CN113126167A - 一种基于测井资料的井周近井壁地层损伤评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于测井资料的井周近井壁地层损伤评价方法，包括根据全波列偶极声波测井资料计算岩石各向异性刚度系数；计算岩石的弹性模量、泊松比、Thomsen系数、岩石的柔度系数；根据全波列偶极声波测井资料得到井壁周围地层声波速度的径向剖面；计算近井壁任意位置的柔度张量变化量；根据近井壁任意位置的柔度张量变化量计算近井壁任意位置地层岩石的弥散损伤参数。本发明采用声波测井进行近井壁地层的损伤特性评价，将地层视为横观各向同性介质，利用声波测井资料计算分析了不同岩性和不同径向位置的岩石力学参数、Thomsen各向异性系数以及力学损伤参数，对于地应力评价、井壁稳定分析和水力压裂等具有十分重要的作用。

Description

一种基于测井资料的井周近井壁地层损伤评价方法

技术领域

本发明涉及一种基于测井资料的井周近井壁地层损伤评价方法。

背景技术

在钻井过程中经常遇到井眼坍塌、掉块、扩径等井壁失稳问题，而在水力压裂过程中，天然微裂缝发育的地层往往先于岩石本体开裂，使得水力裂缝在延伸的过程中沿微裂缝面优先扩展，降低了压裂成功率。深部地层中本身存在许多微裂缝，钻井工程中的井壁失稳问题和水力压裂的裂缝扩展问题都可以视为微裂缝在外部因素(力学、化学因素)的作用下扩展、汇合、贯通形成宏观裂缝，宏观裂缝进一步发展直至破坏的过程。

因此，了解地层岩石的声波测井响应特征及其反映的力学性质、各向异性、损伤以及在近井壁地层的分布特性，对深层油气勘探开发过程中的地应力评价、井壁稳定性分析和体积压裂改造设计与施工意义重大。

事实上，岩石中不连续的微裂缝是造成应力各向异性的重要原因之一，脆性岩石在加压过程中的失效是由于存在于岩石中的具有方向性分布的微裂缝的扩展、连通造成的，这一过程是岩石发生力学损伤的主要原因。由于这些微裂缝的存在而造成的损伤通常是各向异性的，这种各向异性可以用二阶和四阶张量来表示，Sayers提出了利用弥散损伤模型来评价岩石损伤，一些学者通过开展不同围压下声波速度测试评价了岩石的损伤情况。

但是，目前关于岩石各向异性损伤的研究主要是室内岩心测试，实验过程中虽然考虑了围压的变化，但不能完全反映井周地层的真实情况，并且不能反映近井壁地层中岩石力学参数、各向异性、损伤特性的径向分布和演化特性，此外，室内测试还存在取心困难、测试昂贵、获得的数据有限等缺点。声波测井资料蕴含了丰富的地层信息，并且具有获取成本相对低、采样点连续等优点，目前利用声波测井资料评价近井壁地层损伤情况的研究尚未见报道。

发明内容

为了克服现有技术中的问题，本发明提供一种基于测井资料的井周近井壁地层损伤评价方法，从而为地应力评价、井壁稳定分析和水力压裂改造设计提供基础依据。

本发明解决上述技术问题所提供的技术方案是：一种基于测井资料的井周近井壁地层损伤评价方法，包括：

根据全波列偶极声波测井资料计算岩石各向异性刚度系数；

根据岩石各向异性刚度系数计算岩石的弹性模量、泊松比、Thomsen系数、岩石的柔度系数；

根据全波列偶极声波测井资料得到井壁周围地层声波速度的径向剖面；

根据井壁周围地层声波速度的径向剖面计算近井壁任意位置的柔度张量变化量；

根据近井壁任意位置的柔度张量变化量计算近井壁任意位置地层岩石的弥散损伤参数。

进一步的技术方案是，所述岩石各向异性刚度系数的计算公式为：

式中：C₃₃为沿井轴的纵波刚度；V_pv为沿井轴的纵波波速；C₄₄为沿井轴的横波刚度；V_sv为沿井轴的横波波速；C₆₆为横向的横波刚度；V_sh为横向的横波波速；ρ为岩石密度；C₁₁为垂直于井眼的纵波刚度；C₁₂、C₁₃为平行于层理面方向两个正交的剪切刚度。

进一步的技术方案是，所述岩石的弹性模量的计算公式为：

式中：E_v为垂直方向的杨氏模量；E_h为平行方向的杨氏模量。

进一步的技术方案是，所述岩石的泊松比的计算公式为：

式中：μ_v为垂直方向的泊松比；μ_h为平行方向的泊松比。

进一步的技术方案是，所述Thomsen系数的计算公式为：

式中：ε为纵波各向异性程度；δ为纵波变异系数；γ为横波各向异性程度。

进一步的技术方案是，所述岩石的柔度系数的计算公式为：

式中：S₁₁为垂直于井眼的柔度系数；S₁₂、S₁₃为平行于层理面方向的两个正交柔度系数；S₃₃为沿井轴的柔度系数。

进一步的技术方案是，根据全波列偶极声波测井资料得到井壁周围地层声波速度的径向剖面包括：

根据全波列偶极声波测井资料获取每个采样深度点的频散曲线；

对每个采样深度点的频散曲线进行反演得到井壁周围地层声波速度的径向剖面。

进一步的技术方案是，其反演公式为：

式中：V_m为以Δr和ΔV为函数模型的频散曲线，Δr和ΔV分别为径向变化地层的厚度和横波波速的变化量；Ω为给定的频率范围，取3.5-10kHz；E’为每个频率上残差的总和；Ω’为Ω的高频段子集，取8-10kHz；λ为权重因子取2。

进一步的技术方案是，所述柔度张量变化量的计算公式为：

式中：

是岩石固有性质的柔度张量；ΔS_ij(r)是柔度张量变化量；S_ij(r)为实测柔度张量；r为径向距离；i＝1,2,3…6；j＝1,2,3…6。

进一步的技术方案是，所述弥散损伤参数的计算公式为：

式中：α₁₁(r)为位置r处垂向上的损伤参数；α₃₃(r)为位置r处水平向的损伤参数；ΔS₁₁(r)、ΔS₁₃(r)、ΔS₃₃(r)、ΔS₄₄(r)、ΔS₆₆(r)分别为位置r处柔度张量变化量ΔS_ij(r)的各个分量。

本发明具有以下有益效果：本发明采用声波测井进行近井壁地层的损伤特性评价，将地层视为横观各向同性介质，利用声波测井资料计算分析了不同岩性和不同径向位置的岩石力学参数、Thomsen各向异性系数以及力学损伤参数，对于地应力评价、井壁稳定分析和水力压裂等具有十分重要的作用。

附图说明

图1为本发明流程图；

图2为DL1井岩石力学参数测井解释成果图；

图3为4255m处弹性力学参数径向分布；

图4为4255m处Thomsen系数径向分布；

图5为4255m处损伤参数径向分布。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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，本发明的一种基于测井资料的井周近井壁地层损伤评价方法，具体包括以下步骤：

S1、收集全波列偶极声波测井资料，计算岩石各向异性刚度系数；

式中：C₃₃为沿井轴的纵波刚度；V_pv为沿井轴的纵波波速；C₄₄为沿井轴的横波刚度；V_sv为沿井轴的横波波速；C₆₆为横向的横波刚度；V_sh为横向的横波波速；ρ为岩石密度；C₁₁为垂直于井眼的纵波刚度；C₁₂、C₁₃为平行于层理面方向两个正交的剪切刚度；

S2、利用各向异性刚度系数计算岩石的弹性模量、泊松比及Thomsen系数；

式中：E_v、E_h分别表示垂直和平行方向的杨氏模量；μ_v、μ_h分别表示垂直和平行方向的泊松比；ε表示纵波各向异性程度；δ表示纵波变异系数；γ表示横波各向异性程度。

S3、再利用各向异性刚度系数计算岩石的柔度系数；

S4、根据全波列偶极声波测井资料获取每个采样深度点的频散曲线，再通过对每个采样深度点的频散曲线进行处理，得到井壁周围地层声波速度的径向剖面；

由于DSI、XMAC等偶极声波测井仪器的广泛应用，在测量地层纵横波速度的同时，还能获取每个深度采样点的横波波速随着声波发射频率变化的频散分析结果。不同声发射频率条件下的横波波速，对应着不同地层径向探测深度范围内岩石的横波响应特征。在高频声发射条件下，测井仪器震荡频率快，激发的横波波长较短、传播速度慢，穿透能力较差，其能量主要集中在近井壁附近，反映了井壁附近地层的声波响应特征；在低频声发射条件下，测井仪器震荡频率慢，激发的横波波长较长、传播速度快，穿透能力相对较好，反映了原状地层的声波响应特征。因此，通过对每个采样深度点的频散曲线进行处理，可得到井壁周围地层横波速度的径向剖面。具体原理如下：

对于偶极子声源激发的声波而言，其声波波形是一种具有频散特性的弯曲波，该波形的频散曲线方程可由下式给出：

D(k,w；B,F(r))＝0

式中：k为波数；w为角频率；B为井孔中的波导部分，受到井孔中流体和测井仪器影响；F(r)表示在弹性各向同性地层中，其声波速度和密度随着径向距离r而变化。

由于横波波速和密度随着径向距离r而变化，求解上式便能得到横波波速随频率的变化关系，即横波频散曲线。频散曲线的低频特征和高频特征与原状地层和变化地层的横波速度有紧密的联系。为了找出这种对应关系，需要构造公式进行反演，以便确定径向变化地层速度的大小和径向变化区域的厚度，具体的反演公式如下：

式中：V_m为以Δr和ΔV为函数模型的频散曲线，Δr和ΔV分别为径向变化地层的厚度和横波波速的变化量；Ω为给定的频率范围，取3.5-10kHz；E’为每个频率上残差的总和；Ω’为Ω的高频段子集，取8-10kHz；λ为权重因子取2；

S5、利用步骤S4得到的声波速度的径向剖面，计算近井壁任意位置的柔度张量变化量ΔS_ij(r)；

先采用步骤S1-S3计算不同径向位置的柔度系数剖面；由于远井区域(原状地层)岩石中的微裂缝处于闭合状态，将远井区域的岩石柔度视为岩石的固有柔度

而近井壁任意位置的地层刚度系数及柔度系数的变化是由于裂缝在外部环境作用下的张闭而造成的，因此，根据将近井壁任意位置的地层柔度系数变化ΔS_ij(r)视为实测柔度系数S_ij(r)与固有柔度

之间的差值：

式中：

为岩石固有性质的柔度张量；ΔS_ij(r)为柔度张量变化量；S_ij(r)为实测柔度张量；r为径向距离；i＝1,2,3…6；j＝1,2,3…6；

S6、根据地层柔柔度张量变化量ΔS_ij(r)，计算近井壁任意位置地层岩石的弥散损伤参数α₁₁(r)和α₃₃(r)；

式中：α₁₁(r)为位置r处垂向上的损伤参数；α₃₃(r)为位置r处水平向的损伤参数；ΔS₁₁(r)、ΔS₁₃(r)、ΔS₃₃(r)、ΔS₄₄(r)、ΔS₆₆(r)分别为位置r处柔度张量变化量ΔS_ij(r)的各个分量。

实施例

以DL工区DL1井4200～4300m井段为例：

利用偶极横波测井资料，计算了DL工区内DL1井4200～4300m范围内的杨氏模量和泊松比以及相应的弹性刚度参数，评价结果如图2所示。

图2中：从左至右，第一道为深度，第二道为井眼指示，第三道孔隙度，第四道为岩性体积剖面，第五道为弹性刚度参数，第六道为岩石力学参数，最后一道是油气解释结论，其中弹性刚度参数和岩石力学参数是未受到井眼周围环境影响的原状地层的曲线。

在4200～4300m深度范围内，DL1井的钻头直径为9.5英寸，部分井段存在井壁崩落和垮塌现象。在该深度段范围内，某些层位井眼扩径现象较为严重，为了排除井眼扩径的影响，仅选取井眼非扩径段进行计算。结果表明：地层岩石刚度系数之间的大小排序大致为C₃₃>C₁₁>C₁₂≈C₁₃>C₄₄≈C₆₆，横向弹性模量明显高于纵向弹性模量，纵向泊松比明显大于横向泊松比，说明地层各向异性特征十分显著。

由于偶极横波的探测灵敏度在1m以内，并且井眼周围的应力集中范围通常在2倍井眼半径左右的地层中，因此，研究了从井壁地层到4倍于井眼半径地层范围内的岩石力学参数及损伤参数，并认为≥4倍井眼半径的地层为原状地层。

本发明以选取井深4255m井段进行分析：在井深4255m处，利用测井资料解释的原状地层力学参数μ_v＝0.257、μ_h＝0.199、E_v＝50.70GPa、E_h＝77.36GPa，相比于水平向，垂向泊松比较大而杨氏模量较小，说明水平向的岩石更为致密。纵波各向异性系数ε＝-0.0393、横波各向异性系数γ＝-0.0569，纵波各向异性程度要大于横波。

图3为弹性力学参数的径向分布，该深度处地层岩性以砂岩为主，由图可知：随着远离井壁距离的增加，μ_v和μ_h在降低，E_v和E_h在升高。岩石力学参数的主要变化范围在1.8倍井眼半径范围内，1.8倍井眼半径到2.6倍井眼半径地层变化较弱，超过2.6倍井眼半径后，岩石力学参数几乎不再变化。

图4为Thomsen系数的径向分布，纵波各向异性系数ε和横波各向异性系数γ均有所降低，且ε>γ，但γ的径向变化程度要大于ε。

图5为损伤参数的径向分布，从井壁地层到远井地层，损伤参数逐渐减小；径向损伤范围主要集中在2.6倍井眼半径地层内，当径向距离超过2.6倍井眼半径后，损伤参数几乎不再变化；在1.0～1.8倍于井眼半径地层范围内，损伤参数急剧下降，说明井壁地层的损伤主要集中在这个范围内，且发生在4218m的井眼扩径现象也间接证明井壁地层的损伤主要发生在该范围内；水平方向的损伤参数α₃₃要远远大于垂直方向的损伤参数α₁₁，在井壁地层处水平向损伤程度大约是垂向的17倍，说明在井壁附近由于应力重新分布、钻井液侵入和钻柱扰动等原因产生的微裂隙主要在水平方向上展布。

由岩石力学参数、各向异性系数、损伤参数的径向分布计算结果，可以看出：随着径向距离的增加，泊松比降低且μ_v>μ_h，杨氏模量增加且E_v<E_h；纵波和横波的各向异性系数均随着径向距离的增加而降低，通常情况下纵波各向异性系数要大于横波，但横波各向异性系数变化更为明显；井眼周围岩石的损伤以水平向为主，这可能是由于层理面性质岩石其垂向上和横向上的渗透率(垂向上的渗透率小于水平向)不同，导致钻井液等外来流体主要沿着水平向侵入，导致岩石中本身存在的微裂缝张开、扩展、连通、甚至形成了宏观裂缝。

以上所述，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已通过上述实施例揭示，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，可利用上述揭示的技术内容作出些变动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种基于测井资料的井周近井壁地层损伤评价方法，其特征在于，包括：

根据全波列偶极声波测井资料计算岩石各向异性刚度系数；

根据岩石各向异性刚度系数计算岩石的弹性模量、泊松比、Thomsen系数、岩石的柔度系数；

根据全波列偶极声波测井资料得到井壁周围地层声波速度的径向剖面；

根据井壁周围地层声波速度的径向剖面计算近井壁任意位置的柔度张量变化量；

根据近井壁任意位置的柔度张量变化量计算近井壁任意位置地层岩石的弥散损伤参数。

2.根据权利要求1所述的一种基于测井资料的井周近井壁地层损伤评价方法，其特征在于，所述岩石各向异性刚度系数的计算公式为：

式中：C₃₃为沿井轴的纵波刚度；V_pv为沿井轴的纵波波速；C₄₄为沿井轴的横波刚度；V_sv为沿井轴的横波波速；C₆₆为横向的横波刚度；V_sh为横向的横波波速；ρ为岩石密度；C₁₁为垂直于井眼的纵波刚度；C₁₂、C₁₃为平行于层理面方向两个正交的剪切刚度。

3.根据权利要求2所述的一种基于测井资料的井周近井壁地层损伤评价方法，其特征在于，所述岩石的弹性模量的计算公式为：

式中：E_v为垂直方向的杨氏模量；E_h为平行方向的杨氏模量。

4.根据权利要求2所述的一种基于测井资料的井周近井壁地层损伤评价方法，其特征在于，所述岩石的泊松比的计算公式为：

式中：μ_v为垂直方向的泊松比；μ_h为平行方向的泊松比。

5.根据权利要求2所述的一种基于测井资料的井周近井壁地层损伤评价方法，其特征在于，所述Thomsen系数的计算公式为：

式中：ε为纵波各向异性程度；δ为纵波变异系数；γ为横波各向异性程度。

6.根据权利要求2所述的一种基于测井资料的井周近井壁地层损伤评价方法，其特征在于，所述岩石的柔度系数的计算公式为：

式中：S₁₁为垂直于井眼的柔度系数；S₁₂、S₁₃为平行于层理面方向的两个正交柔度系数；S₃₃为沿井轴的柔度系数。

7.根据权利要求1所述的一种基于测井资料的井周近井壁地层损伤评价方法，其特征在于，根据全波列偶极声波测井资料得到井壁周围地层声波速度的径向剖面包括：

根据全波列偶极声波测井资料获取每个采样深度点的频散曲线；

对每个采样深度点的频散曲线进行反演得到井壁周围地层声波速度的径向剖面。

8.根据权利要求7所述的一种基于测井资料的井周近井壁地层损伤评价方法，其特征在于，其反演公式为：

式中：V_m为以Δr和ΔV为函数模型的频散曲线，Δr和ΔV分别为径向变化地层的厚度和横波波速的变化量；Ω为给定的频率范围，取3.5-10kHz；E’是每个频率上残差的总和；Ω’为Ω的高频段子集，取8-10 kHz；λ为权重因子取2。

9.根据权利要求1所述的一种基于测井资料的井周近井壁地层损伤评价方法，其特征在于，所述柔度张量变化量的计算公式为：

式中：

为岩石固有性质的柔度张量；ΔS_ij(r)为柔度张量变化量；S_ij(r)为实测柔度张量；r为径向距离；i＝1,2,3…6；j＝1,2,3…6。

10.根据权利要求1所述的一种基于测井资料的井周近井壁地层损伤评价方法，其特征在于，所述弥散损伤参数的计算公式为：

式中：α₁₁(r)为位置r处垂向上的损伤参数；α₃₃(r)为位置r处水平向的损伤参数；ΔS₁₁(r)、ΔS₁₃(r)、ΔS₃₃(r)、ΔS₄₄(r)、ΔS₆₆(r)分别为位置r处柔度张量变化量ΔS_ij(r)的各个分量。

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