CN113655542B - 一种基于地球物理的干热岩开发阶段储层信息获取方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于地球物理的干热岩开发阶段储层信息获取方法，通过室内干热岩岩石物理实验，建立地球物理场与干热岩热储的关联映射关系及其随热储参数的变化规律，并通过干热岩水力压裂微地震矩张量反演获取储层参数从而构建包含能量参数和形态参数的连续裂缝网络模型，从连续裂缝网络模型中获取进入开发阶段的干热岩储层信息。本发明的优点：将实验室条件下的岩石物理实验和现场干热岩水力压裂相结合，为进入开发阶段的干热岩储层参数获取提供依据，填补了现有技术的空白。

Description

一种基于地球物理的干热岩开发阶段储层信息获取方法

技术领域

本发明涉及深部地热开发技术领域，具体涉及一种基于地球物理的干热岩开发阶段储层信息获取方法。

背景技术

能源是我国经济长期稳定发展的有力保障。然而，随着化石能源的不断枯竭，开发难度的日益增大，环保形势的日趋严峻，开发环境友好型的大储量清洁能源成为全球学者、政企关注的焦点。在这样的背景下，干热岩型地热作为一种极具竞争力的清洁可再生资源，逐渐影响着世界能源格局。是一般温度大于180℃，埋深数千米，内部不存在流体或仅有少量地下流体(致密不透水)的高温岩体。我国的干热岩资源储量巨大，根据《中国地热能发展报告(2018)》：埋深在3～10km的干热岩资源量约为2.5×10²⁵J(折合856万亿吨标准煤)。资料显示，在青海省共和盆地地处祁连山与昆仑山过渡带、黄河中上游地区：共和盆地干热岩储层的二长花岗岩和花岗闪长岩，具有温度高(普遍大于200℃)、分布广(约246.9km²)的特点，可用于发电的资源量折合标准煤约4.66亿吨，开发潜力巨大。安全、高效地开发干热岩对我国黄河流域生态保护和高质量发展、应对能源短缺和气候变化以及实现碳中和的战略目标都具有积极意义。

然而，干热岩型地热与水热型地热，或是油、气、水等资源相比，其最大的特点就是储层中没有明显的介质变化，这也是干热岩地球物理勘探过程中的难点之一。例如在水热型地热勘探或是获取储层信息时，储层中的水与岩石分属两种截然不同的介质，通过地球物理场的变化能较容易的探知，而干热岩储层信息获取却不然，进入开发阶段的储层信息获取方法更是鲜有报道。

因此，作为干热岩勘探开发中急需要解决的关键技术问题之一，基于地球物理的干热岩开发阶段储层信息获取，对干热岩规模化水力压裂工艺设计、储层改造技术研究等至关重要。而针对干热岩储层特征进行的室内岩石物理实验，是为干热岩勘探开发提供依据的有效手段。

申请号为CN202011171886.8的中国发明申请公开了一种基于微地震矩张量反演的储层天然裂缝建模方法，该方法基于微地震数据统计和矩张量反演结果，为随机天然裂缝建模提供足够大的数据体量。但该方法仅针对致密油气储层信息获取，并未针对干热岩。同时，在获取天然裂缝方位分布随机数列后，并未针对开发阶段的储层渗透率、结构面、地应力分布等信息进行深入剖析。

标题为《地球物理方法在干热岩勘查中的应用研究》的中国博士学位论文公开了一种基于电磁法的干热岩勘探地质建模方法，该方法首先理清电阻率对温度的变化相关性，在此基础上根据电阻率与温度相关关系将温度模型转化成电阻率模型。但电磁法与微地震获取储层信息原理截然不同，且该方法仅限于干热岩勘探阶段，未涉及开发阶段地层信息获取过程。

所以，如何获取干热岩开发阶段储层信息成为亟待解决的问题。

发明内容

本发明提供提供一种基于地球物理的干热岩开发阶段储层信息获取方法，用以解决现有技术中无法在开发阶段获取干热岩储层信息的问题。

为了实现上述目的，本发明技术方案提供了一种基于地球物理的干热岩开发阶段储层信息获取方法，包括：基于室内岩石物理实验建立地球物理场与干热岩热储之间的映射关系，获取地球物理场的参数随热储参数的变化规律；在干热岩探采结合井中开展地球物理测井，结合岩屑录井和岩心分析结果建立一维井模型，获取地质特征参数解译信息；在已完井的干热岩探采结合井中开展导爆索试验，由于各试爆点在井中不同位置爆炸后会产生波形信号，基于地表微地震监测浅井台站接收到的波形进行分析并对速度模型进行校正；其中，所述干热岩探采结合井的完井方式为达到干热岩开发温度要求的层段采用裸眼完井，而未到达干热岩开发温度要求的层段为套管完井从而将地层和井筒直接封固；其中干热岩开发目的层温度大于180℃，干热岩埋深4000m至5000m；在试开发阶段，对所述干热岩探采结合井开展水力压裂作业，根据微地震台站接收到的岩石破裂原始波形数据进行矩张量反演，从而获取储层岩石的破裂机制和破裂面几何参数信息；所述破裂面参数信息至少包括水力裂缝走向和水力裂缝倾角；基于不同破裂机制信息、微地震事件能量参数、破裂面形态参数建立连续裂缝网络地质模型，所述连续裂缝网络地质模型中至少包括地层渗透率参数、结构面分布参数、地应力参数；其中，所述连续裂缝网络地质模型是基于多个相邻的震源机制“沙滩球”和T-k分布图反馈的水力裂缝破裂机制和裂缝面形态参数，建立反映干热岩水力裂缝形态的模型，所述地层渗透率通过所述微地震监测浅井台站中微地震震源机制解译出的缝宽来表征，所述地应力参数以所述矩张量反演得到的水力裂缝形态，来表征破裂处地应力方位及地应力大小信息。

作为上述技术方案的优选，较佳的，干热岩探采结合井是在选取干热岩开发有利区的基础上，将勘探井直接转入开发井，开发井段的井径不小于215.9mm。

作为上述技术方案的优选，较佳的，在已完井的干热岩探采结合井中开展导爆索试验，由于各试爆点在井中不同位置爆炸后会产生波形信号，基于地表微地震监测浅井台站接收到的波形进行分析并对速度模型进行校正，包括：在干热岩探采结合井周边地下15m～20m布设若干微地震监测浅井台，通过导爆索试验在储层裸眼段内的不同储层深度内的不同预设位置开展不少于10次的试爆试验，微地震台站接收所述不同预设位置处试爆所产生的波形信号，根据所述波形信号对速度模型校正，修正测井得出的速度模型，以准确获取储层中破裂所形成的信号传至地表台站的波形速度模型。

作为上述技术方案的优选，较佳的，各试爆点垂直间隔40米。

作为上述技术方案的优选，较佳的，矩张量反演，包括：在频率域滤波和人工拾取波形初至时，采集原始波形数据，对微地震事件进行定位得到震源位置四维坐标，结合格林函数综合波形、位移、振幅和极性参数，进行基于P波振幅和极性的震源机制矩张量反演，获得包含破裂机制和裂缝面形态参数的震源机制”沙滩球”，以及用于表示各破裂机制占比的T-k分布图，用以建立包含能量参数和形态参数的连续裂缝网络模型。

作为上述技术方案的优选，较佳的，水力压裂作业中使用的压裂液为清水，在所述压裂作业过程中，井口压力涨幅应控制在0.001MPa/m³。

作为上述技术方案的优选，较佳的，进行基于P波振幅和极性的震源机制矩张量反演：

其中，*号表示卷积运算；G_ki(x,t^·,ξ,t')为弹性动力学格林函数，是由单位脉冲集中力引起的位移场，即震源ξ处、t'时刻、j方向的点力在监测点x处、t^·时刻、i方向所产生的位移。

作为上述技术方案的优选，较佳的，地层渗透率是将储层划分成大小为30m×30m×30m的地质网格单元，进而结合反演出的水力裂缝宽度计算每个地质网格单元的裂缝渗透率。

本发明技术方案提供了，通过室内干热岩岩石物理实验，建立地球物理场与干热岩热储的关联映射关系及其随热储参数的变化规律，并通过干热岩水力压裂微地震矩张量反演获取储层参数从而构建包含能量参数和形态参数的连续裂缝网络模型，从连续裂缝网络模型中获取进入开发阶段的干热岩储层信息。本发明的优点：将实验室条件下的岩石物理实验和现场干热岩水力压裂相结合，为进入开发阶段的干热岩储层参数获取提供依据，填补了现有技术的空白。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种基于地球物理的干热岩开发阶段储层信息获取方法流程示意图一。

图2为本发明实施例提供的一种基于地球物理的干热岩开发阶段储层信息获取方法流程示意图二。

图3为震源机制“沙滩球”获取裂缝几何参数示意图。

图4为震源机制T-k分布图。

图5为微地震矩张量反演流程示意图。

图6为含有水力裂缝的地质网格单元示意图。

图6中，1表示地质网格单元；2表示水力裂缝面，加粗的裂缝面中间部分表示缝宽。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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、完整的描述，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的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。

现对本发明具体实施方式进行说明，图1为本发明技术方案的流程图一，图2为本发明技术方案更细致的流程图：

步骤101、在干热岩储层岩心进行岩石物理实验，建立地球物理场与干热岩热储参数的关联映射关系。

具体的，室内岩石物理实验用于在高温高压条件下获取储层干热岩岩心物理力学性质与多元地球物理场之间的响应机制。储层干热岩岩心物理力学参数包括：温度、岩性、物性、天然裂隙发育程度等，主要地球物理场参数包括：电阻率、极化率、磁性、横纵波速等。根据以上参数之间关联的变化规律揭示岩心中物理力学性质发生变化时不同地球物理参数随之变化的规律。

步骤102、在干热岩探采结合井中开展地球物理测井，结合岩屑录井和岩心分析结果建立一维井模型，获取地质特征参数解译信息。

具体的，步骤102实现地球物理测井储层信息到地质特征参数解译信息的转变。地球物理测井手段包括声成像测井、电成像测井、声波远探测、自然伽马、电阻率测井等。

在干热岩探采结合井中开展地球物理测井指的是：在干热岩探采结合井中利用各种仪器测量井下岩层的物理参数及井的技术状况，分析所记录的资料。本发明旨在获取储层测井信息，并对此信息进行分析，具体的，结合岩屑录井获取的井下岩层信息和对岩屑录井获取的岩层样本进行岩心分析结果建立一维井模型。一维井模型是指随着干热岩探采结合井深度的增加，井壁岩石的物理力学性质与井身结构的对应关系。在步骤101得到的映射关系的基础上，根据地球物理测井结果，从一维井模型中获取不同深度时井筒周边岩石的性质。

以青海共和盆地干热岩试开采工程为例，干热岩型地热的开发过程难以模仿油气田开发时布设大量井网，而干热岩勘探开发过程中的探采结合井是在采用野外地质调查、地球物理勘探、钻探等勘探手段选取干热岩开发有利区的基础上，进而将勘探井直接转入开发井，开发井段井径不小于215.9mm；岩心分析手段包括岩心外观描述、天然裂隙密度和产状统计、矿物组分测试、基础力学性质测试(抗压强度、杨氏模量、泊松比)等。

步骤103、在已完井的干热岩探采结合井周围布设微地震监测浅井台站进行导爆索试验。

步骤104、由于各试爆点在井中不同位置爆炸后会产生波形信号，基于地表微地震监测浅井台站接收到的波形进行分析并对速度模型进行校正。

校正速度模型指的是，在地球物理测井已经获得不同井段岩石速度的基础上，通过导爆索试验使得地面站台精准接收破裂信号在地层中的传播速度，从而对已知的不同井段岩石速度进行更新。

具体的，对于步骤103至104：在干热岩探采结合井周边地下15m～20m布设若干微地震监测浅井台。在导爆索实验之前的井体准备工作：干热岩探采结合井的完井方式为达到干热岩开发温度要求的层段采用裸眼完井，而未到达干热岩开发温度要求的层段为套管完井从而将地层和井筒直接封固。干热岩开发目的层温度要求温度应大于180℃，埋深4000m～5000m，套管完井的套管钢级优选P110。

导爆索试验是在在储层裸眼段内的不同储层深度内的不同预设位置进行的，试爆试验不少于10次。例如，储层埋深4000m～4400m，储层厚度400m，应以4400m为起点，向上每40m试爆一次。

试开发阶段执行以下步骤：

步骤105、对干热岩探采结合井开展水力压裂作业。

水力压裂方式为笼统压裂，排量初期设置为阶梯升排量，0.5m³/min为一阶梯，升至井口压力稳定为止，并以此排量保持稳定注入2000m³～3000m³，而后阶梯降排量至0m³/min，同样以0.5m³/min为一阶梯。

压裂液为清水，初始排量设置为单台2000型压裂车最低起始排量——0.5m³/min，笼统压裂封隔器下深层位应保证温度低于150℃。例如，干热岩储层埋深2500m处的温度为150℃，则封隔器应下至2500m处。稳定的井口压力是指随着泵注液量的增加，井口压力涨幅小于0.001MPa/m³，因为即使当应力路径稳定后，随着累积液量的增加，井口压力是会缓慢增加，因此，通过压力涨幅描述井口压力的稳定程度。

步骤106、根据微地震台站接收到的各个岩石破裂原始波形数据进行矩张量反演，获取各个破裂面参数信息。

具体的，如图5所示，在频率域滤波和人工拾取波形初至的基础上对每个干热岩水力压裂微地震事件分别进行精确定位，定位坐标包括三维坐标系坐标和时间坐标，并计算事件能级和均方根振幅等能量参数。再利用格林函数综合波形位移振幅和极性等参数，进行基于P波振幅和极性的震源机制矩张量反演，获得包含破裂机制(张性、剪切、压缩)和裂缝面形态参数(走向、倾角、开度等)的各个矩张量震源“沙滩球”(图3)，以及表示不同破裂机制占比的T-k分布图(图4)。从而获得震源机制反演事件的破裂机制(张性、剪切、压缩)以及裂缝面的形态参数(半径、走向、倾角、开度等)。

矩张量反演是基于P波振幅和极性的震源机制计算，见下式。

其中，*号表示卷积运算；G_ki(x,t^·,ξ,t')为弹性动力学格林函数，是由单位脉冲集中力引起的位移场，即震源ξ处、t'时刻、j方向的点力在监测点x处、t^·时刻、i方向所产生的位移：

式(2)为震源的矩张量，m_ij为常数，代表二阶矩张量M_ij的分量。

结合图3、图4所示，从矩张量反演的结果中获取对水力裂缝的产状(走向、倾角和长度)的定量描述；还获取基于震源机制的破裂性质分析，即水力裂缝主要是剪切或张性破裂以及ISO(各向同性)、CLVD(补偿线性向量偶极子)和DC(双力偶)成分比例(由震源机制“沙滩球”和T-k分布图表征得到)。

步骤107、根据不同破裂机制的微地震事件建立包含能量参数和形态参数的连续裂缝网络模型。

具体的，根据微地震事件的属性得到微地震事件发生的位置三维坐标、时间参数和几何参数，根据震源机制走向和倾角确定裂缝的走向和倾角，进一步根据震源半径和震源机制确定此裂缝的长、宽、高，从而构建出包含几何参数的连续裂缝模型。

此连续裂缝模型包含有渗透率、结构面分布、地应力等参数，进而能够获取进入开发阶段的干热岩储层信息。

本发明提供的连续裂缝网络模型是基于多个相邻的震源机制“沙滩球”，以及T-k分布图所反馈的水力裂缝破裂机制和裂缝面形态参数，从而建立的真实反映干热岩水力裂缝形态的模型，此模型是基于地球物理属性建模的地质模型。

地层渗透率通过微地震震源机制解译出的缝宽表征，结构面分布通过多个微地震“沙滩球”解译出的裂缝走向、倾角，以及水力裂缝遇结构面后发生的剪切行为予以表征，而根据反演出的水力裂缝形态，能够确定破裂处地应力方位等信息。

其中渗透率计算结合图6所示：将储层划分成大小为30m×30m×30m的地质网格单元，进而结合反演出的水力裂缝宽度计算每个地质网格单元的裂缝渗透率。

应当理解的是，虽然本发明的提出是基于大量的室内岩石物理实验，但仍存在诸多缺点及一定的偶然因素，仅为现场施工提供了一定的试验依据。

现场施工与室内试验仍存在着诸多差异，主要体现在以下几个方面：首先储层条件是无法更改的，即针对特定储层的物理力学性质，孔隙度以及地应力的大小和方向是一定的，必须采用配套技术来与储层性质配伍；其次，现场施工工艺步骤更为复杂，但室内试验是根据现场施工以及相似性准则来实施的。主要参数在实验之中均有所涉及，因此实验结果能为现场压裂施工提供一定的试验参考。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种基于地球物理的干热岩开发阶段储层信息获取方法，其特征在于，所述方法包括：

基于室内岩石物理实验建立地球物理场与干热岩热储之间的映射关系，获取地球物理场的参数随热储参数的变化规律；

在干热岩探采结合井中开展地球物理测井，结合岩屑录井和岩心分析结果建立一维井模型，获取地质特征参数解译信息；

在已完井的干热岩探采结合井中开展导爆索试验，由于各试爆点在井中不同位置爆炸后会产生波形信号，基于地表微地震监测浅井台站接收到的波形进行分析并对速度模型进行校正；其中，所述干热岩探采结合井的完井方式为达到干热岩开发温度要求的层段采用裸眼完井，而未到达干热岩开发温度要求的层段为套管完井从而将地层和井筒直接封固；其中干热岩开发目的层温度大于180℃，干热岩埋深4000m至5000m；

在试开发阶段，对所述干热岩探采结合井开展水力压裂作业，根据微地震台站接收到的岩石破裂原始波形数据进行矩张量反演，从而获取储层岩石的破裂机制和破裂面几何参数信息；所述破裂面参数信息至少包括水力裂缝走向和水力裂缝倾角；

基于不同破裂机制信息、微地震事件能量参数、破裂面形态参数建立连续裂缝网络地质模型，所述连续裂缝网络地质模型中至少包括地层渗透率参数、结构面分布参数、地应力参数；

其中，所述连续裂缝网络地质模型是基于多个相邻的震源机制“沙滩球”和T-k分布图反馈的水力裂缝破裂机制和裂缝面形态参数，建立反映干热岩水力裂缝形态的模型，所述地层渗透率通过所述微地震监测浅井台站中微地震震源机制解译出的缝宽来表征，所述地应力参数以所述矩张量反演得到的水力裂缝形态，来表征破裂处地应力方位及地应力大小信息。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述干热岩探采结合井是在选取干热岩开发有利区的基础上，将勘探井直接转入开发井，所述开发井段的井径不小于215.9mm。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在已完井的干热岩探采结合井中开展导爆索试验，由于各试爆点在井中不同位置爆炸后会产生波形信号，基于地表微地震监测浅井台站接收到的波形进行分析并对速度模型进行校正，包括，在所述干热岩探采结合井周边地下15～20m布设若干微地震监测浅井台，通过所述导爆索试验在储层裸眼段内的不同储层深度内的不同预设位置开展不少于10次的试爆试验，所述微地震台站接收所述不同预设位置处试爆所产生的波形信号，根据所述波形信号对速度模型校正，修正测井得出的速度模型，以准确获取储层中破裂所形成的信号传至地表台站的波形速度模型。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，各试爆点垂直间隔40米。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述矩张量反演，包括：在频率域滤波和人工拾取波形初至时，采集原始波形数据，对微地震事件进行定位得到震源位置四维坐标，结合格林函数综合波形、位移、振幅和极性参数，进行基于P波振幅和极性的震源机制矩张量反演，获得包含破裂机制和裂缝面形态参数的震源机制“沙滩球”，以及用于表示各破裂机制占比的T-k分布图，用以建立包含能量参数和形态参数的连续裂缝网络模型。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述水力压裂作业中使用的压裂液为清水，在压裂作业过程中，井口压力涨幅控制在0.001MPa/m³。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述进行基于P波振幅和极性的震源机制矩张量反演：

其中，*号表示卷积运算；G_ki(x,t^·,ξ,t')为弹性动力学格林函数，是由单位脉冲集中力引起的位移场，即震源ξ处、t'时刻、j方向的点力在监测点x处、t^·时刻、i方向所产生的位移。

8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述地层渗透率是将储层划分成大小为30m×30m×30m的地质网格单元，进而结合反演出的水力裂缝宽度计算每个地质网格单元的裂缝渗透率。

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