（油气井工程专业论文）海相地层岩石声学特性试验研究及应用.pdf

英文摘要 s p e c i a l i t y ： o i l g a sw e l le n g i n e e r i n g n a m e i n s t r u c t o r ：吣x i “篙芝：毽竺煮竺 l i q i t s i g n a t u r e 厶生丝 i n s t r u c t 。r ：l i z h u k u i ( s i g n a t u r e ) 厶虿乙缸! a b s i r a c i 。 s o u n dw a v ec h a r a c t e ro ft h er o c ki sak i n do fi m p o r t a n tp a r a m e t e rt h a tc a l lr e f l e c t m a c h i n i c ，p h y s i c sa n dm e c h a n i c so ft h er o c k i t sa p p l i c a t i o ni sb e i n gs t u d i e dm u t u a l l ya m o n g n a t i o n s f e wy e a r sa g o t h er e l e v a n tc o l l e g ei nd o m e s t i co n c ep r o c e e d e di ns a n dm i r er o c k g e o l o g i cs t r a t as e c t i o na n ds h o w e dt h ee f f e c tw o r k s i t sr e s u l to ft h es t u d yh a sb e e na p p l i e di n t h ep r o d u c t i o ns u c c e s s f u l l y b e c a u s ei ti sv e r yh a r dt os t u d yt h er o c kg e o l o g i cs t r a t ai nm a r i n e f a c e s ，s ot h i ss t u d y i n gw o r ki sh e l p f u lt of o r e c a s t i n ge n g i n e e r i n gm e c h a n i c s p a r a m e t e r , c h o o s i n gt h et y p eo f b i t ，a n da n t i c i p a t i n gt h es p e e do f d r i l l i n g f i r s t ，t h ep a p e rt o t a l l yi n t r o d u c e ds o u n dw a v ep r i n c i p l ea n di t sa p p l i c a t i o n ，t e c h n i q u e a p p l i c a t i o ne x a m p l ea n di t sf o r e g r o u n d s t h es e c o n d i tb a m b o o c ds l i p sf o rw r i t i n go nb r i e f t h a tr o c ke n g i n e e r i n gm e c h a n i c sc h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r , s o u n dw a v ec h a r a c t e r i s t i ct e s ta n d t h ew a yo fa c c o u n t i n gd i s p o s a lt h ed a t ao nt r i a l t h et i f f r d ，i te x p a t i a t e dt h ep r o c c s so f h a n d l i n g t h et e s td a t at or e t u r n 伽ea n a l y s i sa n dt h ep r o c e s so fp r e d i c t i n gt h em o d ee s t a b l i s h e s t h e f o u r t h i ti n t r o d u c e dt h er e s u l tb e t w e e ne x p l o i t a t i o na n da p p l i c a t i o ns t u d yf o rm e a s u r i n gw e l l d a t ae s t i m a t er o c ke n g i n e e r i n gm e c h a n i c sc h a r a c t e r i s t i cp r o c e s sa n dt h es p o td a t av e r i f i c a t i o n ， f i n a l l y , i td i s c u s s e dt h ef o r e g r o u n da b o u tu s i n gs u r v e yd a t a f o r e c a s tm a r i n es t r a t ar o c k e n g i n e e r i n gm e c h a n i c sc h a r a c t e r i s t i c t h ep a d e rh a sd r a w naf a v o r a b l et e c h n i q u eb a s ef o r e x p e d i t i n gt h o r o u g hd e v e l o p m e n t ，e x p a n da n da p p l i c a t i o no f t h i st e c h n i q u e sa sw e l l k 叼r w o r d s ：m a n n ef a c e s ，s o u n dw a v ev e l o c i t y , e x p e r i m e n t a lr e s e a r c h ，a p p l i c a t i o n t h e s i s ：f u n d a m e n ts t u d y 主要符号表 主要符号表 序号符号名称单位 la 压模面积或试样面积 m m 2 2a c 测井声波速度 m h 3 b 体积模量 m p a 4 e 岩石平均弹性模量 m p a 5e 单个样品弹性模量m p a 6 f 符合率无 7g 切变模量m p a 8h 井深 r n 9k 岩石平均塑性系数，无 l ok d 岩石可钻性级别值无 l l k d p o cp d c 钻头可钻性级别值无 1 2 k d y i 牙轮钻头岩石可钻性级别值无 1 3 k i 单个样品塑性系数，无 1 4i 岩样的长度 1 5 试验次数n 3 1 6p载荷k n 1 7 p岩石平均硬度值m p a 1 8 鼽 单个样品硬度值m p a 1 9密度 g e m 3 2 0 r 0 试样半径 n l m 2 ls 样本数据的标准差 无 2 2t试样厚度 一 样本数据的代表值 s 2 3 t 2 4v 数据相对误差 无 2 5 v p纵波速度 m h 2 6 v s 横波速度 m h 2 7 v p _ * 测井纵波速度 m h 2 8 v p 地面纵波速度 m h 2 9 卢 泊松比无 一 3 0 盯r 岩石平均抗压强度值m p a 3 1 吼_ 单个样品抗压强度值 m p a 3 2 5 0 a f ， 5 0 抗压强度值m p am p a 3 3q岩石平均抗拉强度值m p a 3 4 q ， 单个样品抗拉强度值m p a 3 5 5 0 ? 5 0 抗压强度值时的轴向应变无 学位论文创新性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安石油大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做 了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名 日期：娅：互：丛 学位论文使用授权的说明 本人完全了解西安石油大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属西安石油大学。学校享有以任何方法发表、复制、 公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接 相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为西安石油大学。 论文作者签名： 导师签名： 日期：出五至：哆 日期：丝堕：! 笪 第一章绪论 第一章绪论 1 - 1 本论文研究的目的意义 多年来，我国的石油勘探开发工程在对南方海相复杂勘探区实施钻探的过程中，由 于受该地区地层倾角大、岩性变化频繁、岩石坚硬、破碎困难、研磨性高等地层因素的 制约，钻井速度慢、钻井周期长、勘探成本居高不下的实际问题，一直是阻挠该地区油 气资源的高速勘探与开发。 本项研究是一针对我国目前陆上石油钻探钻遇的南方海相地层特点，而提出的机理 研究与应用研究相结合的实用技术研究课题，研究的整体构思为：以南方海相地层为研 究对象，进行室内试验与破岩机理研究，以机理研究成果为基础并结合现场实钻情况， 推荐出与该类地层配伍的优选钻头类型及其相关应用技术，以利于提高这些探区当前的 钻井速度和后期开发优快钻探工程的实施。其目的旨在： ( 1 ) 进行破岩机理研究，用于解决这一地区特殊地层的高效破岩问题，以利于后期 优快钻井配套技术研究和实施。 优快钻井是目前国内外低投入、高产出开发油气田普遍推行的一条技术路线。在我 国为实现“降本增效、少投入多产出”的油气勘探开发战略目标，陆上各油田均在进行 综合应用国内现有单项成熟技术的优快钻井配套技术研究、开发和应用。然而，实践已 经证明，任何一项应用技术的研究成功与实施，无一定的机理研究成果支持则将是无根 之木，必将半途夭折。因而开展本项研究，其成果推广应用后，对提高南方海相复杂勘 探区优快钻井的技术水平极为有利。 ( 2 ) 开展本项研究，符合国家石油开发“稳住东部、开发西部”的总体战略方针和 部署，利于国家能源开发的均衡发展。 “西部大开发”是国家的大政方针，“稳住东部、开发西部”是国家能源开发的总体 战略方针和部署，而南方海相地层所分布的区域，绝大部分归属于国家西部大开发的地 域范畴，其开发速率的快慢，直接影响着西部大开发的速率。因而开展本项研究，从政 治意义上讲，符合当前国家发展的大政方针。 、 ( 3 ) 海相地层岩性相当复杂，可参考的钻井资料极少，钻探难度很大。因而开展对 南方海相地层的岩石声学特性测试验及应用技术研究属当务之急，对勘探的顺利实施具 有重要的积极意义。 该研究将给目前已开钻的井提供技术服务，提供合适的钻头选型和相关应用技术， 实现在易斜等复杂地层钻进，提高钻井速度和进尺、缩短建井周期、降低勘探作业成本 的目的，以利于加快南方海相复杂探区勘探开发的速度。 课题完成后研究成果可推广应用于类似于南方海相地层的其他油气富集，加快我 国对孕育此类地层地区的勘探开发速度，降低勘探开发成本，利于中石化集团公司“降 本增效”方针的实施，符合“科技增油”的发展路线。 1 西安石油大学硕士学位论文 从经济、社会效益方面分析，该项目研究不仅能对加快南方海相复杂勘探区的勘 探开发速度，而且能明显的降低勘探开发成本，具有明显的经济效益和社会效益。 1 2 国内外研究现状 众所周知，钻井是石油勘探开发的“龙头”，行业中名言所日：“钻头不到，石油不 冒”说得就是这个道理。此话既形象地言喻出钻井工程在油气田勘探开发工程中的权重 地位。故此，世界各国均在注重钻井工艺技术研究的同时，加大工作力度进行岩石破碎 机理的试验研究和应用技术研究。 1 2 1 岩石破碎机理试验研究研究现状 随着我国石油工业的发展，为获得更好的经济效益，根据开发的需要，常常要在更 加复杂的地层钻井，如：高陡构造、海油陆采、断块油藏等特殊油藏开发。为此需要开 发深井、超深井、大位移井。为加快上述井的钻井速度，均需要对所钴地层的岩石工程 力学特性有一个定性或定量的了解及对现场己钻井资料的充分利用。 岩石破碎机理试验研究工作，是石油钻井工程的基础工作，它所面对的主要工程技 术问题是深层岩石的高效破碎问题。在工程实践中，研究和解决这一问题的主要技术途 径，除在现场做大量的工业性试验和工作实践，寻求解决问题的方法外，另一有效途径， 是对获取的地层岩样进行性能参数的室内测试、分析研究、破岩机理探讨和应用技术研 究。从某种意义上讲，作为基础工作的室内岩石破碎机理试验研究，对钻井工艺技术研 究、发展及其进步具有举足轻重的重要作用。它一方面可为现场或科研机构提供可靠、 可用、可信的基础数据，另一方面由其获取的机理研究成果，可为与勘探工程有关的其 他工艺技术研究提供强有力的技术支持。故世界各国与岩石力学与工程密切相关的各行 业，都二直相当重视并不惜投巨资支持这一试验研究工作的开展。 目前国内外石油钻井行业进行的有关岩石破碎机理试验研究，主要以提高钻井速度 为目标，其主要成果及工作内容有： a 、以优选钻头类型为目的岩石可钻性测定及应用研究 以地层级别合理选择和使用钻头类型、并找出两者之间的配伍关系，是石油钻井工 程中岩石破碎机理试验研究的主要研究内容。国内外钻井工作者自1 8 世纪初开始进行了 诸多不懈努力研究与探索工作，我国利用岩石可钻性选择钻头类型技术研究开始于7 0 年代中期，1 9 8 2 年石油部组织全国十四个大油田与三家重点科研院校联合开展了这一研 究工作，完成了岩石可钻性测定方法、分级标准、钻头与地层配伍关系、钻头选型方法 等项研究内容。这一技术自8 0 年代中后期应用于生产后，已见到了巨大社会效益和直接 经济效益。经过石油钻井界科研工作者近2 0 年卓有成效的工作，此项技术的研究水平己 居国际领先地位。 b 、以预测地层可钻性为目的的应用技术研究 预测地层可钻性是由经验化钻井向科学化钻井迈进的纽带与桥梁，是预测技术应用 2 第一章绪论 于石油钻井，促进其科技进步与技术发展的有效途径。这一技术的成功应用将会使钻井 工程设计、施工、工艺研究、技术配套日趋合理与完善，对钻头选型、钻井速度提高起 积极作用，也将对钻井工艺技术的发展与提高起巨大推动作用。预测地层可钻性，是以 地层宏观均质原理为指导完成的一项应用技术研究。该项技术的核心是以已有资料、数 据为基础，建立k d = a h + b 的数学模型用以预测待钻地层的可钻性，进而应用这一预测 值预测钻井速度和进行钻头选型。该项技术经不断完善与深化研究其预测精度已达8 5 以上。此项技术的应用为现场施工带来诸多便利条件，即现场工程技术人员不需做任何 岩样的可钻性测定就可提前预估出待钻地层的可钻性级值，并以此为基础进行合理钻头 选型工作。此项应用技术己在国内诸多大油田推广应用，见到了明显的经济技术效益。 c 、为钻井工艺技术研究与钻头设计进行的其他岩石破碎机理试验研究 石油钻井面对的是一庞大而复杂的集合体，因岩石品种极多且性能各异，单一代表 性指标无法保证研究成果与技术的完备性，更不能覆盖岩石破碎机理研究的所有内容。 为此针对工程其他实际问题开展了抗压强度、抗拉强度、弹模、泊松比、孔隙度、渗透 率、密度、硬度、塑性、研磨性、粒度、声波速度、三轴抗压强度、泥页岩蠕变等性能 参数的测定与分析研究，这些研究工作从不同侧面、不同技术角度为工程施工解决了一 些疑难问题。 综上所述，石油钻井工程中的岩石破碎机理研究内容多，涉及面广，需全社会多学 科交叉才能使其深入。目前所进行的仅是面上的、生产急需的、简单实用的一些内容。 更深层次的、事关钻井速度翻番的研究工作正等待人们去研究、去开发。确信岩石破碎 机理的研究工作，将会发挥基础研究所特有的、其他研究不具备的、不可替代作用，在 石油勘探开发中起重要作用，也必将会在生产中产生巨大社会效益与经济效益。 1 2 2 国内岩石声学特性研究现状 岩石的声学特性，是一较真实反映岩石机械、物理、力学综合性质的参数。国外的 一些研究已经表明，声波在岩石中的传播速度与岩石的硬度、抗压强度存在较好的相关 关系；此外从测井资料分析中也可以看出，声波的传播速度与地层的岩性、岩石结构、 埋藏深度和地质年代同样有密切关系，所以声波传播速度是一自较好反映岩石综合物理 性质的重要参数。基于此两点，近几年对反映岩石综合物理性质的有价地层信息一声波 速度进行应用的研究工作，在国内外钻井工程技术界已形成热点，应用已获取的具创新 性研究成果，己在大幅度提高钻速预测技术水平和优选钻头类型方面见到了明显的技术 效果。 我国将岩石声学特性应用于岩土工程技术领域的相关研究起步较晚，近几年主要在 以下行业中进行了研究与应用。其中： l 、矿山挖掘回采过程中用于检测巷道的稳定性； 2 、铁路建设中对桥梁、隧道、工程桩基进行无损检测； 3 、建筑行业中对岩体进行检测； 3 西安石油人学硕七学位论文 4 、石油行业用于预测所钻地层岩石的工程力学特性参数： 5 、岩土工程技术研究单位进行了声学特性的相关理论与应用研究。 综上所述，岩石声学特性的应用研究，目前在国际上处于竞相研究状态。其应用范 围较广，特别在石油勘探开发技术领域具有广阔的应用前景。前些年，国内有关院校曾 在砂泥岩地层剖面中进行过卓有成效的研究工作，其研究成果已成功应用于生产，并在 产生着巨大的经济效益与社会效益。而涉及到海相地层，特别是海相地层中的碳酸盐岩 地层剖面，由于研究难度较大，目前尚无人问津。因此开展本项研究对充分应用现场测 井资料预测岩石工程力学特性参数、选择钻头类型、预测钻速具有积极作用与重要意义。 1 2 3 岩石声学特性主要研究成果及应用范例 1 2 3 1 裂隙岩体在受荷条件下的声学特性研究 自6 0 年代超声波测试技术应用到岩石工程领域以来，已经成功地用于岩石、岩体和 土体动弹性参数测试、岩体结构分类、参数确定以及岩体质量评价等问题，因而得到岩 土工程界的广泛重视，并已进行了大量的理论与实验研究。在应用中用声速确定岩体的 完整性系数，作为岩体质量分级的一个重要指标，已纳入了我国工程岩体分类国家标准； 但目前的研究基本上是沿声速和衰减两个参数而展开的，对于岩石和岩体的声学特性与 应力状态的相关性、对于与应力状态相关联的加载和卸载过程、对于声波信号中的信息 如何应用等等，还是尚未解决的问题，因而目前的声波测试还难以解决声波与岩石力学 特性相关的较复杂问题，这就阻碍了超声波测试技术在岩土工程领域的更广泛的应用。 为此本文重点研究裂隙岩体在受荷条件下的声学特性理论模型，研究声波信号处理技术 的新方法。通过大量的实验验证和对声波波形记录的数值分析，系统地揭示了微裂隙岩 石和裂隙岩体在加卸荷过程中的声学特性。其主要工作如下： ( 1 ) 通过分析岩石中裂隙的性态和对岩体中裂隙的界定，从宏观角度将含裂隙岩石 视为连续介质，推导了超声波在其中传播时的声速及衰减与弹性参数的理论关系；然后 就岩石中裂隙在自由应力状态下对超声波传播的影响进行了详细的分析；最后运用裂隙 的边界元数值分析结果对岩石超声波与应力的相关性进行探讨。 ( 2 ) 将岩石视为包含随机分布、具有一定开度且无充填物的微裂隙的各向同性体， 运用断裂力学理论推求出岩石在单轴，三轴加、卸荷全过程的本构模型；运用岩石变形 特性、空隙率、等效弹性参数及波速、衰减之间的关系提出等效模型，建立了岩石在加 卸荷过程中声速及衰减与应力的理论关系；为了检验模型的正确性，对砂岩、大理岩、 花岗岩、灰岩和玄武岩等5 种岩石及石膏模型进行t d n 卸荷条件下的声波测试实验研究， 其结果与模型预测有较好的一致性。 ( 3 ) 在对裂隙岩体建立宏观简化模型的基础上，研究了裂隙岩体的等效弹性参数及 其在未受到外部荷作用时的声速和衰减系数；考虑裂隙闭合效应分析裂隙的变形特性， 并由此建立裂隙岩体在不同受荷条件下的声学特性的理论模型。通过对两种裂隙分布的 石膏模型的实验研究，证实了该理论模型能有效地模拟裂隙岩体的声学特性。 4 第一章绪论 ( 4 ) 采用小波变换理论对声波信号进行时频域分析。将声波信号分解成不同频带通 道的小波分量，通过对各小波分量的频域分析，提出了对应力较敏感的加权波谱参数； 并利用这种处理技术研究了岩石( 体) 在受荷条件下波谱参数随应力的变化规律，并说明 以小波分析为基础定义的波谱参数在分析裂隙岩石和岩体的声学特性与应力相关性方面 的重要理论意义和应用价值。 ( 5 ) 运用损伤力学理论研究了岩石的损伤力学特性，建立了岩石强度与超声波速之 间的指数关系式；并通过对混凝土和重庆砂岩的实验数据的拟合证实了这种指数关系的 存在。针对目前在隧道工程中广泛采用的q 系统围岩分类以及岩石工程中r m r 工程岩 体分类，利用现存的统计结果将岩体的超声波速与岩体质量指数q 、岩体分类指数rm r 及hoek br0w1 3 准则联系起来，建立了用岩体超声波速进行岩体分类以及对岩 体强度参数和变形参数的估测方法。通过对三峡工程永久船闸高边坡岩体的应用，发现 由超声波预测的力学参数与直接采用r m r 分类系统和h0ekbrown 准则估计 的岩体力学参数基本吻合。从而表明应用超声波预测岩体力学参数是完全可行的。 1 2 3 2 饱和油砂岩水洗过程中声学特性研究 在实验室常温常压下测量了饱和模拟油的砂岩被矿化度为6 1 0 的盐水冲洗过程中 的声速和声衰减，并观察其声学特性变化规律。从中得出：纯砂岩( 人造岩样) 随着含水饱 和度的升高，含油饱和度的降低，其纵波速度逐渐升高，横波速度逐渐下降，而天然岩 样纵波速度逐渐下降。纯砂岩随着含水饱和度的升高、含油饱和度的降低，其纵波幅度 衰减先是增大然后逐渐减小，含水饱和度在4 0 6 0 之间时，声波幅度衰减达到最大 值，即纵波幅度衰减比完全饱和油或水时要大。横波幅度衰减变化比较复杂，变化幅度 较小。因此，有可能利用纵波信息识别油水层或水淹层。 1 2 3 3 小波变换理论及其在岩石声学特性研究中的应用 由于岩石的不均一性，其内部裂隙将引起声波的多次绕射，使得对声波信号的处理 变得极其复杂。文中采用小波变换理论对声波信号进行时频分析，将声波信号分解成不 同频带的小波分量，通过对各小波分量的频域分析，提出了对应力较敏感的加权波谱参 数，并利用这种处理技术研究了岩石在受荷条件下波谱参数随应力的变化规律。 ( 1 ) 小波变换具有可调的时频窗，因而可在不同的频带上对声波信号进行时频域分 析。由此而提出的加权波谱参数对应力的敏感程度远远超过由富里叶变换给出的波谱参 数，特别是主频表现极为显著，从而表明小波理论在声波信息的处理中有着重要的地位。 ( 2 ) 岩石在单轴受荷条件下和劈裂过程中，加权波谱参数随应力的变化表现出极强 的规律性，它反映了岩石内部微结构在不同应力状态的特征，为研究岩石的损伤特性提 供更多的数据。 ( 3 ) 用小波理论提出的加权波谱参数仍然是一个去掉高频干扰的综合参数。要利用 小波理论对声波信号进行精细分析，首先还必须对声波在岩石中的传播机理进行大量的 研究。如果能弄清声波信号中各组成波的时频特性，这时采用小波理论进行分析，将显 5 曲安石油大学硕士学位论文 示出它的强大威力。 1 2 3 4 声波探测技术的新发展及其应用 如其他科学技术的发展一样，声波探测技术也经历了一个发展完善的过程，由于仪 器性能和专业化的不断提高，信号的采集、存储，仪器设置参数调节控制的计算机化， 数据自动判读，反射子波分析，频域子波分析，c t 层析成像等软件的研制成功，为声波 探测技术开拓了一个广泛的技术市场。尽管如此，开发声波探测技术新的应用领域，不 断扩大声波探测技术的技术市场，保持声波探测技术的长盛不衰，仍然是声波探测技术 应用研究面临的一个重大课题。为此，在占稳现有市场的同时，还要积极开展试验研究， 探索和开发声波探测技术新的应用领域，为拓展新的市场作准备。如： ( 1 ) 预应力钢筋混凝土桥梁梁片钢绞线张拉效应检测。 ( 2 ) 隧道衬砌背后空洞检测。 ( 3 ) 金属焊缝质量检测。 ( 4 ) 钢筋混凝土钢筋保护层厚度检测。 1 3 本文研究的主要内容 胜利石油管理局钻井工艺研究院承担了中国石油化工集团总公司“十五”科研项目 特殊地层钻头研制及应用技术，本论文的研究工作将是该项目的一部分内容。 作者积极参加课题组的科研活动并承担部分任务，因而对海相地层岩石声学特性试 验研究及应用技术有了较深刻的认识。现将自己所作的工作总结成文，并完成了以下几 项主要工作任务： ( 1 ) 地层岩样性能参数测试及分布规律研究； ( 2 ) 以岩性剖面类型为基础，进行诸参数间、地面声波速度与测井声波速度的相关 性分析： ( 3 ) 利用声波测井速度预测岩石性能参数技术研究； ( 4 ) 进行破岩机理研究，获取适用于支持海相地层优快钻井配套技术研究的微观机 理及其相关的定性定量结论； ( 5 ) 可钻性预测等相关应用技术研究和现场资料验证。 1 4 技术路线与进度计划 1 4 1 技术路线 海相地层地质情况调查一选定各地质层段的代表性岩性一选取代表性岩性的露头和 钻井取芯岩样一岩样制备一进行被测岩样可钻性、硬度、塑性系数、声波速度的测定试 验一室内试验数据处理和计算一各岩石性能参数的分布规律拟合统计、检验一应用数理 统计方法、按岩性剖面类型，进行岩石诸性能参数间及地面声波速度与测井声波速度间 的相关性分析研究、检验一优选相关陛分析研究结果一确定最佳数理统计分析结果一建 6 第一章绪论 立利用声波速度预测岩石性能参数的经验公式一应用现场资料统计结果进行验证一根据 验证结果求取经验模式的修正系数或修正值一确定提交现场应用的经验公式。 7 两安石油大学硕士学位论文 第二章声学原理与岩石声学特性的应用 2 1 声学的基本概念 声波是物质运动的一种形式，它是物质的机械振动产生的，通过物质质点之间的相 互作用而由近及远的传递丽传播的。声波分为纵波和横波两种，纵波的质点运动方向与 传播方向平行，它是能在液体中传播的波。横波的质点运动方向垂直于波的传播方向，横 波不能在液体和气体中传播。纵波速度般是横波速度的1 6 到2 倍，过去的一般声波 测井只包括有纵波测井，但现已能够在井下测量横波速度。对于声波测井发射的声波来 说，井下岩石可以认为是弹性介质，在声振动作用下能产生切变弹性变形和压缩弹性变 形，所以岩石既能传递横波又能传递纵波。 2 2 岩石的弹性模量与波速的关系 岩石在一定的载荷作用下，可以被看成弹性体，当声波强度在几个至几十个大气压 范围内时，岩体的形变与应力呈线性关系。所以纵波和横波速度可以从胡克定律和线弹 性理论结合导出。 假设h ，v ，w 是质点在x ，y ，z 方向的位移，于是按位移表示的运动方程是： x 施p 窘邓+ 争罢羽2 “+ 廖 c z 叫 y 一旒p 雾邓+ 争等一2 v 叫 c 2 吲 z 一旒p 窘邓+ 争罢一2 w + 膨 c z 吲 式中：= 罢+ 号+ 尝，v 2 = 虿0 2 + 万0 2 + 万0 2 ； 上述微分方程对x ，y ，z 求偏导数再求和得到： 窘2 ( 坐笋j v2 + p ( 罢+ 雾+ 罢 c z 一， 根据此方程，压缩波通过弹性体传播具有速度： ( 等竽 j 用类似方法，可得到x 一轴周围旋转分量： 争= ( 书v 2 w ，a 2p 4 8 ( 2 5 ) ( 2 6 ) 第二章卢学原理与岩石声学特性的应_ f j 吣i 上述方程表明物体内弹性波的速度是其密度和弹性的函数 示为如下形式： 匕= j k = 志 j 2 3 声波与岩石弹性模量之间的关系 由以上关系式可导出： b 、杨氏模量： 如2 g ( 1 + 舻2 加州曙2 嵩 c 、体积模量： k = p v ；一瓮v ； d 、剪切模量： g = 丽： 若以声波时差表示可得： 9 ( 2 7 ) 压缩波和横波也可以表 ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) 2 一 l 一 一 一 2 2 、11一、1一钧，l一，lll 陌安钉油大学硕十学位论文 ( 篆矧 竺i 二竺； - a t ；j 警a t s z 爿一出：j r 2 1 4 ) g 。毒 从以上关系式可以看出，声波在岩石中的传播速度取决于岩石的密度、杨氏模量、 泊松比、剪切模量、体积模量等岩石的弹性常数，而这些都是岩石形变、抗张、抗剪及 抗压性质的重要物理参量。国外的一些研究已经表明声波在岩石中的传播速度与岩石的 硬度、抗压强度存在较好的相关关系；此外在测井资料中也可以看出，声波速度与地层 的岩性、岩石结构、地层埋藏深度和地层地质年代有密切关系，所以声波速度是一较好 反映岩石综合物理性质的重要参数。 钻井界长期以来一直利用实测岩芯机械物理性能来预测整个地层剖面的岩石机械物 理性能( 抗压强度、可钻性、硬度等) ，并以此作为预测钴速的基础，由于费用、技术等 方面的原因，不能做到整个地层剖面的全井取心，难以建立连续剖面，故所得资料很难 反应一个层位的岩石性质。尤其是在新探区新构造，在井与井之间参考性差、岩心少且 难收集的情况下，更增加了这一方法的局限性。 测井资料和钻井资料是一能连续地反应整个地层剖面岩石综合机械性能的有价值资 料，因此借助测井资料、岩性资料探索包括预探区在内的各地质层段中主要岩性与钻井 破岩有关的性能参数在纵横方向的变化规律，获取这些性能参数与地层岩性成岩年代及 条件、埋藏深度、地质构造特征之问的关系，达到根据地层岩石性能参数确定钻进、钻 井液、水力、选择钻头及井身结构的目的，是目前钻井工程科技工作者面临的重要研究 课题之一。此方面的研究对于提高岩石机械性能、钻速的预测精度、解决钻速预测模式 通用性差、为今后钻井工程中钻头选型、钻井工艺参数优化等提供技术服务均具有重要 的意义。 1 0 r弋=纠从 = = 足 第三章岩石油门鼙力学特性参数测定试验与试验数据处理计算方法 第三章岩石工程力学特性参数测定试验与 试验数据处理计算方法 根据课题研究规定的工作内容与任务，岩石工程力学特性参数的室内测定试验与数 理统计，是研究内容的重要组成部分。在完成地层岩样采集的基础上，购置新型测试装 置和仪器，开展了本研究中规定测定的岩石牙轮钻头可钻性、p d c 钻头可钻性、岩石硬 度、声波速度5 项岩石工程力学特性参数的测试工作。 3 1 岩石可钻性的测定原理、方法与试验装置简介 3 1 1 岩石条件可钻性的概念及其工程技术特性 岩石可钻性其内涵可定义为岩石被钻穿的难易程度，它表征岩石抵抗破碎的综合性 质，由于受天然的、工艺的和技术的因素影响，因而它是一个多变量函数。岩石可钻性 高( 大) 为易钻地层，岩石可钻性低( 小) 为难钻地层。多年的研究与应用表明，岩石 条件可钻性的级值k d 具有如下特性： ( 1 ) 恒定性：岩石条件可钻性级值k d 是在标准技术条件下，用专用设备对地层岩 样做钻孔试验获取的数据，故其他不管来自何方、深埋于地下何处的岩样，只要与所测 岩样相同，其岩石条件可钻性级值k d 为一个数。 ( 2 ) 可比性：岩石条件可钻性级值k d 代表的是地层各种岩石被钻穿的难易程度， 此值仅是一个数，是地层可钻性的反映，与岩性种类无关，其可比性的优势在于能正确 评价各类地层，便于对各类地层的比较。 ( 3 ) 可运算性：岩石条件可钻性级值k d 是一个有效数字，除自身可进行数值大小 比较、统计外，还可与其他数据进行运算或作为一个参数值带入其他数学模型进行求解。 3 1 2 岩石可钻性的测定原理与方法标准 + 目前我国石油钻井行业采用模拟牙轮钻头和p d c 钻头破岩机理的微钻头试验法测 定岩石的可钻性，即用标准直径的微型模拟钻头、在标准钻压和转速技术条件下，于岩 石横断面上做钻孔试验，以钻进定深获取的数据定义为岩石可钻性的级别值k d ，称之为 “条件可钻性”。 我国石油天然气行业标准s y t5 4 2 6 2 0 0 0 ，具体规定了本项测定试验的具体方 法。 3 1 3 试验装置一k z x 1 型岩石可钻性测定仪简介 k z x 一1 型岩石可钻性测定仪，见图3 1 。为我国石油钻井行业专用的岩石可钻性测 定试验装置，由石油天然气总公司石油勘探开发科学研究院钻井所研制，该多功能岩石 可钻性测定仪由主机和辅机两部分组成，机电一体化程度较高，实现了在准恒压自动加 载条件下，由微机控制自动完成测定试验、数据采集和处理的工作过程，具有以下功能 和优点： 西安年i 油大学硕士学位论文 a 、用该装置可以分别测定牙轮钻头和p d c 钻头的岩石可钻性； b 、准恒压自动加载： c 、钻深自动测量、瞬时数字显示、定钻深自动停机； d 、钻时瞬时数字显示、定钻深自动记录与计算k d 值。 e 、其主要技术指标如下： 1 ) 钻压：牙轮钻头：8 9 0 n 2 0 n ； 2 ) p d c 钻头：5 0 0 n 2 0 n 。 2 ) 转速：5 5 r m i n l r m i n 。 3 ) 钻孔深度 ( 1 ) 牙轮钻头：2 6 m m ，预钻深度：o 2 m 、计时钻孔深度：2 4 m m 。 ( 2 ) d c 钻头：4 m m ，预钻深度：1 0 m ；m 、计时钻孔深度：3 0 m m 。 4 ) 深度测量精度：0 0 1 r a m 。 5 ) 钻时记录与显示：量程：0 0 1 s 9 9 9 9 9 s ，精度：0 0 1 s 。 图3 1k z x - 1 型岩石可钻性测定仪 3 1 4 岩石可钻性的测定试验方法步骤 3 1 4 1 试样制各与精度要求 将岩样两端面切平磨光后，置温度设置为1 0 5 1 1 0 。的电热干燥箱内烘烤2 4 h ，试样 两端面的平行度公差值不超过0 2 m m 。 3 1 4 2 试验步骤 a 、根据试验目的配装微型钻头和配重砝码盘； b 、将试样置于k z x 一1 型多功能岩石可钻性测定仪的夹持器内并夹紧； c 、启动主机油泵举起配重活塞给钻头加压； d 、于辅机上选定微型钻头类型并钻深清零； e 、启动k z x 一1 型多功能岩石可钻性测定仪，当钻深达预钻深度后，测定仪自动开 始计时： 1 2 第三章岩石油l 程力学特性参数测定试验与试验数据处理计算方法 f 、当钻达定深测定仪自动停钻后，记录钻进时问和测定仪自动计算的岩石可钻性级 值； g 、松开试样夹持器、变换试样位置并夹紧； h 、重复进行上述b g 项工作步骤，依次完成第n 孔( n 3 ) 的测定试验； i 、按规定的试验数据的取舍标准方法进行试验数据的处理和计算，达标后停止试验。 若试验数据处理结果未达到规定的精度要求，应继续进行钻孔试验。 j 、将试验结果填写于试验数据记录表1 所示的表中，钻时值与级别值均取小数点后 三位有效数字。 表3 - 1 岩石可钻性测定试验数据记录表 牙轮钻头p d c 钻头 取样 岩样地井岩性钻进时间s )相对级钻进时间( s )相对级备 井段 编号 区号描述 均误差值误差值 注 m 单孔k单孔t l 均值t 值 v k d v k d 3 1 5 试验数据处理与岩石可钻性级值计算方法 ( 1 ) 根据大数定理按( 3 - - 1 ) 式计算样本数据的代表值；： 一t ：翌 ( 3 _ 1 )= = l l j lj ( 2 ) 选用均方差作为样本数据的标准误差，按( 3 - - 2 ) 式计算样本数据的标准差s ： s = ( 3 2 ) ( 3 ) 根据三倍均方差原理，运用肖维特舍弃法则选定数据的相对误差1 5 为试验 数据的取舍标准，按( 3 3 ) 式计算数据相对误差v ： v = 兰1 0 0 ( 3 3 ) t ( 4 ) 将样本数据的代表值取以“2 ”为底的对数，按( 4 ) 式计算岩石可 钻性级别值k d ： k d = l o g2t(3-4) 3 2 岩石硬度、塑性系数的测定原理、方法与试验装置简介 3 2 1 岩石硬度、塑性系数的测定原理 1 3 两安石油大学硕十学位论文 对岩石硬度、塑性系数的测定，我国石油行业以模拟牙轮钻头破岩机理为基础， 采用有关文献介绍的苏联科学技术博士史立涅尔教授提出的园柱形压模压入硬度测 定法( 史氏法) 测定岩石的硬度p 和塑性系数k 。其优点是，在压入岩石的过程中，压 模与岩石的接触面积始终不变，便于计算岩石压入极限强度，园柱平底压模压入时， 岩石中的应力状态近似钻井时岩石破碎的应力状态。 3 2 2 试验装置一岩石工程力学特性测定系统简介 y s l x l 型岩石工程力学特性测定系统，为开展本项研究由胜利石油管理局钻井工 艺研究院与石油大学仪表厂共同研究开发的新产品，见图3 2 。 y s l x 一1 型岩石工程力学特性测定系统一机多功能，能够在该试验装置上开展测定 岩石硬度、塑性系数、抗压强度、弹性模量、抗拉强度点载荷强度的试验工作。该试验 装置由主机和辅机两部分组成，机电一体化程度较高，实现了在恒速率自动加载条件下， 由微机控制自动完成测试数据采集、曲线绘制和分析处理的工作过程，具有以下功能和 优点： a 、恒速率自动加载； b 、用其可测定我国石油钻井行业专用的岩石硬度、塑性系数和常规单轴岩石抗压强 度、弹性模量、抗拉强度及其矿山行业使用的岩石点载荷强度； c 、计算机控制自动完成实验测试数据采集、曲线绘制和分析处理的全过程： d 、实验数据瞬时显示、曲线绘制，试验完成后即时输出并打印试验分析处理结果。 其主要技术指标如下： 1 ) 轴向压力：4 0 m p a ； 2 ) 载荷传感器量程：0 1 0 0 k n ，精度：5 0 ( 进口产品) ； 3 ) 位移传感器量程：5 m m ，精度：2 5 0 。 图3 2y s l x 一1 型岩石工程力学特性测定系统 1 4 第二章岩石油i 一程力学特性参数测定试验与试验数据处理计算方法 3 2 3 岩样规范和制样要求 岩样尺寸：5 0 一1 5 0 m m 4 0 1 5 0 m m 。两端面平行度误差不超过0 0 5 m m ，岩样制 备后，应在高于1 0 0 。c 的烘箱中烘干2 - 2 5 h 。 3 2 4 试验方法步骤 把按规定精度要求制备好的样品，置于园柱形压模下，启动油泵，对压模加载， 当载荷达一定值时，岩石发生疲劳破坏，记下此值，以疲劳破坏时的压力( 塑性岩石 为屈服破坏压力) 值与压模面积之比定为硬度，以总破碎功与弹性变形功之比定为塑 性系数，每块岩样一般做3 5 次重复试验。 3 2 5 试验数据处理与计算公式 岩石硬度和塑性系数的数据处理方法，采用苏联学者史立涅尔教授1 9 4 2 年介绍 的方法，该方法按岩石受压状态下破碎的三种变形情况，将岩石划分为脆性、塑脆性、 塑性三类。 3 2 5 1 岩石硬度处理与计算公式： p ；= 1 0 p a ( 3 5 ) 万=pn(3-6) r 一 s - j 善( p r 呻) 2 ( n _ 1 ) v = s 芦三1 5 ( 3 7 ) ( 3 8 ) 3 2 5 2 塑性系数处理与计算公式： k = 口面积面积一塑脆变形区面积弹性变形区面积，即： 蟊= k 。n ( 3 9 ) i - l s 2 喜c 墨厕2 恤t ， v = s k 三1 5 ( 3 一1 0 ) ( 3 1 1 ) 3 3 岩石力学特性测定试验 本项试验采用的方法，为水利水电工程岩石试验规程d l j 2 0 4 8 1 、d l j 2 8 1 中的 g 3 0 4 8 1 、g 3 0 5 8 l 、g 3 0 8 8 1 规定方法。 1 5 曲安石油大学硕士学位论文 3 3 1 岩样规范和制样要求 制取中2 5 m m 岩样，其高度 5 0 m m ，两端面平行度误差不超过o 0 1 m m ，岩样制 备后，应在高于1 0 0 的烘箱中烘干2 2 5 h 。 3 3 2 试验方法步骤 将制备好的样品置于y s l x 一1 型岩石工程力学特性测定系统的上承压板上，设定技 术参数后启动油泵给试样加载直至破坏，系统自动采集实测实验数据并进行运算，重复 测定n 块样品( n ，3 ) 的试验，当实验数据相对误差达到规定要求时，停止试验，换另一种 岩样进行同内容的试验。 3 3 3 数据处理计算公式 3 3 3 1 抗压强度值： 盯c f 。1 0 p a ( 3 1 2 ) l 瓦= 盯c 。n ( 3 - - 1 3 ) 3 3 3 2 弹性模量： 3 3 3 3 抗拉强度值： 础厨磊 v = s 瓦三1 5 e f 2 5 0 盯c 。5 0 占 e = e 。n i = l 阱厣鬲蕊 v = s e 妻1 5 盯。2 - - 3 1 8 5 p ( r o x t ) 瓦= o - , ，n s 一j 喜( 盯科恤- ) v = s j i 三1 5 1 6 ( 3 一1 4 ) ( 3 1 5 ) ( 3 1 6 ) ( 3 1 7 ) ( 3 一1 8 ) ( 3 1 9 ) ( 3 2 0 ) ( 3 2 1 ) ( 3 2 2 ) ( 3 2 3 ) 第三章岩年i 油l 程力学特性参数测定试验与试验数据处理计算方法 3 4 岩石声学特性测定试验方法与试验装置简介 3 4 1 岩石声学特性测试及分析处理系统简介 岩石声学特性测试及分析处理系统，为开展本项研究由胜利石油管理局钻井工艺研 究院与石油大学仪表厂( 中科院地球物理所参加) ，共同研究开发的新产品，用于测试岩 石的声波速度，见图3 3 。该试验装置由声波测量系统和岩样夹持器两部分组成，机电 一体化程度较高，实现了由微机控制自动完成测试数据采集、曲线绘制和分析处理的工 作过程。