CN111580166B - 一种基于声波远探测和岩石力学的裂缝有效性评价方法 - Google Patents

一种基于声波远探测和岩石力学的裂缝有效性评价方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于井中声波远探测和岩石力学分析的井外裂缝有效性评价方法，包括：在目标靶区利用声波远探测成像技术对井旁构造进行反射波成像，得到裂缝的走向、倾角等产状信息；结合现场实际资料选取相应模型进行三维地应力及岩石内部孔隙压力的计算；通过阵列声波测井提取到的快横波方位确定最大水平主应力的方位；计算裂缝平面上的应力状态并进行三维莫尔圆分析；结合莫尔‑库仑破裂准则，得到裂缝开启的临界应力状态并以此来判断裂缝的渗透性或流体疏导性能。重复步骤至整个靶区处理完毕，获得目标靶区内所有井外地层裂缝的流体疏导性能。本发明可用于井外几十米范围内储层裂缝的有效性评价，大大提高了测井资料裂缝评价的有效应用范围。

Description

一种基于声波远探测和岩石力学的裂缝有效性评价方法
技术领域
本发明属于应用地球物理声学测井领域，具体涉及一种基于声波远探测和岩石力学分析的井外裂缝有效性评价方法。
背景技术
储层中裂缝流体疏导性能的定性判断对实际生产具有十分重要的意义，特别是以裂缝为主要储集空间的致密储层。已有的技术采用岩石力学中的莫尔圆分析地层裂缝在钻井井壁上的成像来进行评估。但采用的井壁成像资料探测深度浅，不能确定裂缝在井外延伸的情况，从而缺乏有效的井外地层裂缝流体疏导性能评价方法和技术。
C.A.Barton等人最早提出利用岩石力学中的三维莫尔圆进行裂缝流体疏导性能分析(Barton,C.A.,M.D.Zoback,and D.Moos,Fluid flow along potentially activefaults in crystalline rock,Geology,23(8),683-686,1995.)，但该方法由于测井技术的分辨率限制，井旁小裂缝及井外裂缝无法被检测。
Takatoshi等人利用三维莫尔圆和莫尔-库仑破裂准则就热异常情况下裂缝流体疏导性能的维持机理进行了研究(Takatoshi and Zoback，Fracture permeability andin situ stress to 7km depth in the KTB Scientific Drillhole，GEOPHYSICALRESEARCH LETTERS,VOL.27,NO.7,PAGES 1045-1048,APRIL 1,2000.)，但在某些深度区间，临界应力裂缝与渗透性较好的裂缝(出现明显热异常)之间没有出现很好的相关性，原因尚不清楚。
Zhang等人利用三维莫尔圆对应力敏感现象进行了具体分析(Zhang X,Koutsabeloulis N,Heffer K.Hydromechanical modeling of critically stressed andfaulted reservoirs[J].AAPG Bulletin,2007,91(1):31-50.)，该方法需要对油田产量的影响因素进行长期观察。
Kaitlin Evans等人利用三维莫尔圆分析了孔隙压力的变化在页岩气藏水力压裂增产改造中的重要性(Evans K,Toth R,Ore T,et al.Fracture Analysis Before andAfter Hydraulic Fracturing in the Marcellus Shale Using the Mohr-CoulombFailure Criteria[C].Unconventional Resources Technology Conference(URTEC),2019.)，诠释了天然裂缝在水力压裂过程中经历的剪切破坏。
陆云龙等人应用三维莫尔圆对电成像测井提取到的井眼周围的裂缝进行了有效性分析(陆云龙,吕洪志,崔云江,陈红兵.基于三维莫尔圆的裂缝有效性评价方法及应用[J].石油学报,2018,39(05):564-569.)，但井壁成像资料的探测深度浅，不能确定裂缝在井外延伸的情况。
裂缝型储层产能预测和开采方案的确定中，裂缝疏导性能的有效评价工作起着至关重要的作用，但原有的评价方法由于成像技术探测深度的限制，无法对井外地层裂缝的有效性进行评价。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于声波远探测和岩石力学的裂缝有效性评价方法，以解决有效地评价井外裂缝的流体疏导性能，为现场试油和开采方案的确定提供合理的依据等技术问题。为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：
本发明所述的一种基于井中声波远探测和岩石力学分析的井外裂缝有效性评价方法，包括以下几个步骤：
步骤一、在目标靶区利用声波远探测成像技术对井旁构造进行反射波成像，得到包括裂缝的走向及倾角的产状信息。
步骤二、结合现场实际资料选取相应模型进行地应力及孔隙内压的计算。
步骤三、根据阵列声波提取的快横波方位确定现今最大水平主应力的方位。
步骤四、利用声波远探测获得的裂缝的产状参数及地应力信息完成对裂缝缝面上的应力状态的分析。
步骤五、对结合远探测方位信息的裂缝应力状态进行三维莫尔圆计算和分析。
步骤六、通过理论分析证明远探测对裂缝倾向方位的180°不确定性并不影响裂缝缝面上应力状态的确定,因此仅利用远探测获得的走向和倾角便可完成缝面上的应力状态的三维莫尔圆分析。
步骤七、结合莫尔-库仑破裂准则，得到裂缝开启的临界应力状态并以此来判断裂缝的渗透性。
步骤八、重复步骤一到步骤六至整个靶区处理完毕，获得目标靶区内所有井外地层裂缝的流体疏导性能。
所述步骤四具体为：
(1)、根据远探测获得的裂缝的产状参数定义裂缝的法向单位矢量
Figure BDA0002502316850000021
为：
Figure BDA0002502316850000022
α为裂缝的方位角，β为裂缝的倾角，上标T表示矢量转置。
(2)、则法线为
Figure BDA0002502316850000023
方向的裂缝缝面上的正应力σn和切应力τn可表示为：
Figure BDA0002502316850000031
σ′1、σ′2、σ′3为岩石的三维有效主应力，即三维地应力与岩石孔隙内压的差值。
所述步骤五具体为：三维莫尔圆是由三个半圆所界定的封闭区域(大圆之内，小圆之外)，其圆心坐标和半径分别为:[(σ′1+σ′3)/2,(σ′1-σ′3)/2]，[(σ′1+σ′2)/2,(σ′1-σ′2)/2]和[(σ′2+σ′3)/2,(σ′2-σ′3)/2]。在确定三维莫尔圆的位置后，对公式(2)计算的结合远探测方位信息的裂缝应力状态进行莫尔圆分析，即可得到该裂缝应力状态在莫尔圆平面图上的位置分布。
所述步骤六具体为：
(1)、远探测倾向方位的180°不确定性意味着对井轴右侧裂缝所做的远探测成像也有可能由位于井轴左侧的裂缝所产生。因此，这两条对称裂缝的方位角和倾角的相互关系为:
Figure BDA0002502316850000032
其中下标1和2分别表示左侧和右侧的裂缝。
(2)、将公式(3)代入公式(1)，再用公式(2)计算缝面上的应力状态。可以看出：正应力和切应力公式中皆含有因子sin2α和cos2α，其随α的变化以180°为周期。因此，用公式(3)的方位替换后井轴左、右两侧的裂缝的应力状态相同，在莫尔圆平面图上占据同一位置。这一理论分析结果表明远探测对裂缝倾向方位的180°不确定性并不影响裂缝缝面上应力状态的确定,即仅利用远探测获得的走向和倾角便可完成缝面上的应力状态的三维莫尔圆分析。
所述步骤七具体为：
(1)、结合莫尔-库仑破裂准则进一步对井外裂缝的有效性进行评估。其中，莫尔-库仑准则中的破裂线如下：
|τn|＝S0+μσn (4)
S0称为内聚力，通常很小，可取0，μ为摩擦系数，一般取0.6到1。
(2)、在破裂线以下的应力状态下，岩石一般不会发生破裂，其流体疏导性能较差；破裂线以上的区域是岩石可能(或已经)发生破裂的应力状态区，其流体疏导性能相对于非临界状态大为增加。
相比于以往的处理方法，本发明具有以下优点：
为解决井外地层裂缝有效性(即流体疏导性能或渗透性)评价的难题，本发明将井中声波远探测和岩石力学分析相结合，提出了一种井外裂缝有效性的综合评价方法。在钻井中进行偶极横波远探测数据采集和处理，获得井外地层裂缝的走向、倾角等产状参数,将裂缝产状参数与地应力信息结合,计算裂缝平面上的应力状态，利用莫尔-库仑破裂准则，判断该应力状态是否处于裂缝开启的临界应力状态,并以此来评估裂缝的渗透性。本发明可以有效地评价井外裂缝的流体疏导性能，大大提高了测井资料裂缝评价的有效应用范围(井外几十米范围内储层裂缝的流体疏导有效性)评价结果可为现场试油和开采方案的确定提供合理的依据。
附图说明
图1为本发明提供的一种基于井中声波远探测和岩石力学分析的井外裂缝有效性评价方法工作流程图。
图2为斜井A井外一组共轭裂缝的方位成像图；
图3为某地区的地应力及正交偶极子各向异性方位图；
图4为利用本发明方法得到的井外共轭裂缝在三维莫尔圆上的位形。
具体实施方式
下面结合附图和具体处理实例对本发明方法作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本方法并能予以实施，但所举实例不作为对本发明的限定。
如图1所示，本发明提出了一种基于井中声波远探测和岩石力学分析的井外裂缝有效性评价方法，工作流程如下：
步骤一、利用Tang X M(Tang X M.Imaging Near Borehole Structure UsingDirectional Acoustic Wave Measurement[J].Geophysics，2004，69(6)：1378—1386.)提出的声波远探测成像技术对井旁裂缝进行反射波方位成像,拾取图2所示的井外裂缝的走向、倾向及倾角等产状信息。
步骤二、结合该地区现场实际资料选取黄荣樽等人建立的黄氏模型进行地应力计算，并根据实际地层测试数据确定有关井段的孔隙压力。
步骤三、根据图3中快横波的方位确定该地区现今最大水平主应力的方位(SinhaB,Kostek S.Stress-induced azimuthal anisotropy in borehole flexural waves[J].Geophysics,1996,61(6):1899-1907.)。
步骤四、将远探测拾取的近井裂缝(图2中成像标识为NRF)的产状参数及地应力信息代入公式(1)和(2)中完成对近井裂缝缝面上的应力状态的分析。
步骤五、重复步骤四，获得远井裂缝(图2中成像标识为FRF)缝面上的应力状态。
步骤六、对近井裂缝及远井裂缝缝面上的应力状态进行三维莫尔圆计算和分析，得到其在三维莫尔圆上的位形如图4所示。图中横坐标和纵坐标分别为有效正应力及有效切应力，单位均为MPa，实心点代表近井裂缝缝面上的应力状态，空心点代表远井裂缝缝面上的应力状态，斜线为库仑破裂线。
步骤七、利用公式(4)中的莫尔-库仑破裂准则，计算该组共轭裂缝开启的临界应力状态并以此来判断裂缝的渗透性。
步骤八、重复步骤一到步骤六至整个靶区处理完毕，获得目标靶区内所有井外地层裂缝的流体疏导性能。
所述步骤四具体为：
(1)、根据远探测获得的裂缝的产状参数定义裂缝的法向单位矢量
Figure BDA0002502316850000051
为：
Figure BDA0002502316850000052
α为裂缝的方位角，β为裂缝的倾角，上标T表示矢量转置。
(2)、则法线为
Figure BDA0002502316850000053
方向的裂缝缝面上的正应力σn和切应力τn可表示为：
Figure BDA0002502316850000054
σ′1、σ′2、σ′3为岩石的三维有效主应力，即三维地应力与岩石孔隙内压的差值。
所述步骤五具体为：三维莫尔圆是由三个半圆所界定的封闭区域(大圆之内，小圆之外)，其圆心坐标和半径分别为:[(σ′1+σ′3)/2,(σ′1-σ′3)/2]，[(σ′1+σ′2)/2,(σ′1-σ′2)/2]和[(σ′2+σ′3)/2,(σ′2-σ′3)/2]。在确定三维莫尔圆的位置后，对公式(2)计算的结合远探测方位信息的裂缝应力状态进行莫尔圆分析，即可得到该裂缝应力状态在莫尔圆平面图上的位置分布。
所述步骤六具体为：
(1)、远探测倾向方位的180°不确定性意味着对井轴右侧裂缝所做的远探测成像也有可能由位于井轴左侧的裂缝所产生。因此，这两条对称裂缝的方位角和倾角的相互关系为:
Figure BDA0002502316850000061
其中下标1和2分别表示左侧和右侧的裂缝。
(2)、将公式(3)代入公式(1)，再用公式(2)计算缝面上的应力状态。可以看出：正应力和切应力公式中皆含有因子sin2α和cos2α，其随α的变化以180°为周期。因此，用公式(3)的方位替换后井轴左、右两侧的裂缝的应力状态相同，在莫尔圆平面图上占据同一位置。这一理论分析结果表明远探测对裂缝倾向方位的180°不确定性并不影响裂缝缝面上应力状态的确定,即仅利用远探测获得的走向和倾角便可完成缝面上的应力状态的三维莫尔圆分析。
所述步骤七具体为：
(1)、结合莫尔-库仑破裂准则进一步对井外裂缝的有效性进行评估。其中，莫尔-库仑准则中的破裂线如下：
|τn|＝S0+μσn (4)
S0称为内聚力，通常很小，可取0，μ为摩擦系数，一般取0.6到1。
(2)、在破裂线以下的应力状态下，岩石一般不会发生破裂，其流体疏导性能较差；破裂线以上的区域是岩石可能(或已经)发生破裂的应力状态区，其流体疏导性能相对于非临界状态大为增加。
以下，结合具体的实际处理案例，进一步说明本发明所述基于声波远探测和岩石力学分析的井旁裂缝有效性评价方法的应用效果。图4为该井旁共轭裂缝在三维莫尔圆上的位形图，从图中可以看出，两条裂缝缝面处对应的应力状态(图4红点所示)均位于破裂线下方，说明该组共轭裂缝均处于较为稳定的应力状态，但是，近井裂缝缝面上的应力状态到库仑破裂线的距离远小于远井裂缝，即近井裂缝平面上的应力状态更趋近于破裂发生的条件，活动性更强。从远探测成像来看，近井裂缝的长度数倍于远井裂缝，也证明了这一结论，该结论与Zhang et al.(2007)和Zhang et al.(2019)的区域构造分析结果一致，根据该分析结果，远井裂缝走向上的构造是古应力作用的结果，因而其活动性较差，该方位上的裂缝几近闭合，对油气运移具有封堵性。
以上所述实例仅是为充分说明本发明方法所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权力要求书为准。

Claims (2)

1.一种基于井中声波远探测和岩石力学分析的井外裂缝有效性评价方法，包括以下几个步骤：
步骤一、在目标靶区利用声波远探测成像技术对井旁构造进行反射波成像，得到包括裂缝的走向及倾角的产状信息；
步骤二、结合现场实际资料选取相应模型进行地应力及孔隙内压的计算；
步骤三、根据阵列声波提取的快横波方位确定现今最大水平主应力的方位；
步骤四、利用声波远探测获得的裂缝的产状参数及地应力信息完成对裂缝缝面上的应力状态的分析；
步骤五、对结合远探测方位信息的裂缝应力状态进行三维莫尔圆计算和分析；
步骤六、通过理论分析证明远探测对裂缝倾向方位的180°不确定性并不影响裂缝缝面上应力状态的确定,因此仅利用远探测获得的走向和倾角便可完成缝面上的应力状态的三维莫尔圆分析；
步骤七、结合莫尔-库仑破裂准则，得到裂缝开启的临界应力状态并以此来判断裂缝的渗透性；
步骤八、重复步骤一到步骤七至整个靶区处理完毕，获得目标靶区内所有井外地层裂缝的流体疏导性能；
所述步骤四具体为：
(1)、根据远探测获得的裂缝的产状参数定义裂缝的法向单位矢量
Figure FDA0003360560110000011
为：
Figure FDA0003360560110000012
α为裂缝的方位角，β为裂缝的倾角，上标T表示矢量转置；
(2)、则法线为
Figure FDA0003360560110000013
方向的裂缝缝面上的正应力σn和切应力τn可表示为：
Figure FDA0003360560110000014
σ′1、σ′2、σ′3为岩石的三维有效主应力，即三维地应力与岩石孔隙内压的差值；
所述步骤五具体为：三维莫尔圆是由三个半圆所界定的封闭区域，其圆心坐标和半径分别为:[(σ′1+σ′3)/2,(σ′1-σ′3)/2]，[(σ′1+σ′2)/2,(σ′1-σ′2)/2]和[(σ′2+σ′3)/2,(σ′2-σ′3)/2]；在确定三维莫尔圆的位置后，对公式(2)计算的结合远探测方位信息的裂缝应力状态进行莫尔圆分析，即可得到该裂缝应力状态在莫尔圆平面图上的位置分布；
所述步骤六具体为：
(1)、远探测倾向方位的180°不确定性，对井轴右侧裂缝所做的远探测成像也有可能由位于井轴左侧的裂缝所产生；因此，这两条对称裂缝的方位角和倾角的相互关系为:
Figure FDA0003360560110000021
其中下标1和2分别表示左侧和右侧的裂缝；
(2)、将公式(3)代入公式(1)，再用公式(2)计算缝面上的应力状态；可以看出：正应力和切应力公式中皆含有因子sin2α和cos2α，其随α的变化以180°为周期；因此，用公式(3)的方位替换后井轴左、右两侧的裂缝的应力状态相同，在莫尔圆平面图上占据同一位置；分析结果表明远探测对裂缝倾向方位的180°不确定性并不影响裂缝缝面上应力状态的确定。
2.根据权利要求1所述的一种基于井中声波远探测和岩石力学分析的井外裂缝有效性评价方法，所述步骤七具体为：
(1)、结合莫尔-库仑破裂准则进一步对井外裂缝的有效性进行评估；其中，莫尔-库仑破裂准则中的破裂线如下：
|τn|＝S0+μσn (4)
S0称为内聚力，很小或取0，μ为摩擦系数，取0.6到1；
(2)、在破裂线以下的应力状态下，岩石不会发生破裂，其流体疏导性能较差；破裂线以上的区域是岩石可能或已经发生破裂的应力状态区，其流体疏导性能相对于非临界状态大为增加。
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