一种获取深层碳酸盐岩岩石力学参数的方法及系统
阅读说明：本技术 一种获取深层碳酸盐岩岩石力学参数的方法及系统 (Method and system for acquiring deep carbonate rock mechanical parameters ) 是由 张元春 王志战 刘江涛 廖东良 于 2020-06-09 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种获取深层碳酸盐岩岩石力学参数的方法及系统,属于石油工程技术领域。该方法包括：(1)对元素录井的深度进行校正；(2)利用元素录井的元素含量获得矿物组分及其百分含量；(3)利用矿物组分及其百分含量获得重构的密度、纵波时差、横波时差；(4)利用重构的密度、纵波时差、横波时差获得岩石力学参数。本发明方法原理清晰,过程可追溯性强,误差范围合理。利用本发明实现了随钻过程中低成本快速评价岩石力学参数,不仅能够为深层碳酸盐岩钻井工程提供可靠的参考,还可适用于其他岩性段,包括页岩、致密砂岩,应用领域及应用前景广阔。(The invention provides a method and a system for acquiring deep carbonate rock mechanical parameters, and belongs to the technical field of petroleum engineering. The method comprises the following steps: (1) correcting the depth of the element logging; (2) obtaining mineral components and percentage contents thereof by utilizing element contents of element logging; (3) obtaining reconstructed density, longitudinal wave time difference and transverse wave time difference by utilizing mineral components and percentage content thereof; (4) and obtaining rock mechanical parameters by using the reconstructed density, longitudinal wave time difference and transverse wave time difference. The method has clear principle, strong process traceability and reasonable error range. The invention realizes the low-cost rapid evaluation of rock mechanical parameters in the process of drilling, can provide reliable reference for deep carbonate drilling engineering, can be applied to other lithological segments including shale and tight sandstone, and has wide application field and application prospect.)
技术领域
本发明属于石油工程技术领域，具体涉及一种获取深层碳酸盐岩岩石力学参数的方法及系统。
背景技术
深层碳酸盐岩广泛存在于四川盆地和塔里木盆地中，油气埋深超过3500米，岩性复杂，岩石研磨性高，可钻性差。钻井工程师迫切需要实时岩石力学参数来指导施工。
目前获取实时岩石力学参数最常用的方法就是利用随钻声波测井，实时测量纵波、横波时差，计算岩石力学参数，但费用高昂，且受井眼扩径影响严重，普及性较差。
地质录井是获取随钻信息的重要手段，尤其元素录井近年来进步迅速，国外公司用该技术评价地质参数和岩石力学参数。这为钻井工程提供实时岩石力学参数提供了新机遇。国内元素录井技术引入较晚，初始目的是为了解决PDC钻头及空气钻条件下的粉末状岩屑的岩性识别问题，目前采集的元素种类30余种，应用上较为薄弱，只是在岩性识别、地层对比与划分、地质导向、界面/层位卡取、沉积环境识别等前期应用的基础上，增加了一个脆性评价，岩石力学参数还处于探索阶段，存在技术壁垒。
现有文献中，中国专利公开文献201710791386.6公开了基于XRF元素录井随钻中获取页岩TOC参数的方法，其主要是基于元素录井与测井、实验数据之间的相关性，通过多元回归的方法求取TOC参数，但是其没有考虑岩石物理模型；中国专利公开文献201711076066.9公开了一种表征深层碳酸盐岩岩石物理学特征方法，其完全基于岩心实验表征深层碳酸盐岩孔隙度、渗透率等岩石物理特征，未涉及岩石力学参数表征。
发明内容
本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的难题，提供一种获取深层碳酸盐岩岩石力学参数的方法及系统，解决深层碳酸盐岩钻井工程师对岩石力学参数的迫切需求，在元素录井资料识别矿物基础上建立一套可靠的获取岩石力学参数方法，为未进行随钻声波测井数据的深层碳酸盐岩钻井提供低成本、快速评价岩石力学参数的途径。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明的第一个方面，提供了一种获取深层碳酸盐岩岩石力学参数的方法，所述方法包括：
(1)对元素录井的深度进行校正；
(2)利用元素录井的元素含量获得矿物组分及其百分含量；
(3)利用矿物组分及其百分含量获得重构的密度、纵波时差、横波时差；
(4)利用重构的密度、纵波时差、横波时差获得岩石力学参数。
本发明的进一步改进在于，所述步骤(1)是通过将元素录井数据与伽马能谱测井数据进行比对实现对元素录井的深度的校正。
优选的，所述步骤(1)的操作包括：
找到伽马能谱测井中的钾含量高的深度段；
对比该深度段内的元素录井得到的钾含量包络线和伽马能谱测井得到的钾含量曲线得到校正量；
利用该校正量对元素录井的深度进行校正。
本发明的进一步改进在于，所述步骤(3)是基于岩石物理模型，利用步骤(2)计算得到的百分含量及密度、纵波时差、横波时差的理论值进行正演获得重构的密度、纵波时差、横波时差。
优选的，所述步骤(3)的操作包括：
分别利用步骤(2)得到的各组分的百分含量与各组分对应的理论值相乘再求和得到重构的密度、纵波时差、横波时差。
所述步骤(4)的操作包括：
利用下式计算获得岩石力学参数：
其中，YMOD是杨氏模量，POIS是泊松比，ρb为重构的密度，Δtp、Δts分别为重构的纵波时差、横波时差。
本发明的进一步改进在于，在步骤(3)和步骤(4)之间还包括：
将重构的密度、纵波、横波时差与测井测量的结果进行比较获得三种参数的误差；
判断三种参数的误差中是否至少有一个大于30％，如果是，则返回步骤(3)，如果否，则进入步骤(4)。
优选的，对误差进行以下分级：
误差在0-10％，分级为I级；
误差在10-20％，分级为II级；
误差在20-30％，分级为III级：，
误差>30％，分级为VI级。
本发明的第二个方面，提供了一种获取深层碳酸盐岩岩石力学参数的系统，所述系统包括：
深度校正单元，被配置为对元素录井的深度进行校正；
百分含量获取单元，与所述深度校正单元连接，被配置为利用元素录井的元素含量获得矿物组分及其百分含量；
重构单元，与所述百分含量获取单元连接，被配置为利用矿物组分及其百分含量获得重构的密度、纵波时差、横波时差；
力学参数获取单元，与所述重构单元连接，被配置为利用重构的密度、纵波时差、横波时差获得岩石力学参数。
优选的，所述深度校正单元通过将元素录井数据与伽马能谱测井数据进行比对实现对元素录井的深度的校正。
优选的，所述重构单元是基于岩石物理模型，利用百分含量获取单元获得的百分含量及密度、纵波时差、横波时差的理论值进行正演获得重构的密度、纵波时差、横波时差值。
所述力学参数获取单元利用下式计算获得岩石力学参数：
其中，YMOD是杨氏模量，POIS是泊松比，ρb为重构的密度，Δtp、Δts分别为重构的纵波时差、横波时差。
所述系统进一步包括判断单元，分别与所述重构单元、力学参数获取单元连接，被配置为将重构的密度、纵波时差、横波时差与测井测量的结果进行比较获得三种参数的误差，并判断三种参数的误差中是否至少有一个大于30％，如果是，则启动重构单元，如果否，则启动力学参数获取单元。
所述系统进一步包括分级单元，与所述判断单元连接，被配置为对判断单元得到的误差进行以下分级：
误差在0-10％，分级为I级；
误差在10-20％，分级为II级；
误差在20-30％，分级为III级；
误差>30％，分级为VI级。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明方法原理清晰，过程可追溯性强，误差范围合理。利用本发明实现了随钻过程中低成本快速评价岩石力学参数，不仅能够为深层碳酸盐岩钻井工程提供可靠的参考，还可适用于其他岩性段，包括页岩、致密砂岩，应用领域及应用前景广阔。
附图说明
图1本发明方法的步骤框图；
图2-1本发明方法的步骤(1)中的校正前的曲线图；
图2-2本发明方法的步骤(1)中的校正后的曲线图；
图2-3本发明方法的步骤(1)中的确定校正深度点的校正量的示意图；
图3实施例中的XH1井灰岩段对比利用测井和元素录井评价岩石力学结果；
图4实施例中的XH1井白云岩段对比利用测井和元素录井评价岩石力学结果。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述：
本发明方法充分融合测录井资料，以元素录井识别矿物为基础，基于元素录井资料计算主要矿物组分及其矿物含量，基于测井经典岩石物理模型、每种矿物的密度、纵波、横波时差特征响应值，正演重构密度、纵横波时差，最终获得钻井工程急需的岩石力学基础参数杨氏模量、泊松比。
如图1所示，本发明方法包括以下步骤：
(1)深度校正：通过将元素录井数据与伽马能谱测井数据进行比对，对元素录井的深度进行校正。
现有技术中的伽马能谱测井(又被称为自然能谱测井、自然伽马能谱测井)是通过伽马能谱测井仪利用电缆下放到裸眼井中测量得到的，其深度是由电缆深度确定的，即伸入到井中的电缆的长度就是实际深度。而现有技术中的元素录井是通过地面元素分析仪对钻井岩屑测量得到的，其深度是根据岩屑上返的时间和速度计算得到的，该深度是有误差的，因此需要以伽马能谱测井的深度为准，校正元素录井的深度。
校正时以伽马能谱测井的深度为基准，选泥质含量较高的井段，即伽马能谱测井中钾(K)含量明显高于其他深度段(泥质含量高的特征就是K含量高，钾元素即特征元素)。对比该深度段内的元素录井得到的钾含量包络线和伽马能谱测井得到的K含量曲线得到校正量，即在伽马能谱测井中找到k含量高的深度段，然后在元素录井中也找到该深度段，将同一深度段内的两条线进行对比。具体的，将元素录井得到的钾含量包络线在伽马能谱测井得到的K含量曲线上进行移动，当元素录井得到的钾含量包络线与伽马能谱测井得到的K含量曲线的变换趋势相似时，找到元素录井得到的钾含量包络线上与伽马能谱测井得到的K含量曲线深度不同的点作为突变点，将突变点在两条曲线上的深度的差值作为校正量，利用该校正量对元素录井的深度进行加减(以伽马能谱测井得到的K含量曲线为基准，如果元素录井得到的钾含量包络线上的突变点的深度大于伽马能谱测井得到的K含量曲线上对应该点的深度，则将元素录井得到的钾含量包络线上的突变点的深度减去两者的差值，即将元素录井得到的钾含量包络线上的突变点的深度减小，反之则将元素录井得到的钾含量包络线上的突变点的深度增大)，使得元素录井计算的岩石力学参数能够反映实际深度的数据，图2-1为校正前伽马能谱曲线和元素录井曲线对比，图2-1中第一列中的最左端的实线表示伽马能谱测井得到的K含量曲线，第二列中的虚线曲线为元素录井得到的钾含量包络线，对比两条曲线可找到4个突变点，图2-1中用箭头指示出了4个突变点在两条曲线上的对应关系，从箭头的倾斜方向可知，伽马能谱测井得到的K含量曲线上的突变点的深度小于元素录井得到的钾含量包络线上的突变点的深度，因此需要将钾含量包络线上的突变点的深度减小，即将对应的突变点上移，图2-2为校正深度以后的元素录井曲线，对比图2-1和图2-2可知，对钾含量包络线上的突变点的位置进行了上移，图2-3中的“源”为原始深度，“目标”为校正后的深度，显示了元素录井得到的钾含量包络线上的4个突变点的原始深度和校正后的深度。由于受截图大小的限制，图2-1和图2-2中没有显示出第5个突变点，图2-3中的序号5对应的是未显示的第5个突变点的原始深度和校正后的深度。
(2)利用元素录井的元素含量计算矿物组分及其百分含量：深层碳酸盐岩常见的矿物成分包括灰岩、白云石、石膏、粘土等。
利用下式实现：
E＝CM
其中E为元素重量百分含量矩阵；C为转换系数矩阵，M为矿物重量百分含量矩阵，因此，如果求得逆矩阵C-1，即可通过元素百分含量求得矿物百分含量。此计算方法是现有方法，在此不再赘述。
(3)重构密度、纵波时差、横波时差：基于岩石物理模型，利用步骤(2)计算得到的主要矿物百分含量及其密度、纵波时差、横波时差的理论值，正演重构密度、纵波、横波时差值。
岩石物理模型是指假设岩石由不同组分(A1，A2，……An)构成，每种组分所占体积为V1，V2，……Vn，且体积之和为1，这样岩石的物理属性等于每种组分物理属性之和，即岩石的密度等于不同组分所占体积与密度相乘再求和，用公式可表示为DEN＝DEN1*V1+DEN2*V2+……+DENn*Vn，其中，DEN表示密度。
利用步骤(2)计算的主要矿物组分含量及其密度、纵波、横波时差的理论值(理论值是不变的，例如纯铁的密度就是7.8g/cm3)，正演重构密度、纵波、横波时差值，具体如下：
正演重构是利用步骤(2)得到的矿物组分含量与各组分对应的理论值相乘求和获得，例如，白云岩和灰岩的理论密度值分别为2.87和2.71g/cm3，纵波时差分别是42μs/ft、46μs/ft，横波时差分别是77μs/ft、89μs/ft，(通过手册即可查到这些理论值)，那么由元素测井计算得到某米处岩性为白云质灰岩，其中白云岩占25％，灰岩占75％，则利用下式重构密度DEN：
DEN＝2.87*25％+2.71*75％＝2.75g/cm3；
利用下式重构纵波时差DTC：
DTC＝42*25％+46*75％＝45μs/ft，
利用下式重构横波时差DTS：
DTS＝77*25％+89*75％＝86μs/ft
(4)利用正演重构的密度、声波时差计算岩石力学参数，为钻井工程提供重要参数。
利用下式计算获得岩石力学参数：
其中，YMOD是杨氏模量，POIS是泊松比，ρb为岩石的重构的密度，单位g/cm3，Δtp、Δts分别为岩石的重构的纵、横波时差。
杨氏模量和泊松比是岩石力学参数中的两个最基础的参数，求得二者后即可方便求取其他岩石力学参数，如剪切模量、抗拉强度、抗压强度等等，利用杨氏模量、泊松比求取其它参数的方法均是现有方法，在此不再赘述。
为了提高准确性，本发明的进一步改进在于，在所述步骤(3)和(4)之间还包括以下步骤：
对不同岩性、不同井眼环境下重构获得的密度、纵波、横波时差值进行合理性、误差分析，并通过误差分级实现对计算数据准确性分级。具体的，将重构的密度、纵波、横波时差与测井测量的结果(是由偶极横波测井获得的)进行比较获得三种参数的误差：密度的误差、纵波时差的误差、横波时差的误差。误差＝abs(重构值-测井值)/测井值。
将误差分为四级：I级：0-10％，II级：10-20％，III级：20-30％，VI级>30％，误差越小，准确性分级越高。利用分级对三种参数的误差分别进行分级。
分级的目的是让研究人员对计算结果的准确性有所把握，有助于工程师对计算结果的可靠性有正确判断，步骤(4)中用到的是I级、II级、III级数据，VI级数据误差太大，不可信，不再用于计算岩石力学参数。
获得误差后，可以进一步判断三种参数的误差中是否至少有一个大于30％(即任意一个或多个大于30％)，如果是，则需要返回步骤(3)重新重构密度、纵波、横波时差，这样能够进一步保证岩石力学参数计算的准确性，如果否，则进入步骤(4)。
本发明还提供了一种获取深层碳酸盐岩岩石力学参数的系统，所述系统包括：
深度校正单元，被配置为对元素录井的深度进行校正；
百分含量获取单元，与所述深度校正单元连接，被配置为利用元素录井的元素含量获得矿物组分及其百分含量；
重构单元，与所述百分含量获取单元连接，被配置为利用矿物组分及其百分含量获得重构的密度、纵波时差、横波时差；
力学参数获取单元，与所述重构单元连接，被配置为利用重构的密度、纵波时差、横波时差获得岩石力学参数。
优选的，所述深度校正单元通过将元素录井数据与伽马能谱测井数据进行比对实现对元素录井的深度的校正。
优选的，所述重构单元是基于岩石物理模型，利用百分含量获取单元获得的百分含量及密度、纵波时差、横波时差的理论值进行正演获得重构的密度、纵波、横波时差值。
所述力学参数获取单元利用下式计算获得岩石力学参数：
其中，YMOD是杨氏模量，POIS是泊松比，ρb为重构的密度，Δtp、Δts分别为重构的纵波时差、横波时差。
所述系统进一步包括判断单元，分别与所述重构单元、力学参数获取单元连接，被配置为将重构的密度、纵波、横波时差与测井测量的结果进行比较获得三种参数的误差，并判断三种参数的误差中是否至少有一个大于30％，如果是，则启动重构单元，如果否，则启动力学参数获取单元。
所述系统进一步包括分级单元，与所述判断单元连接，被配置为对判断单元得到的误差进行以下分级：
误差在0-10％，分级为I级；
误差在10-20％，分级为II级；
误差在20-30％，分级为III级：，
误差>30％，分级为VI级。
本发明的实施例如下：
【实施例一】
图3和图4分别是XH1井两种不同岩性碳酸盐岩段应用本发明方法评价岩石力学得到结果，并与偶极横波测井获得的纵横波时差进行了对比。DTC和DTS分别是由偶极横波测井获得的纵横波时差，SYMOD和SPOIS为测量的纵横波时差计算得到的杨氏模量和泊松比；而ACC和DTSC分别为利用元素录井重构得到的纵、横波时差，SYMODC和SPOISC则为利用重构的纵横波时差计算得到的杨氏模量和泊松比。
从对比结果可以看出，利用元素录井资料重构得到的纵横波时差误差在2.3-13.9％，进而用其计算岩石力学参数杨氏模量和泊松比的误差在4.5-35％之间，其中在灰岩段计算精度明显高于白云岩(灰岩沉积环境和成岩作用较单一，岩石组分主要以石灰石为主，因此计算精度比较高，白云岩段沉积水动力环境较强，尤其后期溶蚀胶结成岩作用较复杂，导致岩石组分较为复杂，岩石组分的计算精度下降，导致重构纵、横波乃至计算的岩石力学参数误差也相应增加，但误差范围在可接受范围内，并不影响正常使用。)。表明该方法具有实用性和可靠性。
本发明主要依据岩石物理模型，充分利用元素录井资料的信息丰富、及时、成本低特征，基于岩石物理模型，应用元素录井计算的矿物及其含量正演重构密度、声波等计算岩石力学参数连续剖面，进而在无随钻声波测井条件下，实现快速、低成本为钻井工程提供岩石力学参数的目标，解决了深层碳酸盐岩随钻过程中岩石力学参数实时求取的问题，为井壁稳定安全钻进提供可靠技术支持。
上述技术方案只是本发明的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施方式所描述的方法，因此前面描述的方式只是优选的，而并不具有限制性的意义。