基于裂缝柔度和地应力模型的声电测井正、反演方法及应用

电阻率成像探测深度通常为几厘米,超声波成像数据也只能提供井壁的声幅或到时图像。因此,很难评估井壁张开裂缝在地层中的分布情况。声波测井一般应用弹性各向异性表征地应力场和裂缝特性等,通常岩石的固有各向异性、高角度地层层面、裂缝或不平衡应力挤压等都可以导致弹性波表观各向异性,因此往往难以判断各向异性的成因。前人针对单一方位二维裂缝模型进行了声波正演模拟,但不适用于井筒含多组任意方位裂缝介质的弹性波模拟。为此,首先拾取井壁成像测井中导致声波表观各向异性的三类结构特征(天然裂缝、层面缝(或薄层)和钻井应力诱导缝)信息,同时定量化层理结构信息(如倾向、方位等),并将裂缝分层、分组;然后从声波全波列中提取地层的快、慢横波慢度及各向异性方位;接着在岩石和裂缝信息井壁成像建模基础上,通过裂缝附加柔度模型、层面伪裂缝模型和非线性应力场弹性波动理论正演模拟岩石的声波属性;最后通过对比声波速度及各向异性方位等信息的模型预测结果与实测结果,利用最小误差拟合反演确定井壁图像表征的裂缝类型与各向异性的成因,并对比、分析了频散曲线特征。将所提方法应用于花岗岩潜山裂缝型气田生产测试井以验证方法合理性,实际模拟结果表明：...     

地层自然造斜特性的测井评价方法研究

地层可钻性各向异性及造斜特性评价对定向钻井和直井防斜均具有重要意义。用数理统计的方法分析了垂直于层面和平行于层面岩石可钻性的相关关系,用垂直于层面岩石可钻性的评价方法评价了平行于层面岩石可钻性,由此导出根据垂直于层面岩石的可钻性评价地层可钻性各向异性的模型。根据声波在横观各向同性介质中的传播规律,建立了利用测井资料反演岩石的各向异性参数进而求取垂直于层面声波波速的方法。由垂直于层面方向的声波速度计算出垂直于岩石层面方向的岩石可钻性,从而可以对地层可钻性各向异性及造斜特性进行评价。对塔里木油田克拉苏地区的造斜特性的评价结果表明:用该方法评价出的地层可钻性各向异性及造斜特性能正确反映被评价地层的特性。     

用偶极横波的各向异性测井曲线评价裂缝和应力

裂缝和应力是储层生产和开发的重要参数，它影响着横波的传播，这一影响由各向异性得到证明，横波在具有正交粒子运动的偏振方向上一分为二：快、慢横波。在裂缝或水平应力岩石中，快横波沿裂缝走向方向和／或最大水平应力方向偏振。各向异性的大小，如慢度的百分差，随着裂缝的出现率或非平衡地下应力的大小而变化。地震和垂直地震剖面（ＶＳＰ）利用横波各向异性确定裂缝和应力的大尺度特性，偶极声波测井首次使高分辨率声波尺度级     

声波各向异性的应用

地层的各向异性本质的声波特性产生了对钻井和完井工程以及地球物理学和岩石物理学重要的新信息。各向异性分析能使射孔定向成与应力方向相一致,从而将出砂问题缓减到最低程度并且使生产最优化。知识应力方向使人们能定井位,从水力压裂中采出最多的油。识别由于裂缝形成的各向异性会导致增产。交叉偶极声波测井仪检测地层中的横波各向异性。传统的处理方法在时间域中完成,并产生出有关各向同性和各方异性特征的信息,但不能鉴别出引起各向异性的根本原因。然而借助先进的交叉偶极数据的频域处理方法。我们就能识别出各向羿性的类型,是生的还是诱发的。从能补充的其他测井资料的偶采数据中,我们可得到附加的信息。在各种各样的岩石类型中,大量的油田实例反映出附加信息的突出作用,这些附加信息是从交叉偶极采集到的偶极频散曲线中导出的。这些数据的频散分析能识别原生的各向异性,在这里频散曲线彼此平行,而应力的各向异性带有一些交叉频散曲线。我们说明几个取自中东、非洲、墨西哥湾、加利福尼亚和东南亚的几个有关原有的和应力诱发的各向异性例子。我们包含了几个来自水平井和垂直井的例子和这样的一些例子,即在这类例子中裂缝性各向异性（固有的）和应力诱发的各向异性出现在同一口井中并且清晰可见。裂缝的偶极测井鉴别结果被井筒成像图资料进一步证实。这种新认识的关键是到下三个方面的结合：交叉偶采声波数据的宽带征集、先进的频率域处理技术对于声波在井筒中传播特征的充分了解。     

岩石中的各向异性波理论研究

本文以一般弹性理论为基础研究了岩石中的各向异性波动理论问题。所研究的各向异性机制有两种：一种是岩石的起始变形，另一种是作用在岩石上的起始应力。文中先应用一般弹性理论中的应变能概念在物质坐标变量空间通过线性化来导出对应于以上两种各向异性机制的本构方程，再用物质同一性原理导出各向同性的概念。     

标准电缆声波测井仪测量三维地层（方位、径向、轴向）声波特性

井眼岩石的多种机械特征依赖声波时差的三维特性,即径向、方位、轴向的不同,出现这些岩石声波特性的不同是因为非均匀应力的分布,钻井过程对近井眼交替进行机械或化学处理及地层固有的各向异性。通过使用所有的井眼模式(单极、偶极和斯通利波)对各种带宽波形进行综合测量以获取地层三维声波特性,这些井眼模式与所测量的数据积分反演相关。通过单极发射器在一个从很短到很长的大范围发射—接收空间进行测量,能够得到纵波时差的径向变化,这是该新技术的独到之处。通过在一个相当宽的频带范围内,以偶极弯曲和斯通利波模式的宽带弥散曲线的反演,横波时差径向变化能被定量测得。这就是新的声波测井仪器的特色。这个偶极声波源的独到设计使仪器既可以脉冲模式发射声波,也可以鸣叫模式发射声波。由于增加了轴向和方位接收探头以及无声发射和可预知的结构,从来自中国、挪威、墨西哥、巴西和美国的裸眼井测井资料中可以证明,纵波和横波时差测量和它们的径向变化精度都有所提高。在数据可靠指示时差各向异性小于1～2%时,也能可靠地对横波各向异性进行评价。新仪器已经可以测量90～900μs/ft横波时差。更好的单极和偶极模式的弥散曲线能清晰识别均质地层和非均质地层的各向异性和各向异性形成的各种机理。先进的反演算法通过宽频带弥散曲线信号对三维岩石特性做精确的评价。相关岩石特性的精度测定可及时地作出决定(如射孔、防砂、井位及增产措施)。     

对从各向同性到各向异性带来的几个问题的初探

文中根据应力与位移关系,导出了各向异性介质的波动方程(i=1,2,3;k=1,2,3)在二维平面(x-z平面)与铅直方向异性、横向同性(TI)介质的构造走向垂直,且TI介质的对称轴与z轴平行的情况下,可得出二维椭圆各向异性介质中SH波的波动方程,根据平面波理论,由此方程导出了速度函数。文中参考声波方程相移法正、反演原理,提出了各向异性波动方程正、反演的方法,并在各向同性和各向异性情况下,讨论了速度对偏移结果的影响。文中通过实例分析证实,如果被处理数据的假设前提和使用的处理软件的假设前提一致,则用各向异性波动方程偏移,其偏移成像结果是正确的;反之,将会导致明显的误差。即使在弱各向异性情况下,此种误差也是不容忽视的。     

用声速测井和侧向测井研究岩石的各向异性

各向异性——岩石的重要物理性质之一,没有一种地球物理方法能测出理藏条件下岩石的各向异性。本文提出利用声波速度测井和侧向测井研究岩石的各向导性,并推导了有效的计算方法.作为一种应用,又研究了由各向异性确定油、气储集层孔隙结构的数学—物理模型,还在已有岩心资料的井中进行了检验。     

使用偶极声波频散分析进行机械损伤探测和各向异性评价

同地球物理和岩石物理学一样，井眼附近的机械损伤和地层各向异性的声波特性会为钻井和完井工程产生重要的新信息。泥岩的损伤是井眼稳定性问题的预兆。在弱胶结地层，应力导致的机械损伤表明，用选择性垂直射孔会减少出砂危险。探测井眼附近的损伤并把它从未开采的地层中区分出来，将有助于地球物理学家和岩石物理学家描述储层。即使在井眼没有损伤或钻井诱导裂缝常规指示器的情况下，井眼附近的变化也可由声波探测到。各向异性分析不仅帮助地球物理学家进行深度带和AVO分析，而且也帮助完井工程师进行与应力方向一致的定向射孔以使出砂问题最小化、优化开采。具有先进频率域处理技术的交叉偶极声波测井能独特地描述井眼周围地层的机械特性。常规处理方法是在时间域进行，并得到地层各向同性或各向异性信息。我们最近展示了交叉偶极声波数据的频率域处理(即时差一频率分析或频散分析)，它可以把固有各向异性从应力引起的各向异性中区分出来。频散分析扩展了常规的时基相似处理技术来得到更完整的地层描述。钻井过程及其相关的井眼应力集中可明显地影响井眼周围环境，导致横波时差径向变化。交叉偶极声波资料的时差一频率分析显示低频信号进入地层2—3个井眼直径，意味着该岩石是非蚀变的；高频信号进入地层一个井眼半径，可探测到机械损伤区域。均质模型在高频处的差异表明有损伤存在。偶极频散曲线分析可评价机械损伤带的深度。全世界大量的泥岩和储集岩的现场实例显示可从交叉偶极频散曲线中得到非常重要的额外信息。这些数据的频散分析可以识别：1)各向同性和各向异性(固有的和应力诱导的)；2)井眼周围的机械损伤。另外，我们将显示新的频率域处理技术是如何补充常规声波测井处理结果的。这项评价新技术的关键是宽频带采集交叉偶极声波资料和先进的频率域处理技术。     

斜井测井声波检测孔隙压力校正方法研究

针对斜井地层压力检测中的重要因素——泥页岩声波各向异性,提出测井声波各向异性因子计算模型及斜井测井声波校正方法,并利用其进行斜井地层压力计算。首先,在大量分析国内外实验数据和理论分析的基础上,提出泥页岩在地层应力条件下声波各向异性因子的线性-指数计算模型,指出声波各向异性因子的大小与泥页岩中泥质含量呈正相关关系,得到声波各向异性因子的计算模型;然后,在Hornby B.E.椭圆方程理论基础上,进行斜井声波数据校正;最后,对某油田一口大斜度井,利用其测井声波数据,进行地层孔隙压力检测。结果表明:校正后,部分井段测井声波校正量高达20%,地层压力计算精度平均提高了10%。与传统方法相比,该模型计算简捷,且考虑了泥质含量、地应力对泥页岩声波各向异性因子影响,斜井地层压力计算精度得到提高。     

Stresses around horizontal boreholes drilled in sedimentary rocks

The main purpose of this paper is to present the anisotropic stress equations that can used to analyze fracturing or collapse problems for horizontal boreholes, and to show how anisotropy in the elastic properties of the rock affects the stress field around a horizontal borehole.This paper gives the complete equations to determine stresses around boreholes in transverse isotropic, but linear elastic sedimentary rocks. The equations to determine the effective stresses are also given. It is shown that the stress fields and their direction is affected by the anisotropic material properties of the rock. Also shown is the deformation pattern of the borehole, which for anisotropic rocks is elliptical rather than cylindrical. Finally, a hydraulic fracturing example is given to show the effect of elastic anisotropy on the fracturing pressure.     

利用岩石磁组构恢复沉积盆地古构造应力场方法的探讨

由于缺少应力标志,沉积盆地覆盖区的古构造应力场定量恢复一直是个难题。为了探讨岩石磁化率各向异性在恢复沉积盆地古构造应力场的最大主应力方向方面的可行性,首先对岩石缓慢加压变形前后的磁化率各向异性的变化进行了实验研究,受力以后岩石的磁化率各向异性参数H,P,q值都相应增大,最大和最小磁化率主轴产状也有明显的变化,反映了浅层次的构造变形过程可对岩石磁组构产生明显的影响。然后,在塔里木盆地北部,将用最小磁化率主轴所求得的最大主压应力方位与用构造变形分析所求得的最大主压应力方向进行了对比分析,二者结果基本一致。说明在构造变形较强的沉积覆盖区(σ₁),用岩石的最小磁化率主轴方向来确定沉积盆地古构造应力场的最大主压应力方位是可行的。最后,还对该方法的适应范围和构造应力场的分期等相关问题进行了讨论。     

高温高压下地应力对电阻率影响实验研究

塔里木盆地克深地区白垩系巴什基奇克组致密砂岩储层具有高温高压和高强地应力特征,地应力对地层电阻率影响显著,导致电阻率测井曲线识别储层流体性质常存在多解性。开展岩样在高温高压下,围压大于轴压和围压小于轴压2种加载方式下的电阻率及其各向异性系数随水平应力差变化的实验研究。在弹性形变内,岩石电阻率随水平应力差的增大呈e的指数形式增大;电阻率随压力的变化呈明显的方向性特征;沿加压方向电阻率变化幅度小,垂直加压方向电阻率变化幅度大;不同加载方式下的电阻率各向异性系数随水平应力差变化关系不一样。为山前盆地高陡地层处于强挤压状态下,用地应力校正电阻率测井曲线值提供了可靠的实验理论依据和途径。     

Reservoir stress path and induced seismic anisotropy: results from linking coupled fluid-flow/geomechanical simulation with seismic modelling

We present a workflow linking coupled fluid-flow and geomechanical simulation with seismic modelling to predict seismic anisotropy induced by non-hydrostatic stress changes. We generate seismic models from coupled simulations to examine the relationship between reservoir geometry, stress path and seismic anisotropy. The results indicate that geometry influences the evolution of stress, which leads to stress-induced seismic anisotropy. Although stress anisotropy is high for the small reservoir, the effect of stress arching and the ability of the side-burden to support the excess load limit the overall change in effective stress and hence seismic anisotropy. For the extensive reservoir, stress anisotropy and induced seismic anisotropy are high. The extensive and elongate reservoirs experience significant compaction, where the inefficiency of the developed stress arching in the side-burden cannot support the excess load. The elongate reservoir displays significant stress asymmetry, with seismic anisotropy developing predominantly along the long-edge of the reservoir. We show that the link between stress path parameters and seismic anisotropy is complex, where the anisotropic symmetry is controlled not only by model geometry but also the nonlinear rock physics model used. Nevertheless, a workflow has been developed to model seismic anisotropy induced by non-hydrostatic stress changes, allowing field observations of anisotropy to be linked with geomechanical models.     

致密油气藏储层应力敏感各向异性及其微观机制——以鄂尔多斯盆地安塞油田长6油层为例

中国陆相致密储层应力敏感各向异性研究对低渗透油气藏开发过程中储层伤害评价具有重要作用。鉴于注水开发过程中的实际问题,选取鄂尔多斯盆地安塞油田长6油层3块典型岩样,分别从水平X,Y及垂直Z方向钻取小岩心柱,并依次恢复至地层条件下变化围压测定渗透率,并结合铸体薄片、扫描电镜及XRD等实验,对致密油气藏储层渗透率应力敏感各向异性及其微观机制进行分析。研究结果表明：不同岩样的应力敏感性存在差异,且同一岩样不同方向的应力敏感性也存在差异,应力敏感性指数由强到弱分别为细粒岩屑长石砂岩、长石岩屑质石英粉砂岩和中细粒岩屑长石砂岩,各向异性系数由强到弱分别为长石岩屑质石英粉砂岩、中细粒岩屑长石砂岩和细粒岩屑长石砂岩。通过微观实验可知,不同类型储层的矿物成分、排列方式及孔隙结构特征差异大,是造成储层应力敏感各向异性的关键因素。因此认为,致密油气藏不同类型储层应力敏感及各向异性存在较大差异,而储层微观非均质性特征是应力敏感及各向异性的主要影响因素。这一结论对鄂尔多斯盆地陆相致密非均质性储层的高效开发具有重要意义。     

川南深层页岩各向异性特征及对破裂压力的影响

川南深层页岩地层地应力非均匀性强,钻进过程中漏失严重,破裂压力预测困难,在进行深层页岩微观组构观测和宏观力学试验的基础上,测试了深层页岩的各向异性特征,考虑各向异性特征建立了井周应力模型,结合深层页岩本体拉张破坏、裂缝剪切滑移破坏和裂缝张性破坏模式,建立了深层页岩地层破裂压力预测模型,分析了各向异性特征对地层破裂压力的影响规律。分析结果表明:页岩各向异性越强,地应力差异越明显,大斜度井裂缝越易滑移;较高的粘聚力可有效抑制裂缝弱面的错动能力;裂缝倾角大小主导着裂缝张性漏失。预测模型在川南彭水区块页岩气井地层破裂压力预测的结果表明,地应力差异较弹性差异对深层页岩破裂压力的影响更为显著,岩石粘聚力是诱导裂缝剪切滑移漏失的主因,相对裂缝倾角是诱导裂缝张性破坏的主因。裂缝发育的页岩地层以裂缝破坏为主,破裂压力受岩石粘聚力、裂缝倾角和地应力的影响显著,在预测破裂压力时应综合3种破裂模式判断破裂方式和预测破裂压力。      

考虑岩层各向异性性质的井壁位移分析

井眼钻成后,由于岩石的蠕变而常发生井眼缩径,使钻具、套管和测井仪器难以下到井底,本文应用粘弱性理论,对横观各向同性岩层井眼的位移进行了分析,推导出井眼径向位移与原地应力、岩层的各向异性特性、稳定周期及钻井液密度的关系式,本文的分析和给出的计算公式对在横观各向同性岩层钻井设计和施工具有一定的指导意义。     

岩石各向异性和接收器阵列的空间分布对地震信号的影响

由于岩石各向异性,相速度的大小和方向与能量速度的大小和方向不同。在均匀各向异性介质中,弹性波以能量角方向向前传播。基于已报道的岩石各向异向性参数,文章计算了岩石各向异性对地震勘探信号的时-深转换关系的影响。计算结果表明：如果忽略了岩石的各向异性,震源-接收器阵列的空间排列和方位不同,造成的时-深转换关系产生的误差的空间分布也就不同。     

一种简化的差应变地应力测量技术

差应变分析法是一种理论基础可靠的常用地应力测量方法，然而受测试条件限制以及测试技术难度等因素的影响，目前该方法的实际应用受到了一定限制。针对这一现状，在差应变分析法的理论基础上，以古地磁岩心定向技术为基础，引入岩石波速各向异性分布特征与地应力方向的相关原理，提出了一套简易可行的室内地应力测量新方法，即:主方向差应变分析法。该方法根据岩石波速分布特征确定出水平主应力的方向，依据水平主应力方向来制备差应变实验岩样并进行实验。和常规差应变分析法测量结果相比，该方法测量所得地应力大小的相对误差一般小于3%，地应力方向的误差一般小于5°。实例研究表明，该方法降低了实验技术难度，测量精度满足工程技术要求，具有推广价值。     

Experimental Study of Rock Drill-ability Anisotropy by Acoustic Velocity

1. Introduction Evaluations of rock drill-ability anisotropy are very important for directional control and preventing hole deviation in drilling engineering. Many theories have been proposed to explain the hole deviation since the 1950s, such as the micro-whipstock theory (Rollins, 1963), reaming and bit drift theory (Knapp, 1965), preferred chip formation theory (Mclamore, 1971), anisotropic plasticity theory (Parisean, 1971) and the rock drill-ability anisotropy theory (Lubinski and Woods…