基于数值岩芯的分层地应力精细描述方法与流程

技术领域：

本发明涉及低渗多薄层油气储层精细分层压裂相关的技术领域，具体为一种基于数值岩芯的分层地应力精细描述方法，主要基于连续测井数据、岩芯岩石力学参数物理测试数据、全井段岩芯岩石力学参数数值模拟测试数据。

背景技术：
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薄互层低渗油气藏通常需要压裂改造后才能经济动用，在薄互层发育的低渗透油气储层开发时,储层多且薄、隔层效果差、非均质性强等原因，最终导致地层滤失严重、缝高难以控制、施工困难等问题。其中储存纵向上分层地应力分布状态对水力压裂裂缝的产生及其形态、方位和高度等都有重要影响。地应力剖面可以反映地应力场在纵向上的变化规律，准确获取分层地应力参数可以为钻井工程、油气藏工程和采油气工程等各个环节的决策和设计提供基础参数。因此，获取精细的地应力剖面对于油气田的开发具有重要意义。

现在通常采用的测井动态参数，不能完全反映地层真实情况，导致复杂岩性储层岩石力学解释存在局限性，需要动静态岩石力学参数转化。但是在进行静态岩石力学参数室内物模实验时，受控于复杂的岩层地质情况、施工设施以及成本问题，实际钻取的岩芯数量有限、取芯也是非连续的，不可能涵盖工程设计所需要的各个层位，而且物模实验数据的离散性较大；此外，受限于当前的真三轴岩芯物理实验设备的局限性，当前的岩石力学实验大多是在单轴或假三轴应力状态下进行的，其得到的岩芯力学参数也较难反映实际岩芯所处的真三维应力状态。因此，可在有限的物模实验基础之上，利用数值模拟方法，开展岩芯的数值化，进行岩芯岩石力学参数的数值模拟分析，获得连续的、精细的岩芯静态岩石力学参数。

技术实现要素：
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本发明的目的在于提供一种基于数值岩芯的分层地应力精细描述方法，该方法通过精细的岩性识别以及静态岩石力学参数计算，可获得连续的、精细的应力分层剖面，有助于提高储层纵向上的有效改造程度。

本发明的技术方案是：

一种基于数值岩芯的分层地应力精细描述方法，包括下列步骤：

a、利用测井资料获取连续的动态岩石力学参数；

b、获取非连续静态岩石力学参数；

c、将步骤b中测试得到的岩芯岩石力学静态参数与步骤a中的连续测井动态岩石力学参数相结合，回归形成动－静态岩石泊松比、弹性模量关系式，见公式(1)、(2)，获得精细的、连续的、纵向上不同储层深度的静态岩石力学参数；

岩石静-动态泊松比的关系：

υs＝f(υd)(1)

岩石静-动态弹性模量的关系：

es＝f(ed)(2)

式中：υs，υd分别是岩石静态、动态泊松比，无量纲；es，ed分别是岩石静态、动态弹性模量，量纲：mpa；

d、根据水力压裂施工压力曲线计算施工点的最大、最小水平主应力：按照水力压裂施工压力曲线，得到原地应力与施工压力的表征关系，见公式(3)、(4)：

σh＝p闭合(3)

σh＝3p闭合-p重张-αp重张(4)

σh是最小水平主应力，量纲：mpa；σh是最大水平主应力，量纲：mpa；

e、计算连续的地应力剖面数据：首先根据步骤c得到的静态弹性模量es、静态泊松比υs，以及步骤d得到的最大主应力σh、最小主应力σh，以及经典的地应力组合弹簧计算模型，见公式(5)、(6)、(7)，计算得到最大、最小水平构造应力系数kh和kh，构造应力系数kh和kh不随井深和计算地点发生变化；最后根据公式(5)、(6)、(7)计算出该区块不同储层深度、连续的、精细的地应力分布；

式中:是地层i点深度的上覆压力，量纲：pa；ρ0是无密度测井数据段平均密度，量纲：kg/m³；h0是无密度测井数据段长度，量纲：m；ρi是测井密度数据，量纲：kg/m3；dhi是对应ρi的测井层段厚度，量纲：m；g是重力加速度，9.8m/s²；σv是垂向主应力，量纲：mpa；h是储层深度，量纲：m；α是有效应力系数，无量纲；pp是孔隙压力，量纲：mpa；kh是最小水平主应力方向的构造系数，在同一断块内为常数，量纲：m^-1；kh为最大水平主应力方向的构造系数，在同一断块内为常数，量纲：m^-1。

所述的基于数值岩芯的分层地应力精细描述方法，步骤a中，声波测井资料作为油气田的常规资料，由连续的声波测井资料实现对储存纵向地应力剖面的连续计算，即：获得区块储层纵向上的、连续的动态弹性模量ed和动态泊松比υd的分布数据。

所述的基于数值岩芯的分层地应力精细描述方法，声波测井资料采用声波时差。

所述的基于数值岩芯的分层地应力精细描述方法，步骤b中，首先按照国家标准gb/t50266-99、国际岩石力学学会的岩石力学实验建议方法，进行有限数量岩芯的单轴和三轴岩石力学物模实验，获得岩芯静态弹性模量es和静态泊松比υs。

所述的基于数值岩芯的分层地应力精细描述方法，对于典型的需要进一步深入校核的储层、以及尚未取到实际岩芯的储层，参考物模流程，建立数值岩芯，进行任意层位储层、任意孔隙度、任意围压的单轴和三轴岩石力学模拟测试，得到岩芯的全程应力应变曲线，进而纵向上储层的精细静态岩石力学参数。

本发明的优点及有益效果是：

本发明提出了运用数模测试进行岩芯静态岩石力学参数模拟分析，校正得到近似真实的岩石力学参数，并结合测井资料测算得到的储层动态岩石力学参数，建立起动、静态力学参数的关系，并结合压裂施工数据来确定分层地应力，从而获得精细地应力剖面的新方法。通过精细的岩性识别和精细的岩石力学参数计算，可提高储层纵向上的有效改造程度。

附图说明：

图1是基于数值模拟的岩芯单轴/三轴岩石力学参数获取示意图。

图2是岩芯的应力应变图。

图3是经校正后的精细连续储层静态岩石力学参数示意图。

图4是水力压裂施工压力曲线示意图。

图5是精细连续分层地应力曲线。

具体实施方式：

在具体实施过程中，本发明基于数值岩芯的分层地应力精细描述方法，实施过程包括下列步骤：

a、利用测井资料获取连续的动态岩石力学参数：声波测井资料(如：声波时差)作为油气田的常规资料，丰富并且便于获取，由连续的声波测井资料实现对储存纵向地应力剖面的连续计算，即：获得区块储层纵向上的、连续的动态弹性模量ed(量纲：mpa)和动态泊松比υd(无量纲)的分布数据。

b、获取非连续静态岩石力学参数：首先按照国家标准gb/t50266-99(工程岩体实验方法标准)、国际岩石力学学会(isrm)的岩石力学实验建议方法，进行有限数量岩芯的单轴和三轴岩石力学物模实验，获得岩芯静态弹性模量es(量纲：mpa)和静态泊松比υs(无量纲)。对于典型的需要进一步深入校核的储层、以及尚未取到实际岩芯的储层，参考物模流程，建立数值岩芯，如图1，进行任意层位储层、任意孔隙度、任意围压的单轴和三轴岩石力学模拟测试，得到岩芯的全程应力应变曲线，一般的岩石岩芯应力-应变曲线见图2，进而纵向上储层的精细静态岩石力学参数。

c、将步骤b中测试得到的岩芯岩石力学静态参数与步骤a中的连续测井动态岩石力学参数相结合，回归形成动－静态岩石泊松比、弹性模量关系式，如：公式(1)、(2)，这样就获得了精细的、连续的、纵向上不同储层深度的静态岩石力学参数，如图3所示。

岩石静-动态泊松比的关系：

υs＝f(υd)(1)

岩石静-动态弹性模量的关系：

es＝f(ed)(2)

式中：υs，υd分别是岩石静态、动态泊松比，无量纲；es，ed分别是岩石静态、动态弹性模量，量纲：mpa；

d、根据水力压裂施工压力曲线计算施工点(任意储层深度)的最大、最小水平主应力：按照一般的水力压裂施工压力曲线，见图4，得到原地应力与施工压力的表征关系，见公式(3)、(4)：

σh＝p闭合(3)

σh＝3p闭合-p重张-αp重张(4)

σh是最小水平主应力，量纲：mpa；σh是最大水平主应力，量纲：mpa；

e、计算连续的地应力剖面数据：首先根据步骤c得到的静态弹性模量es、静态泊松比υs，以及步骤d得到的最大主应力σh、最小主应力σh，以及经典的地应力组合弹簧计算模型(见公式(5)、(6)、(7))，计算得到最大、最小水平构造应力系数kh和kh，构造应力系数kh和kh不随井深和计算地点发生变化；最后根据公式(5)、(6)、(7)计算出该区块不同储层深度、连续的、精细的地应力分布，如图5所示。

式中:是地层i点深度的上覆压力，量纲：pa；ρ0是无密度测井数据段平均密度，量纲：kg/m³；h0是无密度测井数据段长度，量纲：m；ρi是测井密度数据，量纲：kg/m3；dhi是对应ρi的测井层段厚度，量纲：m；g是重力加速度，9.8m/s²；σv是垂向主应力，量纲：mpa；h是储层深度，量纲：m；α是有效应力系数，无量纲；pp是孔隙压力，量纲：mpa；kh是最小水平主应力方向的构造系数，在同一断块内为常数，量纲：m^-1；kh为最大水平主应力方向的构造系数，在同一断块内为常数，量纲：m^-1。

如图1所示，本发明基于数值模拟的岩芯单轴/三轴岩石力学参数获取过程主要包括：基于实际物理岩芯的几何尺寸、物理力学参数，进行网格剖分，建立起数值岩芯，并进行压缩、拉伸测试，测试结果的合理性首先通过破裂面模式进行校核，数值岩芯的破裂面模式要符合压缩或拉伸破坏模式，并且与物理岩芯的破裂面模式基本一致。

如图2所示，在岩芯破裂面模式基本一致的基础之上，进一步校核岩芯的应力应变曲线，特别关注弹性变形阶段、峰值强度，保证数模测试结果与物理模拟结果的一致性，例如实施例的弹性变形阶段和峰值强度，数模测试结果与物理模拟结果的一致性较好。在数模测试结果与物理模拟结果的对比标定基础之上，进行任意层位岩芯岩石力学参数数模测试，特别是对于没有取得实际物理岩芯的层位，可进行多次测试校正。

如图3所示，是经校正后的实施例的精细连续储层静态岩石力学参数，这些参数是在岩石力学参数数模测试数据、有限的物理岩芯岩石力学参数测试、连续测井动态岩石力学参数数据基础之上，并利用公式(1)、公式(2)计算求得的，弹性模量和泊松比将为下一步计算分层地应力剖面奠定基础。

如图4所示，是水力压裂施工压力曲线，该曲线是压裂施工中实际测得的，利用该压力曲线中的关键点：p闭合压力、p重张压力，并结合公式(3)、公式(4)计算出任意储层深度的最大、最小水平主应力。

如图5所示，是精细连续分层地应力曲线，该曲线有效表征了实施例不同储层深度的垂直地应力、最大水平主应力和最小水平主应力的大小，该曲线上的每个数据点是根据连续的储层静态岩石力学参数和施工压力曲线的特征点压力值，并结合公式(5)、公式(6)和公式(7)计算求得的。

结果表明，本发明提出的基于数值岩芯的分层地应力精细描述方法，可以获得精细的连续地应力剖面，对于压裂改造工程设计和提高储层纵向上的有效改造程度，具有较高的实用意义和经济价值。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。