本發(fā)明涉及地質(zhì)
技術(shù)領(lǐng)域：
，尤其涉及一種基于VTI橫觀各向同性模型的頁巖力學(xué)參數(shù)測井方法。
背景技術(shù)：
：1、頁巖的橫觀各向同性特征受壓實作用、有機(jī)質(zhì)分子結(jié)構(gòu)和有機(jī)質(zhì)豐度的綜合影響，頁理是頁巖氣儲層的典型沉積構(gòu)造。在野外露頭，可觀察到巖石骨架顆粒大小、形狀或顏色沿垂直方向發(fā)生變化，其橫向延伸可以是幾厘米至數(shù)米。在富含有機(jī)質(zhì)的頁巖氣儲層，頁巖的力學(xué)參數(shù)在水平面上具有各向同性的特點(diǎn)，但是垂直方向上力學(xué)參數(shù)與水平面上的楊氏模量和泊松比等力學(xué)參數(shù)有較大差異，這種各向異性特點(diǎn)可以用VTI模型(即：橫觀各向同性)來描述。在壓裂設(shè)計中，采用的傳統(tǒng)各向同性模型不能正確計算地層的破裂壓力、壓裂縫的閉合應(yīng)力，直接影響了頁巖氣的壓裂增產(chǎn)改造效果。根據(jù)WIGGER(2014)對北美頁巖氣分段壓裂水平井的試氣結(jié)果，在Barnett頁巖氣層，采用傳統(tǒng)的各向同性模型確定的壓裂井段，約有30％的壓裂段不產(chǎn)氣；在EagleFord頁巖氣層，約有34％壓裂段不產(chǎn)氣。2、VTI模型及其剛度矩陣受水平頁理發(fā)育的影響，在水平面上，頁巖的力學(xué)參數(shù)具有各向同性的特點(diǎn)，但是垂直方向上力學(xué)參數(shù)與水平面上的力學(xué)參數(shù)有較大差異。在巖石力學(xué)中，Mavko(2009)提出的VTI模型可以表征頁巖的這種各向異性特征，即：具有旋轉(zhuǎn)對稱軸的橫向各向同性。VTI模型的剛度矩陣為C11C12C13000C12C11C13000C13C13C33000000C44000000C44000000C66]]>式中，C11、C12、C13、C33、C44和C66為剛度系數(shù)，單位為MPa；在VTI模型的剛度矩陣中，共有6個系數(shù)，因為C12＝C11-2C66，獨(dú)立系數(shù)只有5個：C33、C44、C11、C66、和C13。3、剛度矩陣與地應(yīng)力Mavko(2009)提出的剛度系數(shù)與巖石力學(xué)參數(shù)的關(guān)系是：水平楊氏模量Ehorz：垂向楊氏模量Evert：水平泊松比υhorz：垂向泊松比υvert：Thiercelin(1994)基于VTI模型提出地應(yīng)力計算方法，最小水平主應(yīng)力σHmin：σHmin-αpp=EhorzEvertυvert1-υhorz[σvert-α(1-ξ)pp]+Ehorz1-υhorz2∈Hmin+Ehorzυhorz1-υhorz2∈Hmax---(5)]]>最大水平主應(yīng)力σHmax：σHmax-αpp=EhorzEvertυvert1-υhorz[σvert-α(1-ξ)pp]+Ehorz1-υhorz2∈Hmax+Ehorzυhorz1-υhorz2∈Hmin---(6)]]>式中，σHmin為最小水平主應(yīng)力，單位為MpaEhorz為水平方向的楊氏模量，單位為MPaEvert為垂直方向的楊氏模量，單位為MPaυhorz為水平方向的泊松比，無量綱υvert為垂直方向的泊松比，無量綱σHmin為最小水平主應(yīng)力，單位為MPaσvert為垂向應(yīng)力，單位為MPaα為BIOT系數(shù)，通常取1，無量綱ξ為孔彈系數(shù)，通常取0，無量綱pp為孔隙內(nèi)流體壓力，單位為MPa∈Hmax水平最大構(gòu)造應(yīng)變系數(shù)，通過小型測試壓裂確定，無量綱∈Hmin水平最小構(gòu)造應(yīng)變系數(shù)，通過小型測試壓裂確定，無量綱σHmax為最大水平主應(yīng)力，單位為MPaVTI模型中的剛度系數(shù)和聲波的關(guān)系式為：C11＝ρVp2(90°)(7)C66＝ρVSh2(90°)(8)C33＝ρVp2(0°)(9)C44＝ρVSh2(0°)(10)式中，ρ為頁巖密度，kg/m3；Vp(90°)表示平行頁理面方向傳播的縱波速度，m/s；VSh(90°)表示振動方向平行于頁理，且沿著平行頁理面方向傳播的橫波速度，m/s；Vp(0°)表示垂直頁理面方向傳播的縱波速度，m/s；VSh(0°)表示振動方向平行于頁理，且沿垂直于頁理方向傳播的橫波速度，,m/s；VP(45°)表示與頁理面方向成45度傳播的縱波速度，m/s。Thomsen(1986)提出頁巖的各向異性系數(shù)定義式。ϵ=C11-C332C33---(12)]]>γ=C66-C442C44---(13)]]>δ=(C13+C44)2-(C33-C44)22C33(C33-C44)---(14)]]>式中，ε、γ和δ為頁巖各向異向系數(shù)，無量綱；如果采用偶極聲波(DSI)測井儀，如斯倫貝謝的新一代聲波掃描測井SonicScanner，在直井的測井中，可以直接測量：Vp(0°)、VSh(0°)和斯通利波。Norris和Sinha(1993)提出可以根據(jù)斯通利波計算VSh(90°)；在水平井的測井中，偶極聲波(DSI)測井儀可以直接測量VSh(90°)、Vp(90°)和VSh(0°)。因為偶極聲波測井只能測量3種聲波速度，但是VTI模型中有5個剛度系數(shù)，所以需要在測井解釋前進(jìn)行輔助巖心試驗確定區(qū)域常數(shù)，減少未知數(shù)的個數(shù)，才能進(jìn)行力學(xué)參數(shù)的測井解釋。Thomsen(1986)根據(jù)巖心實測結(jié)果，認(rèn)為Thomsen系數(shù)δ＝0，提出了ANNIE方法。Quirein(2014)對ANNIE方法進(jìn)行了改進(jìn)。在直井的地應(yīng)力測井解釋中，不論是ANNIE方法，還是Quirein方法，都需要提取根據(jù)斯通利波，計算水平方向的橫波速度，即：VSh(90°)。與斯倫貝謝公司SonicScanner偶極聲波測井相比較，國內(nèi)目前常用的是全波測井儀測量聲波速度是：在直井段可以測量Vp(0°)和VSh(0°)，不能提供VSh(90°)；在水平井段可以測量Vp(90°)、VSh(90°)，不能測量VSh(0°)。由于國產(chǎn)全波測井儀提供的聲波速度少，不能直接應(yīng)用國外常用的ANNIE方法或Quirein方法計算頁巖的橫觀各向同性地應(yīng)力場。技術(shù)實現(xiàn)要素：本發(fā)明旨在提供一種基于VTI橫觀各向同性模型的頁巖力學(xué)參數(shù)測井解釋方法，只需采用常規(guī)的全波測井儀測量的縱波速度、橫波速度測井曲線。在直井段的測井解釋中，不必使用測井儀提取的VSh(90°)求C66，而是根據(jù)剛度系數(shù)之間的關(guān)系式直接求C66。在水平井段的測井解釋中，不必使用測井儀提取的VSh(0°)求C44，而是根據(jù)剛度系數(shù)之間的關(guān)系式求解C44。再配合密度測井曲線，可完成力學(xué)參數(shù)的測井計算。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明是采用以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：本發(fā)明公開的基于VTI橫觀各向同性模型的頁巖力學(xué)參數(shù)測井方法，包括以下步驟：步驟1、采用巖樣測試確定頁巖的區(qū)域常數(shù)K1、K3，b1和b3；所述步驟1包括以下子步驟：1.1、在室內(nèi)，測試至少5個巖樣的密度ρ，以及VSh(90°)、Vp(90°)、Vp(0°)、VSh(0°)和VP(45°)；1.2、采用式(7)～(11)分別計算各個巖樣的C11、C33、C44、C66、和C13；1.3、計算C12，C12＝C11-2C66(15)1.4、采用式(16)擬合計算K1和b1C11＝K1(C33-2C44)+2C66+b1(16)1.5、由于Thomsen系數(shù)δ為0，得C13的計算式，C13＝C33-2C44(17)1.5、采用式(12)和(13)，計算ε和γ；1.6、采用式(18)，擬合計算K3和b3；ε＝K3γ+b3(18)式中，K3、b3為區(qū)域常數(shù)，無量綱；1.7、把ε的定義式(12)，以及γ的定義式(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)]]>步驟2、在頁巖氣井的直井段，根據(jù)測井參數(shù)計算各深度點(diǎn)的應(yīng)力參數(shù)；所述步驟2包括以下子步驟：2.1、根據(jù)直井的測井資料提取的各深度點(diǎn)的密度、縱波速度、橫波速度，即ρ、Vp(0°)和VSh(0°)，采用式(9)和(10)計算各深度點(diǎn)的C33和C44；2.2、采用式(20)計算C66，2.3、采用式(16)計算C11；2.4、采用式(15)計算C12；2.5、采用式(17)計算C13；2.6、采用式(1)～(4)計算出直井段各深度點(diǎn)的水平和垂向上的楊氏模量與泊松比。2.7、采用式(5)、式(6)計算出直井段各深度點(diǎn)的最小水平主應(yīng)力和最大水平主應(yīng)力。步驟3、在頁巖水平井段，根據(jù)測井參數(shù)計算各深度點(diǎn)的的應(yīng)力參數(shù)，步驟3包括以下子步驟：3.1、根據(jù)水平井的測井資料，提取各深度點(diǎn)的密度、縱波速度、橫波速度，即ρ、Vp(90°)、VSh(90°)；3.2、采用式(7)和(8)計算C11和C66；3.3、采用式(15)計算C12；3.4、把C11、C66和區(qū)域常數(shù)K1、K3、b1、b3代入公式(16)和(19)，聯(lián)立方程求解出C33和C44。3.5、采用式(17)計算C13；3.6、采用式(1)～(4)計算出各深度點(diǎn)的水平和垂向上的楊氏模量與泊松比。3.7、采用式(5)、式(6)計算出水平井段各深度點(diǎn)的最小和最大水平主應(yīng)力。優(yōu)選的，所述步驟1中的巖樣個數(shù)為5～10個。優(yōu)選的，所述巖樣為棱柱，所述棱柱的軸線與頁巖頁理方向平行，棱柱包括三對平行側(cè)面，所述三對平行側(cè)面包括一對水平側(cè)面、一對斜側(cè)面、一對垂直側(cè)面，所述水平側(cè)面與頁巖頁理方向的夾角為0°，所述斜側(cè)面與頁巖頁理方向的夾角為45°，所述垂直側(cè)面與頁巖頁理方向的夾角為90°。優(yōu)選的，所述棱柱為八棱柱。優(yōu)選的，每對平行側(cè)面的中心連線與棱柱的軸線交叉。優(yōu)選的，所述斜側(cè)面與水平側(cè)面、垂直側(cè)面均相鄰。本發(fā)明只需要頁巖氣井段的縱波速度、橫波速度測井曲線，再配合密度測井曲線，即可完成力學(xué)參數(shù)的計算，不需要采用昂貴的偶極聲波(DSI)測井儀，只需采用常規(guī)的全波測井儀，降低設(shè)備成本，具有良好的推廣價值。附圖說明圖1為巖樣的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為巖樣的頁理與波速測量關(guān)系示意圖；圖中：1-水平側(cè)面、2-斜側(cè)面、3-垂直側(cè)面、4-頁巖頁理、5-軸線。具體實施方式為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。本發(fā)明公開的基于VTI橫觀各向同性模型的頁巖力學(xué)參數(shù)測井方法，包括以下步驟：步驟1、采用巖樣測試確定頁巖的區(qū)域常數(shù)K1、K2和K3，b1、b2和b3；步驟2、根據(jù)測井參數(shù)計算直井段各深度點(diǎn)的應(yīng)力參數(shù)；步驟3、在頁巖水平井段，計算各深度點(diǎn)的的應(yīng)力參數(shù)；步驟1包括以下子步驟：1.1、在室內(nèi)，測試5～10個巖樣的密度ρ，以及VSh(90°)、Vp(90°)、Vp(0°)、VSh(0°)和VP(45°)；1.2、采用式(7)～(11)分別計算各個巖樣的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為頁巖密度，kg/m3；Vp(90°)表示平行頁理方向傳播的縱波速度，單位為m/s；VSh(90°)表示振動方向平行于頁理，且沿著平行頁理方向傳播的橫波速度，單位為m/s；Vp(0°)表示垂直頁理方向傳播的縱波速度，單位為m/s；VSh(0°)表示振動方向平行于頁理，且沿垂直于頁理方向傳播的橫波速度，單位為m/s；VP(45°)表示與頁理方向成45°傳播的縱波速度，單位為m/s；1.3、采用式(15)計算C12，C12＝C11-2C66(15)1.4、采用式(16)擬合計算K1、b1，C11＝K1(C33-2C44)+2C66+b1(16)式中，K1、b1為區(qū)域常數(shù)，無量綱；1.5、采用式(12)和(13)，計算ε和γ；ϵ=C11-C332C33---(12)]]>γ=C66-C442C44---(13)]]>式中，ε、γ為頁巖各向異向系數(shù)，無量綱；1.6、采用式(18)，擬合計算K3和b3；ε＝K3γ+b3(18)式中，K3、b3為區(qū)域常數(shù)，無量綱；步驟2包括以下子步驟：2.1、根據(jù)直井的測井資料提取的各深度點(diǎn)的密度、縱波速度、橫波速度，即ρ、Vp(0°)和VSh(0°)，采用式(9)和(10)計算各深度點(diǎn)的C33和C44；2.2、采用式(20)計算C66，C66=2K1(C44)2+(2b3+1-K1-K3)C33C44-b1C442K1C44-K3C33---(20)]]>2.3、采用式(16)，計算C11；2.4、采用式(15)計算C12；2.5、采用式(17)計算C13；2.6、采用式(1)～(4)計算出直井段各深度點(diǎn)的水平和垂向上的楊氏模量與泊松比，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為水平楊氏模量，Evert為垂向楊氏模量，υhorz為水平泊松比，υvert為垂向泊松比；2.7、采用式(5)、式(6)計算出直井段各深度點(diǎn)的最小水平主應(yīng)力和最大水平主應(yīng)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為最小水平主應(yīng)力，單位為Mpaσvert為垂向應(yīng)力，單位為Mpaα為BIOT系數(shù)，取值為1，無量綱ξ為孔彈系數(shù)，取值為0，無量綱pp為孔隙內(nèi)流體壓力，單位為Mpa∈Hmax水平最大構(gòu)造應(yīng)變系數(shù)，通過小型測試壓裂確定，無量綱∈Hmin水平最小構(gòu)造應(yīng)變系數(shù)，通過小型測試壓裂確定，無量綱σHmax為最大水平主應(yīng)力，單位為Mpa。進(jìn)一步的，本發(fā)明還包括：步驟3、根據(jù)測井參數(shù)計算水平井段各深度點(diǎn)的的應(yīng)力參數(shù)，所述步驟3包括以下子步驟：3.1、根據(jù)水平井的測井資料提取的各深度點(diǎn)的密度、縱波速度、橫波速度，即ρ、Vp(90°)、VSh(90°)；3.2、采用式(7)和(8)計算C11和C66；3.3、采用式(15)計算C12；3.4、采用式(16)和(19)計算C33和C44；3.5、采用式(17)計算C13；3.6、采用式(1)～(4)計算出各深度點(diǎn)的水平和垂向上的楊氏模量與泊松比。3.7、采用式(5)、式(6)計算出水平井段各深度點(diǎn)的最小和最大水平主應(yīng)力。如圖1所示，本發(fā)明采用的巖樣為棱柱，優(yōu)選為八棱柱，棱柱的軸線5與頁巖頁理4方向平行，棱柱包括三對平行側(cè)面，三對平行側(cè)面包括一對水平側(cè)面1、一對斜側(cè)面2、一對垂直側(cè)面3，水平側(cè)面1與頁巖頁理4方向的夾角為0°，斜側(cè)面2與頁巖頁理4方向的夾角為45°，垂直側(cè)面3與頁巖頁理4方向的夾角為90°；斜側(cè)面與水平側(cè)面、垂直側(cè)面均相鄰。如圖2所示，巖樣的每對平行側(cè)面的中心連線與棱柱的軸線5交叉，即每對平行側(cè)面正對，保證5個聲波的行程。當(dāng)然，本發(fā)明還可有其它多種實施例，在不背離本發(fā)明精神及其實質(zhì)的情況下，熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員可根據(jù)本發(fā)明作出各種相應(yīng)的改變和變形，但這些相應(yīng)的改變和變形都應(yīng)屬于本發(fā)明所附的權(quán)利要求的保護(hù)范圍。當(dāng)前第1頁1 2 3