CN110727031A - 一种基于三维叠前地震反演结果的地应力获取方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于三维叠前地震反演结果的地应力获取方法，该方法首先利用水力压裂法读取破裂压力、瞬时停泵压力、裂缝重张压力，计算得到最大、最小水平主应力；开展叠前地震反演得到纵波阻抗、纵横波速度比、密度等反演结果，计算得到杨氏模量、泊松比等弹性参数；根据测井解释地应力公式，利用读取的最大、最小水平地应力对弹性参数进行反向标定得到构造应力系数；最后利用构造应力系数对弹性参数计算得到三维地应力结果。此方法在常规测井资料计算地应力方法上进行了扩展，将单井的计算方法扩展到了三维地震反演；充分结合了水力压裂资料，使最终三维地应力结果具有较高的精度与可靠性，不需要再次进行“动”与“静”态弹性参数转换。

Description

一种基于三维叠前地震反演结果的地应力获取方法

技术领域

本发明属于石油天然气勘探领域的地应力计算方法，具体涉及一种基于三维叠前地震反演结果的地应力获取方法。

背景技术

目前地应力研究已成为致密层、页岩油气等油气勘探开发中的必要环节，在甜点预测、钻井工程中发挥着越来越重要的作用，印兴耀等(地应力预测技术的研究现状与进展[J].石油物探，2018，57(4)：488-504)从地应力测量方法、地应力测井计算方法、地应力数值模拟方法及地应力地震预测四个方面介绍了地应力预测方法的研究现状。

地应力测量主要包括直接测量法与间接测量法两大类，直接测量法包括水力压裂法、声发射法(AE法)、地质测绘法等，间接测量法包括套芯应力解除法、应力恢复法、X射线法、地质构造信息法、滞弹性应变恢复法等。其中水力压裂法是在目的层段选取一段钻孔，利用一对橡胶封隔器对其进行密封,然后向密封空间中注入高压流体(一般采用比较经济的水),使密封段在流体压力的作用下出现裂缝,据此推测地层应力。该方法的优点是操作简单,适应性强,可对深层地应力进行测量，此方法被科学界广泛认同，在实际工程领域的应用越来越广。

地应力测井计算法主要有三大类，第一是基于FMI或CBIL成像测井估算地应力；第二是基于地层倾角测井判断地应力方位；第三是基于声波测井计算地应力。第三类声波测井估算地应力方法主要包含垂向地应力与水平地应力的计算，水平地应力计算根据假设情况的不同分别采用不同的计算公式，它们具有不同的应用场景。

第三类声波测井估算水平地应力方法中，主要包括假设最大和最小水平地应力相等的金尼克公式和马特威尔-凯利公式与假设它们不相等的黄氏模型、弹簧模型、倾斜地层模型，其中黄氏模型公式未充分考虑岩性对地层应力的影响，适用于构造平缓的地区；弹簧模型适用于构造运动比较剧烈的地区，水平地应力的很大部分来源于地质构造运动产生的构造应力，不同性质的地层由于其抵抗外力的变形特点不同，因而其承受的构造应力也不相同；倾斜地层模型在大多数地层为倾斜地层的具有一定的适用性，可以考虑地层倾角和上倾方位角。

地应力数值模拟方法主要是指利用计算机技术，采用数值模拟方法对地下介质地应力的分布进行预测，主要有边界位移调整法、边界载荷调整法、位移反分析法、应力函数和位移函数法等方法。

目前利用地震资料估算地应力是正在发展的一种地应力预测方法，该方法能够得到某个区域连续的地应力剖面，对地下介质进行全面的地应力预测，主要包括反射系数反演、地震曲率属性和岩石物理建模三个大类的方法。

现有技术存在的问题是：

地应力测量法主要测量方式为点测量方法，其结果准确可靠，但每一次测量只能获得某一个样品点或某一个深度的特性，无法得到其它样品点或深度的信息；

地应力测井计算法目前应用较广，计算快捷简单，但只适用在已获取了相关测井资料的井点，在横向距离较远情况下，缺乏指导性；

在常规利用地震资料估算地应力方法中，无法获得可靠的上覆地层的平均密度，导致上覆地层压力与水平应力计算不准；同时由于缺乏有效标定导致用地震数据等估算的“动态值”与水力压裂法、实验室测量法等“静态值”存在较大的差异。

发明内容

本发明提供了一种基于三维叠前地震反演结果的地应力获取方法，为石油天然气勘探领域的地应力预测提供一种利用水力压裂法标定三维叠前地震反演结果的地应力计算方法,旨在解决利用地震资料进行地应力计算缺乏有效标定的问题，将地应力测井计算方法合理推广到了三维地震数据领域，并有效结合了水力压裂“静态值”的可靠结果进行标定。该方法所得结果适用于致密层、页岩油气等非常规油气勘探开发，也可以指导甜点预测、常规钻前预测、钻井轨迹优化等工作。

本发明所采用的技术方案为：

一种基于三维叠前地震反演结果的地应力获取方法，包括以下步骤：

步骤1：根据水力压裂法计算得到某个压裂层段深度点的最大水平主应力值以及最小水平主应力值；

步骤2：开展从地表至目的层全时窗的三维叠前地震反演，得到弹性参数体，所述弹性参数体包括纵波阻抗、纵横波速度比以及密度体；并根据弹性参数体得到杨氏模量、泊松比数据；

步骤3：采用重力公式,利用计算步骤2中的密度体计算任意深度点的上覆地层压力，所述上覆地层压力即为三维数据体的垂向地应力；

步骤4：读取步骤2中纵波阻抗、泊松比体在步骤1中对应的压裂层段处数值，根据测井资料解释地应力的弹簧模型公式，利用步骤1中得到的最大水平主应力值以及最小水平主应力值进行标定，得到构造应力系数；

步骤5：利用步骤4中的构造应力系数对步骤2中的纵波阻抗、纵横波速度比以及密度体进行计算，得到三维数据体的最大水平主应力、最小水平主应力。

通过从地表至目的层的全时窗叠前地震反演获得了完整的密度数据体，可以计算得到精度较高的垂向地层压力，从而减少因为上覆地层压力误差导致的水平方向地应力计算精度不高的问题；本发明合理地将测井计算方法推广到了三维地震数据领域，利用水力压裂的有效标定，解决了利用地震数据估算的“动态值”与水力压裂法、实验室测量法等“静态值”存在较大差异的问题，不需再次进行“动静”数据转换，直接可以得到比较可靠的垂向地应力、水平方向的地应力结果。

根据上述技术优选的，在步骤1中，根据水力压裂法计算得到某个压裂层段最大水平主应力值以及最小水平主应力值的方法如下：

S101、根据某深度实测孔隙压力，采用公式P_p＝dh计算得到该区的孔隙压力梯度；其中d是孔隙压力梯度，h是深度,再利用该公式计算得到任意深度的孔隙压力P_p.；

S102、采用水力压裂法地应力测量过程曲线读取压裂层段的破裂压力P_f、瞬时停泵压力P_s、裂缝重新张开压力P_r；

S103、将S101中读取结果P_p与S102中的P_f、P_s、P_r带入以下公式求得最大、最小水平主应力：

其中σ_H为最大水平主应力，σ_h即为最小水平主应力,S_t为岩石的拉伸强度。

根据上述技术优选的，在步骤2中，开展从地表至目的层的全时窗三维叠前地震反演，其方法如下：

S201、结合测井曲线以及地震资料处理速度谱建立全时窗的反演低频模型；

S202、对叠前地震偏移处理的共反射点道集开展偏移距等份叠加，保证各个偏移距叠加体从地表至目的层全时窗的地震资料信噪比相近；

S303、从地表至目的层分时窗提取子波并进行叠前反演，得到全时窗的叠前反演结果：纵波阻抗、纵横波速度比以及密度三维数据体；再利用以下公式计算得到杨氏模量、泊松比数据体，

其中，E为杨氏模量，μ为泊松比，V_p为纵波速度，V_S为横波速度，ρ为密度。

根据上述技术优选的，所述步骤3中，根据步骤2中密度体根据重力公式计算在步骤1中对应层段处的上覆地层压力，其方法如下,采用以下公式：

其中，σ_v为上覆地层压力，ρ_bi为目的层以上地层的平均密度，h_i为目的层以上地层厚度，g为重力加速度。

根据上述技术优选的，在步骤4中，读取步骤2中杨氏模量、泊松比在步骤1中对应层段处数值，根据测井资料解释地应力弹簧模型公式，利用步骤1中得到的最大、最小水平主应力进行反向标定，得到最大水平构造应力系数ε_H与最小水平构造应力系数ε_h:

其中σ_H、σ_h即为最大、最小水平主应力,μ为泊松比，E为及杨氏模量，P_p为地层孔隙压力，σ_v为上覆地层压力，a为有效应力系数。

根据上述技术优选的，在步骤5中，将步骤4中求得的构造应力系数、步骤2中叠前反演结果计算得到的杨氏模量、泊松比与步骤3中的上覆地层压力代入测井资料解释地应力弹簧模型公式，计算得到最大、最小水平主应力。

本发明具有如下的优点和有益效果：

1、本发明通过从地表至目的层的全时窗叠前地震反演获得了完整的密度数据体，可以计算得到精度较高的垂向地层压力，从而减少因为上覆地层压力误差导致的水平方向地应力计算精度不高的问题；

2、本发明合理地将测井计算方法推广到了三维地震数据领域，利用水力压裂的有效标定，解决了利用地震数据估算的“动态值”与水力压裂法、实验室测量法等“静态值”存在较大差异的问题，不需再次进行“动静”数据转换，直接可以得到比较可靠的垂向地应力、水平方向的地应力结果。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1是本发明方法的步骤框图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

本文使用的术语仅用于描述特定实施例，并且不意在限制本发明的示例实施例。如本文所使用的，单数形式“一”、“一个”以及“该”意在包括复数形式，除非上下文明确指示相反意思。还应当理解术语“包括”、“包括了”、“包含”、和/或“包含了”当在本文中使用时,指定所声明的特征、整数、步骤、操作、单元和/或组件的存在性,并且不排除一个或多个其他特征、数量、步骤、操作、单元、组件和/或他们的组合存在性或增加。

实施例1：

如图1所示，本实施例提供了一种基于三维叠前地震反演结果的地应力获取方法，具体步骤如下：

步骤1：根据水力压裂法计算得到某个压裂层段深度点的最大水平主应力值以及最小水平主应力值；

步骤2：开展从地表至目的层全时窗的三维叠前地震反演，得到弹性参数体，所述弹性参数体包括纵波阻抗、纵横波速度比以及密度体；并根据弹性参数体得到杨氏模量、泊松比数据；

步骤3：采用重力公式,利用计算步骤2中的密度体计算任意深度点的上覆地层压力，所述上覆地层压力即为垂向地应力三维数据体；

步骤4：读取步骤2中纵波阻抗、泊松比体在步骤1中对应的压裂层段处数值，根据测井资料解释地应力的弹簧模型公式，利用步骤1中得到的最大水平主应力值以及最小水平主应力值进行标定，得到构造应力系数；

步骤5：利用步骤4中的构造应力系数对步骤2中的纵波阻抗、纵横波速度比以及密度体进行计算，得到最大水平主应力三维数据体、最小水平主应力三维数据体。

具体实施时，根据水力压裂法计算得到某个压裂层段最大水平主应力值以及最小水平主应力值的方法如下：

S101、根据某深度实测孔隙压力根据公式(1)计算得到该区的压力梯度：

P_p＝dh (1)

其中d是孔隙压力梯度，h是深度；

再利用该公式计算得到压裂层段的孔隙压力P_p；

S102、利用水力压裂法地应力测量过程曲线读取压裂层段的瞬时停泵压力P_s、裂缝重新张开压力P_r；

S103、将S101中压裂层段的地层孔隙压力P_p与S102中的P_f、P_s、P_r带入公式(2)

其中σ_H为最大水平主应力，σ_h即为最小水平主应力，S_t为岩石的拉伸强度。

具体实施时，在步骤2中，开展从地表至目的层的全时窗三维叠前地震反演，其方法如下：

S201、结合测井曲线以及地震资料处理速度谱建立全时窗的反演低频模型；

S202、对叠前地震偏移处理的共反射点道集开展偏移距等份叠加，保证各个偏移距叠加体从地表至目的层全时窗的地震资料信噪比差值在5dB以内；

S303、从地表至目的层分时窗提取子波，利用S201中的反演低频模型进行叠前反演，得到全时窗的叠前反演结果：纵波阻抗与纵横波速度比V_p/V_s、以及密度ρ三维数据体；再利用以下杨氏模量、泊松比数据体公式计算得到杨氏模量、泊松比数据体，

其中，E为杨氏模量，μ为泊松比，V_p为纵波速度，V_S为横波数度。

具体实施时，在步骤3中，根据步骤2中密度体根据重力公式计算在步骤1中对应层段处的上覆地层压力，所述重力公式为：

其中，σ_v为上覆地层压力，ρ_bi为目的层以上地层的平均密度，h_i为目的层以上地层厚度，g为重力加速度；

在步骤4中，读取步骤2中杨氏模量、泊松比在步骤1中对应层段处数值，根据测井资料解释地应力弹簧模型公式(5)：

读取纵波阻抗、泊松比对应层段处数值，根据测井资料解释地应力的弹簧模型公式(5)利用得到的最大水平主应力值以及最小水平主应力值进行反向标定，得到构造应力系数ε_H、ε_h；

其中σ_H即为最大水平主应力，σ_h为最小水平主应力,μ为泊松比，E为及杨氏模量，P_p为地层孔隙压力，σ_v为上覆地层压力，a为有效应力系数；

实验室测定岩心的有效应力系数一般介于0.39和0.57之间。

在步骤5中，将步骤4中求得的构造应力系数对步骤2中的纵波阻抗、纵横波速度比、密度体进行计算的方法为：

对步骤2中叠前反演结果计算得到的杨氏模量、泊松比与步骤3中的上覆地层压力代入测井资料解释地应力弹簧模型公式，计算得到三维数据体的最大水平主应力以及最小水平主应力。

本发明通过从地表至目的层的全时窗叠前地震反演获得了完整的密度数据体，可以计算得到精度较高的垂向地层压力，从而减少因为上覆地层压力误差导致的水平方向地应力计算精度不高的问题；本发明合理地将测井计算方法推广到了三维地震数据领域，利用水力压裂的有效标定，解决了利用地震数据估算的“动态值”与水力压裂法、实验室测量法等“静态值”存在较大差异的问题，不需再次进行“动静”数据转换，直接可以得到比较可靠的垂向地应力、水平方向的地应力结果。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于三维叠前地震反演结果的地应力获取方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：根据水力压裂法计算得到某个压裂层段深度点的最大水平主应力值以及最小水平主应力值；

步骤2：开展从地表至目的层全时窗的三维叠前地震反演，得到弹性参数体，所述弹性参数体包括纵波阻抗、纵横波速度比以及密度体；并根据弹性参数体得到杨氏模量、泊松比数据；

步骤3：采用重力公式，利用计算步骤2中的密度体计算任意深度点的上覆地层压力，所述上覆地层压力即为垂向地应力三维数据体；

步骤4：读取步骤2中纵波阻抗、泊松比体在步骤1中对应的压裂层段处数值，根据测井资料解释地应力的弹簧模型公式，利用步骤1中得到的最大水平主应力值以及最小水平主应力值进行标定，得到构造应力系数；

步骤5：利用步骤4中的构造应力系数对步骤2中的纵波阻抗、纵横波速度比以及密度体进行计算，得到最大水平主应力三维数据体、最小水平主应力三维数据体。

2.根据权利要求1所述的一种基于三维叠前地震反演结果的地应力获取方法，其特征在于：在步骤1中，根据水力压裂法计算得到某个压裂层段最大水平主应力值以及最小水平主应力值的方法如下：

S101、根据某个压裂层段深度点实测孔隙压力，采用公式P_p＝dh计算得到该区的地层孔隙压力梯度；其中d是地层孔隙压力梯度，h是深度，再利用该公式计算得到任意深度点的地层孔隙压力P_p；

S102、采用水力压裂法获取的地应力测量过程曲线读取压裂层段的破裂压力P_f、瞬时停泵压力P_s、裂缝重新张开压力P_r；

S103、将S101中压裂层段的地层孔隙压力P_p与S102中的P_f、P_s、P_r带入公式

求得压裂层段的最大、最小水平主应力；

其中σ_H为最大水平主应力，σ_h即为最小水平主应力，S_t为岩石的拉伸强度。

3.根据权利要求1所述的一种基于三维叠前地震反演结果的地应力获取方法，其特征在于：在步骤2中，开展从地表至目的层的全时窗三维叠前地震反演，其方法如下：

S201、结合测井曲线以及地震资料处理速度谱建立全时窗的反演低频模型；

S202、对叠前地震偏移处理的共反射点道集开展偏移距等份叠加，保证各个偏移距叠加体从地表至目的层全时窗的地震资料信噪比差值在5dB以内；

S303、从地表至目的层分时窗提取子波，利用S201中的反演低频模型进行叠前反演，得到全时窗的叠前反演结果：纵波阻抗与纵横波速度比V_p/V_s、以及密度ρ三维数据体；再利用以下杨氏模量、泊松比数据体公式计算得到杨氏模量、泊松比数据体，

其中，E为杨氏模量，μ为泊松比，V_p为纵波速度，V_s为横波数度。

4.根据权利要求1所述的一种基于三维叠前地震反演结果的地应力获取方法，其特征在于：在步骤3中，根据步骤2中密度体根据重力公式计算在步骤1中对应层段处的上覆地层压力，所述重力公式为：

其中，σ_v为上覆地层压力，ρ_bi为目的层以上地层的平均密度，h_i为目的层以上地层厚度，g为重力加速度。

5.根据权利要求1所述的一种基于三维叠前地震反演结果的地应力获取方法，其特征在于：在步骤4中，读取步骤2中杨氏模量、泊松比在步骤1中对应层段处数值，根据测井资料解释地应力弹簧模型公式为：

其中σ_H即为最大水平主应力，σ_h为最小水平主应力，μ为泊松比，E为及杨氏模量，P_p为地层孔隙压力，σ_v为上覆地层压力，a为有效应力系数；

利用步骤1中得到的最大水平主应力值以及最小水平主应力值进行反向标定，得到最大水平构造应力系数ε_H与以及最小构造应力系数ε_h。

6.根据权利要求5所述的一种基于三维叠前地震反演结果的地应力获取方法，其特征在于：所述有效应力系数a介于0.39和0.57之间。

7.根据权利要求1所述的一种基于三维叠前地震反演结果的地应力获取方法，其特征在于：在步骤5中，将步骤4中求得的构造应力系数对步骤2中的纵波阻抗、纵横波速度比、密度体进行计算的方法为：

对步骤2中叠前反演结果计算得到的杨氏模量、泊松比与步骤3中的上覆地层压力代入测井资料解释地应力弹簧模型公式，计算得到三维数据体的最大水平主应力以及最小水平主应力。