CN114647913A - 一种基于Mohr-Coulomb准则的最大水平主地应力获取方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于Mohr‑Coulomb准则的最大水平主地应力获取方法，涉及石油天然气勘探开发的地质工程领域，步骤包括：S1、收集典型井的综合测井数据，并求得所需参数；S2、收集钻井地层破裂压力试验和水力压裂数据，获取所需参数；S3、收集典型井的双井径测井数据，并求得所需参数；S4、建立基于Mohr‑Coulomb准则的最大水平主应力模型；将最大水平主应力与井眼崩落宽度、岩石强度和地层孔隙压力之间关联，反算出最大水平主应力。本发明优点在于，解决了地破试验(水力压裂)法和测井经验模型法无法准确获取最大水平主地应力的难题，解决了岩心室内实验样本少、数据不连续且费用昂贵的难题，计算结果满足石油工程技术要求。
Description
技术领域
本发明涉及石油天然气勘探开发的地质工程技术领域，具体涉及一种基于Mohr-Coulomb准则的最大水平主地应力获取方法。
背景技术
地应力是地下岩体受到的来自周围岩体对它的作用力，源于上覆岩体的自重、地质构造运动产生的构造应力、地温梯度的不均匀性和地层中的水压梯度。地应力可用三个主应力来表示，即：垂向应力(又称上覆岩层压力)、最大与最小水平主应力。
三个主应力中，垂向应力的获取相对简单，而水平主地应力测定的难度较大。目前，国内外有4种主流测定方法：1)岩心差应变试验法；2)岩心声发射凯塞尔效应法；3)水力压裂试验法；4)地应力经验公式法。前两种方法是利用岩心进行室内实验测量求取原始地应力。对于深层钻井，可利用的岩心资料和实验数据很少，岩心数据的不连续性；测量结果的准确性取决于岩心质量和实验的样本数量；测量工艺复杂且测量结果不确定性较大。所以目前普遍采用后两种方法预测水平地应力。
其中，水力压裂法是根据井眼的受力状态及其破裂机理来推算地应力。在地层某深度处，当井内的钻井液柱所产生的压力升高足以压裂地层，使其原有的裂隙张开延伸或形成新的裂隙时的井内流体压力称为地层破裂压力。地层破裂压力的大小和地应力的大小密切相关。图1为典型井的地层破裂压力试验曲线。根据多孔介质弹性理论，通过地层破裂压力试验测得地层的破裂压力、瞬时停泵压力和裂缝重张压力，结合地层孔隙压力的测定，利用相应公式即可以确定出地层某深处的最大、最小水平主地应力。但是，国内外公认小型水力压裂或钻井地层破裂压力试验资料求得的最小主应力较为准确，而由于油田现场作业时，对图1中对应的裂缝重张压力很难准确拾取，导致最大水平主地应力的计算误差较大。
基于上述情况，最大水平主应力的获取，只能通过岩心差应变试验法、岩心声发射凯塞尔效应法；其测量弊端如前所述。目前国内外普遍采用的计算最大主应力方式均采用经验公式，无严密的理论依据，且公式中的系数很难精确标定。其中常见模拟方法有：测井经验模型法、Mattens&Kelly模型、Terzaghi模型、Anderson模型、Newberry模型以及黄荣樽等人提出的六五模式、七五模式等。目前，这类模型认为水平方向地应力由上覆岩层压力和构造应力共同产生。其中，由构造作用产生的地应力，各模型中无理论支持，均以构造应力系数来修正。通常，同一构造区域的构造应力系数要在同一区域实测多个地应力点，利用数理统计方法来求得两个构造应力系数。但现场多个实测点很难获取，影响构造应力系数的求取，进而影响地应力的计算精度。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种基于Mohr-Coulomb准则的最大水平主地应力获取方法，能够解决上述问题，实现较为精确地计算最大水平主地应力。
为此目的，本发明由如下技术方案实施。
一种基于Mohr-Coulomb准则的最大水平主地应力获取方法，步骤包括：
S1、收集目标区块典型井的综合测井数据，并求得地层孔隙压力Pp、钻井液柱压力Pm及岩石强度参数；
S2、收集目标区块钻井地层破裂压力试验和水力压裂数据，获取最小水平主应力σh；
S3、收集目标区块内典型井的双井径测井数据，并求得井壁崩落宽度Φb；
S4、建立基于Mohr-Coulomb准则的最大水平主应力模型，并将所述步骤S1～S3获取的参数代入模型，计算求得最大水平主应力σH。
进一步，所述步骤S1中，利用所述目标区块典型井的录井钻井液密度数据，经液柱压力公式计算求得所述钻井液柱压力Pm。
进一步，所述步骤S1中，利用测井反演的数学模型计算求得所述岩石强度参数，其中所述岩石强度参数包括岩石内摩擦角β、内聚力C。
进一步，所述步骤S1中，利用声波时差测井检测方法求得所述地层孔隙压力Pp。
进一步，所述步骤S2中，计算最小水平主应力σh方法为：
S21、通过地层破裂压力试验测得地层的瞬时停泵压力Ps，根据多孔介质弹性理论可得：
σh＝Ps
由此，收集多点最小水平主应力σh样本数据，并将样本数据进行数据处理；
S22、对处理后的样本数据进行非线性拟合，得到最小水平主应力σh关系式或连续剖面。
进一步，所述步骤S3中，所述井壁崩落宽度Φb获得方法为：将同一地层的井径数据绘制出散点图，并对比井眼横截面圆，描绘出井壁崩落情况，依据所述井壁崩落情况测量出所述井壁崩落宽度Φb。
进一步，所述步骤S4中，所述最大水平主应力模型建立方法为：
S41、设定井壁的围岩应力满足Mohr-Coulomb破坏准则，即：
σθ＝K2σr+2CK
其中，
σr、σθ分别为井周径向应力和切向应力，计量单位为MPa；C为岩石内聚力，计量单位为MPa；β为岩石内摩擦角，采用角度制；
S42、设定边界条件及几何条件，即
边界条件：在井壁坍塌边缘点，r＝rI＝α
几何条件：井壁崩落宽度Φb为：Φb＝180°-2θ
其中，α为井眼半径，计量单位为米；r为井周一点与井眼中心的距离，计量单位为米；rI为井周崩落边缘点与井眼中心的距离，计量单位为米；θ为井周一点与最大水平主应力的方向夹角，采用角度制；
S43、通过力学方程推导，基于Mohr-Coulomb准则的最大水平主地应力表达式为：
带入最小水平主应力σh、岩石内摩擦角β、内聚力C、地层孔隙压力Pp、钻井液柱压力Pm和井壁崩落宽度Φb，即可计算出最大水平主应力σH。
本发明具有如下优点：
本发明以岩石线弹性理论为基础，基于符合Mohr-Coulomb准则的井壁崩落规律，建立了最大水平主应力与井眼崩落宽度、岩石强度和地层孔隙压力之间数学模型，利用目标地层井段的测井、地破试验、钻井数据等获取相关参数，反算出最大水平主应力。本发明解决了地破试验(水力压裂)法和测井经验模型法无法准确获取最大水平主地应力的难题，解决了室内实验岩心样本少、数据不连续且费用昂贵的难题，计算结果满足石油工程技术要求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅是本发明的一个或几个实施例，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为典型井的地层破裂压力试验曲线；
图2为本发明方法步骤示意图；
图3为本发明方法框图；
图4为井壁破坏示意图(图4a为模拟实验结果；图4b为现场实验结果)；
图5为井壁崩落破坏后的几何模型；
图6为井壁崩落破坏的力学模型；
图7为本发明具体实施例1中井壁崩落散点图。
图中：
1-初次崩落区域；2-二次崩落区域；3-三次崩落区域。
具体实施方式
为使本发明的目的、特征更明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。
首先对方法应用的理论基础进行简要说明。以岩石线弹性理论为基础，基于Mohr-Coulomb准则的井壁崩落规律，建立了最大水平主应力与井眼崩落宽度、岩石强度和地层孔隙压力间数学模型。
硬脆性地层钻井过程中，若钻井液密度低于地层坍塌压力当量密度，井壁会产生坍塌掉块，井径扩大。经过研究证实，硬脆性砂岩、泥岩地层符合Mohr-Coulomb准则，井壁通过一次或多次崩落才能达到稳定状态，崩落深度受多次崩落的影响较大，但崩落宽度基本不变。可通过四/六臂井径测井获取该值。如图4所示，其中图4a为井壁破坏模拟实验结果，初次崩落区域1、二次崩落区域2、三次崩落区域3崩落宽度基本一致，与图4b中实际情况相同。前述崩落宽度所指崩落区域边缘所对应的井眼中心的角度。
基本假设
根据实际钻井过程中钻遇地层的特点，做出以下假设：
(1)井眼是垂直的，井周围岩处于平面应变状态；
(2)地层为均匀各向同性、线弹性多孔材料；
(3)硬脆性岩石破坏符合Mohr-Coulomb准则。
建立几何模型
当钻井液柱压力小于地层坍塌压力当量密度时，首先在井壁表面最小主应力方向处(r＝a、θ＝90°/270°)达到Mohr-Coulomb破坏准则，井周围岩由于损伤而逐渐进入应变软化阶段，这样在井壁周围出现损伤区域，仍处于弹性阶段的区域称为弹性域。当损伤域中围岩应力超过弹性极限时，会使原有的损伤扩展而产生破坏，井壁出现初次剪切破坏崩落。井壁崩落破坏程度可用崩落深度b和井壁崩落宽度Φb(井壁崩落边缘的夹角)两个参数来表示。参阅图5为井壁崩落破坏后的几何模型示意图。
建立力学模型
根据基本假设，井壁围岩应力状态可用以下力学模型求解，在无限大平面上，一圆孔受有均匀的内压(钻井液柱压力Pm)，同时在此平面离圆孔较远处受最大水平主应力σH、最小水平主应力σh的作用，其铅直方向受有上覆地层压力。根据孔隙介质线弹性理论，平面上井壁岩石所受的应力状态可用径向应力σr、切向应力σθ来表示。参阅图6为井壁崩落破坏的力学模型示意图。
其中，上述内容中，α为井眼半径；r为井周一点与井眼中心的距离；θ为井周一点与最大水平主应力的方向夹角。
基于上述内容，结合图2、3所示，本发明提供一种基于Mohr-Coulomb准则的最大水平主地应力获取方法，步骤包括：
S1、收集目标区块典型井的综合测井数据，并求得地层孔隙压力Pp、钻井液柱压力Pm及岩石强度参数；优选地，利用目标区块典型井的录井钻井液密度数据，经液柱压力公式计算求得钻井液柱压力Pm。再利用测井反演的数学模型计算求得岩石强度参数，其中岩石强度参数包括岩石内摩擦角β、内聚力C。利用声波时差测井检测方法求得地层孔隙压力Pp。
S2、广泛收集目标区块钻井地层破裂压力试验和水力压裂数据，获取最小水平主应力σh；优选地，计算最小水平主应力σh方法为：
S21、通过地层破裂压力试验测得地层的瞬时停泵压力Ps，根据多孔介质弹性理论可得：
σh＝Ps
由此，收集多点最小水平主应力σh样本数据，并将样本数据进行数据处理，数据处理内容包括但不限于排除异常值；
S22、对处理后的样本数据进行非线性拟合，得到最小水平主应力σh关系式或连续剖面。
S3、收集目标区块内典型井的双井径测井数据，并求得井壁崩落宽度Φb；优选地，步骤S3中，井壁崩落宽度Φb获得方法为：将同一地层的井径数据绘制出散点图，并对比井眼横截面圆，描绘出井壁崩落情况，依据井壁崩落情况测量出井壁崩落宽度Φb。
S4、建立基于Mohr-Coulomb准则的最大水平主应力模型，并将步骤S1～S3获取的参数代入模型，计算求得最大水平主应力σH。
优选地，最大水平主应力模型建立步骤为：
S41、设定井壁的围岩应力满足Mohr-Coulomb破坏准则，即：
σθ＝K2σr+2CK
其中，
σr、σθ分别为井周径向应力和切向应力，计量单位为MPa；C为岩石内聚力，计量单位为MPa；β为岩石内摩擦角，采用角度制；
S42、设定边界条件及几何条件，即
边界条件：在井壁坍塌边缘点，r＝rI＝α
几何条件：井壁崩落宽度Φb为：Φb＝180°-2θ
其中，α为井眼半径，计量单位为米；r为井周一点与井眼中心的距离，计量单位为米；rI为井周崩落边缘点与井眼中心的距离，计量单位为米；θ为井周一点与最大水平主应力的方向夹角，采用角度制；
S43、通过力学方程推导，基于Mohr-Coulomb准则的最大水平主地应力表达式为：
带入最小水平主应力σh、岩石内摩擦角β、内聚力C、地层孔隙压力Pp、钻井液柱压力Pm和井壁崩落宽度Φb，即可计算出最大水平主应力σH。
实施例1
某井为某背斜构造上钻探的一口评价井。该构造第X组地层的最大水平主应力的计算步骤具体如下：
S1、利用某井综合测井数据，反演出第X组孔隙压力Pp平均值为33.18MPa，并反演出岩石强度参数(内摩擦角β、内聚力C)，具体数值见表1。录井记录钻井液密度为2.4g/cm3，由此计算出相应深度处的钻井液柱压力。
S2、收集该井地层破裂压力试验数据。得到最小水平主应力样本数据，进行二项式拟合，得到第X组最小水平主应力，具体值见表1。
S3、利用该井的第X组1600～1700m井段四臂双井径测井数据，将井径数据绘制出散点图，并对比井眼横截面圆，描绘出井壁崩落情况，图7为某井1600～1700m井段井壁崩落图。由图7得到井壁崩落宽度Φb≈100°。
S4、根据本发明建立的最大水平主应力模型，将步骤S1～S3获取的最小水平主应力σh、岩石内摩擦角β、内聚力C、地层孔隙压力Pp、钻井液柱压力Pm和井壁崩落宽度Φb，代入模型，即可计算出最大水平主应力σH分别为46.2MPa(井深1643.2m)和47.9MPa(井深1676.6m)。
计算结果的验证：
将该井位于井深1643.2m和井深1676.6m的两组岩心进行室内声发射凯塞尔实验，得到相应井深的最大水平主应力数值，分别为44.8MPa和49.2MPa。
表1
表1为某井水平主应力计算值与实验值对比。利用本发明计算的最大水平主应力与室内岩心声发射凯塞尔实验结果十分接近。该模型简单实用，而且精度较高，相关参数也较容易获取。
以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (7)
1.一种基于Mohr-Coulomb准则的最大水平主地应力获取方法，其特征在于，步骤包括：
S1、收集目标区块典型井的综合测井数据，并求得地层孔隙压力(Pp)、钻井液柱压力(Pm)及岩石强度参数；
S2、收集目标区块钻井地层破裂压力试验和水力压裂数据，获取最小水平主应力(σh)；
S3、收集目标区块内典型井的双井径测井数据，并求得井壁崩落宽度(Φb)；
S4、建立基于Mohr-Coulomb准则的最大水平主应力模型，并将所述步骤S1～S3获取的参数代入模型，计算求得最大水平主应力(σH)。
2.根据权利要求1所述的最大水平主地应力获取方法，其特征在于，所述步骤S1中，利用所述目标区块典型井的录井钻井液密度数据，经液柱压力公式计算求得所述钻井液柱压力(Pm)。
3.根据权利要求1所述的最大水平主地应力获取方法，其特征在于，所述步骤S1中，利用测井反演的数学模型计算求得所述岩石强度参数，其中所述岩石强度参数包括岩石内摩擦角(β)、内聚力(C)。
4.根据权利要求1所述的最大水平主地应力获取方法，其特征在于，所述步骤S1中，利用声波时差测井检测方法求得所述地层孔隙压力(Pp)。
5.根据权利要求1所述的最大水平主地应力获取方法，其特征在于，所述步骤S2中，计算最小水平主应力(σh)方法为：
S21、通过地层破裂压力试验测得地层的瞬时停泵压力(Ps)，根据多孔介质弹性理论可得：
σh＝Ps
由此，收集多点最小水平主应力(σh)样本数据，并将样本数据进行数据处理；
S22、对处理后的样本数据进行非线性拟合，得到最小水平主应力(σh)关系式或连续剖面。
6.根据权利要求1所述的最大水平主地应力获取方法，其特征在于，所述步骤S3中，所述井壁崩落宽度(Φb)获得方法为：将同一地层的井径数据绘制出散点图，并对比井眼横截面圆，描绘出井壁崩落情况，依据所述井壁崩落情况测量出所述井壁崩落宽度(Φb)。
7.根据权利要求1所述的最大水平主地应力获取方法，其特征在于，所述步骤S4中，所述最大水平主应力模型建立步骤为：
S41、设定井壁的围岩应力满足Mohr-Coulomb破坏准则，即：
σθ＝K2σr+2CK
其中，
σr、σθ分别为井周径向应力和切向应力，计量单位为MPa；C为岩石内聚力，计量单位为MPa；β为岩石内摩擦角，采用角度制；
S42、设定边界条件及几何条件，即
边界条件：在井壁坍塌边缘点，r＝rI＝α
几何条件：井壁崩落宽度(Φb)为：Φb＝180°-2θ
其中，α为井眼半径，计量单位为米；r为井周一点与井眼中心的距离，计量单位为米；rI为井周崩落边缘点与井眼中心的距离，计量单位为米；θ为井周一点与最大水平主应力的方向夹角，采用角度制；
S43、通过力学方程推导，基于Mohr-Coulomb准则的最大水平主地应力表达式为：
带入最小水平主应力(σh)、岩石内摩擦角(β)、内聚力(C)、地层孔隙压力(Pp)、钻井液柱压力(Pm)和井壁崩落宽度(Φb)，即可计算出最大水平主应力(σH)。
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|---|---|---|---|---|
| CN115586569A (zh) * | 2022-09-27 | 2023-01-10 | 西南石油大学 | 基于理论模型约束下数据驱动的地层水平地应力计算方法 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115586569A (zh) * | 2022-09-27 | 2023-01-10 | 西南石油大学 | 基于理论模型约束下数据驱动的地层水平地应力计算方法 |
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