基于黏弹性介质波动理论的页岩超声波数值模拟

利用超声波透射法来研究页岩的超声波响应特征,是页岩气开发过程中利用测井资料解决地质和工程问题的基础,而目前对于以页岩地层声波测井为目的的声学响应研究成果则鲜有报道且相关研究将页岩当作弹性介质来处理,未考虑页岩的黏弹性特征。为此,基于黏弹性介质波动理论,结合超声波透射实验背景,构建初始条件、振源条件、边界条件和稳定性条件,采用交错网格有限差分法模拟不同层理角度页岩的超声波透射实验。研究结果表明:①数值模拟计算和物理实验所得到的页岩声波特性变化趋势相互吻合;②基于理想和真实岩心的数值模拟计算和物理实验所得到的页岩衰减系数随测试频率、层理角度变化的规律均一致;③在层理尺度和密度恒定的条件下,随着层理角度的增大,波速呈幂函数递减,衰减系数呈线性增加。结论认为:①基于黏弹性介质声波波动理论,结合高阶交错网格差分技术建立的模拟页岩超声波透射实验的数值计算方法计算科学合理,具有较强的适应性;②利用该数值模拟方法可以从微观角度分析页岩层理特征对超声波传播特性的影响规律;③新方法拓展了层理性页岩地层声学研究的思路、避免了人为误差、节约了实验成本,具有重要理论价值和实际意义。     

页岩水平井井眼轨迹方位与层理面产状的关系

准确掌握层理面产状对页岩水平井井眼轨迹方位选取的影响规律,能有效预防井壁坍塌,节约钻井成本。对长宁区块H1井龙马溪组岩心进行三轴压缩实验,依据页岩岩石强度单一弱面剪切破坏准则和页岩水平井井壁应力分布模型,建立了页岩水平井井壁坍塌压力计算模型。利用页岩水平井测井资料和岩石力学实验数据,采用数值模拟方法,得到层理面产状对页岩水平井井壁坍塌压力的影响规律。当页岩层理面倾向一定时,随层理面倾角的逐渐增大,页岩水平井井壁坍塌压力当量密度范围逐渐变宽。当层理面倾角小于45°时,井壁岩石发生层理面的剪切破坏;当层理面倾角大于45°时,井壁岩石发生本体破坏,且当井壁岩石发生本体破坏时,页岩水平井沿层理面倾向的相反方向钻进有利于井壁稳定。     

层理性页岩地层超声波透射实验

层理发育的硬脆性页岩的声波响应特征是页岩气开发过程中测井资料应用的基础,为获得对层理性页岩储层超声波传播特性的认识,选取渝东南地区下志留统龙马溪组野外露头岩块,通过波速初步筛选出横向各向同性的大岩样,在此基础上钻取不同层理方向的小岩柱,进行室内多频率超声波透射实验,以获取不同层理下的声波传播规律。实验结果表明：①实验用岩样以黑色、灰黑色及深灰色页岩、粉砂质泥岩为主,孔隙度变化范围为1.5%~2.5%,大部分岩样的渗透率小于1 mD;②在0°~90°范围内,随层理倾角的增加,波速减小趋势明显,衰减系数增加;③波速与孔隙度呈现较好的负相关性,随孔隙度增加,衰减系数增加且增加程度随层理倾角变大而加剧;④波速与频率呈对数增加的趋势,频散现象明显,衰减系数随频率增加而增大。所得到的页岩层理与声波属性相关性的实验结果,可为页岩气开发过程中建立准确的地层岩石强度剖面及井壁稳定分析提供实验依据。     

涪陵焦石坝区块页岩动静态弹性模量转换关系研究

油气开采过程中，常通过测井资料和室内试验2种方式获得岩石的力学参数，通过测井资料获得的动态力学参数与通过室内试验获得的静态力学参数相比，在资料的数量、实时性以及获取成本等方面都具有明显优势，而现有力学本构关系是基于静态力学参数建立的，因此有必要建立动静态力学参数的转换关系。鉴于此，选取层理发育完好的涪陵地区焦石坝区块下志留统龙马溪组页岩，逐一分析不同层理角度、孔隙度和声波频率对页岩弹性模量的影响，结果表明，层理角度对页岩弹性模量影响规律最强。根据试验结果，利用相关性分析法建立了层理角度与动静态弹性模量的转换关系模型，并对相同区块的页岩进行了模型验证，发现该模型预测值的平均误差小于6%，具有误差小且计算简单的特点。该研究结果可为获得层理性页岩的动静态弹性模量转换关系提供一种快速有效的方法。      

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。     

综合矿物组分和弹性力学参数的页岩脆性评价方法

利用常规测井和阵列声波、元素俘获等特殊测井资料,结合X衍射和岩石三轴抗压强度等岩石力学实验,综合考虑不同矿物组分与弹性力学参数的关系,建立了一种新的脆性指数评价模型。新的岩石脆性计算方法既克服了岩石力学参数法不考虑微观矿物组分的缺点,又解决了矿物组分法对宏观岩石力学参数缺乏考虑的问题。与已有的脆性指数计算方法相比,新方法较准确地体现了不同矿物组分对页岩脆性的贡献率,为研究区页岩储层的压裂工作奠定了基础。     

利用纳米压痕实验研究层理性页岩岩石力学性质——以渝东南酉阳地区下志留统龙马溪组为例

采用点矩阵纳米压痕技术对渝东南酉阳地区下志留统龙马溪组页岩进行弹性模量、硬度、断裂韧性等力学参数测量,借助场发射扫描电镜和能量色散X射线荧光光谱对压痕形貌及压痕区域矿物组成进行定量分析,提出基于矿物强度分类的三组分页岩微观力学模型,采用Mori-Tanaka方法实现力学参数从纳米向厘米尺度升级,并利用页岩单轴压缩实验结果进行对比分析。实验结果表明,纳米尺度下的页岩弹性模量与硬度、弹性模量与断裂韧性之间具有良好的线性关系,垂直层理方向的页岩弹性模量、硬度、断裂韧性等略小于平行层理方向;力学参数具有Weibull分布特点,硬度结果离散性最强,分析主要为页岩本身非均质性和压痕投影不确定性所导致。对比纳米压痕均值统计、尺度升级模型与宏观单轴压缩实验结果发现,纳米尺度下力学参数结果要高于尺度升级模型和单轴力学实验参数结果,证实不同尺度下的力学参数存在差异性,岩心尺寸越大,包含颗粒间孔隙和内部缺陷越多,岩石力学参数解释结果精确性越差。     

利用纳米压痕实验研究层理性页岩岩石力学性质——以渝东南酉阳地区下志留统龙马溪组为例

采用点矩阵纳米压痕技术对渝东南酉阳地区下志留统龙马溪组页岩进行弹性模量、硬度、断裂韧性等力学参数测量,借助场发射扫描电镜和能量色散X射线荧光光谱对压痕形貌及压痕区域矿物组成进行定量分析,提出基于矿物强度分类的三组分页岩微观力学模型,采用Mori-Tanaka方法实现力学参数从纳米向厘米尺度升级,并利用页岩单轴压缩实验结果进行对比分析。实验结果表明,纳米尺度下的页岩弹性模量与硬度、弹性模量与断裂韧性之间具有良好的线性关系,垂直层理方向的页岩弹性模量、硬度、断裂韧性等略小于平行层理方向;力学参数具有Weibull分布特点,硬度结果离散性最强,分析主要为页岩本身非均质性和压痕投影不确定性所导致。对比纳米压痕均值统计、尺度升级模型与宏观单轴压缩实验结果发现,纳米尺度下力学参数结果要高于尺度升级模型和单轴力学实验参数结果,证实不同尺度下的力学参数存在差异性,岩心尺寸越大,包含颗粒间孔隙和内部缺陷越多,岩石力学参数解释结果精确性越差。     

利用纳米压痕实验研究层理性页岩岩石力学性质——以渝东南酉阳地区下志留统龙马溪组为例

采用点矩阵纳米压痕技术对渝东南酉阳地区下志留统龙马溪组页岩进行弹性模量、硬度、断裂韧性等力学参数测量,借助场发射扫描电镜和能量色散X射线荧光光谱对压痕形貌及压痕区域矿物组成进行定量分析,提出基于矿物强度分类的三组分页岩微观力学模型,采用Mori-Tanaka方法实现力学参数从纳米向厘米尺度升级,并利用页岩单轴压缩实验结果进行对比分析。实验结果表明,纳米尺度下的页岩弹性模量与硬度、弹性模量与断裂韧性之间具有良好的线性关系,垂直层理方向的页岩弹性模量、硬度、断裂韧性等略小于平行层理方向;力学参数具有Weibull分布特点,硬度结果离散性最强,分析主要为页岩本身非均质性和压痕投影不确定性所导致。对比纳米压痕均值统计、尺度升级模型与宏观单轴压缩实验结果发现,纳米尺度下力学参数结果要高于尺度升级模型和单轴力学实验参数结果,证实不同尺度下的力学参数存在差异性,岩心尺寸越大,包含颗粒间孔隙和内部缺陷越多,则会导致岩石力学参数值减小。     

层理发育的页岩气储集层压裂裂缝扩展模拟

以涪陵页岩气田焦石坝背斜主体区为研究对象,通过室内岩石力学实验和直剪实验明确了层理发育的岩石力学各向异性特征及其参数;结合室内实验评价结果,基于离散元方法建立了考虑力学各向异性、层理弱面和纵向应力差异的目标储集层三维压裂裂缝扩展模型,分析了不同层理弱面发育密度、层理强度以及压裂工程参数(射孔簇数、排量和压裂液黏度)条件下的水力裂缝展布规律。研究表明:综合考虑层理弱面和纵向应力差异的影响,研究区3～4 MPa的隔层应力差异将缝高控制在应力遮挡层内,缝高低于40 m;若不考虑层理弱面影响,缝高扩展预测结果明显较高。高密度层理缝的开启增加了水力裂缝复杂性,但显著限制了水力裂缝缝高的延伸。通过降低簇数、提高排量、增加前置液阶段高黏度压裂液用量及比例,可以减少层理弱面与纵向应力差异对缝高扩展的限制,促使裂缝纵向延伸。利用裂缝扩展模型对涪陵页岩气田焦页A井压裂施工段进行模拟,模拟结果与微地震裂缝监测结果相符。图13表4参34     

井间岩石力学参数预测

岩石力学参数是表征裂缝发育特征及指导压裂的关键参数,其求取方法主要有岩心实验测定和声成像测井两种,但获取成本较高、数据相对稀少.常规测井资料和三维地震资料在各油气田开发区已被广泛录取,利用多元回归技术建立常规测井资料与岩石力学参数之间的关系,经过误差校正可以准确计算井眼岩石力学参数;再根据测井资料纵向分辨率高和三维地震资料横向分辨率高的特点,利用地球物理反演和三维建模技术建立研究区内岩石力学参数三维模型,可以预测井间岩石力学参数.     

准噶尔盆地玛北斜坡区砂砾岩破裂压力预测方法研究

基于地层岩石三轴应力原理,利用裂缝形态特征分析地层现今地应力状态;采用岩石力学、声学实验,建立偶极声波测井评价岩石力学参数的动静转换模型;结合岩石破坏准则,建立玛北斜坡区砂砾岩破裂压力测井预测方法,对15口井进行破裂压力预测,利用压裂资料刻度,相对误差6.1%,破裂压力预测精度达到水力压裂施工要求。     

层理对页岩纵波特性的影响

研究层理性页岩声波响应特征有助于利用声波测井资料指导页岩气井安全钻井。采集四川盆地长宁地区下志留统龙马溪组露头页岩岩样,并沿不同角度钻取页岩岩心。基于多频声波测试系统,开展了多层理角度下页岩声波实验,分析了层理角度对纵波速度、衰减系数、时域、频域等特性的影响。开展了数值模拟实验,分析了岩心端面垂直时平行层理面、层理密度对波速、衰减的影响。结果表明：随着层理角度增大声波时差、声波衰减系数均线性增大;声波速度存在频散现象,测试频率不同,声波速度不同;声波速度与层理密度呈线性负相关;层理角度对页岩声波主频没有影响。该研究结果为页岩气井安全钻井及压裂改造等工程设计提供了参考。     

基于数值模拟的储层岩石力学参数预测模型分析及应用

由于储层钻孔采样所获取的实际岩心数量有限,导致室内物理力学试验结果具有较大离散性,难以准确地标定储层岩石力学参数。为此,应用数值模拟方法,根据某油田取心样品的物理力学试验结果以及测井资料中不同埋深储层岩石的孔隙度,利用有限元分析软件RFPA2D建立相应的数值模拟岩心,进而对不同孔隙度数值模拟岩心的弹性模量、应力峰值强度、残余应力强度及泊松比等岩石力学参数进行数值分析。将物理力学试验结果与数值模拟结果进行整体回归分析,得到以孔隙度为主变量的岩石力学参数预测模型。基于该预测模型,建立某油田储层三维水力压裂模型,探讨三维水力压裂裂缝的扩展形态,并将数值模拟试验与现场施工的压裂曲线进行对比,发现二者的压裂压力在变化趋势上基本一致,且压裂段的起裂压力与延伸压力相差也较小,验证了研究成果及方法的合理性和适用性。     

公山庙构造岩石力学参数的测井计算

岩石力学参数包括泊松比、三个强度、三个模量等。准确计算岩石力学参数对油气田钻井、完井、开发工程等有着至关重要的作用。现今求取岩石力学参数的方法有两种，一是通过岩石力学实验测定，二是由测井资料计算得到。本文基于岩石力学三轴实验结果，利用测井资料计算了公山庙构造多口井的沙溪庙一大安寨组地层岩石力学参数，阐述了测井计算岩石力学参数的关键点和应注意的问题。研究表明，用测井资料计算该套地层的岩石力学参数是有效的，可以满足油气井工程的需要。     

温压耦合作用下四川盆地深层龙马溪组页岩孔渗和岩石力学特征

为了研究温压耦合变化对深层页岩孔隙度、渗透率和岩石力学特征的影响,选择四川盆地威荣和永川地区下志留统龙马溪组深层页岩岩心样品,设计开展温压条件的上限为120℃、70 MPa的孔渗实验和三轴压缩岩石力学—声波一体化实验。研究结果表明：(1)微观上的孔渗变化与宏观上的岩石变形相互约束,均呈现先快后缓的变化特征,最大温压实验条件下孔隙度降低34%～71%、渗透率降低85%～97%。随着温压的升高,深层页岩经历了以有机质孔、黏土矿物孔被压缩和微裂缝受压闭合的塑性变形和脆性矿物孔、岩石骨架颗粒本体被压缩的弹性变形;(2)与常温高围压实验对比,高温对孔渗应力敏感的影响显著。高温通过增加岩石塑性,加剧高围压对孔隙的压缩,同时引发岩石骨架颗粒间产生热应力,页岩层理易重新开启或沿层理等软弱面产生新缝,使得页岩渗透率随温度和围压升高而降低的程度减弱;(3)与常温三轴力学实验对比,深层页岩在高温高压耦合作用下,抗压强度和峰值应变量显著增加,抗压强度最高达435 MPa、峰值应变超过2%,说明高温增加了岩石塑性,不利于页岩的破裂和裂缝扩展;(4)岩相和矿物组分对深层页岩孔渗和岩石力学特征具有重要影响。不同岩性...     

数字岩心技术在页岩弹性模量计算中的应用

弹性模量是页岩气勘探开发寻找甜点的一项重要参数,也是直接决定水力压裂效果的重要指标。由于页岩通常具有极高的脆性,很难通过传统岩石力学实验方法来测定其弹性力学特征。为进行弹性模量预测,采用最新的数字岩石物理手段,结合扫描电子显微镜成像、页岩矿物质组分定量确定和有限元数值模拟等方法,通过模拟页岩数字岩心在线弹性范围内的应力应变的响应过程,计算出页岩数字岩心的有效弹性参数,并通过对不同尺寸计算区域的模拟计算结果进行比较,验证了此方法的取样代表性。模拟计算结果与实际测井数据比对也证实了此方法的有效性。     

孔隙流体对砂岩弹性参数的影响

为研究孔隙流体类型及饱和度对岩石弹性参数的影响,在模拟地层温度、压力条件下采用超声脉冲透射法对不同流体状态的岩样进行了声学测量,采用流体指示因子定量评价了研究区岩石弹性参数对孔隙流体的敏感程度,进而优选敏感参数用于地震叠前反演的解释.理论数据与实验结果的对比分析认为,相对于纵横波速度而言的岩石拉梅系数、纵横波速度比、泊...     

本期导读

正页岩特殊的层状结构使得其存在显著的强度各向异性特征,这种强度上的各向异性是导致页岩井壁失稳的主要力学机制。崔云海等采用焦石坝区块龙马溪组井下岩心开展直接剪切实验获取页岩的各向异性强度参数,并与三轴岩石力学实验结果进行对比,形成了通过直剪实验表征页岩本体和层理强度的方法;结合单弱面强度准则和井周应力分布解     

新型脆性因子及其在泥页岩储集层预测中的应用

针对油气勘探中普遍使用的脆性因子的缺点,构建了两个新的相对脆性因子(弹性参数脆性因子和矿物脆性因子),以准确预测脆性泥页岩的空间展布。弹性参数脆性因子利用测井、地震得到的弹性参数(弹性模量和泊松比)评价储集层脆性,这些参数能够反映储集层原位物理性质;根据弹性参数脆性因子确定泥页岩中主要矿物的脆性系数,构建与每种矿物脆性系数及体积分数相关的矿物脆性因子。所构建的两个脆性因子有一定的理论优势并能够较合理地对测井、叠前地震资料反演结果进行解释。根据富有机质泥页岩岩石物理模型,建立矿物-弹性参数-脆性因子的岩石物理量版,对测井资料进行分析以得到优质脆性泥页岩的弹性参数特征,并将其应用于解释叠前地震资料反演结果,得到优质含气脆性泥页岩的空间分布范围,所预测的优质含气脆性泥页岩分布与测井资料对应较好。图12表2参18