CN111257134A - 剪切应力的连续深度处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种剪切应力的连续深度处理方法，包括以下步骤：步骤10、从不同深度的钻井取心上钻取岩心样品；步骤20、在不同实验围压下对同一块岩心样品进行破裂实验，获取岩心样品的岩石力学参数；步骤30、根据岩石力学参数获取岩心样品的剪切应力；步骤40、获取岩心样品的粘土含量，建立剪切应力与粘土含量和围压的关系；步骤50、对剪切应力进行连续深度评价。本发明的有益效果是，本发明既能实现连续深度计算，弥补实验室单点评价的不足，又能节约时间、财力等成本，能够为控制压裂效果、提高储层产能奠定重要的基础。
Description
技术领域
本发明涉及石油勘探开发中的岩石力学评价领域，具体涉及一种剪切应力的连续深度处理方法。
背景技术
随着油气勘探开发的不断深入发展，致密气、页岩气、煤层气、致密油等致密油气在经济技术条件下展示了巨大的潜力，全球油气资源迎来二次扩展。致密储层孔隙度和渗透率均非常低，一般情况下无自然产能或者自然产能很低，储层品质较差，需要进行规模压裂才能产出工业油气流。剪切应力则是控制压裂效果、提高储层产能的重要基础参数。
剪切应力在材料学、医用生物力学和岩土力学等方面有着广泛的应用。剪切应力主要是通过岩石力学实验测量得到，该方法精度高，但取心困难，实验耗时长，且只能得到单个深度点的剪切应力，在实际生产中应用有限。现有文献中关于剪切应力的介绍，主要集中在研究剪切应力的变化规律(参见2014年《地下空间与工程学报》，黄小兰和杨春和等著作的《蠕变作用下层状岩盐界面剪切应力变化规律研究》)和剪切应力的应用(参见1996年《地质与勘探》，刘亮明和吴延之著作的《剪切应力作用下晶质矿物的化学行为及其地质意义》)等方面，针对剪切应力的求取方法也仅限于通过岩石力学实验测量得到。测井资料是一种利用测井仪器连续深度测量得到的资料，在勘探开发中起着重要的作用，是地质家的“眼睛”。如果能用测井资料评价剪切应力，既能实现连续深度计算，又能节约时间、财力等成本。因此如何利用测井资料连续深度地评价剪切应力是当前亟待解决的问题。
发明内容
本发明提供了一种剪切应力的连续深度处理方法，以达到控制压裂效果、提高储层产能的目的。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种剪切应力的连续深度处理方法，包括以下步骤：步骤10、从不同深度的钻井取心上钻取岩心样品；步骤20、在不同实验围压下对同一块岩心样品进行破裂实验，获取岩心样品的岩石力学参数；步骤30、根据岩石力学参数获取岩心样品的剪切应力；步骤40、获取岩心样品的粘土含量，建立剪切应力与粘土含量和围压的关系并；
步骤50、对剪切应力进行连续深度评价。
进一步地，步骤20包括：根据岩心样品的埋藏条件获取岩心样品的实验围压范围，在实验围压范围内等差设置多个不同实验围压。
进一步地，步骤30包括：步骤31、采用公式
计算岩石样品的剪切应力，其中，τ为剪切应力，单位为MPa；σ1f为破裂时轴向应力，单位为MPa；σ3为实验围压，单位为MPa；θ为破裂面的方位角，单位为度。
进一步地，步骤30还包括：步骤32、采用公式
建立岩石样品的内摩擦角和破裂面的方位角之间的关系，其中，
为内摩擦角，单位为度。
进一步地，步骤32中：通过公式
计算获取内摩擦角，其中，k为实验围压和实验轴向应力的最佳关系曲线的斜率。
进一步地，步骤40中：通过公式
计算粘土含量，其中，Vclay为粘土含量，单位为％；GR为当前深度点的自然伽马测井曲线值，单位为API；GRmin为目标层位纯砂岩段的自然伽马特征值，单位为API；GRmax为目标层位纯泥岩段的自然伽马特征值，单位为API。
进一步地，步骤40中：剪切应力与粘土含量的关系为
其中，Pc为地层围压，单位为MPa；a、b、c、d均为常数。
进一步地，步骤50中：对剪切应力进行连续深度评价包括利用测井资料连续深度处理得到泊松比、上覆压力和孔隙压力，再利用公式
计算地层围压，其中，ν为泊松比；Po为上覆压力，单位为MPa；Pp为孔隙压力，单位为MPa。
本发明的有益效果是，本发明既能实现连续深度计算，弥补实验室单点评价的不足，又能节约时间、财力等成本，能够为控制压裂效果、提高储层产能奠定重要的基础。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例的流程图；
图2为本发明实施例中不同围压下的应力-应变曲线；
图3为本发明实施例中不同围压下的剪切应力与粘土含量交会图；
图4为本发明实施例中预测剪切应力与测量剪切应力交会图；
图5为本发明实施例中剪切应力连续深度处理成果图；
图6为本发明实施例中一种剪切应力的连续深度处理装置框图。
图中附图标记：201、岩心样品获取单元；202、岩石力学参数获取单元；2021、围压获取模块；2022、轴向压力获取模块；203、粘土含量获取单元；204、关系表达式获取单元；205、剪切应力获取单元；2051、粘土含量连续深度获取模块；2052、围压连续深度获取模块；2053、剪切应力连续深度获取模块。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
如图1所示，本发明实施例提供了一种剪切应力的连续深度处理方法，包括以下步骤：
步骤10、获取不同深度的岩心样品；即从不同深度的钻井取心上钻取岩心样品；
步骤20、对岩心样品进行多级三轴实验；即在不同实验围压下对同一块岩心样品进行破裂实验，获取岩心样品的岩石力学参数；
步骤30、获取岩心样品在不同围压下的剪切应力；根据岩石力学参数获取岩心样品的剪切应力；
步骤40、获取岩心样品的粘土含量，建立剪切应力和粘土含量和围压之间的关系；
步骤50、对剪切应力进行连续深度评价。
本发明既能实现连续深度计算，弥补实验室单点评价的不足，又能节约时间、财力等成本，能够为控制压裂效果、提高储层产能奠定重要的基础。
步骤10中，上述岩心样品通常直径为2.54cm，高为5cm左右，以适用于实验仪器尺寸。
步骤20包括：根据岩心样品的埋藏条件获取岩心样品的实验围压范围，在实验围压范围内(估算值的最大值和最小值之间)等差设置多个不同的实验围压。
需要说明的是，破裂实验即观测岩石破坏条件、破坏过程和该过程中岩石物理性质变化的实验研究。在实验过程中施加一定实验围压，逐渐增加轴向压力直至岩石破裂。岩石力学参数包括不同围压值及相应围压下破裂时的轴向应力值。
进一步地，本发明实施例还包括分析岩心粘土含量，即通过X衍射分析粘土含量。上述的X衍射分析，主要是根据X衍射图谱上峰值的大小来确定矿物类别，再根据峰高、峰面积确定衍射强度，进行岩石矿物定量分析，进而获得岩石粘土含量。实验用到的主要设备是X-射线衍射仪。X-射线衍射分析的样品主要为粉末样品，将试样研细后测试，定量分析时通常将试样研细至10微米左右。
获取不同围压下的剪切应力是通过多级三轴实验得到的岩石力学参数计算剪切应力。步骤30包括：
步骤31、采用公式
计算岩石样品的剪切应力，其中，τ为剪切应力，单位为MPa；σ1f为破裂时轴向应力，单位为MPa；σ3为实验围压，单位为MPa；θ为破裂面的方位角，单位为度。
步骤32、采用公式
建立岩石样品的内摩擦角和破裂面的方位角之间的关系。其中，
为内摩擦角，单位为度。
内摩擦角是指岩石破坏极限平衡时剪切面上的正应力和内摩擦力形成的合力与该正应力形成的夹角。其反应了岩石的摩擦特性，是岩石的抗剪强度指标，也是工程设计的重要参数。步骤32中：通过公式
计算获取内摩擦角，其中，k为实验围压和实验轴向应力的最佳关系曲线的斜率，无量纲。
具体地，步骤40中：通过公式
计算粘土含量，其中，Vclay为粘土含量，单位为％；GR为当前深度点的自然伽马测井曲线值，单位为API；GRmin为目标层位纯砂岩段的自然伽马特征值，单位为API；GRmax为目标层位纯泥岩段的自然伽马特征值，单位为API。
步骤40中：剪切应力与粘土含量的关系为
其中，Pc为地层围压，单位为MPa；a、b、c、d均为常数，无量纲，可由实验数据拟合确定。
进一步地，步骤50中：对剪切应力进行连续深度评价包括利用测井资料连续深度处理得到泊松比、上覆压力和孔隙压力，再利用公式
计算地层围压，其中，ν为泊松比，无量纲，可通过测井声波和密度资料计算得到；Po为上覆压力，单位为MPa，可通过测井声波和密度资料计算得到；Pp为孔隙压力，单位为MPa。
图2为本发明实施例的不同围压下的应力-应变曲线图。图2的横轴为轴向应变，纵轴为轴向应力差(σ1-σ3)，其中σ1为轴向应力，σ3为围压，其中曲线1代表60Mpa围压下的应力-应变曲线，曲线2代表40Mpa围压下的应力-应变曲线，曲线3代表30Mpa围压下的应力-应变曲线，曲线4代表20Mpa围压下的应力-应变曲线。通过测量的曲线数值可得到不同围压下岩心破裂时的轴向应力差，进而计算不同围压下的剪切应力。
图3为本发明实施例的不同围压下的剪切应力与粘土含量交会图。图3中横轴为粘土含量，纵轴为剪切应力，图3中曲线1代表20Mpa围压下剪切应力与粘土含量交会曲线；曲线2代表30Mpa围压下剪切应力与粘土含量交会曲线；曲线3代表40Mpa围压下剪切应力与粘土含量交会曲线；曲线4代表60Mpa围压下剪切应力与粘土含量交会曲线；通过拟合该数据，可得到剪切应力与粘土含量和围压的关系。
图4为本发明实施例的预测剪切应力与测量剪切应力交会图。图4中横轴为多级三轴实验测量得到的剪切应力，纵轴为通过模型预测的剪切应力，可以从图4中看到二者具有很好的相关性。
图5为本发明实施例的剪切应力连续深度处理成果图。沿图5的由左向右方向：
第一道为自然伽马曲线(GR)和井径曲线(CAL)，自然伽马曲线表征岩性的变化，井径曲线表征井眼的好坏。
第二道为深度道，表示测量井段(即目的层)距离井口的距离。
第三道为孔隙度曲线，包括密度(DEN)、纵波(DTCO)和横波(DTSM)曲线，通常用于计算孔隙度，此处用于计算上覆压力、孔隙压力和泊松比。
第四道为压力曲线，包括上覆压力(Po)和孔隙压力(PP)，由第二道曲线连续深度计算得到。
第五道为粘土含量(VCL)和泊松比(PR)曲线，粘土含量由自然伽马曲线连续深度计算得到，泊松比由第二道曲线连续深度计算得到。
第六道为剪切应力(τ)曲线，由第四道的上覆压力、孔隙压力曲线和第五道的粘土含量、泊松比曲线连续深度计算得到。本发明实施例的具体应用如下：
1、获取不同深度岩心
在研究区某井从不同深度的钻井取心上钻取适用于实验仪器尺寸的岩心样品，通常直径为2.54cm，高为5cm左右。
2、对岩心进行多级三轴实验
对同一块样品施加不同的围压，在不同围压下进行破裂实验，获取不同围压下破裂时的轴向应力差，本实例设计的围压分别为20MPa、30MPa、40MPa和60MPa。
3、分析获取岩心粘土含量(参考作用)
利用X衍射分析仪对岩心碎样进行分析，得到不同矿物组分的质量百分数，并将其换算成体积百分数。具体岩心的粘土含量如表1所示。
表1
4、获取不同围压下的剪切应力
通过多级三轴实验得到不同围压下破裂时的轴向应力差，根据该数据可计算不同围压下的剪切应力。具体计算结果如表1所示。
5、建立剪切应力与粘土含量和围压的关系
通过实验测试得到的剪切应力与粘土含量和围压建立关系，公式为
相关系数R2＝0.96。本实施例仅是针对某一个地区，其它地区的系数可能会有所不同，需根据该地区的岩石物理实验来确定。
6、剪切应力连续深度评价
利用密度测井、声波测井得到的体积密度和纵横波速度可以连续深度计算泊松比、上覆压力和孔隙压力，进而连续深度计算围压；利用自然伽马测井曲线或其它测井曲线可连续深度计算粘土含量；通过上述步骤确定的系数，代入公式
中即可连续深度计算剪切应力。
如图6所示，本发明实施例还提供了剪切应力的连续深度处理装置，该装置包括：
岩心样品获取单元201，用于对露头或钻井得到的岩心进行取心，获得岩心样品。
岩石力学参数获取单元202，包括围压获取模块2021和轴向压力获取模块2022，所述围压获取模块用于获得多级三轴实验时的围压；所述轴向压力获取模块用于获得岩石破裂时的轴向应力值。
粘土含量获取单元203，用于获得岩心的粘土含量。
关系表达式获取单元204，用于利用不同围压下的剪切应力与岩心样品测量的粘土含量Vclay和相应的围压Pc建立关系表达式；其中，所述关系表达式为：
剪切应力获取单元205，包括粘土含量连续深度获取模块2051、围压连续深度获取模块2052和剪切应力连续深度获取模块2053，所述粘土含量连续深度获取模块是通过测井资料连续深度计算粘土含量；所述围压连续深度获取模块是通过测井资料连续深度计算围压；所述剪切应力连续深度获取模块是利用粘土含量连续深度获取模块和围压连续深度获取模块连续深度评价剪切应力。
从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：针对当前压裂改造的完井方式所占比例逐年升高的现状，通过岩心实验分析获取不同围压下的剪切应力和粘土含量，建立剪切应力与粘土含量和围压的关系，确定关系式中比例系数，进而利用测井资料连续深度评价剪切应力，该发明既能实现连续深度计算，弥补实验室单点评价的不足，又能节约时间、财力等成本，为控制压裂效果、提高储层产能奠定重要的基础。
以上所述，仅为本发明的具体实施例，不能以其限定发明实施的范围，所以其等同组件的置换，或依本发明专利保护范围所作的等同变化与修饰，都应仍属于本专利涵盖的范畴。另外，本发明中的技术特征与技术特征之间、技术特征与技术方案之间、技术方案与技术方案之间均可以自由组合使用。
Claims (8)
1.一种剪切应力的连续深度处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤10、从不同深度的钻井取心上钻取岩心样品；
步骤20、在不同实验围压下对同一块所述岩心样品进行破裂实验，获取所述岩心样品的岩石力学参数；
步骤30、根据所述岩石力学参数获取所述岩心样品的剪切应力；
步骤40、获取所述岩心样品的粘土含量，建立所述剪切应力与所述粘土含量和围压的关系；
步骤50、根据步骤40对所述剪切应力进行连续深度评价。
2.根据权利要求1所述的剪切应力的连续深度处理方法，其特征在于，所述步骤20包括：根据所述岩心样品的埋藏条件获取所述岩心样品的实验围压范围，在所述实验围压范围内等差设置多个所述不同实验围压。
3.根据权利要求1所述的剪切应力的连续深度处理方法，其特征在于，所述步骤30包括：
步骤31、采用公式
计算所述岩石样品的剪切应力，其中，τ为剪切应力，单位为MPa；σ1f为破裂时轴向应力，单位为MPa；σ3为实验围压，单位为MPa；θ为破裂面的方位角，单位为度。
4.根据权利要求3所述的剪切应力的连续深度处理方法，其特征在于，所述步骤30还包括：
步骤32、采用公式
建立所述岩石样品的内摩擦角和所述破裂面的方位角之间的关系，其中，
为内摩擦角，单位为度。
5.根据权利要求4所述的剪切应力的连续深度处理方法，其特征在于，所述步骤32中：通过公式
计算获取所述内摩擦角，其中，k为实验围压与实验轴向应力的最佳关系曲线的斜率。
6.根据权利要求5所述的剪切应力的连续深度处理方法，其特征在于，所述步骤40中：通过公式
计算所述粘土含量，其中，Vclay为粘土含量，单位为％；GR为当前深度点的自然伽马测井曲线值，单位为API；GRmin为目标层位纯砂岩段的自然伽马特征值，单位为API；GRmax为目标层位纯泥岩段的自然伽马特征值，单位为API。
7.根据权利要求6所述的剪切应力的连续深度处理方法，其特征在于，所述步骤40中：所述剪切应力与所述粘土含量的关系为
其中，Pc为地层围压，单位为MPa；a、b、c、d均为常数。
8.根据权利要求7所述的剪切应力的连续深度处理方法，其特征在于，所述步骤50中：对所述剪切应力进行连续深度评价包括利用测井资料连续深度处理得到泊松比、上覆压力和孔隙压力，再利用公式
计算所述地层围压，其中，ν为泊松比；Po为上覆压力，单位为MPa；Pp为孔隙压力，单位为MPa。
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2018
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