CN112558179A - 远场应力状态的智能反演方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种远场应力状态的智能反演方法，属于地质应力场模拟技术领域。本发明包括如下步骤：S1：三维地质模型的构建；S2：岩石力学参数的收集，包括如下小步：S21：约束点主应力数值的确定；S22：约束点主应力方向的确定；S23：约束点非均质参数的确定；S3：远场应力状态的加载；S4：误差计算及分析判断；S5：远场应力状态的修正。本发明能够快速准确地实现国内各大油田地质应力场数值模拟的初期工作，能够实现明确地应力的三维空间分布特征，获知该工区各个位置的三向主应力的数值和方向，以及施加在该工区的远场应力状态；对于解决人工干预和调整地质模型远场应力状态的困难、效率低下等问题具有极大的现实意义。

Description

远场应力状态的智能反演方法

技术领域

本发明涉及一种远场应力状态的智能反演方法，属于地质应力场模拟技术领域。

背景技术

数值模拟方法作为地应力研究的一种手段，在油田勘探开发过程中有着重要作用。数值模拟方法种类繁多(有限元、离散元等)，但是不管采用哪种方法，都离不开地质建模，边界加载和求解运算，其中远场应力状态是未知量，其反演过程是整个应力场数值模拟的核心所在，远场应力状态合理与否不仅决定了边界加载条件，而且最终决定了模拟结果的准确性合理性。传统的远场应力状态反演通常是依靠反复试算，进而反复分析结果来实现，整个过程人工干预多，繁琐且效率低。针对上述问题，本专利提出智能反演方法，实现远场应力状态的高效反演，从而大大提高应力场数值模拟的效率。

发明内容

针对现有技术存在的上述缺陷，本发明提出了一种远场应力状态的智能反演方法,通过模块程序开发，摆脱人工反复试算、反复调整，从而智能反演出符合实际地质条件的远场应力状态，最终实现高效的应力场数值模拟。

本发明所述的远场应力状态的智能反演方法，包括如下步骤：

S1：三维地质模型的构建：选取远场应力状态未知、部分约束点已知的区域为构建的地质地区，根据该地质地区的地质构造图，并利用三维建模软件建立符合油藏地质实际的三维地质模型，用以反映实际地层的起伏和断裂构造的空间分布特征；

S2：岩石力学参数的收集：收集该地质地区中已知部分约束点的相关岩石力学参数资料和测井资料，包括如下小步：

S21：约束点主应力数值的确定；

S22：约束点主应力方向的确定；

S23：约束点非均质参数的确定；

S3：远场应力状态的加载：根据岩石力学参数资料和测井资料初次尝试在三维地质模型中施加远场应力状态；

S4：误差计算及分析判断：通过智能模块程序计算，获取数值模拟的各个约束点主应力数值与实测值的相对误差；

S5：远场应力状态的修正：以约束点实测值为约束条件，设置模拟精度误差标准，自动循环加载远场应力状态，将每次结果与实测值进行比对，自动修正远场应力状态数值，直至得出远场应力状态的预测值，其中：

约束点实测应力矩阵Si与预测值x存在如下关系：

S_i＝A_ix_i+e_i

式中：A_i为系数矩阵；S_i为约束点实测应力矩阵；x_i为预测值矩阵；e_i为实测值与预测值之间的误差；i为约束点的数量。

优选地，所述S21中约束点主应力数值，分别通过差应变法与声发射法对已知部分约束点的垂向主应力、水平最大主应力和水平最小主应力进行测试，获取差应变法与声发射法的测量值，并取两测量值的平均值作为约束点主应力数值。

优选地，所述S22中约束点主应力方向，分别通过波速各向异性法对已知部分约束点进行波速各向异性实验，获取已知部分约束点的最大水平、最小水平地应力方向；通过古地磁法对已知部分约束点进行交变退磁实验，获取已知部分约束点的方位标定，结合波速各向异性和古地磁的实验结果，并结合测井资料等计量结果进行校正。

优选地，所述S23中约束点非均质参数，分别通过岩石力学参数测井计算与三轴岩石力学实验对已知部分约束点的弹性模型、泊松比、岩石密度进行测试，将弹性模型、泊松比、岩石密度作为约束点非均质参数。

优选地，所述S3中远场应力状态的加载，加载方法如下：

S_c＝E[0.008V_sh+0.0045(1-V_sh)] (4)

式中：E为弹性模量，单位为MPa；μ为泊松比；C为内聚力，单位为MPa；S_c为抗压强度，单位为MPa；V_sh为为泥质百分含量；ρ_b为岩石密度，单位为kg/m³；Δt_p为纵波时差，单位为1/V；Δt_s为横波时差，单位为1/V；φ为内摩擦角，单位为°；Φ为测井孔隙度；

之后导入岩石力学参数。

优选地，所述S5中远场应力状态的修正，需要确定地应力的约束范围，包括如下小步：

S51：通过对应力试加载来确定最合适的应力加载范围，利用APDL程序语句获知每一次循环的具体误差大小、正在进行的是第几次的循环运算信息；

S52：根据每一个约束点的垂向地应力、水平最大主应力、水平最小主应力的相对误差，从循环结果得知，垂向主应力、水平最大主应力、水平最小主应力的相对误差较小，获取较为符合所要确定的应力加载的大致范围；

S53：再通过控制约束加载的变化量缩小三个主应力的相对误差，从而得到最佳的数值模拟结果。

本发明的有益效果是：本发明所述的远场应力状态的智能反演方法，能够快速准确地实现国内各大油田地质应力场数值模拟的初期工作，能够实现明确地应力的三维空间分布特征，获知该工区各个位置的三向主应力的数值和方向，以及施加在该工区的远场应力状态；为后续油气勘探开发过程中井网部署、水力压裂工艺设计以及深层钻井井径的设计打下坚实基础，从而为油藏的开发和生产提供理论依据与技术支持。

附图说明

图1是本发明的流程框图。

图2是本发明地质构造图。

图3是本发明三维地质模型图。

图4是本发明模型约束的加载图。

图5是本发明的地质模型水平最小主应力图。

图6是本发明的地质模型水平最大主应力图。

图7是本发明的地质模型垂向主应力图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

如图1所示，本发明所述的远场应力状态的智能反演方法，适用于远场应力状态未知，在已有地质模型基础上通过循环尝试，最终确定符合实际地质条件的远场应力状态的高效、快速且智能的方法，属于地质应力场模拟技术领域。本发明包括如下步骤：

S1：三维地质模型的构建：选取远场应力状态未知、部分约束点已知的区域为构建的地质地区，根据该地质地区的地质构造图，并利用三维建模软件建立符合油藏地质实际的三维地质模型，用以反映实际地层的起伏和断裂构造的空间分布特征；

S2：岩石力学参数的收集：收集该地质地区中已知部分约束点的相关岩石力学参数资料和测井资料，包括如下小步：

S21：约束点主应力数值的确定；

S22：约束点主应力方向的确定；

S23：约束点非均质参数的确定；

S3：远场应力状态的加载：根据岩石力学参数资料和测井资料初次尝试在三维地质模型中施加远场应力状态；

S4：误差计算及分析判断：通过智能模块程序计算，获取数值模拟的各个约束点主应力数值与实测值的相对误差；

S5：远场应力状态的修正：以约束点实测值为约束条件，设置模拟精度误差标准，自动循环加载远场应力状态，将每次结果与实测值进行比对，自动修正远场应力状态数值，直至得出远场应力状态的预测值，其中：

约束点实测应力矩阵Si与预测值x存在如下关系：

S_i＝A_ix_i+e_i

式中：A_i为系数矩阵；S_i为约束点实测应力矩阵；x_i为预测值矩阵；e_i为实测值与预测值之间的误差；i为约束点的数量。

所述S21中约束点主应力数值，分别通过差应变法与声发射法对已知部分约束点的垂向主应力、水平最大主应力和水平最小主应力进行测试，获取差应变法与声发射法的测量值，并取两测量值的平均值作为约束点主应力数值。

所述S22中约束点主应力方向，分别通过波速各向异性法对已知部分约束点进行波速各向异性实验，获取已知部分约束点的最大水平、最小水平地应力方向；通过古地磁法对已知部分约束点进行交变退磁实验，获取已知部分约束点的方位标定，结合波速各向异性和古地磁的实验结果，并结合测井资料等计量结果进行校正。

所述S23中约束点非均质参数，分别通过岩石力学参数测井计算与三轴岩石力学实验对已知部分约束点的弹性模型、泊松比、岩石密度进行测试，将弹性模型、泊松比、岩石密度作为约束点非均质。

所述S3中远场应力状态的加载，加载方法如下：

S_c＝E[0.008V_sh+0.0045(1-V_sh)] (4)

式中：E为弹性模量，单位为MPa；μ为泊松比；C为内聚力，单位为MPa；S_c为抗压强度，单位为MPa；V_sh为为泥质百分含量；ρ_b为岩石密度，单位为kg/m³；Δt_p为纵波时差，单位为1/V；Δt_s为横波时差，单位为1/V；φ为内摩擦角，单位为°；Φ为测井孔隙度；

之后导入岩石力学参数。

所述S4中,根据研究区所处的大地构造背景初步确定远场应力状态，并设置远场应力状态的初始值和误差标准。为了确定最终研究区要加载的远场应力状态约束范围，通过对远场应力状态反复试加载来确定最合适的远场应力状态加载范围。以实测现今地应力方向与大小为约束，利用智能模块程序可以获知每一次循环的模拟结果、相对误差大小、正在进行的是第几次的循环运算等信息。从模拟某一次循环结果可以得出模拟三向主应力与实际的三向主应力的相对误差，是否满足所设置的误差标准，之后再通过控制约束加载的变化量来进一步缩小三向主应力的相对误差，这样不断地自动修正远场应力状态，使模拟结果与实测结果之间的误差满足精度要求，从而智能地得到最佳的数值模拟结果。最终得到适合此地质模型的远场应力状态解。

所述S5中远场应力状态的修正，需要确定地应力的约束范围，包括如下小步：

S51：通过对应力试加载来确定最合适的应力加载范围，利用APDL程序语句获知每一次循环的具体误差大小、正在进行的是第几次的循环运算信息；

S52：根据每一个约束点的垂向地应力、水平最大主应力、水平最小主应力的相对误差，从循环结果得知，垂向主应力、水平最大主应力、水平最小主应力的相对误差较小，获取较为符合所要确定的应力加载的大致范围；

S53：再通过控制约束加载的变化量缩小三个主应力的相对误差，从而得到最佳的数值模拟结果。

本发明针对任意远场应力状态未知的复杂地质地区，建立模型后，已知各项非均质参数(弹性模量、泊松比、岩石密度等)，利用智能模块程序，多次使假设的远场应力状态循环加载在地质模型上进行试算，经过试算后最终得到达到精度要求的数值模拟结果。本发明能够极大得简化工作量，计算精度高、速度快，能够节省大量的时间和精力；对于解决人工干预和调整地质模型远场应力状态的困难、效率低下等问题具有极大的现实意义。

实施例2：

假设远场应力状态未知的研究区位置处于渤南洼陷隶属于济阳坳陷的沾化凹陷，它是沾化凹陷的一个三级构造单元，北部受埕南断裂带与埕东凸起控制，南部和陈家庄相接，东部受控于孤西断层、孤北洼陷和孤岛凸起，垦西地垒、三合庄洼陷、孤西洼陷在东南部相连。如图2所示，渤南洼陷是北部高、南部低向北的帚状断层，受两条盆倾同生断层及孤西断层所夹持。义176块位于渤南油田义176—渤深4断阶带，控制面积49.8km²。研究区层段为沙四上亚段3、4砂组，累计埋深3200—4500米。钻探井一共18口，都可以看到比较好的油气显示。

S1中根据现今构造形态，如图3所示，利用三维建模软件建立符合油藏地质实际的三维地质模型，用以反映实际地层的起伏和断裂构造的空间分布特征的具体方法为：以渤南油田义176块petrel模型为基础，经过转换之后导入到ANSYS，然后进行了网格划分，采用solid185单元划分网格，总计12条断层，断层步长150，地层步长300，围岩步长400，一共划分335422个节点，1944398个单元。

S21中利用水力压裂等应力大小测量的方法结合差应变、声发射等室内应力测量的方法，确定约束点的现今主应力数值的具体方法为：使用差应变、声发射、水力压裂等方法确定测量井点的现今主应力数值。

运用差应变法，对渤南油田义176块9口井进行差应变地应力测试，可知岩心三向应力大小关系为垂向主应力>水平最大主应力>水平最小主应力。通过上述结果表明：现今最大水平主应力分布区间为59-72MPa，现今最小水平主应力区间为51-56MPa，垂向主应力大小分布区间为80-89MPa。

运用声发射法，对渤南油田义176块4口井进行应力声发射测试，可知岩心三向应力大小关系为垂向主应力>水平最大主应力>水平最小主应力。通过上述实验结果表明：现今最大水平主应力分布区间为59-72MPa，现今最小水平主应力区间为54-63MPa，垂向主应力大小分布区间为79-90MPa。

上述两种方法测量的结果差距较小，取平均值作为约束点的现今主应力数值。

S22中利用波速各向异性法、差应变法、古地磁法等室内岩心测量方法，并结合测井资料等计量结果进行校正，确定约束点的现今地应力方向的具体方法为：使用波速各向异性法、差应变法、古地磁等方法确定测量井点的现今主应力方向。

运用波速各向异性法，对义170、义176、渤深4这三个约束点进行波速各向异性实验。波速最大值处对应的方向与波速最小处对应的方向近似垂直(相差90°)，这一点很好地符合了最大水平、最小水平地应力相垂直的规律。

运用古地磁法，进行交变退磁实验，先测量样品的天然剩磁，而后使样品分别在25，50，75，100，150，200，300，500，700，999Oe的磁场下进行常规交变退磁，每次交变退磁后均进行剩磁测量，直至剩磁总强度小于天然剩磁的25％时停止交变退磁。据此进行方位标定。

结合波速各向异性和古地磁的实验结果，义170、义176、渤深4这三个约束点的最大主应力方向分别为S117.35°E，S135.6°E，S120.20°E。

S23中利用根据岩石力学参数资料，在建立地质模型的基础上，选择岩石力学参数，详见表1。

表1

并将此参数赋予到地质模型中的具体方法为：

如图4所示，智能模块程序主要包含远场应力状态加载、误差计算及分析判断、语句循环3个模块。对围岩加载10MPa左旋剪切力，北部施加46MPa挤压，南部施加23MPa挤压，东侧施加17MPa挤压，上覆岩层施加30MPa压力。之所以选择这套数据进行地应力加载约束，得益于之后循环数据的反馈。为了确定研究区要加载的地应力约束范围，通过对应力试加载来确定最合适的应力加载范围，利用APDL程序语句可以获知每一次循环的具体误差大小、正在进行的是第几次的循环运算等信息，如表2。

表2

该表所列每一个约束点的垂向地应力、水平最大主应力、水平最小主应力的相对误差，从循环结果得知，垂向主应力、水平最大主应力、水平最小主应力的相对误差较小，较为符合所要确定的应力加载的大致范围，之后再通过控制约束加载的变化量来进一步缩小三个主应力的相对误差，从而得到最佳的数值模拟结果，如图5至图7所示。

表3

	义170	义176	渤深4
				实测地应力方向	S117.35oE	S135.6oE	S120.20oE
模拟结果	S126.47oE	S123.7oE	S112.36oE
				相对误差	7.77％	-8.77％	-6.53％

通过30次的内嵌循环，每次循环的相对误差都控制在10％，如果最大主应力的误差满足条件，就会进行中间主应力的误差判别，再进行最小主应力的误差判别，直到30次循环计算完成，也就得到了合理的结果，如果某一次的循环误差大于10％，则跳到上个工作模块即地应力的约束和加载，重新对地应力和约束进行调整，之后再继续对判断语句进行循环，直到30次循环完成，也就找到了最为精确的模拟结果。

通过与实测地应力方向对比，模拟结果基本和实测结果相差不大，三向主应力大小与实际误差控制在20％以内，基本符合实际测量结果。水平最小主应力方向为南北向，在断层处发生偏转，当水平最小主应力方向与断层走向几乎平行或者垂直时，即与断层夹角小于30°或者大于60°，水平最小主应力方向几乎不发生偏转。水平最大主应力方向为近东西向，在断层处发生偏转，当水平最大主应力方向与断层走向在30-60°时，断层向着断层走向方向发生偏转，当水平最大主应力方向与断层走向几乎平行或者垂直时，即与断层夹角小于30°或者大于60°，水平最大主应力方向几乎不发生偏转。

本发明所述的远场应力状态的智能反演方法，针对任意远场应力状态未知的复杂地质地区，建立模型后，已知各项非均质参数(弹性模量、泊松比、岩石密度等)，利用智能模块程序，多次使假设的远场应力状态循环加载在地质模型上进行试算，经过试算后最终得到达到精度要求的数值模拟结果。该方法能够极大得简化工作量，计算精度高、速度快，能够节省大量的时间和精力,对于解决人工干预和调整地质模型远场应力状态的困难、效率低下等问题具有极大的现实意义；能够快速准确地实现国内各大油田地质应力场数值模拟的初期工作，能够实现明确地应力的三维空间分布特征，获知该工区各个位置的三向主应力的数值和方向，以及施加在该工区的远场应力状态；为后续油气勘探开发过程中井网部署、水力压裂工艺设计以及深层钻井井径的设计打下坚实基础，从而为油藏的开发和生产提供理论依据与技术支持。

本发明可广泛运用于地质应力场模拟场合。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种远场应力状态的智能反演方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：三维地质模型的构建：选取远场应力状态未知、部分约束点已知的区域为构建的地质地区，根据该地质地区的地质构造图，并利用三维建模软件建立符合油藏地质实际的三维地质模型，用以反映实际地层的起伏和断裂构造的空间分布特征；

S2：岩石力学参数的收集：收集该地质地区中已知部分约束点的相关岩石力学参数资料和测井资料，包括如下小步：

S21：约束点主应力数值的确定；

S22：约束点主应力方向的确定；

S23：约束点非均质参数的确定；

S3：远场应力状态的加载：根据岩石力学参数资料和测井资料初次尝试在三维地质模型中施加远场应力状态；

S4：误差计算及分析判断：通过智能模块程序计算，获取数值模拟的各个约束点主应力数值与实测值的相对误差；

S5：远场应力状态的修正：以约束点实测值为约束条件，设置模拟精度误差标准，自动循环加载远场应力状态，将每次结果与实测值进行比对，自动修正远场应力状态数值，直至得出远场应力状态的预测值，其中：

约束点实测应力矩阵Si与预测值x存在如下关系：

S_i＝A_ix_i+e_i

式中：A_i为系数矩阵；S_i为约束点实测应力矩阵；x_i为预测值矩阵；e_i为实测值与预测值之间的误差；i为约束点的数量。

2.根据权利要求1所述的远场应力状态的智能反演方法，其特征在于，所述S21中约束点主应力数值，分别通过差应变法与声发射法对已知部分约束点的垂向主应力、水平最大主应力和水平最小主应力进行测试，获取差应变法与声发射法的测量值，并取两测量值的平均值作为约束点主应力数值。

3.根据权利要求1所述的远场应力状态的智能反演方法，其特征在于，所述S22中约束点主应力方向，分别通过波速各向异性法对已知部分约束点进行波速各向异性实验，获取已知部分约束点的最大水平、最小水平地应力方向；通过古地磁法对已知部分约束点进行交变退磁实验，获取已知部分约束点的方位标定，结合波速各向异性和古地磁的实验结果，并结合测井资料等计量结果进行校正。

4.根据权利要求1所述的远场应力状态的智能反演方法，其特征在于，所述S23中约束点非均质参数，分别通过岩石力学参数测井计算与三轴岩石力学实验对已知部分约束点的弹性模型、泊松比、岩石密度进行测试，将弹性模型、泊松比、岩石密度作为约束点非均质参数。

5.根据权利要求1所述的远场应力状态的智能反演方法，其特征在于，所述S3中远场应力状态的加载，加载方法如下：

S_c＝E[0.008V_sh+0.0045(1-V_sh)] (4)

式中：E为弹性模量，单位为MPa；μ为泊松比；C为内聚力，单位为MPa；S_c为抗压强度，单位为MPa；V_sh为为泥质百分含量；ρ_b为岩石密度，单位为kg/m³；Δt_p为纵波时差，单位为1/V；Δt_s为横波时差，单位为1/V；φ为内摩擦角，单位为°；Φ为测井孔隙度；

之后导入岩石力学参数。

6.根据权利要求1所述的远场应力状态的智能反演方法，其特征在于，所述S5中远场应力状态的修正，需要确定地应力的约束范围，包括如下小步：

S51：通过对应力试加载来确定最合适的应力加载范围，利用APDL程序语句获知每一次循环的具体误差大小、正在进行的是第几次的循环运算信息；

S52：根据每一个约束点的垂向地应力、水平最大主应力、水平最小主应力的相对误差，从循环结果得知，垂向主应力、水平最大主应力、水平最小主应力的相对误差较小，获取较为符合所要确定的应力加载的大致范围；

S53：再通过控制约束加载的变化量缩小三个主应力的相对误差，从而得到最佳的数值模拟结果。

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