CN116025345B - 一种横观各向同性地层静态有效应力系数的确定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种横观各向同性地层静态有效应力系数的方法，属于石油钻完井技术领域。包括：利用测井纵波、横波速度结合室内垂直层理、平行层理和与层理45°夹角方向声波波速测试结果，获得横观各向同性地层全部弹性刚度系数，进一步结合静态单轴压缩试验建立基于测井数据的静态弹性刚度系数剖面，最终获得横观各向同性地层的岩石静态有效应力系数。本发明仅需测井纵波、横波速度即可获得横观各向地层静态有效应力系数，不仅提高了有效应力系数的获取效率、更利于现场应用，而且可以反映出横观各向同性地层原位状态下的真实有效应力系数。
Description
技术领域
本发明涉及石油钻完井技术领域，具体涉及一种横观各向同性地层静态有效应力系数的确定方法。
背景技术
横观各向同性地层由于逐层沉积和矿物颗粒定向排列的原因使其具有明显的层理结构，在垂直层理方向的力学特性一致，而平行层理方向的力学特性相同且不同于垂直层理方向，即两个方向岩石物性力学特性表现出明显的差异。
对于横观各向同性地层，在水平地应力计算和钻完井井壁稳定分析、出砂预测、水力压裂设计等研究中需要考虑这种各向异性的影响，否则会产生较大误差、影响分析结果。其中横观各向同性地层岩石有效应力系数(也称为Biot系数)也表现出显著的方向性，并且是衡量岩石孔隙压力对有效应力贡献的关键参数，对于地应力计算分析具有重要影响，其准确可靠程度直接影响了上述研究的可靠程度。
横观各向同性地层岩石有效应力系数确定需要获得地层的5个独立弹性刚度系数，采用常规的测井纵波、横波波速仅能计算得到其中2个弹性刚度系数C33和C44，如果有测井斯通利速度，可以进一步计算得到C66，但是斯通利波容易受到钻井液速度、井眼大小、地层流体及仪器本身体效应的影响，难以获得准确斯通利波波速，导致C66计算存在较大误差和不确定性。而对于剩下2个刚度系数C11、C13需要采用经验模型求取，常用的主要有ANNIE模型、修正ANNIE模型、二次修正ANNIE模型和V-reg模型。其中ANNIE模型假设Thomsen各向异性参数δ＝0并且C13＝C12，形式简单、易用，但是该模型计算得到的地应力数值总是等于各向同性模型计算结果，不适应于各向异性地层；修正ANNIE模型虽然改正δ＝0的错误认知，但是需要采用测井斯通利波速度计算C66，适用范围受限；二次修正ANNIE模型和V-reg模型借助于大量室内岩样波速测试结果，避免采用斯通利波速度计算C66，但是所需实验数据量大、获取效率低，而且所获得的弹性刚度系数为动态，不能直接用于有效应力系数的计算。因此亟需一种既可以快速、精确的确定层状地层静态有效应力系数，又要充分利用已有的测井数据等、便于推广应用，同时适用满足任何岩性的横观各向同性地层静态有效应力系数确定方法。
发明内容
本发明旨在解决现有技术中存在的上述问题，提出一种基于测井纵横波速度确定横观各向同性地层静态有效应力系数的方法，该方法可用于石油钻完井技术领域计算确定横观各向同性地层岩石的静态有效应力系数。
为了实现上述发明目的，本发明的技术方案如下：
横观各向同性地层静态有效应力系数的确定方法，其特征在于，包括如下步骤：
a)获取目标地层基于测井纵、横波速度的横观各向同性地层动态弹性刚度系数
b)在目标地层井下岩心样品的垂直层理、平行层理和与层理45°夹角方向钻取柱塞岩样，获取基于室内声波测试纵、横波速度的横观各向同性地层动态弹性刚度系数
c)分别绘制和/>和/>和/>的交会图，获得相应的拟合关系和待定系数；
d)根据获取的待定系数，结合测井波速相关动态弹性刚度系数获得测井波速相关动态弹性刚度系数/>
e)对所述柱塞岩样开展单轴压缩试验，获得垂直层理、平行层理方向的静态杨氏模量和静态泊松比，然后获得横观各向同性地层基于单轴压缩试验的静态弹性刚度系数
f)绘制测井动态弹性刚度系数和对应静态刚度系数/>的交会图，获得测井动态弹性刚度系数和单轴压缩试验静态弹性刚度系数的拟合关系；
g)获取横观各向同性地层的岩石基质体积模量；
h)利用测井数据根据测井动态弹性刚度系数和单轴压缩试验静态弹性刚度系数的拟合关系计算横观各向同性地层的静态弹性刚度系数剖面，确定横观各向同性地层垂直层理和平行层理方向的岩石静态有效应力系数。
进一步的，目标地层基于测井纵、横波速度的横观各向同性地层动态弹性刚度系数分别由下式计算：
式中：ρb为横观各向同性地层体积密度，kg/m3；VP,L(0°)为垂直层理方向的测井纵波速度，m/s；VS,L(0°)为垂直层理方向的测井横波速度，m/s。
进一步的，基于室内声波测试纵、横波速度的横观各向同性地层动态弹性刚度系数按照下式获取：
式中：VP,S(0°)为垂直层理方向室内声波测试纵波速度，m/s；VP,S(90°)为平行层理方向室内声波测试纵波速度，m/s；VS,S(0°)为垂直层理方向室内声波测试横波速度，m/s；VS,S(90°)为平行层理方向室内声波测试横波速度，m/s；VP,S(45°)为与层理45°夹角方向室内声波测试纵波速度，m/s。
进一步的，测井波速相关动态弹性刚度系数按照下式计算：
式中：为基于测井纵、横波速度的横观各向同性地层动态弹性刚度系数，Gpa；a、b、c分别为/>和/>和/>和/>之间通过绘制交会图拟合的待定系数。
进一步的，横观各向同性地层基于单轴压缩试验的静态弹性刚度系数 按照下式计算：
式中：为垂直层理和平行层理的岩石静态杨氏模量，GPa；/>为垂直层理和平行层理的岩石静态泊松比，无量纲。
进一步的，横观各向同性地层垂直层理和平行层理方向的岩石静态有效应力系数分别按照下式计算：
进一步的，在步骤a)中，也可以利用测井纵波、横波时差计算横观各向同性地层测井相关的2个动态弹性刚度系数纵波、横波时差分别为纵波、横波速度的倒数。
进一步的，沿着垂直层理、平行层理和与层理45°夹角方向钻取的标准柱塞岩样均不少于3个，所采用的VP,S(0°)、VP,S(90°)、VS,S(0°)、VS,S(90°)、VP,S(45°)为3个标准柱塞岩样测试的平均声波速度，m/s。
进一步的，垂直层理、平行层理方向的静态杨氏模量和静态泊松比为3个标准柱塞岩样单轴压缩试验的平均值。
进一步的，对目标横观各向同性地层岩石分别开展垂直层理、平行层理和与层理45°夹角方向岩样的XRD分析，获得垂直层理、平行层理和与层理45°夹角方向的岩石矿物组分及百分含量，对于不同方向岩石的同一矿物组分计算平均百分含量，根据每种基质矿物体积模量采用VRH模型计算横观各向同性地层岩石基质体积模量。
进一步的，横观各向同性地层的岩石基质体积模量采用下式计算：
式中：K0为岩石基质体积模量，GPa；KV为Voigt平均模量，GPa；KR为Reuss平均模量，GPa；fi为岩石中第i种矿物组分的体积百分含量，％；Ki为岩石中第i种矿物组分体积模量，GPa。
综上所述，本发明具有以下优点：
本方法充分利用测井纵波、横波速度结合室内垂直层理、平行层理和与层理45°夹角方向声波波速测试结果就可以便捷的获得横观各向同性地层全部弹性刚度系数，进一步结合静态单轴压缩试验建立基于测井数据的静态弹性刚度系数剖面，最终获得了横观各向同性地层的岩石静态有效应力系数。本发明仅需测井纵波、横波速度不需要斯通利波速度即可获得横观各向地层静态有效应力系数，不仅提高了有效应力系数的获取效率、更利于现场应用，而且可以反映出横观各向同性地层原位状态下的真实有效应力系数，可直接用于井壁稳定分析、地应力计算及水力压裂设计等。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述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仅是本发明的一些实施例，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为本发明基于测井纵横波速度确定横观各向同性地层岩石静态有效应力系数方法的步骤；
图2为垂直层理、平行层理和与层理45°夹角方向的标准柱塞岩样示意图；
图3为和/>交会图；
图4为和/>交会图；
图5为和/>交会图；
图6为和/>交会图；
图7为和/>交会图；
图8为和/>交会图；
图9为和/>交会图；
图10为和/>交会图；
图11为和/>交会图；
图12为岩石矿物组分体积模量；
图13为横观各向同性地层垂直层理和平行层理方向静态有效应力系数剖面。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面将结合附图对本发明实施例做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
实施例1
本发明提供了如图1所示的一种基于测井纵横波速度确定横观各向同性地层静态有效应力系数的方法，包括以下步骤：
a)利用目标地层的测井纵波、横波速度，计算横观各向同性地层测井纵波、横波速度相关的2个动态弹性刚度系数：
式中：为基于测井纵、横波速度的横观各向同性地层动态弹性刚度系数，GPa；ρb为横观各向同性地层体积密度，kg/m3；VP,L(0°)为垂直层理方向的测井纵波速度，m/s；VS,L(0°)为垂直层理方向的测井横波速度，m/s。
b)如图2所示，根据目标地层井下岩心样品，在垂直层理、平行层理和与层理45°夹角方向分别钻取标准柱塞岩样(25mm×50mm)，对这三类柱塞岩样分别开展声波波速测试获得相应岩样的纵波速度和横波速度，计算横观各向同性地层室内声波测试相关的动态弹性刚度系数：
式中：为基于室内声波测试纵、横波速度的横观各向同性地层动态弹性刚度系数，GPa；VP,S(0°)为垂直层理方向室内声波测试纵波速度，m/s；VP,S(90°)为平行层理方向室内声波测试纵波速度，m/s；VS,S(0°)为垂直层理方向室内声波测试横波速度，m/s；VS,S(90°)为平行层理方向室内声波测试横波速度，m/s；VP,S(45°)为与层理45°夹角方向室内声波测试纵波速度，m/s。
c)如图3、图4和图5所示，根据步骤b)得到的室内声波测试相关的动态弹性刚度系数，绘制和/>和/>和/>之间交会图，获得相应的拟合关系：
式中：a、b、c为待定系数。
d)根据步骤c)得到的待定系数a、b、c，结合步骤a)中2个测井波速相关动态弹性刚度系数计算另外4个测井波速相关动态弹性刚度系数：
式中：为基于测井纵、横波速度的横观各向同性地层动态弹性刚度系数，GPa。
e)对于步骤b)中已做声波测试的垂直层理、平行层理方向柱塞岩样分别开展单轴压缩试验，获得垂直层理、平行层理方向的静态杨氏模量和静态泊松比，然后计算横观各向同性地层的静态弹性刚度系数：
式中：为横观各向同性地层基于单轴压缩试验的静态弹性刚度系数，GPa；/>为垂直层理和平行层理的岩石静态杨氏模量，GPa；为垂直层理和平行层理的岩石静态泊松比，无量纲。
f)如图6至图11所示，绘制步骤a)、d)中测井动态弹性刚度系数 和步骤e)中对应静态刚度系数/> 交会图，获得测井动态弹性刚度系数和单轴压缩试验静态弹性刚度系数的拟合关系：
式中：d、e、f、g、h、m为待定系数。
g)采用VRH模型计算横观各向同性地层的岩石基质体积模量：
式中：K0为岩石基质体积模量，GPa；KV为Voigt平均模量，GPa；KR为Reuss平均模量，GPa；fi为岩石中第i种矿物组分的体积百分含量，％；Ki为岩石中第i种矿物组分体积模量，GPa。
h)如图13所示，利用测井数据根据步骤f)中测井动态弹性刚度系数和单轴压缩试验静态弹性刚度系数的拟合系数计算整个地层的静态弹性刚度系数剖面，确定计算横观各向同性地层垂直层理和平行层理方向的岩石静态有效应力系数：
式中：为垂直层理和平行层理的岩石静态有效应力系数，无量纲。
进一步地，在步骤a)中，还可以利用测井纵波、横波时差计算横观各向同性地层测井相关的2个动态弹性刚度系数，纵波、横波时差分别为纵波、横波速度的倒数。
为了更好的实施本发明，在步骤b)中，沿着垂直层理、平行层理和与层理45°夹角方向钻取的标准柱塞岩样均不少于3个，所采用的VP,S(0°)、VP,S(90°)、VS,S(0°)、VS,S(90°)、VP,S(45°)为3个标准柱塞岩样测试的平均声波速度，m/s。
为了更好的实施本发明，在步骤e)中，垂直层理、平行层理方向的静态杨氏模量和静态泊松比为3个标准柱塞岩样单轴压缩试验的平均值。
进一步地，为了更好的实施本发明，在步骤g)中，如图12所示，对目标横观各向同性地层岩石分别开展垂直层理、平行层理和与层理45°夹角方向岩样的XRD分析，获得垂直层理、平行层理和与层理45°夹角方向的岩石矿物组分及百分含量，对于不同方向岩石的同一矿物组分计算平均百分含量，根据每种基质矿物体积模量采用VRH模型计算横观各向同性地层岩石基质体积模量。
本发明的有益效果在于，充分利用测井纵波、横波速度结合室内垂直层理、平行层理和与层理45°夹角方向声波波速测试结果就可以便捷的获得横观各向同性地层全部弹性刚度系数，进一步结合静态单轴压缩试验建立基于测井数据的静态弹性刚度系数剖面，最终获得了横观各向同性地层的岩石静态有效应力系数。本发明仅需测井纵波、横波速度不需要斯通利波速度即可获得横观各向地层静态有效应力系数，不仅提高了有效应力系数的获取效率、更利于现场应用，而且可以反映出横观各向同性地层原位状态下的真实有效应力系数，可直接用于井壁稳定分析、地应力计算及水力压裂设计等。
虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了详细地描述，但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内，本领域技术人员不经创造性劳动即可做出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种横观各向同性地层静态有效应力系数的确定方法，其特征在于，包括如下步骤：
a）获取目标地层基于测井纵、横波速度的横观各向同性地层动态弹性刚度系数、；
b）在目标地层井下岩心样品的垂直层理、平行层理和与层理45°夹角方向分别钻取柱塞岩样，获取基于室内声波测试纵、横波速度的横观各向同性地层动态弹性刚度系数、、/>、/>、/>、/>；
c）分别绘制和/>、/>和/>、/>和/>的交会图，获得相应的拟合关系和待定系数；
d）根据获取的待定系数，结合测井波速相关动态弹性刚度系数、/>，获得测井波速相关动态弹性刚度系数/>、/>、/>、/>；
e）对所述柱塞岩样开展单轴压缩试验，获得垂直层理、平行层理方向的静态杨氏模量和静态泊松比，然后获得横观各向同性地层基于单轴压缩试验的静态弹性刚度系数、、/>、/>、/>、/>；
f）绘制测井动态弹性刚度系数、/>、/>、/>、/>、/>和对应静态刚度系数/>、/>、/>、/>、/>、/>的交会图，获得测井动态弹性刚度系数和单轴压缩试验静态弹性刚度系数的拟合关系；
g）获取横观各向同性地层的岩石基质体积模量；
h）利用测井数据根据测井动态弹性刚度系数和单轴压缩试验静态弹性刚度系数的拟合关系计算整个地层的静态弹性刚度系数剖面，确定横观各向同性地层垂直层理和平行层理方向的岩石静态有效应力系数；
目标地层基于测井纵、横波速度的横观各向同性地层动态弹性刚度系数、/>分别由下式计算：
（1）
（2）
式中：为横观各向同性地层体积密度，kg/m3；/>为垂直层理方向的测井纵波速度，m/s；/>为垂直层理方向的测井横波速度，m/s；
基于室内声波测试纵、横波速度的横观各向同性地层动态弹性刚度系数按照下式获取：
（3）
（4）
（5）
（6）
（7）
（8）
式中：为垂直层理方向室内声波测试纵波速度，m/s；/>为平行层理方向室内声波测试纵波速度，m/s；/>为垂直层理方向室内声波测试横波速度，m/s；为平行层理方向室内声波测试横波速度，m/s；/>为与层理45°夹角方向室内声波测试纵波速度，m/s；
测井波速相关动态弹性刚度系数
按照下式计算：
（12）
（13）
（14）
（15）
式中：为基于测井纵、横波速度的横观各向同性地层动态弹性刚度系数，Gpa；/>、/>、/>分别为/>和/>、/>和/>、/>和/>之间通过绘制交会图拟合的待定系数；
横观各向同性地层基于单轴压缩试验的静态弹性刚度系数
按照下式计算：
（16）
（17）
（18）
（19）
（20）
（21）
式中：为垂直层理和平行层理的岩石静态杨氏模量，GPa； />为垂直层理和平行层理的岩石静态泊松比，无量纲；
横观各向同性地层垂直层理和平行层理方向的岩石静态有效应力系数分别按照下式计算：
（31）
（32）
横观各向同性地层的岩石基质体积模量采用下式计算：
（28）
（29）
（30）
式中：为岩石基质体积模量，GPa；/>为Voigt平均模量，GPa；/>为Reuss平均模量，GPa；/>为岩石中第i种矿物组分的体积百分含量，%；/>为岩石中第i种矿物组分体积模量，GPa。
2.根据权利要求1所述的一种横观各向同性地层静态有效应力系数的确定方法，其特征在于，步骤a）中，利用测井纵波、横波时差计算横观各向同性地层测井相关动态弹性刚度系数，纵波、横波时差分别为纵波、横波速度的倒数。
3.根据权利要求1所述的一种横观各向同性地层静态有效应力系数的确定方法，其特征在于，沿着垂直层理、平行层理和与层理45°夹角方向钻取的标准柱塞岩样均不少于3个，所采用的为3个标准柱塞岩样测试的平均声波速度，m/s。
4.根据权利要求1所述的一种横观各向同性地层静态有效应力系数的确定方法，其特征在于，垂直层理、平行层理方向的静态杨氏模量和静态泊松比为3个标准柱塞岩样单轴压缩试验的平均值。
5.根据权利要求1所述的一种横观各向同性地层静态有效应力系数的确定方法，其特征在于，对横观各向同性地层岩石分别开展垂直层理、平行层理和与层理45°夹角方向岩样的XRD分析，获得垂直层理、平行层理和与层理45°夹角方向的岩石矿物组分及百分含量，对于不同方向岩石的同一矿物组分计算平均百分含量，根据每种基质矿物体积模量采用VRH模型计算横观各向同性地层岩石基质体积模量。
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2022
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