CN103266889B - 预测页岩地层不同钻进方向下的岩石可钻性级值的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种预测页岩地层不同钻进方向下的岩石可钻性级值的方法，包括以下步骤：测定页岩样品在不同钻进方向的可钻性级值和声波时差；建立可钻性级值与声波时差、钻进角度的关系模型；建立页岩样品不同钻进方向的声波时差与垂直层理面方向声波时差、钻进角度之间的关系模型；建立页岩样品不同钻进方向的可钻性级值与垂直层理面方向的声波时差、钻进角度的关系模型；取得测井资料，通过反演得到其垂直层理面方向的声波时差；根据页岩地层不同钻进方向的可钻性级值与垂直层理面方向的声波时差、钻进角度的关系模型，确定现场页岩样品的不同钻进方向的可钻性级值。本发明能够利用声波测井资料直接预测页岩地层不同钻进方向下的岩石可钻性级值。

Description

预测页岩地层不同钻进方向下的岩石可钻性级值的方法

技术领域

本发明属于地下资源钻采工程技术领域，具体地，涉及一种预测页岩地层不同钻进方向下的岩石可钻性级值的方法。

背景技术

岩石的可钻性在油气田的勘探开发过程中，可以作为钻头选型和指导地质分层的重要依据。从上世纪中叶，国内外的学者们就致力于岩石可钻性的研究，通过室内岩心实验法来确定地层岩石的可钻性级值被石油行业广泛采纳。准确的预测岩石可钻性对提高深井机械钻速、缩短钻井周期、提高深井钻井水平有着十分重要的意义。随着页岩气的兴起，针对页岩层理性地层的岩石可钻性的实验评价方法还没有提出。

发明内容

为克服现有技术的缺陷，本发明提供一种预测页岩地层不同钻进方向下的岩石可钻性级值的方法，利用声波测井资料直接预测页岩地层不同钻进方向下的岩石可钻性级值。

为实现上述目的，本发明采用如下方案：

一种预测页岩地层不同钻进方向下的岩石可钻性级值的方法，包括以下步骤：

步骤1，测定页岩样品在不同钻进方向的可钻性级值；

步骤2，测定对应钻进方向下页岩样品的声波时差；

步骤3，建立页岩样品不同钻进方向的可钻性级值与对应方向声波时差、钻进角度的关系模型；

步骤4，建立页岩样品不同钻进方向的声波时差与垂直层理面方向声波时差、钻进角度之间的关系模型；

步骤5，建立页岩样品不同钻进方向的可钻性级值与垂直层理面方向的声波时差、钻进角度的关系模型；

步骤6，取得现场页岩的测井资料，反演计算得到页岩垂直层理面方向的声波时差；

步骤7，根据所确定的的页岩地层不同钻进方向的可钻性级值与垂直层理面方向的声波时差、钻进角度的关系模型及反演计算得到的页岩垂直层理面方向的声波时差，确定所述现场页岩的不同钻进方向的可钻性级值。

本发明的有益技术效果在于：能够利用声波测井资料直接预测页岩地层不同钻进方向下的岩石可钻性级值。与传统方法相比，该发明简单方便，节约了井下取心成本，减少了大量测量等重复工作。

附图说明

图1为预测页岩地层不同钻进方向下的岩石可钻性级值的方法流程示意图。

图2为岩心轴线与层理面法线之间的夹角关系示意图。

图3为利用声波测井资料求取垂直页岩层理方向纵波时差方法的流程图。

具体实施方式

如图1所示，预测页岩地层不同钻进方向下的岩石可钻性级值的方法，包括以下步骤：

步骤1，测定页岩样品在不同钻进方向的可钻性级值，具体方法如下：

1)利用取心机从整块页岩样品上取出直径为76.2mm、长度为50mm不同层理方向的岩心，使用车床把岩心的两个端面车平，试样两端面的平行度公差值不超过0.2mm，把岩心放入烤箱以100℃温度烘烤24h；

2)将处理后的不同层理方向岩心依次放入岩石可钻性测量系统，分别测量不同层理方向岩心的可钻性级值；

钻进方向，即为页岩样品的轴向，与图2所示夹角的关系一致。

步骤2，测定对应钻进方向下页岩样品的声波时差，具体方法如下：

1)利用取心机从上述页岩岩心取出直径为25mm、长度为50mm的岩心，各岩心的层理方向与步骤1中各岩心的层理方向相对应，使用车床把岩心的两个断面车平，再把岩心放入烤箱以100℃温度烘烤24h；

2)将处理后的不同层理方向岩心依次放入声波测量系统，分别测量不同层理方向岩心的声波时差；

上述步骤1，2所测定的不同钻进方向下的岩石可钻性级值、声波时差实验结果如下表1所示：

表1

钻进方向如图2所示，垂直层理方向为0度，平行层理方向为90度。

步骤3，建立页岩样品不同钻进方向的可钻性级值与对应方向声波时差、钻进角度的关系模型；具体方法如下：

对页岩样品不同钻进方向的可钻性级值与对应钻进方向的声波时差、钻进角度进行非线性回归分析，建立如下数学模型：

(式1)

式中：不同钻进方向下的岩石可钻性级值；不同钻进方向下的声波时差，单位(us/m)；岩心轴线与层理法线方向的夹角，单位(°)。

需要说明的是，各系数取决于执行多元回归的数据，并非唯一的取值。

步骤4，建立页岩样品不同钻进方向的声波时差与垂直层理面方向声波时差、钻进角度之间的关系模型；具体方法如下：

对页岩样品不同层理方向的声波时差与垂直层理方向的声波时差、钻进角度进行非线性回归分析，建立如下数学模型：

(式2)

式中：不同钻进方向下的声波时差，单位(us/m)；岩心轴线与层理法线方向的夹角，单位(°)；为垂直层理方向的声波时差，单位(us/m)。

步骤5，建立页岩样品不同钻进方向的可钻性级值与垂直层理面方向的声波时差、钻进角度的关系模型，具体方法如下：

将式2带入式1中，得到数学模型如下：

(式3)

式中；不同钻进方向下的岩石可钻性级值；岩心轴线与层理法线方向的夹角，单位(°)；为垂直层理方向的声波时差，单位(us/m)。

步骤6，取得现场页岩的测井资料，反演计算得到页岩垂直层理面方向的声波时差，具体方法如下：

如图3所示，利用测井资料求取垂直层理方向声波时差方法如下，

确定某一井段的岩石各向异性参数ε和δ之后，其中 $\mathrm{\δ}=\frac{1}{{2C}_{33}^2}[2{(C_{13}+C_{44})}^2-(C_{33}-C_{44})(C_{11}+C_{33}-2C_{44})].$ 式中，C_ij的含义遵照虎克定律，在此不作详述。

首先根据地层产状数据和井眼轨迹数据计算出群角φ_g。

其次给定一初始垂直层理面方向纵波速度v_P，0，

$v_{\mathrm{SV},0}=\frac{v_{P,0}-1.36}{1.16}$ (式4)

v_p，0为垂直层理面方向纵波速度，单位(km/s)；v_SV，0为垂直层理面方向横波速度，单位(km/s)。

计算出横波速度，确定纵横波速比。

再次计算出相角：

$\tan \mathrm{\θ}=\frac{\left\{2\right[M_3\left(\mathrm{\θ}\right)-M_2\left(\mathrm{\θ}\right){]\sin }^2\mathrm{\θ}-M_4\left(\mathrm{\θ}\right)\}\tan {\mathrm{\φ}}_g}{2[M_3\left(\mathrm{\θ}\right)-M_2\left(\mathrm{\θ}\right)-2M_1]{\sin }^2\mathrm{\θ}-M_4\left(\mathrm{\θ}\right)-2M_3\left(\mathrm{\θ}\right)}$ (式5)

其中，M₁＝ε²-2tδ+2tε；M₂(θ)＝4tδ+εR(θ)-2tε；M₃(θ)＝2tδ+εR(θ)-tε；M₄(θ)＝t²-tR(θ)+2R(θ)； $R\left(\mathrm{\θ}\right)={(4({\mathrm{\ϵ}}^2+2\mathrm{t\ϵ}-2\mathrm{t\δ}){\sin }^4\mathrm{\θ}+4t(2\mathrm{\δ}-\mathrm{\ϵ}){\sin }^2\mathrm{\θ}+t^2)}^{\frac{1}{2}}=2D\left(\mathrm{\θ}\right)+t$ $t=1-{\mathrm{\β}}_0^2/{\mathrm{\α}}_0^2.$ φ_g为群角，单位(°)；v_a为相速度，单位(°)；θ为相角，单位(°)；α₀为垂直层理面方向的纵波速度，单位(km/s)；β₀为垂直层理面方向的横波速度，单位(km/s)。

然后计算出相速度，

$\frac{v_{\mathrm{Pa}}^2\left(\mathrm{\θ}\right)}{{\mathrm{\α}}_0^2}=1+\mathrm{\ϵ}{\sin }^2\mathrm{\θ}+D\left(\mathrm{\θ}\right)$ (式6)

其中 $D\left(\mathrm{\θ}\right)=\frac{1}{2}\sqrt{4({\mathrm{\ϵ}}^2+2\mathrm{t\ϵ}-2\mathrm{t\δ}){\sin }^4\mathrm{\θ}+4t(2\mathrm{\δ}-\mathrm{\ϵ}){\sin }^2\mathrm{\θ}+t^2}-\frac{1}{2}t,$ v_Pa为纵波相速度，单位(km/s)；α₀为垂直层理面方向的纵波速度，单位(km/s)；θ为相角，单位(°)。

计算出群速度：

$v_{\mathrm{Pg}}\left({\mathrm{\φ}}_g\left(\mathrm{\θ}\right)\right)=\frac{1}{v_{\mathrm{Pa}\left(\mathrm{\θ}\right)R\left(\mathrm{\θ}\right)}}{\{v_{\mathrm{Pa}}^4\left(\mathrm{\θ}\right)R^2\left(\mathrm{\θ}\right)+{\mathrm{\α}}_0^4{\sin }^2\mathrm{\θ}{\cos }^2\mathrm{\θ}{[2M_1{\sin }^2\mathrm{\θ}+M_3\left(\mathrm{\θ}\right)]}^2\}}^{\frac{1}{2}}$ (式7)

v_Pg为纵波群速度，单位(km/s)；v_Pa为纵波相速度，单位(km/s)；θ为相角，单位(°)；α₀为垂直层理面方向的纵波速度，单位(km/s)。

最后把计算出的群速度和测井资料的波速进行比较，如果两者吻合，则该v_p，0即为所求。如果两者相差较大，则改变v_P，0重复以上步骤直到两者相吻合为止。

求出垂直层理面方向的波速后，即可得到该方向的声波时差

(式8)

为垂直层理面方向声波时差，单位(us/m)；v_P，0为垂直层理面方向纵波速度，单位(km/s)。

步骤7，根据所确定的的页岩地层不同钻进方向的可钻性级值与垂直层理面方向的声波时差、钻进角度的关系模型及反演计算得到的页岩垂直层理面方向的声波时差，确定所述现场页岩的不同钻进方向的可钻性级值。具体方法如下：

将步骤6中得到的现场页岩垂直层理面方向的声波时差带入式3即可得到页岩地层各个钻进方向的可钻性级值。

Claims (8)

1.一种预测页岩地层不同钻进方向下的岩石可钻性级值的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，测定页岩样品在不同钻进方向的可钻性级值；

步骤2，测定对应钻进方向下页岩样品的声波时差；

步骤3，建立页岩样品不同钻进方向的可钻性级值与对应方向声波时差、钻进角度的关系模型；

步骤4，建立页岩样品不同钻进方向的声波时差与垂直层理面方向声波时差、钻进角度之间的关系模型；

步骤5，建立页岩样品不同钻进方向的可钻性级值与垂直层理面方向的声波时差、钻进角度的关系模型；

步骤6，取得现场页岩的测井资料，反演计算得到页岩垂直层理面方向的声波时差；

步骤7，根据所确定的页岩地层不同钻进方向的可钻性级值与垂直层理面方向的声波时差、钻进角度的关系模型及反演计算得到的页岩垂直层理面方向的声波时差，确定所述现场页岩的不同钻进方向的可钻性级值。

2.根据权利要求1所述的预测页岩地层不同钻进方向下的岩石可钻性级值的方法，其特征在于，步骤1的具体方法如下：

1)利用取心机从整块页岩样品上取出直径为76.2mm、长度为50mm不同层理方向的岩心，使用车床把岩心的两个端面车平，试样两端面的平行度公差值不超过0.2mm，把岩心放入烤箱以100℃温度烘烤24h；

2)将处理后的不同层理方向岩心依次放入岩石可钻性测量系统，分别测量不同层理方向岩心的可钻性级值。

3.根据权利要求2所述的预测页岩地层不同钻进方向下的岩石可钻性级值的方法，其特征在于，步骤2的具体方法如下：

1)、利用取心机从上述页岩岩心取出直径为25mm、长度为50mm的岩心，各岩心的层理方向与步骤1中各岩心的层理方向相对应，使用车床把岩心的两个断面车平，再把岩心放入烤箱以100℃温度烘烤24h；

2)、将处理后的不同层理方向岩心依次放入声波测量系统，分别测量不同层理方向岩心的声波时差。

4.根据权利要求3所述的预测页岩地层不同钻进方向下的岩石可钻性级值的方法，其特征在于，步骤3的具体方法如下：对页岩样品不同钻进方向的可钻性级值与对应钻进方向的声波时差、钻进角度进行非线性回归分析，建立数学模型。

5.根据权利要求4所述的预测页岩地层不同钻进方向下的岩石可钻性级值的方法，其特征在于，步骤4的具体方法如下：对页岩样品不同层理方向的声波时差与垂直层理方向的声波时差、钻进角度进行非线性回归分析，建立数学模型。

6.根据权利要求5所述的预测页岩地层不同钻进方向下的岩石可钻性级值的方法，其特征在于，步骤5的具体方法如下：将步骤4所得数学模型带入步骤3所得数学模型中得到页岩样品不同钻进方向的可钻性级值与垂直层理面方向的声波时差、钻进角度的关系模型。

7.根据权利要求6所述的预测页岩地层不同钻进方向下的岩石可钻性级值的方法，其特征在于，利用测井资料求取垂直层理面方向声波时差方法如下，

确定某一井段的岩石各向异性参数ε和δ之后，其中 $\mathrm{\δ}=\frac{1}{2C_{33}^2}\[2{(C_{13}+C_{44})}^2-(C_{33}-C_{44})(C_{11}+C_{33}-2C_{44})\],$ 式中，C_ij的含义遵照虎克定律；

首先根据地层产状数据和井眼轨迹数据计算出群角φ_g；

其次给定一初始垂直层理面方向纵波群速度v_P，0，

$v_{SV,0}=\frac{v_{P,0}-1.36}{1.16}$

v_p，0为垂直层理面方向纵波群速度，单位(km/s)；v_SV，0为垂直层理面方向横波群速度，单位(km/s)；

计算出横波相速度，确定纵横波相速度比；

再次计算出相角：

$tan\mathrm{\θ}=\frac{\{2\[M_3\left(\mathrm{\θ}\right)-M_2\left(\mathrm{\θ}\right)\]{\sin }^2\mathrm{\θ}-M_4\left(\mathrm{\θ}\right)\}{\mathrm{tan\φ}}_g}{2\[M_3\left(\mathrm{\θ}\right)-M_2\left(\mathrm{\θ}\right)-2M_1\]{\sin }^2\mathrm{\θ}-M_4\left(\mathrm{\θ}\right)-2M_3\left(\mathrm{\θ}\right)}$

其中，M₁＝ε²-2tδ+2tε；M₂(θ)＝4tδ+εR(θ)-2tε；M₃(θ)＝2tδ+εR(θ)-tε；M₄(θ)＝t²-tR(θ)+2R(θ)； $R\left(\mathrm{\θ}\right)={\left(4\right({\mathrm{\ϵ}}^2+2t\mathrm{\ϵ}-2t\mathrm{\δ}){\sin }^4\mathrm{\θ}+4t(2\mathrm{\δ}-\mathrm{\ϵ}){\sin }^2\mathrm{\θ}+t^2)}^{\frac{1}{2}}=2D\left(\mathrm{\θ}\right)+t$ φ_g为群角，单位(°)；θ为相角，单位(°)；α₀为垂直层理面方向的纵波速度，单位(km/s)；β₀为垂直层理面方向的横波相速度，单位(km/s)；

然后计算出相速度，

$\frac{v_{Pa}^2\left(\mathrm{\θ}\right)}{{\mathrm{\α}}_0^2}=1+{\mathrm{\ϵsin}}^2\mathrm{\θ}+D\left(\mathrm{\θ}\right)$

其中 $D\left(\mathrm{\θ}\right)=\frac{1}{2}\sqrt{4({\mathrm{\ϵ}}^2+2t\mathrm{\ϵ}-2t\mathrm{\δ}){\sin }^4\mathrm{\θ}+4t\left(2\mathrm{\δ}-\mathrm{\ϵ}\right){\sin }^2\mathrm{\θ}+t^2}-\frac{1}{2}t,$ v_Pa为纵波相速度，单位(km/s)；α₀为垂直层理面方向的纵波速度，单位(km/s)；θ为相角，单位(°)；

计算出群速度：

$v_{Pg}\left({\mathrm{\φ}}_g\right(\mathrm{\θ}\left)\right)=\frac{1}{v_{Pa}\left(\mathrm{\θ}\right)R\left(\mathrm{\θ}\right)}{\{v_{Pa}^4\left(\mathrm{\θ}\right)R^2\left(\mathrm{\θ}\right)+{\mathrm{\α}}_0^4{\sin }^2{\mathrm{\θcos}}^2\mathrm{\θ}{\[2M_1{\sin }^2\mathrm{\θ}+M_3\left(\mathrm{\θ}\right)\]}^2\}}^{\frac{1}{2}}$

v_Pg为纵波群速度，单位(km/s)；v_Pa为纵波相速度，单位(km/s)；θ为相角，单位(°)；α₀为垂直层理面方向的纵波速度，单位(km/s)；

最后把计算出的群速度和测井资料的波速进行比较，如果两者吻合，则该v_p，0即为所求；如果两者相差较大，则改变v_P，0重复以上步骤直到两者相吻合为止；

求出垂直层理面方向的纵波群速度后，即可得到该方向的声波时差

8.根据权利要求7所述的预测页岩地层不同钻进方向下的岩石可钻性级值的方法，其特征在于，步骤7的具体方法如下：将步骤6中得到的垂直层理面方向的声波时差带入步骤4所得的数学模型即可得到页岩地层各个钻进方向的可钻性级值。