CN114492235A - 一种适用于碳酸盐岩地层的地层孔隙流体压力预测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种适用于碳酸盐岩地层的孔隙流体压力预测方法,该方法利用碳酸盐岩骨架刚度大的特点,分析碳酸盐岩地层由常压状态到超压状态的变化过程,推导出一种能预测碳酸盐岩地层孔隙流体压力的公式,该公式的核心是优选能反应研究区岩石骨架应力的变化的岩石物理参数,并且确定公式中的指数调节因子,基于该公式进行碳酸盐岩地层的地层孔隙流体压力预测,可以实现在岩石物理参数较少的情况的地层孔隙流体压力的准确预测。
Description
技术领域
本发明涉及油气田开发技术领域的地层孔隙流体压力预测,尤其涉及一种适用于碳酸盐岩地层的地层孔隙流体压力预测方法。
背景技术
一、碳酸盐岩地层孔隙流体压力预测的重要性
地层孔隙流体压力不但能反应研究区油气运、聚、成藏规律,而且能为钻井施工设计和油气藏开发方案提供依据,因此地层孔隙流体压力预测对油气勘探开发至关重要。目前越来越多的深层、超深层碳酸盐岩储层被发现,碳酸盐岩地层孔隙流体压力预测的难点急需解决。由于碳酸盐岩地层骨架刚度强,欠压实成因不明显,所以不能建立正常压实趋势线,导致许多成熟的地层孔隙流体压力预测方法难以应用到碳酸盐岩地层。
二、常规的碳酸盐岩地层孔隙流体压力预测方法
1、有限应力法
夏宏泉等(2005年5月,钻采工艺,第28卷第3期,28~30页)提出了利用有效应力法预测碳酸盐岩地层压力的方法,方法原理如下:
σ=P0-Pp (1)
式中,σ是岩石骨架应力,单位:Mpa;P0是上覆地层压力,单位:Mpa;Pp是地层孔隙流体压力,单位:Mpa。
通过充足的数据将研究区泊松比μ和岩石骨架应力拟合,得出公式2,
σ=100.674e-2.57825μ (2)
联合公式1和公式2,得到了某川东地区的地层孔隙流体压力预测公式3,
Pp=P0-100.674e-2.57825μ (3)
此外,徐路等(碳酸盐岩地层压力预测研究,中国石油大学硕士学位论文, 2011年,31~36页)利用碳酸盐岩的声波特性实验,建立了一个纵波速度、孔隙度和岩石骨架应力的关系式,
考虑到含气饱和度和泥质含量的影响,提出公式5,
式中,Sg是含气饱和度,无量纲;Vsh是泥质含量,无量纲;a、b、c、d、m是拟合出的经验系数。
2、基于Biot理论的地层孔隙流体压力预测方法
基于Biot理论的压力预测方法的原理基础是多孔介质理论,该原理认为纵波速度VP是由岩石骨架和孔隙流体一起提供组成的,岩石骨架占主导作用,孔隙流体占很小一部分,但碳酸盐岩骨架坚硬,地层孔隙流体压力的变化不会引起骨架速度的变化,地层孔隙流体压力会导致纵波速度的变化,因此可以直接建立地层孔隙流体压力Pf与纵波速度VP的关系式。
Yu Fu等(Pore pressure prediction in carbonate rock using wabelettransformation.Geophysics,2014,Vol.79(No.4):243~252页)认为岩石变形程度与流体承压的大小决定地层孔隙流体压力,因此提出公式6,
式中,Kf是孔隙流体体积弹性模量,无量纲;Ksat是岩石体积弹性模量,无量纲
在研究伊朗油田的碳酸盐岩压力时,Vahid Atashbarei等(Pore PressurePrediction in Carbonate reservoirs.SPE Oil and Gas India Conference andExhibiition,2012:28~30页)将碳酸盐岩的压缩性(即体积模量的倒数)考虑进拟合公式,
式中,KfCb是体积压缩系数;Cp是孔隙压缩系数;a是经验系数。
上述方法的缺陷分析:
(1)有限应力法的核心在于建立岩石骨架应力和其他已知参数的关系式,但碳酸盐岩的的非均质性和各项异性较强,所以需要较多的井参与,导致进行岩石物理实验的成本增加,同时利用测井资料计算的含气饱和度精度不高。
(2)基于Biot理论的地层孔隙流体压力预测方法涉及的参数较多,地区差异性较大,需要调查不同研究区的地质情况和进行大量的实地数据处理,才能得出准确的拟合公式。
发明内容
本发明通过分析碳酸盐岩地层特性,利用碳酸盐岩骨架的刚度大的特点,提出了一个能预测碳酸盐岩地层孔隙流体压力的公式。本发明公式核心是优选能反应研究区岩石骨架应力的变化的岩石物理参数,并且确定公式中的指数调节因子。从原理上,此公式有详细的推导过程和地球物理意义,即使在岩石物理参数较少的情况下也能较为准确的计算出地层孔隙流体压力。
本发明的适用于碳酸盐岩地层的地层孔隙压力预测的核心计算公式的推导过程如下:
(1)常压状态下的碳酸盐岩地层
在碳酸盐岩地层中,当孔隙流体是常压时,由于岩石骨架刚度强,孔隙内部的流体自由流动,此时的地层孔隙流体压力就等于静水压力,如公式4。该状态下,地层孔隙流体可以自由流动,上覆地层压力由岩石骨架应力单独支撑,即上覆地层压力值与岩石的骨架应力值相等,如公式9。
Pw=Pf1 (8)
Pov=Pe1 (9)
上式中,Pov是上覆地层压力,单位Mpa;Pw是静水压力,单位Mpa;Pf1常压状态的地层孔隙流体压力,单位Mpa;Pe1是常压状态的岩石骨架应力,单位 Mpa。
(2)超压状态下的碳酸盐岩地层
当地层孔隙流体压力处于超压状态时,地层的孔隙流体也承担一部分上覆地层压力,如公式10。
Pov=Pf2+Pe2 (10)
公式10中Pf2是超压状态的地层孔隙流体压力,单位Mpa;Pe2是超压状态的岩石骨架应力,单位Mpa。
(3)常压状态与超压状态的碳酸盐岩地层的参数变化分析
对比常压状态与超压状态的碳酸盐岩地层的参数变化,
ΔPf=Pf2-Pf1=Pf2-Pw (11)
ΔPe=-(Pe2-Pe1)=Pov-Pe2 (12)
上式中,ΔPf是地层孔隙流体压力的增加量,单位Mpa;ΔPe是岩石骨架应力的减少量,单位Mpa。
在上覆地层压力不变的情况下,岩石骨架应力的减少量等于孔隙流体压力的增加量,如公式13,
ΔPf=ΔPe (13)
将公式11和公式12代入公式13,
Pf2-Pw=Pov-Pe2 (14)
对公式14进行移项,
公式15中的参数Pe2是超压状态下的碳酸盐岩地层的岩石骨架应力,难以准确求取或设定。
为了克服该难点,本发明聚焦即想办法获得该比值项的准确值。由公式9可见,Pov的值与碳酸盐岩常压状态的岩石骨架应力值相等,则表征了碳酸盐岩地层的超压状态与常压状态的岩石骨架应力值的比值,即该比值反映了岩石骨架的应力变化。因此,本发明采用可以表征岩石骨架的应力变化的其它参数进行代替,如泊松比、杨氏模量等,从而得到公式15的改进公式,
公式16中,X是反映碳酸盐岩地层的岩石骨架应力变化的敏感参数,如泊松比、杨氏模量等;Xmax是变量X的最大值,选取碳酸盐岩地层中的致密层段的参数值。
此外,为了提高公式16的不同地区的适用性,在公式16中增加指数调节因子,
公式17中的c是适用于不同地区的指数调节因子。
公式17是本发明推导的适用于碳酸盐岩地层的地层孔隙压力预测的核心计算公式。
附图说明
图1是采用本发明方法对某研究区的碳酸盐岩地层进行的地层孔隙流体压力预测。
具体实施方式
实施例1
一种适用于碳酸盐岩地层的地层孔隙流体压力预测方法,基于测井数据计算碳酸盐岩地层的地层孔隙流体压力,步骤包括:
步骤1:基于目的层段的实测地层压力数据,获取用于碳酸盐岩地层的地层压力预测的岩石物理参数和指数调节因子的值:
步骤1-1:选取研究区的目的层段含有实测压力数据的两口井,记为A井和 B井。A井作为计算井,用于计算多个岩石物理参数及其对应的指数调节因子; B井作为验证井,采用基于A井计算得到多个岩石物理参数及其对应的指数调节因子预测地层压力值,优选地层压力预测值与真实值误差最小的岩石物理参数及其对应的指数调节因子;
步骤1-2:输入A井的测井数据:纵波速度、横波速度、密度,目的层段顶界面深度、目的层段以上的地层平均密度、地层压力实测点的深度和压力值、目的层段顶界面到实测点的采样点个数N、目的层段采样点总个数M;
步骤1-3:计算A井的地层压力实测点的上覆地层压力值和静水压力值,
Pw_r_A=0.0098×Hr_A (19)
式中,N是A井目的层段顶界面至地层压力实测点的采样点总数;Pov_r_A是的A 井地层压力实测点的上覆地层压力值,单位MPa;DEN0_A是A井的目的层段以上的地层平均密度,单位g/cm3;H0_A是A井的目的层段顶界面深度,单位m; HA_i是A井的目的层段测井采样点,单位m;DENA_i是对应采样点HA_i的密度值,单位g/cm3;Pw_r_A是A井地层压力实测点的静水压力值,单位MPa;Hr_A是A 井地层压力实测点的深度,单位m;
步骤1-4:计算A井地层压力实测点的多个岩石物理参数,如泊松比、杨氏模量、体积模量等,下面仅列举上述3个参数的计算公式,
式中,μr_A是A井地层压力实测点的泊松比;Er_A是A井地层压力实测点的杨氏模量;Kr_A是A井地层压力实测点的体积模量;μr_A是A井地层压力实测点的泊松比;VP_r_A是A井地层压力实测点的纵波速度,单位m/s;VS_r_A是A井地层压力实测点的横波速度,单位m/s;DENr_A是A井地层压力实测点的密度,单位 g/cm3;
步骤1-5:计算A井目的层段的多个岩石物理参数,如泊松比、杨氏模量、体积模量等,并选取目的层段内的最大值,下面仅列举上述3个参数的计算公式,
μmax_A=max(μA_i),i∈[0,M] (26)
Emax_A=max(EA_i),i∈[0,M] (27)
Kmax_A=max(KA_i),i∈[0,M] (28)
式中,μA_i、EA_i和KA_i代表A井目的层段采样点i对应的泊松比、杨氏模量和体积模量;μmax_A、Emax_A和Kmax_A代表A井目的层段中的最大泊松比、最大样式模量、最大体积模量;M代表A井目的层段的测井采样点总数;VP_A_i代表A井目的层段采样点i对应的纵波速度,单位m/s;VS_A_i代表A井目的层段采样点i对应的横波速度,单位m/s;DENA_i代表A井目的层段采样点i对应的密度,单位 g/cm3;
步骤1-6:计算各个岩石物理参数对应的指数调节因子,下面仅列举上述3 个参数的指数调节因子,
式中,Cμ代表和泊松比相对应的指数调节因子;CE代表和泊松比相对应的指数调节因子;CK代表和泊松比相对应的指数调节因子;Pf_r_A代表A井地层压力实测值,单位Mpa;
步骤1-7:输入验证井B的测井数据:纵波速度、横波速度、密度,目的层段顶界面深度、目的层段以上的地层平均密度、地层压力实测点的深度和压力值、目的层段采样点个数k;
步骤1-8:计算B井目的层段每个采样点的上覆地层压力值和静水压力,
Pw_B_i=0.0098×HB_i (33)
式中,k是B井目的层段的实测采样点总数;Pov_B_i是B井对应采样点i的上覆地层压力值,单位MPa;DEN0_B是B井的目的层段以上的地层平均密度,单位 g/cm3;H0_B是B井的目的层段顶界面深度,单位m;HB_i是B井的目的层段测井采样点,单位m;DENB_i是对应采样点i的密度值,单位g/cm3;Pw_B_i是B井对应采样点i的静水压力值,单位MPa;
步骤1-8:计算B井目的层段的多个岩石物理参数,如泊松比、杨氏模量、体积模量等,并选取目的层段内的最大值,下面仅列举上述3个参数的计算公式,
μmax_B=max(μB_i),i∈[0,k] (37)
Emax_B=max(EB_i),i∈[0,k] (38)
Kmax_B=max(KB_i),i∈[0,k] (39)
式中,μB_i、EB_i和KB_i代表B井目的层段采样点i对应的泊松比、杨氏模量和体积模量;μmax_B、Emax_B和Kmax_B代表B井目的层段中的最大泊松比、最大样式模量、最大体积模量;VP_B_i代表B井目的层段采样点i对应的纵波速度,单位 m/s;VS_B_i代表B井目的层段采样点i对应的横波速度,单位m/s;DENB_i代表 B井目的层段采样点i对应的密度,单位g/cm3;
步骤1-9:计算B井目的层段多个岩石物理参数的地层孔隙压力,下面仅列举上述3个参数的计算公式,
式中,Pf_μ_i、Pf_E_i、Pf_K_i分别表示使用B井泊松比、杨氏模量、体积模量计算出的对应采样点i的地层孔隙流体压力,单位MPa;Cμ、CE、CK分别是步骤1-6 中使用A井资料计算出对应泊松比、杨氏模量、体积模量的指数调节因子;
步骤1-10:计算上述3种岩石物理参数的地层压力和B井实测压力的误差,优选误差最小的参数和对应指数调节因子应用于整个研究区,
a=(Pf_μ_r-Pf_B_r)/Pf_B_r (43)
b=(Pf_E_r-Pf_B_r)/Pf_B_r (44)
c=(Pf_K_r-Pf_B_r)/Pf_B_r (45)
式中,a、b、c分别代表泊松比、杨氏模量、体积模量计算的地层孔隙流体压力的误差;Pf_B_r是B井实测点深度为HB_r处的地层孔隙流体压力,单位MPa; Pf_μ_r、Pf_E_r、Pf_K_r分别代表实测点深度为HB_r处验算的地层孔隙流体压力,单位MPa;
步骤2:计算研究区未知井的地层孔隙流体压力,以步骤1的优选结果为体积模量为例:
步骤2-1:输入未知井的测井数据:纵波速度、横波速度、密度,目的层段顶界面深度、目的层段以上的地层平均密度、目的层段的测井采样点个数l;
步骤2-2:计算未知井目的层段每个采样点的上覆地层压力值和静水压力,
Pw_i=0.0098×Hi (47)
式中,l未知井井目的层段的实测采样点总数;Pov_i是未知井对应采样点i的上覆地层压力值,单位MPa;DEN0是未知井的目的层段以上的地层平均密度,单位g/cm3;H0是未知井的目的层段顶界面深度,单位m;Hi是未知井的目的层段测井采样点,单位m;DENi是对应采样点i的密度值,单位g/cm3;Pw_i是未知井对应采样点i的静水压力值,单位MPa;
步骤2-3:计算未知井目的层段的体积模量,并选取目的层段内的最大值,
Kmax_B=max(KB_i),i∈[0,k] (49)
式中,Ki代表未知井目的层段采样点i对应的体积模量;Kmax代表未知井目的层段中的最大体积模量;VP_i代表未知井目的层段采样点i对应的纵波速度,单位 m/s;VS_i代未知井目的层段采样点i对应的横波速度,单位m/s;DENi代表B井目的层段采样点i对应的密度,单位g/cm3;
步骤2-4:计算未知井目的层段的地层孔隙流体压力,
式中,Pf_i分别表示使用未知井体积模量计算出的对应采样点i的地层孔隙流体压力,单位MPa;CK是步骤1-6中使用A井资料计算出对体积模量的指数调节因子。
实施例2
为了直观的展示如何优选工区指数调节因子和岩石物理参数,并且显示此公式在碳酸盐岩地区的高精度和先进性。
图1是采用本发明公式与步骤的地层孔隙流体压力预测成果。柱状图第一列为目的层深度,单位m;第二列和第三列分别为纵波速度、横波速度,单位m/s;第四列为密度,单位g/cm3;第五列是采用泊松比计算的地层孔隙流体压力Pf_μ,第六列是采用杨氏模量计算的孔隙流体压力Pf_E,第七列是采用体积模量计算的孔隙流体压力Pf_K,单位MPa:
该目的层段有2个实测点,在第一个实测点使用泊松比、杨氏模量、体积模量计算的误差分别是:1.06%、3.51%、0.69%。在第二个实测点使用泊松比、杨氏模量、体积模量计算的误差分别是:3.44%、2.87%、2.19%。
综合考虑:体积模量参与计算的误差最小。因此,研究区的未知井采用体积模量预测地层孔隙流体压力。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (1)
1.一种适用于碳酸盐岩地层的地层孔隙流体压力预测方法,基于测井数据计算碳酸盐岩地层的地层孔隙流体压力,步骤包括:
步骤1:基于目的层段的实测地层压力数据,获取用于碳酸盐岩地层的地层压力预测的岩石物理参数和指数调节因子的值:
步骤1-1:选取研究区的目的层段含有实测压力数据的两口井,记为A井和B井。A井作为计算井,用于计算多个岩石物理参数及其对应的指数调节因子;B井作为验证井,采用基于A井计算得到多个岩石物理参数及其对应的指数调节因子预测地层压力值,优选地层压力预测值与真实值误差最小的岩石物理参数及其对应的指数调节因子;
步骤1-2:输入A井的测井数据:纵波速度、横波速度、密度,目的层段顶界面深度、目的层段以上的地层平均密度、地层压力实测点的深度和压力值、目的层段顶界面到实测点的采样点个数N、目的层段采样点总个数M;
步骤1-3:计算A井的地层压力实测点的上覆地层压力值和静水压力值,
Pw_r_A=0.0098×Hr_A (2)
式中,N是A井目的层段顶界面至地层压力实测点的采样点总数;Pov_r_A是的A井地层压力实测点的上覆地层压力值,单位MPa;DEN0_A是A井的目的层段以上的地层平均密度,单位g/cm3;H0_A是A井的目的层段顶界面深度,单位m;HA_i是A井的目的层段测井采样点,单位m;DENA_i是对应采样点HA_i的密度值,单位g/cm3;Pw_r_A是A井地层压力实测点的静水压力值,单位MPa;Hr_A是A井地层压力实测点的深度,单位m;
步骤1-4:计算A井地层压力实测点的多个岩石物理参数,如泊松比、杨氏模量、体积模量等,下面仅列举上述3个参数的计算公式,
式中,μr_A是A井地层压力实测点的泊松比;Er_A是A井地层压力实测点的杨氏模量;Kr_A是A井地层压力实测点的体积模量;μr_A是A井地层压力实测点的泊松比;VP_r_A是A井地层压力实测点的纵波速度,单位m/s;VS_r_A是A井地层压力实测点的横波速度,单位m/s;DENr_A是A井地层压力实测点的密度,单位g/cm3;
步骤1-5:计算A井目的层段的多个岩石物理参数,如泊松比、杨氏模量、体积模量等,并选取目的层段内的最大值,下面仅列举上述3个参数的计算公式,
μmax_A=max(μA_i),i∈[0,M] (9)
Emax_A=max(EA_i),i∈[0,M] (10)
Kmax_A=max(KA_i),i∈[0,M] (11)
式中,μA_i、EA_i和KA_i代表A井目的层段采样点i对应的泊松比、杨氏模量和体积模量;μmax_A、Emax_A和Emax_A代表A井目的层段中的最大泊松比、最大样式模量、最大体积模量;M代表A井目的层段的测井采样点总数;VP_A_i代表A井目的层段采样点i对应的纵波速度,单位m/s;VS_A_i代表A井目的层段采样点i对应的横波速度,单位m/s;DENA_i代表A井目的层段采样点i对应的密度,单位g/cm3;
步骤1-6:计算各个岩石物理参数对应的指数调节因子,下面仅列举上述3个参数的指数调节因子,
式中,Cμ代表和泊松比相对应的指数调节因子;CE代表和泊松比相对应的指数调节因子;CK代表和泊松比相对应的指数调节因子;Pf_r_A代表A井地层压力实测值,单位Mpa;
步骤1-7:输入验证井B的测井数据:纵波速度、横波速度、密度,目的层段顶界面深度、目的层段以上的地层平均密度、地层压力实测点的深度和压力值、目的层段采样点个数k;
步骤1-8:计算B井目的层段每个采样点的上覆地层压力值和静水压力,
Pw_B_i=0.0098×HB_i (16)
式中,k是B井目的层段的实测采样点总数;Pov_B_i是B井对应采样点i的上覆地层压力值,单位MPa;DEN0_B是B井的目的层段以上的地层平均密度,单位g/cm3;H0_B是B井的目的层段顶界面深度,单位m;HB_i是B井的目的层段测井采样点,单位m;DENB_i是对应采样点i的密度值,单位g/cm3;Pw_B_i是B井对应采样点i的静水压力值,单位MPa;
步骤1-8:计算B井目的层段的多个岩石物理参数,如泊松比、杨氏模量、体积模量等,并选取目的层段内的最大值,下面仅列举上述3个参数的计算公式,
μmax_B=max(μB_o),o∈[0,k] (20)
Emax_B=max(EB_i),i∈[0,k] (21)
Kmax_B=max(KB_i),i∈[0,k] (22)
式中,μB_i、EB_i和KB_i代表B井目的层段采样点i对应的泊松比、杨氏模量和体积模量;μmax_B、Emax_B和Kmax_B代表B井目的层段中的最大泊松比、最大样式模量、最大体积模量;VP_B_i代表B井目的层段采样点i对应的纵波速度,单位m/s;VS_B_i代表B井目的层段采样点i对应的横波速度,单位m/s;DENB_i代表B井目的层段采样点i对应的密度,单位g/cm3;
步骤1-9:计算B井目的层段多个岩石物理参数的地层孔隙压力,下面仅列举上述3个参数的计算公式,
式中,Pf_μ_i、Pf_E_i、Pf_K_i分别表示使用B井泊松比、杨氏模量、体积模量计算出的对应采样点i的地层孔隙流体压力,单位MPa;Cμ、CE、CK分别是步骤1-6中使用A井资料计算出对应泊松比、杨氏模量、体积模量的指数调节因子;
步骤1-10:计算上述3种岩石物理参数的地层压力和B井实测压力的误差,优选误差最小的参数和对应指数调节因子应用于整个研究区,
a=(Pf_μ_r-Pf_B_r)/Pf_B_r (26)
b=(Pf_E_r-Pf_B_r)/Pf_B_r (27)
c=(Pf_K_r-Pf_B_r)/Pf_B_r (28)
式中,a、b、c分别代表泊松比、杨氏模量、体积模量计算的地层孔隙流体压力的误差;Pf_B_r是B井实测点深度为HB_r处的地层孔隙流体压力,单位MPa;Pf_μ_r、Pf_E_r、Pf_K_r分别代表实测点深度为HB_r处验算的地层孔隙流体压力,单位MPa;
步骤2:计算研究区未知井的地层孔隙流体压力,以步骤1的优选结果为体积模量为例:
步骤2-1:输入未知井的测井数据:纵波速度、横波速度、密度,目的层段顶界面深度、目的层段以上的地层平均密度、目的层段的测井采样点个数l;
步骤2-2:计算未知井目的层段每个采样点的上覆地层压力值和静水压力,
Pw_i=0.0098×Hi (30)
式中,l未知井井目的层段的实测采样点总数;Pov_i是未知井对应采样点i的上覆地层压力值,单位MPa;DEN0是未知井的目的层段以上的地层平均密度,单位g/cm3;H0是未知井的目的层段顶界面深度,单位m;Hi是未知井的目的层段测井采样点,单位m;DENi是对应采样点i的密度值,单位g/cm3;Pw_i是未知井对应采样点i的静水压力值,单位MPa;
步骤2-3:计算未知井目的层段的体积模量,并选取目的层段内的最大值,
Kmax_B=max(KB_i),i∈[0,k] (32)
式中,Ki代表未知井目的层段采样点i对应的体积模量;Kmax代表未知井目的层段中的最大体积模量;VP_i代表未知井目的层段采样点i对应的纵波速度,单位m/s;VS_i代未知井目的层段采样点i对应的横波速度,单位m/s;DENi代表B井目的层段采样点i对应的密度,单位g/cm3;
步骤2-4:计算未知井目的层段的地层孔隙流体压力,
式中,Pf_i分别表示使用未知井体积模量计算出的对应采样点i的地层孔隙流体压力,单位MPa;CK是步骤1-6中使用A井资料计算出对体积模量的指数调节因子。
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