基于VTI横观各向同性模型的页岩力学参数测井方法与流程

本发明涉及地质
技术领域：
，尤其涉及一种基于VTI横观各向同性模型的页岩力学参数测井方法。
背景技术：
：1、页岩的横观各向同性特征受压实作用、有机质分子结构和有机质丰度的综合影响，页理是页岩气储层的典型沉积构造。在野外露头，可观察到岩石骨架颗粒大小、形状或颜色沿垂直方向发生变化，其横向延伸可以是几厘米至数米。在富含有机质的页岩气储层，页岩的力学参数在水平面上具有各向同性的特点，但是垂直方向上力学参数与水平面上的杨氏模量和泊松比等力学参数有较大差异，这种各向异性特点可以用VTI模型(即：横观各向同性)来描述。在压裂设计中，采用的传统各向同性模型不能正确计算地层的破裂压力、压裂缝的闭合应力，直接影响了页岩气的压裂增产改造效果。根据WIGGER(2014)对北美页岩气分段压裂水平井的试气结果，在Barnett页岩气层，采用传统的各向同性模型确定的压裂井段，约有30％的压裂段不产气；在EagleFord页岩气层，约有34％压裂段不产气。2、VTI模型及其刚度矩阵受水平页理发育的影响，在水平面上，页岩的力学参数具有各向同性的特点，但是垂直方向上力学参数与水平面上的力学参数有较大差异。在岩石力学中，Mavko(2009)提出的VTI模型可以表征页岩的这种各向异性特征，即：具有旋转对称轴的横向各向同性。VTI模型的刚度矩阵为C11C12C13000C12C11C13000C13C13C33000000C44000000C44000000C66]]>式中，C11、C12、C13、C33、C44和C66为刚度系数，单位为MPa；在VTI模型的刚度矩阵中，共有6个系数，因为C12＝C11-2C66，独立系数只有5个：C33、C44、C11、C66、和C13。3、刚度矩阵与地应力Mavko(2009)提出的刚度系数与岩石力学参数的关系是：水平杨氏模量Ehorz：垂向杨氏模量Evert：水平泊松比υhorz：垂向泊松比υvert：Thiercelin(1994)基于VTI模型提出地应力计算方法，最小水平主应力σHmin：σHmin-αpp=EhorzEvertυvert1-υhorz[σvert-α(1-ξ)pp]+Ehorz1-υhorz2∈Hmin+Ehorzυhorz1-υhorz2∈Hmax---(5)]]>最大水平主应力σHmax：σHmax-αpp=EhorzEvertυvert1-υhorz[σvert-α(1-ξ)pp]+Ehorz1-υhorz2∈Hmax+Ehorzυhorz1-υhorz2∈Hmin---(6)]]>式中，σHmin为最小水平主应力，单位为MpaEhorz为水平方向的杨氏模量，单位为MPaEvert为垂直方向的杨氏模量，单位为MPaυhorz为水平方向的泊松比，无量纲υvert为垂直方向的泊松比，无量纲σHmin为最小水平主应力，单位为MPaσvert为垂向应力，单位为MPaα为BIOT系数，通常取1，无量纲ξ为孔弹系数，通常取0，无量纲pp为孔隙内流体压力，单位为MPa∈Hmax水平最大构造应变系数，通过小型测试压裂确定，无量纲∈Hmin水平最小构造应变系数，通过小型测试压裂确定，无量纲σHmax为最大水平主应力，单位为MPaVTI模型中的刚度系数和声波的关系式为：C11＝ρVp2(90°)(7)C66＝ρVSh2(90°)(8)C33＝ρVp2(0°)(9)C44＝ρVSh2(0°)(10)式中，ρ为页岩密度，kg/m3；Vp(90°)表示平行页理面方向传播的纵波速度，m/s；VSh(90°)表示振动方向平行于页理，且沿着平行页理面方向传播的横波速度，m/s；Vp(0°)表示垂直页理面方向传播的纵波速度，m/s；VSh(0°)表示振动方向平行于页理，且沿垂直于页理方向传播的横波速度，,m/s；VP(45°)表示与页理面方向成45度传播的纵波速度，m/s。Thomsen(1986)提出页岩的各向异性系数定义式。ϵ=C11-C332C33---(12)]]>γ=C66-C442C44---(13)]]>δ=(C13+C44)2-(C33-C44)22C33(C33-C44)---(14)]]>式中，ε、γ和δ为页岩各向异向系数，无量纲；如果采用偶极声波(DSI)测井仪，如斯伦贝谢的新一代声波扫描测井SonicScanner，在直井的测井中，可以直接测量：Vp(0°)、VSh(0°)和斯通利波。Norris和Sinha(1993)提出可以根据斯通利波计算VSh(90°)；在水平井的测井中，偶极声波(DSI)测井仪可以直接测量VSh(90°)、Vp(90°)和VSh(0°)。因为偶极声波测井只能测量3种声波速度，但是VTI模型中有5个刚度系数，所以需要在测井解释前进行辅助岩心试验确定区域常数，减少未知数的个数，才能进行力学参数的测井解释。Thomsen(1986)根据岩心实测结果，认为Thomsen系数δ＝0，提出了ANNIE方法。Quirein(2014)对ANNIE方法进行了改进。在直井的地应力测井解释中，不论是ANNIE方法，还是Quirein方法，都需要提取根据斯通利波，计算水平方向的横波速度，即：VSh(90°)。与斯伦贝谢公司SonicScanner偶极声波测井相比较，国内目前常用的是全波测井仪测量声波速度是：在直井段可以测量Vp(0°)和VSh(0°)，不能提供VSh(90°)；在水平井段可以测量Vp(90°)、VSh(90°)，不能测量VSh(0°)。由于国产全波测井仪提供的声波速度少，不能直接应用国外常用的ANNIE方法或Quirein方法计算页岩的横观各向同性地应力场。技术实现要素：本发明旨在提供一种基于VTI横观各向同性模型的页岩力学参数测井解释方法，只需采用常规的全波测井仪测量的纵波速度、横波速度测井曲线。在直井段的测井解释中，不必使用测井仪提取的VSh(90°)求C66，而是根据刚度系数之间的关系式直接求C66。在水平井段的测井解释中，不必使用测井仪提取的VSh(0°)求C44，而是根据刚度系数之间的关系式求解C44。再配合密度测井曲线，可完成力学参数的测井计算。为达到上述目的，本发明是采用以下技术方案实现的：本发明公开的基于VTI横观各向同性模型的页岩力学参数测井方法，包括以下步骤：步骤1、采用岩样测试确定页岩的区域常数K1、K3，b1和b3；所述步骤1包括以下子步骤：1.1、在室内，测试至少5个岩样的密度ρ，以及VSh(90°)、Vp(90°)、Vp(0°)、VSh(0°)和VP(45°)；1.2、采用式(7)～(11)分别计算各个岩样的C11、C33、C44、C66、和C13；1.3、计算C12，C12＝C11-2C66(15)1.4、采用式(16)拟合计算K1和b1C11＝K1(C33-2C44)+2C66+b1(16)1.5、由于Thomsen系数δ为0，得C13的计算式，C13＝C33-2C44(17)1.5、采用式(12)和(13)，计算ε和γ；1.6、采用式(18)，拟合计算K3和b3；ε＝K3γ+b3(18)式中，K3、b3为区域常数，无量纲；1.7、把ε的定义式(12)，以及γ的定义式(13)代入式(18)，得：C11=(2b3+1)C33+K3C33(C66-C44)C44---(19)]]>1.8、把式(19)代入式(16)，得：C66=2K1(C44)2+(2b3+1-K1-K3)C33C44-b1C442C44-K3C33---(20)]]>步骤2、在页岩气井的直井段，根据测井参数计算各深度点的应力参数；所述步骤2包括以下子步骤：2.1、根据直井的测井资料提取的各深度点的密度、纵波速度、横波速度，即ρ、Vp(0°)和VSh(0°)，采用式(9)和(10)计算各深度点的C33和C44；2.2、采用式(20)计算C66，2.3、采用式(16)计算C11；2.4、采用式(15)计算C12；2.5、采用式(17)计算C13；2.6、采用式(1)～(4)计算出直井段各深度点的水平和垂向上的杨氏模量与泊松比。2.7、采用式(5)、式(6)计算出直井段各深度点的最小水平主应力和最大水平主应力。步骤3、在页岩水平井段，根据测井参数计算各深度点的的应力参数，步骤3包括以下子步骤：3.1、根据水平井的测井资料，提取各深度点的密度、纵波速度、横波速度，即ρ、Vp(90°)、VSh(90°)；3.2、采用式(7)和(8)计算C11和C66；3.3、采用式(15)计算C12；3.4、把C11、C66和区域常数K1、K3、b1、b3代入公式(16)和(19)，联立方程求解出C33和C44。3.5、采用式(17)计算C13；3.6、采用式(1)～(4)计算出各深度点的水平和垂向上的杨氏模量与泊松比。3.7、采用式(5)、式(6)计算出水平井段各深度点的最小和最大水平主应力。优选的，所述步骤1中的岩样个数为5～10个。优选的，所述岩样为棱柱，所述棱柱的轴线与页岩页理方向平行，棱柱包括三对平行侧面，所述三对平行侧面包括一对水平侧面、一对斜侧面、一对垂直侧面，所述水平侧面与页岩页理方向的夹角为0°，所述斜侧面与页岩页理方向的夹角为45°，所述垂直侧面与页岩页理方向的夹角为90°。优选的，所述棱柱为八棱柱。优选的，每对平行侧面的中心连线与棱柱的轴线交叉。优选的，所述斜侧面与水平侧面、垂直侧面均相邻。本发明只需要页岩气井段的纵波速度、横波速度测井曲线，再配合密度测井曲线，即可完成力学参数的计算，不需要采用昂贵的偶极声波(DSI)测井仪，只需采用常规的全波测井仪，降低设备成本，具有良好的推广价值。附图说明图1为岩样的结构示意图；图2为岩样的页理与波速测量关系示意图；图中：1-水平侧面、2-斜侧面、3-垂直侧面、4-页岩页理、5-轴线。具体实施方式为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。本发明公开的基于VTI横观各向同性模型的页岩力学参数测井方法，包括以下步骤：步骤1、采用岩样测试确定页岩的区域常数K1、K2和K3，b1、b2和b3；步骤2、根据测井参数计算直井段各深度点的应力参数；步骤3、在页岩水平井段，计算各深度点的的应力参数；步骤1包括以下子步骤：1.1、在室内，测试5～10个岩样的密度ρ，以及VSh(90°)、Vp(90°)、Vp(0°)、VSh(0°)和VP(45°)；1.2、采用式(7)～(11)分别计算各个岩样的C11、C33、C44、C66、和C13；C11＝ρVp2(90°)(7)C66＝ρVSh2(90°)(8)C33＝ρVp2(0°)(9)C44＝ρVSh2(0°)(10)式中，ρ为页岩密度，kg/m3；Vp(90°)表示平行页理方向传播的纵波速度，单位为m/s；VSh(90°)表示振动方向平行于页理，且沿着平行页理方向传播的横波速度，单位为m/s；Vp(0°)表示垂直页理方向传播的纵波速度，单位为m/s；VSh(0°)表示振动方向平行于页理，且沿垂直于页理方向传播的横波速度，单位为m/s；VP(45°)表示与页理方向成45°传播的纵波速度，单位为m/s；1.3、采用式(15)计算C12，C12＝C11-2C66(15)1.4、采用式(16)拟合计算K1、b1，C11＝K1(C33-2C44)+2C66+b1(16)式中，K1、b1为区域常数，无量纲；1.5、采用式(12)和(13)，计算ε和γ；ϵ=C11-C332C33---(12)]]>γ=C66-C442C44---(13)]]>式中，ε、γ为页岩各向异向系数，无量纲；1.6、采用式(18)，拟合计算K3和b3；ε＝K3γ+b3(18)式中，K3、b3为区域常数，无量纲；步骤2包括以下子步骤：2.1、根据直井的测井资料提取的各深度点的密度、纵波速度、横波速度，即ρ、Vp(0°)和VSh(0°)，采用式(9)和(10)计算各深度点的C33和C44；2.2、采用式(20)计算C66，C66=2K1(C44)2+(2b3+1-K1-K3)C33C44-b1C442K1C44-K3C33---(20)]]>2.3、采用式(16)，计算C11；2.4、采用式(15)计算C12；2.5、采用式(17)计算C13；2.6、采用式(1)～(4)计算出直井段各深度点的水平和垂向上的杨氏模量与泊松比，Ehorz=(C11-C12)[C33(C11+C12)-2C132]C11C33-C132---(1)]]>Evert=c33-2C132C11+C12---(2)]]>υhorz=C33C12-C132C33C11-C132---(3)]]>υvert=C13C12+C11---(4)]]>式中：Ehorz为水平杨氏模量，Evert为垂向杨氏模量，υhorz为水平泊松比，υvert为垂向泊松比；2.7、采用式(5)、式(6)计算出直井段各深度点的最小水平主应力和最大水平主应力，σHmin-αpp=EhorzEvertυvert1-υhorz[σvert-α(1-ξ)pp]+Ehorz1-υhorz2∈Hmin+Ehorzυhorz1-υhorz2∈Hmax---(5)]]>σHmax-αpp=EhorzEvertυvert1-υhorz[σvert-α(1-ξ)pp]+Ehorz1-υhorz2∈Hmax+Ehorzυhorz1-υhorz2∈Hmin---(6)]]>式中，σHmin为最小水平主应力，单位为Mpaσvert为垂向应力，单位为Mpaα为BIOT系数，取值为1，无量纲ξ为孔弹系数，取值为0，无量纲pp为孔隙内流体压力，单位为Mpa∈Hmax水平最大构造应变系数，通过小型测试压裂确定，无量纲∈Hmin水平最小构造应变系数，通过小型测试压裂确定，无量纲σHmax为最大水平主应力，单位为Mpa。进一步的，本发明还包括：步骤3、根据测井参数计算水平井段各深度点的的应力参数，所述步骤3包括以下子步骤：3.1、根据水平井的测井资料提取的各深度点的密度、纵波速度、横波速度，即ρ、Vp(90°)、VSh(90°)；3.2、采用式(7)和(8)计算C11和C66；3.3、采用式(15)计算C12；3.4、采用式(16)和(19)计算C33和C44；3.5、采用式(17)计算C13；3.6、采用式(1)～(4)计算出各深度点的水平和垂向上的杨氏模量与泊松比。3.7、采用式(5)、式(6)计算出水平井段各深度点的最小和最大水平主应力。如图1所示，本发明采用的岩样为棱柱，优选为八棱柱，棱柱的轴线5与页岩页理4方向平行，棱柱包括三对平行侧面，三对平行侧面包括一对水平侧面1、一对斜侧面2、一对垂直侧面3，水平侧面1与页岩页理4方向的夹角为0°，斜侧面2与页岩页理4方向的夹角为45°，垂直侧面3与页岩页理4方向的夹角为90°；斜侧面与水平侧面、垂直侧面均相邻。如图2所示，岩样的每对平行侧面的中心连线与棱柱的轴线5交叉，即每对平行侧面正对，保证5个声波的行程。当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。当前第1页1 2 3