一种井下水平地应力测量方法与流程

1.本发明涉及地应力测试技术领域，具体为一种井下水平地应力测量方法。


背景技术：

2.水力压裂是油气井增产、注水井增注的一项重要技术措施。现今地应力大小及状态决定了水力裂缝的产状及扩展形式，是压裂设计的重要参数。目前，上覆岩层压力可通过密度测井求得。最小水平主应力大小可以通过压力诊断、dfit测试等技术较为可靠地测得，特别是需要压裂的井可以通过停泵后压降分析很容易地获得最小水平主应力值。但最大水平主应力大小一般通过测井解释、岩心实验等方法间接计算求得，准确性可靠性难以验证。
3.水压致裂法基于最大张应力准则，理想化的模型与地下岩石的实际受力状态及破裂行为均存在差异，计算时需要的破裂压力、抗张强度参数不易准确获得，且最大水平地应力是依据理论间接计算求得而不是直接测得，准确性难以验证。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种井下水平地应力测量方法，以解决上述背景技术中提出的水压致裂法基于最大张应力准则，理想化的模型与地下岩石的实际受力状态及破裂行为均存在差异，计算时需要的破裂压力、抗张强度参数不易准确获得，且最大水平地应力是依据理论间接计算求得而不是直接测得，准确性难以验证的问题。
5.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种井下水平地应力测量方法，其特征在于：该井下水平地应力测量方法包括如下步骤：
6.s1：使用钻杆将测量设备下入井底，将测量设备在井筒中固定；
7.s2：打开测量设备上的照明光源，通过测量设备上的摄像头对井底进行拍摄并保存，保存为井底平面图像1；
8.s3：使用测量设备上的空心钻头在井底钻出沟槽，解除作用在沟槽内岩柱上水平方向的地应力；
9.s4：使用测量设备上的钻孔组件在井底钻出内孔，内孔和沟槽的圆形同心，处在钻孔组件的轴心线与井底的交点a上；
10.s5：对应力解除后的井底再次拍摄得到井底平面图像2，通过数字图像相关法，求得以a为中心，井底在径向上的应变，令应变最大处方向为x，垂直于x方向为应变最小处方向y，那么x方向就是最大水平地应力方向，y方向就是最小水平地应力方向，井底平面图像2结合陀螺仪即可得到地应力方向的准确值；
11.s6：根据弹性力学原理，有：
[0012][0013]
式中，σ
x
为x方向上的地应力，ε
x
为x方向上的应变，σy为y方向上的地应力，εy为y方向上的应变，σz为z方向上的地应力，εz为z方向上的应变，e为岩石的杨氏模量，λ为岩石的泊松比，式中岩石的杨氏模量和泊松比可以通过岩心实验或测井解释获得，ε
x
、εy通过图像处理获得，σz为静水液柱压力，可通过井筒内液体密度计算获得，解方程组可以得到x、y方向上的地应力大小。
[0014]
优选的，所述步骤s1中的测量设备通过扶正器在井筒中固定。
[0015]
优选的，所述步骤s2中的摄像头的数量为4个。
[0016]
优选的，所述步骤s2中的井底平面图像1是通过图像配准技术将4张照片合成为1张井底高清图像。
[0017]
优选的，所述步骤s3中的沟槽的深度为1-2cm。
[0018]
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明通过表面应力解除结合高清摄像头，通过数字图像相关法测量应变，解决了油气井高温高压条件下现有方法、设备不适用的问题，且工具结构简单、操作简便，可靠性和精度更高，直接利用现有井身结构，不需要再钻深孔以及在深孔内安装任何设备，施工工序更简单，作业风险低、难度小。
附图说明
[0019]
图1为本发明井筒侧视示意图；
[0020]
图2为本发明井底平面图像1示意图；
[0021]
图3为本发明井底平面图像2示意图。
具体实施方式
[0022]
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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0023]
本发明提供一种井下水平地应力测量方法，直接利用现有井身结构，不需要再钻深孔以及在深孔内安装任何设备，施工工序更简单，作业风险低、难度小，请参阅图1-3，该井下水平地应力测量方法包括如下步骤：
[0024]
s1：使用钻杆将测量设备下入井底，通过扶正器，将测量设备在井筒中固定；
[0025]
s2：打开测量设备上的照明光源，通过测量设备上的摄像头(4个)对井底进行拍摄并保存，通过图像配准技术将4张照片合成为1张井底高清图像，保存为井底平面图像1；
[0026]
s3：使用测量设备上的空心钻头在井底钻出沟槽，解除作用在沟槽内岩柱上水平方向的地应力，沟槽的深度为1-2cm；
[0027]
s4：使用测量设备上的钻孔组件在井底钻出内孔，内孔和沟槽的圆形同心，处在钻孔组件的轴心线与井底的交点a上；
[0028]
s5：对应力解除后的井底再次拍摄得到井底平面图像2，通过数字图像相关法，求得以a为中心，井底在径向上的应变，令应变最大处方向为x，垂直于x方向为应变最小处方向y，那么x方向就是最大水平地应力方向，y方向就是最小水平地应力方向，井底平面图像2结合陀螺仪即可得到地应力方向的准确值；
[0029]
s6：根据弹性力学原理，有：
[0030][0031]
式中，σ
x
为x方向上的地应力，ε
x
为x方向上的应变，σy为y方向上的地应力，εy为y方向上的应变，σz为z方向上的地应力，εz为z方向上的应变，e为岩石的杨氏模量，λ为岩石的泊松比，式中岩石的杨氏模量和泊松比可以通过岩心实验或测井解释获得，ε
x
、εy通过图像处理获得，σz为静水液柱压力，可通过井筒内液体密度计算获得，解方程组可以得到x、y方向上的地应力大小。
[0032]
实施例1
[0033]
井筒内径为4.5英寸(114.3mm)，页岩杨氏模量35000mpa，泊松比0.2。采用4颗600dpi镜头，合成得到的井底平面图像像素约1亿。
[0034]
井底平面图像1中，以o为圆心记录图中直径为d＝100mm＝9449像素的虚线c沿途的数字图像特征。然后钻沟槽、内孔、清洗井筒后拍摄得到井底平面图像2。通过数字图像相关法找到井底平面图像2中虚线c的新轨迹，得到椭圆c'。测量c'的长轴为9470像素，方向为应变最大方向x；短轴为9463像素，方向为应变最小处方向y。从陀螺仪读取x方向为90
°
，y方向为0
°
。
[0035][0036]
井筒内液体为清水，密度为1000kg/m3，设测量位置垂深为4000m，有：σz＝ρ gh＝1000
×
9.8
×
4000＝39.2(mpa)解方程组：
[0037]
[0038][0039]
可得：
[0040][0041]
根据结果知，εz比ε
x
及εy小两个数量级，因此在实际应用中可以忽略εz对测量ε
x
和εy带来的影响。
[0042]
综上所述，本发明通过表面应力解除结合高清摄像头，通过数字图像相关法测量应变，解决了油气井高温高压条件下现有方法、设备不适用的问题，且工具结构简单、操作简便，可靠性和精度更高，直接利用现有井身结构，不需要再钻深孔以及在深孔内安装任何设备，施工工序更简单，作业风险低、难度小，与沟槽同心的圆形内孔，平衡了作用在沟槽内岩柱上水平方向的液柱压力，作用在岩石上的水平地应力全部释放，使高杨氏模量岩石的应变达到最大，达到了降低测量难度、提高测量精度的效果，实现了地应力的实地直接测量，能够为油气田开发特别是非常规油气压裂改造的方案设计与优化提供可靠的基础数据资料。
[0043]
虽然在上文中已经参考实施例对本发明进行了描述，然而在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，本发明所披露的实施例中的各项特征均可通过任意方式相互结合起来使用，在本说明书中未对这些组合的情况进行穷举性的描述仅仅是出于省略篇幅和节约资源的考虑。因此，本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。