CN109752773B - 用于深部岩体古应力场模拟的非均质力学参数场确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了用于深部岩体古应力场模拟的非均质力学参数场确定方法，包括对矿场区域内的一口钻井取的全直径岩心进行参数测量；选取岩石力学参数，并首次赋值；根据岩石力学参数的值建立全直径岩心的数值模拟模型；计算数值模拟模型上的裂缝密度和全直径岩心上的裂缝密度，当两者接近时，则数值模拟模型成功标定全直径岩心所对应单井的力学参数，当两者不接近时，调整岩石力学参数赋值直至两者接近为止；采用相同的方法对矿场区域内的所有钻井也建立数值模拟模型，最后将所有数值模拟模型的岩石力学参数值作为输入，通过序贯高斯插值的方法，确定矿场区域的非均质力学参数场。该方法适用范围广、简单易行、模拟准确度高更适合于现场运用。

Description

用于深部岩体古应力场模拟的非均质力学参数场确定方法

技术领域

本发明涉及的深部岩体古应力场模拟技术领域，具体涉及一种用于深部岩体古应力场模拟的非均质力学参数场确定方法。

背景技术

研究古构造运动和古应力场对评价裂缝性储层有重要的意义，裂缝和溶洞的充填特征与期次与古应力场有直接的关系，另外，利用古应力场可以有效的预测矿场区块裂缝分布，确定裂缝的延伸方位等，对寻找裂缝性储层以及油田的勘探开发有重要意义。

目前研究古应力场的方法有岩石声发射，声发射技术已经普遍应用于古应力的测试，但是该技术对于浅层岩石是适用的，对于深层或者经受古应力值较高的岩石适用性有限。以及岩石力学实验推断法，就是通过给定与天然条件相似的人工模拟条件，来测定岩石的破裂强度及其物理性质，并记录其破裂时的压力差，最后把该值近似地当作被模拟天然条件下岩石断裂时古构造应力的大小。该方法关键在于人工模拟条件的设定，但时间因素没有模拟成功且进展缓慢。还有数学解析法，根据共轭剪切角大小和断裂带中动力变质岩的剪切角来估算剪应力的大小。该方法简单易行而且可以达到数量级的精度，但是只适用于共轭角小于90°的情况，即在脆性破裂的条件下才成立。此外，还有破裂准则反演、测井资料解释和理论推导等方法研究古应力场。

另外，有限单元法是地应力场数值模拟经常采用的手段，主要针对连续介质进行近似计算的模拟方法，其一般思路：首先离散单个完整的地质体，形成连续网格模型，以节点相连接，并附上相应的岩石力学参数；进一步通过求解位移、应力和应变来研究目的工区的连续场函数；在充分了解边界受力条件和节点平衡条件的基础上，建立相应的方程组（节点位移-未知量，总体刚度矩阵-系数）。采用插值法计算各个节点的位移，从而求解每个单元的应力、应变值。

目前古应力场数值模拟一般仅利用一套平均的地层参数（弹性模量、泊松比、岩石密度等），而且模拟过程中假设目的层岩石是均质的、各向同性的。但实际地层各向异性，具有不同岩性，不同储层序列，所处的古应力场也是有差异的。所以，为了精确的模拟深部岩体古应力场，确定非均质地层力学参数场很有必要。

发明内容

针对上述技术问题，本发明的目的是提供一种适用范围广、简单易行、更适合于现场运用的一种用于深部岩体古应力场模拟的非均质力学参数场确定方法。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种用于深部岩体古应力场模拟的非均质力学参数场确定方法，包括如下步骤：

S01: 设在矿场区域内钻井，钻井数量为N口；

S02:令i=1；

S03:对第i口钻井取全直径岩心，并对第j个全直径岩心的基本参数进行测量；

S04:选取建立第k个数值模拟模型所需的岩石力学参数，并对岩石力学参数首次赋值；

S05:根据岩石力学参数的赋值建立第k个数值模拟模型；

S06:统计计算第j个全直径岩心的单井裂缝密度，并将该单井裂缝密度定义为第g个实际裂缝密度；

调整第k个数值模拟模型使其产生裂缝，统计计算第k个数值模拟模型上的裂缝密度，并将该裂缝密度定义为第t个模拟裂缝密度；

S07:将第g个实际裂缝密度与第t个模拟裂缝密度进行拟合，

如果第g个实际裂缝密度与第t个模拟裂缝密度相近，则说明建立第k个数值模拟模型所赋予的岩石力学参数赋值正确，第k个数值模拟模型成功标定第i个单井不同岩性段的力学参数,并执行下一步；

如果第g个实际裂缝密度与第t个模拟裂缝密度不相近，则调整岩石力学参数的赋值，返回S05；

S08：令i=i+1；

S09：如果i>N，则执行下一步，否则返回S03；

S10：确定了N个钻井的岩石力学参数的值之后，将N个钻井的岩石力学参数值作为输入，通过序贯高斯插值的方法，确定矿场区域的非均质力学参数场。

作为优选：所述S03中的基本参数包括岩性、裂缝发育条数、裂缝密度、裂缝产状和裂缝的倾角方位。通过地质描述获得这些参数后，可以对岩心进行定性甚至定量的描述，用于区分不同岩心段。特别是，裂缝发育条数、裂缝密度等裂缝表征参数，可作为标定模拟所需力学参数的约束条件。

作为优选：所述S03中的岩石力学参数包括岩石密度、弹性模量和泊松比。对不同岩性和不同储层序列赋予不同的岩石力学参数，从而得到更加准确的模型。对该模型进行求解得到位移、应力和应变来研究响应的连续场函数，也就是本发明所针对的深部岩体古应力场模拟。

所述S07中所述的第g个实际裂缝密度与第t个模拟裂缝密度相近是指两者的误差不大于0.1.

两者的误差不大于0.1，本发明是确定用于深部岩体古应力场模拟的非均质力学参数场，而且这种确定方法是建立在古应力状态下的裂缝密度基本不变的情况下，以单井裂缝密度为约束，通过多次反演、拟合确定古应力的大小。然而，模拟的裂缝密度与岩心实际的裂缝密度不可能完全一致，因此需要给定一个误差范围，在该误差范围内，认为模拟裂缝密度与实际裂缝密度一致。

相比现有技术，本发明至少具有如下有益效果：

1、通常在应力场模拟过程中，假设目的层岩石是均质的、各向同性的，所以模拟仅仅只使用一套力学参数，但实际地层各向异性，具有不同岩性，不同储层序列，所处的古应力场也是有差异的。因此导致模拟不准确，现实参考性也非常有限。本发明中为了精确的模拟深部岩体古应力场，确定非均质地层力学参数场很有必要，对不同岩性和不同储层序列赋予不同的岩石力学参数，在已标定多口井模拟所需的力学参数的前提下，通过序贯高斯插值等地质统计学方法，插值拟合出整个矿场的力学参数分布，这种非均质力学参数场，模拟深部岩体古应力更加精确。

2、本发明提供的这种用于深部岩体古应力场模拟的非均质力学场确定方法，可以用于矿场尺度裂缝分布预测。

3、本发明提供的用于深部岩体古应力场模拟的非均质力学参数场确定方法，适用范围广、简单易行、模拟准确度高更适合于现场运用。

附图说明

图1为本发明方法的流程图。

图2为钻井数值模拟模型示意图。

图3为实施例1中BC1-12井数值模拟模型与BC1-12井对应的全直径岩心对比图。

图4为实施例1中矿场尺度弹性模量力学参数分布图。

图5为实施例1中不同储层裂缝体密度预测结果，图5a为风化淋滤带裂缝体密度预测结果，图5b为缝洞发育带裂缝体密度预测结果，图5c半充填发育带为裂缝体密度预测结果，图5d为致密发育带裂缝体密度预测结果。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员可以更好地理解本发明。

本发明先通过对矿场区域内一个钻井取的全直径岩心进行全面的地质描述和参数测量，设定数值模型所需的力学参数，再建立单井岩心段的数值模拟模型，即根据不同岩性、不同储层序列（风化淋滤带、缝洞发育带、半充填裂缝发育带以及致密带）的差异，分段建立数值模型。统计计算所取的岩心段单井裂缝密度，以单井裂缝密度为约束，反复调整数值模拟模型过程中的力学参数场与实际岩心观察结果对比拟合，定量统计数值模拟模型的裂缝密度，直至数值模拟模型在设定力学参数场下产生的裂缝密度与取心段的裂缝相近时，则数值模拟模型的力学参数场可以看似标定古应力场模拟所需的力学参数。随后，依相同的方法，对矿场区域内的他钻井建立数值模拟模型。最后，根据序贯高斯插值的方法拟合矿场尺度非均质力学参数场分布。

实施例1：为了进一步说明该技术方法的有效性，以非洲乍得H区块Bongor盆地Baobab潜山地区为例，对本发明方法做进一步详细说明，由图2技术路线实施流程图可知，本发明的具体步骤如下：

S01：设在该潜山地区共钻井总数N口；

S02:令i=1；

S03:对第i个钻井即BC1-12井取全直径岩心，并对该全直径岩心的基本参数进行测量；对BC1-12井取的全直径岩心进行全面的地质描述和参数测量；

此处的参数包括岩心取心段、岩性、裂缝发育条数、裂缝密度、裂缝产状、裂缝充填程度、裂缝终止规律、裂缝的类型（成岩缝、构造缝等）和裂缝的倾角方位。

S04:选取建立第k个数值模拟模型所需的岩石力学参数，并对岩石力学参数首次赋值；

对第j个全直径岩心进行地质观察，测量岩心的尺寸等。同时划分不同岩性、不同储层序列并首次假设数值模型所需的力学参数。具体设定的第j个全直径岩心的岩石力学参数如下表1：

表1 岩石力学参数设定

岩性	密度(kg/cm<sup>3</sup>)	弹性模量（Gpa）	泊松比
				二长花岗质碎裂岩	2700	36.8	0.21
花岗质碎裂岩	2710	35.2	0.22
				二长花岗岩	2720	34	0.23
二长岩	2660	33.8	0.24
				混合花岗岩	2840	25.2	0.31
混合花岗岩	2860	21.7	0.33

S05:根据岩石力学参数的赋值建立第k个数值模拟模型；

参见图1，从上到下不同岩性不同储层序列（风化淋滤带、缝洞发育带、半充填裂缝发育带以及致密带）分别分段建立不同的数值模型。

S06:统计计算第j个全直径岩心的单井裂缝密度，并将该单井裂缝密度定义为第g个实际裂缝密度；统计计算全直径岩心的单井裂缝密度方法属于现有技术，此处不做详述；

调整第k个数值模拟模型使其产生裂缝，统计计算第k个数值模拟模型上的裂缝密度，并将该裂缝密度定义为第t个模拟裂缝密度；

S07:将第g个实际裂缝密度与第t个模拟裂缝密度进行拟合，参见图3，第k个数值模拟模型在该力学参数条件下，第k个数值模拟模型的破裂带、裂缝密集带、致密带跟第j个全直径岩心相吻合，证明了古应力场模拟的力学参数的正确性；也即说明建立第k个数值模拟模型所赋予的岩石力学参数赋值正确，第k个数值模拟模型成功标定第i个单井不同岩性段的力学参数,并执行下一步；

如果出现第g个实际裂缝密度与第t个模拟裂缝密度不相近的情况，则需要调整岩石力学参数的赋值，返回S05；如何调整岩石力学参数的赋值，是现有技术，不是本发明的发明点，在此不做详述；

S08：令i=i+1；

S09：如果i>N，则执行下一步，否则返回S03；

S10：根据确定的区域内所有井的岩石力学参数的值，将五个钻井的岩石力学参数值作为输入，通过序贯高斯插值的方法，确定矿场区域的非均质力学参数场。，如图四矿场尺度弹性模量分布图，通过地质统计学插值拟合后，可以得到整个矿场尺区域的弹性模量值，从图中可以看出，不同区域的弹性模量不同，成功的考虑了岩石实际地层的非均质性，确定了该区域的非均质力学参数场，通过确定的非均质力学参数场，可以得出该矿场区域内任何一个位置的钻井时，从该井中取得的全直径岩心的岩石力学参数，具体到实际应用中，可以在非均质力学参数场的基础上，进行矿场尺度的裂缝分布预测。

在该方法反演标定的非均质力学参数场的基础上，利用模拟的古应力场，进行矿场尺度的裂缝分布预测，参见图5a~5d 。风化淋滤带、缝洞发育带、半充填发育带以及致密发育带这四个储层裂缝发育规律一致，表现为：构造高点为裂缝体密度高值区，主要分布在潜山中部以及西北部，潜山两翼为裂缝体密度低值区，主要分布在潜山东北部以及西南部，与应力分布规律一致；风化淋滤带的裂缝体密度远远大于致密带的裂缝体密度。

需要说明的是，以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解；其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (4)

1.一种用于深部岩体古应力场模拟的非均质力学参数场确定方法，其特征在于，包括如下步骤：

S01: 设在矿场区域内钻井，钻井数量为N个；

S02:令i=1；

S03:对第i口钻井取全直径岩心，并对第j个全直径岩心的基本参数进行测量；

S04:选取建立第k个数值模拟模型所需的岩石力学参数，并对岩石力学参数首次赋值；

S05:根据岩石力学参数的赋值建立第k个数值模拟模型；

S06:统计计算第j个全直径岩心的单井裂缝密度，并将该单井裂缝密度定义为第g个实际裂缝密度；

调整第k个数值模拟模型使其产生裂缝，统计计算第k个数值模拟模型上的裂缝密度，并将该裂缝密度定义为第t个模拟裂缝密度；

S07:将第g个实际裂缝密度与第t个模拟裂缝密度进行拟合，

如果第g个实际裂缝密度与第t个模拟裂缝密度相近，则说明建立第k个数值模拟模型所赋予的岩石力学参数赋值正确，第k个数值模拟模型成功标定第i个单井不同岩性段的力学参数,并执行下一步；

如果第g个实际裂缝密度与第t个模拟裂缝密度不相近，则调整岩石力学参数的赋值，返回S05；

S08：令i=i+1；

S09：如果i>N，则执行下一步，否则返回S03；

S10：确定了N个钻井的岩石力学参数的值之后，将N个钻井的岩石力学参数值作为输入，通过序贯高斯插值的方法，确定矿场区域的非均质力学参数场。

2.如权利要求1所述的非均质力学参数场确定方法，其特征在于：所述S03中的基本参数包括岩性、裂缝发育条数、裂缝密度、裂缝产状和裂缝的倾角方位。

3.如权利要求1所述的非均质力学参数场确定方法，其特征在于：所述S03中的岩石力学参数包括岩石密度、弹性模量和泊松比。

4.如权利要求1-3任一项所述的非均质力学参数场确定方法，其特征在于：所述S07中所述的第g个实际裂缝密度与第t个模拟裂缝密度相近是指两者的误差小于等于0.1。

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