基于理论模型约束下数据驱动的地层水平地应力计算方法技术

本发明专利技术公开了基于理论模型约束下数据驱动的地层水平地应力计算方法，包括：制备岩样并进行预处理；分析各测井特征参数与岩石力学参数相关性；建立弹性模量、泊松比、抗张强度最优基模型，基于Stacking集成模型思想构建岩石力学参数的融合预测模型；基于水力压裂资料反演构造应变系数；在实际工程多源信息约束下，基于弹簧组合模型提出利用自适应迭代算法获取适应地层的构造应变系数的方法，形成理论模型和数据协同驱动的地层水平地应力计算方法，进而利用测井资料计算地层最小水平主应力大小、最大水平主应力大小。该方法能够适用于砾岩、缝洞碳酸盐岩、页岩油气等复杂地层，解决了此类地层地应力预测精度较低的问题，具有广泛的适用性。的适用性。的适用性。

【技术实现步骤摘要】
基于理论模型约束下数据驱动的地层水平地应力计算方法


[0001]本专利技术涉及基于理论模型约束下数据驱动的地层水平地应力计算方法，属于岩石物理


技术介绍

[0002]地应力指的是存在与地壳岩体中的力，其在石油工程、岩土工程等领域有着重要的研究意义与应用价值，受到了研究人员的广泛关注。地应力大小是研究井壁稳定性、井眼轨迹优化、水力压裂设计等油气建产举措的重要基础参数。地应力获取方法可分为三类，分别是矿场获取、室内实验获取及测井资料分析。然而，矿场及室内只能获取单点地应力大小，不能研究连续深度段地应力变化情况。由于测井资料获取成本相对较低且具有连续性，在计算地应力大小方面具有独特的优势。Matthews&Kelly(1967)最开始提出利用地层孔隙压力及垂向应力对水平地应力计算方法，后人对地应力物理计算模型不断改进。提出了多个常用的理论模型，其中斯伦贝谢组合弹簧模型(1988)是目前最为常用的水平地应力计算模型，该模型考虑垂向应力、地层孔隙压力及构造应力作为水平主应力的影响因素，涉及到岩石力学参数弹性模量及泊松比的确定。随着能源需求增大，非常规油气资源的勘探开发力度逐渐加大，复杂地质情况带来的地质工程问题逐渐突出，地层岩性往往变化频繁，薄夹层特点突出，因此对地应力大小的精确评价有着更高的要求，使用常规地应力测井评价方法往往达不到一个较好的预测效果。这影响着地应力评价准确性、压裂效果好坏，直接关乎油气产量、经济效益。

技术实现思路

[0003]为了克服现有技术中的问题，本专利技术提供基于理论模型约束下数据驱动的地层水平地应力计算方法。
[0004]本专利技术解决上述技术问题所提供的技术方案是：基于理论模型约束下数据驱动的地层水平地应力计算方法，包括以下步骤：
[0005]S1、收集研究区地质资料、测井资料、取心相关资料；
[0006]S2、采集研究区井下岩样，制备若干个标准的岩样；
[0007]S3、对岩样进行预处理，并获取基本的岩石物理参数，所述岩石物理参数包括密度、纵波时差、横波时差；
[0008]S4、对岩样进行力学试验，得到研究区的岩石力学参数，所述岩石力学参数包括弹性模量、泊松比、抗张强度；
[0009]S5、对岩样进行岩心归位，建立室内声波、密度与测井声波、密度转换关系式，并提取岩心对应深度测井曲线；
[0010]S6、统计分析各测井特征参数与岩石力学参数之间的相关关系，选择相关性较好的侧井特征参数作为建立岩石力学参数模型的输入特征；
[0011]S7、对实验训练数据进行预处理；
[0012]S8、以步骤S6中选出的测井特征参数和步骤S3中获取的岩石物理参数作为输入，步骤S4获得的岩石力学参数值作为输出，训练基模型，并调节模型参数得到最优的基模型；
[0013]S9、基于Pearson相关系数构建弹性模量、泊松比、抗张强度的组合预测模型，再基于测井资料，计算得到岩石力学参数剖面；
[0014]S10、结合实际地层孔隙压力测试资料，获取研究区的地层孔隙压力剖面；
[0015]S11、结合实际水力压裂资料，反演构造应变系数；
[0016]S12、基于理论模型约束、井眼坍塌，结合岩石力学参数剖面、地层孔隙压力剖面调节得到地应力测井剖面；
[0017]具体是：在实际工程多源信息约束下，基于弹簧组合模型提出利用自适应迭代算法获取适应地层的构造应变系数的方法，形成理论模型和数据驱动的地层水平地应力计算方法，进而利用测井资料计算地层最小水平主应力大小、最大水平主应力大小。
[0018]进一步的技术方案是，所述步骤S1中地质资料包括录井岩性剖面、地层划分等资料，用以模型构建；测井资料包括自然伽马、补偿声波、补偿密度、中子常规测井资料，用于岩心归位和模型构建。
[0019]进一步的技术方案是，所述步骤S3的具体过程为：在60℃温度下对岩样进行烘干处理12小时，排除水分对岩样性质影响；测量岩样的几何尺寸及重量，计算得到岩样的密度；使用超声波时差测量仪获取每一个岩样的纵波时差、横波时差。
[0020]进一步的技术方案是，所述步骤S4的具体过程为：对岩样分别进行单轴压缩试验、抗张强度试验，对实验原始数据进行处理，分别得到弹性模量、泊松比及抗张强度。
[0021]进一步的技术方案是，所述步骤S5中室内声波、密度与测井声波、密度转换关系式如下：
[0022]Δt
c
＝1.5002DT
‑
27.685
[0023]ρ
b
＝1.1772DEN
‑
0.4822
[0024]式中：Δt
c
为声波时差；DT为测井声波时差曲线；ρ
b
为密度；DEN为测井密度曲线。
[0025]进一步的技术方案是，所述步骤S7中对纵波时差、横波时差、密度及岩石力学参数值按下式进行归一化处理，对岩性处理方式为创建一个二进制的属性：若样本为砂岩时，对应的砂岩列为1，其余岩性列为0；
[0026][0027]式中：y
i
为归一化后的值；x
i
为实验测试值；n为归一化总个数。
[0028]进一步的技术方案是，所述步骤S9中弹性模量、泊松比、抗张强度的融合预测模型中基模型包括支持向量机模型、最近邻模型和随机森林模型等，每个最优基模型对训练集数据进行预测，组合每个基模型预测器结果作为新的样本特征，将新样本作为输入训练新模型，新模型输出即为岩石力学参数预测结果。
[0029]进一步的技术方案是，所述步骤S10中地层孔隙压力计算模型如下：
[0030]P
p
＝σ
V
‑
(0.0174depth
‑
0.0114GR
‑
0.0291AC+0.8570)
[0031]式中：GR为自然伽马，API；AC为声波时差，μs/m；σ
v
为垂向地应力，MPa。
[0032]进一步的技术方案是，所述步骤S11的具体过程为：根据压裂施工压力曲线，读取
压裂层段的水力压裂缝在水平最小主应力作用下的闭合压力，闭合压力反映了某深度点水平最小主应力的大小；另外可根据压裂资料读取的破裂压力进一步利用下式分析得到某深度点水平最大主应力的大小；再利用地应力计算模型反演得到最大、最小构造应变系数；
[0033]P
f
＝3σ
H2
‑
σ
H1
‑
αP
p
+σ
t
[0034]式中：P
f
为破裂压力，实际水力压裂资料读取，MPa；σ
H1
、σ
H2
为水平最大、最小主应力，MPa；σ
t
为抗张强度，MPa；α为Biot系数，常取1。
[0035]进一步的技术方案是，所述地应本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于理论模型约束下数据驱动的地层水平地应力计算方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、收集研究区地质资料、测井资料、取心相关资料；S2、采集研究区井下岩样，制备若干个标准的岩样；S3、对岩样进行预处理，并获取基本的岩石物理参数，所述岩石物理参数包括密度、纵波时差、横波时差；S4、对岩样进行力学试验，得到研究区的岩石力学参数，所述岩石力学参数包括弹性模量、泊松比、抗张强度；S5、对岩样进行岩心归位，建立室内声波、密度与测井声波、密度转换关系式，并提取岩心对应深度测井曲线；S6、统计分析各测井特征参数与岩石力学参数之间的相关关系，选择相关性较好的侧井特征参数作为建立岩石力学参数模型的输入特征；S7、对实验训练数据进行预处理；S8、以步骤S6中选出的测井特征参数和步骤S3中获取的岩石物理参数作为输入，步骤S4获得的岩石力学参数值作为输出，训练基模型，并调节模型参数得到最优的基模型；S9、基于Stacking集成模型思想构建弹性模量、泊松比、抗张强度的融合预测模型，再基于测井资料，计算得到岩石力学参数剖面；S10、结合实际地层孔隙压力测试资料，获取研究区的地层孔隙压力剖面；S11、结合实际水力压裂资料，反演构造应变系数；S12、基于理论模型约束、井眼坍塌，结合岩石力学参数剖面、地层孔隙压力剖面调节得到地应力测井剖面。2.根据权利要求1所述的基于理论模型约束下数据驱动的地层水平地应力计算方法，其特征在于，所述步骤S1中地质资料包括录井岩性剖面、地层划分等资料，用以模型构建；测井资料包括自然伽马、补偿声波、补偿密度、中子常规测井资料，用于岩心归位和模型构建。3.根据权利要求1所述的基于理论模型约束下数据驱动的地层水平地应力计算方法，其特征在于，所述步骤S3的具体过程为：在60℃温度下对岩样进行烘干处理12小时，排除水分对岩样性质影响；测量岩样的几何尺寸及重量，计算得到岩样的密度；使用超声波时差测量仪获取每一个岩样的纵波时差、横波时差。4.根据权利要求1所述的基于理论模型约束下数据驱动的地层水平地应力计算方法，其特征在于，所述步骤S4的具体过程为：对岩样分别进行单轴压缩试验、抗张强度试验，对实验原始数据进行处理，分别得到弹性模量、泊松比及抗张强度。5.根据权利要求1所述的基于理论模型约束下数据驱动的地层水平地应力计算方法，其特征在于，所述步骤S5中室内声波、密度与测井声波、密度转换关系式如下：Δt
c
＝1.5002DT
‑
27.685ρ
b
＝1.1772DEN
‑
0.4822式中：Δt
c
为声波时差；DT为测井声波时差曲线；ρ
b
为密度；DEN为测井密度曲线。6.根据权利要求1所述的基于理论模型约束下数据驱动的地层水平地应力计算方法...

【专利技术属性】
技术研发人员：熊健，林海宇，刘向君，王玉斌，梁利喜，吴建军，丁乙，朱卫平，
申请(专利权)人：西南石油大学，
类型：发明
国别省市：