一种用于人造岩心的岩石动静态力学参数转换方法及系统与流程

1.本发明属于石油工程领域，具体涉及一种用于人造岩心的岩石动静态力学参数转换方法及系统。


背景技术：

2.在石油工程领域中，对岩石变形特征的认识是应用正确的数学表达式去描述岩石的变形情况的基础，其对于工程应用相当重要，尽管目前关于岩石动、静态弹性参数的观测结果及岩石力学与岩石物理学的相关理论比较多，在储层岩石的动静态力学参数转换测试中，由于天然岩石的非均质性强，动态参数和静态参数之间的关系不稳定，不利于研究矿物组分和孔隙结构对动态和静态参数的影响。相反，人造岩心的均质性较好，但关于人造岩心的岩石动静态力学参数转换，目前没有一个统一明确的岩石动静态力学参数转换方法。
3.中国专利公开文献cn201611073545.0公开了一种动静态岩石力学参数矫正方法及装置，其包括单片机控制器和岩石动静态参数采集器，单片机控制器分别与岩石动静态参数采集器、数据处理器、ram存储器、rom存储器和无线射频收发器电性连接，单片机控制器的输出端与模拟器的输入端电性连接，岩石动静态参数采集器的输入端分别与应力传感器、温度传感器、孔隙压力传感器和流体饱和度传感器的输出端电性连接，无线射频收发器通过gprs网络与外部设备连接，岩石参数采集器的输入端分别与岩石成分分析器、岩石结构分析器、岩石构造分析器和岩石孔隙度分析器的输出端电性连接；中国专利公开文献cn201310156664.2公开了一种动静态岩石力学参数同步测量方法及装置，其包括：采用静态测量方法获得静态岩石力学参数，采用动态测量方法获得动态岩石力学参数；所述静态岩石力学参数和动态岩石力学参数经同步测量获得；依据所述静态岩石力学参数和动态岩石力学参数，计算岩石力学参数的动静差异比；依据所述静态岩石力学参数和动态岩石力学参数，以及，岩石力学参数的动静差异比进行油气藏岩体力学地下原位模型的恢复。但是上述第一个专利文献公开的技术方案使用的测试仪器设备多，成本高，第二个专利文献公开的技术方案需要进行原位测试，不方便且成本高。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的难题，提供一种用于人造岩心的岩石动静态力学参数转换方法及系统，对人造岩心的岩石动态与静态弹性模量参数，以及对动态泊松比与静态泊松比之间的内部联系进行了转换，提高岩石动静态弹性模量、泊松比之间转换的准确度，有利于提高经济效益，对于深入认识矿物组成和孔隙特征对岩石力学参数的影响提供了理论依据。
5.本发明是通过以下技术方案实现的：
6.本发明的第一个方面，提供了一种用于人造岩心的岩石动静态力学参数转换方法，所述方法包括：
7.(1)加工一系列人造岩心；
8.(2)获得所有人造岩心的静态岩石力学参数、动态岩石力学参数；
9.(3)利用步骤(2)获得的所有人造岩心的静态岩石力学参数、动态岩石力学参数进行回归拟合得到多个不同的函数及其相关系数；
10.(4)确定岩石动静态弹性模量的转换模型和岩石动静态泊松比的转换模型。
11.本发明的进一步改进在于，所述步骤(1)的操作包括：
12.根据井中不同深度的岩石参数加工出一系列人造岩心；
13.每个岩心对应该井中的一个深度段。
14.本发明的进一步改进在于，所述步骤(2)的操作包括：
15.利用三轴强度实验装置依次对各个人造岩心进行实验，获得静态岩石力学参数、动态岩石力学参数。
16.本发明的进一步改进在于，所述步骤(2)中获得静态岩石力学参数的操作包括：
17.利用三轴强度实验装置对每个人造岩心进行试验，得到应力-应变曲线；
18.所述应力-应变曲线的直线段的斜率即为静态弹性模量；
19.横向应变与纵向应变的比值即为静态泊松比。
20.本发明的进一步改进在于，所述步骤(2)中获得动态岩石力学参数的操作包括：
21.利用连接在三轴强度实验装置上的声波探头测得声波在人造岩心内传播的纵波速度和横波速度；
22.然后根据纵波速度和横波速度，利用岩石动态力学参数的计算公式计算得到动弹性模量、动泊松比；
23.所述岩石动态力学参数的计算公式为：
[0024][0025]
式中，ed为岩石的动态弹性模量，mpa；μd为岩石的动态泊松比；ρ为岩石的密度，g/cm3；v
p
为岩石的纵波波速，km/s；vs为岩石的横波波速，km/s。
[0026]
本发明的进一步改进在于，所述步骤(3)的操作包括：
[0027]
利用不同的函数分别对步骤(2)得到的动态弹性模量、静态弹性模量进行回归拟合，得到岩石动静态弹性模量的多个函数和每个函数的相关系数；
[0028]
利用不同的函数分别对步骤(2)得到的动态泊松比、静态泊松比进行回归拟合，得到岩石动静态泊松比的多个函数和每个函数的相关系数。
[0029]
本发明的进一步改进在于，所述步骤(4)的操作包括：
[0030]
找到步骤(3)得到的岩石动静态弹性模量的多个函数中相关系数最大的函数，将该函数作为岩石动静态弹性模量的转换模型；
[0031]
找到步骤(3)得到的岩石动静态泊松比的多个函数中相关系数最大的函数，将该函数作为岩石动静态泊松比的转换模型。
[0032]
本发明的第二个方面，提供了一种用于人造岩心的岩石动静态力学参数转换系统，所述系统包括：
[0033]
人造岩心加工单元，用于加工一系列人造岩心；
[0034]
参数获取单元，与人造岩心加工单元连接，用于获得所有人造岩心的静态岩石力
学参数、动态岩石力学参数；
[0035]
函数获取单元，与所述参数获取单元连接，利用参数获取单元获得的所有人造岩心的静态岩石力学参数、动态岩石力学参数进行回归拟合得到多个不同的函数及其相关系数；
[0036]
转换模型获取单元，与所述函数获取单元连接，用于确定岩石动静态弹性模量的转换模型和岩石动静态泊松比的转换模型。
[0037]
本发明的进一步改进在于，所述人造岩心加工单元根据井中不同深度的岩石参数加工出一系列人造岩心；每个岩心对应该井中的一个深度段。
[0038]
本发明的进一步改进在于，所述参数获取单元包括静态岩石力学参数子单元和动态岩石力学参数子单元；
[0039]
所述静态岩石力学参数子单元利用三轴强度实验装置对每个人造岩心进行试验，得到应力-应变曲线；所述应力-应变曲线的直线段的斜率即为静态弹性模量；横向应变与纵向应变的比值即为静态泊松比。
[0040]
所述动态岩石力学参数子单元利用连接在三轴强度实验装置上的声波探头测得声波在人造岩心内传播的纵波速度和横波速度；然后根据纵波速度和横波速度，利用岩石动态力学参数的计算公式计算得到动弹性模量、动泊松比；
[0041]
所述岩石动态力学参数的计算公式为：
[0042][0043]
式中，ed为岩石的动态弹性模量，mpa；μd为岩石的动态泊松比；ρ为岩石的密度，g/cm3；v
p
为岩石的纵波波速，km/s；vs为岩石的横波波速，km/s。
[0044]
本发明的进一步改进在于，所述函数获取单元利用不同的函数分别对参数获取单元得到的动态弹性模量、静态弹性模量进行回归拟合，得到岩石动静态弹性模量的多个函数和每个函数的相关系数；利用不同的函数分别对参数获取单元得到的动态泊松比、静态泊松比进行回归拟合，得到岩石动静态泊松比的多个函数和每个函数的相关系数。
[0045]
本发明的进一步改进在于，所述转换模型获取单元找到函数获取单元得到的岩石动静态弹性模量的多个函数中相关系数最大的函数，将该函数作为岩石动静态弹性模量的转换模型；找到函数获取单元得到的岩石动静态泊松比的多个函数中相关系数最大的函数，将该函数作为岩石动静态泊松比的转换模型。
[0046]
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0047]
(1)本发明通过实验测试大量人造岩心的岩石动静态力学参数，通过利用基本的岩石参数计算公式，数据线性回归岩石的动静态力学参数，得到动静态参数数据的转换模型，数据更加接近实际现场岩心岩石力学参数，准确度高，节省现场储层岩心，经济效益显著。
[0048]
(2)该方法得到的转换模型简洁精练，需测试的岩石力学参数少，节省了不必要的测试支出，且实用性强。
附图说明
[0049]
图1本发明方法的步骤框图；
[0050]
图2本发明系统的组成结构示意图。
具体实施方式
[0051]
下面结合附图对本发明作进一步详细描述：
[0052]
本发明对人造均质岩心的动态弹性参数和静态弹性参数进行了对比分析，建立了一种用于人造岩心的岩石动静态力学参数转换方法及系统，对于深入认识矿物组成和孔隙特征对岩石力学参数的影响提供了依据。
[0053]
实验前需对岩心进行加工，先用φ25.4mm的金刚石取心钻头在现场地层里套取一个直径约25mm的圆柱形试样，然后将圆柱形试样的两端车平、磨光，使之达到国际岩石力学学会规定的标准，加工好的岩样尺寸为φ25mm
×
(40-55mm)，该岩样即为待测岩心试样。
[0054]
将所述待测岩心试样固定在三轴强度实验装置中，对待测岩心试样施加与待测岩心试样所处深度的围压，利用三轴强度实验装置获得待测岩心试样的静态岩石力学参数，包括静态弹性模量和静态泊松比。
[0055]
从阵列声波测井的波形资料(通过阵列声波测井得到的测井曲线可获得声音在不同岩石中的传播速度，采用现有技术实现，在此不再赘述。)中得到声波(包括p波和s波)在岩石中的传播速率：纵波速度与横波速度。利用纵波速度和横波速度可以计算得到动态参数。
[0056]
但是如果要进行拟合获得转换模型，需要采集一个井中的不同深度的多个岩心，但是由于现场岩心受到地层因素、地层稳定性、钻井系统等多种因素影响，拟合的相关性很低，无法获得最佳的转换模型，而且采集不同深度的大量现场岩心是非常困难的，且采集成本非常高。
[0057]
本发明方法利用人造岩心，以线性关系描述了岩石动静态力学参数转换的方法，解决了传统意义上岩石动静态力学参数转换过程复杂且成本高的难题。
[0058]
本发明方法利用不同深度的一系列人造岩心的静弹性模量、静泊松比、动弹性模量、动泊松比进行拟合，获得转换模型。其中静弹性模量、静泊松比是在室内实验时利用三轴强度实验装置所记录的应力-应变曲线(应力-应变曲线反映了不同应力水平下的应变规律)获得的，动弹性模量、动泊松比是根据测得的声波(p波和s波)在岩石中的传播速度计算获得。
[0059]
具体的，如图1所示，本发明方法包括：
[0060]
(1)加工一系列人造岩心：
[0061]
本发明采用人造岩心来获得参数转换模型。采用人造岩心能够排除其他各种因素的影响，提高了相关性，能够获得最佳的转换模型。人造岩心可以根据现场获得的少量岩心试样以及录井资料和钻井资料中的矿物成分、密度、孔隙度、泥质含量等等岩石参数设计而成。
[0062]
根据井中的不同深度的岩石参数加工出一系列人造岩心，每个岩心对应该井中的一个深度段，也可以针对同一个深度段加工出多个相同的岩心，便于进行多次实验。
[0063]
加工人造岩心采用现有方法即可实现，在此简介如下：根据每个深度段的岩石参
数，利用石英与水泥灰配置成与该深度段的岩石参数对应的水泥浆，采用与该深度段相同的围压对水泥浆进行养护，得到人造水泥，利用金刚石取心钻头钻取人造水泥获得人造岩心。这样就获得了不同深度段的多个人造岩心。
[0064]
(2)获得所有人造岩心的静态岩石力学参数、动态岩石力学参数：
[0065]
利用现有的三轴强度实验装置依次对各个人造岩心进行实验，获得动态岩石力学参数、静态岩石力学参数。
[0066]
具体的，利用三轴强度实验装置对各个人造岩心进行试验，得到应力-应变曲线，所述静态弹性模量为所述应力-应变曲线的直线段的斜率，静态泊松比为岩心横向应变与纵向应变的比值。这些均是现有技术，在此不再赘述。
[0067]
利用连接在三轴强度实验装置上的声波探头测得声波在人造岩心内传播的纵波速度和横波速度(这些均是现有实验设备，在此不再赘述。)，然后根据纵波速度和横波速度，利用岩石动态力学参数的计算公式计算得到动弹性模量、动泊松比。
[0068]
所述岩石动态力学参数的计算公式为：
[0069][0070]
式中，ed为岩石的动态弹性模量，mpa；μd为岩石的动态泊松比；ρ为岩石的密度，g/cm3；v
p
为岩石的纵波波速，km/s；vs为岩石的横波波速，km/s。
[0071]
(3)利用步骤(2)获得的所有人造岩心的静态岩石力学参数、动态岩石力学参数进行回归拟合得到多个不同的函数及其相关系数：
[0072]
利用步骤(2)获得的不同深度段对应的动态力学参数和静态力学参数进行回归拟合得到多个不同的函数及其相关系数。
[0073]
具体的，利用现有的多种函数(利用线性、对数、幂律等多种函数)分别对步骤(2)得到的不同深度段的人造岩心的动态弹性模量、静态弹性模量进行回归拟合，得到岩石动静态弹性模量的多个函数和每个函数的相关系数。
[0074]
利用现有的多种函数(利用线性、对数、幂律等多种函数)分别对步骤(2)得到的不同深度段的人造岩心的动态泊松比、静态泊松比进行回归拟合，得到岩石动静态泊松比的多个函数和每个函数的相关系数。
[0075]
每个深度段的人造岩心对应一个动态弹性模量、一个静态弹性模量，用一个函数将不同深度的动态弹性模量、静态弹性模量进行回归拟合即可得到一个函数，利用不同函数进行回归拟合即可得到多个函数。同理，每个深度段的人造岩心对应一个动态泊松比、一个泊松比，用一个函数将不同深度的动态泊松比、静态泊松比进行回归拟合即可得到一个函数，利用不同函数进行回归拟合即可得到多个函数。
[0076]
(4)确定岩石动静态弹性模量的转换模型和岩石动静态泊松比的转换模型：
[0077]
找到步骤(3)得到的岩石动静态弹性模量的多个函数中相关系数最大的函数，将该函数作为岩石动静态弹性模量的转换模型。
[0078]
本实施例中得到的岩石动静态弹性模量的转换模型如下：
[0079]es
＝0.3382ed+16.624(r2＝0.9232)
ꢀꢀ
(2)
[0080]
式中，es为岩石的静态弹性模量，mpa；ed为岩石的动态弹性模量，mpa。
[0081]
r2表示相关系数，其表示了线性相关性，r2的值越接近1，回归参数的线性相关性越好。
[0082]
找到步骤(3)得到的岩石动静态泊松比的多个函数中相关系数最大的函数，将该函数作为岩石动静态泊松比的转换模型。
[0083]
本实施例中得到的岩石动静态泊松比的转换模型如下：
[0084]
μs＝1.5759μ
d-0.1401(r2＝0.9463)
ꢀꢀ
(3)
[0085]
式中，μs为岩石的静态泊松比；μd为岩石的动态泊松比
[0086]
r2表示相关系数，r2的值越接近1，回归参数的线性相关性越好。
[0087]
每次使用本发明方法时，都要进行这两个线性回归处理，得到的转换模型并不完全相同。
[0088]
相关系数越大，表明相关性越好，也就是误差越小，即拟合最好的函数，将该函数作为转换模型，其拟合效果是最好的，根据该转换模型计算得到的动态参数也是最准确的。
[0089]
本发明通过制作对应井中不同深度段的一系列人造岩心，利用试验获得一系列(按照深度将一个口从上到下分成多个深度段，每个深度段对应一个人造岩心，每个人造岩心对应一个静态参数、动态参数)人造岩心的动静态力学参数，经过动静态力学参数的线性回归数据统计分析，选择相关性最好的函数作为转换模型，大大提高了转换的准确率。
[0090]
如果实际获取地层岩心，需要利用大型的钻机与特殊的工具，成本很高，因此本发明方法通过对大量人造岩心进行测试而不是对大量实际地层岩心进行测试，大大减少了测试成本。
[0091]
使用转换模型时，先根据录井资料和钻井资料制作一个对应的人造岩心，然后测得该人造岩心的静态弹性模量与静态泊松比，再分别利用岩石动静态弹性模量的转换模型、岩石动静态泊松比的转换模型获得岩石的动态弹性模量与动态泊松比。由于人造岩心是室内模拟地层特性压制的，制作与测试成本较低。
[0092]
本发明方法的实施例如下：
[0093]
【实施例一】
[0094]
根据实际测得的和从现场录井资料、钻井资料获得的储层岩心的岩石力学参数配制水泥浆，在与实际地层相同的条件下将水泥浆养护成人造水泥块，利用取心设备钻取人造水泥块得到人造岩心，进行大量岩石力学参数测试得到静态弹性模量和静态泊松比。具体的，利用三轴强度实验装置对人造岩心进行测试，得到应力-应变曲线，所述静态弹性模量为所述应力-应变曲线的直线段的斜率，静态泊松比为岩心横向应变与纵向应变的比值。这些均是现有技术，在此不再赘述。
[0095]
利用三轴强度实验装置上连接的声波探头测得声波(p波和s波)在人造岩心中的传播速率，利用上述岩石动态力学参数的计算的公式计算得到动弹性模量和动泊松比。
[0096]
然后对上述实测所得到的动静态弹性模量和动静态泊松比，利用线性回归的数学统计方法，得到人造岩心的岩石动静态力学参数的转换模型。
[0097]
如图2所示，本发明还提供了一种用于人造岩心的岩石动静态力学参数转换系统，所述系统包括：
[0098]
人造岩心加工单元10，用于加工一系列人造岩心；
[0099]
参数获取单元20，与人造岩心加工单元10连接，用于获得所有人造岩心的静态岩
石力学参数、动态岩石力学参数；
[0100]
函数获取单元30，与所述参数获取单元20连接，利用参数获取单元20获得的所有人造岩心的静态岩石力学参数、动态岩石力学参数进行回归拟合得到多个不同的函数及其相关系数；
[0101]
转换模型获取单元40，与所述函数获取单元30连接，用于确定岩石动静态弹性模量的转换模型和岩石动静态泊松比的转换模型。
[0102]
所述系统的实施例如下：
[0103]
【实施例二】
[0104]
所述人造岩心加工单元10根据井中不同深度的岩石参数加工出一系列人造岩心；每个岩心对应该井中的一个深度段。
[0105]
【实施例三】
[0106]
所述参数获取单元20包括静态岩石力学参数子单元和动态岩石力学参数子单元；
[0107]
所述静态岩石力学参数子单元利用三轴强度实验装置对每个人造岩心进行试验，得到应力-应变曲线；所述应力-应变曲线的直线段的斜率即为静态弹性模量；横向应变与纵向应变的比值即为静态泊松比。
[0108]
所述动态岩石力学参数子单元利用连接在三轴强度实验装置上的声波探头测得声波在人造岩心内传播的纵波速度和横波速度；然后根据纵波速度和横波速度，利用岩石动态力学参数的计算公式计算得到动弹性模量、动泊松比；
[0109]
所述岩石动态力学参数的计算公式为：
[0110][0111]
式中，ed为岩石的动态弹性模量，mpa；μd为岩石的动态泊松比；ρ为岩石的密度，g/cm3；v
p
为岩石的纵波波速，km/s；vs为岩石的横波波速，km/s。
[0112]
【实施例四】
[0113]
所述函数获取单元30利用不同的函数分别对参数获取单元20得到的动态弹性模量、静态弹性模量进行回归拟合，得到岩石动静态弹性模量的多个函数和每个函数的相关系数；利用不同的函数分别对参数获取单元20得到的动态泊松比、静态泊松比进行回归拟合，得到岩石动静态泊松比的多个函数和每个函数的相关系数。
[0114]
【实施例五】
[0115]
所述转换模型获取单元40找到函数获取单元30得到的岩石动静态弹性模量的多个函数中相关系数最大的函数，将该函数作为岩石动静态弹性模量的转换模型；找到函数获取单元30得到的岩石动静态泊松比的多个函数中相关系数最大的函数，将该函数作为岩石动静态泊松比的转换模型。
[0116]
本方面利用了线性回归的数据统计方法，并结合经济的人造岩心实现了岩石动静态力学参数的转换，使用的测试仪器设备及参数较少，节省了不必要开支。本方面利用人造岩心在同等条件下获得的大量的测试数据线性回归得到新的岩石动静态力学参数的转换模型，不需要进行原位测试，更加经济、便捷、实用。由于复杂条件下储层岩心的获取成本高、难度大，本发明以一种更加经济可靠的人造岩心模拟岩石储层参数，大大降低了难度，
减少了成本，能够广泛应用于石油工程中人造岩心的岩石动静态参数转换。
[0117]
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。