CN109323954A - 一种碳酸盐岩地层孔隙压力预测方法 - Google Patents

一种碳酸盐岩地层孔隙压力预测方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种碳酸盐岩地层孔隙压力预测方法，其方法包括：首先对岩石样品进行岩石物理模拟实验，然后利用Voigt‑Reuss‑Hill平均模量模型计算岩石基质体积模量，利用Wood模型和Patch模型计算孔隙流体体积模量，根据岩石物理模拟实验拟合关系式计算岩石骨架体积模量，进而计算碳酸盐岩地层孔隙压力。本发明的有益效果是：本发明所提出的技术方案基于含流体岩石多孔弹性力学理论和广义胡克定律，从分析碳酸盐岩地层应力‑应变‑孔隙压力本构关系着手，建立表征孔隙压力与岩石弹性参数定量关系的多孔弹性力学的孔隙压力预测理论模型，解决了碳酸盐岩岩性致密且极不均匀带来的孔隙压力预测困难，具有工业应用价值。

Description

一种碳酸盐岩地层孔隙压力预测方法
技术领域
本发明涉及地质勘探领域，尤其涉及一种碳酸盐岩地层孔隙压力预测方法。
背景技术
碳酸盐岩地层孔隙压力预测是目前国内外尚未得到解决的研究难题。以往针对碎屑岩地层中的异常高压预测，应用广泛且效果较好的经验性的方法有：利用孔隙度和声波测井资料的等效深度法，利用声波和电阻率测井资料的Eaton(1972)公式法，利用地震层速度的Fillippone(1979)公式法，通过建立声波速度-孔隙度-泥质含量-垂直有效应力等参数之间经验关系的Eberhart-Phillips模型(1989)和Bowers模型(1995)等。这些方法是依据Terzaghi有效应力理论、通过建立孔隙压力与不同响应参数之间的经验关系进而实现对碎屑岩地层孔隙压力的量化评价。然而，这些方法并不适用于碳酸盐岩地层中的孔隙压力预测。原因在于：①碳酸盐岩成岩作用早期主要是化学压实作用或化学、机械和生物的混合作用，与碎屑岩普遍存在早期机械压实作用存在很大的差异；②寒武纪以来的白云岩主要为碳酸盐岩或灰岩沉积物的白云石化产物，在这种白云岩化、重结晶和溶蚀作用过程中地层流体参与和矿物颗粒体积的变化，可导致岩石中原始孔隙结构发生巨大的改变，使得碳酸盐岩孔渗、孔隙结构等极不均一。
总之，现今碳酸盐岩地层的岩性和物性是地下和地表作用过程中多种类型成岩作用和多重化学反应叠加的结果，从而造成碳酸盐岩地层的岩性和物性等非均质性极强，因此碳酸盐岩地层纵向上几乎不具有规律性的变化，难以建立反映Terzaghi有效应力变化的测井、地震响应参数，所以碳酸盐岩超压预测一直是国内外研究的难题。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种碳酸盐岩地层孔隙压力预测方法，一种碳酸盐岩地层孔隙压力预测方法，主要包括以下步骤：
S101：获取待预测碳酸盐岩地层的岩石样品，并计算岩石样品骨架密度；
S102：根据岩石样品骨架密度，采用MTS岩石物理参数测试系统和HXDC-II型岩石三轴超声波速度测试系统对岩石样品进行物理模拟实验，得到岩石样品的骨架体积模量Kd的一系列离散值；
S103：根据岩石样品的骨架体积模量Kd的一系列离散值，采用线型拟合方法，对岩石骨架体积模量Kd和有效应力σij'的线性关系进行拟合，得到线性关系系数a和b；
S104：对所述碳酸盐岩石样品进行全岩X衍射测试，得到组成岩石样品的各矿物体积百分数fi；
S105：根据组成岩石样品的各矿物体积百分数fi，采用Voigt-Reuss-Hill平均模量模型，计算待预测碳酸盐岩地层的岩石基质体积模量Ks；
S106：根据岩石基质体积模量Ks，利用公式(1)计算岩石骨架体积模量Kd：
上式中，σij'为有效应力；a和b为岩石骨架体积模量与有效应力的线型关系系数；σij为围压，为物理模拟实验给定值；p′为实验给定的岩石孔隙压力；
S107：采用Wood模型和Patch模型计算岩石样品的孔隙流体体积模量Kf；
S108：根据岩石样品的基质体积模量Ks、孔隙流体体积模量Kf和骨架体积模量Kd，计算获得待预测碳酸盐岩地层的孔隙压力p。
进一步地，步骤S101中，计算岩石样品骨架密度的方法为：采用封蜡法测量岩石样品表观体积，采用电子秤称量岩石样品质量，进而根据表观体积和岩石样品质量计算岩石样品骨架密度。
进一步地，步骤S105中，根据组成岩石样品的各矿物体积百分数fi，采用Voigt-Reuss-Hill平均模量模型，计算岩石样品的基质体积模量Ks的计算公式如公式(2)所示：
上式中，Mi为岩石样品中N种矿物成分等效模量，为先验值，i为大于等于1的整数。
进一步地，步骤S107中，计算孔隙流体体积模量Kf的计算公式如公式(3)所示：
上式中，Ki为岩石样品中各混合物流体成分体积模量，为先验值；xi为岩石样品中n种混合物流体各部分百分含量，为物理模拟实验给定值，i为大于等于1的整数。
进一步地，步骤S108中，根据岩石样品的基质体积模量Ks、孔隙流体体积模量Kf和骨架体积模量Kd，计算获得待预测碳酸盐岩地层的孔隙压力p的方法为：首先根据Ks、Kf和Kd计算获得符合弹性模量组合项A，计算公式如公式(4)所示：
然后，根据公式(5)计算获得孔隙压力p：
公式(4)中，φ为岩石孔隙度；公式(5)中为平均主应力，为先验值。
进一步地，岩石孔隙度度φ为利用氦气法对岩石样品进行测试得到。
本发明提供的技术方案带来的有益效果是：本发明所提出的技术方案基于含流体岩石多孔弹性力学理论和广义胡克定律，从分析碳酸盐岩地层应力-应变-孔隙压力本构关系着手，建立表征孔隙压力与岩石弹性参数定量关系的多孔弹性力学的孔隙压力预测理论模型，解决了碳酸盐岩岩性致密且极不均匀带来的孔隙压力预测困难，具有工业应用价值。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明实施例中一种碳酸盐岩地层孔隙压力预测方法的流程图；
图2是本发明实施例中岩石骨架体积模量与有效应力线型关系系数拟合示意图；
图3是本发明实施例中岩石样品物理模拟实验实测孔隙压力与计算所得复合弹性模量组合项A的关系示意图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
本发明的实施例提供了一种碳酸盐岩地层孔隙压力预测方法、设备及存储设备。
请参考图1，图1是本发明实施例中一种碳酸盐岩地层孔隙压力预测方法的流程图，具体包括如下步骤：
S101：获取待预测碳酸盐岩地层的岩石样品，并计算岩石样品骨架密度；
S102：根据岩石样品骨架密度，采用MTS岩石物理参数测试系统和HXDC-II型岩石三轴超声波速度测试系统对岩石样品进行物理模拟实验，得到岩石样品中混合物流体各部分百分含量为xi时的岩石骨架体积模量Kd的一系列离散值；
S103：根据岩石骨架体积模量Kd的一系列离散值，采用线型拟合方法，对岩石骨架体积模量Kd和有效应力σij'的线性关系进行拟合，得到线性关系系数a和b；本发明实施例中岩石骨架体积模量与有效应力线型关系系数拟合示意图如图2所示，M-1、M-2、M-3和、M-4为岩石样品编号；
S104：对所述碳酸盐岩石样品进行全岩X衍射测试，得到组成岩石样品的各矿物体积百分数fi；
S105：根据组成岩石样品的各矿物体积百分数fi，采用Voigt-Reuss-Hill平均模量模型，计算待预测碳酸盐岩地层的岩石基质体积模量Ks；
S106：根据岩石基质体积模量Ks，利用公式(1)计算岩石骨架体积模量Kd：
上式中，σij'为有效应力；a和b为岩石骨架体积模量与有效应力的线型关系系数；σij为围压，为物理模拟实验给定值；p′为实验给定的岩石孔隙压力；
S107：采用Wood模型和Patch模型计算孔隙流体体积模量Kf；
S108：根据岩石基质体积模量Ks、孔隙流体体积模量Kf和岩石骨架体积模量Kd，计算获得待预测碳酸盐岩地层的孔隙压力p。
步骤S101中，计算岩石样品骨架密度的方法为：采用封蜡法测量岩石样品表观体积，采用电子秤称量岩石样品质量，进而根据表观体积和岩石样品质量计算岩石样品的骨架密度。
步骤S105中，根据组成岩石样品的各矿物体积百分数fi，采用Voigt-Reuss-Hill平均模量模型，计算岩石基质体积模量Ks的计算公式如公式(2)所示：
上式中，Mi为岩石样品中N种矿物成分等效模量，为先验值，i为大于等于1的整数。
本发明实施例中，根据岩石样品中矿物组分弹性模量实验室测试经验值(表1)和样品全岩X衍射(XRD)测试矿物成分数据，利用Voigt-Reuss-Hill方法计算岩石基质体积模量Ks，结果见表2。四个实验样品岩石基质密度、基质弹性模量与主要组成矿物性质直接相关。
表1岩石矿物组分和水的弹性参数经验值
表2实验样品全岩X衍射矿物成分数据
步骤S107中，计算孔隙流体体积模量Kf的计算公式如公式(3)所示：
上式中，Ki为岩石样品中各混合物流体成分体积模量，为先验值；xi为岩石样品中n种混合物流体各部分百分含量，为物理模拟实验给定值，i为大于等于1的整数。
步骤S108中，根据岩石样品的基质体积模量Ks、孔隙流体体积模量Kf和骨架体积模量Kd，计算获得待预测碳酸盐岩地层的孔隙压力p的方法为：首先根据Ks、Kf和Kd计算获得符合弹性模量组合项A，计算公式如公式(4)所示：
然后，根据公式(5)计算获得孔隙压力p：
公式(4)中，φ为岩石孔隙度；公式(5)中为平均主应力，为先验值。
岩石孔隙度度φ为利用氦气法对岩石样品进行测试得到。
采用本发明实施例的方法，预测得到的岩石样品物理模拟实验实测孔隙压力与计算所得复合弹性模量组合项A的关系示意图如图3所示；围压不变时，利用干燥、部分饱和、饱和碳酸盐岩超压岩石物理模拟实验数据结合岩石物性参数计算超压预测理论模型中的岩石基质体积模量Ks、孔隙流体体积模量Kf、岩石骨架体积模量Kd，得到复合弹性模量组合项A与实测孔隙压力具有很好的相关性(相关系数均在0.99以上，如图3所示)；这表明，由碳酸盐岩岩石应力-应变-孔隙压力本构关系建立的多孔岩石应力-弹性参数定量模型中，复合弹性模量组合项A可作为计算超压的关键响应参数，可进一步利用此模型(公式(4))对碳酸盐岩地层孔隙压力进行预测。
本发明的有益效果是：本发明所提出的技术方案基于含流体岩石多孔弹性力学理论和广义胡克定律，从分析碳酸盐岩地层应力-应变-孔隙压力本构关系着手，建立表征孔隙压力与岩石弹性参数定量关系的多孔弹性力学的孔隙压力预测理论模型，解决了碳酸盐岩岩性致密且极不均匀带来的孔隙压力预测困难，具有工业应用价值。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种碳酸盐岩地层孔隙压力预测方法，其特征在于：包括以下步骤：
S101：获取待预测碳酸盐岩地层的岩石样品，并计算岩石样品骨架密度；
S102：根据岩石样品骨架密度，采用MTS岩石物理参数测试系统和HXDC-II型岩石三轴超声波速度测试系统对岩石样品进行物理模拟实验，得到岩石样品的骨架体积模量Kd的一系列离散值；
S103：根据岩石骨架体积模量Kd的一系列离散值，采用线型拟合方法，对岩石骨架体积模量Kd和有效应力σij'的线性关系进行拟合，得到线性关系系数a和b；
S104：对所述碳酸盐岩石样品进行全岩X衍射测试，得到组成岩石样品的各矿物体积百分数fi；
S105：根据组成岩石样品的各矿物体积百分数fi，采用Voigt-Reuss-Hill平均模量模型，计算岩石样品的基质体积模量Ks；
S106：根据岩石基质体积模量Ks，利用公式(1)计算岩石骨架体积模量Kd：
上式中，σij'为有效应力；a和b为岩石骨架体积模量与有效应力的线型关系系数；σij为围压，为物理模拟实验给定值；p′为实验给定的岩石孔隙压力；
S107：采用Wood模型和Patch模型计算岩石样品的孔隙流体体积模量Kf；
S108：根据岩石样品的基质体积模量Ks、孔隙流体体积模量Kf和骨架体积模量Kd，计算获得待预测碳酸盐岩地层的孔隙压力p。
2.如权利要求1所述的一种碳酸盐岩地层孔隙压力预测方法，其特征在于：步骤S101中，计算岩石样品骨架密度的方法为：采用封蜡法测量岩石样品表观体积，采用电子秤称量岩石样品质量，进而根据表观体积和岩石样品质量计算岩石样品骨架密度。
3.如权利要求1所述的一种碳酸盐岩地层孔隙压力预测方法，其特征在于：步骤S105中，根据组成岩石样品的各矿物体积百分数fi，采用Voigt-Reuss-Hill平均模量模型，计算岩石基质体积模量Ks的计算公式如公式(2)所示：
上式中，Mi为岩石样品中N种矿物成分等效模量，为先验值，i为大于等于1的整数。
4.如权利要求1所述的一种碳酸盐岩地层孔隙压力预测方法，其特征在于：步骤S107中，计算孔隙流体体积模量Kf的计算公式如公式(3)所示：
上式中，Ki为岩石样品中各混合物流体成分体积模量，为先验值；xi为岩石样品中n种混合物流体各部分百分含量，为物理模拟实验给定值；i为大于等于1的整数。
5.如权利要求1所述的一种碳酸盐岩地层孔隙压力预测方法，其特征在于：步骤S108中，根据岩石样品的基质体积模量Ks、孔隙流体体积模量Kf和骨架体积模量Kd，计算获得待预测碳酸盐岩地层的孔隙压力p的方法为：首先根据Ks、Kf和Kd计算获得符合弹性模量组合项A，计算公式如公式(4)所示：
然后，根据公式(5)计算获得孔隙压力p：
公式(4)中，φ为岩石孔隙度；公式(5)中为平均主应力，为先验值。
6.如权利要求5所述的一种碳酸盐岩地层孔隙压力预测方法，其特征在于：岩石孔隙度φ为通过氦气法对岩石样品进行测试得到。
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