CN105629308B - 相控非均质力学参数地应力方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种相控非均质力学参数地应力预测方法，该相控非均质力学参数地应力方法包括：步骤1，建立岩相解释模版及进行单井岩相解释；步骤2，根据解释的所有单井岩相资料，结合地震属性资料，进行井间预测，建立三维岩相模型；步骤3，建立不同岩相的纵横波时差关系，求解各单井力学参数；步骤4，建立岩相控制下的三维非均质力学参数模型；以及步骤5，确定地应力有限元模拟的边界条件，预测三维地应力场。该相控非均质力学参数地应力预测方法实现了三维非均质力学参数条件下的有限元地应力模拟，较常规的层内均质力学参数模型更加接近地下地质体的真实力学参数展布特征，从而大幅提高了地应力的预测精度。

Description

相控非均质力学参数地应力方法

技术领域

本发明涉及低渗透油田开发技术领域，特别是涉及到一种相控非均质力学参数地应力预测方法。

背景技术

目前国内的地应力研究技术总结起来主要包括现场应力测量、测井应力解释、岩心应力测量和地应力场模拟技术。目前现场应力测量主要应用的是微地震检测和压裂施工曲线两种，属直接测量方法。岩心应力测量主要有利用古地磁与声波各项异性测试水平最大主应力方向；利用差应变测试和声发射测试等计算三轴主应力的大小。测井地应力解释主要是倾角测井和成像测井利用井壁崩落和诱导缝解释水平最大主应力方向；利用多极子声波测井中的横波各向异性解释水平最大主应力方向，利用多极子声波中的纵、横波时差曲线计算三轴主应力的大小。岩心应力测试和测井地应力解释都是一种地应力的间接求解方法。地应力场模拟方法属地应力预测范畴，目前的地应力预测主要是有限元模拟。有限元模拟的思想是化整为零、聚零为整。将一个地质体划分为有限个网格，将整体介质离散化。对每个单元进行分析研究，就是所谓化整为零。然后将这些单元综合起来进行整体研究，即聚零为整。目前地应力的有限元模拟方法本身并不存在问题，但在实际操作过程中地质体的力学参数主要采用“层内均质模型”，如图1所示，不能反映地下地质体真实的力学参数展布特征，造成目前地应力预测准确度低。同时目前边界条件加载方式的确定主要是通过人工的多次尝试，工作量大且人为误差大，甚至发生错误。为此我们发明了一种新的相控非均质力学参数地应力方法，解决了以上技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种针对目前国内地应力预测边界条件人工多次尝试、工作量大的和采用层内均质模型精度低的两大不足，提供一种优化反演自动确定边界条件和考虑力学参数三维非均质性的地应力预测方法。

本发明的目的可通过如下技术措施来实现：相控非均质力学参数地应力预测方法，该相控非均质力学参数地应力预测方法包括：步骤1，建立岩相解释模版及进行单井岩相解释；步骤2，根据解释的所有单井岩相资料，结合地震属性资料，进行井间预测，建立三维岩相模型；步骤3，建立不同岩相的纵横波时差关系，求解各单井力学参数；步骤4，建立岩相控制下的三维非均质力学参数模型；以及步骤5，确定地应力有限元模拟的边界条件，预测三维地应力场。

本发明的目的还可通过如下技术措施来实现：

在步骤1中，基于岩心描述和测井资料，进行岩性划分，岩电结合建立岩相测井解释模版，利用测井解释模版对单井进行岩相解释，明确各井的纵向岩相特征。

在步骤1中，在进行岩相类型划分时，对岩心进行详细观察描述，明确岩性特征和沉积构造等特征，结合岩屑录井资料建立岩相类型划分方案；在建立岩相测井解释模版时，首先要对测井曲线资料进行预处理和标准化，利用岩屑资料和岩心资料丰富的井，通过岩电结合，利用测井资料对岩相进行主成分分析，选取对岩相敏感的测井曲线，通过岩电标定，建立岩相测井解释模版；在进行单井岩相解释时，利用已处理和标准化的测井曲线，根据岩相解释模版，对单井岩相进行解释，明确各井的纵向岩相特征。

在步骤2中，利用地震数据体通过井震结合挑选对岩相敏感的地震属性，以地震属性体为控制条件，以单井解释岩相为硬性数据，采用序贯指示建模方法建立岩相的三维地质模型。

在步骤3中，基于岩心应力测试资料、多极子声波测井资料，结合岩相，建立不同岩相的纵、横波时差关系，利用标准化后的常规声波测井资料，在单井岩相的控制下求解各单井的力学参数。

在步骤3中，在进行力学参数计算时，利用室内岩心应力测试和多极子声波测井所得到的横波时差与纵波时差资料，分岩相统计两者之间的定量关系，利用该定量关系，结合常规声波所得到的纵波时差资料，在单井岩相的控制下，对每口井进行岩石力学参数计算。

在步骤3中，建立的不同岩相的纵波时差DTC与横波时差DTS的定量关系为，当为砂岩相时，纵横波时差关系μs/m为DTS＝2.31DTC-69.73；当为泥岩相时，纵横波时差关系μs/m为DTS＝2.52DTC-90.55；当为碳酸盐岩相时，纵横波时差关系μs/m为DTS＝2.28DTC-50.25。

在步骤4中，利用求解得到的各单井力学参数，遵循相同岩相力学参数相近，不同岩相间力学参数差异大的特点，在建立的三维岩相模型控制下，利用相控建模技术，进行井间力学参数预测建立三维非均质力学参数模型。

在步骤5中，以拟合现场地应力测试资料为目标，以预测值与现场地应力测试值的差值为目标函数，通过实现差值函数满足预测精度要求，来确定有限元模拟的合适边界条件，以建立的三维非均质力学参数模型为有限元模拟的力学属性，以确定的边界条件为有限元模拟的边界条件，利用有限元模拟技术预测三维地应力场。

在步骤5中，利用有限元模拟技术预测三维地应力场的步骤包括：第1步首先根据区域构造特征及区域构造应力场性质，设定初始应力场边界参数X₁，建立初始边界条件；第2步以建立的三维非均质力学参数模型为力学属性，利用初始边界条件模拟地应力场；利用有限井点实测地应力结果与预测得到的地应力建立差值函数；第3步，分析差值函数的结果是否满足地应力预测的精度要求，如果不满足，以一定步长调整边界参数X_i，重新运行第1步、第2步和第3步，直到差值函数结果满足精度要求时，确定合适边界条件参数X_i；第4步，以建立的三维非均质力学参数模型为力学属性，以确定的合适边界条件X_i为边界条件，模拟得到三维地应力场特征。

本发明中的相控非均质力学参数地应力方法，涉及原始地应力场的预测领域，主要是对低渗透油藏目前地应力场三维展布特征进行预测，该方法利用测井地应力解释、岩心地应力测试等资料进行相控力学参数求解，利用相控建模技术建立岩石力学参数的三维非均质模型；以三维非均质力学参数模型为力学属性模型，利用现场测试资料优化反演自动确定边界条件，最后采用有限元模拟技术预测地应力的三维展布特征。本发明利用岩相控制的思想，实现了岩相控制条件下的岩石力学参数准确求解，并利用相控建模技术，以三维岩相模型为控制条件，建立了三维非均质力学参数模型，实现了有限元地应力模拟中力学参数的三维非均质性，使模拟模型更加接近地下地质体的真实力学参数展布特征，大幅提高了地应力的预测精度。利用数学理论形成了有限元地应力模拟中边界条件的优化反演自动确定方法，大大减少了模拟过程中的工作量，降低了人为误差，提高了地应力的预测精度。该发明为低渗透油藏高精度地应力场的预测提供了一种可行方法，在低渗透油藏的井网部署和水力压裂工艺中有很大的应用前景。

附图说明

图1为地应力预测中力学参数的层内均质模型示意图；

图2为本发明的相控非均质力学参数地应力方法的一具体实施例的流程图；

图3为电性解释图版解释岩相与取心井岩相对比的示意图；

图4为岩相三维模型的示意图；

图5为求解单井力学参数的示意图；

图6为泊松比三维非均质模型的示意图；

图7为边界条件优化反演过程的示意图；

图8为水平最大主应力方向预测图。

具体实施方式

为使本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举出较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。

如图2所示，图2为本发明的相控非均质力学参数地应力方法的流程图。

在步骤101，建立岩相解释模版及单井岩相解释。基于岩心描述和测井资料，岩电结合建立岩相测井解释模版，利用测井模版对单井进行岩相解释，明确各井的纵向岩相特征。步骤101包括，岩相类型划分；岩相解释模版建立；以及岩相单井解释。

在岩相类型划分的步骤中，对岩心进行详细观察描述，明确岩性特征和沉积构造等特征，结合岩屑录井资料建立岩相类型划分方案。

在岩相解释模版建立的步骤中，首先要对测井曲线资料进行预处理和标准化，利用岩屑资料和岩心资料丰富的井，通过岩电结合，利用测井资料对岩相进行主成分分析，选取对岩相敏感的测井曲线，建立岩相解释模版。

在单井岩相解释的步骤中，利用已处理和标准化的测井曲线，根据岩相解释模版，对单井岩相进行解释。

在一实施例中，首先根据取心井岩心的详细观察分析划分岩相类型，通过岩电标定，建立岩相的电性解释图版，对单井进行岩相解释，明确各井的纵向岩相特征。在一实施例中，对各单井的纵向岩相类型进行详细电性解释，解释结果与取心井岩心吻合度达到90％以上，如图3所示。流程进入到步骤102。

在步骤102，三维岩相模型建立。根据步骤101解释的所有单井岩相资料，结合地震属性资料，利用建模软件进行井间预测，建立三维岩相模型。

利用地震数据体通过井震结合挑选对岩相敏感的地震属性，以地震属性体为控制条件，以单井解释岩相为硬性数据，采用peterl软件中的序贯指示建模方法建立岩相的三维地质模型，如图4所示。流程进入到步骤103。

在步骤103，不同岩相的纵横波时差关系建立，岩相控制下的力学参数求解。基于岩心应力测试资料、多极子声波测井资料等，结合岩相，建立不同岩相的纵、横波时差关系，利用标准化后的常规声波测井资料，在单井岩相的控制下求解各单井的力学参数。

在假设岩石为均质、各向同性的线弹性体的前提下，前人研究发现岩石的泊松比(μ_d)、杨氏模量(E_d)与纵波时差(DTC)、横波时差(DTS)及岩石密度(ρ)之间存在定量关系：

(式1)

(式2)

正交多极子声波测井是一种同时获得纵、横波时差的测井方法，但由于费用高，现场测录有限。岩石在物性和流体等自身条件不发生变化的条件下，横波时差和纵波时差之间是存在一定的定量关系的。不同岩相之间受骨架组分、泥质含量、孔隙结构等的不同，纵、横波时差之间的关系不同。

利用室内岩心应力测试和多极子声波测井所得到的横波时差(DTS)与纵波时差(DTC)资料，分岩相统计两者之间的定量关系，利用该定量关系，结合常规声波所得到的纵波时差资料，在单井岩相的控制下，对每口井进行岩石力学参数计算。在一实施例中，根据岩相解释成果和有限多极子声波资料可以建立不同岩相的纵横波时差关系(表1)。常规声波测井记录的是纵波时差，现场每口井都有该测井曲线，将表1中不同岩相的纵横波关系代入到式1和式2中，就可以利用常规声波的纵波时差计算每口井岩石的动态泊松比和杨氏模量，如图5所示。

表1滩坝砂不同岩相的纵横波时差关系

岩相	纵横波时差关系
		砂岩相	DTS＝2.31DTC-69.73
泥岩相	DTS＝2.52DTC-90.55
		碳酸盐岩相	DTS＝2.28DTC-50.25

流程进入到步骤104。

在步骤104，岩相控制下的三维非均质力学参数模型建立。利用步骤103求解得到的各单井力学参数，遵循相同岩相力学参数相近，不同岩相间力学参数差异大的特点，在步骤102建立的三维岩相模型控制下，利用相控建模技术，进行井间力学参数预测建立三维非均质力学参数模型。

目前地应力有限元模拟中，力学参数本主要采用层内均质模型，这种模型只反映了地质体力学参数的层间变化，而未考虑层内力学参数的差异性和相似性。岩相内部由于岩石组分和结构相似度高，其岩石力学参数存在相似性，岩相之间由于岩石组分和结构的差异造成岩石力学参数存在较大差异。以上分析说明岩石力学参数的空间结构受岩相的控制，利用相控随机模拟技术进行井间力学参数预测，建立力学参数的三维空间模型。该三维模型即可以反映力学参数在空间的差异性，特别是层内的差异性，又可以控制岩相内部的相似性，能够更准确的反映真实地质体岩石力学参数的空间展布形态，如图6所示。流程进入到步骤105。

在步骤105，自动确定有限元模拟中合适边界条件，预测三维地应力场。以拟合现场地应力测试资料为目标，以预测值与现场地应力测试值的差值为目标函数，通过实现差值函数满足预测精度要求，来自动确定有限元模拟的合适边界条件，预测地应力场的三维展布特征。以步骤4建立的三维非均质力学参数模型为有限元模拟的力学属性，以步骤5自动确定的边界条件为有限元模拟的边界条件，利用有限元模拟技术预测三维地应力场。

有限地应力场模拟的边界条件确定实际上是一个反分析的优化反演问题。可以借助数学中有条件的优化理论来自动求解，设定目标函数为计算值与实测值的差，通过优化使计算值与实测值的差到达预测要求，来反演得到合适的边界条件，预测三维地应力场特征。如图7所示，这样一来整个模拟工作的计算精度和效率将会大为提高。该过程的实现步骤如下：第1步首先根据区域构造特征及区域构造应力场性质，设定初始应力场边界参数X₁，建立初始边界条件；第2步以步骤104中建立的三维非均质力学参数模型为力学属性，利用初始边界条件模拟地应力场；利用有限井点实测地应力结果与预测得到的地应力建立差值函数；第3步，分析差值函数的结果是否满足地应力预测的精度要求，如果不满足，软件自动以一定步长调整边界参数X_i，重新运行第1步、第2步和第3步，直到差值函数结果满足精度要求时，确定合适边界条件参数X_i；第4步，以步骤104中建立的三维非均质力学参数模型为力学属性，以确定的合适边界条件X_i为边界条件，模拟得到三维地应力场特征。如图8所示。模拟结果与井点测试资料对比，水平最大主应力方向与大小的吻合度达到了94％。

Claims (10)

1.一种相控非均质力学参数地应力预测方法，其特征在于，该方法包括：

步骤1，建立岩相测井解释模版及进行单井岩相解释；

步骤2，根据解释的所有单井岩相资料，结合地震属性资料，进行井间预测，建立三维岩相模型；

步骤3，建立不同岩相的纵横波时差关系，求解各单井力学参数；

步骤4，建立岩相控制下的三维非均质力学参数模型；以及

步骤5，确定地应力有限元模拟的边界条件，预测三维地应力场。

2.根据权利要求1所述的一种相控非均质力学参数地应力预测方法，其特征在于，在步骤1中，基于岩心描述和测井资料，进行岩性划分，岩电结合建立岩相测井解释模版，利用岩相测井解释模版对单井进行岩相解释，明确各井的纵向岩相特征。

3.根据权利要求2所述的一种相控非均质力学参数地应力预测方法，其特征在于，在步骤1中，在进行岩性划分时，对岩心进行详细观察描述，明确岩性特征和沉积构造特征，结合岩屑录井资料建立岩性划分方案；在建立岩相测井解释模版时，首先要对测井曲线资料进行预处理和标准化，利用岩屑资料和岩心资料丰富的井，通过岩电结合，利用测井资料对岩相进行主成分分析，选取对岩相敏感的测井曲线，通过岩电标定，建立岩相测井解释模版；在进行单井岩相解释时，利用已处理和标准化的测井曲线，根据岩相测井解释模版，对单井岩相进行解释，明确各井的纵向岩相特征。

4.根据权利要求1所述的一种相控非均质力学参数地应力预测方法，其特征在于，在步骤2中，利用地震数据体通过井震结合挑选对岩相敏感的地震属性，以地震属性体为控制条件，以单井解释岩相为硬性数据，采用序贯指示建模方法建立岩相的三维地质模型。

5.根据权利要求1所述的一种相控非均质力学参数地应力预测方法，其特征在于，在步骤3中，基于岩心应力测试资料、多极子声波测井资料，结合岩相，建立不同岩相的纵、横波时差关系，利用标准化后的常规声波测井资料，在单井岩相的控制下求解各单井的力学参数。

6.根据权利要求5所述的一种相控非均质力学参数地应力预测方法，其特征在于，在步骤3中，在进行力学参数计算时，利用室内岩心应力测试和多极子声波测井所得到的横波时差与纵波时差资料，分岩相统计两者之间的定量关系，利用该定量关系，结合常规声波所得到的纵波时差资料，在单井岩相的控制下，对每口井进行岩石力学参数计算。

7.根据权利要求6所述的一种相控非均质力学参数地应力预测方法，其特征在于，在步骤3中，建立的不同岩相的纵波时差DTC与横波时差DTS的定量关系为，当为砂岩相时，纵横波时差关系μs/m为DTS=2.31DTC-69.73；当为泥岩相时，纵横波时差关系μs/m为DTS =2.52DTC -90.55；当为碳酸盐岩相时，纵横波时差关系μs/m为DTS =2.28 DTC -50.25。

8.根据权利要求1所述的一种相控非均质力学参数地应力预测方法，其特征在于，在步骤4中，利用求解得到的各单井力学参数，遵循相同岩相力学参数相近，不同岩相间力学参数差异大的特点，在建立的三维岩相模型控制下，利用相控建模技术，进行井间力学参数预测建立三维非均质力学参数模型。

9.根据权利要求1所述的一种相控非均质力学参数地应力预测方法，其特征在于，在步骤5中，以拟合现场地应力测试资料为目标，以预测值与现场地应力测试值的差值为目标函数，通过实现差值函数满足预测精度要求，来确定有限元模拟的合适边界条件；以建立的三维非均质力学参数模型为有限元模拟的力学属性，以确定的边界条件为有限元模拟的边界条件，利用有限元模拟技术预测三维地应力场。

10.根据权利要求9所述的一种相控非均质力学参数地应力预测方法，其特征在于，在步骤5中，利用有限元模拟技术预测三维地应力场的步骤包括：第1步首先根据区域构造特征及区域构造应力场性质，设定初始应力场边界参数X₁，建立初始边界条件；第2步以建立的三维非均质力学参数模型为力学属性，利用初始边界条件模拟地应力场；利用有限井点实测地应力结果与预测得到的地应力建立差值函数；第3步，分析差值函数的结果是否满足地应力预测的精度要求，如果不满足，以一定步长调整边界参数X_i，重新运行第1步、第2步和第3步，直到差值函数结果满足精度要求时，确定合适边界参数X_i；第4步，以建立的三维非均质力学参数模型为力学属性，以确定的合适边界条件X_i为边界条件，模拟得到三维地应力场特征。