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多相巖石彈性特征的試驗研究及其在地層評價中的一些應用
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問題分析的基礎.巖石是礦物的集合體,是典型的多相混合介質.巖石的性質不僅取決于構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.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測試.利用"不套封”壓縮試驗測試了砂巖、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左右發生較大變化,與巖石固相的組成成分和膠結物的構造位置等因素有關.(2) 開展了巖石中流體彈性特征的試驗研究.建立了流體PVT和波速測試系統,在不同溫度、壓力下,對41個原油樣品(主要是含氣原油)的密度、波速、壓縮系數、熱膨脹系數、體積模量以及它們之間的關系進行了試驗研究.測試發現,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)和熱力學環境(溫度T和壓力P);溶解氣對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、壓力對流體彈性特征的影響更加顯著;在測試數據范圍內,密度隨壓力線性增大,波速隨壓力呈現擬線性增大,溫度的作用與壓力相反;原油的靜態(PVT)與動態(波速)彈性參數間存在較強的相關關系,二者之間可以進行相互轉換.通過回歸分析,建立了原油密度、波速、等溫壓縮系數、等溫體積模量、絕熱體積模量和等壓熱膨脹系數經驗關系式.(3) 利用彈性波速研究了多相巖石彈性特征的變化規律.得出:巖石波速和彈性模量均隨有效應力的增大而增大,增大的梯度在低應力下較高,在高應力下趨于一常數值.干燥巖石對有效應力更加敏感,液體飽和可大大增加巖石的縱波波速和體積模量,但對橫波波速和剪切模量影響很小.干燥巖石動態泊松比隨應力增大而增大,而除了很低的應力下的數據外,飽和巖石動態泊松比幾乎不隨應力而變,且高于干燥巖石的動態泊松比.彈性波速、彈性模量均隨孔隙度的增大而減小,動態泊松比隨孔隙度的增大而增大.在三軸應力下,對巖石動靜態彈性參數進行了同步測試,發現,巖石動靜態彈性參數有所不同,一般巖石動態模量高于靜態模量,測試樣品的靜、動態楊氏模量之比大多為0.6～0.8.動靜態彈性參數差別的本征原因是巖石內部存在裂隙與孔隙流體,外部原因為載荷的應變幅值和頻率的不同.Biot孔隙彈性系數也存在動靜態的差別,靜態值比動態值大,動靜態Biot系數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驗關系式.利用多元非線性分析,對Han和Freund的室內彈性波速測試數據進行了回歸,給出了有效應力對水飽和及干燥砂巖彈性波速影響的經驗關系式.在臨界孔隙度分析的基礎上,提出了多相巖石彈性參數通用經驗關系式,可用于預測模量、Biot系數、孔隙壓縮系數等,也可用于預測強度參數.并利用該經驗關系式,對Holbrook地層破裂壓力經驗關系式進行了修正.(5) 將多相巖石彈性特征用于鉆井地層評價中.提出了新的地應力計算經驗關系式,分析了井眼周圍地層中的應力分布以及井壁失穩的力學機理;分析了泥頁巖水化膨脹基本規律;建立了固液耦合井壁穩定有限元分析模型;建立了利用測井資料進行鉆井地層評價的方法和軟件;結合SZ36-1油田進行了巖石彈性和強度特征、地應力和井壁穩定性評價.
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