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多相巖石彈性特征的試驗(yàn)研究及其在地層評(píng)價(jià)中的一些應(yīng)用
彈性特征是巖石的基本物理特征,是彈性波傳播和巖石力學(xué)問題分析的基礎(chǔ).巖石是礦物的集合體,是典型的多相混合介質(zhì).巖石的性質(zhì)不僅取決于構(gòu)成巖石的固相和流體的特征,還與固-流兩相的排列方式有關(guān).本文將巖石視為多相體,從各組成相的彈性特征和組成相之間的相互作用來研究巖石的彈性特征.(1) 開展了多相巖石固相體積模量的試驗(yàn)測試.利用"不套封”壓縮試驗(yàn)測試了砂巖、花崗巖和熔融氧化硅的固相體積模量.測試表明,砂巖的固相體積模量可在38GPa左右發(fā)生較大變化,與巖石固相的組成成分和膠結(jié)物的構(gòu)造位置等因素有關(guān).(2) 開展了巖石中流體彈性特征的試驗(yàn)研究.建立了流體PVT和波速測試系統(tǒng),在不同溫度、壓力下,對(duì)41個(gè)原油樣品(主要是含氣原油)的密度、波速、壓縮系數(shù)、熱膨脹系數(shù)、體積模量以及它們之間的關(guān)系進(jìn)行了試驗(yàn)研究.測試發(fā)現(xiàn),原油的彈性特征取決于其組成成分(溶解油氣比RS、原油重度API及氣體重度)和熱力學(xué)環(huán)境(溫度T和壓力P);溶解氣對(duì)原油彈性特征有很大影響,氣體溶于原油將大大降低原油的密度、模量和波速,并使溫度、壓力對(duì)流體彈性特征的影響更加顯著;在測試數(shù)據(jù)范圍內(nèi),密度隨壓力線性增大,波速隨壓力呈現(xiàn)擬線性增大,溫度的作用與壓力相反;原油的靜態(tài)(PVT)與動(dòng)態(tài)(波速)彈性參數(shù)間存在較強(qiáng)的相關(guān)關(guān)系,二者之間可以進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換.通過回歸分析,建立了原油密度、波速、等溫壓縮系數(shù)、等溫體積模量、絕熱體積模量和等壓熱膨脹系數(shù)經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式.(3) 利用彈性波速研究了多相巖石彈性特征的變化規(guī)律.得出:巖石波速和彈性模量均隨有效應(yīng)力的增大而增大,增大的梯度在低應(yīng)力下較高,在高應(yīng)力下趨于一常數(shù)值.干燥巖石對(duì)有效應(yīng)力更加敏感,液體飽和可大大增加巖石的縱波波速和體積模量,但對(duì)橫波波速和剪切模量影響很小.干燥巖石動(dòng)態(tài)泊松比隨應(yīng)力增大而增大,而除了很低的應(yīng)力下的數(shù)據(jù)外,飽和巖石動(dòng)態(tài)泊松比幾乎不隨應(yīng)力而變,且高于干燥巖石的動(dòng)態(tài)泊松比.彈性波速、彈性模量均隨孔隙度的增大而減小,動(dòng)態(tài)泊松比隨孔隙度的增大而增大.在三軸應(yīng)力下,對(duì)巖石動(dòng)靜態(tài)彈性參數(shù)進(jìn)行了同步測試,發(fā)現(xiàn),巖石動(dòng)靜態(tài)彈性參數(shù)有所不同,一般巖石動(dòng)態(tài)模量高于靜態(tài)模量,測試樣品的靜、動(dòng)態(tài)楊氏模量之比大多為0.6～0.8.動(dòng)靜態(tài)彈性參數(shù)差別的本征原因是巖石內(nèi)部存在裂隙與孔隙流體,外部原因?yàn)檩d荷的應(yīng)變幅值和頻率的不同.Biot孔隙彈性系數(shù)也存在動(dòng)靜態(tài)的差別,靜態(tài)值比動(dòng)態(tài)值大,動(dòng)靜態(tài)Biot系數(shù)均隨孔隙度的增大而增大,并隨圍壓的增大而減小.(4) 建立了多相巖石彈性特征經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式.利用多元非線性分析,對(duì)Han和Freund的室內(nèi)彈性波速測試數(shù)據(jù)進(jìn)行了回歸,給出了有效應(yīng)力對(duì)水飽和及干燥砂巖彈性波速影響的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式.在臨界孔隙度分析的基礎(chǔ)上,提出了多相巖石彈性參數(shù)通用經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式,可用于預(yù)測模量、Biot系數(shù)、孔隙壓縮系數(shù)等,也可用于預(yù)測強(qiáng)度參數(shù).并利用該經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式,對(duì)Holbrook地層破裂壓力經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式進(jìn)行了修正.(5) 將多相巖石彈性特征用于鉆井地層評(píng)價(jià)中.提出了新的地應(yīng)力計(jì)算經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式,分析了井眼周圍地層中的應(yīng)力分布以及井壁失穩(wěn)的力學(xué)機(jī)理;分析了泥頁巖水化膨脹基本規(guī)律;建立了固液耦合井壁穩(wěn)定有限元分析模型;建立了利用測井資料進(jìn)行鉆井地層評(píng)價(jià)的方法和軟件;結(jié)合SZ36-1油田進(jìn)行了巖石彈性和強(qiáng)度特征、地應(yīng)力和井壁穩(wěn)定性評(píng)價(jià).
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