（油气井工程专业论文）基于岩石物理性能的钻井地层工程特性研究.pdf

s t u d yo nd r i u i n gf o r m a t i o ne n g i n e e r i n gc h a r a c t e r i s t i c b a s e do nr o c kp h y s i c a lp r o p e r 锣 x us h i f e n g o i l g a sw e l le n g i n e e r i n g d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o z h o ug u a n g c h e n a b s t r a c t n i s e l l l 1 1 0 w n 廿1 a t 出1 1 i n gi sac 1 1 i e fw a yf o ro i l g a sp r o s p e c t i n ga 1 1 de x p l o i t a t i o n d u r i n gt l l ed r i l l i n gp r o c e s s b i tm e e t sa 1 1 db r e a l sv a r i o u sr o c k s s ot 1 1 er o c ki sm em a i n w o r k i n go b j e c tf o rd r i l l i n g 1 1 1 e r ea r em a j l yd i 妇f e r e n tl i n d so fr o c ki nt 1 1 ee a r t h sc m s t a i l d t h e ya r ea n i s o 仃0 p i ca n dh e t e r o g e n e o u s t h e r e f o r e i ti sa ni m p o r t a n tr e s e a r c hc o n t e n tt ot e s t r o c kp e r f o n n a l l c ep 绷e t e r sa 1 1 ds t u d yi n t e r r e l a t i o nb e t v e e nt h ep a r a m e t e r s a sab a s i c r e s e a r c hw o r k m es t u d ya n da p p l i c a t i o no fr o c kp e r f o 册a n c eh a v es i 嘶f i c a n ts e n s ef o r i m p r o v i n g 嘶l l i n gt e c l l l l 0 1 0 醪 i n 衄sp a p e r t l l er e s e a r c ho b je c t sa r e6 6 8p i e c e so fc o r e sw 1 1 i c ha r es e l e c t e d 抒o m s h e n g l io i l f i e l d f i r s t l y t h em e a l s u r e m e n te x p e r i m e m so fr o c kp h y s i c a lp r o p e r t i e sa n dd r i l l i l l g f o m a t i o ne n g i n e e r i n gc h a r a c t e r i s t i c sa r ec 删e do na i l ds o m ed a t a sa r eo b t a j n e d a n e rt l l e d a t a sa r ea l l a l y s e d t l l ed o u b l e p a r a m e t e rp r e d i c t i v em o d e l so f l l i n gf o n n a t i o ne n g i n e e r i l l g c h a r a c t 甜s t i c sa r ef o m e db a s e do nr o c kp o r o s i 吼p e m l e a b i l i t y d e n s i 够a i l da c o u s t i c v e l o c i 够 t h ea v e r a g ep r e d i c a t i o na c c u r a c yo fd r i l l i n gf i o m l a t i o ne n g i n e e r i n gc h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r s i sa b o u t8 0 w h e nu s i n gt 1 1 ep r e d i c t i v em o d e l s l a s t l y t l l em u l t i p a r 锄e t e rp r e d i c t i v em o d e l s o fd r i l l i n gf o r i l l a t i o ne n g i n e e 血gc h a r a c t 甜s t i c sa r ee s t a b l i s h e d 谢t l l 让l e 印p l i c a t i o no fb p n e u r a ln e 佩r o r k t h en 哪a ln e 锨r o r kp r e d i c t i v em o d e l sc a l li m p r o v et 1 1 ep r e d i c a t i o na c c l l r a c y o f d r i l l i i l gf o r n l a t i o ne n g i n e e r i i l gc h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r si ns o m ed e g r e e t 1 1 er e s e a r c hr e s u l to ft h j sp 印e ri n d i c a t e st h a tt h e r ea r ed e f i l l i t ec o r r e l a t i o n sb e 锄 e e nm e r o c kp h y s i c a lp r o p e r t ya n dd r i l l i n gf o m l a t i o ne n g i l l e e r i n gc h a r a c t e r i s t i c a j l d sa ne f 梵c t i v e a p p r o a c ht op r e d i c td r n l i n gf o m a t i o ne n g i n e e r i n gc h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r s 晰t hu s i n gr o c k p h y s i c a lp r o p e r t yp a r a m e t e r s k e yw o r d s r o c kp h y s i c a lp r o p e r t y d r i l l a b i l i 劬r o c kh a r d i l e s s p 1 a l s t i c i 够c o e m c i e n t p r e d i c t i o n b pn e u r a ln e l w o r k l l 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明 所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果 论文中有关资料和数据是实事求是的 尽我所知 除文中已经加以标注和致谢外 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果 也不包含本人或他人为获得中国石油 大学 华东 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料 与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明 若有不实之处 本人愿意承担相关法律责任 学位论文作者签名 日期 2 阳矿年5 月必日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学 华东 有权使用本学位论文 包括但不限于其印 刷版和电子版 使用方式包括但不限于 保留学位论文 按规定向国家有关部门 机 构 送交学位论文 以学术交流为目的赠送和交换学位论文 允许学位论文被查阅 借阅和复印 将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索 采用影印 缩印或其他复制手段保存学位论文 保密学位论文在解密后的使用授权同上 学位论文作者签 指导教师签名 日期 2 口 乎年j 月2 矛日 日期 多叼譬年 月必日 中国石油大学 华东 硕士学位论文 1 1 课题的研究意义 第一章绪论 众所周知 钻井是国内外油气资源勘探与开采的主要手段 在钻井过程中 岩石是 主要的工作对象 钻头要钻遇和钻穿多种岩石 因而 测试并获取诸项与钻井工程有关 的岩石性能参数 研究各参数间的相互关系 是石油钻井工程技术领域中的主要研究内 容之一 作为基础性研究工作的岩石性能参数测试及其应用研究 对于加快石油勘探开 发速度 提高钻井工艺技术水平具有重要意义 构成地壳的岩石 是一具各向异性的非均质体 其品种极多且性质各异 就岩石本 身而言 其具有力学 物理 化学 声学 机械物理 可钻性等多种特性 岩石的力学 特性 主要包括岩石的抗压强度 抗拉强度 抗剪强度 弹性模量 泊松比等 岩石的 物理性能 主要包括岩石的孔隙性 渗透性 密度等 岩石的化学性质 是指岩石的组 份 胶结类型及其胶结物等 钻井技术领域中岩石的机械物理特性 主要包括史氏压入 硬度 塑性和研磨性 岩石的可钻性 在钻井技术领域中被定义为岩石抵抗破碎的能力 岩石的声学特性 主要体现为在对其进行超声探测过程中所需要的时间 在钻井技术领 域中为便于表述 将与钻井破岩及其它工艺技术研究有关的岩石力学特性 可钻性 机 械物理特性等统称为岩石工程力学特性 岩石的物理性能参数这一岩石本身固有的性能参数 其在油田开发中应用广范 特 别是在油藏描述中起着重要作用 因而 对岩石物理性能的测试与分析研究 自勘探开 始就是地质 采油工程技术领域中的一项重要工作内容 多年来 地质 采油等相关研 究院所 在对岩石物理性能进行测试与研究的工作中 取得了大量的实测数据与研究成 果 然而 由于工作侧重点的不同 所获取的大量有价数据资料 目前仅局限于在地质 油藏描述中使用 致使所获得数据未能充分发挥其在钻井工程中潜在的巨大作用 实际 上 岩石的物理性能参数对于钻井工艺技术研究同样具有重要意义 目前 在钻井工程中研究和应用的重点是岩石可钻性 硬度和塑性系数等岩石工程 力学特性参数 如果将岩石的物理性能与岩石工程力学特性结合起来进行综合研究分 析 这无疑将对拓宽岩石物理性能参数的应用范围 充分利用现有数据资源深化和扩大 岩石试验的研究领域 起到巨大的推动作用 因此 开展岩石物理性能与岩石工程力学 特性的分析研究 将对钻井工程乃至油田整体勘探开发工程具有重要意义与应用价值 第一章绪论 1 2 国内外研究现状 钻井过程是一个以锐器不断破碎井底岩石而逐渐钻凿成孔 进而形成井眼的过程 在钻井过程中 高效破岩与井壁稳定是制约钻井速度提高 降低作业成本的两大关 键技术问题 欲求解决这两大关键技术难题 首要的一点应该是对地层中诸种不同岩石 的工程力学特性有一个充分的认识和深入的了解 在油气勘探与开发的过程中 单就提 高钻井速度而言 欲求提高钻头的破岩效率 除应不断进行适应地层的新型钻头研制与 钻井新工艺 新技术的研发外 相当重要的一点应是进行破岩机理研究 即对岩石诸项 性能参数进行测试与分析研究 故多年来 钻井工程界一直相当关注对岩石可钻性 硬 度和塑性等岩石工程力学特性的研究n 吲 1 2 1 岩石可钻性的研究现状 岩石可钻性是钻井工程中必需的一个基本数据 它反映了钻进时岩石破碎的难易程 度 岩石可钻性在钻井工程中有重要的应用价值 如指导钻头选型 用于钻头参数优选 预测钻速 制定生产定额等 因此 研究岩石 或地层 的可钻性对提高钻井效率具有重 要意义与实际应用价值 岩石可钻性的概念是在生产实践中形成的 用以说明破碎岩石的工具与岩石之间的 关系 现代的岩石可钻性概念有以下几种提法 1 所谓岩石的可钻性是指在一定技术 条件下钻进岩石的难易程度 2 可钻性可理解为钻井过程中岩石抗破碎强度 阻力 的 程度 它表征岩石破碎的难易程度 3 岩石坚固性在钻孔方面的表现 称可钻性口1 上述的几种提法都包含有三层意思 即钻进的对象 岩石 在钻井过程中所钻遇 的对象绝大部分为沉积岩 一般称为地层 所以石油钻井界常用地层可钻性术语 使用 的工具 主要是指旋转钻井 冲击钻井 的钻头 它属于机械法破岩的范围 如果辅以 其他方法破碎岩石 应该指出其破岩特点 如水力破岩可钻性 破碎岩石的难易程度 它是表明破碎岩石的综合结果 也是实验室可钻性概念的核心和定义的表示方法 在生产实践中常采用数量指标 如钻时 分 米 钻速 米 秒 等来表示岩石的可钻 性 并用数量的大小来划分好钻 难钻 或软 硬地层 的可钻性范围 在科学实践中 时常根据所用的方法 观测的实验结果来表示岩石的可钻性这一概念 从岩石的可钻性测定 分级和预测方法的研究来看 目前国内外主要用以下几种不 同的方法进行研究 2 中国石油大学 华东 硕士学位论文 1 用岩石的机械物理性质评价岩石的可钻性 这种方法的实质是从众多的岩石机械物理性质中 找出一种或几种与岩石可钻性 或钻进难易程度 关系最密切的因素 以便通过测定某几种主要的岩石机械物理性质 来定量的反映岩石可钻性的指标睁1 2 1 例如岩石的静压入硬度 肖氏硬度和摆球硬度 岩石的研磨性和塑性等 其优点是测量压入硬度 研磨性的过程和钻进时钻头在轴向载 荷下吃入岩石的过程是相似的 而且方法简便 所测物理量相对稳定 但是问题在于难 以选取完全反映某种钻进方式的机械物理性质指标 2 用微钻法评价岩石的可钻性 它是采用微型设备和工具 在室内进行模拟试验 用微钻速 或微钻时 来反映某一 钻进技术条件的综合指标 室内测试条件较稳定 测量记录较准确 在一定程度上避免 了人为因素的干扰 用微钻法评价岩石可钻性时 是在室内固定测试条件下 用微钻头在岩心上钻孔以 取得钻速指标的模拟方法 其钻速可采用宾汉钻速模型表示 y k d 1 1 式中 嗍速 删 1 l s r 转速 r r n i n 嗍压 l 洲 嗍头直径 l l m l 一 k 扩常数 由直接测量值表示的钻速公式可知 当以钻速作为可钻性指标时 钻进速度y 与测 量钻进深度日和钻进时间r 之间的表示式为 肛驯丁 或叫日 1 y 1 2 式中 嗍进速度 r m i n 仔瑚4 量钻进深度 l 姗 嗍进时间 s 乃曰为单位钻进深度时间 简称为钻时 册也可作为可钻性的指标 为了简化计 算 以钻孔深度为定值 故可简写钻时为丁 以秒为单位表示 这样地层可钻性就简单 地同基本测量值钻时 秒 联系在一起了 我国石油钻井行业采用的岩石可钻性测定方法 为模拟牙轮钻头破岩机理的微钻头 试验法 也叫罗劳法 这一方法是在美国休斯公司微钻头试验法的基础上 充实完善而 提出来的 具体测定方法为 以直径为巾3 1 7 5 m m 的微钻头 在钻压8 8 9 6 7 n 转速 5 5 r m i l l 条件下 于岩心横切面上做钻孔试验 在预钻0 2 m m 深后 记录再钻进2 4 i m 深时的钻孔时间乃做为样本数据 以n n 3 孔微钻时的平均值乃作为本块岩样的岩石 可钻性代表值 此结果叫做 条件可钻性 为岩石可钻性分级的需要和方便应用 进 3 第一章绪论 而取钻时值以 2 为底的对数 做为该块岩样的可钻性级别值 以物表示n 引 即 k d l 0 9 2 丁 1 3 3 用钻时系数法求取岩石可钻性 钻时系数法是根据钻时与岩性的对应关系 结合微钻头试验法测定的岩石可钻性级 值 求取地层可钻性级值的方法 钻时系数r 是微钻头试验测定钻时r 与正常钻进时的 岩样采集点相邻且岩性相同井段的钻时 的关系系数 即 尺 晰 当钻井条件不变时 r 为一常数值 这样就可以利用r 和钻时计算出任意点的当量微钻头试验钻时丁 用 髟芝l o g 丁 计算出相应地层可钻性级值 但该研究方法局限于相应地层岩性 且钻井 条件要有较好的对应性 4 1 4 用实钻速度评价岩石的可钻性 实钻速度反映了不同地层岩石和技术工艺等多种因素的综合影响n5 1 所得的钻速指 标可以直接用于制定生产指标 但是由于实际的机械钻速受很多因素的制约 例如 钻 井参数 钻进工具的特性参数 水力参数 钻井设备和人员的技术水平等 据统计大约 有2 6 种因素 因此 采用实际钻速指标表示岩石的可钻性时 它具有暂时性和局部性 尤其是随着技术的不断更新 原定指标也应修正n 6 1 5 用破碎比功评价岩石的可钻性 它是利用单位时间内破碎岩石体积的量来评价岩石的可钻性 如普氏捣碎法 巴氏 砸碎法等 破碎比功既是岩石的物理量又是破岩效率的指标 同时还可以把各种钻进方 式破碎岩石的有效性相互进行比较n 刀n 8 1 但问题在于各种钻进方式的破岩比功本身也不 是一个常量 其变化规律尚待进一步研究 6 用能量法评价岩石的可钻性 能量法是通过采集钻井井口排屑来测定岩石可钻性的一种方法 其基本原理是利用 岩屑破碎能量来评价岩石的可钻性n 钔啪1 即将井底返回的岩屑经预处理后放人岩样室 加上压力f 后 压头产生位移s 随着压力的不断增大 位移也相应增加 当岩屑被压 实时 压力达到最大值f m 觚 位移也达到最大值s m 醯 根据压力和位移的关系可作出f s 曲线 如图1 1 所示 将曲线积分 便得到岩屑所吸收的能量 液缸所作的功 即 彳 f 一膦 f f s 1 4 旬 式中 刑一为各测点的压力值 n 丛l 为位移增量 衄 4 中国石油大学 华东 硕士学位论文 可钻性能量法指标可由下式决定 k 口l i l 彳 式中 a 声为岩性系数 1 5 图1 1 能量法压力位移曲线 f i g l 一1 t h ep r e 鼹u 代d i s p l a c e m e n tc u r v eo fe n e r 留m e t h o r d 7 用分形法确定岩石的可钻性 钻井过程中 地层岩石被钻头破碎形成岩屑后随钻井液上返到地面 在井口取样后 利用分形理论分析上返岩屑的分形特征 用岩石的分形维数来表示岩石的可钻性 并建 立岩石可钻性与岩石分形维数之间的关系式 从而达到利用岩石分形维数确定岩石可钻 性的目的瞳1 2 4 1 8 用测井资料求取岩石可钻性 测井资料可较好体现岩石的物理特性 横波时差反映了地层的剪切变形特性 纵波 时差反映了地层的拉伸和压缩变形特性及强度特性 而地层的岩石可钻性则反映了岩石 抗钻头冲击与剪切破坏的能力 因此岩石的纵 横波时差必然能反映地层的岩石可钻性 利用声波测井资料计算岩石可钻性 就是建立岩石可钻性与声波时差 或声波速度 之间 的关系式 从而达到利用声波时差 或声波速度 求取岩石可钻性的目的 该方法能弥补 未能取心层段不能确定可钻性的缺陷 便于建立连续剖面乜蚋铂 9 用岩屑波速评价岩石可钻性 该方法以容易获取且来源充足的钻井岩屑为研究对象 通过测定岩屑的声波波速来 定量计算岩石的可钻性级值 该方法可实现岩层可钻性的随钻评价 特别适合于缺乏岩 心和测井资料的新探区钻井 一3 1 2 2 岩石硬度和塑性的研究现状 岩石的硬度是岩石抵抗其它物体表面压入或侵入的能力 岩石的塑性是岩石吸收残 余形变或吸收岩石未破碎前不可逆形变的机械能量的特性 岩石的硬度和塑性研究主要 5 第一章绪论 有以下几种方法 1 压入硬度法确定岩石的硬度和塑性系数 目前主要是用圆柱压入法测定岩石的硬度和塑性系数口引 在压头压入岩石后 岩石 产生第一次体积破碎时接触面上单位面积的载荷即为岩石的硬度 岩石产生第一次体积 破碎时破碎消耗的总功与弹性变形功的比值即为岩石的塑性系数 所有岩石的压入硬度 试验曲线可以分为三种类型 如图1 2 所示 宣 主 柱 描 0 0 e c0 吃入探度 胁 吃入深度毛 m 吃入深度亏 响 t l b j c 图1 2 岩石的压入硬度试验曲线 f i g l 2 t h et i e s tg r a p ho fi o c ki n d e n t a t i o n 变形曲线的纵坐标为压头所加的载荷 横坐标为吃入深度 三种类型的曲线分别对 应三大类岩石 即脆性岩石 塑脆性岩石和塑性岩石 1 岩石的硬度r 即为脆性破碎 时接触面上单位面积上的载荷 用下式计算 b 2 1 6 式中 尸为产生脆性破碎时压头的载荷 n s 为压头的面积 舢m 2 岩石的塑性系数用下式计算 牛鲁 鬻 1 7 一 i j p 彳 d d e 的面积 2 岩屑压入法确定岩石的硬度和塑性系数 它是利用钻井井口的上返岩屑 采用压入法直接测定岩石的硬度和塑性系数口们m 1 利用该方法可以及时地测定钻井地层的硬度和塑性系数 并能建立起连续的地层硬度剖 面 3 用测井资料求取岩石硬度 测井资料可较好体现岩石的物理特性 声波时差 或声波速度 与岩石的硬度有较好 的相关关系 利用岩石硬度与声波时差 或声波速度 之间的相关性 可以间接求取岩石 胁 离主馆摒 中国石油大学 华东 硕士学位论文 的硬度 4 1 删 1 3 课题的来源 研究内容及创新点 1 课题的来源 本课题系国家8 6 3 课题 超深井钻井技术 之子课题 深部地层岩石力学特性分析 研究 的部分研究内容 2 课题的研究内容 岩石物理性能参数的室内实验 应用相关的实验设备 对岩石的孔隙度 渗透率 密度 声波速度等岩石物理性能 进行测试 获取了一定数量的岩石物理性能参数实验数据 钻井地层工程特性参数的室内实验 应用相关的实验设备 对岩石的可钻性 硬度和塑性系数等钻井地层工程特性进行 测试 获取了一定数量的钻井地层工程特性参数实验数据 实验数据的数理统计分析 应用数理统计方法 对所测岩样的钻井地层工程特性参数的实验数据 分别按砂岩 泥岩和碳酸盐岩三种岩性剖面进行统计分析 从而对不同岩性岩石的可钻性和硬度的大 小及分布范围有了一定的量性认识 钻井地层工程特性参数预测模式的建立 对所测岩样的岩石物理性能参数和钻井地层工程特性参数的实验数据进行回归分 析 建立了钻井地层工程特性与岩石物理性能参数间的相关关系 得出了岩石可钻性 硬度 塑性系数与岩石孔隙度 渗透率 密度 纵波速度之间的双参数回归方程 从而 建立了应用岩石物理性能预测钻井地层工程特性的双参数预测模式 在建立钻井地层工程特性与岩石物理性能之间的多参数预测模式时 为避免多元回 归分析中人为强制参数间的线性或非线性关系的弊端 本文应用人工神经网络方法 建 立了用于钻井地层工程特性参数预测的b p 神经网络 从而得出了应用岩石物理性能预 测钻井地层工程特性的多参数预测方法 钻井地层工程特性参数预测模式的应用 用建立的钻井地层工程特性参数预测模式 使用岩石的孔隙度 渗透率 密度等物 理性能参数 对岩石的可钻性 硬度和塑性系数进行预测 并对预测结果进行了符合率 验证 7 第一章绪论 3 主要创新点 将岩石的孔隙度 渗透率 密度等岩石物理性能参数 引进到钻井地层工程特性 分析中来 建立了钻井地层工程特性参数与岩石物理性能参数之间的相关关系 得出了 应用岩石物理性能预测钻井地层工程特性的双参数预测模式 采用b p 神经网络方法 建立了应用岩石物理性能参数预测钻井地层工程特性参 数的预测方法 8 中国石油大学 华东 硕士学位论文 2 1 岩石的分类 第二章岩石的物理性能研究 岩石有多种分类方法 经常使用的是地质学的岩石分类原则和标准 即按照组成岩 石的矿物和含量 岩石的结构和构造 岩石的地质产状和成因对岩石进行分类 根据地 质学的岩石分类原则 一般将岩石分为岩浆岩 沉积岩和变质岩三大类h 刀 作为油气 钻井过程中主要遇到的沉积岩又可以分为两类 即 1 碎屑沉积岩 是由岩石碎屑经沉积 压缩及流经沉积物的溶液中沉淀出的胶结 物的胶结作用而形成的 包括砂岩 泥岩 砾岩等 2 化学沉积和生物沉积岩 是盐类物质从水溶液中沉淀或在地壳中发生化学反应 而形成的 最常见的是碳酸盐类岩石 包括石灰岩 白云岩等 2 2 岩石的孔隙性 2 2 1 岩石的孔隙特征 岩石的孔隙是指岩石中未被碎屑颗粒 胶结物或其它固体物质充填的空间 岩石是 有较多缺陷的矿物材料 在矿物间往往留有孔隙 同时 岩石又经受过多种地质力作用 往往发育有不同成因的结构面 如原生裂隙 风化裂隙及构造裂隙等 所以岩石的孔隙 性比较复杂 除了孔隙外还有裂隙存在h 钔 碎屑岩中常见的孔隙主要有粒问孔 溶蚀孔 晶间孔 杂基内微孔等 碳酸盐岩中 常见的孔隙主要有原生孔 溶蚀孔 生物钻孔 收缩孔和裂隙等 岩石的孔隙性对岩石的性质影响很大 一般来说 孔隙度越大 岩石的强度越低 塑性变形越大 反之亦然h 钔 2 2 2 岩石的孑l 隙度 岩石的孔隙度是指岩石孔隙体积与其外表体积的比值嘲1 岩石的外表体积玢可以分 解成骨架体积圪和孔隙体积 即 巧 附 则岩石的孔隙度为 苦 南 半 江 吩圪 巧 孔隙度矽是无因次量 用百分数或小数表示 根据孔隙的大小及连通情况 孔隙度可分为绝对孔隙度 有效孔隙度和流动孔隙度 9 第二章岩石的物理性能研究 1 绝对孔隙度 绝对孔隙度是指岩石中的总孔隙体积 包括连通和不连通的 与岩石外表体积 吩的比值 以丸表示为 九 告 协2 2 有效孔隙度 有效孔隙度是指岩石在一定压差作用下 被油 气 水饱和且互相连通的孔隙体积 与岩石外表体积巧的比值 以九表示为 吮 等 2 3 3 流动孔隙度 流动孔隙度是指在一定的压差作用下 饱和于岩石孔隙中的流体流动时 与可动流 体体积相当的那部分孔隙体积 与岩石外表体积 的比值 以办表示为 办 告 2 4 4 双重介质孔隙度 含有裂缝一孔隙或溶洞一孔隙的岩石称为双重孔隙介质 双重介质含有两种孔隙类 型 一类是由岩石固体颗粒之间的孔隙空间构成的粒间孔隙 称为基质孔隙或原生孔隙 另一类是由裂缝和孔洞形成的孔隙 称为裂缝孔隙或次生孔隙 基质孔隙体积与岩石外 表体积的比值称为基质孔隙度 裂缝孔隙体积与岩石外表体积的比值称为裂缝孔隙度 双重介质的孔隙度以可由基质孔隙度九和裂缝孔隙度办相加得到 以 砟 办 2 5 2 2 3 孔隙度的影响因素 1 颗粒的排列方式 从等径球形颗粒岩石模型分析 岩石的孔隙度与组成岩石的颗粒直径无关 仅与颗 粒的排列方式有关 正排列时孔隙度最大 为4 7 6 菱形排列时孔隙度最小 为2 5 9 5 2 颗粒的分选性 颗粒的分选性越好 颗粒的粒径越趋于一致 岩石的孔隙度越大 中国石油大学 华东 硕士学位论文 3 胶结物 泥质胶结的砂岩较为疏松 孔隙性较好 随着泥质胶结物含量的增加 粒间孔隙被 充填 岩石的孔隙度显著降低 钙质胶结物对孔隙度的影响比泥质大得多 当钙质含量 大于3 5 时 岩石的孔隙度显著变小 胶结类型对孔隙度也有影响 接触胶结的孔 隙度最大 孔隙胶结次之 基底胶结最小 4 岩石的压实程度 压实作用使岩石致密 从而导致孔隙度变小 岩石的压实作用受埋深控制 故岩石 的孔隙度随埋深的增加而减小 5 成岩后生作用 成岩后生作用对岩石孔隙性的影响主要分为两个方面 第一 受构造力作用 岩石 产生微裂隙 使岩石孔隙度增加 第二 地下水活跃 溶蚀岩石颗粒和胶结物 使岩石 孔隙度增加或地下水中的矿物沉淀 充填或缩小岩石孔隙度 导致岩石孔隙度减小 2 2 4 岩石孔隙度的研究方法 1 实验方法 通过各种仪器测定岩石的外表体积 骨架体积和孔隙体积 从而获得岩石的孔隙度 测定岩石外表体积的方法 尺量法 排开体积法 浮力测定法 测定岩石骨架体积的方法 比重瓶法 沉没浮力法 气体膨胀法 测定岩石孔隙体积的方法 气体膨胀法 饱和称重法 压汞法 2 间接方法眦1 以各种测井解释技术为基础的间接测定岩石孔隙度的方法 其优点是考虑了岩石所 处的地层条件和各种力场对岩石性质的影响 电阻率测井方法 实验研究表明 无论如何改变地层水电阻率值 含水岩石的电阻率与所含地层水电 阻率的比值总是一个常数 定义这个比值为地层因素 用尸表示 t f 墅 2 6 r 式中 灭r 孔隙中1 0 0 含水的岩石电阻率 风厂 孑l 隙中所含地层水的电阻率 地层因素尸只与岩性 孔隙度 胶结情况和孔隙结构有关 有如下关系式 第二章岩石的物理性能研究 口 2 7 式中 扩与岩性有关的比例系数 变化范围0 6 1 5 玢广胶结指数 变化范围1 5 3 声波测井方法 声波在岩石中的传播速度受孔隙度的影响 目前常用的经验公式为 土 鱼 堕 2 8 一 一十一 i 上一 v t v f v m 式中 旷 测井曲线标出的岩石声速 n 以 圹岩石孔隙中流体的声速 m s 1 艄石骨架中的声速 n l s 多一岩石的孔隙度 密度测井方法 红二鱼 2 9 p 一一p f 式中 p 耐 岩石骨架密度 g c n l 3 p 6 密度测井测出的岩层密度 g c i n 3 一孔隙流体密度 眺m 3 咖 岩石的孔隙度 2 3 岩石的渗透性 岩石的渗透性是指在一定压差作用下 岩石本身允许流体通过的性能 2 3 1 岩石的渗透率 1 达西公式 露 丝 2 1 0 露 兰竺 2 1 0 么卸 式中 一石的渗透率 心 r 流体的粘度 m p a s 卸一岩样两端压力差 1 0 1 m p a 9 一通过岩心的流量 c m 3 s 彳一岩心的截面积 c m 2 三一岩心的长度 c m 在利用上式测定岩石的渗透率时 需满足的条件是 岩石孔隙空间1 0 0 被某一 种流体所饱和 岩石不与流体发生物理化学反应 流体在岩石孔隙中的渗流为层流 在这样的条件下测得的渗透率仅与岩石自身的性质有关 而与所通过的流体性质无 关 此时的渗透率称为绝对渗透率 达西公式的微分形式为 1 2 中国石油大学 华东 硕士学位论文 七 一丝 丝 2 1 1 彳咖 2 气测渗透率 气测渗透率是通过加压气体在被测岩石两端建立压差 测量出口气体流量 并利用 达西公式计算岩石的渗透率 k 署 协 式中 神测渗透率 岬2 p i 进口压力 1 0 1 m p a 忱一出口压力 1 0 1 m p a p o 一大气压力 1 0 1 m p a 雌体粘度 m p a s q o 通过岩心的流量 c m 3 s r 流体的粘度 n l p a s 彳一岩心的截面积 c m 2 三一岩心的长度 c m 2 3 2 渗透率的影响因素 1 岩石结构和构造特征的影响嘞1 岩石的结构主要是指岩石的粒度及其分选性 研究表明 砂岩的粒度分布范围越广 颗粒分选性越差 胶结物含量越多 其渗透率就越低 k m m b e i n m o i l l 1 9 4 2 年 给出了 砂岩渗透率与颗粒分选性 沉积环境及平均粒径的关系 七 c d 2 p 1 3 5 8 2 1 3 式中 c l 常系数 与岩石沉积环境有关 伽 5 1 扣岩石平均颗粒直径 岬 广岩石颗粒的标准偏差 一石的渗透率 心 上式表明 岩石的渗透率与颗粒平均直径的平方成正比 与颗粒的分选性成反比 岩石的构造特征主要是指层理和纹理的发育程度 沉积回旋和韵律特征等 层理的 方向性 递变性导致砂岩渗透率的方向性 沉积回旋 韵律特征导致砂岩渗透率在纵向 上的差异 2 岩石孔隙结构的影响 岩石的孔隙可分成孔隙和喉道两部分 喉道的大小对岩石的渗透率起决定作用 c a m a l l k o z e n y 公式 1 9 3 2 年 给出了渗透率与喉道大小的关系 七 2 1 4 式中 矽一岩石的孔隙度 小数 广 喉道半径 岬 阿曲度 表示喉道的曲折度 f 1 5 5 5 1 3 第二章岩石的物理性能研究 c a m 锄 k o z e n y 公式的意义是孔喉的大小和孔隙结构的复杂程度对渗透率的影响大 于孔隙度的影响 3 压实作用的影响 研究表明 压实作用与渗透率有密切的关系 i f a t t 1 9 5 2 年 证实了岩石渗透率随 上覆压力增加而降低 渗透率与上覆压力有如下关系 七 p 一鲰 p 一肋 2 15 式中 p 广实验初始压力值 m p a 矿一实验压力值 m p a 蔚一实验初始压力下岩石的渗透率 心 卜压力为p 时岩石的渗透率 心 仅广渗透率随压力的变化系数 4 胶结作用的影响 胶结物的沉淀和胶结作用都会使岩石的孑l 隙通道变小 喉道变细 孔隙曲折性增加 从而引起岩石渗透率的显著降低 5 溶蚀作用的影响 溶蚀作用使岩石的渗透率增大 6 地应力作用的影响 岩石在地应力场的作用下 会形成断裂和微裂缝 裂缝对岩石渗透率的影响是巨大 的 m a s k a t 和b o i s 莉 1 9 4 9 年 的研究表明 当低渗岩石中的微裂缝的宽度达到数微米 宽时 由裂缝产生的渗透性将超过岩石孔隙渗透率的几倍甚至更高 微裂缝宽度和渗透 率有如下关系 后r 0 0 8 5 6 2 矽 2 1 6 式中 眵一裂缝渗透率 岬2 卜裂缝宽度 岫 吟一裂缝孔隙度 小数 2 3 3 岩石渗透率的求取 1 实验方法 常规岩心分析 常规岩心通常是按一定要求在全直径岩心上钻取直径为2 5 m m 的标准岩心柱 它是 测定岩石渗透率参数的标准样品 根据s y 5 3 3 6 1 9 9 6 的标准 国内各油田主要采用气测 法测定常规岩心渗透率 分析仪器主要有 流量管气测渗透率仪 高低渗透率仪 全自 动孔渗分析仪等 1 4 中国石油大学 华东 硕士学位论文 全直径岩心分析 全直径岩心是指在钻井取出的岩心上截取的一段柱状岩心 其直径一般为1 0 0 1 2 0 i n m 由于全直径的岩心的尺寸大 用它所测得的岩石物性参数受地层非均质性的影 响小 因而比小岩柱更有代表性 全直径岩心渗透率测量所用的仪器与常规岩心分析的 仪器相似 唯一的区别是岩心夹持器 2 间接方法 利用测井资料求取地层渗透率的基本做法是应用测井解释出的孔隙度和含水饱和 度资料 通过实验室分析 建立孔隙度一束缚水饱和度一渗透率关系图版 得到求取渗透 率的经验公式 目前在测井解释中常用于计算渗透率的经验公式为 七 譬 2 1 7 s c 式中 束缚水饱和度 口 卜与岩石孔隙中流体性质有关的常数 2 4 岩石的密度 岩石的密度是指单位体积内岩石的质量 单位 c m 3 密度是岩石的一种固有性质 是研究岩石性能的必备参数之一 2 4 1 岩石密度的实验室测定方法 1 静水称重法 p 2 而而褊 2 吉 2 邶 胪而瓦 雨 2 歹 旺 鳓 式中 所 一未涂石蜡岩样的质量 聊厂岩样涂石蜡后的质量 聊揩样在水中的质量 p 石蜡的密度 p 岩样的密度 2 比重瓶法 p 芝兰 2 1 9 p 2 1 9 式中 肘 装了岩样后的比重瓶质量 聊 比重瓶本身的质量 卜岩样的体积 3 使用密度仪测量 2 4 2 岩石密度的间接求取方法 1 重力测井直接确定密度嵋2 1 第二章岩石的物理性能研究 p q 墨鱼丝二丝 2 2 0 p k z z u o 4 1 9 3 幽 式中 p 地层密度 眺m 3 7 i r 一两点间的深度 m 妒两点间的重力差 2 其它测井资料间接确定密度嵋3 1 利用密度值与所测到的测井参数间的实验关系 将这些参数转化为密度值 散射伽马射线强度 伽马一伽马密度测井 弹性波在岩石中的传播速度 声波测井和地震测井 岩石孔隙度 中子一伽马测并 中子一中子测并 脉冲中子一中子测井 岩石电性 电阻率测井 自然电位测井 2 5 岩石的弹性波 弹性波就是在弹性介质中传播的波 其实质是质点振动的依次传递 当波的传播方 向和质点振动方向一致时叫纵波 纵波传播过程中 介质发生压缩和扩张的体积形变 因而纵波也叫压缩波 当波的传播方向和质点振动方向相互垂直时叫横波 横波传播中 介质发生剪切变形 所以横波也叫剪切波 通常这两种波是同时在介质中传播的 但横 波不能在液体和气体中传播嘲1 地震勘探中的地震波和声波测井中的声波 其实质就是在地下岩石中传播的弹性 波 在地震波和声波传播的范围内绝大部分的岩石都可以近似的看成理想弹性体或绝对 弹性体 因此可用弹性波在介质中的传播规律来研究地震波和声波在岩石中的传播特 性 2 5 1 岩石的弹性参数 1 杨氏模量e 它是张应力与张应变的比值 设长为l 截面积为彳的岩石 在纵向上受到力f 张力 或压力 作用时伸长 或压缩 厶则纵向张应力刚与张应变 耽之比值即为杨氏模量 e 曼丝 2 2 1 缸 l 杨氏模量e 与岩石的尺寸无关 它是岩石张弹性强弱的标志 2 泊松比 它是横向相对压缩与纵向相对伸长之比值 设长度为三 直径为d 的圆柱形岩石 当 其受到压缩时 其长度缩短 三 直径增加 d 则 等于 1 6 中国石油大学 华东 硕士学位论文 磁ld 2 瓦万 3 剪切模量g 岩石的剪切模量是指作用在剪切面上的剪应力卤相应的剪应变 的比值 按定义 剪切模量g 可用下式确定 g 三 2 2 2 2 2 3 7 4 体积模量置 岩石的体积弹性模量匠黾指在各向均匀压缩条件下 单位岩石体积的体积变化量巩 或平均应力 与体积应变岛的比值 即 k 生 旦 s v 2 2 4 2 5 2 弹性波在岩石中的传播速度 对于各向同性均质弹性岩石 运用牛顿第二定律和三维虎克定律可得出弹性波在岩 石中的波动方程嘞3 即 p 争娟埘盹 p 爹娟俨矾 2 2 5 p 等 钾2 q 涵 等一2 吼 式中 v 2 一拉普拉斯算子 8 单元相对体积应变 呒 q 吒一单元体的旋转分量 p 岩石的体积密度 卜弹性波在岩石中的传播时间 卜拉梅常数 名2 百彘 从上面的公式可得出弹性波在岩石中的传播速度为 v 一 竽刮揣 江2 6 v 2 1 i 厂2 1 丽而示芴 旺 2 酬 屹 詹 志 协2 7 式中 啊一纵波的传播速度 n 以 咐一横波的传播速度 n 怕 第二章岩石的物理性能研究 2 5 3 影响波速的主要因素 1 岩性 由于不同矿物的弹性模量大小不同 介质弹性模量的大小又是影响波速的主要因 素 所以由不同矿物构成的岩石 其波速大小也不同 2 孔隙度 岩层孔隙中通常被油 气 水等流体介质充填 这些孔隙流体的弹性模量和密度不 同于岩石骨架的弹性模量和密度 显然 岩层孔隙度和孔隙流体的弹性模量和密度对岩 层的波速有明显的影响 孔隙流体相对岩石骨架是低速介质 所以岩性相同孔隙流体不 变的介质 孔隙度越大 岩石的波速越小啤1 3 岩层的地质时代 许多实际资料观测指出 深度相同成份相似的岩石 当地质时代不同时 波速也不 相同 老地层比新地层具有较高的波速 4 岩层的埋藏深度 实际资料表明 在地质年代和岩性相同的条件下 波速随岩层埋藏深度加深而增大 这种变化是由于上覆地层压力增大岩石的杨氏模量增大的缘故 岩层埋藏较浅的地层 随埋藏深度增加波速变化剧烈 深部地层 随埋藏深度增加时 其波速变化不明显 5 岩层的温度和压力 岩石的波速随压力的增加而增加 随温度的增加而下降 岩石的波速受压力的影响 比温度的影响要大嘞1 2 5 4 岩石波速的实验室测定 实验室内测量岩石弹性波速的常用方法是超声脉冲法 其基本原理是向岩石样品的 一端施加脉冲 然后测量到达样品另一端的脉冲所经历的时间 其基本原理如图2 1 所 示 图2 l 声波测试原理示意图 f i 鹳一l t h e h e m a t i cd i a g 翰mo fa u s t i cw a v et e s t 1 8 中国石油大学 华东 硕士学位论文 岩石的纵波及横波波速按下式计算 1 l 1 0 3 v 2 瓦灿旷 1 上 1 0 3 屹2 瓦灿 2 2 8 2 2 9 式中 吻 k 一纵波 横波速度 m s 易 广仪器读取的纵波 横波传播时间 p s b k 一系统基时 即收发系统延迟时间 烽 卜岩样长度 1 1 1 n 1 2 6 岩石物理性能的相互关系 2 6 1 岩石密度与孑l 隙度关系 岩石的密度与孔隙度存在函数关系佑习 即 岛 几 1 一 以 1 2 3 0 成 成 1 一 p 痧 成 1 p 矽 1 矽 2 3 1 式中 肪 饱气岩石密度 肌 饱液岩石密度 砌一岩石骨架密度 缈一孔隙液体密度 矽一总孔隙度 矽l 折算孔隙度 驴 咖 1 矽 2 6 2 岩石波速与孔隙度关系 1 9 5 6 年 w y l l i e 建立了时间平均方程 t p 1 一矽 缸 西缸 2 3 2 式中 妒饱和岩石中的纵波时差 缸一石骨架的纵波时差 旷孔隙流体的时差 该方程的另一种形式为 上 鱼 坐 2 3 3 v pv f v m 式中 啊 饱和岩石中的纵波速度 n 以 r 岩石孔隙中流体的波速 l l 以 广岩石骨架中的纵波速度 n 以 妒 岩石的孔隙度 时间平均方程对中等孔隙度 1 0 2 5 蚴的纯砂岩比较准确 而对固结很差的砂岩 页岩和碳酸盐岩是不适用的 也不适用于横波波速 许多学者对时间平均方程进行了改 进 1 9 8 0 年 脚e r 等基于测井数据给出了一经验方程 p 1 一力2 咖厂 2 3 4 1 9 第二章岩石的物理性能研究 该公式可适用于更大的孔隙范围 但是这个公式也忽略了其它参数的作用 1 9 8 4 年 d o m e i l i c o 把时间平均方程改为纯经验公式 用于描述横波波速与孔隙度 的关系 上 彳 b 矽 2 3 5 1 毒 其中 彳 曰可由回归分析得到 这个公式忽略了粘土含量对砂岩横波速度的作用 孔隙度与波速只有在高压下才成线性关系 1 9 8 6 年 h a i l 和n u r 在围压为4 0 m p a 孔隙压力为1 m p a 时 得到纯砂岩的波速与孔隙度的关系为 1 6 0 8 8 6 矽 2 3 6 u 4 0 6 6 2 8 矽 2 3 7 2 6 3 岩石密度与波速的关系 岩石密度与弹性波速间理论上有以下关系 圹厩 te 驴1 而 2 3 8 2 3 9 从理论上看 岩石密度随波速增加而减小 但在实际条件下观测到的密度与速度的 关系是复杂的非单一关系 一1 实践经验表明 对火成岩来说 岩石密度增大与波速增 大相对应 对变质岩而言 当岩石密度变化不大时 速度在很宽的范围内变化 在石油勘探中多数遇到的是沉积岩层 当密度和速度变化不大时 两者之间可以用 线性关系很好的近似 p 口 6 1 而密度与速度的非线性关系则通常表示为 p 训 2 0 中田石油大学 华末 顼 学位论文 第三章岩石物理性能与钻井地层工程特性的实验研究 3 1 实验所用岩心的来源及岩样选取 1 岩心来源 本课题实验所用的岩心均取自胜利油田 其覆盖胜利油田所辖范围内的东营 沾化 车镇 昌潍 惠民五大凹陷中的高青 东辛 渤南 垦东 桩西一五号桩一孤东一孤南 大王庄一郭局子 富台 惠民 昌潍9 条主要地质剖面 2 岩样选取 在统计分析上述9 条有代表性区域地质剖面多口井的地质分层和探井岩性录井资 料 建立起9 个区域钻井地层组合剖面的基础上 采用5 0 米一点随机抽样方法 从上 述9 条剖面的多口取心井中抽取地层岩样6 6 8 块