CN117555029A - 一种油气储层地质力学层单井定量划分方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种油气储层地质力学层单井定量划分方法，适用于石油天然气地质、煤系气地质领域。采集钻井岩芯，开展三轴岩石力学实验和差应变地应力测试获取试验参数；确定井周附近现今地应力优势方位；计算弹性模量、抗压强度、三轴现今地应力大小、储层压力和应力集中系数，构建实验测试数据与测井计算数据之间关系进行结果校正；利用熵权法分别获取水平最小主应力、水平主应力差、弹性模量、现今地应力优势方位与天然裂缝走向夹角、天然裂缝密度和应力集中系数参数权重值，通过构建地质力学层指标Q实现定量划分单井油气储层地质力学层。本方法考虑因素全面严谨，可操作性强，地质力学层划分结果可信度高。

Description

一种油气储层地质力学层单井定量划分方法

技术领域

本发明涉及一种油气储层地质力学层单井定量划分方法，尤其适用于石油天然气地质、煤系气地质领域。

背景技术

现今地应力、天然裂缝、岩石力学性质相互影响，综合考虑三者之间的耦合效应并进行地质力学层的定量划分对于油气勘探开发意义重大。

当前研究主要集中在岩石力学层划分。申请公布号CN112765785A的发明专利提出一种多尺度岩石力学层测井划分方法，通过岩石动静态力学参数计算，采用等频率转换方法，构建岩石力学层判别指数；通过测井投点岩石力学参数聚类分析，划分单一尺度的岩石力学层并计算岩石的密度；改变阈值，循环进行测井投点岩石力学参数聚类分析，完成不同尺度岩石力学层常规测井划分。申请公布号CN114184764A的发明专利提出了致密碳酸盐岩储层岩石力学层划分方法及系统，分别获取多个岩心样品的静态岩石力学参数；分别获取每个岩心样品对应的深度点的动态岩石力学参数；基于每个岩心样品的静态岩石力学参数、对应深度点的动态岩石力学参数和每个深度点的动态岩石力学参数，获取每个深度点校正的静态岩石力学参数；基于每个深度点校正的静态岩石力学参数及储层岩石力学指数计算模型，分别计算每个深度点的岩石力学指数；基于单井裂缝发育特征和每个深度点的岩石力学指数，从而实现对储层岩石力学层进行划分。申请公布号CN116595724A的发明专利提出了岩石力学层划分方法、系统、电子设备及介质，通过设置不同围压，对不同力学属性岩石样品开展三轴应力测试，得到应力-应变曲线、杨氏模量和裂缝发育模式；根据岩石破坏特征差异性，对岩石样品裂缝模式进行分类，提出一种基于裂缝模式差异性的力学层划分指标，确定不同裂缝模式对应的力学层划分指标界限，以此划分力学层界面，并根据应力-应变曲线的特征，建立岩样破裂后能量释放与裂缝形成的耦合因子，评价力学层内岩石裂缝发育强度。

针对储层地质力学的研究多聚焦于数值模拟构建。申请公布号为CN116299672A的发明专利提出一种缝洞型储层地质力学非均质-各向异性建模方法，通过三维地震解释与缝洞型储层地震多属性反演，实现三维缝洞体精细雕刻与地质几何建模；通过缝洞型储层地质力学网格诱导划分，依据三维缝洞体精细雕刻与地质几何建模及三维岩石力学参数分布，实现缝洞型储层地质力学各向异性建模。授权公布号CN105549082B的发明专利提出超深碳酸盐储层三维地质力学场建立方法和系统，根据地震工区基础数据建立含有三维坐标信息的地震叠加速度场；根据地震叠加速度场和地震解释的层位数据计算沿层的层速度，根据层速度确定对应的地震平均速度，得到地震平均速度场；根据地震工区测网坐标范围，通过地震解释层位控制对地震平均速度场进行三维数据插值，获得地震三维速度场；根据地震三维速度场确定岩性物理参数，进而计算地震工区地层压力和地质应力，构建三维地质力学场。

发明内容

为解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种考虑因素全面、可操作性强、结果可信度高的油气储层地质力学层单井定量划分方法，综合优选了水平最小主应力、水平主应力差、现今地应力优势方位与天然裂缝走向夹角、弹性模量、天然裂缝密度和应力集中系数，构建储层地质力学层指标Q。

为了实现上述目标，本发明一种油气储层地质力学层单井定量划分方法，其特征在于：采集钻井不同深度的岩芯，加工钻井岩芯并对钻井岩芯开展三轴岩石力学实验和差应变地应力测试，获取不同钻井岩芯的力学数据；收集成像测井资料，计算不同深度段天然裂缝密度，确定不同深度段井周附近现今地应力优势方位；收集上述钻井的常规测井资料，计算获取弹性模量、抗压强度、现今地应力、储层压力和应力集中系数，并通过构建实验测试数据与测井计算数据之间的关系进行结果校正；利用熵权法，分别获取水平最小主应力、水平主应力差、弹性模量、现今地应力优势方位与天然裂缝走向夹角、天然裂缝密度和应力集中系数参数权重值，构建地质力学层指标Q，据其实现定量划分单井油气储层地质力学层。

具体步骤如下：

步骤1，采集目标钻井中不同深度测点的多件全直径岩芯，并在每件全直径岩芯记录采集深度，将每个全直径岩芯加工为半径5cm、高5cm的扇形体和直径2.5cm、高5cm的柱塞，扇形体和柱塞的上下端面均要磨平且二者平行，其中扇形体的圆心角为90度，在扇形体的两个矩形面以及弧面上黏贴应变片；

步骤2，对所有的柱塞和扇形体，分别开展三轴岩石力学实验和差应变地应力测试，从而获取柱塞和扇形体的实测数据：弹性模量、抗压强度、水平最大主应力、水平最小主应力和垂向主应力；

步骤3，收集目标钻井的资料，包括常规测井、补心海拔、补心高，利用经验公式获取目标钻井不同深度的弹性模量、抗压强度、现今地应力和储层压力测井计算结果；

步骤4，由于步骤2中通过实测获得的钻井不同深度测点实测信息离散但是准确度高，而步骤3中利用测井资料获得的计算结果连续的单存在误差，因此将实测数据与测井计算结果进行对应排列，建立实测数据与测井计算结果所包含对应参数间的量化关系，利用实测数据校正步骤3由经验公式获取的钻井深度的弹性模量、抗压强度、现今地应力和储层压力的测井计算结果，并计算钻井在不同深度的水平主应力差；

步骤5，收集目标钻井的成像测井资料，拾取天然裂缝产状、井壁崩落和钻井诱导缝信息，计算目标钻井的天然裂缝密度，将目标钻井分成n段，据井壁崩落、钻井诱导缝与现今地应力方向的关系确定目标钻井井周附近现今地应力优势方位，并通过插值方法获取n段测井深度段每段现今地应力优势方位与天然裂缝走向夹角；

步骤6，利用步骤4获取校正后弹性模量、抗压强度、现今地应力和储层压力的测井计算结果，计算出被分为n段的目标钻井不同深度段的应力集中系数；

步骤7，选取步骤2～步骤6所获取的不同深度段的水平最小主应力、水平主应力差、现今地应力优势方位与天然裂缝走向夹角、弹性模量、天然裂缝密度和应力集中系数，对每个参数进行归一化处理，将数值限定在0～1范围内；其中：弹性模量和天然裂缝密度为正向参数，水平最小主应力、水平主应力差、现今地应力优势方位与天然裂缝走向夹角和应力集中系数为负向参数，进而利用熵权法获取每个参数权重值，最后利用归一化后的各个参数构建地质力学层指标Q，根据地质力学层指标Q定量划分单井油气储层地质力学层。

进一步，步骤3中获取目标钻井不同深度测井计算结果采用的经验公式如下：

弹性模量测井经验计算公式：

式中：μ为岩石泊松比，G为剪切模量，E为岩石弹性模量，ρ_b表示地层体积密度，Δt_s为地层横波时差，Δt_p为地层纵波时差；

抗压强度测井经验计算公式：

σ_c＝a·E·(1-V_sh)+b·E·V_sh (4)

式中：σ_c为抗压强度，E为岩石弹性模量，V_sh为泥质含量，a和b为系数；

现今地应力的测井计算采用组合弹簧模型，经验计算公式为：

式中：S_H为水平最大主应力，S_h为水平最小主应力，S_v为垂向主应力，α为Biot系数，E表示岩石杨氏模量，μ为岩石泊松比，P_o为储层压力，ε_H与ε_h分别为水平最大和最小主应变；

储层压力的测井计算采用伊顿法，经验计算公式为：

式中：P_o为储层压力；S和P_n分别表示上覆岩层压力和静液柱压力；c表示伊顿系数；Δt_n和Δt分别为正常压实趋势线上的声波时差和地层实际声波时差。

进一步，步骤4中使用BP神经网络法或卷积神经网络法建立实测数据与测井计算结果间的量化关系。

进一步，步骤5中井壁崩落、钻井诱导缝与现今地应力方向之间关系为：钻井诱导缝的走向方位垂直于水平最小主应力的方位，井壁崩落的长轴方向平行于水平最小主应力的方位；采用克里金法计算测井深度段现今地应力优势方位与天然裂缝走向夹角。

进一步，步骤6中应力集中系数ω的计算公式为：

式中：S_H为水平最大主应力，P_o为储层压力，σ_c为抗压强度。

进一步，构建地质力学层指标Q，并利用地质力学层指标Q划分单井油气储层地质力学层，当Q值为在(0.75～1]范围内时为I层，在(0.50～0.75]范围内时为II层，在(0.25～0.50]范围内时为III层，在(0～0.25]范围内时为IV层；

构建步骤7中地质力学层指标Q的方式为：

Q＝m₁S_h ^*+m₂ΔS^*+m₃E^*+m₄F_d ^*+m₅β^*+m₆ω^* (9)

式中：Q表示地质力学层指标，S_h*为归一化的水平最小主应力，ΔS*表示归一化的水平主应力差，E*为归一化的岩石弹性模量，F_d*为归一化的裂缝密度，β*为归一化的现今地应力优势方位与天然裂缝走向夹角，ω*为归一化的应力集中系数，m₁～m₆为权重系数。

有益效果：

受构造与沉积演化影响，含油气盆地沉积岩层纵向上岩性多变。前期研究主要针对岩石力学层开展研究，然而现今地应力、天然裂缝、岩石力学性质相互影响，综合考虑三者之间的耦合效应并进行地质力学层的定量划分对现今地应力场数值模拟、工程甜点评价具有重要实际指导意义，有助于油气勘探开发。

附图说明

图1为本发明一种油气储层地质力学层单井定量划分方法的流程示意图。

图2为本发明试验用的扇形体和柱塞样品结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例做进一步说明：

本发明公开一种油气储层地质力学层单井定量划分方法，采集钻井不同深度的岩芯，加工钻井岩芯，按要求制样并开展三轴岩石力学实验和差应变地应力测试，获取实验样品弹性模量、泊松比、抗压强度、水平最大主应力、水平最小主应力和垂向主应力；收集成像测井资料，拾取天然裂缝产状、井壁崩落和钻井诱导缝，计算天然裂缝密度，据井壁崩落、钻井诱导缝与现今地应力方向之间关系确定井周附近现今地应力优势方位；收集常规测井资料，计算获取弹性模量、抗压强度、三轴现今地应力大小、储层压力和应力集中系数等参数，并通过构建实验测试数据与测井计算数据之间关系进行结果校正；利用熵权法分别获取水平最小主应力、水平主应力差、弹性模量、现今地应力优势方位与天然裂缝走向夹角、天然裂缝密度和应力集中系数参数权重值，构建地质力学层指标Q，据其实现定量划分单井油气储层地质力学层。

如图1所示具体步骤如下：

步骤1，采集目标钻井中不同深度测点的多件全直径岩芯，并在每件全直径岩芯记录采集深度，将每个全直径岩芯加工为半径5cm、高5cm的扇形体和直径2.5cm、高5cm的柱塞，如图2所示，扇形体和柱塞的上下端面均要磨平且二者平行，其中扇形体的圆心角为90度，在扇形体的两个矩形面以及弧面上黏贴应变片；

步骤2，对所有的柱塞和扇形体，分别开展三轴岩石力学实验和差应变地应力测试，从而获取柱塞和扇形体的实测数据：弹性模量、抗压强度、水平最大主应力、水平最小主应力和垂向主应力；

步骤3，收集目标钻井的资料，包括常规测井、补心海拔、补心高，利用经验公式获取目标钻井不同深度的弹性模量、抗压强度、现今地应力和储层压力测井计算结果；

获取目标钻井不同深度测井计算结果采用的经验公式如下：

弹性模量测井经验计算公式：

式中：μ为岩石泊松比，G为剪切模量，E为岩石弹性模量，ρ_b表示地层体积密度，Δt_s为地层横波时差，Δt_p为地层纵波时差；

抗压强度测井经验计算公式：

σ_c＝a·E·(1-V_sh)+b·E·V_sh (4)

式中：σ_c为抗压强度，E为岩石弹性模量，V_sh为泥质含量，a和b为系数；

现今地应力的测井计算采用组合弹簧模型，经验计算公式为：

式中：S_H为水平最大主应力，S_h为水平最小主应力，S_v为垂向主应力，α为Biot系数，E表示岩石杨氏模量，μ为岩石泊松比，P_o为储层压力，ε_H与ε_h分别为水平最大和最小主应变；

储层压力的测井计算采用伊顿法，经验计算公式为：

式中：P_o为储层压力；S和P_n分别表示上覆岩层压力和静液柱压力；c表示伊顿系数；Δt_n和Δt分别为正常压实趋势线上的声波时差和地层实际声波时差。

步骤4，由于步骤2中通过实测获得的钻井不同深度测点实测信息离散但是准确度高，而步骤3中利用测井资料获得的计算结果连续的单存在误差，因此将实测数据与测井计算结果进行对应排列，建立实测数据与测井计算结果所包含对应参数间的量化关系，利用实测数据校正步骤3由经验公式获取的钻井深度的弹性模量、抗压强度、现今地应力和储层压力的测井计算结果，并计算钻井在不同深度的水平主应力差；使用BP神经网络法或卷积神经网络法建立实测数据与测井计算结果间的量化关系。

步骤5，收集目标钻井的成像测井资料，拾取天然裂缝产状、井壁崩落和钻井诱导缝信息，计算目标钻井的天然裂缝密度，将目标钻井分成n段，据井壁崩落、钻井诱导缝与现今地应力方向的关系确定目标钻井井周附近现今地应力优势方位，并通过插值方法获取n段测井深度段每段现今地应力优势方位与天然裂缝走向夹角；井壁崩落、钻井诱导缝与现今地应力方向之间关系为：钻井诱导缝的走向方位垂直于水平最小主应力的方位，井壁崩落的长轴方向平行于水平最小主应力的方位；采用克里金法计算测井深度段现今地应力优势方位与天然裂缝走向夹角。

步骤6，利用步骤4获取校正后弹性模量、抗压强度、现今地应力和储层压力的测井计算结果，计算出被分为n段的目标钻井不同深度段的应力集中系数；

应力集中系数ω的计算公式为：

式中：S_H为水平最大主应力，P_o为储层压力，σ_c为抗压强度。

步骤7，选取步骤2～步骤6所获取的不同深度段的水平最小主应力、水平主应力差、现今地应力优势方位与天然裂缝走向夹角、弹性模量、天然裂缝密度和应力集中系数，对每个参数进行归一化处理，将数值限定在0～1范围内；其中：弹性模量和天然裂缝密度为正向参数，水平最小主应力、水平主应力差、现今地应力优势方位与天然裂缝走向夹角和应力集中系数为负向参数，进而利用熵权法获取每个参数权重值，最后利用归一化后的各个参数构建地质力学层指标Q，根据地质力学层指标Q定量划分单井油气储层地质力学层。当Q值为在(0.75～1]范围内时为I层，在(0.50～0.75]范围内时为II层，在(0.25～0.50]范围内时为III层，在(0～0.25]范围内时为IV层。

构建地质力学层指标Q的算式如下：

Q＝m₁S_h ^*+m₂ΔS^*+m₃E^*+m₄F_d ^*+m₅β^*+m₆ω^* (9)

式中：Q表示地质力学层指标，S_h*为归一化的水平最小主应力，ΔS*表示归一化的水平主应力差，E*为归一化的岩石弹性模量，F_d*为归一化的裂缝密度，β*为归一化的现今地应力优势方位与天然裂缝走向夹角，ω*为归一化的应力集中系数，m₁～m₆为权重系数。

Claims (7)

1.一种油气储层地质力学层单井定量划分方法，其特征在于：采集钻井不同深度的岩芯，加工钻井岩芯并对钻井岩芯开展三轴岩石力学实验和差应变地应力测试，获取不同钻井岩芯的力学数据；收集成像测井资料，计算不同深度段天然裂缝密度，确定不同深度段井周附近现今地应力优势方位；收集上述钻井的常规测井资料，计算获取弹性模量、抗压强度、现今地应力、储层压力和应力集中系数，并通过构建实验测试数据与测井计算数据之间的关系进行结果校正；利用熵权法，分别获取水平最小主应力、水平主应力差、弹性模量、现今地应力优势方位与天然裂缝走向夹角、天然裂缝密度和应力集中系数参数权重值，构建地质力学层指标Q，据其实现定量划分单井油气储层地质力学层。

2.根据权利要求1所述的一种油气储层地质力学层单井定量划分方法，其特征在于具体步骤如下：

步骤1，采集目标钻井中不同深度测点的多件全直径岩芯，并在每件全直径岩芯记录采集深度，将每个全直径岩芯加工为半径5cm、高5cm的扇形体和直径2.5cm、高5cm的柱塞，扇形体和柱塞的上下端面均要磨平且二者平行，其中扇形体的圆心角为90度，在扇形体的两个矩形面以及弧面上黏贴应变片；

步骤2，对所有的柱塞和扇形体，分别开展三轴岩石力学实验和差应变地应力测试，从而获取柱塞和扇形体的实测数据：弹性模量、抗压强度、水平最大主应力、水平最小主应力和垂向主应力；

步骤3，收集目标钻井的资料，包括常规测井、补心海拔、补心高，利用经验公式获取目标钻井不同深度的弹性模量、抗压强度、现今地应力和储层压力测井计算结果；

步骤4，由于步骤2中通过实测获得的钻井不同深度测点实测信息离散但是准确度高，而步骤3中利用测井资料获得的计算结果连续的单存在误差，因此将实测数据与测井计算结果进行对应排列，建立实测数据与测井计算结果所包含对应参数间的量化关系，利用实测数据校正步骤3由经验公式获取的钻井深度的弹性模量、抗压强度、现今地应力和储层压力的测井计算结果，并计算钻井在不同深度的水平主应力差；

步骤5，收集目标钻井的成像测井资料，拾取天然裂缝产状、井壁崩落和钻井诱导缝信息，计算目标钻井的天然裂缝密度，将目标钻井分成n段，据井壁崩落、钻井诱导缝与现今地应力方向的关系确定目标钻井井周附近现今地应力优势方位，并通过插值方法获取n段测井深度段每段现今地应力优势方位与天然裂缝走向夹角；

步骤6，利用步骤4获取校正后弹性模量、抗压强度、现今地应力和储层压力的测井计算结果，计算出被分为n段的目标钻井不同深度段的应力集中系数；

步骤7，选取步骤2～步骤6所获取的不同深度段的水平最小主应力、水平主应力差、现今地应力优势方位与天然裂缝走向夹角、弹性模量、天然裂缝密度和应力集中系数，对每个参数进行归一化处理，将数值限定在0～1范围内；其中：弹性模量和天然裂缝密度为正向参数，水平最小主应力、水平主应力差、现今地应力优势方位与天然裂缝走向夹角和应力集中系数为负向参数，进而利用熵权法获取每个参数权重值，最后利用归一化后的各个参数构建地质力学层指标Q，根据地质力学层指标Q定量划分单井油气储层地质力学层。

3.根据权利要求2所述的一种油气储层地质力学层单井定量划分方法具体步骤，其特征在于，步骤3中获取目标钻井不同深度测井计算结果采用的经验公式如下：

弹性模量测井经验计算公式：

式中：μ为岩石泊松比，G为剪切模量，E为岩石弹性模量，ρ_b表示地层体积密度，Δt_s为地层横波时差，Δt_p为地层纵波时差；

抗压强度测井经验计算公式：

σ_c＝a·E·(1-V_sh)+b·E·V_sh (4)

式中：σ_c为抗压强度，E为岩石弹性模量，V_sh为泥质含量，a和b为系数；

现今地应力的测井计算采用组合弹簧模型，经验计算公式为：

式中：S_H为水平最大主应力，S_h为水平最小主应力，S_v为垂向主应力，α为Biot系数，E表示岩石杨氏模量，μ为岩石泊松比，P_o为储层压力，ε_H与ε_h分别为水平最大和最小主应变；

储层压力的测井计算采用伊顿法，经验计算公式为：

式中：P_o为储层压力；S和P_n分别表示上覆岩层压力和静液柱压力；c表示伊顿系数；Δt_n和Δt分别为正常压实趋势线上的声波时差和地层实际声波时差。

4.根据权利要求2所述的一种油气储层地质力学层单井定量划分方法具体步骤，其特征在于，步骤4中使用BP神经网络法或卷积神经网络法建立实测数据与测井计算结果间的量化关系。

5.根据权利要求2所述的一种油气储层地质力学层单井定量划分方法具体步骤，其特征在于，步骤5中井壁崩落、钻井诱导缝与现今地应力方向之间关系为：钻井诱导缝的走向方位垂直于水平最小主应力的方位，井壁崩落的长轴方向平行于水平最小主应力的方位；采用克里金法计算测井深度段现今地应力优势方位与天然裂缝走向夹角。

6.根据权利要求2所述的一种油气储层地质力学层单井定量划分方法具体步骤，其特征在于，步骤6中应力集中系数ω的计算公式为：

式中：S_H为水平最大主应力，P_o为储层压力，σ_c为抗压强度。

7.根据权利要求2所述的一种油气储层地质力学层单井定量划分方法具体步骤，其特征在于，构建地质力学层指标Q，并利用地质力学层指标Q划分单井油气储层地质力学层，当Q值为在(0.75～1]范围内时为I层，在(0.50～0.75]范围内时为II层，在(0.25～0.50]范围内时为III层，在(0～0.25]范围内时为IV层；

构建步骤7中地质力学层指标Q的方式为：

Q＝m₁S_h ^*+m₂ΔS^*+m₃E^*+m₄F_d ^*+m₅β^*+m₆ω^* (9)

式中：Q表示地质力学层指标，S_h*为归一化的水平最小主应力，ΔS*表示归一化的水平主应力差，E*为归一化的岩石弹性模量，F_d*为归一化的裂缝密度，β*为归一化的现今地应力优势方位与天然裂缝走向夹角，ω*为归一化的应力集中系数，m₁～m₆为权重系数。