CN107121703A - 一种基于三维地震资料的页岩气地层的地应力预测方法 - Google Patents

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熊晓军
李翔
刘阳
龚思宇
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Abstract

一种基于三维地震资料的页岩气地层的地应力预测方法，隶属于页岩气地球物理勘探领域，该方法先采用三维叠前地震资料和测井资料进行叠前弹性参数反演获得页岩气地层的弹性参数；再采用基于三维叠后地震资料和叠加速度数据得到的地震层速度计算地层压力；然后基于三维叠后地震资料和地震层位数据计算页岩气地层的曲率及水平方向的构造应变；最后根据线性各向同性组合弹簧模式，采用弹性参数、地层压力、构造应变等三维数据体计算页岩气地层的最大水平主应力、最小水平主应力及水平应力差。本发明的有益效果是能有效地获得高精度的页岩气地层的三维地应力数据体。

Description

一种基于三维地震资料的页岩气地层的地应力预测方法
技术领域
本发明隶属于页岩气地球物理勘探领域，尤其涉及基于三维地震资料的页岩气地层的地应力预测方法。
背景技术
(一)涉及的专业术语
(1)地应力：地应力是地球固体介质受重力、多种地球构造动力和天文动力以及探掘工程附加动力的作用，在介质内部单元引起响应变形的力学参数。最大水平主应力和最小水平主应力是页岩气开发过程中井眼轨迹设计的重要依据。
(2)地层压力：地层压力是指地层孔隙流体产生的压力，在地层孔隙连通的情况下其值等于静水压力(即由地表至目的层的垂直水柱所产生的压力)。
(3)叠前弹性参数反演：基于叠前地震角度道集和测井资料，反演地层的弹性阻抗、纵横波速度及弹性参数的叠前地震资料反演方法。
(4)杨氏模量：描述固体材料抵抗形变能力的物理量，地层的杨氏模量可以通过地震叠前弹性参数反演获得。
(5)泊松比：指材料在单向受拉或受压时，横向正应变与轴向正应变的绝对值的比值，它是反映材料横向变形的弹性常数，地层的泊松比可以通过地震叠前弹性参数反演获得。
(6)水平构造应变：指地层受到水平构造应力作用，岩石发生的局部相对变形。
(二)现有技术
目前常规的地应力分析方法可以分为5类：①基于测井资料的地应力分析方法、②基于岩心测试的地应力测试方法、③基于构造地质力学分析的地应力定性分析方法、④基于水力压裂资料的地应力分析方法、⑤基于三维地震资料的地应力分析方法，其中的第5类方法由于采用三维地震资料进行计算，其预测结果对钻井和压裂具有重要的指导意义，但第5类方法主要集中于进行“有限元模拟方法研究”，为油藏工程提供服务；目前没有行之有效的为钻井、压裂及储层预测服务的方法。在页岩气勘探中，大范围内的地应力预测结果可以有效地指导页岩气的勘探开发，目前尚没有专门针对页岩气地层的地应力预测方法。
发明内容
本发明目的在于为页岩气勘探开发领域的地应力预测提供一种基于三维地震资料的页岩气地层的地应力预测方法，旨在解决页岩气勘探中，由于不能充分利用地震资料属性，无法模拟地层在水平构造作用和地层孔隙受压力双重作用下真实的地层状态，从而无法准确评价低孔低渗页岩气地层真实的应力状态的问题，可以用于指导石油天然气的钻前预测，特别是页岩气的钻前预测及水平井井眼轨迹设计工作。
本发明是这样实现的，先采用三维叠前地震资料和测井资料进行叠前弹性参数反演获得页岩气地层的弹性参数；再采用基于三维叠后地震资料和叠加速度数据得到的地震层速度计算地层压力；然后基于三维叠后地震资料和地震层位数据计算页岩气地层的曲率及水平方向的构造应变；最后根据线性各向同性组合弹簧模式，采用弹性参数、地层压力、构造应变等三维数据体计算页岩气地层的最大水平主应力、最小水平主应力及水平应力差。
本发明的具体步骤包括：
(1)采用三维叠前地震数据和测井数据进行叠前弹性参数反演，获得杨氏模量数据体和泊松比数据体；
(2)采用基于三维叠后地震资料和叠加速度数据得到的地震层速度计算获得地层压力数据体；
(3)基于三维叠后地震资料和地震层位数据计算页岩气地层的曲率及水平方向的构造应变；
(4)根据Thiercelin M J(1994年)提出的线性各向同性组合弹簧模式，将步骤1求得的杨氏模量数据体和泊松比数据体、步骤2中求得的地层压力数据体、步骤3中求得的水平构造应变数据体分别代入组合弹簧模式中进行计算，求解页岩气地层的最大水平主应力及最小水平主应力；
(5)对输出的最大水平主应力和最小水平主应力做中值滤波处理，并可进一步求解页岩气地层水平应力差。
本发明一种基于三维地震资料的页岩气地层的地应力预测方法，具有如下特点，主要表现为：
(1)本发明提供的页岩气地层的地应力预测方法，充分考虑页岩气地层低孔低渗状态下垂向所受的地层压力影响，与此同时，综合考虑了页岩气地层受到水平方向构造应力作用而产生的水平构造应变，有效地克服了常规求解地应力时的单一考虑水平构造作用或者单一考虑垂直地层压力作用时求解结果精度不高的缺陷；
(2)本发明提供的地应力预测的计算流程中针对页岩气地层受水平构造作用而产生的水平应变差异的计算，采用地震曲率计算得到的水平构造应变大小来进行构造作用力校正计算，摒弃前人通过人为引入水平构造作用系数对地应力计算结果进行粗略校正的方法，摆脱了人为控制的差异性与不准确性，从而提高了地应力预测的精度；
(3)本发明综合考虑了水平方向构造作用及垂直方向的地层压力作用，可以获得较为真实的页岩气地层的最大水平主应力和最小水平主应力的三维数据体，并可获得水平应力差三维数据体。
具体实施方式
本发明实施例提供的一种基于三维地震资料的页岩气地层的地应力预测方法，具体实施步骤如下：
(1)基于三维叠前地震数据和测井数据进行叠前弹性参数反演，获得杨氏模量数据体及泊松比数据体。目前利用叠前地震数据反演弹性参数的技术较为成熟，本发明采用王维红等提出的方法进行计算(王维红、林春华、王建民等，叠前弹性参数反演方法及其应用，石油物探，2009年第48卷第5期)，再基于反演得到的弹性阻抗数据体计算杨氏模量E及泊松比μ数据体。
(2)基于三维叠后地震资料和测井数据求取研究区的地震层速度，并采用地震层速度计算地层压力PP数据体，目前该领域的技术相对比较成熟，本发明采用周东红等提出的方法进行计算(周东红、熊晓军，一种高精度地层压力预测方法，石油地球物理勘探，2014年第49卷第2期)。
(3)基于三维叠后地震资料和地震层位数据，采用曲率-应力分析方法，求解页岩气地层的曲率，并根据曲率计算水平构造应变。先采用地震层位数据求取x方向和y方向的地震曲率Kx和Ky，再基于薄板理论，计算x方向和y方向的水平构造应变εx和εy，计算公式如下：
εx＝zKx，εy＝zKy (1)
公式(1)中，z为构造曲面深度，可由求得的地震层速度场进行时深转换获得。当εx大于εy时，εx为水平最大主应变εHmax，εy为水平最小主应变εHmin；反之，当εx小于εy时，εx为水平最小主应变εHmin，εy为水平最大主应变εHmax。
(4)采用线性各向同性组合弹簧模式(Thiercelin M J，Plumb R A，Core-basedprediction of lithologic stress contrasts in east Texas formations，SPEFormation Evaluation，1994年第9卷第4期，第251～258页)计算最大水平主应力、最小水平主应力，计算公式如下：
σv＝ρgh (4)
公式(2)、(3)和(4)中，σHmax和σHmin分别是需要求解的最大水平主应力和最小水平主应力大小，α为Boit系数(本发明设定其数值为1)，Pp为步骤2中计算得到的地层压力，E及μ分别为步骤1中叠前弹性参数反演得到的杨氏模量及泊松比，σv为上覆地层压力，h为地层深度，ρ为测井统计的等效密度，g为重力加速度，εHmax和εHmin分别为步骤3中求得到水平最大主应变和水平最小主应变。
将步骤1求得的杨氏模量及泊松比数据体、步骤2中求得的地层孔隙压力数据体、步骤3中求得的水平构造应变数据体分别代入公式(2)和(3)，求解页岩气地层的最大水平主应力及最小水平主应力。
(5)对输出的最大水平主应力和最小水平主应力做中值滤波处理，本发明采用何雷的方法进行滤波计算(何雷，自适应加权中值滤波在地震图像中的应用研究，重庆科技学院学报，2010年第12卷第4期)，得到处理后的最大水平主应力σ'Hmax和最小水平主应力σ'Hmin；
再根据公式(5)计算页岩气地层的水平应力差σdiff。
σdiff＝σ'Hmax-σ'Hmin (5)
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于三维地震资料的页岩气地层的地应力预测方法，其特征在于，先采用三维叠前地震资料和测井资料进行叠前弹性参数反演获得页岩气地层的弹性参数；再采用基于三维叠后地震资料和叠加速度数据得到的地震层速度计算地层压力；然后基于三维叠后地震资料和地震层位数据计算页岩气地层的曲率及水平方向的构造应变；最后根据线性各向同性组合弹簧模式，采用弹性参数、地层压力、构造应变等三维数据体计算页岩气地层的最大水平主应力、最小水平主应力及水平应力差。
2.如权利要求1所述的一种基于三维地震资料的页岩气地层的地应力预测方法，其特征在于，所述地应力预测方法包括以下步骤：
步骤一：采用三维叠前地震数据和测井数据进行叠前弹性参数反演，获得杨氏模量数据体和泊松比数据体；
步骤二：采用基于三维叠后地震资料和叠加速度数据得到的地震层速度计算地层压力数据体；
步骤三：基于三维叠后地震资料和地震层位数据计算页岩气地层的曲率及水平方向的构造应变；
步骤四：根据Thiercelin M J（1994年）提出的线性各向同性组合弹簧模式，将步骤1求得的杨氏模量数据体和泊松比数据体、步骤2中求得的地层压力数据体、步骤3中求得的水平构造应变数据体分别代入组合弹簧模式中进行计算，求解页岩气地层的最大水平主应力及最小水平主应力大小；
步骤五：对输出的最大水平主应力和最小水平主应力做中值滤波处理，并可进一步求解页岩气地层水平应力差。
3.如权利要求2所述页岩气地层地应力计算方法，其特征在于，所述步骤四中综合利用步骤一求得的杨氏模量及泊松比、步骤二中求得的地层孔隙压力、步骤三中求得的水平构造应变进行多属性控制下的页岩气地层地应力计算方法。
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