CN110969699B - 一种高精度三维地应力建模方法及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供本发明提供一种高精度三维地应力建模方法及其应用，所述方法以岩石物理建模为基础计算高精度的岩石力学,采用有效应力比值法、应力多边形约束及图像中心点自动分析，提高崩落深度点最大、最小水平主应力的计算精度；结合三维地震速度及三维相控叠前反演，采用弹簧模型计算三维地应力，为三维地应力的进行高精度定量建模，本发明具有算法实现简单、模型精度高和创新性的特点，能方便快捷应用于油气勘探开发中的地应力分析。

Description

一种高精度三维地应力建模方法及其应用

技术领域

本发明属于地震信息优化处理与解释技术领域，具体涉及一种高精度三维地应力建模方法及其应用。

背景技术

地应力研究与分析是油气勘探开发中一项基础而且非常重要的研究工作，广泛用于解决诸如油气富集区分布、井壁稳定性、储层改造裂缝分布、水力压裂起裂压力与裂缝延伸压力、套管变形、工程设计优化等问题。在石油工程中，地应力方位往往利用成像测井、偶极快慢横波或者多臂井径资料确定，地应力的方位研究相对简单。

地应力大小包括上覆岩层压力、最大水平主应力、最小水平主应力，最大、最小水平主应力测量方法主要有水压致裂法、声发射Kaiser效应法及差应变法等，此类方法通过岩心或现场试验直接测量离散岩石的地应力大小，为了获得地应力剖面，Zoback提出了有效应力比值法，该方法认为最大或者最小水平主应力有效应力比接近常数，采用有效应力比值法，可以获得基本与岩性无关的连续应力剖面，采用有效应力比值法计算的应力剖面不能有效的指导压裂设计。

学者们更多的考虑利用测井资料和地应力组合弹簧模型，计算最大最小水平主应力，组合弹簧模型的关键是求取构造应力系数，谭强等人利用钻井中的地漏实验(LOT)，采用水力压裂井壁诱发拉伸裂缝的条件，简化最大水平主应力公式并求得最大最小水平主应力，以此为基础计算构造应力系数，此种用水力压裂确定最大水平主应力的方法，在绝大多数环境下不能使用，Aadnoy等给出了由崩落的椭圆井眼长短半轴比值，结合最小水平主应力来计算最大水平主应力，张美玲等在Aadnoy基础上，采用综合计算方法计算最大最小水平主应力，并在套损预测中进行了应用，该方法由于采用摩尔库仑准测，适用于脆性较好的地层，王浩等人利用地应力计算结果结合井壁破坏模式合成井壁破坏图像，将合成的图像与电成像测井资料进行对比，当二者反映的井壁破坏情况相符合，此时的水平构造应力系数可作为该区的水平构造应力系数。

对于三维地应力研究，目前多采用ANSYS或者abaqus等有限元分析软件，建立三维地应力场，在实际生产中推广难度较大。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种高精度三维地应力建模方法，所述方法以岩石物理建模为基础计算高精度的岩石力学，采用有效应力比值法、应力多边形约束及图像中心点自动分析，提高崩落深度点最大、最小水平主应力的计算精度；结合三维地震速度及三维相控叠前反演，采用弹簧模型计算三维地应力，为三维地应力的进行高精度定量建模；

进一步地，所述方法包括以下步骤；

1)：进行井眼扩径校正、曲线标准化、测井曲线Backus平均降频预处理，并根据不同地质环境进行不同方法的岩石物理建模，获得骨架体积模量K_s和剪切模量μ_s，干岩石体积模量K_dry和剪切模量μ_dry，及原状地层的体积模量K_sat和剪切模量μ_sat；

1)：根据步骤1)中结果)计算横波速度Vs、杨氏模量E、泊松比v、Biot系数α＝1-K_dry/K_s、岩石内摩擦角Φ，采用C0＝YM/N*Coeff公式计算单轴抗压强度，其中Coeff为实验室实测C0与测井计算C0的拟合校正系数；

2)：根据测井密度计算上覆岩层压力S_v和声波速度，采用Eaton公式、Fillippone公式或者Bowers公式或者岩石物理法，计算地层孔隙压力P_p，其中对Fillippone公式Pp＝(V_max-V_i)/(V_max-V_min)*Sv*Coeff，式中Vmax为骨架速度，Vi为流体速度，采用岩石物理建模方法计算V_max和V_i，Coeff为实测孔隙压力值与预测孔隙压力值的拟合校正系数；

3)：根据水力压裂法获得水力压裂点的最小水平主应力σ_h，采用有效应力比值ESR＝(σ_h-Pp)/(Sv-Pp)，确定有效应力比ESR，计算连续的最小水平主应力σ_h；

4)：根据成像测井分析崩落宽度W_B0或者钻井过程诱导拉张缝，上覆岩层压力S_v、孔隙压力P_p及根据有效应力比值计算的最小水平主应力σ_h构建应力多边形；

5)：分析重叠图像区域，采用图像分析算法，自动求取多边形图像中心，中心值即为该深度点最终的最大、最小水平主应力，然后对最大、最小水平主应力均采用有效应力比值法，重新计算最大、最小水平主应力连续剖面，采用同样的做法计算其他崩落深度的最大、最小水平主应力，最终获得各崩落深度点的最大最小水平主应力；

7)：将各崩落点确定的最大、最小水平主应力带入地应力弹簧模型中，反演构造应变，计算高分辨率最大、最小水平主应力；

式中，σH为最大水平主应力，MPa；σh为最小水平主应力，MPa；Sv为上覆地层压力，MPa；Pp为地层孔隙压力，Mpa；α为Biot系数；E为岩石静态杨氏模量，MPa；v为岩石静态泊松比；εH为最大水平应力方向构造应变；εh为最小水平应力方向构造应变；

8)：根据三维地震速度和相控地震叠前反演，计算三维上覆岩层压力Sv、孔隙压力Pp、杨氏模量YM和泊松比v，结合反演的构造应变，带入应力弹簧模型中，得到高精度的三维地应力数据体；

进一步地，所述步骤1)中根据不同地质环境进行的岩石物理建模的方法包括Xu-White及相关修正模型；

进一步地，所述步骤2)中单轴抗压强度C0的计算方法是从杨氏模量和泊松比的物理意义出发，采用C0＝YM/N*Coeff公式计算单轴抗压强度，其中Coeff为实验室实测C0与测井计算C0的拟合校正系数，采用岩石物理建模方法，获得诸如Biot系数、单轴抗压强度等岩石力学参数，同时提高岩石力学参数分析精度；

进一步地，所述步骤6)中根据岩石破裂准则对单轴抗压强度进行调整，崩落区域与拉张区域重叠，根据重叠区域进一步约束了岩石破裂准则、单轴抗压强度及最大、最小水平主应力；

进一步地，所述岩石破裂准则为修正Lade准则；

进一步地，一种高精度三维地应力建模方法的应用，所述方法结合三维地震速度及三维地震相控叠前反演，采用弹簧模型计算三维地应力，方便快捷地应用于石油天然气勘探开发中的地应力分析；

本发明的有益效果如下：

1)：采用有效应力比值法、应力多边形约束及图像中心点自动分析等，大幅度提高了崩落深度点最大、最小水平主应力的计算精度；

2)：结合三维地震速度及三维地震相控叠前反演，采用弹簧模型计算三维地应力，给三维地应力研究开辟了一套新的思路；

3)：本发明具有算法实现简单、模型精度高和创新性的特点，能方便快捷应用于油气勘探开发中的地应力分析。

附图说明

图1为本发明所述方法中成像测井与应力多边形约束图(错误的参数)；

图2为本发明所述方法中应力多边形约束最大最小水平主应力图(正确的参数)；

图3为本发明所述方法中应用弹簧模型计算的高分辨率最大、最小水平主应力；

图4为本发明所述方法中三维最小水平主应力图；

图5为本发明所述方法中三维最大水平主应力图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为对本发明的限定。下面为本发明的举出最佳实施例：

如图1-图5所示，本发明提供一种高精度三维地应力建模方法及其应用，本发明所述方法以岩石物理建模为基础，计算高精度的岩石力学参数；采用有效应力比值法、应力多边形约束及图像中心点自动分析等，提高了崩落深度点最大、最小水平主应力的计算精度；结合三维地震速度及三维相控叠前反演，采用弹簧模型计算三维地应力，为三维地应力的高精度定量研究，提供了一种新的思路。

具体方法步骤如下：

1)对测井曲线预处理，包括进行井眼扩径校正、曲线标准化、测井曲线Backus平均降频等预处理，提高测井数据质量，在此基础上开展岩石物理建模，针对不同的地质环境，选用不同的建模方法，比如Xu-White及相关修正模型，岩石物理建模可以获得骨架体积模量K_s和剪切模量μ_s，干岩石体积模量K_dry和剪切模量μ_dry，及原状地层的体积模量K_sat和剪切模量μ_sat，进一步计算横波速度Vs、杨氏模量E、泊松比v、Biot系数α＝1-K_dry/K_s、岩石内摩擦角φ等岩石力学参数，对于单轴抗压强度C0，传统做法是分岩性统计C0与孔隙度、声波速度等关系，本发明从杨氏模量和泊松比的物理意义出发，采用C0＝YM/N*Coeff公式计算单轴抗压强度，其中Coeff为实验室实测C0与测井计算C0的拟合校正系数，采用岩石物理建模方法，可以非常容易获得诸如Biot系数、单轴抗压强度等岩石力学参数，同时提高岩石力学参数分析精度；

2)根据测井密度计算上覆岩层压力S_v；根据声波速度，采用Eaton公式、Fillippone公式或者Bowers公式或者岩石物理法等孔隙压力计算公式，计算地层孔隙压力P_p，其中对Fillippone公式Pp＝(V_max-V_i)/(V_max-V_min)*Sv*Coeff，式中Vmax为骨架速度，Vi为流体速度，传统做法让V_max和V_i为固定值，或者建立V_max和V_i与速度趋势的关系，本发明采用岩石物理建模方法计算V_max和V_i，Coeff为实测孔隙压力值与预测孔隙压力值的拟合校正系数；

3)根据水力压裂法获得水力压裂点的最小水平主应力σ_h，采用有效应力比值ESR＝(σ_h-Pp)/(Sv-Pp)，确定有效应力比ESR，计算连续的最小水平主应力σ_h；根据成像测井分析崩落宽度W_B0或者钻井过程诱导拉张缝，上覆岩层压力S_v、孔隙压力P_p及根据有效应力比值计算的最小水平主应力σ_h等构建应力多边形，若地层同时发育崩落和拉张缝，可以用应力多边形同时约束岩石破裂准则、单轴抗压强度及最大、最小水平主应力及最大水平主应力σ_H；为了阐述本方案，图1为某深度段同时发育崩落与拉张缝，如果单轴抗压强度不对，或者岩石破裂准则不对，在应力多边形中，崩落的区域与拉张的区域将不重合，这与事实不符合，图2对单轴抗压强度及岩石破裂准则(修正Lade准则)进行调整，崩落区域与拉张区域重叠，根据重叠区域进一步约束了岩石破裂准则、单轴抗压强度及最大、最小水平主应力。

4)分析图2中的重叠图像区域，采用图像分析算法，自动求取多边形图像中心，中心值即为该深度点最终的最大、最小水平主应力，然后对最大、最小水平主应力均采用有效应力比值法，重新计算最大、最小水平主应力连续剖面，采用同样的做法计算其他崩落深度的最大、最小水平主应力，最终获得各崩落深度点的最大最小水平主应力；

5)将各崩落点确定的最大、最小水平主应力带入地应力弹簧模型中，反演构造应变，计算高分辨率最大、最小水平主应力；

式中，σ_H为最大水平主应力，MPa；σ_h为最小水平主应力，MPa；Sv为上覆地层压力，MPa；Pp为地层孔隙压力，Mpa；α为Biot系数；E为岩石静态杨氏模量，MPa；v为岩石静态泊松比；ε_H为最大水平应力方向构造应变；ε_h为最小水平应力方向构造应变。

图3为根据前述步骤，计算的各崩落深度点或者拉张裂缝深度点，反演弹簧模型中的应变量，得到的高分辨率的最大、最小水平主应力，分别如图4和图5所示。

6)根据三维地震速度和相控地震叠前反演，计算三维上覆岩层压力S_v、孔隙压力P_p、杨氏模量YM和泊松比v，结合反演的构造应变，带入应力弹簧模型中，得到高精度的三维地应力数据体。

本发明的关键技术包括：

1、对测井曲线预处理提高测井数据质量，在此基础上开展岩石物理建模，提高横波速度Vs、杨氏模量E、泊松比v、Biot系数α、单轴抗压强度C0及岩石内摩擦角φ等岩石力学参数分析精度；

2、根据测井密度计算上覆岩层压力S_v，根据声波速度Vp，采用Eaton公式、Fillippone公式、Bowers公式或者岩石物理公式等计算地层孔隙压力P_p，并用实测点进行标定；

3、根据水力压裂法获得水力压裂点的最小水平主应力σ_h，采用有效应力比值ESR＝(σ_h-Pp)/(Sv-Pp)，确定有效应力比ESR，计算连续的初始最小水平主应力σ_h；根据成像测井分析崩落宽度W_B0或者钻井过程诱导拉张缝，上覆岩层压力S_v、孔隙压力P_p及根据有效应力比值计算的最小水平主应力σ_h等构建应力多边形，若地层同时发育崩落和拉张缝，在应力多边形里面可以同时约束岩石破裂准则、单轴抗压强度及最大、最小水平主应力，约束最大水平主应力σ_H；

4、采用图像分析算法，自动求取最大、最小水平主应力多边形图像中心，中心值为该崩落深度点最终的最大、最小水平主应力，然后对最大、最小水平主应力均采用有效应力比值法，重新计算最大最小水平主应力连续剖面，采用同样的做法计算其他崩落深度的最大最小水平主应力，最终获得各崩落深度点的最大、最小水平主应力；

5、将各崩落点计算的最大、最小水平主应力带入地应力弹簧模型中，反演构造应变，最终获得高分辨率最大、最小水平主应力连续剖面，前述步骤为单井高分辨率地应力建模过程；

6、根据前述的模型参数，结合三维地震速度和三维地震相控叠前反演，计算三维上覆岩层压力S_v、孔隙压力P_p、杨氏模量E和泊松比v，结合反演的构造应变，得到高精度的三维地应力数据。

本发明以精细岩石物理建模为基础，采用有效应力比值法、应力多边形约束及图像中心点自动分析等，大幅度提高了崩落深度点最大、最小水平主应力的计算精度，结合三维地震速度及三维地震相控叠前反演，采用弹簧模型计算三维地应力，给三维地应力研究开辟了一套新的思路，本发明具有算法实现简单、模型精度高和创新性的特点，能方便快捷应用于油气勘探开发中的地应力分析

以上所述的实施例，只是本发明较优选的具体实施方式的一种，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种高精度三维地应力建模方法，其特征在于，所述方法以岩石物理建模为基础计算高精度的岩石力学，采用有效应力比值法、应力多边形约束及图像中心点自动分析，提高崩落深度点最大、最小水平主应力的计算精度；结合三维地震速度及三维相控叠前反演，采用弹簧模型计算三维地应力，为三维地应力的进行高精度定量建模；

所述方法包括以下步骤：

1)：进行井眼扩径校正、曲线标准化、测井曲线Backus平均降频预处理，并根据不同地质环境进行不同方法的岩石物理建模，获得骨架体积模量Ks和剪切模量μs，干岩石体积模量Kdry和剪切模量μdry，及原状地层的体积模量Ksat和剪切模量μsat；

2)：根据步骤1)中结果计算横波速度Vs、杨氏模量E、泊松比v、Biot系数α＝1-Kdry/Ks、岩石内摩擦角Φ，采用CO＝YM/N*Coeff公式计算单轴抗压强度，其中Coeff为实验室实测CO与测井计算CO的拟合校正系数；

3)：根据测井密度计算上覆岩层压力Sv和声波速度，采用Eaton公式、Fillippone公式或者Bowers公式或者岩石物理法，计算地层孔隙压力Pp，其中对Fillippone公式Pp＝(Vmax-Vi)/(Vmax-Vmin)*Sv*Coeff，式中Vmax为骨架速度，Vi为流体速度，采用岩石物理建模方法计算Vmax和Vi，Coeff为实测孔隙压力值与预测孔隙压力值的拟合校正系数；

4)：根据水力压裂法获得水力压裂点的最小水平主应力σh，采用有效应力比值ESR＝(σh-Pp)/(Sv-Pp)，确定有效应力比ESR，计算连续的最小水平主应力σh；

5)：根据成像测井分析崩落宽度WB0或者钻井过程诱导拉张缝，上覆岩层压力Sv、孔隙压力Pp及根据有效应力比值计算的最小水平主应力σh构建应力多边形；

6)：分析重叠图像区域，采用图像分析算法，自动求取多边形图像中心，中心值即为该深度点最终的最大、最小水平主应力，然后对最大、最小水平主应力均采用有效应力比值法，重新计算最大、最小水平主应力连续剖面，采用同样的做法计算其他崩落深度的最大、最小水平主应力，最终获得各崩落深度点的最大最小水平主应力；

7)：将各崩落点确定的最大、最小水平主应力带入地应力弹簧模型中，反演构造应变，计算高分辨率最大、最小水平主应力；

式中，σH为最大水平主应力，MPa；σh为最小水平主应力，MPa；Sv为上覆地层压力，MPa；

Pp为地层孔隙压力，Mpa；α为Biot系数；E为岩石静态杨氏模量，MPa；v为岩石静态泊松比；εH为最大水平应力方向构造应变；εh为最小水平应力方向构造应变；

8)：根据三维地震速度和相控地震叠前反演，计算三维上覆岩层压力Sv、孔隙压力Pp、杨氏模量YM和泊松比v，结合反演的构造应变，带入应力弹簧模型中，得到高精度的三维地应力数据体；

所述步骤1)中根据不同地质环境进行的岩石物理建模的方法包括Xu-White及相关修正模型；

所述步骤2)中单轴抗压强度CO的计算方法是从杨氏模量和泊松比的物理意义出发，采用CO＝YM/N*Coeff公式计算单轴抗压强度，其中Coeff为实验室实测CO与测井计算CO的拟合校正系数，采用岩石物理建模方法，获得诸如Biot系数、单轴抗压强度等岩石力学参数，同时提高岩石力学参数分析精度；

所述步骤6)中根据岩石破裂准则对单轴抗压强度进行调整，崩落区域与拉张区域重叠，根据重叠区域进一步约束了岩石破裂准则、单轴抗压强度及最大、最小水平主应力；

所述岩石破裂准则为修正Lade准则。

2.一种高精度三维地应力建模方法的应用，所述应用基于权利要求1所述的方法实现，其特征在于，所述方法结合三维地震速度及三维地震相控叠前反演，采用弹簧模型计算三维地应力，方便快捷地应用于石油天然气勘探开发中的地应力分析。