CN104865610A - 一种深部储层岩心的数值表征方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种关于深部储层岩心的数值表征方法，包括：收集实际物理岩心的测井数据；进行岩心物理实验得到简单的岩石力学参数；以测井数据岩心的孔隙度为基准，对物理实验结果数据进行曲线拟合；根据需要，以拟合得到的某孔隙度下的标准岩石力学参数为基础建立真实复杂状态下的数值模型，得到实际难以取到层位的岩心在物理实验难以进行的复杂真三维状态下的力学参数。本发明的方法适用于有孔隙度测井数据的任意岩心且进行了标准物理实验，并对岩心的真实复杂状态以及相应的力学参数有具体的需求，本数值实验方法具有很好的通用性和实用性。

Description

一种深部储层岩心的数值表征方法

技术领域

本发明涉及一种深部储层岩心力学参数的数值表征方法，特别是基于测井结果和岩心标准物理实验的数值实验方法。

背景技术

岩石力学参数的选取直接影响着油气开采、采矿、水利水电、地下工程等多个领域的工程的设计和研究。通过钻井获取某些层位的岩心，然后进行岩石物理力学实验是获取岩石力学参数的有效方法，但受控于复杂的岩层地质情况、施工设施以及成本问题，实际钻取的岩心数量有限，不可能涵盖工程分析和研究需要的各个层位，因而仅仅是岩心的物理实验也并不能完全满足工程分析和设计研究的要求。并且，受限于当前的真三轴岩心物理实验设备较少、试件制取不易、造价昂贵等缺点，当前的岩石物理力学实验大多是在单轴或假三轴应力状态下进行的，其得到的岩心力学参数也较难反映实际岩心所处的真三维应力状态。此外，岩层中层理、节理、片理等结构弱面广泛存在，致使同一层位的数个岩心的物理实验参数结果具有较大的离散型。因而单纯的岩心物理力学结果在实际的应用中具有一定的局限性。

随着现代计算机技术的发展，利用计算机对岩石的变形与破坏进行数值实验，具有通用性强、方便灵活、具有可重复性等特点。其中，通过运用数值分析软件对岩心的力学参数进行合理准确计算是一种操作性强且可靠有效的实验方法，可弥补岩心物理实验的不足。目前，如何有效运用测井数据和物理实验的结果对各个参数之间建立数学关系，并通过数值实验方法计算岩心在复杂状态下的力学参数的问题仍亟待解决。

发明内容

本发明提供一种深部储层岩心的数值表征方法，该方法可根据测井结果和岩心标准的物理力学实验结果对岩心进行真实复杂应力状态下的数值计算及参数拟合，得到任意储层深度岩心的力学参数及破裂压力。

本发明的技术方案：一种深部储层岩心的数值表征方法，该方法包括下列步骤：

a)分析岩心所在层位测井数据，包括孔隙度、泥质含量和渗透率的分布特征，并分析该层位取出实际岩心岩石力学试验测试结果，包括弹性模量、泊松比、抗压强度、残余应力水平的测试数据。以孔隙度为主变量对测井段岩心的弹性模量、泊松比、峰值强度、残余应力、泥质含量和渗透率进行指数函数形式的最小二乘拟合，得到类似于图1所示的表征关系曲线以及下列拟合函数：

E＝24.043·e^-0.0441X                                          (1)

υ＝0.0586·e^0.0495X                                           (2)

σ＝116.1·e^-0.0457X                                           (3)

R＝0.2629·e^-0.0195X                                           (4)

SH＝49.897·e^-0.0971X                                         (5)

Perm＝0.2334·e^0.3003X                                        (6)

其中：E是岩心弹性模量(单轴)，υ是岩心泊松比(单轴)，σ是岩心单轴抗压强度，R是残余应力水平(残余应力与峰值强度的比值)，SH是岩心泥质含量，Perm是岩心渗透率，X是孔隙度。

拟合过程中，岩心岩石力学试验测试结果包括的指标有：弹性模量、泊松比、抗压强度和残余应力水平，每个指标必须包含5个以上力学试验测试的数据点，如果某指标的力学试验测试的数据点不足5个，利用基于有限元技术的数值计算方法，针对该指标建立如图2所示的岩心有限元数值模型，进行该计算模型岩心的应力-应变全过程曲线计算，补充该指标的不足数据点。

b)根据实际区块的地层地质力学条件，包括最大垂直主应力σ_V、最大水平主应力σ_H、最小水平主应力σ_h以及盖层、隔层、油层和底层的分布特征，按照实际待压裂区块建立区块岩体有限元数值模型，该有限元计算模型的X、Y、Z方向长宽高尺寸通常为几十到几百米，其中直井井眼位置与有限元计算模型中轴线重合，在压裂射孔点位置施加水压，用以压裂区块岩体；并在模型的六个面(X、Y、Z三个方向)分别施加应力，用以表征实际压裂工程中的远场垂直地应力、最大水平地应力和最小水平地应力，这三个地应力分别与模型的Z轴、Y轴、X轴平行，方向均是指向模型中心位置，三个方向的应力值大小根据实际地应力值设置为σ_V、σ_H和σ_h的真实值。

模型中储油层的位置从上至下与电测测试方法测得的不同层号层位即为不同储层深度分别对应，根据测井孔隙度值运用式(1)-(6)求解出相应的岩石物理力学参数，包括弹性模量、泊松比、抗压强度、残余应力水平、泥质含量和渗透率。并根据岩心赋存的原位远场垂直地应力、最大水平地应力和最小水平地应力(σ_V、σ_H和σ_h)，按照步骤a)建立岩心有限元数值模型，通过有限元计算得到远场垂直地应力、最大水平地应力和最小水平地应力变围压状态下的岩心抗压强度、弹性模量和泊松比。

c)利用上述步骤b)中所建立的区块岩体有限元数值模型，以最大垂直主应力σ_V、最大水平主应力σ_H、最小水平主应力σ_h、弹性模量、泊松比、抗压强度、残余应力水平、泥质含量和渗透率为模型初始参数，进行有限元数值计算，求得如图4所示的压裂裂缝起裂与扩展延伸形貌；并定义当压裂裂缝扩展至井筒直径3倍长度时的水压即是压裂裂缝起裂压力值。

图5是对不同层位的岩心实施例进行水力压裂得到的裂缝起裂压力与孔隙度关系。在本发明实施例中，模型尺寸、模型岩石力学参数、模型外边界地应力大小均需参照实际工程条件选取、设定。

本发明的有益效果在于，可规避物理实验岩心数量有限造成的岩层分析层位不连续性的缺点，同时对物理实验数据进行拟合分析，可有效减小由于岩心非均匀性和实验条件局限性带来的参数结果的离散性；此外，在普通计算机平台上运用数值软件对复杂岩心进行参数计算的实验方法具有较好的便利性、通用性和可操作性，且可以处理某些非规则岩心在复杂应力状态与边界条件下的变形与破坏特征参数。

附图说明

图1(a)岩心弹性模量与孔隙度的对应表征关系。

图1(b)岩心泊松比与孔隙度的对应表征关系。

图1(c)岩心峰值强度与孔隙度的对应表征关系。

图1(d)岩心残余应力水平与孔隙度的对应表征关系。

图1(e)岩心泥质含量与孔隙度的对应表征关系。

图1(f)岩心渗透率与孔隙度的对应表征关系。

图2为本发明实施例所分析的岩心数值模型图。

图3(a)为本发明实施例的区块岩体沿井筒的垂直剖面图。

图3(b)为本发明实施例的区块岩体三维有限元模型网格图。

图4(a)为本发明实施例区块岩体压裂裂缝起裂结果图。

图4(b)为本发明实施例区块岩体压裂裂缝延伸结果图。

图5为本发明实施例起裂压力与孔隙度关系的曲线图。

具体实施方式

本实施例研究的是真三维条件下砂岩、泥岩薄互层条件下水力压裂裂缝的起裂特征。为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本发明实施例做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

为了满足工程与科研中对复杂应力条件下岩心的力学参数的需求，弥补物理实验的岩心钻取数量有限、耗费大、结果离散性大等缺点，本发明提供一种深部储层岩心力学参数的数值表征方法，基于测井和岩心物理实验提供基本的参数，以孔隙度为主变量对其他测井数据和岩心物理实验结果参数进行拟合，拟合曲线如图1所示。图2是针对实际物理岩心建立的数值岩心模型图，图3～图5展示用于实施本发明的实施例。该方法包括下列步骤：

步骤l：分析岩心所在层位测井数据，包括孔隙度、泥质含量和渗透率的分布特征，并分析该层位取出实际岩心岩石力学试验测试结果，包括弹性模量、泊松比、抗压强度、残余应力水平的测试数据。以孔隙度为主变量对测井段岩心的弹性模量、泊松比、峰值强度、残余应力、泥质含量和渗透率进行指数函数形式的最小二乘拟合，得到类似于图1所示的表征关系曲线以及下列拟合函数：

E＝24.043·e^-0.0441X                                          (1)

υ＝0.0586·e^0.0495X                                           (2)

σ＝116.1·e^-0.0457X                                           (3)

R＝0.2629·e^-0.0195X                                           (4)

SH＝49.897·e^-0.0971X                                         (5)

Perm＝0.2334·e^0.3003X                                        (6)

其中：E是岩心弹性模量(单轴)，υ是岩心泊松比(单轴)，σ是岩心单轴抗压强度，R是残余应力水平(残余应力与峰值强度的比值)，SH是岩心泥质含量，Perm是岩心渗透率，X是孔隙度。

拟合过程中，岩心岩石力学试验测试结果，包括弹性模量、泊松比、抗压强度、残余应力水平5个指标，每个指标必须包含5个以上的数据点，如果哪个指标的试验测试数据不足5个数据点，需要利用基于有限元技术的数值计算方法，建立如图2所示的岩心数值模型，进行该数值岩心的应力-应变全过程曲线计算，补充该指标的不足数据点。

步骤2：根据实际区块的地层地质力学条件，包括最大垂直主应力σ_V、最大水平主应力σ_H、最小水平主应力σ_h以及盖层、隔层、油层和底层的分布特征，建立如图3所示的区块岩体有限元计算模型，模型长宽高(X、Y、Z方向尺寸)尺寸可以自由设定，本实施例中X方向尺寸为100米、Y方向尺寸为50米、Z方向尺寸为50米，其中直井井眼位置与模型中轴线重合，在压裂射孔点位置施加水压，用以压裂区块岩体；并在模型的六个面(X、Y、Z三个方向)分别施加应力，用以表征实际压裂工程中的远场垂直地应力、最大和最小水平地应力，这三个地应力分别与模型的Z轴、Y轴、X轴平行，方向均是指向模型中心位置，三个方向的应力值大小根据实际地应力值设置为σ_V、σ_H和σ_h的真实值。模型中油层的位置从上至下与电测解释的不同层号层位对应(不同储层深度)，根据测井孔隙度值运用式(1)-(6)求解出相应的岩石物理力学参数，包括弹性模量、泊松比、抗压强度、残余应力水平、泥质含量和渗透率。并根据岩心赋存的原位地应力值(σ_V、σ_H和σ_h)，基于图2的计算模型，通过有限元计算得到变围压状态下的岩心抗压强度、弹性模量和泊松比。

步骤3：利用上述步骤b)中所建立的区块岩体有限元数值模型，以最大垂直主应力σ_V、最大水平主应力σ_H、最小水平主应力σ_h、弹性模量、泊松比、抗压强度、残余应力水平、泥质含量和渗透率为模型初始参数，在PC机或者高性能并行计算机上进行有限元数值计算，求得如图4所示的压裂裂缝起裂与扩展延伸形貌。并定义当压裂裂缝扩展至井筒直径3倍长度时的水压即是压裂裂缝起裂压力值。

在本发明实施例中，模型尺寸、模型岩石力学参数、模型外边界地应力大小均需参照实际工程条件选取、设定。

以上所述的具体实施例，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例而已，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 (1)

1.一种深部储层岩心的数值表征方法，其特征在于，步骤如下：

a)分析岩心所在层位测井数据，包括孔隙度、泥质含量和渗透率的分布特征，并分析该层位取出实际岩心岩石力学试验测试结果，包括弹性模量、泊松比、抗压强度、残余应力水平的测试数据；以孔隙度为主变量对测井段岩心的弹性模量、泊松比、峰值强度、残余应力、泥质含量和渗透率进行指数函数形式的最小二乘拟合，得到相应表征关系曲线以及下列拟合函数：

E＝24.043·e^-0.0441X                                    (1)

υ＝0.0586·e^0.0495X                                    (2)

σ＝116.1·e^-0.0457X                                    (3)

R＝0.2629·e^-0.0195X                                    (4)

SH＝49.897·e^-0.0971X                                   (5)

Perm＝0.2334·e^0.3003X                                  (6)

其中：E是岩心弹性模量，单轴；υ是岩心泊松比，单轴，σ是岩心单轴抗压强度；R是残余应力水平，残余应力与峰值强度的比值；SH是岩心泥质含量；Perm是岩心渗透率；X是孔隙度；

拟合过程中，岩心岩石力学试验测试结果包括的指标有：弹性模量、泊松比、抗压强度和残余应力水平，每个指标必须包含5个以上力学试验测试的数据点，如果某指标的力学试验测试的数据点不足5个，利用基于有限元技术的数值计算方法，针对该指标建立岩心有限元数值模型，进行该计算模型岩心的应力-应变全过程曲线计算，补充该指标的不足数据点；

b)根据实际区块的地层地质力学条件，包括最大垂直主应力σ_V、最大水平主应力σ_H、最小水平主应力σ_h以及盖层、隔层、油层和底层的分布特征，按照实际待压裂区块建立区块岩体有限元数值模型，该有限元计算模型的X、Y、Z方向长宽高尺寸为几十到几百米，其中直井井眼位置与有限元计算模型中轴线重合，在压裂射孔点位置施加水压，用以压裂区块岩体；并在模型的六个面，X、Y、Z三个方向分别施加应力，用以表征实际压裂工程中的远场垂直地应力、最大水平地应力和最小水平地应力，这三个地应力分别与模型的Z轴、Y轴、X轴平行，方向均是指向模型中心位置，三个方向的应力值大小根据实际地应力值设置为σ_V、σ_H和σ_h的真实值；

模型中储油层的位置从上至下与电测测试方法测得的不同层号层位即为不同储层深度分别对应，根据测井孔隙度值运用式(1)-(6)求解出相应的岩石物理力学参数，包括弹性模量、泊松比、抗压强度、残余应力水平、泥质含量和渗透率；并根据岩心赋存的原位远场垂直地应力σ_V、最大水平地应力σ_H和最小水平地应力σ_h，按照步骤a)建立岩心有限元数值模型，通过有限元计算得到远场垂直地应力、最大水平地应力和最小水平地应力变围压状态下的岩心抗压强度、弹性模量和泊松比；

c)利用上述步骤b)中所建立的区块岩体有限元数值模型，以最大垂直主应力σ_V、最大水平主应力σ_H、最小水平主应力σ_h、弹性模量、泊松比、抗压强度、残余应力水平、泥质含量和渗透率为模型初始参数，进行有限元数值计算，求得压裂裂缝起裂与扩展延伸形貌；定义当压裂裂缝扩展至井筒直径3倍长度时的水压即是压裂裂缝起裂压力值。