（石油与天然气工程专业论文）川东北地区地层岩石声学特性试验研究及应用.pdf

川东北地区地层岩石声学特。性试验研究及应用 燕静( 石油与天然气工程) 指导教师：程远方( 教授) 李祖奎( 高级工程师) 摘要 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。岩石声学特性的应用研究，目前在固际上处于竞相研究状态。 其应用范围较广，特别在石油勘探升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_ 芷产生着巨大的经济效益与社会 效益。而涉及到川i 东北地区地层，特别是碳酸盐岩地层剖面，由于研究 难度较大，目前尚无人问滓。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。 在首先埘声学原理及其j 诹用、岩杆声学特性技术应用范例及其前景 进行总体介绍的基础上，详述了针对我国川东北地区地层开展的岩石声 学特性试验研究及应用研究过程：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、试验数据的回归分析处理、预测模式建立及利用 声波测井资料预测岩石工程力学特性的研究与应用等，介绍了研究成果 现场资料验证的结果，为加快该项技术的深入研发与推广应用打f 了良 好的技术基础。 关键词：川东北地区地层；岩石；声波速度；试验研究：应用 e x p e r i m e n t a ls t u d ya n da p p l i c a t i o no f a c o u s t i c c h a r a c t e ro fr o c ki nd i s t r i c to fn o r t h e a s ts i c h u a n y a n j i n g ( o i l & g a se n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rc h e n g y u a n f a n g & s e n i o re n g i n e e rl iz u k u i a b s t r a c t t h ea c o u s t i cc h a r a c t e r so f r o c kr e f l e c tm e c h a n i c a la n d p h y s i c a l p r o p e r t i e so f r o c ka tp r e s e n t ，t h es t u d yo na c o u s t i cc h a r a c t e ro fr o c ki so n e o fr e s e a r c hh o tp o t sa th o m ea n da b r o a d w h i c hw i l ib cb r o a d l ya p p l i e di na 1 0 to ff i e l d s ，e s p e c i a l l y ，i nt h et e c h n o l o g i c a lr e s e a r c hf i e l do fp e t r o l e u m e x p l o r a t i o na n dd e v e l o p m e n t r e c e n ty e a r sa g o ，a ts o m eu n i v e r s i t i e sa n d c o l l e g e s ，r e s e a r c h e r ss t u d i e dt h ea c o u s t i cc h a r a c t e ro fs a n ds h a l ei ns t r a t a s e c t i o n t h er e s e a r c hr e s u l t sh a db e e ns u c c e s s f u l l yu s e di np r o d u c t i o n ，w h i c h b r o u g h tt h eg r e a te c o n o m i ca n ds o c i a lb e n e f i t s t l o w e v e r ，b e c a u s eo ft h e d i f f i c u l t y t o s t u d ya c o u s t i cc h a r a c t e r so fc a r b o n a t er o c ki nt h ed i s t r i c to f n o r t h e a s ts i c h u a n ，n o n eh a v es t u d i e di nt h i sa r e a i ti sv e r yi m p o r t a n ta n d s i g n i f i c a t i v et oc a r r yo nt h i ss t u d yf o ru s i n gt h el o gi n f o r m a t i o nt op r e d i c tt h e m e c h a n i c a lc h a r a c t e r so fr o c k s ，f o r s e l e c t i n gt h et y p eo fb i t ，a n df o r f o r e c a s t i n gt h er o p b a s e do nt h et h e o r yo fa c o u s t i c sa n di t sa p p l i c a t i o n ，t h ee x e m p l i f i c a t i o n s u s e db ya c o u s t i cc h a r a c t e ro fr o c k ，a n do u t l o o ko fr o c k sa c o u s t i cc h a r a c t e r ， t h i sp a p e rs t u d i e de x p e r i m e n t a l l yo nr o c k sa c o u s t i cc h a r a c t e ra n dt h ep r o c e s s o fi t s a p p l i c a t i o ni n t h ed i s t r i c to fn o r t h e a s ts i c h u a nt h o s es t u d i e s i n c l u d e d ： m e a s u r i n gm e c h a n i c a lp a r a m e t e r so fr o c k ，t h em e t h o d so fd a t a p r o c e s s i n g ，r e g r e s s i o na n a l y s i so fd a t a ，s e t t i n gu pt h em o d e lt op r e d i c tt h e m e c h a n i c a lp a r a m e t c r sb yu s i n gt h el o gi n f o r m a t i o n a tl a s t ，t h i s p a p e r i n t r o d u c e dt h er e s u l t sv e r i f i e db yr e s e a r c hf i n d i n g so ns i t e t h et e c h n o l o g i c a l f o u n d a t i o nw a ss e t u p f o r s t u d y i n gd e e p l y o nt h i st e c l m o l o g ya n di t s a p p l i c a t i o n k e y w o r d s ：d i s t r i c to fn o r t h e a s ts i c h u a n ，r o c k ，a c o u s t i cv e l o c i t y ， e x p e r i m e n t a ls t u d y ，a p p l i c a t i o n 中国石油大学( 华东) 丁群硕七学仿论文公式符号表 公式符号表 序号符号 名称单位 1一 压模面积、试样面积 m m 3一c 测井声波速度 m s 4k 体积模量 巾a 6e 单个样品弹性模最m p a 7f 符合率无 8g 剪切模量 m 衅a 9h 井深 1 0 k 岩石平均塑性系数无 1 1 丘 单个样品塑性系数无 1 2肠 岩石可钻性级别值无 1 3 k a e d cp d c 钻头可钻性级别值无 1 4 x m e牙轮钻头岩石可钻性级别值无 1 5， 岩样的长度 m m 1 6 试验次数n 3 1 7 尸 载荷 k n 1 8 p 岩t i 平均硬度值m p a 1 9 p | 单个样品硬度值 m p a 2 0 p密度g c m 2 l r o 试样半径 2 2 s 样本数据的标准差无 2 3 f 时间 s 2 4 t 样本数据的代表值 s 2 5y 数据相对误差无 2 6 v p 纵波速度 m l s 2 7 v s 横波速度 m s 2 8 v p _ # 测井纵波速度 m s 2 9 v p m 地面纵波速度 r i a l s 3 0 泊松比 无 独创性声明 本人声明所呈交的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的地方外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国 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作了明确的说明并表示了 谢意。 签名：，町年, e l z 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 学生签名：壅叠砷年垆月2z 日 导师签名。彳二；卜 二岬年4 月 歹d 日 中尉l l 油人学( 华尔) i 程硕士学位论文第1 章前言 第1 章前言 1 1 研究目的及意义 多年来，我国的石油勘探开发工程在对川东北地区复杂勘探区实施钻 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，一直阻挠该地区油气资源的高速勘探与开发。 本项研究是针对我国目前陆上石油钻探钻遇的川东北地区地层的特点 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：以川东北地区地层为研究对象，进行室内试验与破岩机理研究，以 利于提高本地区的钻井速度和后期开发过程中优快钻井技术的实施提供技 术支持。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。在我固，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，对提高川东北地区复杂勘 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。 “两部大刀= 发”是国家的大政方针，“稳住东部、开发西部”是困家能 源开发的总体战略方针和部署，而川东北地区地层所分布的区域，绝大部 中国石油大学( 华东) t 程硕七学位论文第1 章前言 分归属于国家西部大开发的地域范畴， 部大开发的速度。因而开展本项研究， 展的大政方针。 其开发速率的快慢，直接影响着西 从政治意义上讲，符合当前国家发 ( 3 ) 川东北地区地层岩性相当复杂，可参考的钻井资料极少，钻探难 度很大。因而开展对川东北地区地层的岩石声学特性测试及应用技术研究 属当务之急，对勘探的顺利实旌具有重要的积极意义。 a 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，以利于加快川东北地区复杂探区勘 探开发的速度。 b 课题完成后研究成果可推广应用于类似于川东北地区地层的其它油 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。 c 从经济、社会效益方面分析，该项目研究不仅能加快j i 东北地区复 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 1 2 1 岩石破碎机理试验研究现状 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。为加快钻井速度， 均需要对所钻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 已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 中囡4 i 浦人。# ( 华东) 1 ，种硕 学位论文第1 章前言 的主要工 ，技术问题是深层岩石的高效破醉问题。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，对钻井工艺技术的研究、 发展及进步具有举足轻重的作用。它一方面可为现场或科研机构提供可靠、 可用的基础数据，另一方面由其获取的机理研究成果，可为与勘探工程有 关的其它工艺技术研究提供强有力的技术支持。因此世界各国与岩石力学 与工程密切相关的各行业，都一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： ( 1 ) 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 技术的研究水平已届国际领先地位。 ( 2 ) 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 预测技术应用于石油钻井，促进茛科技进步与技术发展的有效途径。这一 3 中国石油大学( 华东) ：i ：程额寸= 学位论文第1 章前言 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 xh + b 的数学模型用以预测待钻地层的可钻性，进丽应用 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 技术已在国内诸多大油田推广应用，见到了明显的经济技术效益。 ( 3 ) 为钻井工艺技术研究进行的其它岩石破碎机理试验研究 石油钻井面对的是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。为此针对工程其它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、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、其它研究不具备、不可替代的作用，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 4 中田f l 油人学( 华尔) _ 棵硕上学位论文第1 章前言 参数。国外的一! 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：此外从铡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能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熟点，应用己获取 的只创新性研究成果，已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： ( 1 ) 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； ( 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。 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 到川东北地区地层，特别是该地区的碳酸盐岩地层剖面，由于研究难度较 大，目前尚无人问津。医i 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。 t 2 3 岩石声学特性主要研究成果及应用范例 ( 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 中国4 i 油大学( 华东) t 稃硕+ 学位论文第l 章前言 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： 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。 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了加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。 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 6 中闻f 1 油人7 ( 华东) r 群硕十学位论文第1 章前言 弹，陀参数及其在未受土0 外部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“j 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。 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 较敏感的加权波者参数；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。 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o 、岩体分类指数r m r 及h o e kb r o w n 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h o e kb r o w n 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。 ( 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 中国石油大学f 华东) 工程硕十学位论文第1 章前言 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。 ( 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。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。 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。 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。 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，将显示出它的强大威力。 ( 4 ) 声波探测技术的新发展及其应用 如其它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， 中国l i 油人学( 华东) i 符硕 学位论文第1 章前言 c t 层析成像等软件的研制成功，为声波探测技术开拓了个广泛的技术市 场。尽管如此，丌发卢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，为拓展新的市场做准备。 如： a 预应力钢筋混凝土桥梁梁片铡绞线张拉效应检测； b 隧道衬砌背后空洞检测； c 金属焊缝质量检测； d 钢筋混凝土钢筋保护层厚度检测。 1 3 主要研究内容 ( 1 ) 地层岩样性能参数测试； ( 2 ) 以岩性剖咏类型为基础，进行诸参数问、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 ) 可钻性预测等相关应用技术研究和现场资料验证。 9 中国干i 油大学( 华东) 1 稃硕士学位论文第2 章声学原理与岩石声学特性的应用 第2 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而传播的。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 速度一般是横波速度的1 6 到2 倍，过去的一般声波测并只包括有纵波测 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“，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 一方向：p 窘邓+ _ ) g 瓦a a + g v 2 i t + ( 2 - 1 ) y 一旒p 等邓十争等+ g v 2 v + p y ( 2 - 2 ， z 一方向：p a a f 2 w 2 = ( 口+ 了g ) 西a a + g v 2 w + 膨( 2 - 3 ) 式中：a = 罢+ 罢+ i o w ，v 2 = 丽0 2 + 等+ 导； 上述微分方程对x ，y ，z 求偏导数再求和得到： ，围ii 油人f 华尔) j 秤硕t 学付论文第2 章声学原理与岩石卢学特性的府井 a 2 a 2 v z + 坐+ 堂+ 丝( 2 4 ) 叙 砂 玉 根据此方程，压缩波通过弹性体传播具有速度： = b + 兰g p 等= 2 从此方程可知，当体力为常数传输放嚣具有横波速度： _ = ( 翁 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， 横波也可以表示为如下形式： 煮高 j 一_ 高 j 2 3 声波与岩石禅 牛模量方闻的姜系 a 泊松比：“= 心1 2 一： l j f 吖一， l ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) 压缩波和 ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 1krj g 一 生p 中国彳i 油人学( 华东) 工程硕士学位论文第2 章声学原理与岩石声学特性的应用 b 杨氏模量： 肚2 g m ) - 2 加+ = 器 ( 2 - 1 1 ) c 体积模量： k ；p 嘭一要砰 ( 2 1 2 ) d 剪切模量： g = p 吁 ( 2 1 3 ) 若以声波时差表示可得： e = ( 爿锱) k 酱 = 致鬻 g ：乓 出： 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心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) ，并以此作为预测钻速 中囝4 i 、衲大学( 华东) 转1 硕卜学何沦文第2 章声学原理与宕7 i 声学特任的廊用 的基础，由于费用、技术等方向的原因，不能做到整个地层剖面的全井取 芯，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， 撰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。 中国石油大学( 华东) 工挥硕士学位论文第3 章岩石工程力学特性参数测定试验 第3 章岩石工程力学特性参数测定试验 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，利用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、塑性系数、声波速度等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 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。岩石可钻性的级别值l ( d ，称之为“条件可钻性”。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硒是一个有效数字，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 1 4 中闻十 油人学( 华力、) 1 年硕十学位论文第3 章岩石工程力学特性参势测定试验 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。 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 3k 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。 图3 - 1k z x - 1 型岩石可钻性测定仪 具有以下功能和优点： ( 1 ) 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； ( 2 ) 准恒压自动加载； ( 3 ) 钻深自动测量、瞬时数字显示、定钻深自动停机； ( 4 ) 钻时瞬时数字显示、定钻深自动记录与计算k 值。 主要技术指标如下： ( 1 ) 钻压： 牙轮钻头：8 9 0 n 士2 0 n ；p d c 钻头：5 0 0 n 土2 0 n 中国石油大学( 华东) ：【：稃硕士学位论文第3 章岩石一i ：徭力学特性参数测定试验 ( 2 ) 转速：5 5 r r a i n - - i ：1 r m i n ( 3 ) 钻孔深度： 牙轮钻头：预钻深度：0 2 m m ：计时钻孔深度：2 4 m m p d c 钻头：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；o 0 1 m m ( 5 ) 钻时记录与显示：量程：0 o l s 9 9 9 9 9 s ，精度：o o l s 3 1 4 试验方法步骤 ( 1 ) 试样制备与精度要求 将岩样两端面切平磨光后，置温度设置为1 0 5 1 l o 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o 2 m m 。 ( 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 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且钻深清零； e 启动k z x - 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； f 当钻达定深测定仪自动停钻后，记录钻进时间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。 1 6 中圈_ i 油大学( 华东) 。稃硕l 学位论文第3 章岩石丁程力学特性参数测定试验 j 将试验结果填写予试验数据记录表3 一l 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 一l 岩石可钻性测定试验数据记录表 取牙轮钻 头p d c 钻头 岩石 样 钻进时间钻进时间 样地井性相对 级 相对 级 备 井 ( s )( s ) 编 区 号描误差 值 误差值注 段均 均 号述单孔lv l ( d单孔t v k a m 值 值 3 1 5 试验数据处理与岩石可钻性级值计算 ( 1 ) 根据大数定理按( 3 1 ) 式计算样本数据的代表值；： f i ，= 生 ( 3 - 1 ) ( 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 s 1 5 为试验数据的取舍标准，按( 3 - 3 ) 式计算数据相对误差y ： 矿：? s 1 0 0 ( 3 3 ) f ( 4 ) 将样本数据的代表值取以“2 ”为底的对数，按( 3 - 4 ) 式计算岩可 钻性级别值嵇： kd=log：(3-4) 1 7 匝 r，“v， 中国石油大学( 华东) ：稃硕士学位论文第3 章岩石工程力学特性参数测定试验 3 2 岩石硬度、塑性系数的测定 3 2 1 测定原理 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 的圆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，圆柱平底压模压入时，岩石中的应力状态 近似钻并时岩石破碎的应力状态。 3 2 2 岩石工程力学特性测定系统简介 y s l x 1 型岩石工程力学特性测定系统，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产品，见图3 - 2 。 图3 - 2y s l x 1 型岩石工程力学特性测定系统 y s l x l 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。该试验装嚣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： 中固南油大学( 华东) 1 ：稃硕t + 学位论义第3 章岩石 ，秤力学特性参数测定试验 a 恒速率自动加载： b 用其“r 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、抗拉强度及其矿山彳亍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掘采集、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：o 1 0 0 k n ，精度：5 ( 进口产品) ： ( 3 ) 位移传感器量程：a ：5 m m ，精度：2 5 。 32 3 岩样规范和制样要求 岩样尺寸：5 0 15 0 m m 4 0 15 0 m m 。两端面平行度误差不超过 o 0 5 m m ，岩样制备后，应置于1 1 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，置于圆柱形压模下，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 数据处理与计算 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，将岩石划分为脆性、塑脆性、塑性三类。 ( 1 ) 岩石硬度处理与计算公式： 中国石油大学( 华东) 工稃硕士学位论文第3 章岩石 ：程力学特性参数测定试验 p = 1 0 p a 芦= p ，n 矿= s 芦s 1 5 ( 2 ) 塑性系数处理与计算公式： ( 3 5 ) ( 3 - 6 ) ( 3 7 ) ( 3 - 8 ) k = m 面积面积= 塑脆变形区面积弹性变形区面积( 3 ，9 ) 露= k n 厣磊丽 矿= s 趸s 1 5 3 3 岩石声学特性测定试验 ( 3 1 0 ) ( 3 “) ( 3 1 2 ) 3 3 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，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。声波测量系统由p a n a m e t r i c s 公司生产的5 0 7 7 p r 方波脉冲发生接收器和超声换能器( 纵波l m h z 、横波 o 8 1 m h z ) 及泰克t d s 2 1 0 数字存储示波器组成。 一 i | s 中国，f 1 油大学 华东) j 稃硕1 ：学1 寺论文凳3 章岩f il 群力学特性参数测定试验 该装旨具有以下功能和优点： a m 接获取杨氏模量、泊松比、体积模晕、抗压强度、抗拉强度、内 聚力、内摩擦角、断裂韧性等力学特性和可钻性、硬度等工程特性。 图3 - 3 岩石声学特性测试及分析处理系统 b 可在实验室内及并场测量，可用于常规取心岩样测试，也可用于小 岩块、甚至钻屑测试。 c 分析软件界面友好，实时采集分析数据，保存波形数据，自动化 程度高，可使非专业人员方便地获得准确的测试结果并进行分析。 d 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； e 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 ) 声波时差分辨率：如0 1 u s ( 2 ) 声波测试误差：曼5 3 3 2 岩石声学特洼测定试验 ( 1 ) 岩样规范和制样要求 岩样尺寸：5 0 。1 5 0 m i n x 4 0 1 5 0