CN110231407B - 一种判断碳酸盐岩盖层有效性的方法 - Google Patents

一种判断碳酸盐岩盖层有效性的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种判断碳酸盐岩盖层有效性的方法，包括以下步骤：制备岩样，获取岩样的第一次波阻抗；获取岩样发生脆性变形和延性变形转换时的临界围压，并根据所获取的临界围压得到岩样发生脆性变形和延性变形转换时的地下埋深；获取岩样的第二次波阻抗；判断岩样所处地下埋深的岩盖层的封盖性能。该判断方法能够应用在碳酸盐岩做直接盖层的构造或非构造油气藏的盖层评价中，识别过程客观，受人为因素影响较小，是一种可操作性较强的碳酸盐岩盖层有效性的确定方法。

Description

一种判断碳酸盐岩盖层有效性的方法
技术领域
本发明涉及油气开采技术领域，尤其是涉及一种判断碳酸盐岩盖层有效性的方法。
背景技术
盖层是研究油气保存条件的核心内容，盖层的好坏及分布，直接影响着油气在储集层中的聚集和保存。进行盖层有效性的评价是寻找大型油气田的基础和前提。本方法力求使用岩石力学方法对碳酸盐岩盖层岩石样品进行力学性质分析，运用三轴压缩岩石力学实验确定岩石处在不同力学性质时的地下条件。在三轴压缩试验前后，分别对岩石样品进行声波速度测试，以计算实验前、后岩石样品的波阻抗，然后进行岩石样品物性分析，从而对盖层岩石的有效性进行评价。
现有技术评价盖层岩石有效性的方法有：1.物性评价，即对岩石的孔隙度、渗透率及比表面积等进行测试，通过计算突破压力对盖层封闭能力级别进行划分。可参考“盖层物性封闭能力的研究方法”，付广等，中国海上油气，1995年4月，以及“盖层全孔隙结构测定方法”，承秋泉等，石油实验地质，2006年12月。2.测井评价，即利用测井数据回归岩心分析数据，利用测井响应特征分析盖层在纵向上的封闭特征和变化规律，从而对盖层的厚度和分布层位进行识别。可参考“测井资料在盖层评价中的应用”，焦翠华等，测井技术，2004年2月，以及“测井盖层评价方法在珠一坳陷的应用”，陈建亮等，中国海上油气，2007年6月。3.突破压力和比表面积联合评价，岩石比表面积可用于判断成岩作用的强弱，成岩作用的强弱反映了裂隙发育程度，用此参数配合突破压力参数对泥岩盖层进行综合评价。可参考“比表面积与突破压力联合确定泥岩盖层评价标准”，范明等，石油实验地质，2011年2月。4.力学性质评价，即根据盖层力学性质测试资料，采用抗压强度、硬度和塑性系数等主要参数划分力学性质的综合分类标准，根据塑性、塑脆性和脆性等级别对盖层封闭性进行评价。可参考“油气盖层力学性与封闭性的关系”，杨传忠等，西南石油学院学报，1994年8月。根据岩石力学性质随着埋深变化的特点，通过三轴压缩实验模拟地层埋藏过程中盖层脆韧性转变，通过三轴卸载试验模拟地层抬升过程中泥岩破裂过程，从而提供了研究盖层力学性质转化和抬升过程中破裂边界的定量评价参数。可参考“评价盖层有效性的岩石力学实验研究”，李双建等，石油实验地质，2013年9月。
上述方法存在的问题有：1.风化作用以及裂隙的影响会导致孔隙率参数变化，而且裂隙的存在会导致岩性相同的岩石渗透率差别很大，所测得的突破压力主要受孔隙结构的影响，无法反应裂隙发育情况，因此物性评价无法客观反应盖层的封闭性能；2.测井评价虽可以在实测封闭性评价参数少或无评价参数的地区进行泥质岩盖层封闭性评价，但对于碳酸盐岩，测井信息所识别的评价参数存在很大不确定性；3.泥岩盖层样品少，而且很少对其进行比表面积的测定；4.泥岩、膏岩和泥灰岩等盖层岩性的力学性质的改变对其封闭能力影响较大，但碳酸盐岩脆延性状态下，均会产生破裂，因此对碳酸盐岩在不同力学性质下的破裂行为及破裂表现形式缺乏合理的表述。
发明内容
针对现有技术中所存在的上述技术问题，本发明提出了一种判断碳酸盐岩盖层有效性的方法，该判断方法包括以下步骤：
S1、制备岩样，并对所制备的岩样进行基础参数测试和第一次声波速度测试，获取所述岩样的第一次波阻抗；
S2、对所述岩样进行力学实验，获取所述岩样发生脆性变形和延性变形转换时的临界围压，并根据所获取的临界围压得到所述岩样发生脆性变形和延性变形转换时的临界埋深；
S3、对完成力学实验后的岩样进行第二次声波速度测试，获取所述岩样的第二次波阻抗；
S4、根据第一次波阻抗和第二次波阻抗判断所述岩样所处地下埋深的岩盖层的封盖性能。
优选地，所述步骤S1中岩样制备时，根据测井曲线选取岩石致密层段，并根据所述岩石致密层段的取心情况进行观察并取样。
优选地，所述步骤S1中测试的基础参数包括所制备岩样的长度、直径和重量，并根据岩样的基础参数得到岩样的密度。
优选地，所述步骤S2包括：
S21、针对不同温度和围压耦合作用，对所述岩样进行三轴压缩岩石力学实验，获取所述岩样的应力应变曲线；
S22、根据所获取的所述岩样的应力应变曲线，得到所述岩样不同温度和围压下的极限强度和残余强度，建立所述极限强度和所述残余强度之差与所述围压的数学回归方程；
S23、根据建立的数学回归方程，获取所述岩样发生脆性变形和延性变形转换时的临界围压；
S24、根据获取的所述岩样发生脆性变形和延性变形转换时的临界围压，得到所述岩样发生脆性变形和延性变形转换时的临界埋深。
优选地，所述步骤S23中，当所述极限强度和所述残余强度之差为零时，此时的围压为所述岩样发生脆性变形和延性变形转换的临界围压。
优选地，所述步骤S24中根据地层有效上覆压力值确定公式，由获取的所述岩样发生脆性变形和延性变形转换时的临界围压，得到所述岩样发生脆性变形和延性变形转换时的临界埋深；
其中，所述地层有效上覆压力值确定公式为：
PH＝0.010133(ρD-ρw)H
式中：PH-地层上覆压力，MPa；
ρD-岩样密度，g/cm3；
ρw-地层水密度，g/cm3；
H-取样深度，m。
优选地，所述步骤S3中，力学实验后岩样的密度变化设定为零。
优选地，所述步骤S4包括：
在判断出所述第二次波阻抗大于所述第一次波阻抗的情况下，确定所述岩样在进行所述力学实验时发生了延性变形，所述岩样所处地下埋深的岩盖层有效。
优选地，所述步骤S4还包括：
在判断出所述第二次波阻抗布大于所述第一次波阻抗的情况下，确定所述岩样在进行所述力学实验时发生了脆性变形，所述岩样所处地下埋深的岩盖层无效。
优选地，所述步骤S1中，所述岩样为圆柱体，且所述圆柱体上下两个端面的平行度小于0.015毫米。
与现有技术相比，本发明的优点在于，本发明提出了一种判断碳酸盐岩盖层有效性的方法，该判断方法能够应用在碳酸盐岩做直接盖层的构造或非构造油气藏的盖层评价中，能够很好的识别碳酸盐岩在构造演化过程中处在不同的深度的封盖能力。识别过程客观，受人为因素影响较小，是一种可操作性较强的碳酸盐岩盖层有效性的确定方法。
附图说明
下面将结合附图来对本发明的优选实施例进行详细地描述。在图中：
图1显示了根据本发明实施例的一种判断碳酸盐岩盖层有效性的方法。
图2显示了岩样A1的峰值强度和残余强度与围压的关系。
图3显示了岩样A1的应力应变曲线。
图4显示了岩样A1经过力学实验前后的波阻抗的变化。
在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例绘制。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明做进一步说明。
图1显示了根据本发明实施例的一种判断碳酸盐岩盖层有效性的方法的流程图。如图1所示，本实施例的判断方法主要包括以下步骤：
S1、制备岩样，并对所制备的岩样进行基础参数测试和第一次声波速度测试，获取所述岩样的第一次波阻抗；
S2、对所述岩样进行力学实验，获取所述岩样发生脆性变形和延性变形转换时的临界围压，并根据所获取的临界围压得到所述岩样发生脆性变形和延性变形转换时的地下埋深；
S3、对完成力学实验后的岩样进行第二次声波速度测试，获取所述岩样的第二次波阻抗；
S4、根据第一次波阻抗和第二次波阻抗判断所述岩样所处地下埋深的岩盖层的封盖性能。
该判断方法能够应用在碳酸盐岩做直接盖层的构造或非构造油气藏的盖层评价中，能够很好的识别碳酸盐岩在构造演化过程中处在不同的深度的封盖能力。识别过程客观，受人为因素影响较小，是一种可操作性较强的碳酸盐岩盖层有效性的确定方法。
在一个实施例中，步骤S1中岩样制备时，需根据测井曲线选取岩石致密层段，并对该层段的岩心资料进行观察与取样。优选地，选取φ25.00mm×25.00～50.00mm的圆柱体进行制样，长度不足50.00mm的岩样后期进行垫片补高。制样时，将圆柱体的两端切磨平整且与圆柱体轴线垂直，两个端面的不平行度小于0.015mm。之后将圆柱体进行清洗并烘干，烘干时间为24小时，烘干温度为70℃。
在该实施例中，步骤S1中测试的基础参数包括所制备岩样的长度、直径和重量。并根据所测得的基础参数计算岩样的密度。本实施例中，设定岩样在力学实验前后的密度变化忽略不计，因此，此处测定的岩样的密度可用于测定岩样在力学实验前和力学实验后的波阻抗。波阻抗是作用于某个面积上的压力与单位时间内垂直通过此面积的质点流量(即面积乘质点振动速度)之比，具有阻力的含义，其数值等于介质密度p与波速V的乘积，所指波速为纵波波速Vp。
在一个实施例中，对岩样进行三轴压缩岩石力学实验，该实验模拟地层埋藏过程中盖层延性-脆性转变的地质过程。理论上随着围压的增大，岩石有从延性向脆性转变的趋势，当岩石开始脆性破裂时极限强度和残余强度趋于相同。利用这一原理，通过实验模拟建立围压与极限强度和残余强度之差的数学回归方程，利用该数学回归方程求解出极限强度和残余强度相同时的围压，即为岩盖层由延性向脆性转化的临界围压。
具体的，步骤S2包括：
S21、针对不同温度和围压耦合作用，对岩样进行三轴压缩岩石力学实验，获取岩样的应力应变曲线。
S22、根据所获取的岩样的应力应变曲线，得到岩样不同温度和围压下的极限强度和残余强度，建立极限强度和残余强度之差与围压的数学回归方程；
S23、根据建立的数学回归方程，获取岩样发生脆性变形和延性变形转换时的临界围压；
S24、根据获取的岩样发生脆性变形和延性变形转换时的围压，得到岩样发生脆性变形和延性变形转换时的临界埋深。
在该实施例中，当极限强度和残余强度之差为零时，此时的围压为岩样发生脆性变形和延性变形转换的临界围压。再根据地层有效上覆压力值确定公式，由获取的岩样发生脆性变形和延性变形转换时的临界围压，得到岩样发生脆性变形和延性变形转换时的临界埋深。
其中，地层有效上覆压力值确定公式为：
PH＝0.010133(ρD-ρw)H
式中：PH-地层上覆压力，MPa；
ρD-岩样密度，g/cm3；
ρw-地层水密度，g/cm3；
H-取样深度，m。
得到岩样发生脆性变形和延性变形转换时的临界深度后，判断岩样的深度是处在临界深度之上还是临界深度之下，临界深度之上是脆性变形，临界深度之下是延性变形。
波阻抗数据可以更直观的反应岩样在实验前后孔隙的变化。利用波阻抗判断岩样所处埋深的岩盖层的封盖性能的优势体现在：根据波阻抗判断可以增加对比度，脆性变形实验后的岩样纵波速度都会有不同程度的降低，原因是产生了裂缝，但密度基本不变(即使岩样产生了裂缝，但岩石基质是不变的，也就是体积变化不大，所以密度变化不大)；而延性变形实验后纵波速度会增加，岩样孔隙被压实，理论上密度增大，但孔隙增大引起的体积变小从而密度变大可以忽略不计，因为孔隙的单位和计算密度的体积单位不是一个数量级的。简言之，密度和纵波速度是正相关的，二者乘积(波阻抗)可以更加明显的区分脆性变形和延性变形。
在该实施例中，在判断出力学实验后的波阻抗大于力学试验前的波阻抗的情况下，进一步确定了岩样在进行力学实验时发生了延性变形，所述岩样的孔隙被压实，岩样密度增大，岩样的纵波速度增大，说明该岩样所处地下埋深的岩盖层的封盖性能良好，岩盖层有效。
在该实施例中，在判断出力学实验后的波阻抗不大于力学试验前的波阻抗的情况下，确定岩样在进行力学实验时发生了脆性变形，随着载荷的加载，岩样上产生很多为裂缝，裂缝的存在增大了孔隙度，岩样的密度减小，岩样的纵波速度增大，说明该岩样所处地下埋深的岩盖层的封盖性能较差，岩盖层无效。
下面给出一个塔里木某区的碳酸盐岩盖层有效性的判断流程。该实施例中，以塔里木盆地下古生界上奥陶统一间房组为例，通过优选测井曲线选取岩石致密层段，并根据所述岩石致密层段的岩心资料选取岩心进行观察并取样。取样时，在同一层段和同一位置选取6个φ25.00mm×25.00～50.00mm的圆柱体进行制样，并进行基础参数测试，然后对6组岩样分别进行力学实验前的第一次声波速度测试，得到声波速度和基础参数数据。以下附表1列出样品A1岩样组的基础参数和声波速度数据。
附表1塔里木某区A1岩样声波速度及基础参数数据
Figure BDA0001588961090000071
由附表1中的基础参数和第一次声波速度数据，可以得到A1岩样组在进行力学实验前的波阻抗。
然后对A1岩样组进行三轴压缩岩石力学实验，得到A1岩样组在不同围压和不同温度下的应力-应变曲线，并对该应力-应变曲线进行分析，得到不同围压和温度下的岩样的峰值强度、残余强度以及峰值强度与残余强度的差值，详见附表2和附图2。
附表2塔里木某区A1岩样组声波速度及基础参数数据
围压(MPa) 温度(℃) 峰值强度(MPa) 残余强度(MPa) 峰值强度-残余强度(MPa)
0 20 35 0 35
10 30 119 0 119
20 50 257 190 67
30 80 254.5 248 6.5
40 100 255 247.2 7.8
50 120 54 0 54
由表2和图2可以看出，A1岩样组的峰值强度和残余强度与围压具有明显的正相关关系，在一定范围内，A1岩样组的峰值强度和残余强度均随围压的增大而增大，并且残余强度的增大幅度大于峰值强度的增大幅度。当A1岩样组的残余强度接近等于峰值强度时，岩样由脆性变形向延性变形转变。并且当围压超过一定范围后，岩样的峰值强度急剧下降，表明岩样开始破碎。由表2和图2得出的围压和峰值强度与残余强度之差的关系，建立数学回归方程，得到针对A1岩样组的数学回归方程为：
y＝0.8546x+69.581 R2＝0.1429
式中，y为峰值强度与残余强度之差，x为围压，R为相关系数。
由上述数学回归方程可知，当围压为81.48MPa时，A1岩样组处在脆性变形和延性变形的临界点。再根据地层有效上覆压力值确定公式(石油地质勘探专业标准化委员会.SY/T 5748-1995岩石中气体突破压力测定[S].北京:中国石油天然气总公司,1996.)求得临界深度为4726m。
如附图3所示，示出了A1样品组中在温度为120℃条件下的一个典型的应力应变曲线图，纵坐标差应力是指最大主应力减去最小主应力的差值，正值表示挤压，负值表示拉伸。该曲线反映的是经典的三轴压缩应力应变曲线，径向应变是垂直于岩样轴线方向的应变，实验中选用的数据是轴向应变数据，也就是圆柱体中轴方向的应变。第一象限曲线反映了岩样的延性变形，峰值强度后有一段水平段；第二象限曲线在差应力小于18MPa时，径向基本没有应变，差应力继续增加，则径向开始发生应变，随着差应力的继续增加，应变程度增加。此文档中，仅考虑轴向应变，因为回归方程的建立都是建立在轴向应变分析的基础之上的。
对完成力学实验后的岩样进行第二次声波速度测试，获取所述岩样的第二次波阻抗。将上述力学试验后的波阻抗与力学实验前的波阻抗进行对比，当力学实验后的波阻抗大于力学试验前的波阻抗时，确定岩样在进行力学实验时发生了延性变形，岩样的孔隙度减小，岩样被压实，岩样的纵波速度增大，密度增大，相应的波阻抗也变大，说明该围压和温度对应的地下埋深范围内的岩石的封盖性能较好。当力学实验后的波阻抗不大于力学试验前的波阻抗的情况下，确定岩样在进行力学实验时发生了脆性变形，随着载荷的增大，岩样产生很多微裂缝，裂缝的存在增大了岩样的孔隙度，岩样的密度减小，纵波速度减小，同时也降低了岩样的波阻抗，说明该围压和温度对应的地下埋深范围内的岩石的封盖性能较差。如附图4所示，A1岩样组在力学实验后的波阻抗大于力学实验前的波阻抗，说明A1岩样组发生了延性变形，岩样被压实，表明该岩样所述埋深的岩盖层的封盖性能良好。
与现有技术相比，本发明的优点在于，本发明提出了一种判断碳酸盐岩盖层有效性的方法，该判断方法能够应用在碳酸盐岩做直接盖层的构造或非构造油气藏的盖层评价中，能够很好的识别碳酸盐岩在构造演化过程中处在不同的深度的封盖能力。识别过程客观，受人为因素影响较小，是一种可操作性较强的碳酸盐岩盖层有效性的确定方法。
以上所述仅为本发明的优选实施方式，但本发明保护范围并不局限于此，任何本领域的技术人员在本发明公开的技术范围内，可容易地进行改变或变化，而这种改变或变化都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求书的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种判断碳酸盐岩盖层有效性的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、制备岩样，并对所制备的岩样进行基础参数测试和第一次声波速度测试，获取所述岩样的第一次波阻抗；
S2、对所述岩样进行力学实验，获取所述岩样发生脆性变形和延性变形转换时的临界围压，并根据所获取的临界围压得到所述岩样发生脆性变形和延性变形转换时的临界埋深；
S3、对完成力学实验后的岩样进行第二次声波速度测试，获取所述岩样的第二次波阻抗；
S4、根据第一次波阻抗和第二次波阻抗判断所述岩样所处地下埋深的岩盖层的封盖性能；在判断出所述第二次波阻抗大于所述第一次波阻抗的情况下，确定所述岩样在进行所述力学实验时发生了延性变形，所述岩样所处地下埋深的岩盖层有效；在判断出所述第二次波阻抗不大于所述第一次波阻抗的情况下，确定所述岩样在进行所述力学实验时发生了脆性变形，所述岩样所处地下埋深的岩盖层无效。
2.根据权利要求1所述的判断碳酸盐岩盖层有效性的方法，其特征在于，所述步骤S1中岩样制备时，根据测井曲线选取岩石致密层段，并根据所述岩石致密层段的取心情况进行取样。
3.根据权利要求1所述的判断碳酸盐岩盖层有效性的方法，其特征在于，所述步骤S1中测试的基础参数包括所制备岩样的长度、直径和重量，并根据岩样的基础参数得到岩样的密度。
4.根据权利要求1所述的判断碳酸盐岩盖层有效性的方法，其特征在于，所述步骤S2包括：
S21、针对不同温度和围压耦合作用，对所述岩样进行三轴压缩岩石力学实验，获取所述岩样的应力应变曲线；
S22、根据所获取的所述岩样的应力应变曲线，得到所述岩样不同温度和围压下的极限强度和残余强度，建立所述极限强度和所述残余强度之差与所述围压的数学回归方程；
S23、根据建立的数学回归方程，获取所述岩样发生脆性变形和延性变形转换时的临界围压；
S24、根据获取的所述岩样发生脆性变形和延性变形转换时的临界围压，得到所述岩样发生脆性变形和延性变形转换时的临界埋深。
5.根据权利要求4所述的判断碳酸盐岩盖层有效性的方法，其特征在于，所述步骤S23中，当所述极限强度和所述残余强度之差为零时，此时的围压为所述岩样发生脆性变形和延性变形转换的临界围压。
6.根据权利要求5所述的判断碳酸盐岩盖层有效性的方法，其特征在于，所述步骤S24中根据地层有效上覆压力值确定公式，由获取的所述岩样发生脆性变形和延性变形转换时的临界围压，得到所述岩样发生脆性变形和延性变形转换时的临界埋深；
其中，所述地层有效上覆压力值确定公式为：
PH＝0.010133(ρD-ρw)H
式中：PH-地层上覆压力，MPa；
ρD-岩样密度，g/cm3；
ρw-地层水密度，g/cm3；
H-取样深度，m。
7.根据权利要求1所述的判断碳酸盐岩盖层有效性的方法，其特征在于，所述步骤S3中，所述力学实验后岩样的密度变化设定为零。
8.根据权利要求1所述的判断碳酸盐岩盖层有效性的方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述岩样为圆柱体，且所述圆柱体上下两个端面的平行度小于0.015毫米。
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