岩石力学性质正交各向异性确定方法研究

文 章 编 号 :1004 5716 (2006) 08 0101 03 中 图 分 类 号 : 文 献 标 识 码 :A 地 质 工 程 岩 石 力 学 性 质 正 交 各 向 异 性 确 定 方 法 研 究 李 军 ,陈 勉 ,柳 贡 慧(石 油 大 学 石 油 天 然 气 工 程 学 院 ,北 京 102249)摘 要 :岩 石 力 学 性 质 各 向 异 性 研 究 是 岩 石 力 学 领 域 的 一 个 经 典 问 题 。 近 年 来 ,随 着 对 地 层 特 点 的 深 入 认 识 和 测 量 仪器 、 手 段 的 进 一 步 改 善 ,关 于 深 层 岩 石 力 学 性 质 各 向 异 性 的 研 究 又 开 始 活 跃 起 来 。 系 统 分 析 了 目 前 常 用 的 几 种 确 定 岩石 力 学 性 质 正 交 各 向 异 性 的 室 内 外 实 验 方 法 ,指 出 了 每 种 方 法 的 优 点 和 不 足 之 处 。 提 出 了 开 展 深 层 岩 石 力 学 真 三 轴 实验 以 便 更 真 实 地 获 取 相 关 力 学 参 数 的 新 思 路 。 同 时 认 为 ,现 场 应 大 力 推 广 利 用 偶 极 声 波 测 井 评 价 地 层 各 向 异 性 的 新 技术 ,成 本 虽 高 ,但 前 景 广 阔 。关 键 词 :岩 石 力 学 ;各 向 异 性 ;实 验 方 法 ;真 三 轴 ;偶 极 声 波 测 井关 于 岩 石 力 学 性 质 的 正 交 各 向 异 性 研 究 是 深 层 岩 石 力 学 领域 的 一 个 经 典 问 题 ,许 多 学 者 进 行 了 有 益 的 探 索 。 前 人 研 究 表明 ,多 数 情 况 下 ,深 层 岩 石 力 学 所 涉 及 的 沉 积 岩 石 在 垂 直 层 理 方向 和 平 行 层 理 方 向 差 异 明 显 ,而 在 沉 积 层 理 平 面 内 各 个 方 向 的差 异 很 小 ,故 大 都 把 岩 石 简 化 为 正 交 各 向 异 性 、 横 观 各 向 同 性 材料 1 4 。 近 年 来 ,随 着 对 地 层 特 点 的 深 入 认 识 和 试 验 手 段 、 测 量仪 器 的 进 一 步 改 善 ,关 于 深 层 岩 石 力 学 性 质 各 向 异 性 的 研 究 又开 始 活 跃 起 来 5 6 。 对 现 有 的 正 交 各 向 异 性 确 定 方 法 的 优 缺 点进 行 分 析 讨 论 ,并 对 下 一 步 的 研 究 方 向 作 以 展 望 。1 常 规 岩 石 力 学 参 数 实 验 方 法常 规 岩 石 力 学 实 验 是 获 取 有 关 力 学 参 数 的 最 直 接 方 法 ,既有 明 确 的 物 理 定 义 ,又 有 成 熟 的 实 验 仪 器 和 实 验 标 准 。 如 M 公 司 开 发 的 材 料 试 验 机 都 具 有 自 动 测 量 弹 性 模 量 、泊 松 比 等 弹 性 参 数 的 功 能 ,实 验 结 果 准 确 可 靠 。 而 国 际 岩 石 力 学学 会 也 制 定 了 相 应 的 实 验 标 准 ,对 岩 芯 钻 取 、 试 样 大 小 、 操 作 程 序等 都 有 严 格 明 确 的 规 定 。 因 此 ,只 要 具 备 岩 芯 条 件 ,就 可 得 到 直观 的 结 果 。 通 常 的 做 法 是 ,沿 垂 直 于 岩 芯 轴 向 不 同 水 平 方 向 钻 取小 岩 样 ,如 图 1 所 示 7 。 然 后 对 小 岩 样 进 行 实 验 ,进 而 得 出 各 向异 性 的 实 验 结 果 。常 规 岩 石 力 学 参 数 实 验 方 法 的 优 点 在 于 物 理 概 念 清 楚 ,实验 简 单 成 熟 。 其 不 足 之 处 有 以 下 几 点 :一 是 对 实 钻 岩 芯 有 较 高 要求 。 由 于 石 油 钻 井 作 业 中 井 越 深 ,井 眼 越 小 ,相 应 的 岩 芯 直 径 越小 。 因 此 同 一 深 度 处 只 能 在 垂 直 井 眼 轴 线 方 向 上 钻 取 一 块 小 岩样 ,参 见 图 1。 这 样 的 话 ,岩 芯 必 须 具 有 一 定 的 长 度 才 能 作 一 组完 整 的 数 据 。 而 且 ,要 假 设 整 块 岩 芯 岩 性 单 一 、 无 变 化 。 岩 芯 越长 ,岩 性 的 变 化 就 会 越 大 。 二 是 人 为 因 素 的 影 响 。 由 于 要 钻 取 小岩 样 ,因 此 人 为 因 素 不 可 避 免 。 包 括 岩 样 尺 寸 、 操 作 平 稳 性 及 对岩 芯 原 有 性 质 的 影 响 、 设 备 情 况 等 等 。 由 此 可 见 ,在 进 行 实 验 时 ,图 1 岩 芯 钻 取 示 意 图应 在 保 证 小 岩 样 数 量 的 同 时 尽 可 能 减 小 实 钻 岩 芯 长 度 。 同 时 ,实验 过 程 必 须 严 格 遵 守 国 际 岩 石 力 学 学 会 的 标 准 。2 声 波 速 度 法声 波 速 度 法 是 一 种 间 接 测 量 方 法 。 其 原 理 是 通 过 岩 石 的 声学 特 征 参 数 来 反 算 岩 石 的 力 学 参 数 。 经 典 的 计 算 公 式 为 8 : 3 4 2d = ( 22 ( (1)式 中 : 岩 石 动 态 弹 性 模 量 , d 岩 石 动 态 泊 松 比 ; 岩 石 纵 波 速 度 ,s ; 岩 石 横 波 速 度 ,s ; 岩 石 密 度 ,g/ 声 波 法 测 量 岩 石 力 学 性 质 各 向 异 性 的 实 验 方 法 如 图 2 所 示 。由 于 声 波 法 测 量 无 需 钻 取 小 岩 样 ,因 此 ,对 实 钻 岩 芯 的 要 求 不 高 。只 要 岩 芯 完 整 规 则 ,基 本 都 可 实 现 测 量 。 而 且 其 测 量 成 本 相 对 较总 第 124 期2006 年 第 8 期 西 部 探 矿 工 程 N o. 1242006 油 中 青 年 创 新 基 金 项 目 (03 国 家 自 然 科 学 基 金 重 点 项 目 (批 准 号 :5030401)低 ,是 一 种 理 想 的 测 量 方 法 。 其 主 要 缺 陷 在 于 计 算 解 释 的 精 度 问题 。 由 于 计 算 公 式 是 基 于 均 匀 各 向 同 性 体 弹 性 波 理 论 导 出 的 ,而岩 石 则 是 具 有 孔 隙 、 裂 隙 、 流 体 、 非 均 匀 、 各 向 异 性 的 复 杂 材 料 。因 此 ,间 接 测 量 的 结 果 与 岩 石 力 学 测 试 的 结 果 间 会 有 一 定 误 差 。图 2 声 波 法 测 量 各 向 异 性 示 意 图3 真 三 轴 实 验 方 法需 要 特 别 引 起 注 意 的 是 ,目 前 在 深 层 岩 石 力 学 领 域 所 进 行的 岩 石 力 学 参 数 实 验 研 究 中 ,绝 大 多 数 都 是 进 行 单 轴 试 验 或 是常 规 三 轴 试 验 ,还 不 能 实 现 真 三 轴 加 载 试 验 。 由 于 地 应 力 分 布 情况 极 其 复 杂 ,在 某 些 极 端 情 况 下 ,三 向 应 力 的 差 异 可 能 很 大 9 。因 此 ,简 单 的 用 地 面 条 件 下 的 试 验 结 果 来 代 替 地 下 情 况 是 不 适当 的 。 河 海 大 学 曾 对 浅 层 土 体 进 行 了 真 三 轴 加 载 的 各 向 异 性 变形 试 验 10 。 其 自 行 研 制 的 真 三 轴 仪 是 在 国 家 自 然 科 学 基 金 的 资助 下 于 1998 年 设 计 完 成 的 ,主 要 由 压 力 室 、 加 载 系 统 、 控 制 和 测量 系 统 、 输 出 系 统 四 大 部 分 组 成 ,其 独 特 之 处 在 于 其 压 力 室 的 设计 :轴 向 复 合 加 压 板 能 够 与 轴 向 压 缩 或 膨 胀 试 样 同 步 变 形 ,并 保证 轴 向 所 测 量 的 力 为 施 加 在 试 样 上 的 力 ;中 间 主 应 力 复 合 加 压板 即 可 水 平 自 由 移 动 ,又 可 轴 向 压 缩 和 回 弹 ,保 证 复 合 加 压 板 与试 样 同 步 变 形 ,最 大 程 度 地 减 小 边 角 效 应 等 等 。试 验 结 果 表 明 ,在 真 三 轴 试 验 条 件 下 ,土 体 的 各 向 异 性 弹 性参 数 与 土 体 的 受 力 状 态 有 着 很 大 的 关 系 。 在 具 有 初 始 应 力 条 件下 ,垂 直 方 向 加 载 时 ,出 现 了 水 平 两 个 方 向 一 侧 膨 胀 而 另 一 侧 压缩 的 现 象 。 土 体 在 不 同 应 力 条 件 下 的 变 形 表 现 出 强 烈 的 各 向 异性 特 点 ,甚 至 出 现 了 泊 松 比 为 负 值 、 大 于 0. 5、 大 于 1 等 极 端 情况 11 12 。 这 似 乎 为 工 程 界 和 学 术 界 所 难 以 接 受 。 然 而 ,科 学 研究 来 不 得 半 点 虚 假 ,试 验 的 实 际 结 果 胜 过 严 格 的 数 学 推 导 。 这 一研 究 对 经 典 弹 性 力 学 在 岩 土 工 程 中 的 适 用 性 问 题 提 出 了 挑 战 。由 此 可 见 ,岩 石 所 受 的 应 力 状 态 对 弹 性 参 数 的 测 量 结 果 影响 是 非 常 大 的 。 尽 管 我 们 不 能 将 浅 层 岩 土 力 学 的 试 验 结 果 简 单推 广 到 深 层 岩 石 力 学 领 域 ,但 可 以 肯 定 的 是 地 下 深 层 三 向 不 均应 力 对 岩 石 受 力 状 态 有 着 重 要 的 影 响 ,将 地 层 考 虑 为 各 向 异 性材 料 将 更 符 合 地 下 的 实 际 状 况 。 在 条 件 允 许 的 情 况 下 ,应 开 展 深层 岩 石 力 学 的 真 三 轴 试 验 研 究 ,以 便 更 加 真 实 的 获 取 相 关 参 数 ,为 进 一 步 研 究 深 部 地 层 的 变 形 特 征 及 相 关 工 程 问 题 的 解 决 打 下基 础 。相 对 于 单 轴 和 常 规 三 轴 岩 石 力 学 实 验 ,真 三 轴 实 验 能 够 更真 实 的 模 拟 地 下 情 况 ,试 验 结 果 更 具 有 说 服 力 。 但 是 ,其 实 验 难度 是 比 较 大 的 。 尤 其 对 于 石 油 钻 井 涉 及 的 深 层 岩 石 ,岩 芯 本 身 体积 很 小 ,要 设 计 一 个 既 能 施 加 三 轴 高 地 应 力 条 件 ,又 能 测 量 岩 石轴 向 、 侧 向 变 形 的 试 验 装 置 是 相 当 困 难 的 。 实 验 中 的 许 多 技 术 细节 也 会 比 较 复 杂 。 但 如 果 在 这 一 问 题 上 有 所 突 破 ,则 可 以 使 深 层岩 石 力 学 性 质 各 向 异 性 研 究 上 一 个 新 的 台 阶 。4 偶 极 子 声 波 测 井 方 法利 用 偶 极 子 声 波 测 井 资 料 评 价 地 层 各 向 异 性 是 近 几 年 发 展起 来 的 一 项 新 技 术 ,它 将 常 规 测 井 曲 线 所 记 录 的 地 层 特 征 随 深度 而 变 化 的 一 维 数 据 推 广 到 三 维 13 14 。 其 依 据 的 工 程 背 景 基 础大 致 如 下 :石 油 工 程 中 遇 到 的 岩 石 多 为 沉 积 岩 ,而 沉 积 岩 通 常 具有 一 定 程 度 的 方 位 各 向 异 性 。 即 岩 石 的 物 理 性 质 在 水 平 面 上 按指 定 的 参 考 方 位 (一 般 为 磁 北 极 方 位 ) 所 测 量 的 相 对 方 位 发 生 改变 。 岩 石 的 各 向 异 性 由 岩 石 自 身 结 构 引 起 ,主 要 受 裂 缝 、 强 水 平地 应 力 、 地 层 产 状 (倾 角 、 走 向 ) 、 岩 石 颗 粒 排 列 等 因 素 的 影 响 。当 由 偶 极 声 源 产 生 的 横 波 (或 弯 曲 波 ) 在 方 位 各 向 异 性 的 地层 中 传 播 时 ,横 波 将 分 裂 成 两 个 正 交 分 量 。 其 中 一 个 分 量 沿 地 层方 位 各 向 异 性 最 大 方 向 传 播 (快 方 向 ) ,而 另 一 个 分 量 沿 地 层 方 位各 向 异 性 最 小 方 向 传 播 (慢 方 向 ) ,这 种 现 象 称 为 横 波 分 裂 现象 15 16 。 对 测 井 记 录 的 波 形 进 行 处 理 ,分 理 出 快 、 慢 横 波 ,进 而可 对 地 层 进 行 各 向 异 性 评 价 。典 型 代 表 有 哈 里 伯 顿 公 司 开 发 的 7 、 阿 特 拉 斯 公司 开 发 的 8 等 等 。 如 在 一 次 测 井 过 程 中 ,可 以同 时 采 集 8 组 不 同 源 距 的 单 极 波 列 、 8 组 不 同 源 距 的 偶 极 波 列 和32 组 正 交 偶 极 波 列 。 在 单 极 波 列 中 ,可 记 录 声 波 全 波 列 信 息 (纵波 、 横 波 、 斯 通 利 波 等 ) 。 在 偶 极 波 列 中 ,可 记 录 沿 井 壁 传 播 的 低频 挠 曲 波 (低 频 挠 曲 波 以 地 层 横 波 速 度 传 播 ) 。 对 偶 极 波 列 数 据进 行 数 字 处 理 ,可 获 得 地 层 横 波 时 差 等 信 息 。 对 偶 极 波 列 数 据 进行 数 字 处 理 ,可 以 获 得 地 层 的 各 向 异 性 信 息 。 上 述 信 息 在 岩 石 力学 特 性 参 数 计 算 、 地 应 力 方 位 确 定 、 裂 缝 识 别 等 地 层 评 价 方 面 有着 重 要 的 作 用 。 尽 管 偶 极 声 波 测 井 的 成 本 较 高 ,解 释 精 度 也 有 待进 一 步 提 高 ,但 其 应 用 前 景 非 常 看 好 。5 结 论 与 建 议(1) 几 种 确 定 岩 石 力 学 性 质 各 向 异 性 的 实 验 方 法 各 有 所 长 。相 对 而 言 ,常 规 岩 石 力 学 实 验 和 室 内 声 波 速 度 测 量 比 较 简 单 ,但与 深 层 岩 石 所 处 的 高 温 、 高 压 、 非 均 匀 地 应 力 环 境 差 异 较 大 。 真三 轴 实 验 能 较 好 模 拟 地 应 力 的 情 况 ,但 实 验 难 度 比 较 大 ;(2) 在 条 件 允 许 的 情 况 下 ,应 开 展 深 层 岩 石 力 学 的 真 三 轴 试验 研 究 ,以 便 更 真 实 的 获 取 相 关 参 数 。 虽 然 难 度 较 大 ,但 如 果 在这 一 问 题 上 有 所 突 破 ,则 可 以 使 深 层 岩 石 力 学 性 质 各 向 异 性 研究 上 一 个 新 的 台 阶 ;(3) 现 场 应 大 力 推 广 利 用 偶 极 声 波 测 井 评 价 地 层 各 向 异 性的 新 技 术 ,尽 管 成 本 较 高 ,解 释 精 度 也 有 待 进 一 步 提 高 ,但 由 于 其实 用 性 强 ,应 用 前 景 非 常 广 阔 。参 考 文 献 : 1 . . , 部 探 矿 工 程 200681 , 1 , 1986 , 164 171. 2 . t . , 1982. 3 . , 1 , 1986 , 1954 1966. 4 . 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