CN112204225A - 用于预测岩层的剪切失效的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本文公开了用于确定岩层的剪切失效的系统和方法。该方法包括由处理器接收与岩层的物理性质相关的多个参数，将多个参数应用于预定失效判据以及根据失效判据判断岩层的剪切失效。在一些实施例中，失效判据是考虑了中间主应力以及法向应力与平均限制应力之间的差的修正的Hoek‑Brown失效判据。

Description

用于预测岩层的剪切失效的系统和方法
技术领域
本发明的公开大致涉及地下地层。更具体地说，本发明的公开涉及用于预测岩层的剪切失效的方法和系统。
背景技术
理解岩石失效在几乎所有与地下岩层相关的项目中都是必要的。例如，这样的项目包括隧道设计、采矿中的地下挖掘以及油气行业中的钻探。已经提出了许多不同的判据来预测岩层中的剪切失效，包括Mohr-Coulomb判据、Drucker-Prager判据、修正的Lade判据和Hoek-Brown判据。
发明内容
自然压裂地层中的井筒不稳定性问题已经被广泛记录在油气工业中。由于井筒不稳定性问题而浪费的钻井成本估计每年约为几十亿美元。其中一些问题理论上已经表明了由于自然压裂，使得井筒失效的可能性增大。因此，理解自然压裂岩石的失效行为是必要的。Mohr-Coulomb判据通常低估了岩石强度，因为该判据并没有考虑中间主应力对岩石强度增强的影响。Drucker-Prager判据通常高估岩石强度，而修正的Lade判据可能高估或低估岩石强度。Hoek-Brown判据已经广泛用于土木工程项目领域，例如隧道和地下挖掘的设计，并且还用于油气工业，例如研究井筒稳定性。然而，Hoek-Brown判据没有考虑中间主应力对岩石失效的影响。
在一个实施例中，提供了修正的Hoek-Brown失效判据以预测自然压裂岩石的剪切失效。该新的判据考虑了自然压裂对岩石强度劣化的影响以及中间主应力对岩石强度增强的影响。当中间主应力等于最小主应力时，修正的Hoek-Brown失效判据简化为原Hoek-Brown失效判据。当在大于最小主应力的中间主应力下进行多轴测试时，修正的Hoek-Brown失效判据也成功地掌握了中间主应力的影响。在修正的Hoek-Brown失效判据和对各种类型岩石的多轴测试之间找到了极好的匹配。修正的Hoek-Brown失效判据可以有助于更好地理解岩石剪切失效，并且改进隧道和地下挖掘的设计。
修正的Hoek-Brown失效判据被开发以预测具有裂缝或节理的岩石的剪切失效。修正的Hoek-Brown失效判据考虑了中间主应力对岩石剪切失效的影响。在修正的Hoek-Brown失效判据中引入两项，即，法向应力与平均限制应力之间的差以及权重项。为了计算平均限制应力，引入权重项以区分来自中间主应力和最小主应力的不同贡献。根据修正的Hoek-Brown失效判据，当法向应力之间的差达到临界值时，发生岩石的剪切失效，临界值取决于岩石的无限制抗压强度、岩石基质和压裂性质以及平均限制应力。
因此，一个实施例是一种用于确定岩层的剪切失效的方法。该方法包括由处理器接收与岩层的物理性质相关的多个参数，将多个参数应用于预定的失效判据以及根据失效判据判断岩层的剪切失效。在一些实施例中，失效判据是考虑了中间主应力以及法向应力与平均限制应力之间的差的修正的Hoek-Brown失效判据。
另一实施例是一种用于确定岩层的剪切失效的系统。该系统包括处理单元以及与处理单元通信的存储单元，存储单元包括程序指令，当由处理单元执行时，该程序指令执行以下操作：接收与岩层的物理性质相关的多个参数，将多个参数应用于预定的失效判据以及基于失效判据判断岩层的剪切失效。
另一实施例是一种包括计算机程序的非暂时性计算机可读介质，计算机程序在由处理器执行时被配置成接收与岩层的物理性质相关的多个参数，将多个参数应用于预定的失效判据以及根据失效判据判断岩层的剪切失效。
附图说明
当参考以下内容对实施例的描述和附图考虑时，将进一步理解本发明的实施例的前述方面、特征和优点。在描述附图中所示的本发明公开的实施例时，为了清楚起见，将使用特定术语。然而，本发明并不旨在限于所使用的特定术语，并且应当理解的是，每个特定术语包括以类似方式操作以实现类似目的等同物。
为了说明的简单和清楚，附图示出了一般的构造方式，并且可以省略已知的特征和技术的描述和细节，以避免不必要地模糊对所描述的实施例的讨论。另外，附图中的元件不一定按比例绘制。例如，图中的一些元件的尺寸可以相对于其他元件被放大，以帮助改善对各种实施例的理解。在整个说明书中，相同的附图标记表示相同的元件。
图1示出了根据一个或多个实施例的包括用于对地质环境进行建模的各种部件以及与地质环境相关的各种设备的示例性系统。
图2图示了根据一个或多个实施例的沉积盆地的实例、方法的实例、地层的实例、钻孔的实例、惯例(convention)的实例和系统的实例。
图3示出了根据一个或多个实施例的用于预测岩层的剪切失效的构造体制的实例。
图4示出了根据一个或多个实施例的用于预测岩层剪切失效的地层和模型的实例。
图5A至图5B示出了根据一个或多个实施例的用于预测岩层的剪切失效的修正的Hoek-Brown失效判据的应用。
图6A至图6B示出了根据一个或多个实施例的用于预测岩层的剪切失效的修正的Hoek-Brown失效判据的应用。
图7A至图7B示出了根据一个或多个实施例的用于预测岩层的剪切失效的修正的Hoek-Brown失效判据的应用。
图8A至图8B示出了根据一个或多个实施例的用于预测岩层的剪切失效的修正的Hoek-Brown失效判据的应用。
图9A至9B示出了根据一个或多个实施例的用于预测岩层的剪切失效的修正的Hoek-Brown失效判据的应用。
图10A至10B示出了根据一个或多个实施例的用于预测岩层的剪切失效的修正的Hoek-Brown失效判据的应用。
图11示出了根据一个或多个实施例的用于预测岩层的剪切失效的系统和网络系统的示例性部件。
具体实施方式
现在将参考示出了实施例的附图来更全面地描述本发明公开的方法和系统。本发明公开的方法和系统可以是许多不同的形式，并且不应被解释为限于这里所述的示例性实施例；与之相反，提供这些实施例是为了使本发明的公开透彻和完整，并且将本发明的范围完全传达给本领域的技术人员。
图1示出了包括若干个管理部件110的系统100的实例，管理部件110用于管理地质环境150(例如，包括沉积盆地、储层151和一个或多个裂缝153的环境)的各个方面。例如，管理部件110可以允许对地质环境150的感测、钻井、注入和提取进行直接或间接管理。反过来，关于地质环境150的进一步信息可以用作反馈160(例如，可选地作为进入一个或多个管理部件110的输入)。
在图1的实例中，管理部件110包括地震数据部件112、附加信息部件114(例如，钻井/测井数据)、处理部件116、模拟部件120、属性部件130、分析/可视化部件142和工作流部件144。在操作中，可以将部件112和114提供的地震数据和其它信息输入到模拟部件120。
在实施例中，模拟部件120可以依赖于实体122。实体122可以包括地球实体或地质对象，例如井、地表和储层。在系统100中，实体122可以包括为了模拟目的而重建的实际物理实体的虚拟表示。实体122可以包括基于经由感测或观察获取的数据(例如，地震数据112和其他信息114)的实体。实体可以由一个或多个属性来表征(例如，地球模型的几何柱网格实体可以由孔隙性来表征)。这些属性可以表示一个或多个测量值(例如，获取的数据)和计算值。
在实施例中，模拟部件120可以结合例如基于对象的框架之类的软件框架来操作。在这样的框架中，实体可以包括基于预定义类的实体以便于建模和模拟。基于对象的框架的商业上可用的实例是
Figure BDA0002806144480000041
.NET框架，它提供一组可扩展的对象类。在
Figure BDA0002806144480000042
.NET框架中，对象类封装了可重用代码和关联数据结构的模块。对象类可以用于实例化对象实例以供程序或脚本使用。例如，井筒类可以定义用于基于井数据表示井筒的对象。
在图1的实例中，模拟部件120可以处理与由属性部件130指定的一个或多个属性相符的信息，属性部件130可以包括属性库。这样的处理可以在对模拟部件120的输入之前发生(例如，考虑处理部件116)。作为实例，模拟部件120可以基于由属性部件130指定的一个或多个属性对输入信息执行操作。在实施例中，模拟部件120可以构建地质环境150的一个或多个模型，可以依赖该模型来模拟地质环境150的行为(例如，响应于无论是自然的还是人工的一个或多个行为)。在图1的实例中，分析/可视化部件142可以允许与模型或基于模型的结果(例如，模拟结果)交互。作为实例，来自模拟部件120的输出可以被输入到如工作流部件144所表示的一个或多个其他工作流。
图1还示出了框架170的实例，框架170包括模型模拟层180以及框架服务层190、框架核心层195和模块层175。模型模拟层180可以提供域对象182，充当数据源184，提供渲染186并且提供各种用户界面188。渲染186可以提供图形环境，在图形环境中应用可以显示它们的数据，而用户接口188可以为应用用户接口部件提供共同的外观和感觉。
在图1的实例中，域对象182可以包括实体对象、属性对象并且可选地包括其他对象。实体对象可以用于在几何上表示井、地表和储层，而属性对象可以用于提供属性值以及数据版本和显示参数。例如，实体对象可以表示井，其中，属性对象提供日志信息以及版本信息和显示信息(例如，用于显示井作为模型的一部分)。
在图1的实例中，数据可以存储在一个或多个数据源(或数据存储器，通常是物理数据存储设备)中，该数据源可以位于相同或不同的物理站点，并且可以经由一个或多个网络访问。模型模拟层180可以配置成对对象进行建模。这样，可以存储特定对象，其中，存储的对象信息可以包括输入、模型、结果和案例。因此，在完成建模阶段时，用户可以存储对象。然后，可以使用模型模拟层180来访问和恢复对象，模型模拟层180可以重建相关域对象的实例。
在图1的实例中，地质环境150可以包括层(例如，分层)，这些层包括储层151并且可以被断层153穿过。作为实例，地质环境150可以配备有各种传感器、检测器和致动器中的任意一种。例如，设备152可以包括通信电路，以接收和发送关于一个或多个网络155的信息。这种信息可以包括与井下设备154相关的信息，该井下设备可以是用于获取信息或辅助资源回收的设备。其它设备156可以位于远离井场的位置，并且包括感测、检测、发射或其它电路。这种设备可以包括存储和通信电路，以存储和传送数据或指令。作为实例，可以提供一个或多个卫星以用于通信和数据获取的目的。例如，图1示出了与网络155通信的卫星，网络155可以被配置为用于通信，应注意的是，卫星可以额外或可选地包括用于图像(例如，空间、光谱、时间和辐射度)的电路。
图1还示出了地质环境150可选地包括与井相关联的设备157和158，井包括可以与一个或多个裂缝159相交的大致水平部分。例如，考虑页岩地层中的井，页岩地层可以包括自然压裂、人造压裂(例如，水力压裂)、或自然压裂和人造压裂的组合。作为实例，可以对横向延伸的储层进行钻井。在这样的实例中，可能存在特性或应力的横向变化，其中，对这样的变化的评估可以帮助规划或操作，以开采横向延伸的储层(例如，经由压裂、注入和抽取)。作为实例，设备157或158可以包括用于压裂、地震感测、地震数据分析以及一个或多个压裂的评估的部件、一个系统或多个系统。
图2示出了沉积盆地210的实例、用于模型构建(例如，用于模拟器)的方法220的实例、地层230的实例、地层中的钻孔235的实例、惯例240的实例和系统250的实例。作为实例，储层模拟或石油系统建模可以被应用于表征各种类型的地下环境，包括例如图1的环境。
在图2中，作为地质环境的沉积盆地210包括在某一段地质时期形成的层位、断层和相。这些特征例如相对于笛卡尔坐标系(例如x、y和z)或其它坐标系(例如圆柱和球)在空间中二维或三维地分布。如图所示，模型构建方法220包括数据采集模块224和模型几何结构模块228。在构建初始模型时可能涉及一些数据，并且然后，可以响应于模型输出、时间变化、物理现象或附加数据而可选地更新模型。作为实例，用于建模的数据可以包括以下各项中的一个或多个：基于地震、遥感、电磁、重力、露头和测井数据的深度或厚度图以及断层几何结构和时间。此外，数据可以包括源自被假设跟随地质事件的相变化(例如，由于地震不整合面)的深度和厚度图，并且数据可以包括横向相变化(例如，由于沉积特性中的横向变化)。
为了继续进行地质过程的建模，例如，可以提供数据，例如地球化学数据(例如，温度、油母岩类型或有机物丰富度)、时间数据(例如，来自古生物学、辐射度测定年代、磁逆转或岩石和流体性质)和边界条件数据(例如，热流历史、表面温度或古水深度)。
在盆地和石油系统中，例如沉积物内的温度、压力和孔隙度分布等建模量可以通过使用有限元方法(例如，或其它数值技术)求解偏微分式(PDE)来建模。建模还可以相对于时间对几何结构进行建模，例如，考虑源于地质事件(例如，材料的沉积、材料的侵蚀或材料的移位)的变化。
如图2所示，地层230包括水平地表和各种地下层。作为实例，钻孔可以是竖直的。作为另一个实例，钻孔可以是偏斜的。在图2的实例中，钻孔235可以被认为是例如竖直钻孔，其中，z轴与地层230的水平地表垂直地向下延伸。
对于惯例240的倾角，如图所示，平面的三维取向可以由其倾角和走向来限定。倾角是平面相对于水平面(例如，假想平面)的在竖直面中沿特定方向测量的倾斜角度。倾角可以由幅度(例如，也称为角度或量)和方位角(例如，也称为方向)来定义。如图2的惯例240中所示，各种角度Φ指示例如从假想水平面(例如，平坦上表面)向下倾斜的角度；而倾角是指朝倾斜平面倾斜的方向(例如，倾角可以相对于度数或罗盘方向给出)。图2的惯例中示出的另一特征是走向，走向是由倾斜平面和水平面的相交所形成的线的取向(例如，将平坦的上表面视为假想的水平面)。
例如，取决于所收集数据的环境或取向，与倾角和走向相关的一些附加术语可以应用于分析。一个术语是真实倾角(例如，参见图2的惯例240中的倾角T)。真实倾角是与走向直接垂直地测量的平面(参见例如指向北向且被标记为“走向”和角度α90的线)的倾角，并且还是倾角大小的最大可能值。另一个术语是“表观倾角”(例如，参见图2的惯例240中的倾角A)。表观倾角可以是在除了真实倾角方向之外的任何其它方向上测量出的平面倾角(例如，参见ΦA作为角度α的倾角A)；然而，可能的是，表观倾角等于真实倾角(例如，参见Φ作为倾角A，倾角A＝倾角T，这是相对于走向且针对角度α90而言的)。换句话说，在使用术语“表观倾角”(例如，在方法、分析或算法中)的情况下，对于特定的倾角平面，“表观倾角”的值可能等同于该特定倾角平面的真实倾角。
如图2的惯例240所示，在与走向垂直的截面中所见的平面的倾角是真实倾角(例如，参见具有Φ的表面，Φ作为倾角A，倾角A＝倾角T，这是相对于走向且针对角度α90而言的)。如上所述，在任何其它方向的截面中观察到的倾角是表观倾角(例如，参见标记为倾角A的表面)。此外，如图2的惯例240所示，表观倾角可以是约0度(例如，平行于水平表面，其中剖切平面的边缘沿走向方向延伸)。
在观察井筒中的倾角方面，在竖直钻取的井中观察到真实倾角。在以任何其它取向(或偏斜)钻取的井中，观察到的倾角是表观倾角(例如，被一些人称为相对倾角)。为了确定在这样的钻孔中观察到的平面的真实倾角值，作为实例，可以将矢量计算(例如，基于钻孔偏斜)应用于一个或多个表观倾角值。
如上所述，在根据钻孔图像的沉积学解释中使用的另一术语是“相对倾角”(例如，倾角R)。从沉积在非常平静的环境中的岩石中的钻孔图像测量出的真实倾角值可以从砂体中的倾角中减去(例如，使用矢量减法)。在这样的实例中，所得到的倾角被称为相对倾角，并且可以用于解释砂体取向。
关于分析、解释、属性(例如，参见图1的系统100的各个模块)可以使用例如惯例240等惯例。作为实例，各种类型的特征可以以倾角(例如，沉积层理、断层和裂缝、单面山、火成岩岩脉和岩床或变质叶理)部分地描述。
地震解释可以旨在至少部分地基于一个或多个倾角参数(例如，角度或幅度或方位角)来识别或分类一个或多个地下边界。作为实例，各种类型的特征(例如，沉积层理、断层和裂缝、单面山、火成岩岩脉和岩床或变质叶理)可以至少部分地以角度来描述或至少部分地以方位角来描述。
如图2所示，系统250包括一个或多个信息存储设备252、一个或多个计算机254、一个或多个网络260以及一个或多个模块270。关于一个或多个计算机254，每个计算机可以包括一个或多个处理器(例如，或处理核)256和用于存储例如可以由一个或多个处理器中的至少一个处理器执行的指令(例如，模块)的存储器258。作为实例，计算机可以包括一个或多个网络接口(例如，有线或无线)、一个或多个图形卡和显示接口(例如，有线或无线)。作为实例，可以存储、处理或交流例如地表图像(例如，卫星、地质或地球物理)的图像。作为实例，数据可以包括SAR数据、GPS数据，并且可以被存储在例如一个或多个存储设备252中。
作为实例，该一个或多个模块270可以包括指令(例如，存储在存储器中)，指令可以由一个或多个处理器执行以指示系统250执行各种动作。作为实例，系统250可以构造成使得一个或多个模块270被设置用于建立图1的框架170或框架170的一部分。作为实例，可以使用一个或多个模块来执行一种或多种方法、技术，模块可以是例如图2的一个或多个模块270中的一个或多个模块。
图3示出了构造体制300的实例以及正常断层310、走滑断层320和冲或逆冲断层330的实例。应力可以定义为例如作用在平面上的每单位面积的力。例如，在固体中，固体中的一点处的应力状态可以通过被称为主应力的三个应力的取向和大小来描述，三个应力彼此垂直(例如，彼此正交)取向。
如图3所示，α1、α2和α3是压缩或拉伸主应力，其中，在量值上，α1＞α2＞α3。作为实例，关于点，三个主应力可以被示出或表示为椭圆体，其中，每个分量的量值限定沿三个正交轴线中的相应一个正交轴线的最大值(例如，和“最小值”)。“最小值”实际上是另一个最大值，因为在岩石力学和结构地质学中压缩应力和缩短应变被认为是正的，这是由于在地球中三个主应力倾向于是压缩的(例如，除了在非常靠近地球表面的例如洞穴等地下空隙周围)。
构造体制300可以通过考虑一个竖直的轴线来限定。例如，正常断层体制对应于竖直的α1，走滑断层体制对应于竖直的α2，而冲或逆冲断层体制对应于竖直的α3。构造体制300还可以限定应力αH、αh和αv，这些应力是最大水平应力(αH)、可以与最大水平应力正交的最小水平应力(αH)以及竖直应力(αv)。最大水平应力αH的取向可以由角度θH限定，该角度θH可以是局部的(例如，对于点或特征)或远场的。
土制地层可以包括介质层，其中，介质的弹性(例如，在一个或多个层中)在某些方面可以是各向同性的、各向异性的或一些方面各向同性而另一些方面各向异性的。作为实例，地壳岩可以是各向异性但横向各向同性的“TI”(例如，局部极性各向异性)。各向同性、各向异性的知晓可以帮助例如规划和执行地层内的一个或多个储层的勘探和开发操作。作为实例，各向同性、各向异性的知晓可以帮助例如在地层中钻取一个或多个钻孔。
作为可以表征介质各向异性(例如，地震各向异性)的各个方面的参数的实例，考虑Thomsen参数υ、δ和γ。Thomsen参数δ可以描述记录(例如，实际深度)与地震深度之间的深度失配。关于Thomsen参数υ，它可以描述竖直压缩波与水平压缩波(例如，P或P波或准压缩波qP或qP波)之间的差。关于Thomsen参数γ，它可以描述水平极化剪切波与竖直极化剪切波(例如，水平剪切波SH或SH波和竖直剪切波SV或SV波或准竖直剪切波qSV或qSV波)之间的差。因此，可以根据波数据来估计Thomsen参数υ和γ，而对Thomsen参数δ的估计可以涉及对附加信息的访问。作为实例，该参数可以表示地球物理学中所关注介质的各向异性现象，即使各向异性被认为是弱的，各向异性的某些现象也是不可忽略的。
在笛卡尔坐标系中，应力张量可被定义为部分地由弹性系数表示。各种类型岩石的弹性性质可以近似于所谓的竖直横向各向同性(VTI或TI)。作为实例，沉积岩分层可以趋向于是水平的，其中，所得的对称轴线是竖直的(例如，对于VTI)。对于这种系统，可以使用五个弹性系数来描述弹性刚度张量：C11、C33、C44、C66和C13。例如，Voigt简洁表示可以改动弹性系数以减少系数的总数。这种表示也可以例如根据α和β改动指数i、j、k和l，以得到作为包括项C11、C13、C33、C44和C66的6×6矩阵的弹性模量矩阵Cαβ。作为实例，这五个弹性系数的值可以允许确定Thomsen参数υ、δ及γ中的一个或多个。作为实例，Thomsen参数δ可以用于表征近竖直的P-波速度变化或SV-波速度的角度依赖性。对Thomsen参数δ的理解可以基于各种原因(例如，深度成像/效果、介质表征和介质组成)而有帮助。
Thomsen参数以及其它参数可以与例如钻井、完井、地震迁移速度模型建构、井筒稳定性、水力压裂设计和水力压裂监测的静脉场活动密切相关。作为实例，关于页岩气储层，尤其是在一个或多个井构造可以在竖直与水平之间的一些范围上变化的情况下，各向异性参数的理解可以帮助规划或执行。
作为实例，可以使用一个或多个参数来表征各向异性。虽然提到了Thomsen参数、弹性系数和顺应性，但是可以可选地使用一个或多个其他类型的参数或系数来表征各向异性。作为实例，地层的一层或多层介质可以关于各向同性、各向异性或VTI中的一个或多个来表征。
作为实例，方法可以包括表征关于例如弹性、多孔弹性或多孔力学、强度(例如，在压缩或拉伸下)等一个或多个机械岩石属性的各向异性。
作为实例，方法可以包括对井筒稳定性或不稳定性进行建模。例如，系统可以包括存储在存储器(例如，非暂时性存储器设备)中的模块，其中，模块包括可以由处理器执行的如下指令：该指令用于对可能与例如在一个或多个各向异性地层中钻井相关的井筒不稳定性建模。作为实例，这样的模型可以被称为修正的薄弱平面(MPoW)模型。例如，这样的模型可以考虑Jaeger的薄弱平面(Pow)失效判据(例如，用于识别岩石沿着薄弱平面滑移的开始)和主动剪切的影响(例如，用于确定在钻孔壁处的开始滑移是否将发展并导致钻孔不稳定性)。对于后者，模型可以被配置为用于对与钻孔相交的分层/压裂地层的结构行为进行建模。
作为实例，方法可以包括实现MPoW模型。例如，在各种试验中，方法实现MPoW模型的实例，以产生结果。在此呈现了结果的一些实例。
作为实例，方法可以包括算法，该算法包括近钻孔应力建模(例如，映射由钻井引起的应力分布)和目标泥浆比重(例如，以防止失效)反演(例如，求解不超过一个或多个阈值以确保在经受地质应力条件的地层岩石中的物理合理方案)。作为实例，方法可以被实现为一个或多个工作流的一部分。例如，工作流可以包括近井筒应力建模。这种方法可以包括确定一个或多个目标泥浆比重。作为实例，方法可以包括例如至少部分地基于近钻孔应力建模来钻井、输送泥浆。
图4示出了岩心数据410的实例、关于可能失效的钻孔420的叠层的近似图形以及与前述Jaeger Potty方法430相关的示例性图形。图形430示出了层的角度以及应力方向。
作为实例，工具可以定位在钻孔中，例如以获取信息。作为实例，钻孔工具可以被构造成获取电钻孔图像，例如，考虑全井筒地层微成像器(FMI)工具，该工具可以获取钻孔图像数据。这种工具的数据采集步骤可以包括在采集垫闭合的情况下将工具送入钻孔中，打开垫并将垫压在钻孔壁上，在钻孔中平移工具的同时将电流输送到限定有钻孔的材料中以及远程感测电流，该电流通过与材料的相互作用而改变。
作为实例，可以使用地震学来获取关于地层的信息，例如用于获取地震数据。如上所述，可以使用框架来处理地震数据，该框架可以包括用于接收地震数据和图像数据的一个或多个接口。这样的框架可以包括具有可以执行以处理所接收的数据的指令的一个或多个模块。作为实例，可以可选地分析地震数据以确定一个或多个参数，该参数可以包括表征各向异性的一个或多个参数。
在图4中，岩心数据410可以是或可以包括使用位于井筒中的工具获取的数据。岩心数据410可以是例如代表钻孔表面的圆柱表面数据。作为实例，工具可以包括用于对在钻孔表面处或钻孔表面之外的区域(例如，到达从钻孔表面进入材料中的一个或多个深度)进行成像的电路。作为实例，岩心数据可以包括由位于井筒中的一个或多个工具获取的一种或多种类型的数据。
通过例如页岩等层状岩石钻取的钻孔，特别是例如侧向钻孔(例如水平井)等偏斜钻孔可能不如钻入非层状岩石的类似钻孔稳定。这种孔可能表现出钻孔不稳定性问题，这种钻孔不稳定性问题可能提高钻井操作成本。从钻孔稳定性的角度来看，通过自然压裂地层钻取的钻孔也可能比通过未压裂地层钻取的井更具挑战性。作为实例，当与钻入未被人工压裂的地层中的钻孔(例如，在水力压裂之前等)相比时，钻入被人工压裂的地层中的钻孔从钻孔稳定性的观点来看可能存在挑战。虽然页岩被提及作为岩石的实例，但是关于稳定性或不稳定性可以分析其他类型的岩石。
参考图形420，示出了层压材料(例如，层压体)的层422，其中，来自层422的材料已进入孔423，例如，在围绕设备424(例如，钻孔设备或其他设备)的环形区域中。在以剖视图示出的示例性图形420中，来自左侧的材料和来自右侧的材料已经进入孔423。作为实例，在层422的角度相对于孔423的纵向轴线更陡的情况下，材料的进入可能不同。作为实例，材料的进入可能取决于多种因素(例如，孔的几何结构、孔中设备的操作、孔附近材料中的力或远场力)。
作为实例，角度可以是例如由孔轴线与一个或多个层理面之间的角度定义的“攻角”。作为实例，方法可以包括分析数据以估计可能大于可预测地呈现出钻孔不稳定性的角度的攻角。作为实例，方法可以包括分析数据以确定待钻入特定地层的钻孔的攻角，其中，所确定的攻角大于约20度的攻角，例如，以避免特定地层中与薄弱平面相关的钻孔不稳定性问题。
如图形420所示，在孔处或孔附近，材料可能不是各向同性的或均质的。作为实例，材料可能是各向异性的或不均质的(例如，不均匀的)。作为实例，模型可以考虑层压或压裂的岩石，例如考虑存在的压裂或矿床界面例如作为预先存在的薄弱平面。
上述Jaeger PoW模型考虑Mohr-Coulomb判据来描述薄弱平面的剪切滑移失效，并且还用于完整岩石基质屈服(参见，例如，Jaeger，J.C.，Shear failure of anisotropicrocks(各向异性岩石的剪切失效)，Geol.Mags.,1960,97,65，其通过引用被并入本文)。这种方法有时可以被提供用于对在围绕孔的一个位置处的失效(例如，屈服或滑移)的开始做出近似以作为预测；然而，这种方法不提供关于屈服/滑移是否可能发展以及例如是否导致钻孔失效的预测。
然而，沿着与井筒相交的压裂或薄弱平面的剪切滑动失效可能是井筒不稳定机制，该井筒不稳定机制可能对一个或多个操作具有很大影响。这种失效现象可能不能通过仅使用均质各向同性岩石的钻孔稳定性判据(例如，Mohr-Coulomb、Hoek-Brown、Mogi-Coulomb等人)来表征，这是因为在层压或压裂地层中的一个或多个钻孔失效机制可能不同于与严格各向同性或均质地层相关的失效机制。
Hoek-Brown失效判据
Hoek和Brown在1980年给出了如下完整岩石的经验Hoek-Brown失效判据：
Figure BDA0002806144480000141
其中，σ1和σ3分别是失效时的最大和最小主应力，σci是完整岩石的单轴抗压强度，mi是取决于完整岩石性质的常数，例如矿物的摩擦特性。
由Hoek和Brown在1997年提供了如下更普遍的压裂/节理岩石的Hoek-Brown失效判据：
Figure BDA0002806144480000142
其中，s和a取决于压裂几何结构和表面条件，mb取决于压裂和完整岩石基质性质。
Hoek和Brown(1997)引入了地质强度指数(GSI)的概念以量化压裂/节理对岩石强度的影响，并提供了参数s、a和GSI之间的经验相关性，如表1所示。
表1.从GSI和mi确定s、a和mb(根据Hoek和Brown 1997)：
Figure BDA0002806144480000151
修正的Hoek-Brown失效判据
从式(1)和(2)可以看出，Hoek-Brown失效判据并没有考虑中间主应力σ2，中间主应力σ2已经在实验上表现出具有岩石强度增强的效果(Mogi 1971；Takahashi&Koide1989)。因此，一些实施例包括修正的Hoek-Brown失效判据以考虑中间主应力σ2。同时，中间主应力和最小主应力的不同程度的影响在如下表示的修正的Hoek-Brown失效判据中由权重项ω表征：
Figure BDA0002806144480000152
其中，ω(0≤ω≤1)是量化中间主应力σ2和最小主应力σ3对岩石剪切失效的不同程度影响的权重项。
式(3)的左侧是法向应力的差。式(3)右侧的项ωσ2+(1-ω)σ3可以被认为是多轴测试期间的平均限制应力。将权重项ω引入到式(3)中，以量化σ2和σ3对岩石剪切失效的不同程度影响。基本上来说，式(3)预测出当法向应力差的项达到某一临界值时发生剪切失效，该临界值取决于岩石的无限制抗压强度σci、岩石基质和压裂性质(mb，s，a)和平均限制应力ωσ2+(1-ω)σ3。
可以证明的是，式(3)被简化为三轴测试的原Hoek-Brown失效判据(σ1＞σ2＝σ3)，并且该式(3)能够获得多轴试验的结果(σ1＞σ2＞σ3)。前者可以通过设定σ2＝σ3被容易地示出，这是因为式(3)被简化为式(2)。后者通过以下在各种多轴测试、Hoek-Brown失效判据和修正的Hoek-Brown失效判据之间的比较来描述。
修正的Hoek-Brown失效判据的验证
在该部分中，使用原Hoek-Brown失效判据和修正的Hoek-Brown失效判据来分析一些公开的多轴测试结果。图5A至图11B示出了应用修正的Hoek-Brown失效判据(在这些图中被称为LAHL判据)和Hoek-Brown失效判据来匹配实验结果。从这些图中可以看出，修正的Hoek-Brown失效判据能够在多轴测试期间捕获各种岩石的剪切失效。Hoek-Brown失效判据能够在一定程度上捕获多轴测试结果。例如，表2中示出了两种剪切失效判据之间的详细比较。
从表2中可以看出，为了与多轴测试结果匹配，对于修正的Hoek-Brown失效判据，测定系数R2在0.86至0.98的范围内，对于原Hoek-Brown失效判据，测定系数在0.68至0.93的范围内。修正的Hoek-Brown失效判据的测定系数的显著高值表示出修正的Hoek-Brown失效判据与实验数据具有更好的匹配。此外，权重项ω相对小，在0.05至0.1的范围内，这表明：与最小主应力σ1相比，中间主应力σ2在这种多轴测试中对岩石剪切失效的贡献较小。表2还表明，在同一组三轴测试数据上，在给出最佳拟合的修正的Hoek-Brown失效判据(在表中被称为MHB)中的参数值mi与其在Hoek-Brown失效判据(在表中称为HB)中的对应值非常不同。Marino和Hoek(2000)使用Hoek-Brown失效判据对来自相同类型岩石的三轴测试数据(即，σ2＝σ3)执行最佳拟合，mi的相应值在表2的最后一列中重复。可以看出，它们相当接近由修正的Hoek-Brown失效判据对真实三轴测试数据给出的值。
表2.修正的Hoek-Brown与Hoek-Brown失效判据之间关于多轴测试结果的结果总结：
Figure BDA0002806144480000171
图11示出了计算系统2600的实例和网络系统2610的实例的部件。系统2600包括一个或多个处理器2602、存储器或存储部件2604、一个或多个输入或输出设备2606和总线2608。在实施例中，指令可以被存储在一个或多个计算机可读介质(例如，存储器/存储部件2604)中。这样的指令可以由一个或多个处理器(例如，处理器(一个或多个)2602)经由通信总线(例如，总线2608)来读取，该通信总线可以是有线的或无线的。一个或多个处理器可以执行这样的指令以(全部或部分地)实现一个或多个属性(例如，作为方法的一部分)。用户可以查看来自处理的输出并经由I/O装置(例如，装置2606)与处理交互。在实施例中，计算机可读介质可以是存储部件，例如物理存储器存储装置，例如芯片、封装件上的芯片、存储卡(例如，计算机可读存储介质)。
在实施例中，部件可以是分布式的，例如位于网络系统2610中。网络系统2610包括部件2622-1、2622-2、2622-3、...、2622-N。例如，部件2622-1可以包括处理器(一个或多个)2602，而部件(一个或多个)2622-3可以包括可由处理器(一个或多个)2602访问的存储器。此外，部件(一个或多个)2602-2可以包括用于显示方法以及可选地与方法交互的I/O装置。网络可以是或可以包括因特网、内联网、蜂窝网络或卫星网络。
作为实例，设备可以是包括用于信息通信的一个或多个网络接口的移动设备。例如，移动设备可以包括无线网络接口(例如，可以经由IEEE 802.11判据、ETSI判据、BluetoothTM或卫星操作)。作为实例，移动设备可以包括例如主处理器、存储器、显示器图形电路(例如，可选地包括触摸和手势电路)、SIM插槽、音频/视频电路、运动处理电路(例如，加速度计、陀螺仪)、无线LAN电路、智能卡电路、发射机电路、GPS电路和电池之类的部件。作为实例，移动设备可以被配置为蜂窝电话或平板电脑。作为实例，可以使用移动设备(例如，全部或部分地)实现方法。作为实例，系统可以包括一个或多个移动设备。
作为实例，系统可以是分布式环境，例如，所谓的“云”环境，其中，各种设备、部件为了数据存储、通信和计算的目的而交互。作为实例，设备或系统可以包括用于经由因特网(例如，经由一个或多个因特网协议发生通信)、蜂窝网络或卫星网络中的一个或多个来传递信息的一个或多个部件。作为实例，方法可以在分布式环境中实现(例如，全部或部分地作为基于云的服务)。
作为实例，信息可以从显示器(例如，考虑触摸屏)输入、输出到显示器或这两者。作为实例，信息可以被输出到投影仪、激光设备或打印机，从而可以查看信息。作为实例，信息可以被立体或全息地输出。对于打印机，考虑2D或3D打印机。作为实例，3D打印机可以包括可以被输出以构造3D对象的一种或多种物质。例如，可以将数据提供给3D打印机以构建地下地层的3D表示。作为实例，可以以3D(例如，层位)构造层，以3D构造地质体。作为实例，孔、裂缝也可以3D构造(例如，构造为正结构或负结构)。
包括发明内容、附图简要说明和具体实施方式的说明书以及所附权利要求涉及本发明公开的特定特征(包括过程或方法步骤)。本领域的技术人员应理解的是，本发明的公开包括说明书中描述的特定特征的所有可能的组合和使用。本领域的技术人员应理解的是，本发明不限于说明书中给出的实施例的描述或不受其限制。
本领域的技术人员还应理解的是，用于描述特定实施例的术语不限制本发明公开的范围或广度。在解释说明书和所附权利要求时，所有术语应当以与每个术语的上下文一致的最宽的可能方式来解释。除非另有定义，否则说明书和所附权利要求书中使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属领域的技术人员通常理解的相同的含义。
如在说明书和所附权利要求中所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”包括复数引用，除非上下文另有明确指示。动词“包括”及其变形形式应当被解释为以非排他的方式指代元件、部件或步骤。所引用的元件、部件或步骤可以与未明确引用的其它元件、部件或步骤一起存在、使用或组合。
除非另外具体说明或者在所使用的上下文内以其他方式理解，否则例如“能够”、“可能”、“能”或“可以”等条件语言一般旨在传达某些实现可以包括而其他实现不包括某些特征、元素或操作。因此，这样的条件语言一般不旨在暗示特征、元素或操作以任何方式对于一个或多个实现是需要的，或者一个或多个实现必须包括用于在有或没有用户输入或提示的情况下决定这些特征、元素或操作是否被包括在任何特定实现中或者将在任何特定实现中执行的逻辑。
因此，这里描述的系统和方法非常适于实现所述目的并获得所提及的结果和优点，以及其它固有的结果和优点。虽然为了公开的目的给出了系统和方法的实施例，但是在用于实现期望结果的过程的细节中存在许多改变。这些和其它类似的修改对于本领域技术人员来说是显而易见的，并且旨在包含在这里公开的系统和方法的精神以及所附权利要求的范围内。

Claims (18)

1.一种用于确定岩层的剪切失效的方法，所述方法包括：
接收与所述岩层的物理性质相关的多个参数；
将所述多个参数应用于预定的失效判据；以及
根据所述失效判据判断所述岩层的剪切失效。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述失效判据是修正的Hoek-Brown失效判据。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述失效判据包括中间主应力。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其中，所述失效判据包括法向应力与平均限制应力之间的差。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其中，所述失效判据包括：
Figure FDA0002806144470000011
其中，σ1是失效时的最大主应力；s和a取决于压裂几何形状和表面条件；mb取决于压裂和完整岩石基质性质；ω(0≤ω≤1)是权重项，量化了中间主应力σ2和最小主应力σ3对岩层的剪切失效的不同程度的影响；σci是无限制抗压强度；并且等式右侧的项ωσ2+(1-ω)σ3是多轴测试期间的平均限制应力。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的方法，其中，所述失效判据被配置为当所述法向应力的差的项达到预定值时判定发生所述岩层的剪切失效，所述预定值取决于无限制抗压强度(σci)、岩石基质和压裂性质(mb,s,a)以及平均限制应力ωσ2+(1-ω)σ3。
7.一种用于确定岩层的剪切失效的系统，所述系统包括：
处理单元；以及
存储单元，其与所述处理单元通信，所述存储单元包括程序指令，所述程序指令在由所述处理单元执行时进行以下操作：
接收与所述岩层的物理性质相关的多个参数；
将所述多个参数应用于预定的失效判据；以及
根据所述失效判据判断所述岩层的剪切失效。
8.根据权利要求7所述的系统，其中，所述失效判据是修正的Hoek-Brown失效判据。
9.根据权利要求7至8中任一项所述的系统，其中，所述失效判据包括中间主应力。
10.根据权利要求7至9中任一项所述的系统，其中，所述失效判据包括法向应力与平均限制应力之间的差。
11.根据权利要求7至10中的任一项所述的系统，其中，所述失效判据包括：
Figure FDA0002806144470000021
其中，σ1是失效时的最大主应力；s和a取决于压裂几何形状和表面条件；mb取决于压裂和完整岩石基质性质；ω(0≤ω≤1)是权重项，量化了中间主应力σ2和最小主应力σ3对岩层的剪切失效的不同程度的影响；σci是无限制抗压强度；并且等式右侧的项ωσ2+(1-ω)σ3是多轴测试期间的平均限制应力。
12.根据权利要求7至11中任一项所述的系统，其中，所述失效判据被配置为当所述法向应力的差的项达到预定值时判定剪切失效发生，所述预定值取决于所述岩层的无限制抗压强度(σci)、岩石基质和压裂性质(mb，s，a)以及平均限制应力ωσ2+(1-ω)σ3。
13.一种包括计算机程序的非暂时性计算机可读介质，所述计算机程序在由处理器执行时被配置为：
接收与所述岩层的物理性质相关的多个参数；
将所述多个参数应用于预定的失效判据；以及
根据所述失效判据判断所述岩层的剪切失效。
14.根据权利要求13所述的介质，其中，所述失效判据是修正的Hoek-Brown失效判据。
15.根据权利要求13至14中任一项所述的介质，其中，所述失效判据包括中间主应力。
16.根据权利要求13至15中任一项所述的介质，其中，所述失效判据包括法向应力与平均限制应力之间的差。
17.根据权利要求13至16中任一项所述的介质，其中，所述失效判据如下：
Figure FDA0002806144470000031
其中，σ1是失效时的最大主应力；s和a取决于压裂几何形状和表面条件；mb取决于压裂和完整岩石基质性质；ω(0≤ω≤1)是权重项，量化了中间主应力σ2和最小主应力σ3对岩层的剪切失效的不同程度的影响；σci是无限制抗压强度；并且等式右侧的项ωσ2+(1-ω)σ3是多轴测试期间的平均限制应力。
18.根据权利要求13至17中任一项所述的介质，其中，所述失效判据被配置为当所述法向应力的差的项达到预定值时判定剪切失效发生，所述预定值取决于所述岩层的无限制抗压强度(σci)、岩石基质和压裂性质(mb，s，a)以及平均限制应力ωσ2+(1-ω)σ3。
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