CN113625364A - 一种基于双重校正的泥页岩地层孔隙压力的计算方法 - Google Patents

一种基于双重校正的泥页岩地层孔隙压力的计算方法 Download PDF

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Abstract

一种基于双重校正的泥页岩地层孔隙压力计算方法，(1)准备岩心等资料；(2)岩样钻取、烘干、测量密度、电阻率和声波时差；(3)钻井液浸泡、测量、求取三个参数的改变量；通过双侧向电阻率测井获得电阻率改变量；(4)得到不同含量有机碳岩样的声波时差与有机碳含量的关系式，求取有机碳含量趋于0的声波时差极限值；获取岩样声波时差与极限值的差值，并获取该差值与有机碳含量间的关系式；得到水化校正和有机质校正后的声波时差，(5)构建基于校正后声波时差的压实趋势曲线，求出不同压力测试点的压实校正系数c，建立其与深度的关系。本发明计算的地层孔隙压力更接近原始地层状态，提高了预测精度。

Description

一种基于双重校正的泥页岩地层孔隙压力的计算方法
技术领域
本发明属于石油钻井技术领域，具体涉及一种基于双重校正的泥页岩地层孔隙压力计算方法。
背景技术
储层地质力学指在储层开发中遇到的各种地质力学问题，一般涉及岩石力学、孔隙压力、地应力等参数，其中孔隙压力对于井壁稳定性、压裂改造等有重要的影响。在储层孔隙压力预测方面，主要可分为三类，基于欠压实理论的等效深度法和Eaton法、基于有效应力理论的Bowers和有效应力法、综合解释法，这些预测方法在地层孔隙压力预测方面都有一定的适应性。随着能源需求的增加，非常规页岩油气储层受到越来越多的重视。现有生产表明页岩油气储层中存在异常高压地层，其形成机制除了与生烃作用有关外，还与页岩储层岩石中富含有机质有关。随着岩石中有机质含量增大，岩石的声波时差将增大，基于压实理论获取的正常压实趋势曲线时，实测地层声波时差将偏离正常压实趋势曲线，造成地层压力预测值偏高的现象。另外，在页岩油气储层钻井过程中，钻井液侵入地层将发生较明显的水化作用，水化作用也将造成岩石声波时差增大，而裸眼测井获得地层的声波数据，都是水化后地层的声波数据。
因此，页岩油气储层钻井过程中，会受到有机质和水化作用的双重影响，常规的孔隙度计算方法无法直接应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于双重校正的泥页岩地层孔隙压力计算方法，通过对水化作用和有机质的先后校正，计算的地层孔隙压力大小更加接近原始地层状态，提高了预测精度，相比于常规方法更符合泥页岩地质特征，算出的孔隙压力更为合理。
本发明采取的技术方案是：
一种基于双重校正的泥页岩地层孔隙压力计算方法，包括以下步骤：
步骤一：准备研究工区的实验岩心资料、地质资料、现场钻井用钻井液、测井资料、钻完井报告；
步骤二：对获取的研究工区井下实验样品进行岩心描述，且钻取标准岩样数60-80块，对岩样烘干后，测量干燥岩样的密度、电阻率和超声波波速，获取原岩岩样的密度、电阻率和声波时差(分别表示为DEN0、R0、Δt0，指未发生浸泡水化的值)；
步骤三：采用现场钻井用钻井液对步骤二的干燥岩样进行浸泡实验(浸泡过程中岩样与钻井液将发生水化作用进而改变岩石的物理性质)，对浸泡后的岩样进行密度、电阻率、声波测量，获取浸泡后岩样的密度、电阻率和声波时差(分别表示为DEN、R、Δt，发现浸泡后岩样密度增大、电阻率减小、声波时差增大)；
结合步骤二，获得密度、电阻率和声波时差的改变量(ΔDEN、ΔR、Δ(Δt)1)；以电阻率改变量为自变量，分别以密度改变量、声波时差改变量为因变量进行拟合回归(分析发现密度改变量、声波时差改变量与电阻率改变量存在较好的关系)，见式(1)和式(2)所示，
另外，电阻率改变量又能通过双侧向电阻率测井资料获得，见式(3)所示(钻井过程中，钻井液会侵入地层，在井壁附近形成侵入带，侵入带地层的岩石物理性质会发生改变，现场的双侧向电阻率测井可反映出钻井液对侵入带地层和原状地层电阻率的差异，其中深侧向电阻率Rd反映原状地层电阻率(即R0＝Rd)，浅侧向电阻率Rs反映侵入带地层电阻率，进而可获得钻井液侵入后地层电阻率改变量。通过双侧向电阻率测井值，可将本申请的室内实验结果与现场实际测量结果建立关系)，
Δ(Δt)1＝f1(ΔR)＝aΔR+b (1)
ΔDEN＝f2(ΔR)＝dln(ΔR)-e (2)
ΔR＝Rd-Rs (3)
式中：Δ(Δt)1、ΔR、ΔDEN分别为岩样因为浸泡水化而导致的声波时差改变量、电阻率改变量、密度改变量；Rd为深侧向电阻率值；Rs为浅侧向电阻率值；a、b、d、e为待定系数；
步骤四：基于现场测井资料中的声波时差、密度、深侧向电阻率、浅侧向电阻率资料，获得经水化校正后的原状地层声波时差、密度值为：
Δt0＝Δt-Δ(Δt)1 (4)
DEN0＝DEN-ΔDEN (5)
式中：Δt为测井资料中的地层声波时差(水化后的)，us/m；Δt0为水化校正后的地层声波时差(原状地层的)，us/m；DEN为测井资料中的地层密度，g/cm3；DEN0为水化校正后的地层密度(原状地层的)，g/cm3；
步骤五：通过实验同步对步骤二的干燥岩样进行有机碳含量测试，获得每个岩样的有机碳含量，从而得到不同含量有机碳岩样的声波时差与有机碳含量间的关系式，
Δt(TOC)＝fln(ω(TOC))+p (6)
式中：Δt(TOC)为不同含量有机碳的岩样的声波时差，us/m；ω(TOC)为岩样的有机碳含量，％；f、p为待定系数；
对式(6)求取当岩样有机碳含量趋于0时极限，获取岩样声波时差的极限值Δtlim：
Figure BDA0003218512600000041
步骤六：以岩样声波时差极限值作为基准值，获取岩样声波时差与该极限值的差值，定义该差值为岩样声波时差的校正量，并获取该校正量与有机碳含量间的关系式，见式(7)；
Δ(Δt)2＝Δt(TOC)-Δtlim＝fln(ω(TOC))+p-Δtlim (7)
式中：Δ(Δt)2为(原状地层)基于有机碳含量的岩样声波时差校正量；
步骤七：基于水化校正后的地层声波时差，结合测井资料中的有机碳含量信息，对富含有机质地层声波时差进行有机质校正，最终，经过水化校正和有机质校正后的地层声波时差为
Δt(水化+TOC)校正＝Δt0-Δ(Δt)2 (8)
式中：Δt(水化+TOC)校正为经过双重校正(水化校正和有机碳校正)后的真实声波时差，us/m；
步骤八：利用测井资料中自然伽马信息，计算地层的泥质含量，利用测井资料中井径信息和钻完井报告中钻头尺寸信息，计算地层的扩径率，进而，选择泥质含量大于85％、井径扩径率小于10％泥岩段地层，基于压实理论，构建研究区块的基于校正后声波时差的压实趋势曲线，其方程如式(9)，
H＝hln(Δt(水化+TOC)校正)+j (9)
式中：H为地层深度，m；h、j为待定系数；
步骤九：结合钻完井报告的中途测试或静压测试获取的地层压力实测资料，利用式(10)计算求出不同地层压力测试点下的压实校正系数c，发现压实校正系数c值不是固定值，是一个与深度有关的函数，以此建立了压实校正系数c与深度间的关系，见式(11)，
Figure BDA0003218512600000051
式中：Pp为地层压力，MPa；σv为上覆岩层压力，MPa；ph为地层静水压力，MPa；Δtn为同一深度正常压实趋势线上的声波时差，us/m；c为压实校正系数，
c＝mHn (11)
式中：H为地层深度，m；m、n为待定系数；
其中，
Figure BDA0003218512600000052
式中：H0为起始测井点深度，m；
Figure BDA0003218512600000053
为未测井段深度H0点的密度，g/cm3；g为重力加速度，m/s2；DEN水化前为水化校正后的密度测井值，g/cm3。
本发明的有益效果：
本发明首先通过室内岩样进行密度、电阻率和声波时差水化校正，再分别建立密度和声波时差与电阻率的拟合关系；之后对原状地层岩心进行有机质校正，结合上一步的水化校正，实现水化和有机质的双重校正；在此基础上，建立地层孔隙压力与压实系数、上覆岩层压力、地层静水压力等参数的函数关系，最终得到进行了两种类型校正的孔隙压力计算方法。
在有机质(有机碳)校正中，通过求极限的方法，既能准确获得有机质含量对测井资料影响的阈值，又能解决传统方法以某个较小值近似代替产生的精度差的问题。
经过上述校正，计算的地层孔隙压力大小更加接近原始地层状态，提高了预测精度，这是因为消除了因为钻井过程中钻井液浸泡水化而对测井声波时差、密度的影响，考虑了时间因素的基础上修正了测井曲线值；除此之外，进行测井资料的有机质含量校正，相比于常规方法更符合泥页岩地质特征，算出的孔隙压力更为合理。
附图说明
图1岩样声波时差与极限值的校正量与TOC含量间的关系；
图2研究区地层校正后压实趋势线；
图3压实校正系数与深度间的关系。
具体实施方式
实施例
一种基于双重校正的泥页岩地层孔隙压力计算方法，分别对地层声波时差水化校正、地层声波时差的有机质含量校正，再进行地层压实趋势方程的构建，得到不同深度点的压实校正系数，从而构建压实校正系数的计算方法，得到地层孔隙压力的计算方程；
具体包括以下步骤：
步骤一：准备研究工区的实验岩心资料、地质资料、现场钻井用钻井液、测井资料、钻完井报告；
步骤二：对获取的研究工区井下实验样品进行岩心描述，且钻取标准岩样数60块，对岩样烘干后，测量干燥岩样的密度、电阻率和超声波波速，获取原岩岩样的密度、电阻率和声波时差(分别表示为DEN0、R0、Δt0，指未发生浸泡水化的值)；
步骤三：采用现场钻井用钻井液对步骤二的干燥岩样进行浸泡实验(浸泡过程中岩样与钻井液将发生水化作用进而改变岩石的物理性质)，对浸泡后的岩样进行密度、电阻率、声波测量，获取浸泡后岩样的密度、电阻率和声波时差(分别表示为DEN、R、Δt，发现浸泡后岩样密度增大、电阻率减小、声波时差增大)；
结合步骤二，获得密度、电阻率和声波时差的改变量(ΔDEN、ΔR、Δ(Δt)1)；以电阻率改变量为自变量，分别以密度改变量、声波时差改变量为因变量进行拟合回归(分析发现密度改变量、声波时差改变量与电阻率改变量存在较好的关系)，见式(1)和式(2)所示，
另外，电阻率改变量又能通过双侧向电阻率测井资料获得，见式(3)所示(钻井过程中，钻井液会侵入地层，在井壁附近形成侵入带，侵入带地层的岩石物理性质会发生改变，现场的双侧向电阻率测井可反映出钻井液对侵入带地层和原状地层电阻率的差异，其中深侧向电阻率Rd反映原状地层电阻率(即R0＝Rd)，浅侧向电阻率Rs反映侵入带地层电阻率，进而可获得钻井液侵入后地层电阻率改变量。通过双侧向电阻率测井值，可将本申请的室内实验结果与现场实际测量结果建立关系)，
Δ(Δt)1＝f1(ΔR)＝1.5896ΔR-1.0593 (1)
ΔDEN＝f2(ΔR)＝0.0663ln(ΔR)-0.1692 (2)
ΔR＝Rd-Rs (3)
式中：Δ(Δt)1、ΔR、ΔDEN分别为岩样因为浸泡水化而导致的声波时差改变量、电阻率改变量、密度改变量；Rd为深侧向电阻率值；Rs为浅侧向电阻率值；
步骤四：基于现场测井资料中的声波时差、密度、深侧向电阻率、浅侧向电阻率资料，获得经水化校正后的原状地层声波时差、密度值为(将步骤三的公式(1)～(3)代入公式(4)和(5)即可)：
Δt0＝Δt-Δ(Δt)1 (4)
DEN0＝DEN-ΔDEN (5)
式中：Δt为测井资料中的地层声波时差(水化后的)，us/m；Δt0为水化校正后的地层声波时差(原状地层的)，us/m；DEN为测井资料中的地层密度，g/cm3；DEN0为水化校正后的地层密度(原状地层的)，g/cm3；
步骤五：通过实验同步对步骤二的干燥岩样进行有机碳含量测试，获得每个岩样的有机碳含量，从而得到不同含量有机碳岩样的声波时差与有机碳含量间的关系式，
Δt(TOC)＝58.951ln(ω(TOC))+233.98 (6)
式中：Δt(TOC)为不同含量有机碳的岩样的声波时差，us/m；ω(TOC)为岩样的有机碳含量，％；
对式(6)求取当岩样有机碳含量趋于0时极限，获取岩样声波时差的极限值Δtlim：
Figure BDA0003218512600000081
步骤六：以岩样声波时差极限值作为基准值，获取岩样声波时差与该极限值的差值，定义该差值为岩样声波时差的校正量，并获取该校正量与有机碳含量间的关系式，见式(7)，如图1所示；
Figure BDA0003218512600000082
式中：Δ(Δt)2为(原状地层)基于有机碳含量的岩样声波时差校正量；
步骤七：基于水化校正后的地层声波时差，结合测井资料中的有机碳含量信息，对富含有机质地层声波时差进行有机质校正，有机质校正后的地层声波时差为
Δt(水化+TOC)校正＝Δt0-Δ(Δt)2 (8)
式中：Δt(水化+TOC)校正为经过双重校正(水化校正和有机碳校正)后的真实声波时差，us/m；需要注意的是当地层中不含有有机质时，可不必进行地层声波时差的有机质校正，其声波时差为水化校正后的地层声波时差。
步骤八：利用测井资料中自然伽马信息，计算地层的泥质含量，利用测井资料中井径信息和钻完井报告中钻头尺寸信息，计算地层的扩径率，进而，选择泥质含量大于85％、井径扩径率小于10％泥岩段地层，基于压实理论，构建研究区块的基于校正后声波时差的压实趋势曲线，如图2所示，其方程如式(9)，
H＝-6430.3ln(Δt(水化+TOC)校正)+31240 (9)
式中：H为地层深度，m；
步骤九：结合钻完井报告的中途测试或静压测试获取的地层压力实测资料，利用式(10)计算求出不同地层压力测试点下的压实校正系数c，发现压实校正系数c值不是固定值，是一个与深度有关的函数，以此建立了压实校正系数c与深度间的关系，如图3所示，见式(11)，
Figure BDA0003218512600000091
式中：Pp为地层压力，MPa；σv为上覆岩层压力，MPa；ph为地层静水压力，MPa；Δtn为同一深度正常压实趋势线上的声波时差，us/m；c为压实校正系数，
c＝5×10-13H3.5363 (11)
式中：H为地层深度，m，
其中，
Figure BDA0003218512600000092
式中：H0为起始测井点深度，m；
Figure BDA0003218512600000093
为未测井段深度H0点的密度，g/cm3；g为重力加速度，m/s2；DEN水化前为水化校正后的密度测井值，g/cm3。
联合公式(8)～公式(12)得到计算孔隙压力的计算式，如表1所示。经过声波时差校正和有机质校正后，地层压力预测结果明显要好于校正前，说明该方法利于提高地层压力的预测精度。
表1研究地层校正前后预测压力和实测压力对比
Figure BDA0003218512600000101

Claims (1)

1.一种基于双重校正的泥页岩地层孔隙压力计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：准备研究工区的实验岩心资料、地质资料、现场钻井用钻井液、测井资料、钻完井报告；
步骤二：钻取标准岩样60-80块，对岩样烘干后，获取岩样的密度、电阻率和声波时差；
步骤三：采用现场钻井用钻井液对步骤二的干燥岩样进行浸泡实验，获取浸泡后岩样的密度、电阻率和声波时差；
获得密度、电阻率和声波时差的改变量；以电阻率改变量为自变量，分别以密度改变量、声波时差改变量为因变量进行拟合回归，见式1和式2所示，
另外，电阻率改变量又能通过现场的双侧向电阻率测井资料获得，见式3所示，
Δ(Δt)1＝f1(ΔR)＝aΔR+b (1)
ΔDEN＝f2(ΔR)＝dln(ΔR)-e (2)
ΔR＝Rd-Rs (3)
式中：Δ(Δt)1、ΔR、ΔDEN分别为岩样因为浸泡水化而导致的声波时差改变量、电阻率改变量、密度改变量；Rd为深侧向电阻率值；Rs为浅侧向电阻率值；a、b、d、e为待定系数；
步骤四：基于现场测井资料中的声波时差、密度、深侧向电阻率、浅侧向电阻率资料，获得经水化校正后的原状地层声波时差、密度值为：
Δt0＝Δt-Δ(Δt)1 (4)
DEN0＝DEN-ΔDEN (5)
式中：Δt为测井资料中的地层声波时差，us/m；Δt0为水化校正后的地层声波时差，us/m；DEN为测井资料中的地层密度，g/cm3；DEN0为水化校正后的地层密度，g/cm3；
步骤五：实验测试干燥岩样进行有机碳含量，获得每个岩样的有机碳含量，从而得到不同含量有机碳岩样的声波时差与有机碳含量间的关系式，
Δt(TOC)＝fln(ω(TOC))+p (6)
式中：Δt(TOC)为不同含量有机碳的岩样的声波时差，us/m；ω(TOC)为岩样的有机碳含量，％；f、p为待定系数；
对式6求取当岩样有机碳含量趋于0时极限，获取岩样声波时差的极限值Δtlim：
Figure FDA0003218512590000021
步骤六：以岩样声波时差极限值作为基准值，获取岩样声波时差与该极限值的差值，定义该差值为岩样声波时差校正量，并获取该校正量与有机碳含量间的关系式，见式7；
Δ(Δt)2＝Δt(TOC)-Δtlim＝fln(ω(TOC))+p-Δtlim (7)
式中：Δ(Δt)2为基于有机碳含量的岩样声波时差校正量；
步骤七：基于水化校正后的地层声波时差，结合测井资料中的有机碳含量信息，对富含有机质地层声波时差进行有机质校正后，最终，得到经过水化校正和有机质校正后的地层声波时差为
Δt(水化+TOC)校正＝Δt0-Δ(Δt)2 (8)
式中：Δt(水化+TOC)校正为经过双重校正后的真实声波时差，us/m；
步骤八：选择泥质含量大于85％、井径扩径率小于10％泥岩段地层，构建研究区块的基于双重校正后声波时差的压实趋势曲线，其方程如式9，
H＝hln(Δt(水化+TOC)校正)+j (9)
式中：H为地层深度，m；h、j为待定系数；
步骤九：结合钻完井报告的中途测试或静压测试获取的地层压力实测资料，利用式10计算不同地层压力测试点下的压实校正系数c，
Figure FDA0003218512590000031
c＝mHn (11)
Figure FDA0003218512590000032
式中：Pp为地层压力，MPa；σv为上覆岩层压力，MPa；ph为地层静水压力，MPa；Δtn为同一深度正常压实趋势线上的声波时差，us/m；c为压实校正系数；m、n为待定系数；H0为起始测井点深度，m；
Figure FDA0003218512590000033
为未测井段深度H0点的密度，g/cm3；g为重力加速度，m/s2；DEN水化前为水化校正后的密度测井值，g/cm3。
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