CN113934968B - 基于岩石孔隙结构参数的地层孔隙流体压力的计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于岩石物理学技术领域，公开了基于岩石孔隙结构参数的地层孔隙流体压力的计算方法，包括步骤S101：计算饱和岩石及孔隙混合流体体积模量；S102：利用自适应反演理论计算基质体积模量；S103：计算表征岩石孔隙特征的综合孔隙结构参数；S104：定量计算考虑孔隙结构参数的Biot系数；S105：计算考虑孔隙结构参数的地层孔隙流体压力；本发明解决了现有技术计算地层孔隙流体压力的方法不适用复杂岩性地层的问题，适用于复杂岩性地层孔隙流体压力的计算。

Description

基于岩石孔隙结构参数的地层孔隙流体压力的计算方法

技术领域

本发明涉及岩石物理学技术领域，具体为一种基于岩石孔隙结构参数的地层孔隙流体压力的计算方法。

背景技术

地层孔隙流体压力定义为任一多孔隙体系，当其承受外加负荷时，由孔隙中流体所支撑的那部分负载称为孔隙流体压力。在正常情况下，当孔隙与外界连通，孔隙中的流体可以自由排出时，孔隙流体压力等于静水压力；反之，当孔隙与外界相互阻断时，构成异常地层压力，异常地层压力分布是含油气沉积盆地普遍存在的现象,有效预测地层压力对于了解油气富集、运移状况和保证钻井安全具有重要意义。

现有计算地层孔隙流体压力的方法可概括分为三类：第一类为建立泥岩或页岩的正常压实趋势线判断地层是否超压，再根据等效深度法和有效应力原理估算地层孔隙流体压力；第二类利用泥岩或页岩的正常压实趋势线方程建立泥岩或页岩的有效应力与速度之间的关系，再根据有效应力原理估算地层孔隙流体压力；第三类为直接建立速度与有效应力之间的关系，不依赖于泥岩或页岩的正常压实趋势线方程，根据有效应力原理估算地层孔隙流体压力。上述三类估算地层孔隙流体压力的方法本质均为建立有效应力与速度的关系，再根据有效应力原理估算地层孔隙流体压力，仅适用于单一岩性(同种岩性)泥岩、页岩或砂岩，对于岩性复杂的地层，尤其是混合岩性的，利用上述三类方法进行地层孔隙流体压力估算时存在诸多的不确定性，导致估算结果的可靠度低，不利于了解油气富集和运移状况，钻井存在安全隐患。

发明内容

本发明意在提供一种基于岩石孔隙结构参数的地层孔隙流体压力的计算方法，以解决现有技术计算地层孔隙流体压力的方法不适用复杂岩性地层的问题。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

基于岩石孔隙结构参数的地层孔隙流体压力的计算方法，包括以下步骤：

S101：利用常规测井资料，先计算出各测井曲线点下的饱和岩石体积模量，接着计算各孔隙不同流体的流体体积模量，再计算孔隙混合流体的流体体积模量；

S102：利用常规测井资料，基于S101计算饱和岩石体积模量和流体体积饱和模量，并根据自适应基质体积模量反演理论，计算各个测井点处的岩石基质体积模量；

S103：基于S101得到的所述孔隙混合流体的流体体积模量、S102得到的所述饱和岩石体积模量和所述岩石基质体积模量，确定表示孔隙结构的综合孔隙结构参数；

S104：计算考虑孔隙结构参数影响的岩石Biot系数，基于实际地质资料及其测井资料，分析其孔隙结构特征，得到可调节参数C的取值范围；

S105：利用所计算的考虑孔隙结构参数影响的Biot，基于有效应力理论及Aplin表达式计算得出地层孔隙流体压力。

进一步地，所述常规测井资料包括密度测井曲线、孔隙度测井曲线、含水饱和度测井曲线、纵波速度测井曲线和横波速度测井曲线。

进一步地，利用测井资料所得的饱和岩石纵波速度、饱和岩石横波速度和饱和岩石密度计算S101中所述饱和岩石体积模量的表达式为：

上述表达式中，K_sat为饱和岩石体积模量，V_P为饱和岩石的纵波速度，V_S为饱和岩石的横波速度，ρ_sat为饱和岩石密度。

进一步地，计算S101中各孔隙中不同流体的体积模量的表达式为：

上述表达式中，K_W、K_O、K_G分别代表水、油、气的体积模量，H表示岩石的埋藏深度，单位为Km。

进一步地，计算S101中孔隙混合流体的体积模量表达式为：

上述表达式中，K_fl为孔隙混合流体的体积模量，S_i分别表示含水、含气、含油饱和度，K_i对应表示为水、油、气的体积模量。

进一步地，确定S103中综合孔隙结构参数的表达式为：

上述表达式中，K_sat为饱和岩石体积模量，K_fl为孔隙混合流体体积模量，K₀为岩石基质体积模量，为孔隙度，C为可调节参数，C的取值范围在0～1之间，根据岩性不同改变C的取值。

进一步地，联系Biot系数和孔隙结构参数，计算S104中考虑孔隙结构参数Biot系数的表达式为：

上述表达式中，β为Biot系数，为孔隙度，C为可调参数，C的取值范围在0～1之间，根据岩性不同改变C的取值。

进一步地，S105中有效应力理论的表达式为：

σ＝P_d-β·P_p

上述表达式中，σ为有效应力，P_d为上覆地层压力，β为考虑岩石孔隙度结构参数的Biot系数，P_p为地层孔隙流体压力。

进一步地，计算S105中Aplin的表达式为：

v＝v₀-aln(σ/σ₀)

上述表达式中，为空隙率，a为压实系数，σ为有效应力。

进一步地，计算S105中地层孔隙流体压力的表达式为：

上述表达式中，P_p为地层孔隙流体压力，P_d为上覆岩层压力，σ₀初始有效压力，v为空隙率，a为地层压实系数，β为考虑岩石孔隙度结构参数的Biot系数。

由以上本申请提供的技术方案可见，本申请先利用常规测井资料，计算饱和岩石的体积模量K_sat和孔隙中混合流体的体积模量K_fl；然后根据自适应反演计算岩石基质的体积模量K₀；基于饱和岩石体积模量K_sat和岩石基质体积模量K₀计算出表征岩石孔隙结构的综合孔隙结构参数S；联系综合孔隙结构参数S与Biot系数的关系，得出考虑孔隙结构参数影响的Biot系数β，确定可调节参数C的取值范围；最后基于有效应力理论及Aplin表达式计算出考虑岩石孔隙结构的地层孔隙流体压力P_p。本申请中计算地层孔隙流体压力不用建立正常压实趋势线，摆脱由于趋势线预测不准确导致地层孔隙流体压力计算不准确的问题，且本申请中引入孔隙结构参数，综合考虑了复杂岩石的矿物组成成分、孔隙流体、胶结物及孔隙结构参数(包括扁率、固结系数、临界孔隙度等)对于地层孔隙流体压力的影响，使地层孔隙流体压力的计算更加精确，能够适用于复杂岩性地层的地层孔隙流体压力的计算。

附图说明

图1为本发明基于岩石孔隙结构参数的地层孔隙流体压力的计算方法的流程图；

图2为本发明基于岩石孔隙结构参数的地层孔隙流体压力的计算方法中S101和S102所使用的常规测井曲线图；

图3为本发明基于岩石孔隙结构参数的地层孔隙流体压力的计算方法中S102饱和岩石及孔隙混合流体体积模量曲线图；

图4为本发明基于岩石孔隙结构参数的地层孔隙流体压力的计算方法中S102自适应反演基质体积模量流程图；

图5为本发明基于岩石孔隙结构参数的地层孔隙流体压力的计算方法中S103基质体积模量曲线图；

图6为本发明基于岩石孔隙结构参数的地层孔隙流体压力的计算方法中S104综合孔隙结构参数及Biot系数曲线图；

图7为本发明基于岩石孔隙结构参数的地层孔隙流体压力的计算方法中S105地层孔隙流体压力及压力系数图。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明：

参考图1至图7，基于岩石孔隙结构参数的地层孔隙流体压力的计算方法，包括以下步骤：

S101：利用常规测井资料，先计算出各测井曲线点下的饱和岩石体积模量，然后计算各孔隙流体的流体体积模量，再计算孔隙混合流体的流体体积模量。

常规测井资料如图2所示，包括纵波速度测井曲线、横波速度测井曲线、密度测井曲线、孔隙度测井曲线、含水饱和度测井曲线。纵波速度表示为V_P，单位为米/秒,横波速度表示为V_S,，单位为米/秒，密度表示为ρ_sat，单位为克/立方厘米，孔隙度表示为含水饱和度表示为S_W。

其中，计算各测井点下的饱和岩石体积模量的表达式如下：

式中，ρ_sat为饱和岩石的密度，V_P为由测井资料所得到的纵波速度，V_S为由测井资料所得到的横波速度，K_sat为计算得到的饱和岩石体积模量；

计算各测井点下的孔隙中不同流体的体积模量的表达式如下：

式中，K_W、K_O、K_G分别代表水、油、气的体积模量，H表示岩石的埋藏深度，单位为Km；

将不同的流体混合之后，计算孔隙中混合流体的体积模量的表达式如下：

式中,K_fl为孔隙混合流体的体积模量，S_i分别表示含水、含气、含油饱和度，K_i对应表示为水、油、气的体积模量；

S102：利用常规测井资料，基于S101计算饱和岩石体积模量和流体体积饱和模量，根据自适应基质体积模量反演理论，计算各个测井点处的岩石基质体积模量。

在自适应基质体积模量反演理论中，首先需要输入测井曲线V_P，V_S，ρ_sat，S_W，参考图4，判断/>如若不满足此条件需进行下一测井点的计算，如若满足此条件，可根据S101中所得的饱和岩石体积模量、剪切模量和流体体积模量确定c值和K₀的取值范围及初始值，流体因子之差绝对值的初始值B。

确定K₀的取值范围需引入Biot系数表达式K_dry＝K₀(1-β)及岩石基质与岩石骨加参数的关系式，干岩石骨架的统一表达式为参考表1为干岩石骨架统一模型及对应p和q值

表1常见干岩石骨架模型及对应p和q值

表1中p、q为可调节的孔隙结构参数，m为与干岩石泊松比有关的函数，α为岩石孔隙扁率，c_cond为固结系数，为临界孔隙度。

由于岩石物理学中有关于体积模量的相对关系：

K₀＞K_sat＞K_dry (2-1)

由干岩石骨架统一表达式可知在K_sat>K_dry两端分别乘/>可得则有

根据式(2-2)，通过调节孔隙结构参数p、q来确定对应深度点下岩石基质的体积模量。将初始值设置为岩石基质体积模量的下限。

基于Russell流体因子表达式，可得流体因子F₁的表达式为：

式中，Z_P＝ρ_satV_P表示岩石纵波阻抗，Z_S＝ρ_satV_S，c为中间变量系数，定义为：

式中，σ_dry为干岩样泊松比，取值范围为0.10～0.40，对应的中间变量c的取值范围在2.25～6.0之间。

基于Gassmann方程得到流体因子F₂的表达式为：

由于上式的计算中没有干岩石骨架的体积模量，其计算式为K_dry＝K₀(1-β),β为中间变量可根据Gassmann-Biot-Geertsaman方程来获取，其方程可表达为：

式中，为纵波模量，/>为中间参数，σ_dry为干岩样的泊松比，与Russell流体因子中求取c系数的参数一致。由上述改变的岩石基质体积模量和干岩石泊松比，按各自的增量，求取式(2-6)中的β，以此获取K_dry的值。从而式(2-5)变为Gassmann流体因子F2关于岩石基质体积模量和干岩石泊松比的关系式。

依据图4自适应基质体积模量反演流程图，将Russell流体因子F₁与Gassmann方程中的流体识别因子F₂的绝对值之差B作为反演的目标函数，当改变岩石基质体积模量和干岩石泊松比计算B，判断B是否小于前一次的B值，如果小于，则更新B。不断循环计算和更新B值，直至岩石基质体积模量和干岩石泊松比达到上限值，取得在此范围内最小的B值，这个B值所对应的基质体积模量即为对应测井深度点下的自适应基质体积模量。

S103：基于S101得到的孔隙混合流体的流体体积模量、S102得到的饱和岩石体积模量和岩石基质体积模量，确定表示孔隙结构的综合孔隙结构参数。

基于Gassmann方程代入干岩石骨架的同一表达式可得含孔隙结构参数p、q的孔隙度表达式：

令S＝(p+q),可得表征孔隙结构参数的综合孔隙结构参数：

S104：计算考虑孔隙结构参数影响的岩石Biot系数，基于实际地质资料及其测井资料，分析其孔隙结构特征，给出孔隙结构参数的取值范围。

由于Biot的理论计算表达式为：

又有干岩石统一骨架模型为：

将(4-2)式代入(4-1)时可得：

将S＝(p+q),代入式(4-3)，整理得考虑岩石孔隙结构参数的Biot系数：

确定C值的取值范围，由可知，C为孔隙结构参数p、q的函数，其物理意义为孔隙结构参数q在综合孔隙结构参数S＝(p+q)中所占有的比重，取值范围在0～1之间。根据表1可知通常将其近似/>视为0或1，对于岩石孔隙结构参数的选取十分有限，精确度受到一定的影响。加入参数C后，/>不再近似于1，如表2所示，都有了具体的数值，提高对于岩石骨架模型的计算精度。对于各类岩石具有适用性，可根据研究区域岩性、沉积相的不同，选取不同的C值进行综合孔隙结构参数的研究计算。

表2常见干岩石骨架模型及C值

S105：利用所计算的考虑孔隙结构参数影响的Biot，基于有效应力理论及Aplin表达式计算得出地层孔隙流体压力。

有效应力理论的表达式如下：

σ＝P_d-β·P_p (5-1)

式中，σ为有效应力，P_d为上覆地层压力，β为虑岩石孔隙度结构参数的Biot系数，P_p为地层孔隙流体压力。

上覆地层压力可利用密度积分得出：

式中，z为相对应的深度,ρ为饱和岩石密度。

Aplin表达式如下：

v＝v₀-aln(σ/σ₀) (5-3)

式中，为空隙率，a为压实系数，σ为有效应力。

联系有效应力理论及Aplin表达式计算基于岩石孔隙结构参数的地层孔隙流体压力的表达式如下：

式中，P_p为地层孔隙流体压力，P_d为上覆岩层压力，σ₀初始有效压力，v为空隙率，a为地层压实系数，β为考虑岩石孔隙度结构参数的Biot系数。

当地层孔隙流体压力为正常压力时，此时地层孔隙流体压力为

式中，z为相对应的深度,ρ_f为孔隙流体密度。异常地层孔隙流体压力与正常孔隙流体压力的比值称为压力系数参考图7，在储层区其压力系数明显偏大，可有效区分储层区和非储层区。

以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体技术方案或特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明技术方案的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (7)

1.基于岩石孔隙结构参数的地层孔隙流体压力的计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

S101：利用常规测井资料，先计算出各测井曲线点下的饱和岩石体积模量，接着计算各孔隙不同流体的流体体积模量，再计算孔隙混合流体的流体体积模量；

S102：利用常规测井资料，基于S101计算饱和岩石体积模量和流体体积模量，并根据自适应基质体积模量反演理论，计算各个测井点处的岩石基质体积模量；

S103：基于S101得到的所述孔隙混合流体的流体体积模量和所述饱和岩石体积模量、S102得到的所述岩石基质体积模量，确定表示孔隙结构的综合孔隙结构参数；

S104：计算考虑孔隙结构参数影响的岩石Biot系数，基于实际地质资料及其测井资料，分析其孔隙结构特征，得到可调节参数C的取值范围；

S105：利用所计算的考虑孔隙结构参数影响的Biot，基于有效应力理论及Aplin表达式计算得出地层孔隙流体压力；其中，

有效应力理论的表达式为：

σ＝P_d-βP_p

上述表达式中，σ为有效应力，P_d为上覆地层压力，β为考虑岩石孔隙度结构参数的Biot系数，P_p为地层孔隙流体压力；

Aplin的表达式为：

v＝v₀-aln(σ/σ₀)

上述表达式中，v为空隙率，σ₀初始有效压力，a为压实系数，σ为有效应力；

计算地层孔隙流体压力的表达式为：

上述表达式中，P_p为地层孔隙流体压力，P_d为上覆岩层压力，σ₀初始有效压力，v为空隙率，a为地层压实系数，β为考虑岩石孔隙度结构参数的Biot系数。

2.根据权利要求1所述的基于岩石孔隙结构参数的地层孔隙流体压力的计算方法，其特征在于：所述常规测井资料包括密度测井曲线、孔隙度测井曲线、含水饱和度测井曲线、纵波速度测井曲线和横波速度测井曲线。

3.根据权利要求1所述的基于岩石孔隙结构参数的地层孔隙流体压力的计算方法，其特征在于：利用测井资料所得的饱和岩石纵波速度、饱和岩石横波速度和饱和岩石密度计算S101中所述饱和岩石体积模量的表达式为：

上述表达式中，K_sat为饱和岩石体积模量，V_P为饱和岩石的纵波速度，V_S为饱和岩石的横波速度，ρ_sat为饱和岩石密度。

4.根据权利要求3所述的基于岩石孔隙结构参数的地层孔隙流体压力的计算方法，其特征在于：计算S101中各孔隙中不同流体的体积模量的表达式为：

上述表达式中，K_W、K_O、K_G分别代表水、油、气的体积模量，H表示岩石的埋藏深度，单位为Km。

5.根据权利要求4所述的基于岩石孔隙结构参数的地层孔隙流体压力的计算方法，其特征在于：计算S101中孔隙混合流体的体积模量表达式为：

上述表达式中,K_fl为孔隙混合流体的体积模量，S_i分别表示含水、含气、含油饱和度，K_i对应表示为水、油、气的体积模量。

6.根据权利要求5所述的基于岩石孔隙结构参数的地层孔隙流体压力的计算方法，其特征在于：确定S103中综合孔隙结构参数的表达式为：

上述表达式中，K_sat为饱和岩石体积模量，K_fl为孔隙混合流体体积模量，K₀为岩石基质体积模量，为孔隙度，C为可调节参数，C的取值范围在0～1之间，根据岩性不同改变C的取值。

7.根据权利要求6所述的基于岩石孔隙结构参数的地层孔隙流体压力的计算方法，其特征在于：联系Biot系数和孔隙结构参数，计算S104中考虑孔隙结构参数Biot系数的表达式为：

上述表达式中，β为Biot系数，为孔隙度，C为可调参数，C的取值范围在0～1之间，根据岩性不同改变C的取值。