CN113108957B

CN113108957B - 一种古构造期地应力的岩心测试及提取方法

Info

Publication number: CN113108957B
Application number: CN202110290727.8A
Authority: CN
Inventors: 梁利喜; 刘向君; 熊健; 丁乙; 张文
Original assignee: Southwest Petroleum University
Current assignee: Southwest Petroleum University
Priority date: 2021-03-18
Filing date: 2021-03-18
Publication date: 2021-11-30
Anticipated expiration: 2041-03-18
Also published as: CN113108957A; US11372121B1

Abstract

本发明公开了一种古构造期地应力的岩心测试及提取方法，通过不同构造地质年代地层岩心筛选、特定方位试样制备，以及围压下不同地质年代地层的声发射测试分析，实现了多构造期古地应力测试及古构造应力数据序列获取；基于应力数据序列相关性分析及欧氏距离分析对不同地层岩心声发射多级次凯瑟应力点的成功剥离、提取，实现了对所评价地层在所评价古构造期中地应力大小量级的计算评价，该方法可为古应力恢复、地层古构造恢复、储层构造裂缝预测、断裂活动性分析以及构造动力学分析等提供有效的古地应力信息。对油气储层预测评价、地层古构造研究以及矿藏地质勘探具有重要意义。

Description

一种古构造期地应力的岩心测试及提取方法

技术领域

本发明属于地质构造及力学技术领域，具体为一种古构造期地应力的岩心测试及提取方法。

背景技术

古应力是古构造恢复、构造裂缝预测、断裂活动性分析所需的重要基础参数，科学准确评价古应力对构造演化解析、油气储层预测、矿藏识别评价以及断裂活动性预测具有重要意义。目前研究古应力的方法主要由基于断层/节理等构造产状及其动力学特征的反演、方解石e-双晶滑移分析以及基于岩石声发射的应力测试等方法。

其中，由于岩石声发射对应力“记忆”具有多期次性、方向性，因此，基于岩石声发射的古应力评价方法具有可测得岩石经历的多期次构造的应力及其在不同方向的地应力水平的优点；但是仅仅通过岩石的声发射测试无法实现将测得多期次古应力进行分离，并与多个古构造期进行一一对应、分期配套，从而难以对特定构造构造期的地应力进行提取、分析；目前尽管通过结合野外节理/断层对古地应力的定性指示分析等方法可实现古应力与古构造的分期配套，但存在方法复杂、对分析人员的地质构造专业水平要求高、工作量大、结果可靠性无法保证等问题。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种古构造期地应力的岩心测试及提取方法，解决了现有多期次古应力测试方法难以与古构造分期配套、工作量大、结果可靠性差等问题，实现了特定构造期地应力的快捷、科学提取、评价。

为了达到上述发明目的，本发明具体通过以下技术方案实现：

一种古构造期地应力的岩心测试及提取方法，包括以下步骤：

S1、筛选所评价构造期的钻井岩心T1以及所评价构造期前一构造期次的钻井岩心T0，对T0、T1岩心进行径向方位一致性标定，确保各岩心径向相对0°的地理方位相同；

S2、从T0、T1岩心分别钻取直径25mm、长度50mm的标柱塞试样，并对所钻取试样进行两端切割磨平。

S3、对得到的柱塞试样分别进行声发射应力测试，识别加载过程中各试样声发射的所有凯瑟点及对应的加载应力；

S4、以同方位每个试样声发射凯瑟点对应的加载应力数据序列计算平均值，得到相应地层、相应方位的古应力数据序列；计算方法为：

其中，DStr表示古应力数据序列；i为0或1，表示T0或T1岩心，j表示柱塞试样方位；M表示同方位试样的个数；m表示第m个应力数据序列，1≤m≤M；

S5、设定T0、T1柱塞试样在j方位应力的数据个数N0、N1，从T0柱塞试样应力数据序列中随机抽取N1个数据进行排列，构建该方位的待评价应力数据序列；

S6、利用式(2)、(3)和(4)逐一计算步骤S5构建的待评价应力数据序列与步骤S4同方位T1柱塞试样应力数据序列之间的相关系数、欧氏距离以及相关系数与欧氏距离的比值；

其中，Rt_ij为Ti地层某一方位应力序列DStri与Tj地层相应方位应力序列DStrj的相关系数；

Do_ij为Ti地层某一方位应力序列DStri与Tj地层相应方位应力序列DStrj的欧氏距离；

R_ij为相关系数与欧氏距离的比值；

σ_ik为Ti地层某一定方位应力数据序列DStri中的第k个应力值；

σ_jk为Tj地层某一定方位应力数据序列DStrj中的第k个应力值；

分别为σ_ik、σ_jk的平均值；

S7、根据步骤S6计算结果，依据式(5)、(6)和(7)，获取同方位所有待评价应力序列与步骤S4同方位T1柱塞试样应力数据序列之间的最大相关系数Rt、最小欧氏距离Do以及最大的相关系数与欧氏距离比值R_max；

Rt＝Max(Rt_ij-t) (5)

Do＝Min(Do_ij-t) (6)

其中，Rt_ij-t、Do_ij-t分别为第t个步骤S5构建的待评价应力数据序列与步骤S4同方位T1柱塞试样应力数据序列之间的相关系数、欧氏距离；

S8、最大相关系数Rt、最小欧氏距离Do以及最大的相关系数与欧氏距离比值R_max对应的待评价应力数据序列即为T0地层中记忆在该方位与T1地层中对应方位的相同应力序列，此时，其对应的步骤S4中T0柱塞试样应力数据序列中被移除的应力数据则为该方位T0地层所具有、而T1地层所不具有的应力数据，即T0地层在所评价构造期的古应力数据，实现了在分析方位所评价构造期的古应力数据剥离、提取；

S9、根据式(8)和(9)计算所评价构造期的古地应力的水平最大主应力、水平最小主应力以及垂向主应力：

其中，σ_H1、σ_H2、σ_V分别为所分析构造期地层的水平最大主应力、水平最小主应力、垂向主应力。σ₀、σ₄₅、σ₉₀则分别为对0°方位、45°方位、90°方位的应力分量。

进一步的，步骤S1中岩心T1、T0分别取自待评价构造期地层、待评价构造期之前一构造期的地层，取样处地层应满足构造平缓、地层倾角不大于15°；且所取T0、T1岩心直径不小于65mm，岩心无肉眼可见裂缝、岩脉结构面发育。

进一步的，步骤S2中钻取柱塞试样分别沿T0、T1岩心的0°、45°、90°三个径向方位和轴向方位。

进一步的，步骤S4中通过对同一方位至少3个试样测得的应力数据序列进行平均，以消除不确定因素对应力测试结果的影响。

进一步的，步骤S5中对于T0、T1柱塞试样j方位应力的数据个数N0、N1，通过从T0柱塞试样应力数据序列中随机抽取N1数据进行排列，构建待评价应力数据序列，在此方位共构建N0(N0-1)(N0-2)…(N0-N1+1)个待评价应力序列。

进一步的，步骤S8中通过所有N0(N0-1)(N0-2)…(N0-N1+1)个待评价应力序列与同方位T1柱塞试样应力数据序列之间的最大相关系数Rt、最小欧氏距离Do以及最大的相关系数与欧氏距离比值R_max三个参数，确定T0地层中记忆的与T1地层对应方位相同的应力序列。

本发明的有益效果为：

本发明提供的一种古构造期地应力的岩心测试及提取方法实现了特定构造期古地应力的快捷、科学提取与评价。为古应力恢复、地层古构造恢复、储层构造裂缝预测、断裂活动性分析以及构造动力学分析等提供了有效的古地应力信息。对油气储层预测评价、地层古构造演化研究、矿藏地质勘探以及断裂活动性预测具有重要意义。

附图说明

图1是本发明古构造期地应力的岩心测试及提取流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明具体的实施例，对本发明技术方案进行清楚、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。

如图1所示，一种古构造期地应力的岩心测试及提取方法，包括以下步骤：

1、筛选岩心

筛选所评价构造期的钻井岩心T1以及所评价构造期前一构造期次的钻井岩心T0。钻井取样处地层构造平缓，地层倾角不大于15°；各岩心直径不小于65mm且无肉眼可见裂缝、岩脉等结构面发育；对T0、T1岩心进行径向方位一致性标定，确保各岩心径向相对0°的地理方位相同。

2、试样制备

对T0地层岩心分别沿0°、45°、90°三个径向方位、以及轴向方位钻取直径25mm的柱塞试样T0_-0、T0_-45、T0_-90、T0_-V，并对所钻取试样进行两端切割磨平，每个方位至少钻取3个试样，即T0地层岩心共钻取制备至少12个直径25mm柱塞试样。同样，对地层岩心T1也分别沿0°、45°、90°三个径向方位、以及轴向方位钻取制备试样T1_-0、T1_-45、T1_-90、T1_-V；每个方位同样钻取制备不少于3个试样。

3、声发射应力测试

对钻取制备的T0_-0、T0_-45、T0_-90、T0_-V、T1_-0、T1_-45、T1_-90、T1_-V共6组柱塞试样(每组不少于3个试样)沿轴向进行连续加载，同步对加载过程中的声发射事件进行连续实时记录，对声发射结果进行分析，识别加载过程中各试样声发射的所有凯瑟点及其对应的加载应力。

4、获得地层古应力数据序列

以每个试样射凯瑟点所对应的加载应力构成古应力数据序列，为消除数据中不确定因素的影响，对每组所有试样(不少于3个)的古应力数据序列计算平均值。

平均后得到相应地层、相应方位的古应力数据序列。即，分别获得T0_-0、T0_-45、T0_-90、T0_-V、T1_-0、T1_-45、T1_-90、T1_-V的应力数据序列DStr0_-0、DStr0_-45、DStr0_-90、DStr0_-V以及DStr1_-0、DStr1_-45、DStr1_-90、DStr1_-V，具体如下：

DStr0_-0＝{Str0_-0-1、Str0_-0-2。。。Str0_-0-i。。。Str0_-0-N0}

DStr0_-45＝{Str0_-45-1、Str0_-45-2。。。Str0_-45-i。。。Str0_-45-N0}

DStr0_-90＝{Str0_-90-1、Str0_-90-2。。。Str0_-90-i。。。Str0_-90-N0}

DStr0_-v＝{Str0_-v-1、Str0_-v-2。。。Str0_-v-i。。。Str0_-v-N0}

DStr1_-0＝{Str1_-0-1、Str1_-0-2。。。Str1_-0-i。。。Str1_-0-N1}

DStr1_-45＝{Str1_-45-1、Str1_-45-2。。。Str1_-45-i。。。Str1_-45-N1}

DStr1_-90＝{Str1_-90-1、Str1_-90-2。。。Str1_-90-i。。。Str1_-90-N1}

DStr1_-v＝{Str1_-v-1、Str1_-v-2。。。Str1_-v-i。。。Str1_-v-N1}

表1各地层不同方位的岩心凯瑟应力数据序列

5、古应力数据剥离、提取

5.1 0°方位古应力数据剥离、解析

(1)获取地层DStr0_-0、DStr1_-0方位的应力序列中应力的数据个数N0、N1。从DStr0_-0中随机移除NN＝N0-N1个数据，构建与DStr1_-0具有相同应力数量的应力数据序列DStr01。即，从DStr0_-0中抽取N1个数据进行排列，构建应力数据序列，形式如下：

DStr01_-0＝{Str1_-0-1、Str1_-0-2。。。Str1_-0-i。。。Str0_-0-N1}

共构建N0(N0-1)(N0-2)…(N0-N1+1)个具有N1个应力数据的应力数据序列DStr01。

表1所示T1地层应力数据序列中共有3个应力数据，即N1＝3；T0地层应力数据序列中共有4个应力数据，即N0＝4。从DStr0-0抽取3个数据形成DStr01数据序列，共12个，结果如表2。

表2由T0地层应力数据序列抽取、构建的待评价应力数据系列DStr01

(2)利用式(2)、式(3)、式(4)的逐一计算前面所形成的待评价应力数据序列DStr01与应力数据序列DStrl-₀之间的相关系数、欧氏距离以及相关系数与欧氏距离的比值；

上式中，Rt_ij为Ti地层某一方位应力序列应力序列DStri与Tj地层相应方位应力序列DStrj的相关系数；Do_ij为Ti地层某一方位应力序列应力序列DStri与Tj地层相应方位应力序列DStrj的欧氏距离；R_ij为相关系数与欧氏距离的比值；σ_ik为Ti地层某一定方位应力数据序列中的第k个应力值，对应取值可为Stri_-0-k、Stri_-45-k、Stri_-90-k、Stri_-v-k；σ_jk为Tj地层某一定方位应力数据序列中的第k个应力值，对应取值可为Strj_-0-k、Strj_-45-k、Strj_-90-k、Strj_-v-k；

分别为σ_ik、σ_jk的平均值。

逐一计算表2中各待评价应力数据序列DStr01与应力数据序列DStrl_-0之间的相关系数、欧氏距离、相关系数/欧氏系数的比值，结果如表3所示。

表3T0地层应力数据序列构建及其与T1地层0°方位古应力数据序列的相关性分析

(3)依据两数据序列的相关系数与欧氏距离，识别相同应力数据序列：依据(5)、(6)、(7)，获取所有待评价应力序列与DStrl-0之间的最大相关系数Rt、最小欧氏距离Do以及最大的相关系数与欧氏距离比值R_max。

Rt＝Max(Rt_ij-t) (5)

Do＝Min(Do_ij-t) (6)

上式中，Rt_ij-t、Do_ij-t分别为第t个待评价系列DStr01与应力数据序列DStr1_-0之间的相关系数、欧氏距离。

最大相关系数Rt、最小欧氏距离Do以及最大的相关系数与欧氏距离比值R_max对应的待评价应力数据序列即为T0地层中记忆在该方位与T1_-0地层中对应方位的相同应力序列；此时，其对应的DStr0_-0中被移除的应力数据则为该方位T0地层所具有、而T1地层所不具有的应力数据，即T0地层在所评价构造期的古应力数据，通过上述步骤实现了在分析方位所评价构造期的古应力数据剥离、提取。

5.2 45°方位、90°方位及轴向方位古应力数据剥离、提取

对45°方位、90°方位以及轴向方位，按上述5.1步骤实施，进行所评价构造期的相应方位应力数据的剥离、提取。

表4为从表1所示的T0地层应力序列中剥离得到的与T1相同的应力数据及评价构造期的应力数据。

表4T0地层各方位应力数据序列中所包含的T1应力序列及评价构造期应力应力

6、主应力计算

由剥离、提取的各应力分量，根据式(8)、式(9)，计算所评价构造期的古地应力的水平最大主应力、水平最小主应力以及垂向主应力。

式(5)、(6)中，σ_H1、σ_H2、σ_V分别为所分析构造期地层的水平最大主应力、水平最小主应力、垂向主应力。σ₀、σ₄₅、σ₉₀则分别为对0°方位、45°方位、90°方位的应力分量。

由表4剥离、抽取的评价构造期主应力分量计算主应力结果如表5所示。

表5主应力计算结果

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

1.一种古构造期地应力的岩心测试及提取方法，其特征在于，包括以下步骤：

S2、从T0、T1岩心分别钻取直径25mm、长度50mm的标柱塞试样，并对所钻取试样进行两端切割磨平；

其中，DStr表示古应力数据；i为0或1，表示T0或T1岩心，j表示柱塞试样方位；M表示同方位试样的个数，M≥3；m表示第m个应力数据序列，1≤m≤M；

S5、设定T0、T1柱塞试样在j方位应力的数据个数N0、N1，从T0柱塞试样应力数据序列的N0个数据中随机抽取N1个数据进行排列，构建该方位的待评价应力数据序列；

R_ij为相关系数与欧氏距离的比值；

σ_ik为Ti地层某一定方位应力数据序列DStri中的第k个应力值；

σ_jk为Tj地层某一定方位应力数据序列DStrj中的第k个应力值；

分别为σ_ik、σ_jk的平均值；

Rt＝Max(Rt_ij-t) (5)

Do＝Min(Do_ij-t) (6)

其中，σ_H1、σ_H2、σ_V分别为所分析构造期地层的水平最大主应力、水平最小主应力、垂向主应力； σ₀、σ₄₅、σ₉₀则分别为对0°方位、45°方位、90°方位的应力分量。

2.根据权利要求1所述的古构造期地应力的岩心测试及提取方法，其特征在于，所述步骤S1中岩心T1、T0分别取自待评价构造期地层、待评价构造期之前一构造期的地层，且取样处地层应满足构造平缓、地层倾角不大于15°；所取T0、T1岩心直径不小于65mm，岩心无肉眼可见裂缝、岩脉结构面发育。

3.根据权利要求1所述的古构造期地应力的岩心测试及提取方法，其特征在于，所述步骤S2中钻取柱塞试样分别沿T0、T1岩心的0°、45°、90°三个径向方位和轴向方位。

4.根据权利要求1所述的古构造期地应力的岩心测试及提取方法，其特征在于，所述步骤S4中通过对同一方位至少3个试样测得的应力数据序列进行平均，以消除不确定因素对应力测试结果的影响。

5.根据权利要求1所述的古构造期地应力的岩心测试及提取方法，其特征在于，所述步骤S5中对于T0、T1柱塞试样j方位应力的数据个数N0、N1，通过从T0柱塞试样应力数据序列中随机抽取N1数据进行排列，构建待评价应力数据序列，在此方位共构建N0(N0-1)(N0-2)...(N0-N1+1)个待评价应力序列。

6.根据权利要求1所述的古构造期地应力的岩心测试及提取方法，其特征在于，所述步骤S8中通过所有N0(N0-1)(N0-2)...(N0-N1+1)个待评价应力序列与同方位T1柱塞试样应力数据序列之间的最大相关系数Rt、最小欧氏距离Do以及最大的相关系数与欧氏距离比值R_max三个参数，确定T0地层中记忆的与T1地层对应方位相同的应力序列。