度的多属性反演。