CN116223213B - 一种基于声波响应的地层应力敏感性评价方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于声波响应的地层应力敏感性评价方法。包括步骤1.地层有效围压及实验测试围压点的计算确定；步骤2.代表性岩心测试样品制备及声波测试频率选择；步骤3.岩心试样在不同围压下的声波波速测试；步骤4.利用声波波速计算岩心试样在不同围压下的应力敏感性系数。本发明不仅适用于高孔高渗地层、中孔中渗地层，也可以对低孔低渗，特低孔特低渗等地层的应力敏感性进行便捷评价，克服了低孔低渗、特低孔特低渗地层由于高围压条件下渗透率耗时长、难度大、误差大，甚至无法准确测得，导致的敏感性无法准确合理评价的难题。本发明对深层油气尤其是页岩油气等特低渗、非常规油气资源的安全钻井、长期高效开发具有重要意义。
Description
技术领域
本发明属于石油地质、油气井工程、油气田开发工程、石油与天然气开采等领域，尤其涉及一种基于声波响应的地层应力敏感性评价方法。
背景技术
储层的应力敏感性评价是确定油气井合理生产压差、指定油气开采实施方案的重要依据，对保障油气藏的长期安全高效开发、提高油气藏采收率具有重要意义。目前，主要通过利用稳态法或脉冲衰减法直接测试岩心在不同围压或不同流压下的渗透率，分析渗透率随围压或流压的变化，实现储层应力敏感性的评价；但对于低渗、特低渗储层，由于储层岩心渗透性差，通常面临渗透率测试耗时长，误差大、结果受测试流体介质影响大，并且围压条件下甚至无法测得渗透率等系列问题，导致无法实现地层应力敏感性的科学有效评价。
发明内容
针对储层应力敏感性评价现有技术的不足，本发明基于声波对地层围压、孔隙结构具有显著影响的基本原理，提供一种基于声波响应的地层应力敏感性评价方法。本发明方法通过计算地层有效围压，选取声波频率，不同围压下的声波测试，利用声波波速计算岩心的应力敏感性系数，地层应力敏感性系数确定，利用声波对围压的响应实现了应力敏感性的科学有效评价。
本发明采用如下技术方案：
一种基于声波响应的地层应力敏感性评价方法，包括以下步骤：
步骤1.地层有效围压及实验测试围压点的计算确定
(1)确定有效围压
根据储层的初始压力系数，以及上覆地层岩石的平均密度，计算有效地层围压Pec，
式中：DEPTH为所评价地层的中部深部；Den为上覆地层的平均密度，Pp为所评价地层的地层压力系数；ddep为地层深度。
(2)确定最小测试围压、最大测试围压
其中，最小测试围压Pmin不大于3.0MPa；最大测试围压Pmax由式(2)计算得到；
Pmax＝Pec·A (2)
其中，A为最大测试围压计算系数。系数A取值根据油气开采作业所需的最大有效围压确定；在无法依据油气开采工程确定时，可取值：
(3)确定测试围压点PT。
由式(3)确定M+1个测试围压点PT：
PT＝{P0，P1，…，Pi，…PM} (3)
其中，P0＝Pmin，PM＝Pmax，M≥3
步骤2.代表性岩心测试样品制备及声波测试频率选择
(1)钻取具有代表性的测试试样
从所评价储层的井下全直径取心中钻取N个岩性相同但孔隙度具有明显差异的标准柱塞岩心试样S1、S2、...Si...SN作为地层应力敏感性评价的代表性岩心样品，其中所钻取的柱塞试样数量N≥5，同时柱塞岩心试样的端面打磨平整且两端相平行；
(2)用于地层应力敏感性评价声波频率选取
分别对N个标准柱塞岩心试样S1、S2、…、Si、…、SN施加围压P0、并通过对试样进行初步声波测试选取声波频率，入射声波频率的选取如下：测试频率大于50KHz，且利用所选择的频率声波对各个试样进行测试均可获取完整清晰的波形。
(3)测试围压P0条件下试样的声波波速
分别对N个标准柱塞岩心试样S1、S2、...Si...SN施加围压P0、并进行声波波速测试，获取N个试样在围压P0下的声波波速SV10、SV20、…、SVi0、…、SVN0；
步骤3.岩心试样在不同围压下的声波波速测试
地层应力敏感性评价需分别对岩心试样开展加载路径条件下与卸载路径条件下的声波测试，具体如下：
(1)测试加载条件下试样的声波波速。
对标准柱塞岩心试样依次施加围压P1，…，Pi，…，PM。施加围压稳定后，保持时间不少于5min，然后测试试样在各个围压条件下的声波波速分别对N个标准柱塞岩心试样分别进行声波波速测试，得到N个试样在加载条件、M+1个测试围压下的声波波速SV+。
其中，为加载条件、试样i在围压Pj下的声波波速。
(2)测试卸载条件下试样的声波波速
围压施加至PM后，依次卸除围压至PM-1，…，Pi，…P1，P0。围压稳定后，保持时间不少于5min，然后测试试样在各个围压条件下的声波波速分别对N个标准柱塞岩心试样分别进行声波波速测试，得到N个标准柱塞岩心试样分别进行声波波速测试，得到N个试样在加载条件、M+1个测试围压下的声波波速SV-。
其中，为卸载条件、试样i在围压Pj下的声波波速。
步骤4.利用声波波速计算岩心试样在不同围压下的应力敏感性系数
地层应力敏感性评价分别计算岩心试样在加载路径不同围压下的应力敏感性系数与在卸载路径不同围压下的应力敏感性系数，具体如下：
(1)加载条件下，试样在各个围压下的应力敏感系数计算
对于加载过程的应力敏感系数，由式(6)计算，对N个标准柱塞岩心试样在M个围压点的应力敏感系数进行分别计算，得到N个试样在加载条件、M个不同围压下的应力敏感系数矩阵Ss+，如式(7)所示。
为加载条件、试样i在围压Pj下的应力敏感性系数；其数值越大，则表明试样i所代表的地层在加载围压Pj下的应力敏感性越强。
(2)卸载条件下，试样在各个围压下的应力敏感系数计算。
对于卸载过程的应力敏感系数，由式(8)计算。对N个标准柱塞岩心试样在M个围压点的应力敏感系数进行分别计算，得到N个试样在卸载条件、M个不同围压下的应力敏感系数Ss-，如式(9)所示：
为卸载条件、试样i在围压Pj下的应力敏感性系数；其数值越大，则表明试样i所代表的地层在卸载围压Pj下的应力敏感性越强。
步骤5.不同围压下地层应力敏感性的综合评价
(1)加载条件下，围压Pj时，分别由式(10)计算地层的平均应力敏感性系数由式(11)计算地层的最小应力敏感性系数/>由式(12)计算地层的最大应力敏感性系数/>
(2)卸载条件下，围压Pj时，分别由式(13)计算地层的平均应力敏感性系数由式(14)计算地层的最小应力敏感性系数/>由式(15)计算地层的最大应力敏感性系数/>
本发明的有益效果：
本发明基于声波对地层围压、孔隙结构具有显著响应的基本原理，提供本发明方法，通过计算地层有效围压，选取声波频率，测试不同围压下试样的声波波速、分析声波波速随围压的变化，基于波速建立并计算地层应力敏感性系数，实现了地层应力敏感性的科学有效评价。
本发明不仅适用于高孔高渗地层、中孔中渗地层，也可以对低孔低渗、特低孔特低渗等地层的应力敏感性进行便捷评价，克服了低孔低渗、特低孔特低渗地层由于高围压条件下渗透率耗时长、难度大、误差大，甚至无法准确测得，导致的敏感性无法准确合理评价的难题。
本发明对深层油气尤其是页岩油气等特低渗、非常规油气资源的安全钻井、长期高效开发具有重要意义。
附图说明
图1为加载、卸载各个围压下试样1的声波波速；
图2为加载、卸载各个围压下试样3的声波波速；
图3为加载、卸载各个围压下试样5的声波波速；
图4为加载条件下各岩心试样在各个围压下的应力敏感性系数；
图5为卸载条件下各岩心试样在各个围压下的应力敏感性系数；
图6为加载条件下地层的应力敏感性系数；
图7为卸载条件下地层的应力敏感性系数；
图8为本发明的步骤流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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作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。
如图8所示，本发明的一种基于声波响应的地层应力敏感性评价方法，包括以下步骤：
步骤1.地层有效围压及实验测试围压点的计算确定
(1)确定有效围压
根据储层的初始压力系数，以及上覆地层岩石的平均密度，计算有效地层围压Pec，
式中：DEPTH为所评价地层的中部深部；Den为上覆地层的平均密度，Pp为所评价地层的地层压力系数；ddep为地层深度。
(2)确定最小测试围压、最大测试围压
其中，最小测试围压Pmin不大于3.0MPa；最大测试围压Pmax由式(2)计算得到；
Pmax＝Pec·A (2)
其中，A为最大测试围压计算系数。系数取值根据油气开采作业所需的最大有效围压确定；在无法依据油气开采工程确定时，可取值：
(3)确定测试围压点PT。
由式(3)确定M+1个测试围压点PT：
PT＝{P0，Pl，…，Pi，…PM} (3)
其中，P0＝Pmin，PM＝Pmax，M≥3
步骤2.代表性岩心测试样品制备及声波测试频率选择
(1)钻取具有代表性的测试试样
从所评价储层的井下全直径取心中钻取N个岩性相同但孔隙度具有明显差异的标准柱塞岩心试样S1、S2、...Si...SN作为地层应力敏感性评价的代表性岩心样品，其中所钻取的柱塞试样数量N≥5，同时柱塞岩心试样的端面打磨平整且两端相平行；
(2)声波频率选取
分别对N个标准柱塞岩心试样S1、S2、…、Si、…、SN施加围压P0、并通过对试样进行初步声波测试选取声波频率，入射声波频率的选取依据为：大于50KHz，且对各个试样进行测试均可获取完整清晰的波形。
(3)测试围压P0条件下试样的声波波速
分别对N个标准柱塞岩心试样S1、S2、...Si...SN施加围压P0、并进行声波波速测试，获取N各试样在围压P0下的声波波速SV10、SV20、…、SVi0、SVN0。
步骤3.岩心试样在不同围压下的声波波速测试
(1)测试加载条件下试样的声波波速。
对标准柱塞岩心试样依次施加围压P1，…，Pi，…，PM。施加围压稳定后，保持时间不少于5min，然后测试试样在各个围压条件下的声波波速分别对N个标准柱塞岩心试样分别进行声波波速测试，得到N个试样在加载条件、M+1个测试围压下的声波波速SV+。
其中，为加载条件、试样i在围压Pj下的声波波速。
(2)测试卸载条件下试样的声波波速
围压施加至PM后，依次卸除围压至PM-1，…，Pi，…P1，P0。围压稳定后，保持时间不少于5min，然后测试试样在各个围压条件下的声波波速分别对N个标准柱塞岩心试样分别进行声波波速测试，得到N个标准柱塞岩心试样分别进行声波波速测试，得到N个试样在加载条件、M+1个测试围压下的声波波速SV-。
其中，为卸载条件、试样i在围压Pj下的声波波速。
步骤4.利用声波波速计算岩心试样在不同围压下的应力敏感性系数
(1)加载条件下，试样在各个围压下的应力敏感系数计算
对于加载过程的应力敏感系数，由式(6)计算，对N个试样在加载条件、M个不同围压下的应力敏感系数矩阵Ss+，如式(7)所示。
为加载条件、试样i在围压Pj下的应力敏感性系数；其数值越大，则表明试样i所代表的地层在加载围压Pj下的应力敏感性越强。
(2)卸载条件下，试样在各个围压下的应力敏感系数计算。
对于卸载过程的应力敏感系数，由式(8)计算。对N个标准柱塞岩心试样在M个围压点的应力敏感系数进行分别计算，得到N个试样在卸载条件、M个不同围压下的应力敏感系数Ss-，如式(9)所示：
为卸载条件、试样i在围压Pj下的应力敏感性系数；其数值越大，则表明试样i所代表的地层在卸载围压Pj下的应力敏感性越强。
步骤5.不同围压下地层应力敏感性的综合评价
(1)加载条件下，围压Pj时，分别由式(10)计算地层的平均应力敏感性系数由式(11)计算地层的最小应力敏感性系数/>由式(12)计算地层的最大应力敏感性系数/>
(2)卸载条件下，围压Pj时，分别由式(13)计算地层的平均应力敏感性系数由式(14)计算地层的最小应力敏感性系数/>由式(15)计算地层的最大应力敏感性系数/>
实施例
当所评价地层中部埋深4000m，平均地层密度2.3g/cm3，地层压力系数1.3，计算得到有效地层围压为40MPa。所评价地层最大围压取值为60MPa。确定所评价地层的测试围压点共12个，其中M＝11，测试围压点如下：
PT＝{P0，P1，…，pi，…，PM}＝{5，10，15，20，25，30，35，40，45，50，55，60}；
确定所评价地层共钻取试样6个，即N＝6。利用上述方法确定所评价地层的声波测试频率为250KHz。利用上述方法测得所评价地层共6个试样在围压P0＝5MPa的声波速度分别为：3080.62m/s、3298.12m/s、3240.58m/s、3118.70m/s、2829.20m/s、3085.26m/s。利用上述方法测得所评价地层共6个试样在各个围压下的声波速度，如图1、图2、图3分别为加载/卸载各个围压下试样1的声波波速、加载/卸载各个围压下试样3的声波波速、加载/卸载各个围压下试样5的声波波速。利用上述方法计算得到加载条件下各岩心试样在各个围压下的应力敏感性系数如图4所示；计算得到卸载条件下各岩心试样在各个围压下的应力敏感性系数如图5所示。利用上述方法计算得到加载条件下地层的平均应力敏感性系数最小应力敏感性系数/>最大应力敏感性系数/>如图6所示。计算得到卸载条件下地层的平均应力敏感性系数/>最小应力敏感性系数最大应力敏感性系数/>如图7所示,可看出地层代表试样在不同围压下各个应力敏感性系数都具有显著差异，表明了本发明方法用于评价地层应力敏感性的可靠性。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (2)
1.一种基于声波响应的地层应力敏感性评价方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1.地层有效围压及实验测试围压点的计算确定
(1)确定有效围压
根据储层的初始压力系数，以及上覆地层岩石的平均密度，计算有效地层围压Pec，
式中：DEPTH为所评价地层的中部深部；Den为上覆地层的平均密度，Pp为所评价地层的地层压力系数；ddep为地层深度；
(2)确定最小测试围压、最大测试围压
其中，最小测试围压Pmin不大于3.0MPa；最大测试围压Pmax由式(2)计算得到；
Pmax＝Pec·A (2)
式中：A为最大测试围压计算系数；
(3)确定测试围压点PT
由式(3)确定M+1个测试围压点PT：
PT＝{P0，P1，…，Pi，…PM} (3)
其中，P0＝Pmin，PM＝Pmax，M≥3；
步骤2.代表性岩心测试样品制备及声波测试频率选择
(1)钻取具有代表性的测试试样
从所评价储层的井下全直径取心中钻取N个岩性相同但孔隙度具有明显差异的标准柱塞岩心试样S1、S2、...Si...SN作为地层应力敏感性评价的代表性岩心样品，其中所钻取的柱塞试样数量N≥5，同时柱塞岩心试样的端面打磨平整且两端相平行；
(2)用于地层应力敏感性评价的声波频率选取
分别对N个标准柱塞岩心试样S1、S2、…、Si、…、SN施加围压P0、并通过对试样进行初步声波测试选取声波频率，入射声波频率的选取如下：大于50KHz，且利用所选择的频率声波对各个试样进行测试均能获取完整清晰的波形；
(3)测试围压P0条件下试样的声波波速
分别对N个标准柱塞岩心试样S1、S2、...Si...SN施加围压P0、并进行声波波速测试，获取N个试样在围压P0下的声波波速SV10、SV20、…、SVi0、…、SVN0；
步骤3.岩心试样在不同围压下的声波波速测试
地层应力敏感性评价需分别对岩心试样开展加载路径条件下与卸载路径条件下的声波测试，具体如下：
(1)测试加载条件下试样的声波波速
对标准柱塞岩心试样依次施加围压P1，…，Pi，…，PM，施加围压稳定后，保持时间不少于5min，然后测试试样在各个围压条件下的声波波速分别对N个标准柱塞岩心试样分别进行声波波速测试，得到N个试样在加载条件、M+1个测试围压下的声波波速SV+；
其中，为加载条件下、试样i在围压Pj下的声波波速；
(2)测试卸载条件下试样的声波波速
围压施加至PM后，依次卸除围压至PM-1，…，Pi，…P1，P0，围压稳定后，保持时间不少于5min，然后测试试样在各个围压条件下的声波波速分别对N个标准柱塞岩心试样分别进行声波波速测试，得到N个标准柱塞岩心试样分别进行声波波速测试，得到N个试样在加载条件、M+1个测试围压下的声波波速SV-：
其中，为卸载条件下、试样i在围压Pj下的声波波速；
步骤4.利用声波波速计算岩心试样在不同围压下的应力敏感性系数
地层应力敏感性评价分别计算岩心试样在加载路径不同围压下的应力敏感性系数与在卸载路径不同围压下的应力敏感性系数，具体如下：
(1)加载条件下，试样在各个围压下的应力敏感系数计算
对于加载过程的应力敏感系数，由式(6)计算，对N个标准柱塞岩心试样在M个围压点的应力敏感系数进行分别计算，得到N个试样在加载条件、M个不同围压下的应力敏感系数矩阵Ss+，如式(7)：
为加载条件下、试样i在围压Pj下的应力敏感性系数；其数值越大，则表明试样i所代表的地层在加载围压Pj下的应力敏感性越强：
(2)卸载条件下，试样在各个围压下的应力敏感系数计算
对于卸载过程的应力敏感系数，由式(8)计算，对N个标准柱塞岩心试样在M个围压点的应力敏感系数进行分别计算，得到N个试样在卸载条件、M个不同围压下的应力敏感系数Ss-，如式(9)：
为卸载条件下、试样i在围压Pj下的应力敏感性系数；其数值越大，则表明试样i所代表的地层在卸载围压Pj下的应力敏感性越强；
步骤5.不同围压下地层应力敏感性的综合评价
(1)加载条件下，围压Pj时，分别由式(10)计算地层的平均应力敏感性系数由式(12)计算地层的最小应力敏感性系数/>由式(11)计算地层的最大应力敏感性系数/>
(2)卸载条件下，围压Pj时，分别由式(13)计算地层的平均应力敏感性系数由式(15)计算地层的最小应力敏感性系数/>由式(14)计算地层的最大应力敏感性系数/>
2.根据权利要求1所述的基于声波响应的地层应力敏感性评价方法，其特征在于，步骤1，(2)中的最大测试围压计算系数取值根据油气开采作业所需的最大有效围压确定；在无法依据油气开采工程确定时，取值：
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