一种井壁各向异性水平地应力测量方法与流程

1.本发明属于油田开发工程技术领域，特别涉及一种井壁各向异性水平地应力测量方法，用于对油气井储层地应力场进行测量。


背景技术：

2.随着致密油气、煤层气和页岩气等非常规油气藏的大规模开发，地质工程一体化技术显得尤为重要。特别是在地质力学领域而言，对地应力场的研究和客观认识成为当前非常规储层工程技术有效实施的关键。由于非常规储层地质构造的复杂性，特别是深层、构造应力异常的储层，对储层地应力场的准确测试仍然是业内的难题，同时也是技术研发的热点。
3.对相关文献进行检索，当前地应力测试技术主要分为室内实验和矿场测试两大类，其中室内实验主要有古地磁、声发射、差应变、波速测试(cva)测试，该类测试能够对岩芯的地应力方位和大小进行测试，但同时对真实地层条件下的地应力测试受样品取芯技术的制约明显，存在一定的不确定性，且对地应力方位和大小的确定需要多种方法结合，测试程序较多；矿场测试主要有水力压裂法、钻孔崩落法、应力解除法等，虽然更接近矿场条件，但所需要的测量设备较多，工序复杂，耗时长，成本高，特别是对于高压深层测试环境，仪器设备性能指标和测试结果的可靠性还有待提升。
4.cn110006568b公开了一种通过统计分析应力释放后岩芯变形数据，进行反演和进化计算，进而对三维地应力参数进行估算的方法，该方法以岩芯尺寸测量数据为基础，但并不能对实际地应力方位进行测试。
5.cn110907085a公开了一种基于钻孔变形法的三维地应力测量装置，可以对钻井后因应力释放井壁岩石变形量进行测量，但仍需要进行井中取芯，在室内开展力学测试，获取岩石基本力学参数后计算地应力场。
6.cn210142052u公布了一种水力压裂法测试地应力的实用装置，该装置的创新在于装置内部设置可活动的活动柱塞和封隔胶筒，使封隔胶筒在进入钻孔时与钻孔壁完全隔绝，同时避免因岩石碎屑在装置中积累而产生卡装置或脱落问题出现，确保地应力测试的准确进行，主要用来对最小主应力进行测试；
7.cn210221365u公布了一种自动化程度高的基于差应变原理测量地应力的实验装置，利用围压跟踪泵及压力采集系统控制压力腔围压，通过应力应变仪采集岩体在特定温度压力状态下的应力应变数据，数据采集系统可以对围压跟踪泵进行远传控制，同时计算机设计有超压、超温报警、保护功能，大大提高操作者实验效率。


技术实现要素：

8.本发明的目的在于提供一种能够实现井壁各向异性水平地应力测量的方法；该方法能够实现在实际井工况条件下完成井壁各向异性水平地应力测试，无需取芯开展室内实验，方法简单易行，可同时得到最大最小两向水平应力数据。
9.为了实现上述目的，本发明提供了一种井壁各向异性水平地应力测量方法，其中，该方法包括：
10.步骤一：获取待测地层裸眼段某一水平面上至少两个不同径向方向上在不同压力下的位移；其中，所述不同压力包括得到屈服变形点前的压力以及得到屈服变形点后的压力；其中，各径向方向之间的夹角已知；
11.步骤二：根据获取得到的各径向方向上在不同压力下的位移，绘制不同径向方向的井壁压力与位移关系曲线，通过对不同径向方向的井壁压力与位移关系曲线进行拟合，反演计算得到井壁最大和最小两向水平应力值。
12.在上述井壁各向异性水平地应力测量方法中，优选地，所述不同径向方向包括至少六个径向方向。在一具体实施例中，为间隔角均为30
°
的6组径向方向。
13.在上述井壁各向异性水平地应力测量方法中，优选地，所述获取待测地层裸眼段某一水平面上至少两个不同径向方向上在不同压力下的位移中的不同压力通过流体产生。
14.在上述井壁各向异性水平地应力测量方法中，优选地，步骤一通过下述方式实现：
15.将同一水平面设有至少2组不同方向的径向位移传感器的水平地应力测试设备下入待测地层裸眼段；其中，各组径向位移传感器之间的夹角已知；
16.利用所述水平地应力测试设备向井壁加压，获取待测地层裸眼段某一水平面上各组径向位移传感器所在的各径向方向上在不同压力下的位移；其中，当各组位移传感器均测试得到屈服变形点后，再停止加压；
17.更优选地，所述水平地应力测试设备设有一压力施加壁面，通过向该压力施加壁面加压实现向井壁加压；其中，所述径向位移传感器设于所述压力施加壁面上；在一具体实施方式中，通过加注不可压缩流体实现向压力施加壁面加压进而借助压力施加壁面向井壁加压；在一具体实施方式中，所述压力施加壁面为橡胶薄膜；
18.进一步优选地，该方法进一步包括：对步骤二中涉及的水平地应力测试设备的固有本构模型(例如压力施加壁面的杨氏模量)进行校正标定，即对加压过程中水平地应力测试设备的压力施加壁面发生的形变量进行校正标定；在一具体实施方式中，开展室内测试实验，在地应力加载条件已知的情况下，对反演计算过程中涉及的水平地应力测试设备的固有本构模型(即水平地应力测试设备的压力施加壁面的杨氏模量)进行校正标定；
19.进一步优选地，利用所述水平地应力测试设备向井壁加压，所述获取待测地层裸眼段某一水平面上各组径向位移传感器所在的各径向方向上在不同压力下的位移通过下述方式实现：
20.利用所述水平地应力测试设备向井壁加压，待压力施加壁面完全膨胀与井壁岩石紧贴后，对各组径向位移传感器数值进行标定(例如，即将此时各组径向位移传感器数值标定为零)；继续向井壁加压，采集各组径向位移传感器上的径向位移数据。
21.在一具体实施方式中，所述同一水平面设有至少2组不同方向的径向位移传感器的水平地应力测试设备优选采用改装的剑桥原位公司的高压膨胀仪(high pressure dilatometer manufactured by cambridge in-situ ltd.)；其中，改装指对原设备中单方向设置的位移传感器进行改装，在同一水平面至少两个径向方向分别设置径向位移传感器。
22.在一具体实施方式中，所述裸眼井段直径优选为80mm，深度优选为5m。
23.在一具体实施方式中，当通过加注不可压缩流体实现向压力施加壁面加压进而借助压力施加壁面向井壁加压时，不可压缩流体的加注速度为5psi/min。
24.在上述井壁各向异性水平地应力测量方法中，优选地，所述通过对不同径向方向的井壁压力与位移关系曲线进行拟合，反演计算得到最大和最小两向水平应力值通过下述方式实现：根据小孔扩张和固体弹塑性变形理论，采用有限元数值编程拟合的方法，对水平两向应力场进行迭代求解；
25.在一具体实施方式中，根据小孔扩张和固体弹塑性变形理论，采用有限元数值编程拟合的方法，对水平两向应力场进行迭代求解，同时计算得到杨氏模量、抗压强度等储层岩石物性参数；
26.其中，小孔扩展理论认为井筒压力p与流体对井壁轴向拉应力相同；固体弹塑性变形理论认为，岩石由弹性向塑性转化的拐点满足摩尔库伦准则，即τ＝tanθ
×
σ+c，其中τ为岩石任意截面剪应力，θ为塑性变形摩擦角，σ为岩石任意截面正应力，c为塑性变形内聚力。
27.其中，根据小孔扩张和固体弹塑性变形理论，采用有限元数值编程拟合的方法，对水平两向应力场进行迭代求解，如图5所述流程首先输入仪器和岩样的固有特征参数，并对应力场进行初值设定，然后运行有限元技术程序，计算得到每一径向传感器测得的应力应变曲线，并将实际测量得到的应力应变曲线输入到模型中，两条曲线进行误差对比，确定最小不确定度，同时再次更新参数变量重新输入应力初值，重新迭代求解。
28.本发明提供的井壁各向异性水平地应力测量方法借助待测地层裸眼段某一水平面上至少两个不同径向方向上在不同压力下的位移，通过拟合、反演确定井壁最大和最小两向水平应力值。该方法实现了对场井工况条件下最大最小两向水平应力场的反演计算，无需取芯开展室内实验，方法简便快捷，准确性好。
附图说明
29.图1为本发明实施例1的方法流程图。
30.图2a为本发明实施例1中现场结构示意图。
31.图2b为本发明实施例1中a-a井筒剖面图。
32.图3为本发明实施例1中测试井壁压力-位移数值拟合曲线及结果图。
33.图4a为本发明实施例1中实验样品及井筒结构示意图。
34.图4b为本发明实施例1中实验样品及井筒结构主视图。
35.图4c为本发明实施例1中实验样品及井筒结构俯视图。
36.图5为水平两向应力求解的流程示意图。
具体实施方式
37.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明的保护范围。
38.实施例1
39.本实施例提供了一种井壁各向异性水平地应力测量方法。
40.本实施例在井壁各向异性水平地应力测量过程中使用径向位移传感器的水平地应力测试系统，如图2a、图2b所示，该系统包括水平地应力测试设备6、流体注入管线3、位移测试数据线、高压流体泵4(排量最高达2m3/min，压力最高达120mpa)和数据采集设备5；其中，水平地应力测试设备6由剑桥原位公司的高压膨胀仪(high pressure dilatometer manufactured by cambridge in-situ ltd.)改装而成，该水平地应力测试设备6设有一压力施加壁面即橡胶薄膜8，通过向橡胶薄膜8加注不可压缩流体实现向橡胶薄膜8加压进而借助橡胶薄膜8实现向井壁加压，其改装指对原设备中单方向设置的位移传感器进行改装，在橡胶薄膜8同一圆周横截面(即同一水平面上)均匀布置6组径向位移传感器9径向位移传感器9，各组径向位移传感器9之间的夹角为30
°
，径向位移传感器9与橡胶薄膜8内壁面接触；流体注入管线3一端与水平地应力测试设备6连接、另一端与高压流体泵4连接，从而实现利用高压流体泵4向水平地应力测试设备6中注入不可压缩流体向橡胶薄膜8加压进而向井壁加压；位移测试数据线的一端与水平地应力测试设备6中的径向位移传感器9连接、另一端与数据采集设备5连接，从而实现利用数据采集设备5采集井壁的位移数据；数据采集设备5还与高压流体泵4连接，用以采集不可压缩流体向橡胶薄膜8即向井壁施加的压力。
41.如图1所示，所述井壁各向异性水平地应力测量方法包括：
42.步骤s1：根据测试储层深度和井眼尺寸，依次完成钻井和设备入井工作，具体包括：
43.按照实际钻井设计方案钻进并依次固井，在钻至测试层段的上方后停止、取钻，随后通过连续油管2向井眼1中下入带有钻头的水平地应力测试设备6，水平地应力测试设备6前置钻头，继续钻取孔眼直径80mm，深度5m的裸眼段，至此完成井眼制备和设备放置工作。
44.步骤s2：径向位移传感器标定校正，具体包括：
45.通过高压流体泵4向水平地应力测试设备6中定排量注入充注液压油，橡胶薄膜8膨胀后贴紧井壁岩石7，对各组径向位移传感器9进行标定校正(将此时各组径向位移传感器9的位移标定为零)；
46.步骤s3：获取待测地层裸眼段某一水平面上不同径向方向上在不同压力下的位移，具体包括：
47.按照5psi/min的泵注速率通过高压流体泵4继续向水平地应力测试设备6中定排量注入充注液压油，同时采集6组径向位移传感器9的径向位移数据以及泵注压力，直至6个方向上的径向位移传感器9均测试得到明显的屈服变形点后，停止加压，卸载井壁压力，取出水平地应力测试设备6；从而完成获取待测地层裸眼段某一水平面上不同径向方向上在不同压力下的位移。
48.步骤s4：数据处理，计算得到井壁最大和最小两向水平应力值，具体包括：
49.结合水平地应力测试设备固有本构模型即橡胶薄膜的杨氏模量参数，利用步骤s3得到的某一水平面上不同径向方向上在不同压力下的位移，绘制不同径向方向的井壁压力与位移关系曲线，根据小孔扩张和固体弹塑性变形理论，采用有限元数值编程拟合的方法，对水平两向应力场进行迭代求解；
50.结果如图3所示。
51.步骤s5：可选择地，对水平地应力测试设备固有本构模型进行校正，具体为：
52.如有必要，还可以在现场测试之前开展室内测试实验，即在地应力加载条件已知
的情况下，对步骤s4确定水平两向应力过程中涉及的水平地应力测试设备固有本构模型即橡胶薄膜的杨氏模量参数进行校正标定，从而保障解释结果准确可靠；
53.具体步骤包括：如图4a-图4c所示，将测试样品10加载到设计的三向地应力水平，然后重复上述步骤s1-s4，将计算得到的地应力值与实际加载值进行比较：
54.若误差在运行范围内则水平地应力测试设备固有本构模型即橡胶薄膜的杨氏模量参数准确，水平地应力测试设备固有本构模型校正完毕；
55.若误差不在运行范围内，则调整水平地应力测试设备固有本构模型即橡胶薄膜的杨氏模量参数并重新计算得到的地应力值，直至计算得到的地应力值与实际加载值的误差在运行范围内，水平地应力测试设备固有本构模型校正完毕。