碳酸盐岩地层岩石声学特性的试验研究与应用

选取并收集我国川东北地区和济阳坳陷古潜山构造的地层岩样及相对应的井下声波测井资料，测试了岩石的牙轮钻头可钻性、PDC钻头可钻性和声学特性，应用数理统计方法研究分析了岩石地面纵波速度VP、横波速度VS分别与牙轮钻头可钻性KdRC，PDC钻头可钻性KdPDC的相关关系及同块地层岩样地面纵波速度VP与井下测井纵波速度VPD的相关关系，建立了利用声波测井资料预测碳酸盐岩地层剖面可钻性的数学模型，选定符合率F值大于0．75为检验标准，经用现场声波测井资料代入预测模型进行计算，预测精度达91．7％，达到并超过了研究预期的技术指标。     

岩屑声波法评价岩石可钻性的试验研究

岩石可钻性是石油钻井中优选钻头类型的重要依据。岩屑声波法评价岩石可钻性以容易获取、来源充足的钻井岩屑为研究资料，通过测定岩屑的声波波速，来定量计算岩石的可钻性级值，可以获得连续的地层信息，实现钻头类型的优选。试验分析了毫米级岩屑波速测量的可行性和岩屑波速与岩石可钻性级值的相关性，表明岩屑波速具有良好的代表性，且岩屑波速与岩石可钻性级值(Kd)有着密切的关系。测定了26块有代表性的岩芯的可钻性级值及相应岩屑的声波速度，建立了岩石可钻性级值(Kd)与岩屑波速的关系模型。在一口预探井进行了随钻检测地层可钻性的现场试验，证明该方法是有效的。     

利用纵波探头测定层状岩石的弹性常数

测量了2种岩块的垂直和平行于层理面两个方向的超声波速,数据表明平行于层理面方向及其法线方向具有很明显的波速各向异性,即平行于层理面方向的波速各方向数值近似相等且大于垂直于层理面方向波速。基于此,建立层状岩石的横观各向同性介质模型。根据横观各向同性介质波动理论,结合波速、波幅的变化规律分析,通过纵波探头平测法,测试了有较大平面的岩块横波在层理面内的偏振波速。在椭圆近似假设的基础上,即声波的横向的各向同性,其他方向各向异性以及纵横向之间按椭圆规律变化,简化了关于横向各向同性岩石动力参数的计算,得到了仅利用纵波探头测量4种波速即可近似地反演出横向各向同性岩石5个独立参数的结论。这对层状的岩体中的工程动力计算有其积极意义。     

基于波速测量的龙马溪组页岩的各向异性研究

随页岩气开采大力发展,对页岩的认识也逐显重要。页岩作为明显的层状结构岩石,普遍表现出各向异性。为此,基于横观各向同性介质模型,通过测量岩样不同方向的纵波波速和快慢横波波速,计算了长宁区块龙马溪组岩样的刚度系数与弹性系数,并与静载荷试验测定的弹性参数做出对比。试验结果表明,页岩的纵波波速以及快慢横波波速均表现出各向异性,并且随围压升高,波速升高速率变缓。岩样的杨氏模量与泊松比亦表现出各向异性,水平方向上的杨氏模量始终高于垂直方向上的杨氏模量,而3个方向的泊松比不一致。动态加载测试值与静态加载测试值随围压变化趋势一致,并且随围压升高,由孔隙和微裂缝引起各向异性减弱。考虑页岩中微裂缝的存在,通过弥散损伤模型计算龙马溪组页岩的损伤参数,认为在围压作用下微裂缝主要存在于平行层理面方向,围压对垂直层理面的裂缝影响较小。     

碳酸盐岩地层抗钻特性预测方法研究及应用

 碳酸盐岩地层是目前我国富含油气资源的主要地层,其地层抗钻特性参数的准确合理预测是油气资源高效合理开发的重要保证。通过室内岩芯试验,结合现场测井资料,运用数理统计方法研究分析碳酸盐岩地层岩石可钻性、抗压强度与声波时差,塑性系数与泊松比以及地面声波时差与测井声波时差、纵波时差与横波时差的相关关系,建立利用测井资料预测碳酸盐岩地层抗钻特性参数的预测模型。通过室内实测资料对预测模型进行验证,预测精度达90%,能够满足工程需要。利用已建立的地层抗钻特性参数测模型对川东北元坝区块海相碳酸盐岩地层的抗钻特性进行研究和分析,为该地区海相地层钻头类型和钻进参数的优选提供合理依据。     

饱水对致密岩石声学参数影响的试验研究

通过纵、横波透射测试得到了岩石内部结构的一些信息,对致密板岩、花岗片麻岩、黑云母片麻岩的声学参数进行了研究。对岩石岩样声波运动和动力参数的分析发现:(1) 上述三种岩石吸水率均较低,一般为0.05%～0.2%。其纵波波速受水的影响较小,饱水后花岗片麻岩、黑云母片麻岩纵波波速略有提高,提高幅度为1.35%～1.97%,板岩纵波波速略有降低,变化小于0.95%;而对于这三种岩石横波速度提高0.22%～1.61%。(2) 板岩、黑云母片麻岩等区域变质岩的波速各向异性特征明显,而花岗片麻岩波速不存在明显的各向异性特征。饱水对区域变质岩的波速各向异性略有强化,而对花岗片麻岩影响很小。(3) 饱水后,从上述三种岩石接收到的纵波波谱都发生了变化,纵波主频明显降低,表现为对波谱中高频成分滤波作用的增强。在饱水和烘干状态下,岩石的滤波作用都表现出了明显的各向异性,这反映出岩石不同方向上的微观结构存在差异。     

野猫井岩石可钻性钻前预测方法研究

岩石可钻性是石油钻井中钻头优选、钻进参数制定的重要依据，岩石可钻性钻前预测对于提高深井、超深井钻井效率，降低钻井综合成本具有重要意义。目前，国内外关于新探区野猫井的岩石可钻性钻前预测方面的研究很少。现有评价方法不能满足对缺少测井资料和岩心资料的野猫井的岩石可钻性进行钻前预测的需要。因此，在相似构造选择的基础上，提出了一种对野猫井岩石可钻性进行钻前预测的方法。该方法首先应用已钻相似构造井的地震资料、测井资料以及岩心测试资料，建立岩石可钻性钻前预测遗传神经网络模型，然后将神经网络与遗传算法有机结合起来，以神经网络理论为基础，利用遗传算法优化隐含层神经元个数和网络连接权值，最后利用野猫井的地震资料进行岩石可钻性钻前预测。应用该方法对新疆油田MXI井的岩石可钻性进行了钻前预测，预测结果与测井资料评价结果相比，平均相对误差为9．8％。比较结果表明，该方法具有较高的预测精度，是合理的。     

饱水度对砂岩纵波波速及强度影响的试验研究

 在岩石饱水度、纵波波速及强度的相关性研究中,较少综合地考虑饱水、风干过程及各向异性对岩样纵波波速、强度的影响,而这些问题的研究对于超声技术在岩石物理力学参数测试中具有重要的意义。基于此,选取三峡库区典型层状砂岩,制备垂直层理和平行层理两种岩样,进行岩样的饱水和风干试验。试验结果表明：(1) 岩样的纵波波速与饱水度具有明显非线性、非单调的关系,含水岩样的纵波波速不仅与饱水度的大小有关,而且与饱水、风干过程有关。(2) 砂岩各向异性明显,在饱水和风干过程中,垂直层理岩样纵波波速的变化幅度明显大于平行层理岩样,饱水后,砂岩的各向异性特征略有增强。(3) 在饱水、风干过程中,岩样的抗压强度和纵波波速存在变化规律不一致的现象,岩石矿物颗粒表面和孔壁的吸附水对岩样的弹性模量和强度影响较大,而岩石孔隙内的饱水程度对纵波波速的影响更为明显。研究成果对含水岩石的强度、波速测试分析具有较好的参考价值,同时,相关试验方法也可以为类似试验提供参考。     

定向钻井PDC钻头三维钻速预测方法

综合考虑PDC钻头的切削作用、钻具组合的力学作用和地层岩石可钻性各向异性,根据钻头力平衡原理,建立一种新的PDC钻头三维钻速预测方法。在钻头瞬态力平衡计算中,不仅考虑钻具组合的力学作用,还考虑钻头冠部的侧向不平衡力和保径受力对PDC钻头切削作用的影响。结果表明:井眼轨迹的预测结果与实测结果有较高的吻合度,说明方法合理;根据具体的钻头结构参数和地层可钻性各向异性,通过数值计算可获得钻头的轴向和侧向钻速,不需要取得地层法向钻进效率;在钻头瞬态力平衡计算中,钻头侧向不平衡力过大将增大井眼轨迹控制的难度,对PDC钻头布齿参数的进行优化设计可以减小钻头的侧向不平衡力,进而减小钻头漂移角和工具面变化范围,增强井眼轨迹控制能力。     

层状岩体各向异性声学和力学参数计算方法研究

层理弱面的分布直接影响层状岩体的声学及力学特性,也直接关系到岩体力学参数取值的合理性,制备0°,15°,30°,45°,60°,75°和90°共7种层理倾角的砂岩试样,进行纵波波速测试和单轴压缩试验。研究结果表明:(1)随着层理倾角的增大,层状砂岩的纵波波速、弹性模量逐渐增大,峰值抗压强度呈现先减小后增大的U型变化趋势,各向异性特性明显,分别建立层状砂岩纵波波速、弹性模量与层理倾角余弦值的椭圆关系曲线,只需测试层状岩体在平行层理、垂直层理两个方向的纵波波速、弹性模量,就可以确定任意倾角岩样的纵波波速、弹性模量,为确定层状岩体不同方向声学参数和弹性参数提供了实用便捷的方法;(2)层状岩体的主要受力方向决定其承载能力和变形破坏特征,在工程岩体质量评价相关基础参数确定时应重点关注层理角度的影响,测试方向应与主要受力方向一致,或者分别测试平行层理、垂直层理两个方向的声学参数和力学参数,按照所建立的经验公式转换到相应层理倾角再进行分析,以便获得比较准确的岩体质量评价指标。相关研究成果可为层状岩体各向异性声学及力学特性测试与分析提供较好的参考。     

川南地区龙马溪组页岩岩石声波透射实验研究

为了获得对龙马溪组页岩储层声波传播特性的规律,选取川南地区下志留统龙马溪组页岩野外露头岩块,钻取不同层理角度的岩心(10个层理角度),采用透射法系统地分析了龙马溪组页岩不同层理角度的岩石纵横波速度,计算页岩岩石动弹性力学参数。研究结果表明川南地区龙马溪组页岩的纵横波速度呈显著的正线性关系,页岩岩石的纵横波速度比均值或纵波速度随层理角度的增加而减小;页岩岩石的动弹性模量、体积模量及剪切模量与岩石的纵横波速度有较好相关性,呈指数关系,而动泊松比与岩石纵波速度有良好线性相关性;声波速度随层理角度的增加或频率减小而减小,与频率呈良好的正对数关系;声波衰减系数随层理角度的增加或频率的增加而增大,与频率呈弱线性关系。     

考虑层状岩体强度异向性的地下洞室平面有限元分析

由于层状岩体在平行和垂直层面的方向上具有不同的强度特性，故进行非线性分析时必须考虑岩体强度的异向性。据此，笔者研制了一个可以处理层状岩体强度异向性的弹塑性及无拉分析的平面有限元程序，并举例进行了计算和结果分析，得到了一些有益的认识。     

利用纵波探头测量横波速度的试验

横波测试时岩石内也存在纵波，纵波幅值较小且先于横波达到，确定横波的初至时间相当困难．对具有较大平面的岩块，可以利用纵波探头测定横波速度。将两个纵波探头平行放置在同一平面，利用润滑脂耦合。发射探头对岩块法向脉冲后产生纵波，同时在其垂直方向产生横波沿该平面的方向传播．横波引起的质点振动方向垂直于岩块表面，可以由纵波探头接收。由于探头端面并不是一个点，以两探头中心点距离计算将得到横波速度的上限值，而以探头内侧距离计算则得到其下限值。     

黑色页岩力学特性及气体压裂层理效应研究

 气体压裂作为一种新型的无水压裂技术,对页岩气开采具有重要意义。为探究不同层理方向页岩气体压裂破坏机制,以彭水黑色页岩为试样,首先系统地分析其力学各向异性特征,并利用自行改造组装的高压气体压裂系统分别对轴向平行层理页岩和轴向垂直层理页岩开展气体压裂试验,研究层理方向对页岩的变形、强度、声发射特征和破坏形态的影响,揭示页岩气压致裂破坏的机制,讨论不同加载方式下层理效应对页岩破坏强度的影响。研究表明：(1) 黑色页岩的拉、压力学特征受层理方向影响明显,平行层理面加载页岩与垂直层理面加载页岩的抗压强度、抗拉强度、弹性模量、剪切模量之比分别为：138.22%,44.37%,169.17%,173.27%,泊松比受层理影响小。页岩平行层理面加载时,容易沿层理面产生张拉破坏;垂直层理面加载时,在层理本身发生剪切滑移破坏。(2) 轴向垂直层理面页岩的破坏气压、破坏时间分别是轴向平行层理面页岩的4.2和3.35倍,前者沿层理弱面发生拉伸破坏,后者以拉伸破坏为主,也有剪切破坏发生,其破裂面凹凸起伏明显。所有变形曲线呈非线性变化,垂直层理面页岩的变形大,其变形曲线出现异常拐点,侧向变形曲线呈下凹趋势;轴向平行层理试样的变形曲线相对光滑,侧向变形曲线呈上凹趋势。AE能率反映了轴向垂直层理页岩破坏更加剧烈。(3) 加载方式对页岩强度的层理效应系数影响显著,影响最大的是气体压裂试验,最小的是单轴压缩试验。     

板岩渐进剪切破坏各向异性及其数值模型研究

层理面是导致岩石试样在变形和力学特性上表现出各向异性的根本原因。为研究层理弱面影响下板岩的渐进破坏模式,揭示其各向异性的力学机制,选取贵州东部的层状板岩开展不同加载空间位置关系下的直剪试验。结果显示:剪切强度各向异性是由其破坏机制控制的,层理面与剪切面平行时,属于沿层理面的剪切滑移破坏;层理面与剪切面垂直且其交线与剪应力方向也垂直时,属于剪切作用下层理面的张拉和基质体的剪切破坏;层理面与剪切面垂直而其交线与剪应力方向平行时,垂直于层理面方向试样在泊松效应作用下产生拉伸破坏,剪应力方向试样发生基质体的剪切破坏,此时强度最大。基于层理结构的本构关系,构建层理体系的材料模型,并采用数值模拟研究层理结构对板岩破坏模式的影响,模拟结果与试验结果吻合较好,进一步解释了层状板岩破坏模式各向异性的产生机制。     

层状大理岩卸荷力学特性试验研究

 以锦屏一级水电站地下厂房实际应力环境为基础,利用MTS815 Flex Test GT岩石力学试验系统,对该厂房区域典型层状大理岩开展常规三轴加、卸荷破坏试验研究。研究成果表明：平行层理面压缩时,卸荷试验得到的抗剪断、抗剪强度参数较加载试验得到的c,j 值低,残余内摩擦角jr值却较高;相同卸荷条件下,垂直层理面压缩得到的抗剪断、抗剪强度参数较平行层理面压缩得到的c,j 高,jr值却较低;卸荷条件下岩样的破坏是其向卸荷方向的强烈扩容所致,峰值强度后继续卸荷对岩石峰后承载力有显著的弱化作用;试验得到的各组弹性模量大致随围压增加而增加,而峰值应力对应的变形模量则反之,单个岩样在卸荷试验中,变形模量大致随围压卸荷而降低,垂直层理面压缩得到的变形模量较平行层理面压缩的高20%～51%,侧胀系数m 的变化规律则反之,前者较后者的低3%～12%;在相同卸荷条件下,平行层理面压缩时,岩石更易发生破坏,而垂直层理面压缩时,大理岩的脆性变形特征更显著。这些结论揭示了层状大理岩的卸荷力学特性,对解决工程实际问题有重要的参考价值。     

中间主应力与层理方向对页岩力学和渗透特性影响的试验研究

 为探讨中间主应力与层理方向对页岩力学和渗透特性的影响,运用自主研制的多功能真三轴流固耦合试验系统,以含气页岩为研究对象,进行真三轴应力条件下不同中间主应力加卸载试验。研究结果表明：中间主应力对页岩渗透率的影响在中间主应力垂直于层理面时最大,最小主应力垂直于层理面时次之,最大主应力垂直于层理面时最小;当中间主应力垂直于层理面或平行于层理面时,中间主应力与渗透率呈负相关。中间主应力垂直于层理面时渗透率对中间主应力的敏感性明显大于中间主应力平行于层理面时的敏感性,二者相差1～2个数量级;此外,定义损伤变量D表达式,发现加载过程中损伤变量–中间主应力曲线斜率变化不大,而在卸载过程中斜率变化明显,中间主应力垂直于层理面时损伤变量全程大于中间主应力平行于层理面时的损伤变量。     

高温三轴应力作用下油页岩的渗透特征各向异性演化规律实验研究

油页岩各向异性渗透率影响热解油气和对流加热流体在油页岩岩层中的运移速度和范围。因此,研究高温下油页岩渗透率的各向异性特征对于原位注热开采油页岩具有重要意义。采用实时高温三轴稳态法渗透测试系统研究了不同温度不同层理方向的油页岩的渗透率的演化规律。研究表明,垂直层理方向的渗透率在20℃～450℃在10^-20 m²之下,超出了稳态法渗透测试系统测试范围,处于超低渗阶段;当温度超过450℃之后,渗透率处于2.5×10^-19～1.17×10^-17 m²范围,450℃称之为垂直层理渗透率演化的阈值温度。平行层理的渗透率在20℃～400℃范围,都处于较低渗透率阶段,为2.3×10^-19～2.9×10^-18 m²,当温度高于400℃,平行层理方向的渗透率急剧增加,量级在10^-16～10^-15范围,因此400℃被称为平行层理渗透率演化的阈值温度。然后利用高温三轴瞬态法渗透测试系统,测得了...