一种预测水平地应力差的方法、装置及存储介质

1.本公开涉及油气勘探领域，尤其涉及一种预测水平地应力差的方法、装置及存储介质。


背景技术：

2.地应力是油气勘探开发领域的重要研究内容，其重要作用贯穿于各个阶段，勘探阶段与构造及其形成演化密切相关，开发阶段是井筒稳定性的重要考虑因素，同时在生产阶段可以预防套损等。近年来页岩气勘探开发实践揭示，水平地应力差是决定压裂能否形成复杂缝网的关键参数，水平地应力差的评价及预测对于页岩气商业勘探开发至关重要。
3.相关技术中，主要的地应力研究方法主有测量法、测井计算法、数值模拟方法及地震预测方法。测量法数据较为准确，方法又包括声发射法及水利压裂法等；测井法主要是利用测井的声波、密度等，基于一定的理论进行计算，在实际资料中也有一定的应用，尤其黄荣樽教授(1983)考虑了构造应力对地应力的影响，根据不同的地区选取不同的构造应力值，建立了一种地应力计算模式，称为黄氏模型，后又有学者根据广义胡克定律推导了均匀各向同性线弹性介质的地应力计算模型，称为弹簧模型；但这两种方法只有在钻井的基础上进行，成本较高，尤其无法在钻前预知和评价。
4.为了能够对地下介质进行有效的钻前预测，数值模拟是一种有效的方法，通过建立区域力学地质模型，不断调整边界值迭代计算，模拟应力场分布规律，这种方法横向分辨率较低，且计算效率较低，无法满足大面积勘探三维区的评价需求。
5.基于地震资料的地应力预测方法中，常用的水平地应力差异系数(dhsr)预测方法是由gray(2012)基于地应力的基础理论以及地震各向异性介质地震岩石物理理论，推导的地应力差系数与各种弹性参数、各向异性参数之间的定量关系，该方法基于水平介质横向位移为零的假设条件，只能实现水平地应力差异比(dhsr)的预测，无法得到水平地应力差的大小，影响了地应力的有效评价。


技术实现要素：

6.为了解决上述技术问题或者至少部分地解决上述技术问题，本公开提供了一种预测水平地应力差的方法、装置及存储介质。
7.第一方面，本公开提供了一种预测水平地应力差的方法，包括：确定水平地应力差预测模型的输入参数的值，其中，水平地应力差预测模型是在组合弹簧地应力模型中引入各向异性引起的水平应力扰动得到的，以各向异性介质的法向柔度和杨氏模量指示水平应力扰动，输入参数包括：垂向地应力、流体压力、有效压力系数、泊松比、杨氏模量、法向柔度、水平最大主应变，以及水平最小主应变；使用水平地应力差预测模型，根据输入参数的值确定水平地应力差。
8.在一些实施例中，水平地应力差预测模型表示为：
[0009][0010]
其中，δσ表示水平地应力差，σ
v
表示垂向地应力，p
p
表示流体压力，α表示有效压力系数，z
n
表示法向柔度，e表示杨氏模量，v表示泊松比，ε
h
表示水平最大主应变；ε
h
表示水平最小主应变。
[0011]
在一些实施例中，确定法向柔度的值，包括：接收叠前地震数据，其中，叠前地震数据包括多个方位且每个方位包括多个入射角对应的数据；根据叠前地震数据进行弹性阻抗反演，得到方位弹性阻抗数据，其中，方位弹性阻抗数据包括多个方位且每个方位的多个入射角对应的弹性阻抗；使用方位弹性阻抗方程根据方位弹性阻抗数据确定拉梅系数、剪切模量和法向弱度的值，其中，方位弹性阻抗方程表征方位弹性阻抗与拉梅系数、剪切模量和法向弱度的确定性关系；根据拉梅系数、剪切模量和法向弱度的值确定法向柔度的值。
[0012]
在一些实施例中，确定泊松比和杨氏模量的值，包括：根据拉梅系数和剪切模量确定泊松比和杨氏模量的值。
[0013]
在一些实施例中，方位弹性阻抗方程表示为：
[0014][0015]
其中，
[0016][0017]
其中，g表示横波速度与纵波速度的比值的平方，λ、μ、ρ分别表示各向异性介质的拉梅系数、剪切模量与密度，δ
n
、δ
t
分别表示各向异性介质schoenberg模型的法向弱度和切向弱度，δ表示为上下介质参数的差异，θ表示地震波入射角，φ为方位角，aei(θ，φ)表示入射角为θ方位角为φ时的弹性阻抗，ei0、λ0、μ0、ρ0分别表示介质的平均弹性阻抗、平均拉梅系数、平均剪切模量、平均密度。
[0018]
在一些实施例中，确定水平最大主应变和水平最小主应变的值，包括：根据薄板理论和趋势面分析确定水平最大主应变和水平最小主应变的值，其中，水平最大主应变的值为构造趋势面的垂直构造方向的二阶导数，水平最小主应变的值为构造趋势面的平行构造方向的二阶导数。
[0019]
在一些实施例中，确定垂向地应力的值，包括：根据密度、重力加速度在深度域积分确定垂向地应力的值。
[0020]
第二方面，本公开提供了一种预测水平地应力差的装置，包括：第一确定模块，用于确定水平地应力差预测模型的输入参数的值，其中，水平地应力差预测模型是在组合弹簧地应力模型中引入各向异性引起的水平应力扰动得到的，以各向异性介质的法向柔度和杨氏模量指示水平应力扰动，输入参数包括：垂向地应力、流体压力、有效压力系数、泊松
比、杨氏模量、法向柔度、水平最大主应变，以及水平最小主应变；第二确定模块，用于使用水平地应力差预测模型，根据输入参数的值确定水平地应力差。
[0021]
第三方面，本公开提供了一种计算机设备，该计算机设备包括：存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序；计算机程序被处理器执行时实现本公开的任一方法的步骤。
[0022]
第四方面，本公开提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质上存储有预测水平地应力差的程序，该预测水平地应力差的程序被处理器执行时实现本公开的任一预测水平地应力差的方法的步骤。
[0023]
本公开实施例提供的上述技术方案与相关技术相比具有如下优点：本公开实施例提供的该方法，实现了水平地应力差绝对值的预测，相比水平地应力差异系数(dhsr)，实用性和适用性更强，可有效指导页岩气勘探及开发。
附图说明
[0024]
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。
[0025]
为了更清楚地说明本公开实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0026]
图1为本公开实施例提供的预测水平地应力差的方法一种实施方式的流程图；
[0027]
图2为本公开实施例提供的使用叠前地震数据确定输入参数一种实施方式的流程图；
[0028]
图3为本公开实施例一个示例的水平地应力差与微地震监测事件的对比图；
[0029]
图4为本公开实施例提供的预测水平地应力差的装置一种实施方式的结构框图；
[0030]
图5为本公开实施例提供的计算机设备一种实施方式的硬件示意图。
具体实施方式
[0031]
应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本公开，并不用于限定本公开。
[0032]
在后续的描述中，使用用于表示元件的诸如“模块”、“部件”或“单元”的后缀仅为了有利于本公开的说明，其本身没有特定的意义。因此，“模块”、“部件”或“单元”可以混合地使用。
[0033]
本公开实施例提供了一种预测水平地应力差的方法，如图1所示，该方法包括步骤s102至步骤s104。
[0034]
步骤s102，确定水平地应力差预测模型的输入参数的值。
[0035]
在本公开实施例中，水平地应力差预测模型是在组合弹簧地应力模型中引入各向异性引起的水平应力扰动得到的，以各向异性介质的法向柔度和杨氏模量指示水平应力扰动。在本公开中，裂隙、裂缝等导致各向异性，各向异性引起水平应力扰动。杨氏模量表征各向同性固有刚度属性，法向柔度表征各向异性对固有各向同性属性引起的扰动。在本公开实施例中，以各向异性介质的法向柔度和杨氏模量指示水平应力扰动。
[0036]
在本公开实施例中，水平地应力差预测模型的输入参数包括：垂向地应力、流体压
力(也称为孔隙压力)、有效压力系数(biot系数)、泊松比、杨氏模量、法向柔度、水平最大主应变，以及水平最小主应变。
[0037]
步骤s104，使用水平地应力差预测模型，根据输入参数的值确定水平地应力差。
[0038]
水平地应力差预测模型
[0039]
在一些实施例中，应用地震各向异性介质理论(包括本构方程、thomsen各向异性参数、schoenberg线性滑动理论)，薄板理论及组合弹簧地应力模型，建立水平地应力差预测模型，该水平地应力差预测模型表示为：
[0040][0041]
其中，δσ表示水平地应力差，σ
v
表示垂向地应力，p
p
表示流体压力，α表示有效压力系数，z
n
表示法向柔度，e表示杨氏模量，v表示泊松比，ε
h
表示水平最大主应变；ε
h
表示水平最小主应变。
[0042]
在该水平地应力差预测模型中，第一项可以理解为由于垂直地应力引起的水平地应力分量差异，其可以通过各向异性介质理论下的各向异性特征参数及弹性参数求取；第二项可以理解为薄板理论下由于构造作用引起的水地平应力差，可通过广义胡克定律求取。
[0043]
在本公开实施例中，可以通过多种公知的方法确定本公开的上述输入参数，如测井评价技术，然而相关技术中的方法可操作性不强。因此，本公开实施例提供了一种使用叠前地震确定部分上述输入参数的方法，以实现使用叠前地震数据预测水平地应力差，可操作性更强。
[0044]
法向柔度
[0045]
在一些实施例中，使用叠前地震数据确定法向柔度的值，如图2所示，该方法包括步骤s202至步骤s208。
[0046]
步骤s202，接收叠前地震数据。
[0047]
在本公开实施例中，叠前地震数据包括多个方位且每个方位包括多个入射角对应的数据。
[0048]
在本公开中，对于一定区域的地层，可获得多道地震数据。每道地震数据包括多个方位且每个方位包括多个入射角对应的数据。每道地震数据包括一位置沿地层深度方向上的多个采样点的数据。每个采样点包括多个方位且每个方位包括多个入射对应的数据。
[0049]
步骤s204，根据叠前地震数据进行弹性阻抗反演，得到方位弹性阻抗数据。
[0050]
在本公开实施例中，方位弹性阻抗数据包括多个方位且每个方位的多个入射角对应的弹性阻抗。地震数据对应的每个采样点包括不同方位及不同入射角的弹性阻抗。
[0051]
在本公开实施例中，可采用公知的方法进行弹性阻抗反演，如基于贝叶斯的弹性阻抗反演方法，本公开对此不做赘述。
[0052]
在本公开实施例中，在进行弹性阻抗反演之前，可对原始叠前地震数据进行预处理，例如开展部分叠加处理，本公开实施例对此不做限定。
[0053]
步骤s206，使用方位弹性阻抗方程根据方位弹性阻抗数据确定拉梅系数、剪切模量和法向弱度的值。
[0054]
在本公开实施例中，方位弹性阻抗方程表征方位弹性阻抗与拉梅系数、剪切模量
和法向弱度的确定性关系。由此，实现先由叠前地震数据反演得到弹性阻抗，再由弹性阻抗确定拉梅系数、剪切模量和法向弱度的值。由于弹性阻抗反演稳定性高，使得确定输入参数的可靠性高。
[0055]
在一些实施例中，方位弹性阻抗方程表示为：
[0056][0057]
其中，
[0058][0059]
其中，g表示横波速度与纵波速度的比值的平方，λ、μ、ρ分别表示各向异性介质的拉梅系数、剪切模量与密度，δ
n
、δ
t
分别表示各向异性介质schoenberg模型的法向弱度和切向弱度，δ表示为上下介质参数的差异，θ表示地震波入射角，φ为方位角，aei(θ，φ)表示入射角为θ方位角为φ时的弹性阻抗，ei0、λ0、μ0、ρ0分别表示介质的平均弹性阻抗、平均拉梅系数、平均剪切模量、平均密度。
[0060]
示例性的，在本公开的一些实施例中，基于上述方位弹性阻抗方程，加入测井约束，通过阻尼最小二乘算法求解弹性阻抗矩阵，开展各向异性参数和弹性参数反演，直接一次求取拉梅系数、剪切模量和法向弱度。
[0061]
步骤s208，根据拉梅系数、剪切模量和法向弱度的值确定法向柔度的值。
[0062]
在本公开实施例中，法向柔度的确定方式如下所示：
[0063][0064]
其中，z
n
为法向柔度，λ为各向异性介质的拉梅系数，μ为各向异性介质的剪切模量，δ
n
为各向异性介质的法向弱度。
[0065]
在一些实施例中，如图2所示，还包括步骤s210，根据拉梅系数和剪切模量确定泊松比和杨氏模量的值。具体参见：
[0066][0067][0068]
式中，λ为拉梅系数，μ为剪切模量，v为泊松比，e为杨氏模量。
[0069]
通过本公开实施例，实现了地震数据对应的采样点对应的输入参数的确定。
[0070]
水平最大、最小主应变
[0071]
在一些实施例中，根据薄板理论和趋势面分析确定水平最大主应变和水平最小主应变的值，其中，水平最大主应变的值为构造趋势面的垂直构造方向的二阶导数，水平最小
主应变的值为构造趋势面的平行构造方向的二阶导数。
[0072]
在本公开实施例中，结合薄板理论，构造趋势面二阶导数可以表征弹性应变，则最大、最小主应变可表示为垂直构造方向和平行构造方向的二阶导数。
[0073][0074]
其中，z表示为构造趋势面的海拔；x
垂直
表示垂直构造方向；x
平行
表示平行构造方向。
[0075]
垂向地应力
[0076]
在一些实施例中，确定垂向地应力的值，包括：根据密度、重力加速度在深度域积分确定垂向地应力的值，本公开实施例对此不做赘述。
[0077]
流体压力
[0078]
在本公开实施例中，流体压力可通过公知的压力预测方法确定，例如，eaton法、fillippone法、stone法等，本公开实施例对比不做赘述和限定。
[0079]
在本公开实施例的一个优选示例中，优化组合弹簧地应力模型，提出了一种水平地应力差预测模型(如式(1所示))；利用各向异性介质方位avo的反射系数近似方程，通过叠前地震数据反演各向异性参数和弹性参数(如式(2)所示)，并求取法向柔度(如式(3)所示)；基于薄板理论，用构造趋势面二阶导数表征应变，求取水平最大和最小主应变(如式(4)所示)；使用求出的参数利用水平地应力差预测模型实现水平地应力差预测。
[0080]
其中，反演理论公式为叠前各向异性介质方位avo的反射系数近似方程：
[0081][0082]
公式(6)中，g为横波速度与纵波速度的比值的平方，λ、μ、ρ分别表示各向异性介质的拉梅系数、剪切模量与密度，δ
n
、δ
t
分别表示各向异性介质schoenberg模型的法向弱度和切向弱度，δ表示为上下介质参数的差异，θ表示地震波入射角，φ为方位角。
[0083]
由于弹性阻抗反演稳定性高，是实际生产中得到了广泛的应用，根据connolly(1999)推导弹性阻抗以及whitcombe(2002)标准化弹性阻抗的思想，因而可以将公式(6)推导为方位弹性阻抗方程(如式(2)所示)。
[0084]
该示例，同时考虑了重力引起的水平应力分量差异和由于构造作用引起的水平地应力差异，且实现了水平地应力差绝对值的预测，相比水平地应力差异系数(dhsr)，实用性和适用性更强，可有效指导页岩气勘探及开发。
[0085]
图3示出了基于该示例预测的水平地应力差与微地震监测事件的对比图，图3中，色标的灰度程度指示水平地应力差的大小，圆形气泡代表微地震监测事件。从图3中可以看出，a井东侧水平地应力差较低，易于压裂，东侧微地震监测事件数多、微地震能量强；其中5
‑
7、13
‑
14、18
‑
22段压裂微地震监测事件数较高，水平地应力差预测低值井段与微地震监测事件基本一致，吻合率大于80％。
[0086]
本公开实施例还提供了一种预测水平地应力差的装置，下面结合图4对本公开实施例的装置进行描述。
[0087]
如图4所示，该装置包括：第一确定模块410，用于确定水平地应力差预测模型的输入参数的值。第二确定模块420，与第一确定模块410相连，用于使用水平地应力差预测模型，根据输入参数的值确定水平地应力差。
[0088]
在本公开中，水平地应力差预测模型是在组合弹簧地应力模型中引入各向异性引起的应力扰动得到的，以各向异性介质的法向柔度和杨氏模量指示应力扰动，输入参数包括：垂向地应力、流体压力、有效压力系数、泊松比、杨氏模量、法向柔度、水平最大主应变，以及水平最小主应变。本公开的一个是示例性水平地应力差预测模型如本公开前述式(1)所示，在此不做赘述。
[0089]
在一些实施例中，第一确定模块410确定法向柔度的值，具体包括：接收叠前地震数据，其中，叠前地震数据包括多个方位且每个方位包括多个入射角对应的数据；根据叠前地震数据进行弹性阻抗反演，得到方位弹性阻抗数据，其中，方位弹性阻抗数据包括多个方位且每个方位的多个入射角对应的弹性阻抗；使用方位弹性阻抗方程(示例性的，如本公开前述式(2)所示)根据方位弹性阻抗数据确定拉梅系数、剪切模量和法向弱度的值，其中，方位弹性阻抗方程表征方位弹性阻抗与拉梅系数、剪切模量和法向弱度的确定性关系；根据拉梅系数、剪切模量和法向弱度的值确定法向柔度的值。
[0090]
在一些实施例中，第一确定模块410确定泊松比和杨氏模量的值，具体包括：根据拉梅系数和剪切模量确定泊松比和杨氏模量的值。
[0091]
在一些实施例中，第一确定模块410确定水平最大主应变和水平最小主应变的值，具体包括：根据薄板理论和趋势面分析确定水平最大主应变和水平最小主应变的值，其中，水平最大主应变的值为构造趋势面的垂直构造方向的二阶导数(如本公开前述式(5)所示)，水平最小主应变的值为构造趋势面的平行构造方向的二阶导数(如本公开前述式(5)所示)。
[0092]
在一些实施例中，第一确定模块410确定垂向地应力的值，包括：根据密度、重力加速度在深度域积分确定垂向地应力的值。
[0093]
本公开实施例还提供了一种计算机设备。图5为本公开实施例提供的计算机设备一种实施方式的硬件结构示意图，如图5所示，本公开实施例的计算机设备10包括：至少包括但不限于：可通过系统总线相互通信连接的存储器11和处理器12。需要指出的是，图5仅示出了具有组件11
‑
12的计算机设备10，但是应理解的是，并不要求实施所有示出的组件，可以替代的实施更多或者更少的组件。
[0094]
本实施例中，存储器11(即可读存储介质)包括闪存、硬盘、多媒体卡、卡型存储器(例如，sd或dx存储器等)、随机访问存储器(ram)、静态随机访问存储器(sram)、只读存储器(rom)、电可擦除可编程只读存储器(eeprom)、可编程只读存储器(prom)、磁性存储器、磁盘、光盘等。在一些实施例中，存储器11可以是计算机设备10的内部存储单元，例如计算机设备10的硬盘或内存。在另一些实施例中，存储器11也可以是计算机设备10的外部存储设备，例如该计算机设备10上配备的插接式硬盘，智能存储卡(smart media card,smc)，安全数字(secure digital,sd)卡，闪存卡(flash card)等。当然，存储器11还可以既包括计算机设备10的内部存储单元也包括其外部存储设备。本实施例中，存储器11通常用于存储安装于计算机设备10的操作系统和各类软件。此外，存储器11还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的各类数据。
[0095]
处理器12在一些实施例中可以是中央处理器(central processing unit，cpu)、控制器、微控制器、微处理器、或其他数据处理芯片。该处理器12通常用于控制计算机设备10的总体操作。本实施例中，处理器12用于运行存储器11中存储的程序代码或者处理数据，例如本公开实施例的任一或多个方法。
[0096]
本实施例还提供一种计算机可读存储介质，如闪存、硬盘、多媒体卡、卡型存储器(例如，sd或dx存储器等)、随机访问存储器(ram)、静态随机访问存储器(sram)、只读存储器(rom)、电可擦除可编程只读存储器(eeprom)、可编程只读存储器(prom)、磁性存储器、磁盘、光盘、服务器、app应用商城等等，其上存储有计算机程序，程序被处理器执行时实现相应功能。本实施例的计算机可读存储介质用于存储本公开实施例的任一或多个的程序代码，被处理器执行时实现本公开实施例的任一或多个的方法。
[0097]
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。
[0098]
上述本公开实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
[0099]
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本公开的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质(如rom/ram、磁碟、光盘)中，包括若干指令用以使得一台终端(可以是手机，计算机，服务器，空调器，或者网络设备等)执行本公开各个实施例所述的方法。
[0100]
上面结合附图对本公开的实施例进行了描述，但是本公开并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本公开的启示下，在不脱离本公开宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本公开的保护之内。