CN109339776B - 一种各向异性地层地应力方位测量方法 - Google Patents

一种各向异性地层地应力方位测量方法 Download PDF

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    • E21B49/00—Testing the nature of borehole walls; Formation testing; Methods or apparatus for obtaining samples of soil or well fluids, specially adapted to earth drilling or wells

Abstract

本发明涉及一种各向异性地层地应力方位测量方法，包括根据各向异性地层人工裂缝与早期软弱面、地应力的相互关系，确定各向异性地层裂缝扩展模型，建立适应各向异性地层的地应力测量和解释方法，从而使地应力方位的解释结果更接近于真实地质情况。

Description

一种各向异性地层地应力方位测量方法
技术领域
本发明涉及油气地质和储层地质力学领域，具体是涉及一种修正各向异性地层地应力方向的测量方法，该方法适应各向异性地层地应力方向的准确测量和解释。
背景技术
地应力是各向异性储层(包括裂缝性储层、致密低渗透储层和非常规储层)油气开发的关键参数。地应力测量包括地应力的水平最大和最小主应力方向以及主应力大小，其中主应力方向是地应力测量的基础，它是指导裂缝性油田、致密低渗透油田和非常规油气储层的井网部署、水平井部署以及压裂改造的重要地质依据。目前，各向异性地层(包括裂缝性储层、致密低渗透储层和非常规油气储层)的地应力测量方法都是引进常规储层的地应力测量方法进行测量和解释的，其结果与真实的地应力分布情况相差较大，在指导这类油气田开发时出现明显的偏差和错误，说明这些常规的地应力方法不适应于各向异性地层的地应力测量，满足不了各向异性油气储层实际勘探和开发的需求。为此，我们提出了一种基于改进后的各向异性地层地应力方位测量方法及系统，该方法与系统能够较好地测量和解释各向异性地层的地应力方位，大大提高了各向异性地层的地应力测量效果和测量精度。
专利申请号201511009810.4提出了一种修正的原生裂隙水压致裂原地应力测量，其主要是通过计算机程序对消除在使用原生裂隙水压致裂原地应力测量方法时对原地应力场所设定的诸多假设条件，但是这样的方法与实际地址情况相差甚远，满足不了复杂各向异性地层地应力测量以及裂缝性储层和非常规油气勘探开发的要求，本发明针对以上问题提出了一种新的解决方案。
发明内容
为了解决现有技术存在的上述技术缺陷，本发明的目的在于提供一种各向异性地层地应力方位测量方法，解决现有技术中不能很好的满足对复杂各向异性地层地应力测量以及裂缝性储层和非常规油气勘探开发的要求。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种各向异性地层地应力方位测量方法，常规的水压致裂法是基于均质地层模型建立的，其原理是：在水力压裂过程中，认为压裂缝垂直于最小主应力方向扩展和延伸，因而将压裂缝的法线方向作为最小主应力方向，但在各向异性地层，压裂缝扩展方向受早期软弱面和地应力方向等因素的控制，存在临界角问题，包括根据各向异性地层人工裂缝与早期软弱面、地应力的相互关系，确定各向异性地层裂缝扩展模型，建立适应各向异性地层的地应力测量和解释方法，从而使地应力方位的解释结果更接近于真实地质情况，所述测量方法包括：
步骤一：对各向异性地层人工裂缝与早期软弱面、地应力耦合模型建立，确定裂缝扩展临界角；
步骤二：对各向异性地层井径崩落模型的建立；
步骤三：对各向异性地层地应力测量方法的修正；
步骤四：对各向异性地层地应力方位的测量与解释。
改进后的地应力方位测量方法，更适应于各向异性地层的地应力方位测量，提高了各向异性地层的地应力方位的测量精度，为各向异性地层的地应力方位测量和解释供了新的途径，可以广泛应用于各向异性地层(包括裂缝性地层、页岩地层等)地应力方位的测量中，为我国复杂各向异性储层和非常规油气储层的合理开发提供了技术支持。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
优选的是，所述步骤一中所述的耦合模型是指：当|θ-β|>α时，则最小主应力方向
Figure GDA0002732747670000031
在上述方案中优选的是，所述θ为早期软弱面的方位角；α为临界角，根据岩石力学实验获取；β为压裂缝走向，根据压裂监测数据获取，从而可以更好的建立耦合模型，方便工作人员对后期数据的分析以及测量。
在上述任一方案中优选的是，所述步骤一中根据成像或常规测井资料，分析早期软弱面的产状，可以很好的为后期工作做准备。
在上述任一方案中优选的是，所述步骤一中根据各向异性地层人工裂缝与早期软弱面、地应力耦合关系的岩石力学实验，通过建立各向异性地层人工裂缝与早期软弱面、地应力的耦合模型，确定裂缝扩展的临界角，通过临界角可以更好的对各数据进行判断和测量。
在上述方案中优选的是，所述岩石力学实验是指对已存在天然裂缝的岩样通过压裂产生人工裂缝，在压裂过程中不断改变应力方向与裂缝的夹角来确定人工裂缝的形成受天然裂缝影响的临界角。
在上述任一方案中优选的是，所述步骤一中根据水力压裂的微地震监测数据，确定压裂缝的产状。
在上述任一方案中优选的是，所述岩石力学实验是指对已存在天然裂缝的岩样通过压裂产生人工裂缝，在压裂过程中不断改变应力方向与裂缝的夹角来确定人工裂缝的形成受天然裂缝影响的临界角。
在上述任一方案中优选的是，所述的各向异性地层地应力方位测量方法，所述步骤一中根据水力压裂的微地震监测数据，确定压裂缝的产状。
在上述任一方案中优选的是，所述的各向异性地层地应力方位测量方法，根据裂缝扩展的临界角，修正基于各向异性地层的地应力解释方法，通过各向异性地层地应力方位测量方法可以更好的对各项数据进行测量，提高了其精确度，方便了工作人员的使用。
在上述任一方案中优选的是，所述的各向异性地层地应力方位测量方法，在步骤二中根据各向异性地层井径崩落的控制因素建立井径崩落模型。
在上述任一方案中优选的是，所述的各向异性地层地应力方位测量方法，通过井径崩落模型确定井径崩落的因素是地应力因素或非地应力因素，井径崩落模型的建立方便了工作人员的使用，提高了其工作效率。
在上述任一方案中优选的是，所述的各向异性地层地应力方位测量方法，井径崩落的因素为地应力时，利用测井资料获取井径崩落数据，确定地应力方位，提高了其精确度。
在上述任一方案中优选的是，所述的各向异性地层地应力方位测量方法，井径崩落的因素为地应力时，所述井径崩落的优势方位为水平最小主应力方向，井径崩落优势方位的垂直方向为水平最大主应力方向。
在上述任一方案中优选的是，所述的各向异性地层地应力方位测量方法，井径崩落的因素为非地应力因素时，则不能按照前面的井径崩落方位来确定地应力方向，需要利用成像测井获取的诱导裂缝等其它资料进行修正，即诱导裂缝的方位为水平最大主应力方向，从而可以更好的对各项数据进行测量，提高了其实用性。
本发明的有益效果是：本发明对原来的测量方法进行改进，改进后的地应力方位测量方法，更适应于各向异性地层的地应力方位测量，提高了各向异性地层的地应力方位的测量精度，为各向异性地层的地应力方位测量和解释供了新的途径，可以广泛应用于各向异性地层(包括裂缝性地层、页岩地层等)地应力方位的测量中，为我国复杂各向异性储层和非常规油气储层的合理开发提供了技术支持。
附图说明
图1为按照本发明的各向异性地层地应力方位测量方法的一优选实施例修正以后的各向异性地层水压致裂法计算地应力方位流程图；
图2为图1所述优选实施例中井径崩落与天然裂缝关系图；
图3为图2一优选实施例中井径崩落方向与天然裂缝关系图；
图4为按照本发明的各向异性地层地应力方位测量方法的一优选实施例井径崩落方位分布解释图；
图5为图4一优选实施例中各向异性地层井径崩落法计算地应力方位流程图；
图6为图4一优选实施例中中改进后的各向异性地层地应力方位测量方法与系统流程图；
图7为图5一优选实施例中常规方法测量的地应力方位分布图；
图8为图5另一优选实施例中方法测量的地应力方位分布图；
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
实施例1：
如图1-8所示，一种各向异性地层地应力方位测量方法，包括常规的水压致裂法是基于均质地层模型建立的，其原理是：在水力压裂过程中，认为压裂缝垂直于最小主应力方向扩展和延伸，因而将压裂缝的法线方向作为最小主应力方向，但在各向异性地层，压裂缝扩展方向受早期软弱面和地应力方向等因素的控制，存在临界角问题，包括根据各向异性地层人工裂缝与早期软弱面、地应力的相互关系，确定各向异性地层裂缝扩展模型，建立适应各向异性地层的地应力测量和解释方法，从而使地应力方位的解释结果更接近于真实地质情况，所述测量方法包括：
步骤一：对各向异性地层人工裂缝与早期软弱面、地应力耦合模型建立，确定裂缝扩展临界角；
步骤二：对各向异性地层井径崩落模型的建立；
步骤三：对各向异性地层地应力测量方法的修正；
步骤四：对各向异性地层地应力方位的测量与解释。
水压致裂法是深部地层地应力方位测量的重要方法。常规的水压致裂法是基于均质地层模型建立的，其原理是：在水力压裂过程中，认为压裂缝垂直于最小主应力方向扩展和延伸，因而将压裂缝的法线方向作为最小主应力方向。但在各向异性地层，压裂缝扩展方向受早期软弱面和地应力方向等因素的控制，存在临界角问题。因此，根据各向异性地层人工裂缝与早期软弱面、地应力的相互关系，确定各向异性地层裂缝扩展模型，建立适应各向异性地层的地应力测量和解释方法，从而使地应力方位的解释结果更接近于真实地质情况。
具体步骤：
(1)根据井壁成像测井或常规测井资料，分析早期软弱面(如天然裂缝)的产状。
(2)根据各向异性地层人工裂缝与早期软弱面、地应力耦合关系的岩石力学实验，通过建立各向异性地层人工裂缝与早期软弱面、地应力的耦合模型，确定裂缝扩展的临界角。此岩石力学实验是指：对已存在天然裂缝的岩样通过压裂产生人工裂缝，在压裂过程中不断改变应力方向与裂缝的夹角来确定人工裂缝的形成受天然裂缝影响的临界角。耦合模型是指：当|θ-β|>α时，则最小主应力方向
Figure GDA0002732747670000071
其中，θ为早期软弱面的方位角；α为临界角，根据岩石力学实验获取；β为压裂缝走向，根据压裂监测数据获取。当|θ-β|≤α时，则地应力方位不能按照前面方法的压裂缝产状来进行确定，需要应用示踪剂、生产动态等资料对计算模型和地应力方向进行修正。
(3)根据水力压裂的微地震监测数据，确定压裂缝的产状，水力压裂的微地震监测是指通过利用在油藏水力压裂、注水、注气或油气开采过程中，，由于地下应力场变化而导致岩石破裂产生地震波，利用地震波信息对岩石破裂点进行裂缝成像，从而对岩体性质或油气储层流体运动进行监测的方法。也是识别裂缝参数的一种方法。
(4)根据裂缝扩展的临界角，修正基于各向异性地层的地应力解释方法。修正的水压致裂法计算地应力方位流程如图1所示。
井径崩落法是深部地层地应力方位测量的又一重要方法。其可以较为准确的对深部地层地应力方位进行测量，现有技术中常规的井径崩落法是基于均质地层模型建立的，其原理是：在钻井过程中，井径崩落的方向垂直于水平最大主应力方向和平行于水平最小主应力方向，因而依据井径崩落方向确定地应力方向。但在各向异性地层，井径崩落方向还受早期软弱面(如发育的天然裂缝)的控制。我们根据各向异性地层井径崩落的控制因素，通过建立各向异性地层井径崩落模型，修正了基于井径崩落的各向异性地层地应力测量模型及方法，能够适应各向异性地层的地应力测量和解释，从而更接近于真实地质情况。
具体步骤：
(1)根据成像或常规测井资料，分析早期软弱面(如天然裂缝)的产状。
(2)确定井径崩落的因素是地应力因素还是非地应力因素，通过判断天然裂缝发育的部位是否相对发生了更明显的井径崩落来判断是地应力因素还是非地应力因素，如图2和图3显示在天然裂缝发育的部位相对发生了更明显的井径崩落，因此天然裂缝对井径崩落有明显的控制。
(3)对于井径崩落的因素为地应力时，利用测井资料获取井径崩落数据(如图4所示)，确定地应力方位，井径崩落的优势方位为水平最小主应力方向，井径崩落优势方位的垂直方向为水平最大主应力方向。
(4)对于井径崩落的因素为非地应力因素时，则不能按照前面的井径崩落方位来确定地应力方向，需要利用成像测井获取的诱导裂缝等其它资料进行修正，即诱导裂缝的方位为水平最大主应力方向。修正的井径崩落法计算地应力方位流程如图5所示。
实施例2：
使用上面改进的方法，实现了各向异性地层地应力方位的正确解释和测量。按照步骤进行试验，在南襄盆地某油田各向异性地层中，按照常规的井径崩落方法测量的地应力方位为近东西向，优势方位为90°(如图7所示)，但与油田开发的实际资料相矛盾。按照上述发明的方法，重新对该油田的地应力方向进行了测量解释。首先，根据成像测井和常规测井资料，发现该区天然裂缝普遍发育，而且井径崩落部位与天然裂缝发育部位具有一致性，确定该区的井径崩落不是由地应力引起而是由天然裂缝引起的，因而利用井径崩落法得到的地应力方位是错误的。然后，利用诱导裂缝等资料进行修正，即诱导裂缝的方位为水平最大主应力方向。最后获得的地应力方向为北东-南西向(55°)，与常规方向测量的结果相差35°(如图8所示)，本发明方法测量的地应力方位的结果与油田实际开发资料一致，为该油田开发方案的调整提供了可靠的地质依据，从而降低了开发风险成本，方便了工作人员的使用。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (7)

1.一种各向异性地层地应力方位测量方法，包括根据各向异性地层人工裂缝与早期软弱面、地应力的相互关系，确定各向异性地层裂缝扩展模型，建立适应各向异性地层的地应力测量和解释方法，所述测量方法包括：
步骤一：对各向异性地层人工裂缝与早期软弱面、地应力耦合模型建立，确定裂缝扩展临界角；
步骤二：对各向异性地层井径崩落模型的建立；
步骤三：对各向异性地层地应力测量方法的修正；
步骤四：对各向异性地层地应力方位的测量与解释；
采用水压致裂法确定地应力方位时，若|θ-β|>α，则最小主应力方向为β±90，若|θ-β|≤α，应用示踪剂、生产动态资料对计算模型和地应力方向进行修正，其中θ为早期软弱面的方位角，α为裂缝扩展临界角，β为压裂缝走向；
采用井径崩落法确定地应力方位时，通过井径崩落模型确定井径崩落的因素是地应力因素或非地应力因素，井径崩落的因素为地应力时，利用测井资料获取井径崩落数据，确定地应力方位，所述井径崩落的优势方位为水平最小主应力方向，井径崩落优势方位的垂直方向为水平最大主应力方向；井径崩落的因素为非地应力因素时，利用成像测井获取的诱导裂缝资料进行修正，即诱导裂缝的方位为水平最大主应力方向。
2.根据权利要求1所述的各向异性地层地应力方位测量方法，其特征在于，所述α根据岩石力学实验获取。
3.根据权利要求1所述的各向异性地层地应力方位测量方法，其特征在于，所述β根据压裂监测数据获取。
4.根据权利要求1所述的各向异性地层地应力方位测量方法，其特征在于，所述步骤一中根据成像或常规测井资料，分析早期软弱面的产状。
5.根据权利要求2所述的各向异性地层地应力方位测量方法，其特征在于，所述步骤一中根据各向异性地层人工裂缝与早期软弱面、地应力耦合关系的岩石力学实验，通过建立各向异性地层人工裂缝与早期软弱面、地应力的耦合模型，确定裂缝扩展的临界角。
6.根据权利要求5所述的各向异性地层地应力方位测量方法，其特征在于，所述岩石力学实验是指对已存在天然裂缝的岩样通过压裂产生人工裂缝，在压裂过程中不断改变应力方向与裂缝的夹角来确定人工裂缝的形成受天然裂缝影响的临界角。
7.根据权利要求1所述的各向异性地层地应力方位测量方法，其特征在于，所述步骤一中根据水力压裂的微地震监测数据，确定压裂缝的产状。
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