CN114442191A - 基于岩芯和井眼结构恢复确定井下现今地应力方向的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供基于岩芯和井眼结构确定井下现今地应力方向的方法，包括步骤1.岩芯诱导缝判识。在钻井、取芯和搬运处理过程中会导致岩芯诱导缝的形成，故先在岩芯上宏观判识出由现今地应力所引起的诱导缝，并用一条线标记出诱导缝收敛方向，即为相对最大水平主应力方向。步骤2.基于古地磁实验的岩芯定向。在岩芯诱导缝收敛方向判识的基础上，利用古地磁实验测试对取芯岩芯发育的诱导缝的收敛方向进行定向。本发明在单井井壁成像影像资料不清楚的情况下，由于在单井井段上很难辨识诱导缝，可以结合岩芯去对该井段上发育的诱导缝影像特征进行标定，从而来确定出单井井段上现今地应力方向。

Description

基于岩芯和井眼结构恢复确定井下现今地应力方向的方法

技术领域

本发明属于油气勘探技术领域，尤其涉及基于岩芯测试和井眼结构恢复确定井下现今地应力方向的方法。

背景技术

现今地应力方向是页岩气等非常规油气资源勘探开发中水平井部署、压裂设计和井壁稳定性分析等方面的重要基础数据，也是认识和理解区域构造应力场特征，分析油气保存条件的重要依据，现存的不同组系裂缝的保存状态和张开程度受现今应力场方向控制，从而影响储层自身渗透率及油气运移效率，现今应力场最大水平主应力方向控制着油气主渗流方向。前人主要是利用天然地震资料、FMI测井资料、微地震资料、岩芯古地磁测量确定地应力场方向。一些学者采用有限元法对现今地应力场进行了模拟，得出现今地应力场方向分布。也有部分学者基于钻孔崩落法，利用钻孔成像测井图像资料对钻孔崩落长轴方位进行了方向统计。从而获取最大水平主应力方位。ASR法也通常被应用到地应力方向的获取，其主要是利用钻孔岩芯卸荷后的非弹性恢复变形信息，结合岩芯定向结果，来估算地应力方向的近原位地应力。

现有技术一的技术方案

宫红良等、周新桂等主要是基于钻孔岩芯样品古地磁定向岩石差应变法分析，确定现今主地应力方向。用古地磁方法确定岩芯在地下的自然方位后，采用差应变实验可以确定岩石在地下的现今最大主应力方向。

现有技术一的缺点

①差应变分析是一种理论基础可靠的常用地应力测量方法，从岩芯制备、黏贴应变片到实验过程均比较复杂，受测试条件限制及测试技术难度等因素的影响，目前该方法的实际应用有一定限制。

②前人研究思路单一，运用多维的思路去确定井下地应力方向还很欠缺。

③岩芯地应力测量只能给出地应力相对于岩芯的方位，如何给出岩芯在地下原始方位则是该方法的一个技术关键。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术存在的缺陷，提供基于岩芯和井眼结构确定井下现今地应力方向的方法，首先是针对某口井某段岩芯对其发育的诱导缝进行判识，而诱导缝的收敛方向即为相对最大主应力方向，并对其进行标记，画出标志线；其次，利用古地磁实验测试对取芯岩芯发育的诱导缝的收敛方向进行定向；然后，利用岩芯诱导缝的基本特征，标定成像上井壁真正能反映现今地应力方向的影像特征，结合该单井某井段井壁诱导缝的典型影像特征恢复的最大主应力方向进行对比分析；最后，综合上述研究确定该单井某井段上的现今地应力方向。

本发明采用如下技术方案：

基于岩芯和井眼结构确定井下现今地应力方向的方法，包括：

(1)岩芯诱导缝判识

在钻井、取芯和搬运处理过程中会导致岩芯诱导缝的形成，故可以先在岩芯上宏观判识出由现今地应力引起的诱导缝，并用一条线标记出诱导缝收敛方向，即为相对最大水平主应力方向。

(2)基于古地磁实验的岩芯定向

在岩芯诱导缝收敛方向判识的基础上，利用古地磁实验测试对取芯岩芯发育的诱导缝的收敛方向进行定向。

古地磁定向实验测试过程包括：

①将全直径岩芯，按其标志线方向将截取的岩心加工制成直径25mm、高25mm的标准试样。

②按步骤分段进行测定，首先测量20℃时的剩磁强度及方向，然后采用热退磁方式进行退磁处理，热退磁通常是先将样品由室温加热到某一个设定温度，再将样品在零磁空间中冷却至室温，测量出此时的剩余磁化强度；然后提高温度，重复测量。

③将多个剩磁测量结果m0、m1、m2……mn导入数据处理软件，绘制成强度曲线图、正交投影图、赤平投影图，从图上判断出稳定的剩磁组分，进而确定剩磁的磁偏角和磁倾角。

④最后基于古地磁定向实验测试结果，结合公式(1)，计算出现今地应力方向。

α＝β+θ (1)

式中：α—最大水平主应力方位，(°)；β—古地磁定向角度，(°)；θ—最大水平主应力方向相对于标志线方位(°)。

(3)基于岩芯定向和井壁成像特征确定井下现今地应力方向

通过利用古地磁实验测试对岩芯发育的诱导缝的收敛方向进行定向，结合该单井某井段井壁成像的特征恢复的最大主应力方向进行对比分析；最后，综合上述研究，在数据处理软件中确定该单井某井段上现今地应力方向。

进一步的技术方案是，古地磁实验运用到的实验测试设备包括粘滞剩磁测量仪器和粘滞剩磁测量系统控制软件。其中粘滞剩磁测量仪器主要组成为：弱磁空间、热退磁仪、旋转磁力仪、岩芯无磁切割和钻取工具、数据采集系统等；粘滞剩磁测量系统控制软件rema6.exe是测量系统主程序，也是j旋转磁力仪控制软件主界面，包括选择支架类型、支架校正以及数据测量。

进一步的技术方案是，古地磁岩芯定向就是通过古地磁仪，测定岩石磁化时的地磁场方向来实现的。因为任何岩芯所处的地层在形成时或稍后，都会受到地球偶极子场引起的磁场磁化，并与当时地磁场一致，古地磁岩芯定向就是利用古地磁仪(磁力仪和退磁仪)来分离和测定岩芯的磁化变迁过程，用Fisher统计法确定与岩芯对应的不同地质年代的剩磁方向，用以恢复岩芯在地下所处的原始方位。

进一步的技术方案是，①具体步骤是将圆柱面标志线延到岩芯截面上，然后在截面上绘出多条平行于标志的线，以保证最终试样绘有标志线。将绘制标志线的大岩芯置于钻床上，调好水平夹固，沿轴向钻取小岩芯，再切成直径25mm、高25mm的标准样品。将端面上的平行标志线过轴心绘于圆柱面上。

进一步的技术方案是，②本实验取热退磁分段间隔为40℃，分别测得60℃、100℃、140℃、180℃、220℃、260℃、300℃温度下的剩磁强度及方向。

本发明的有益效果：

1.在单井井壁成像影像资料不清楚的情况下，由于在单井井段上很难判识诱导缝，本发明可以结合井段岩芯对该井段上发育的诱导缝进行标定，从而确定出单井井段上现今地应力方向。

2.本发明中仅仅涉及到古地磁实验测试分析，对岩芯诱导缝的收敛方向进行定向，大大节约了实验成本，且本发明经济有效，可以很好地确定出单井井段现今地应力方向。

3.现有技术主要是利用天然地震资料、FMI测井资料、微地震资料、岩芯古地磁测量确定地应力场方向。一些学者采用有限元法对现今地应力场进行了模拟，得出现今地应力场方向分布。也有部分学者基于钻孔崩落法，利用钻孔成像测井图像资料对钻孔崩落长轴方位进行了方向统计，从而获取最大水平主应力方位。ASR法也通常被应用到地应力方向的获取，其主要是利用钻孔岩芯卸荷后的非弹性恢复变形信息，结合岩芯定向结果，来估算地应力方向的近原位地应力。

附图说明

图1为对称羽状诱导缝指示典型岩芯图；

图2为花瓣状诱导缝典型岩芯图；

图3为岩芯古地磁定向确定标志线相对于地理北极的夹角；

图4为岩芯古地磁确定最大水平主应力方位；

图5(a)、图5(b)为鞍状诱导缝；

图5(c)、图5(d)为花瓣状诱导缝；

图5(e)、图5(f)为花瓣状诱导缝过渡到纵向诱导缝；

图5(g)为不同两向应力差异强度条件下诱导缝的形态和井壁形迹特征；

图6为岩心诱导缝特征标定成像测井典型诱导缝影像特征示意图；

图7为本发明的步骤流程图。

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，下面本发明中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作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。

本发明首先是针对某口井某段岩芯对其发育的诱导缝进行判识，而诱导缝的收敛方向即为相对最大主应力方向，并对其进行标记；其次，利用古地磁实验测试对取芯岩芯发育的诱导缝的收敛方向进行定向；然后，结合该单井某井段井壁成像的特征恢复的最大主应力方向进行对比分析；最后，综合上述研究确定该单井某井段上的现今地应力方向。

如图7所示，本发明基于岩芯和井眼结构确定井下现今地应力方向的方法，包括：

(1)岩芯诱导缝判识

在钻井、取芯和搬运处理过程中会导致岩芯诱导缝的形成，故可以先在岩芯上宏观判识出由现今地应力引起的诱导缝，并用一条线标记出诱导缝收敛的方向，如图1和图2所示，即为相对最大水平主应力方向。本发明主要来源于永川、丁山复杂地区地应力研究。

(2)基于古地磁实验的岩心定向

本发明在岩芯诱导缝收敛方向判识的基础上，利用古地磁实验测试对取芯岩心发育的诱导缝的收敛方向进行定向。

古地磁实验运用到的实验测试设备包括粘滞剩磁测量仪器和粘滞剩磁测量系统控制软件。其中粘滞剩磁测量仪器主要组成为：弱磁空间、热磁空间、热退磁仪、岩芯无磁切割和钻取工具、数据采集系统等。

粘滞剩磁测量系统控制软件主界面，rema6.exe是测量系统主程序，也是J旋转磁力仪控制软件主界面，包括选择支架类型、支架校正以及数据测量。

古地磁岩芯定向就是通过古地磁仪，测定岩石磁化时的地磁场方向来实现的。因为任何岩芯所处的地层在形成时或稍后，都会受到地球偶极子场引起的磁场磁化，并与当时地磁场一致，古地磁岩芯定向就是利用古地磁仪(磁力仪和退磁仪)来分离和测定岩芯的磁化变迁过程，用Fisher统计法确定与岩芯对应的不同地质年代的剩磁方向，用以恢复岩芯在地下所处的原始方位。

古地磁定向实验测试过程包括：

①将全直径岩芯，按其标志线方向将截取的岩芯加工制成直径25mm、高25mm的标准试样。步骤是将圆柱面标志线延到岩芯截面上，然后在截面上绘出多条平行于标志线的线，以保证最终试样绘有标志线。将绘制标志线的大岩芯置于钻床上，调好水平夹固，沿轴向钻取小岩芯，再切成直径25mm、高25mm的标准样品。将端面上的平行标志线过轴心绘于圆柱面上，如图4所示。

②按步骤分段进行测定，首先测量20℃时的剩磁强度及方向，然后采用热退磁方式进行退磁处理，热退磁通常是先将样品由室温加热到某一个设定温度，再将样品在零磁空间中冷却至室温，测量出此时的剩余磁化强度；然后提高温度，重复测量。本实验取热退磁分段间隔为40℃，分别测得60℃、100℃、140℃、180℃、220℃、260℃、300℃温度下的剩磁强度及方向。

③将多个剩磁测量结果m0、m1、m2……mn导入数据处理软件，绘制成强度曲线图、正交投影图、赤平投影图，如图5(a)-图5(g)所示，从图上判断出稳定的剩磁组分，进而确定剩磁的磁偏角和磁倾角。

④最后基于古地磁定向实验测试结果，结合公式(1)，计算出现今地应力方向，如表1所示：

α＝β+θ (1)

式中：α—最大水平主应力方位，(°)；β—古地磁定向角度，(°)；θ—最大水平主应力方向相对于标志线方位；(°)。

(3)基于岩芯定向和井壁成像特征确定井下现今地应力方向

通过利用古地磁实验测试对岩芯发育的诱导缝的收敛方向进行定向，结合该单井某井段井壁成像的特征恢复的最大主应力方向进行对比分析；最后，综合上述研究在数据处理软件中确定该单井某井段上的现今地应力方向。

FMI图像可直观地显示出诱导压裂缝。由井壁切向应力分析可知，在最大水平主应力方向上有最小的井周切向应力，当泥浆柱压力大到一定程度时，该最小井周切向应力将变成负值，即由压性应力变为张性应力，一旦该张性应力超过岩石抗张强度，就在井壁产生张性的诱导压裂缝，所以诱导压裂缝的走向就是最大水平主应力的方向。

通常可以利用下面图像特征来识别诱导压裂缝。

①它们总是以180°或近于180°之差对称的出现在井壁上。

②当井身垂直时，它以一条高角度张性裂缝为主，在两侧有两组羽毛状的微小裂缝，或彼此平行，或共轭相交，这将取决于三轴向地应力之间的关系，即上覆岩层压力为中间主应力时呈平行状，上覆岩层压力为最大主应力时呈共轭交叉状；当井身倾斜时，压裂缝全部变成同一方向，且彼此平行的倾斜缝。

③在双侧向测井曲线上出现特有的“双轨”现象，即深、浅双侧向曲线表现为大段平直的正差异，其电阻率数值较高。

④对于垂直井眼，压裂缝总是出现在最大水平主应力方向上；对于倾斜井眼，当井眼长短轴之比大于最大、最小水平主应力之比时，压裂缝在最大水平主应力方向上；当井眼长短轴之比小于最大、最小水平主应力之比时，则压裂缝在最小水平主应力方向上。此外，应注意压裂缝与井壁椭圆形崩落图像的差别，它总是以两条呈180°对称且较粗的高电导异常带出现。

⑤诱导裂缝的形态受控于两向应力差异强度，由弱变强过程中，裂缝形态由等轴凸面、鞍形过渡到花瓣状-纵向裂缝，缝面常具纹理结构，如图5(a)-图5(g)所示。

⑥成像测井井壁形迹相应地由余弦曲线过渡到对称排布的羽状暗色条带或单一羽状暗色条带，呈现倒“八”字形态，径向延伸较短。

实施例

DY6-1井在3444-3450m段岩心诱导缝十分发育(如图1)，选取DY6-1诱导缝发育的岩心全直径，并在全直径的端面和轴面上位于诱导缝走向做好标志线，然后在岩心轴向上钻取6个小圆柱标准样品(图3)，然后利用古地磁定向仪器确定6个圆柱标准样品标志线方向相对地理北极的夹角，利用Fisher图解法求取6个样品的平均角度(图4)，即为现今最大水平主应力方向，其结果如下表：

表1 DY6-1井岩芯诱导缝走向的古地磁定向结果表

总之，如由上述岩心测试的现今最大水平主应力方向结果，标定成像测井上能够反映现今地应力方向的成像影像特征(图6)，成像影像上呈组系、不完整的倒八字的羽状、花瓣状暗色影像特征可判定为诱导缝，基于标定后的诱导缝的典型影像特征，从而解释工区内关键井现今地应力方向，其结果如下表：

表2关键井成像测井上典型诱导缝影像特征的解释结果表

最后应说明的是：以上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精神和范围。

Claims (5)

1.基于岩芯和井眼结构确定井下现今地应力方向的方法，其特征在于,包括：

步骤1.岩芯诱导缝判识

在钻井、取芯和搬运处理过程中会导致岩芯诱导缝的形成，故先在岩芯上宏观判识出诱导缝，并用一条线标记出诱导缝收敛方向，即为相对最大水平主应力方向；

步骤2.基于古地磁实验的岩芯定向

在岩芯诱导缝收敛方向判识的基础上，利用古地磁实验测试对取芯岩芯发育的诱导缝的收敛方向进行定向，实验测试过程包括：

A.将全直径岩芯，按其标志线方向将截取的岩心加工制成直径25mm、高25mm的标准试样；

B.按步骤分段进行测定，首先测量20℃时的剩磁强度及方向，然后采用热退磁方式进行退磁处理，热退磁通常是先将样品由室温加热到某一个设定温度，再将样品在零磁空间中冷却至室温，测量出此时的剩余磁化强度；然后提高温度，重复测量；

C.将多个剩磁测量结果m0、m1、m2……mn导入数据处理软件，绘制成强度曲线图、正交投影图、赤平投影图，从图上判断出稳定的剩磁组分，进而确定剩磁的磁偏角和磁倾角；

D.基于古地磁定向实验测试结果，结合公式(1)，计算出现今地应力方向：

α＝β+θ (1)

式中：α—最大水平主应力方位，(°)；β—古地磁定向角度，(°)；θ—最大水平主应力方向相对于标志线方位(°)；

步骤4.基于岩芯定向和井壁成像特征确定井下现今地应力方向

通过利用古地磁实验测试对岩芯发育的诱导缝的收敛方向进行定向，结合该单井某井段井壁成像的特征恢复的最大主应力方向进行对比分析；最后，在数据处理软件中综合研究确定该单井某井段上现今地应力方向。

2.根据权利要求1所述的基于岩芯和井眼结构确定井下现今地应力方向的方法，其特征在于，步骤2中，古地磁实验运用到的实验测试设备包括：粘滞剩磁测量仪器和粘滞剩磁测量系统控制软件。

3.根据权利要求1所述的基于岩芯和井眼结构确定井下现今地应力方向的方法，其特征在于，步骤2中，古地磁岩芯定向是通过古地磁仪，测定岩石磁化时的地磁场方向来实现的。

4.根据权利要求1所述的基于岩芯测试和井眼结构确定井下现今地应力方向的方法，其特征在于，步骤2中，A具体是将圆柱面标志线延到岩芯截面上，然后在截面上绘出多条平行于标志的线，以保证最终试样绘有标志线，将绘制标志线的大岩芯置于钻床上，调好水平夹固，沿轴向钻取小岩芯，再切成直径25mm、高25mm的标准样品，将端面上的平行标志线过轴心绘于圆柱面上。

5.根据权利要求1所述的基于岩芯和井眼结构确定井下现今地应力方向的方法，其特征在于，步骤2，B中，取热退磁分段间隔为40℃，分别测得60℃、100℃、140℃、180℃、220℃、260℃、300℃温度下的剩磁强度及方向。

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