[发明专利]基于VTI横观各向同性模型的页岩力学参数测井方法

说明书

技术领域

本发明涉及地质技术领域，尤其涉及一种基于VTI横观各向同性模型的页岩力学参数测井方法。

背景技术

1、页岩的横观各向同性特征

受压实作用、有机质分子结构和有机质丰度的综合影响，页理是页岩气储层的典型沉积构造。在野外露头，可观察到岩石骨架颗粒大小、形状或颜色沿垂直方向发生变化，其横向延伸可以是几厘米至数米。

在富含有机质的页岩气储层，页岩的力学参数在水平面上具有各向同性的特点，但是垂直方向上力学参数与水平面上的杨氏模量和泊松比等力学参数有较大差异，这种各向异性特点可以用VTI模型(即：横观各向同性)来描述。在压裂设计中，采用的传统各向同性模型不能正确计算地层的破裂压力、压裂缝的闭合应力，直接影响了页岩气的压裂增产改造效果。根据WIGGER(2014)对北美页岩气分段压裂水平井的试气结果，在Barnett页岩气层，采用传统的各向同性模型确定的压裂井段，约有30％的压裂段不产气；在Eagle Ford页岩气层，约有34％压裂段不产气。

2、VTI模型及其刚度矩阵

受水平页理发育的影响，在水平面上，页岩的力学参数具有各向同性的特点，但是垂直方向上力学参数与水平面上的力学参数有较大差异。在岩石力学中，Mavko(2009)提出的VTI模型可以表征页岩的这种各向异性特征，即：具有旋转对称轴的横向各向同性。VTI模型的刚度矩阵为

式中，C₁₁、C₁₂、C₁₃、C₃₃、C₄₄和C₆₆为刚度系数，单位为MPa；

在VTI模型的刚度矩阵中，共有6个系数，因为C₁₂＝C₁₁-2C₆₆，独立系数只有5个：C₃₃、C₄₄、C₁₁、C₆₆、和C₁₃。

3、刚度矩阵与地应力

Mavko(2009)提出的刚度系数与岩石力学参数的关系是：

水平杨氏模量E_horz：

垂向杨氏模量E_vert：

水平泊松比υ_horz：

垂向泊松比υ_vert：

Thiercelin(1994)基于VTI模型提出地应力计算方法，最小水平主应力σ_Hmin：

最大水平主应力σ_Hmax：

式中，σ_Hmin为最小水平主应力，单位为Mpa

E_horz为水平方向的杨氏模量，单位为MPa

E_vert为垂直方向的杨氏模量，单位为MPa

υ_horz为水平方向的泊松比，无量纲

υ_vert为垂直方向的泊松比，无量纲

σ_Hmin为最小水平主应力，单位为MPa

σ_vert为垂向应力，单位为MPa

α为BIOT系数，通常取1，无量纲

ξ为孔弹系数，通常取0，无量纲

p_p为孔隙内流体压力，单位为MPa

∈_Hmax水平最大构造应变系数，通过小型测试压裂确定，无量纲

∈_Hmin水平最小构造应变系数，通过小型测试压裂确定，无量纲

σ_Hmax为最大水平主应力，单位为MPa

VTI模型中的刚度系数和声波的关系式为：

C₁₁＝ρV_p²(90°)(7)

C₆₆＝ρV_Sh²(90°) (8)

C₃₃＝ρV_p²(0°) (9)

C₄₄＝ρV_Sh²(0°)(10)

式中，ρ为页岩密度，kg/m³；