CN113868923A - 油气储层压前三维地质评价方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种油气储层压前三维地质评价方法，包括以下步骤：选择工区，确定工区地质特征，得到岩石物理参数及岩石力学参数，通过参数拟合构建岩石力学参数计算模型；利用测井数据计算岩石力学参数，得到单井岩石力学参数剖面；获得构造应变系数；以单井岩石力学参数剖面为基本约束，利用空间距离加权插值分析地层岩石力学参数空间分布，构建地层三维岩石力学参数模型；以单井地应力剖面为基本约束，通过反演分析确定计算模型的边界荷载，获得真实的三维地应力场分布。本发明通过在区域内多个点进行单井测试的结果为基本约束，利用加权插值分析构建的地层三维岩石力学参数模型，在反演分析的计算后得到真实分布的三维地应力场。
Description
技术领域
本发明涉及油气地质勘探领域，具体是油气储层压前三维地质评价方法。
背景技术
在对油气储层进行地质评价的关键内容是压前三维地应力的评价。地应力是在岩体自重、地质构造运动的共同作用下，由地质体的物理、化学变化，地形地貌、温度应力等因素影响下形成。形成地应力的因素很多，如岩体自重、成岩过程、构造运动、地形条件、温度、地表侵蚀、地下水、地震等，其中最主要的是岩体自重作用和地质构造作用。
所谓初始地应力场，就是岩体中的应力状态。从地质年代角度出发，地应力是随时间、空间而变化的非稳定场，但对于一般工程建设而言，初始地应力场可视为忽略时间因素（地质年代）的相对稳定的应力场。
由于岩土工程迅速发展的需要，地应力量测得到迅速发展。地应力测试分析是研究深部应力最直接的途径，但地应力测试技术要求较高，不利于进行大量的测试分析。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术在对区域地应力进行测试分析时，由于储层内部多点局部应力难以指导三维地应力场构建的不足，提供了一种油气储层压前三维地质评价方法，通过在区域内多个点进行单井测试的结果为基本约束，利用加权插值分析构建的地层三维岩石力学参数模型，在反演分析的计算后得到真实分布的三维地应力场。
本发明的目的主要通过以下技术方案实现：
油气储层压前三维地质评价方法，包括以下步骤：
S1：选择工区，确定工区地质特征，并进行试验测试，得到岩石物理参数及岩石力学参数，通过参数拟合构建岩石力学参数计算模型；
S2：收集测井数据，利用测井数据计算岩石力学参数，得到单井岩石力学参数剖面；
S3：根据组合经验关系，得到构造应变系数；
S4：根据岩石力学参数计算模型和构造应变系数，计算单井岩石力学参数剖面及单井地应力剖面；
S5：以单井岩石力学参数剖面为基本约束，利用空间距离加权插值分析地层岩石力学参数空间分布，构建地层三维岩石力学参数模型；
S6：在地层三维岩石力学参数模型的基础上，将地层三维岩石力学参数模型转化为有限元模型，并设置边界条件，对比测试点的地应力实测结果和有限元模型计算结果，建立误差函数；
S7：以单井地应力剖面为基本约束，通过反演分析确定计算模型的边界荷载，获得真实的三维地应力场分布。
由于深部地应力场所研究的对象往往具有地质构造形态复杂、地层介质分布不均匀不连续、岩石物理力学特性多变的特点，而实测成果在很大程度上仅反映了测试点附近某一局部范围的应力状况，难以反映区域内的三维应力场的整体特征。在本发明中，先进行目标工区地质资料的收集，并在勘察现场取样进行试验测试。具体测试的方式为实地取样后在实验室进行分析实验，测试内容包括岩石物理测试和岩石力学测试，拟合测试结果建立岩石力学参数计算模型，建立单井岩石力学参数剖面。根据参数间拟合关系建立的岩石力学参数计算模型包括：动静杨氏模量转换模型，首先计算出动态杨氏模量，再分析动态杨氏模量与静态杨氏模量的关系即可得到动静杨氏模量的转换关系；动静泊松比转换模型，首先计算出动态泊松比，分析动态泊松比与静态泊松比的关系，即可得到动静泊松比的转换关系；抗张强度计算模型，利用室内试验数据进行校准，确定抗压张强度计算模型；脆性指数计算模型，统计脆性指数和纵波时差及密度等参数之间的关系，得到脆性指数计算模型；断裂韧性计算模型，统计断裂韧性和各参数之间的关系，拟合断裂韧性计算模型。
本发明中区域应力场的反演可以通过综合利用有限单元法实现，根据现有已知的地应力实测点的应力资料来推求整个计算区域的地应力场。在本发明中，根据区域地质调查结果，以地震构造解释成果及测井地层划分结果为依据，综合考虑各地层的展布起伏特征、地层中断裂的发育分布特征，抽象构建地质模型。此处的地质模型包括岩石力学参数计算模型和单井岩石力学参数剖面，通过单井岩石力学参数剖面进行空间距离的加权插值分析得到地层三维岩石力学参数模型。在三维应力场反演在工区地质力学模型构建的基础上，本发明通过不断改变边界力作用方式和大小量值来模拟计算区域应力场，使区域介质体内应力计算结果与已有地应力实测结果达到最佳拟合，由此即可得出反映工区现今应力-应变场的区域应力场的真实情况，获得真实分布的三维地应力场。在进行反演前，所述地层三维岩石力学参数模型需要转化为有限元模型，具体的转化过程为：基于角点网格的精细三维地质模型，设计并实现网格转换算法，在保留储层结构和属性的情况下，便能够将基于角点网格的三维模型转换为可应用于有限元模拟的三维有限元模型。
进一步的，在所述步骤S1中所述岩石力学参数计算模型通过所述岩石力学参数和岩石物理参数的相关性分析构建。基于试验测试分析结果，分析岩石力学参数，与岩石物理参数的相关性，构建岩石力学参数计算模型，进而利用测井数据进行研究层段的岩石力学参数计算，相对利用传统的经验理论公式，计算结果可以更好的反映研究井区的实际岩石力学性质。
进一步的，所述岩石力学参数包括弹性参数和塑性参数，所述岩石物理参数包括声波时差及密度。由岩石物理学相关理论可知，岩石的声波时差及密度包含了丰富的岩石力学特性信息。因此，在研究工作中，基于已完成的试验数据，分别进行了力学参数，包括抗压强度、弹性模量、泊松比，与岩石声波时差、体积密度以及二者组合之间的相关性分析，通过综合对比评价，最终选取相关性最好的岩石声波时差作为力学参数计算的变量指标。鉴于实际操作中岩心数量有限，本发明主要通过利用岩石力学参数测试结果对岩石力学计算模型进行修正、完善，获取适应于研究地层的计算分析模型。
进一步的，在步骤S3中所述组合经验关系采用组合弹簧模型；其中，假设岩石为均质、各向同性的线弹性体，并假定在沉积及后期地质构造运动过程中，地层和地层之间无相对位移，地层两水平方向的应变为常数，各主应力分量的计算如下式所示：
式中，σH-水平最大主应力；σh-水平最小主应力；σV-垂向应力；μ-泊松比；α-biots系数；E-岩石弹性模量，MPa；
、
-沿最大主应力方向与最小主应力方向构造应变系数，Pp -地层孔隙压力，MPa；H0-测井起始点深度，m；H-目标储层深度，m；ρ0（h）-未测井段深度为h点的密度，kg/m3；ρ（h）-深度为h点的测井密度，kg/m3；g-重力加速度，m/s2。
原始地应力测试就是确定存在于研究位置点及其周围区域的未受扰动的三维应力状态。地下一定深处的原地应力通常用三个主应力描述，即垂向应力（σv）和水平方向两个主应力（σH、σh）。通常认为垂向主应力是由上覆地层压力引起；水平主应力则是上覆地层压力与构造应力共同作用的结果。地应力剖面测井解释是在一定的假设条件下，以地应力实测数据为基础，建立相对简单的地应力计算模式，利用相关的地球物理测井数据曲线进行地应力计算分析的一种方法，其计算结果在一定程度上依赖于所建立的计算模式。本发明中采用的组合弹簧模型依据斯伦贝谢模式建立，通过求取各储层深度点的构造应变系数εH、εh，采用斯伦贝谢模式，结合分层构造应变系数，利用全井岩石弹性模量、泊松比等参数，进行全井地应力的计算，可得到全井的地应力纵向剖面。
进一步的，在步骤S6中的地应力反演分析中，重力场通过设置地层的容重来实现，构造应力场根据具体的构造状态通过设置计算模型的构造作用边界来实现。边界作用荷载的作用方式及大小的是地应力场反演分析的关键，数值模拟分析过程中，重力场可通过设置地层的容重来实现，而构造应力场则需分析具体的构造状态通过合理设置计算模型的构造作用边界来实现；其中，远场边界构造作用可认为是以下两种基本构造状态的叠加结果。
进一步的，所述边界条件采用位移加载方式确定，则模型中各边界面上的位移作用可表示为：
式中，ux，uy分别为X方向、Y方向边界面水平加载位移矢量；Pxn，Pyn分别为X方向、Y方向水平位移矢量；Pt1，Pt2为剪切位移矢量。
进一步的，在所述应力场反演过程中，初始应力场反演是基于逐步改正未知参数试算值，使误差函数趋于极小值的迭代算法，误差函数是用计算应力与实测应力的偏差来表示；现场实测点的应力值为
，有限元计算所得的相应测点的应力值为
，假定实测地应力及其所反映的初始应力场
是变量
和
的函数，则有：
构造联合反演模型的误差函数：
式中，n为测点个数。
在本发明中，岩体自重和构造运动对初始应力场的影响可通过在有限元模型上施加初始条件和边界条件来模拟。
进一步的，所述联合反演模型的误差函数采用遗传算法进行优化反演，具体步骤如下：
A1：确定目标函数
，函数值表示成个体的适应度值；
A2：产生初始群体
]；
A3：利用数据输入接口，讲初始种群参数组导入有限元软件，计算模型应力分布；
A4：利用数据输出接口程序讲应力分布结果导出至主程序，计算初始群体个体适应度；
A5：评价是否满足中止条件，若满足则转到步骤A7输出最优解并结束；
若不满足中止条件，则随机选择两个个体，实施杂交和变异操作，形成新种群
]；
A6：转到步骤A3；
A7：输出种群进化信息，开始下一轮进化。
遗传算法是一种基于自然选择和群体遗传机理的搜索算法。在利用遗传算法求解问题时，问题的每个可能的解都被编码为“个体”，若干个个体构成所有可能解。在遗传算法开始时，随机产生个体，根据预定的目标函数对每个个体进行评价，给出了一个适应度值，并根据适应度值来选择个体复制下一代。选择操作过程中复制适应度高的个体，淘汰适应度低的个体。然后选择出来的个体经过杂交和变异算子进行再组合生成新一代个体，逐步朝着更优解的方向进化。
综上所述，本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
（1）本发明通过在区域内多个点进行单井测试的结果为基本约束，利用加权插值分析构建的地层三维岩石力学参数模型，在反演分析的计算后得到真实分布的三维地应力场。
（2）本发明中采用的组合弹簧模型依据斯伦贝谢模式建立，通过求取各储层深度点的构造应变系数εH、εh，采用斯伦贝谢模式，结合分层构造应变系数，利用全井岩石弹性模量、泊松比等参数，进行全井地应力的计算，可得到全井的地应力纵向剖面。
（3）本发明通过不断改变边界力作用方式和大小量值来模拟计算区域应力场，使区域介质体内应力计算结果与已有地应力实测结果达到最佳拟合，由此即可得出反映工区现今应力-应变场的区域应力场的真实情况。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明流程示意图；
图2为本发明目标储层底面静态弹性模量分布图；
图3为本发明目标储层底面静态泊松比分布图
图4为本发明目标储层底面密度分布图；
图5为本发明目标储层底面粘聚力分布图；
图6为本发明目标储层底面内摩擦角分布图；
图7为本发明目标储层底面水平最小主应力三维空间分布图；
图8为本发明目标储层底面水平最大主应力三维空间分布图；
图9为本发明目标储层底面垂向应力三维空间分布图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例：
本实施例中选择我国西北地区的某工区作为本实施例的研究对象。
所选工区的区块内构造轴部为北西西—南东东向，涉及本实施例的井区构造形态表现为南北缓坡，中间平缓的构造特征，区块西北部断层较发育。
如图1所示，油气储层压前三维地质评价方法，包括以下步骤：
S1：在研究区域内选择目标工区，确定工区地质特征，并进行试验测试，得到岩石物理参数及岩石力学参数，通过参数拟合构建岩石力学参数计算模型；所述岩石力学参数计算模型通过所述岩石力学参数和岩石物理参数的相关性分析构建；所述岩石力学参数包括弹性参数和塑性参数，所述岩石物理参数包括声波时差及密度；
S2：收集测井数据，利用测井数据计算岩石力学参数，得到单井岩石力学参数剖面；
所述动静杨氏模量转换模型的转换关系为：Es=0.82Ed+8.16；所述动静泊松比转换模型的转换关系为：Us=0.70Ud-0.84；所述抗张强度计算模型为：ST=-0.14DTS+34.70；脆性指数计算模型：BRIT=-82.91Us+80.10；所述断裂韧性计算模型为：KIC=-0.002DTS-0.001DES-1.99；目标储层底面的静态弹性模量分布情况、静态泊松比分布情况、密度分布情况、抗张强度分布情况以及断裂韧性分布情况，如图2~图6所示。
S3：根据组合经验关系，得到构造应变系数；所述组合经验关系采用组合弹簧模型；其中，假设岩石为均质、各向同性的线弹性体，并假定在沉积及后期地质构造运动过程中，地层和地层之间无相对位移，地层两水平方向的应变为常数，各主应力分量的计算如下式所示：
式中，σH-水平最大主应力；σh-水平最小主应力；σV-垂向应力；μ-泊松比；α-biots系数；E-岩石弹性模量，MPa；
、
-沿最大主应力方向与最小主应力方向构造应变系数，Pp -地层孔隙压力，MPa；H0-测井起始点深度，m；H-目标储层深度，m；ρ0（h）-未测井段深度为h点的密度，kg/m3；ρ（h）-深度为h点的测井密度，kg/m3；g-重力加速度，m/s2。
S4：根据岩石力学参数计算模型和构造应变系数，计算单井岩石力学参数剖面及单井地应力剖面；
在已计算获取研究井段地层的岩石力学参数（弹性模量、泊松比、岩石抗压强度、岩石抗拉强度以及岩石孔隙弹性系数）、地层孔隙压力以及部分井深点的地应力大小的基础上，利用步骤S3中的公式计算目标井周地应力，基于上述岩石力学参数计算模型及构造应变系数，计算各井岩石力学参数剖面级地应力剖面。
统计各井岩石力学参数剖面及地应力剖面特征，研究各层段岩石力学参数及地应力纵向分布特征。分析比对各井各地层抗张强度、脆性指数、断裂韧性、弹性模量、泊松比及地应力的情况。
统计各井岩石力学参数剖面及地应力剖面特征，研究各层段岩石力学参数及地应力横向分布特征。分析比对各井段抗张强度、脆性指数、断裂韧性、弹性模量、泊松比及地应力的情况。
S5：以单井岩石力学参数剖面为基本约束，利用空间距离加权插值分析地层岩石力学参数空间分布，构建地层三维岩石力学参数模型；
在本实施例中，将岩石力学参数计算模型推广到模型内部的所有井组，计算岩石力学参数单井剖面。在地质模型的基础上，结合地层空间展布特征，以单井岩石力学参数计算结果为基本约束，利用空间距离加权插值分析技术构建研究地层岩石物理的力学参数空间分布，构建地层三维岩石力学参数模型。
S6：在地层三维岩石力学参数模型的基础上，将地层三维岩石力学参数模型转化为有限元模型，并设置边界条件，对比测试点的地应力实测结果和有限元模型计算结果，建立误差函数；所述地应力反演分析中，重力场通过设置地层的容重来实现，构造应力场根据具体的构造状态通过设置计算模型的构造作用边界来实现；
所述边界条件采用位移加载方式确定，则模型中各边界面上的位移作用可表示为：
式中，ux，uy分别为X方向、Y方向边界面水平加载位移矢量；Pxn，Pyn分别为X方向、Y方向水平位移矢量；Pt1，Pt2为剪切位移矢量。
在所述应力场反演过程中，初始应力场反演是基于逐步改正未知参数试算值，使误差函数趋于极小值的迭代算法，误差函数是用计算应力与实测应力的偏差来表示；现场实测点的应力值为
，有限元计算所得的相应测点的应力值为
，假定实测地应力及其所反映的初始应力场
是变量
和
的函数，则有：
构造联合反演模型的误差函数：
式中，n为测点个数。
所述联合反演模型的误差函数采用遗传算法进行优化反演，具体步骤如下：
A1：确定目标函数
，函数值表示成个体的适应度值；
A2：产生初始群体
]；
A3：利用数据输入接口，讲初始种群参数组导入有限元软件，计算模型应力分布；
A4：利用数据输出接口程序讲应力分布结果导出至主程序，计算初始群体个体适应度；
A5：评价是否满足中止条件，若满足则转到步骤A7输出最优解并结束；
若不满足中止条件，则随机选择两个个体，实施杂交和变异操作，形成新种群
]；
A6：转到步骤A3；
A7：输出种群进化信息，开始下一轮进化。
S7：以单井地应力剖面为基本约束，通过反演分析确定计算模型的边界荷载，获得真实的三维地应力场分布。
本实施例的真实分布的三维地应力场是通过设定相应的约束条件(如位移约束和边界载荷约束等)，采用有限元方法，可以模拟三维地应力场的分布特征，在已知目标点多次约束反演的条件下获得的。依据步骤S1~S4所获得的数据，在保证样本覆盖空间大、空间分布均匀的前提下，对边界位移荷载依次不同的水平值，构建不同的边界位移荷载组合。通过有限元数值计算获得与施加边界荷载相对应的井位测试深度点的应力分量；以边界位移荷载和应力荷载为输入，以测试井位点的计算应力为输出进行优化反演。最终得到的目标储层底面的最大主应力、最小主应力和垂向应力的三维空间分布如图7~图9所示，计算所得的应力场遵循岩石力学的约定，即张应力为负，压应力为正。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.油气储层压前三维地质评价方法，包括以下步骤：
S1：选择工区，确定工区地质特征，并进行试验测试，得到岩石物理参数及岩石力学参数，通过参数拟合构建岩石力学参数计算模型；
S2：收集测井数据，利用测井数据计算岩石力学参数，得到单井岩石力学参数剖面；
S3：根据组合经验关系，得到构造应变系数；
其特征在于，还包括以下步骤：
S4：根据岩石力学参数计算模型和构造应变系数，计算单井岩石力学参数剖面及单井地应力剖面；
S5：以单井岩石力学参数剖面为基本约束，利用空间距离加权插值分析地层岩石力学参数空间分布，构建地层三维岩石力学参数模型；
S6：在地层三维岩石力学参数模型的基础上，将地层三维岩石力学参数模型转化为有限元模型，并设置边界条件，对比测试点的地应力实测结果和有限元模型计算结果，建立误差函数；
S7：以单井地应力剖面为基本约束，通过反演分析确定计算模型的边界荷载，获得真实的三维地应力场分布。
2.根据权利要求1所述的油气储层压前三维地质评价方法，其特征在于，在所述步骤S1中所述岩石力学参数计算模型通过所述岩石力学参数和岩石物理参数的相关性分析构建。
3.根据权利要求2所述的油气储层压前三维地质评价方法，其特征在于，所述岩石力学参数包括弹性参数和塑性参数，所述岩石物理参数包括声波时差及密度。
4.根据权利要求1所述的油气储层压前三维地质评价方法，其特征在于，在步骤S3中所述组合经验关系采用组合弹簧模型；其中，假设岩石为均质、各向同性的线弹性体，并假定在沉积及后期地质构造运动过程中，地层和地层之间无相对位移，地层两水平方向的应变为常数，各主应力分量的计算如下式所示：
式中，σH-水平最大主应力；σh-水平最小主应力；σV-垂向应力；μ-泊松比；α-biots系数；
E-岩石弹性模量，MPa；
、
-沿最大主应力方向与最小主应力方向构造应变系数，Pp -地
层孔隙压力，MPa；H0-测井起始点深度，m；H-目标储层深度，m；ρ0（h）-未测井段深度为h点的
密度，kg/m3；ρ（h）-深度为h点的测井密度，kg/m3；g-重力加速度，m/s2。
5.根据权利要求1所述的油气储层压前三维地质评价方法，其特征在于，在步骤S6中的地应力反演分析中，重力场通过设置地层的容重来实现，构造应力场根据具体的构造状态通过设置计算模型的构造作用边界来实现。
6.根据权利要求1所述的油气储层压前三维地质评价方法，其特征在于，所述边界条件采用位移加载方式确定，则模型中各边界面上的位移作用可表示为：
式中，ux，uy分别为X方向、Y方向边界面水平加载位移矢量；Pxn，Pyn分别为X方向、Y方向水平位移矢量；Pt1，Pt2为剪切位移矢量。
7.根据权利要求6所述的油气储层压前三维地质评价方法，其特征在于，在所述应力场
反演过程中，初始应力场反演是基于逐步改正未知参数试算值，使误差函数趋于极小值的
迭代算法，误差函数是用计算应力与实测应力的偏差来表示；现场实测点的应力值为
，有限元计算所得的相应测点的应力值为
，假定实
测地应力及其所反映的初始应力场
是变量
和
的函数，则有：
构造联合反演模型的误差函数：
式中，n为测点个数。
8.根据权利要求7所述的油气储层压前三维地质评价方法，其特征在于，所述联合反演模型的误差函数采用遗传算法进行优化反演，具体步骤如下：
A1：确定目标函数
，函数值表示成个体的适应度值；
A2：产生初始群体
]；
A3：利用数据输入接口，讲初始种群参数组导入有限元软件，计算模型应力分布；
A4：利用数据输出接口程序讲应力分布结果导出至主程序，计算初始群体个体适应度；
A5：评价是否满足中止条件，若满足则转到步骤A7输出最优解并结束；
若不满足中止条件，则随机选择两个个体，实施杂交和变异操作，形成新种群
]；
A6：转到步骤A3；
A7：输出种群进化信息，开始下一轮进化。
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