页岩力学参数各向异性研究

页岩气开发过程中钻遇的页岩储层,由于其层理构造具有明显的各向异性,开展相关研究对钻井和储层改造是十分重要的。分析认为,可以假设页岩为横观各向同性介质,并从横观各向同性应力应变关系的坐标变换出发,能够推导出层理性页岩方向性的弹性模量、泊松比与垂直层理、平行层理方向弹性常数的关系。通过不同层理倾角页岩岩样的单轴压缩实验和超声波实验测量岩样的抗压强度、动静态弹性模量和动静态泊松比,研究了页岩层理对其力学参数的影响。实验和理论计算结果均表明：将层理页岩看做横观各向同性介质在力学上是相对准确的;垂直层理方向的弹性模量和泊松比小于平行层理方向的弹性模量和泊松比;动态弹性参数的各向异性程度强于静态弹性参数的各向异性程度;层理岩石弹性模量、泊松比随层理倾角有规律变化;根据垂直和平行层理面的弹性常数可以确定任意方向上的弹性模量和泊松比。     

四川盆地涪陵地区龙马溪组页岩横向各向同性地应力测井评价方法

页岩由于矿物的定向排列等因素呈现出各向异性,基于各向同性模型的地应力计算方法已不适用。综合测井、岩心实验、压裂施工等数据建立涪陵地区龙马溪组页岩横向各向同性地应力测井评价方法,主要包括：建立垂向有效压力与横波速度关系模板,预测地层压力;利用通过岩石物理建模的方法计算求取目的层的Biot系数;采用速度回归拟合的方法求取页岩横向各向同性介质6个刚度系数,计算横向、垂向杨氏模量及泊松比。应用结果表明横向各向同性模型能更好地反映实际地层情况。     

陆相页岩储层横观各向同性地应力测井预测

以新疆MH凹陷F组陆相页岩油储层为研究对象,开展了不同角度岩样声波波速测试以及单三轴压缩测试,分析并计算了研究区页岩油储层地层压力及构造应变系数,对比了使用均质体地应力模型（黄氏模型及组合弹簧模型）与横观各向同性地应力模型计算水平地应力效果。结果表明：0°、45°及90°方向岩样声波波速差异明显,体现出较强的各向异性特征;岩样破坏形态以脆性破坏为主,90°方向岩样抗压强度、弹性模量以及泊松比明显大于0°方向岩样力学参数值;横观各向同性地应力模型计算水平最小、最大地应力结果与实测地应力相对误差仅为1.79%、5.00%,相对于均质地层的组合弹簧模型和黄氏模型而言精度更高。因此,使用横观各向同性地应力模型计算陆相页岩油储层地应力有更好的效果,对于压裂层段优选、钻井安全钻进等均具有重要意义。     

利用邻层反演水平层理页岩地应力方法

水平层理页岩垂直和平行层理方向岩石力学特性的强差异及岩石的破碎性,造成现有地应力计算方法精度不够及地应力室内岩心试验困难。为了有效地指导钻井和压裂设计,开展了页岩地应力评价方法研究。利用单轴压缩试验,获得了不同层理面方向的页岩弹性参数,岩石呈现明显的横观各向同性特征。基于横观各向同性材料的本构关系、并假设在沉积和后期地质构造运动过程中地层和地层之间不发生相对位移,建立了利用邻层砂泥岩地应力反演水平层理页岩地应力的模型,并分析了地应力的敏感性因素及其影响规律。结果表明,页岩地应力受控于邻层砂泥岩的弹性模量、泊松比、地应力值和页岩自身的弹性参数,利用该方法计算的最大和最小水平主应力值比Terzaghi和Newberry模式高,处于黄荣樽模式的上、下限范围内。研究结果为评价水平层理页岩地应力提供了新的方法。      

页岩储层各向异性对裂缝起裂压力的影响

页岩储层水平方向上的层理性结构导致了页岩较强的非均质性和各向异性。基于岩石横向各向同性本构关系以及渗流与变形耦合数值方法,建立了页岩水平井裂缝起裂的三维有限元数值模型,对射孔方位角、弹性力学各向异性以及地应力各向异性对水力裂缝起裂压力的敏感性进行了研究。研究结果表明：随射孔方位角的增加,起裂压力增大,起裂压力应力分布云图呈部分“椭圆状”且倾向于最大水平主应力方向;弹性模量各向异性较大和泊松比各向异性较小时,岩石表现出在水平方向上较强的刚性特征,裂缝起裂的可能性较大;弹性模量各向异性较小和泊松比各向异性较大时,岩石表现出在垂向方向上较强的刚性特征,岩石不易起     

倾斜井声波测井记录的各向异性校正及其在地震联井中的应用

在阿拉斯加北坡的耐库科油田地区,穿过HRZ和Colville页岩的倾斜井中的声波测井记录值明显地比垂直井的测井记录值要大一些.这一差异归因于页岩的各向异性.一种迭代反演方法利用以不同的角度穿过页岩段的多口井来反演页岩的各向异性参数.这一反演涉及到要使声波测井数据按钻孔倾角的范围和纵波群速度波前面进行匹配(调整).计算结果是对各向异性参数(εandδ)和垂向P波速度的估计.结果表明页岩有很强的各向异性性质,其纵波各向异性(汤姆森参数ε)高达40%,各向异性参数δ(垂向速度和短偏移NMO速度的联系)约为10%.如此大的各向异性会影响到地震成像,AVO和时深计算.作者开发了一个程序可以用来评价对倾斜井声波数据进行各向异性校正后得到的垂向声波记录.输入是井斜,纵波的声波测井记录,页岩的体积或伽马测井值和体积100%为页岩的岩石的各向异性参数.根据这些输入值,可以计算出纵波的群速度波前面,并输出相应的垂向P波测井记录.然后假定速度各向同性,这些垂向声波记录就可以用于标准地震应用中.该方法在一口倾角约67°的井进行了试用.用声波测井记录反演出页岩的各向异性参数,并且得到经过各向异性校正的声波曲线.地震约束井尝试分别采用实测记录和经过各向异性校正的记录进行约束,结果表明经过各向异性校正的记录约束效果比较好,而实测记录约束效果较差.     

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。     

海拉尔油田不同岩性动态岩石力学参数模型建立及求解

弹性动力学理论认为,岩石力学参数与声波时差、密度存在一定的关系,通过XMAC测井曲线建立了弹性模量与声波时差、密度,泊松比与声波时差、密度的经验关系式.通过4种关系的相关系数可以看出,弹性模量与声波时差相关系数最好,为0.870 2,而与其他曲线之间相关性很差.因此,可以采用声波时差曲线进行岩石力学参数的经验关系计算.采用GR和AC曲线组合,可以准确识别含凝灰质储层的岩性.通过特殊测井计算岩石力学参数与常规测井响应关系回归,分岩性建立基于常规测井响应的岩石力学参数计算模型以提高计算精度.     

基于地层元素测井的页岩油储层评价

吉林油田松辽盆地南部页岩油储层具有岩性复杂、物性差、非均质性强等特征,利用常规测井资料进行储层评价的传统方法难以实现储层岩性、物性及可压裂性相关参数的精确计算。通过地层元素测井资料建立针对区域地质特点的矿物含量计算模型,可以获取页岩油储层精细岩性特征,进而开展页岩油综合评价。以吉林油田松辽盆地南部青山口组的页岩油储层为研究主体,基于X衍射全岩分析和地层元素测井资料建立解释模型,通过最优化求解算法计算出页岩油储层主要矿物含量,开展骨架密度、孔隙度、渗透率和脆性指数等参数评价,并综合利用地层元素测井处理解释成果识别优势储层段,完成研究区青一段页岩油储层分类。结果表明,矿物含量计算结果与X衍射全岩分析结果一致性良好,利用变骨架密度计算的储层孔隙度与岩心分析值误差较小,通过矿物组分计算的渗透率与岩心分析值对比吻合较好,脆性指数计算结果与阵列声波反映的地层岩石力学特征一致,有效指导现场压裂,达到了良好的应用效果。     

裂缝密度反演的页岩储层地应力地震预测方法及应用

页岩储层地应力地震预测法通常运用弹性参数计算水平应力差异比（DHSR）,但是存在不足：一是预测方程中含有各向异性参数（裂缝柔度）,不容易求取,造成地应力预测难度较大;二是预测方程中的杨氏模量、泊松比等参数是由间接反演求取的,精度较低,难以满足页岩气地质工程一体化的要求。为此,提出了基于裂缝密度反演的页岩储层地应力地震预测方法。建立了基于杨氏模量、泊松比和裂缝密度的纵波方位各向异性AVO方程直接反演弹性参数,推导了由泊松比和裂缝密度表示的DHSR公式。根据井数据进行页岩储层各向异性岩石物理建模,并开展叠前方位各向异性反演,利用反演的泊松比和裂缝密度估算DHSR,运用DHSR评价页岩储层的地应力特征。应用实例表明：DHSR越小,水力压裂会产生不同方向的正交复杂裂缝网,可以更好地改造储层的物性和渗流通道,储层改造体积越大,越利于储层压裂;DHSR越大,水力压裂会产生平行于水平最大主应力的非正交平面裂缝,形成孤立裂缝,不利于体积改造。同时,DHSR预测结果与现有的测井地应力计算、压裂监测及产量测试等结果的一致性很高,并且符合地质认识,说明了所提方法的有效性和可靠性。     

基于测井资料的TIV地层水平地应力计算方法

低孔低渗地层常具有TIV各向异性特征,准确计算水平地应力对该类储层的射孔和压裂设计至关重要。为了更加准确地计算TIV地层的水平地应力,针对该类地层的低压特征,优选Bowers法求取地层孔隙压力,然后利用阵列声波测井资料求取TIV地层的岩石力学参数（垂直与水平方向上的杨氏弹性模量和泊松比）;同时考虑层理面产状对水平地应力的影响,改进了传统的Sn模型,建立了TIV地层水平地应力新计算模型。用新模型计算了鄂尔多斯盆地合水地区长6、长7和长8段TIV地层的水平地应力,计算结果与实测最大、最小水平地应力的最大相对误差分别为8.70%和7.86%,低于Sn模型的相对误差。研究结果表明,新模型计算的水平地应力更符合实际地应力纵横向分布的变化规律,可为致密油储层的水力压裂设计提供更可靠的参考依据。      

应力阴影效应对水平井压裂的影响

为揭示水平井分段改造中的应力阴影效应及其影响因素,基于水平井分段体积改造理论,借鉴Bunger的应力场分析假设条件,从水平井单一横切缝入手,建立起了考虑应力阴影的应力场叠加数学模型并推导出数学公式,在此基础上得出简化的水平井多段应力阴影效应应力场模型。对应力阴影效应影响因素的分析结果表明:储层地质参数中杨氏模量、水平主应力差对应力阴影效应的影响大,而泊松比对其影响则很小;施工参数中施工排量对应力阴影效应的影响明显,在一定储层条件下,分段及簇间距越小,应力阴影效果对水平井裂缝附近其他裂缝的扩展产生应力阴影影响越大。利用该研究成果对现场实际水平井压裂进行了优化设计,微地震监测结果表明:利用应力阴影效应只压裂6段就实现了以往10段压裂的改造体积,较之以往减少压裂4段,节约成本在30%以上。这对合理利用应力阴影效应进行水平井体积改造裂缝尺寸设置及工艺参数优化具有重要的指导意义。     

随钻电阻率受地层各向异性影响的判别

随钻测井已经成为大斜度井、水平井和小井眼的侧钻多分支井油气藏评价的重要手段,是定向井的关键技术之一。在大斜度井和水平井中随钻电阻率受地层倾角、井斜角的影响比较大,常规各向异性校正处理中,一般针对服务公司提供的校正图版来做手工校正,但基于图版的各向异性校正方法中的各向异性系数较难确定,不利于逐点解释。为此,在考虑到各向异性图版校正数量少、并非完全符合实际地层情况的基础上,应用一种迭代算法来对随钻电阻率受地展各向异性影响进行反演校正。利用该方法对东部X1和X2等井进行了反演校正处理,结果表明该方法能较真实地反映实际地层电阻率。     

川西坳陷中段中深层致密储层的裂缝识别

川西坳陷中段中深层碎屑岩致密化程度高,以裂缝性储层为主,裂缝发育程度决定了油气井的产量。裂缝的常规测井特征表现为密度测井呈尖蜂状异常、密度值降低、声波时差增大、电阻率曲线呈尖蜂状中高值;测井地应力剖面具有高泊松比、低杨氏模量和低抗压、低抗张强度;三轴应力表现为最小水平主应力增加和最大水平主应力减小的“瓶颈”现象。     

应用地应力分析技术优化九龙山构造的钻井设计

四川盆地川西地区北部九龙山构造钻井中经常出现井涌、井漏、卡钻、遇阻等钻井复杂和事故。为此,在该构造应用地应力分析技术（GMI）开展了现今地应力状态研究和岩石力学参数定量计算,先通过密度测井、水力压裂及成像测井等资料解释出上覆岩石应力属于中间主应力,然后应用密度、声波等测井数据,采用不同模型计算砂岩、泥岩、碳酸盐岩的岩石强度、杨氏模量、泊松比、内摩擦系数等岩石力学参数,从而获取了较准确的地层压力三曲线剖面,评估了该区地应力状态下的直井、定向井及水平井的井壁稳定性。根据该区钻井复杂和事故形成的力学根源,提出了适合该构造钻井的合理的井身结构、安全的钻井液密度窗口、钻井轨迹最佳方向等新井钻井设计优化建议。新钻5口井实际应用效果表明：钻井复杂和事故得到了显著降低,钻井周期明显缩短,由此加快了九龙山构造的勘探开发步伐。     

横波各向异性分析方法及其在复杂储层中的应用

裂缝和井周的不均衡地应力均可引起地层的横波各向异性。分析井周地层的横波各向异性特征,可以指示地层的裂缝和不均衡地应力信息。从各向异性地层中的横波分裂现象入手,基于波形反演理论,利用正交偶极子阵列声波资料,分析和评价了裂缝性和低孔、低渗储层的横波各向异性,利用计算得到的各向异性参数评价了裂缝性地层中裂缝的发育程度、方位以及低孔、低渗地层的地应力分布状态。利用单极子横波各向异性大小和快、慢弯曲波波形频散曲线关系,分析了引起横波各向异性的原因。结合常规测井资料、岩心及FMI成像资料对分析结果进行了验证和对比,两者吻合得较好。应用结果表明,横波各向异性参数可以有效地评价裂缝的发育程度、走向及有效性,并能准确地确定地应力分布状态和最大水平应力方位。     

涪陵页岩气田焦石坝区块页岩脆性指数地震定量预测

为了确定四川盆地涪陵页岩气田焦石坝地区页岩储层相对高脆性层段及压裂有利区,研发了适应于复杂构造应力环境的多参量页岩脆性指数的地震定量预测技术。首先通过对构造、岩石矿物组分、岩心裂缝发育程度、测井、地震等资料的综合分析,明确了构造挤压应力对岩石脆性特征的影响作用;然后在Rickman公式的基础上,引入反映横向剪切应力—应变作用的剪切模量,构建了基于杨氏模量、泊松比、剪切模量×密度的新脆性指数预测模型;最后结合基于矿物组分的弹性岩矿脆性指数法可精确计算全井段脆性指数的优势,形成了适应复杂构造应力环境的多参量页岩脆性指数定量预测技术。应用效果表明:(1)利用该技术预测的结果与未参与建模探井的脆性指数计算结果吻合较好,相对误差在4%以内,证明该技术是可靠的;(2)焦石坝地区上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组优质页岩的脆性指数具有自上而下逐渐增高的趋势且横向上分布稳定,其中五峰组—龙马溪组一段一亚段的脆性指数为最高,是水平井穿行与压裂的最有利层段。     

四川盆地川西坳陷上三叠统须家河组储层各向异性地应力评价方法

尽管四川盆地川西坳陷上三叠统须家河组砂岩是非常致密的气藏,但是其中一些储层天然裂缝发育,尤其是须二段的优质储层,垂直裂缝或高角度裂缝发育。这导致了岩层和水平主应力的各向异性。对于这类储层如果采用常规的各向同性地应力评价方法,则会高估岩层的实际水平主应力。根据钻井中的溢流、井涌和测试压裂,以及井壁崩落等数据研究了这类储层地应力的新的评价方法,得到了新场气田和合兴场气田的地层压力与地应力实测结果。这些结果表明岩层的天然裂缝对地应力有较大的影响。采用各向异性理论建立了须家河组储层地应力的VTI和HTI模型。含天然裂缝储层的实测数据表明,随着裂缝密度、裂缝倾角和裂缝指示因子的增大,水平主应力和破裂压力减小,这与HTI模型相吻合。结合各向异性模型与天然裂缝、水平主应力和破裂压力的实测数据,得出了适合于须家河组储层特点的地应力预测公式及其对压裂影响的评价方法。