一種深部?jī)?chǔ)層巖心的數(shù)值表征方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種深部?jī)?chǔ)層巖心力學(xué)參數(shù)的數(shù)值表征方法，特別是基于測(cè)井結(jié)果和巖心標(biāo)準(zhǔn)物理實(shí)驗(yàn)的數(shù)值實(shí)驗(yàn)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]巖石力學(xué)參數(shù)的選取直接影響著油氣開采、采礦、水利水電、地下工程等多個(gè)領(lǐng)域的工程的設(shè)計(jì)和研宄。通過(guò)鉆井獲取某些層位的巖心，然后進(jìn)行巖石物理力學(xué)實(shí)驗(yàn)是獲取巖石力學(xué)參數(shù)的有效方法，但受控于復(fù)雜的巖層地質(zhì)情況、施工設(shè)施以及成本問(wèn)題，實(shí)際鉆取的巖心數(shù)量有限，不可能涵蓋工程分析和研宄需要的各個(gè)層位，因而僅僅是巖心的物理實(shí)驗(yàn)也并不能完全滿足工程分析和設(shè)計(jì)研宄的要求。并且，受限于當(dāng)前的真三軸巖心物理實(shí)驗(yàn)設(shè)備較少、試件制取不易、造價(jià)昂貴等缺點(diǎn)，當(dāng)前的巖石物理力學(xué)實(shí)驗(yàn)大多是在單軸或假三軸應(yīng)力狀態(tài)下進(jìn)行的，其得到的巖心力學(xué)參數(shù)也較難反映實(shí)際巖心所處的真三維應(yīng)力狀態(tài)。此外，巖層中層理、節(jié)理、片理等結(jié)構(gòu)弱面廣泛存在，致使同一層位的數(shù)個(gè)巖心的物理實(shí)驗(yàn)參數(shù)結(jié)果具有較大的離散型。因而單純的巖心物理力學(xué)結(jié)果在實(shí)際的應(yīng)用中具有一定的局限性。
[0003]隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，利用計(jì)算機(jī)對(duì)巖石的變形與破壞進(jìn)行數(shù)值實(shí)驗(yàn)，具有通用性強(qiáng)、方便靈活、具有可重復(fù)性等特點(diǎn)。其中，通過(guò)運(yùn)用數(shù)值分析軟件對(duì)巖心的力學(xué)參數(shù)進(jìn)行合理準(zhǔn)確計(jì)算是一種操作性強(qiáng)且可靠有效的實(shí)驗(yàn)方法，可彌補(bǔ)巖心物理實(shí)驗(yàn)的不足。目前，如何有效運(yùn)用測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)和物理實(shí)驗(yàn)的結(jié)果對(duì)各個(gè)參數(shù)之間建立數(shù)學(xué)關(guān)系，并通過(guò)數(shù)值實(shí)驗(yàn)方法計(jì)算巖心在復(fù)雜狀態(tài)下的力學(xué)參數(shù)的問(wèn)題仍亟待解決。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明提供一種深部?jī)?chǔ)層巖心的數(shù)值表征方法，該方法可根據(jù)測(cè)井結(jié)果和巖心標(biāo)準(zhǔn)的物理力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)巖心進(jìn)行真實(shí)復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的數(shù)值計(jì)算及參數(shù)擬合，得到任意儲(chǔ)層深度巖心的力學(xué)參數(shù)及破裂壓力。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)方案:一種深部?jī)?chǔ)層巖心的數(shù)值表征方法，該方法包括下列步驟:
[0006]a)分析巖心所在層位測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)，包括孔隙度、泥質(zhì)含量和滲透率的分布特征，并分析該層位取出實(shí)際巖心巖石力學(xué)試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，包括彈性模量、泊松比、抗壓強(qiáng)度、殘余應(yīng)力水平的測(cè)試數(shù)據(jù)。以孔隙度為主變量對(duì)測(cè)井段巖心的彈性模量、泊松比、峰值強(qiáng)度、殘余應(yīng)力、泥質(zhì)含量和滲透率進(jìn)行指數(shù)函數(shù)形式的最小二乘擬合，得到類似于圖1所示的表征關(guān)系曲線以及下列擬合函數(shù):
[0007]E = 24.043.θ_α°441χ⑴
[0008]υ = 0.0586.e0 0495X(2)
[0009]σ = 116.1.Θ_0 0457Χ⑶
[0010]R = 0.2629.θ_α°195Χ⑷
[0011]SH = 49.897.θ_α°971χ(5)
[0012]Perm = 0.2334.e0'3003X(6)
[0013]其中:E是巖心彈性模量(單軸)，υ是巖心泊松比(單軸)，σ是巖心單軸抗壓強(qiáng)度，R是殘余應(yīng)力水平(殘余應(yīng)力與峰值強(qiáng)度的比值)，SH是巖心泥質(zhì)含量，Perm是巖心滲透率，X是孔隙度。
[0014]擬合過(guò)程中，巖心巖石力學(xué)試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果包括的指標(biāo)有:彈性模量、泊松比、抗壓強(qiáng)度和殘余應(yīng)力水平，每個(gè)指標(biāo)必須包含5個(gè)以上力學(xué)試驗(yàn)測(cè)試的數(shù)據(jù)點(diǎn)，如果某指標(biāo)的力學(xué)試驗(yàn)測(cè)試的數(shù)據(jù)點(diǎn)不足5個(gè)，利用基于有限元技術(shù)的數(shù)值計(jì)算方法，針對(duì)該指標(biāo)建立如圖2所示的巖心有限元數(shù)值模型，進(jìn)行該計(jì)算模型巖心的應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)^(guò)程曲線計(jì)算，補(bǔ)充該指標(biāo)的不足數(shù)據(jù)點(diǎn)。
[0015]b)根據(jù)實(shí)際區(qū)塊的地層地質(zhì)力學(xué)條件，包括最大垂直主應(yīng)力σ V、最大水平主應(yīng)力σΗ、最小水平主應(yīng)力011以及蓋層、隔層、油層和底層的分布特征，按照實(shí)際待壓裂區(qū)塊建立區(qū)塊巖體有限元數(shù)值模型，該有限元計(jì)算模型的X、Y、Z方向長(zhǎng)寬高尺寸通常為幾十到幾百米，其中直井井眼位置與有限元計(jì)算模型中軸線重合，在壓裂射孔點(diǎn)位置施加水壓，用以壓裂區(qū)塊巖體；并在模型的六個(gè)面(Χ、Υ、Ζ三個(gè)方向)分別施加應(yīng)力，用以表征實(shí)際壓裂工程中的遠(yuǎn)場(chǎng)垂直地應(yīng)力、最大水平地應(yīng)力和最小水平地應(yīng)力，這三個(gè)地應(yīng)力分別與模型的Z軸、Y軸、X軸平行，方向均是指向模型中心位置，三個(gè)方向的應(yīng)力值大小根據(jù)實(shí)際地應(yīng)力值設(shè)置為σν、σ h的真實(shí)值。
[0016]模型中儲(chǔ)油層的位置從上至下與電測(cè)測(cè)試方法測(cè)得的不同層號(hào)層位即為不同儲(chǔ)層深度分別對(duì)應(yīng)，根據(jù)測(cè)井孔隙度值運(yùn)用式(1)-(6)求解出相應(yīng)的巖石物理力學(xué)參數(shù)，包括彈性模量、泊松比、抗壓強(qiáng)度、殘余應(yīng)力水平、泥質(zhì)含量和滲透率。并根據(jù)巖心賦存的原位遠(yuǎn)場(chǎng)垂直地應(yīng)力、最大水平地應(yīng)力和最小水平地應(yīng)力(σν、σΗ和σ h)，按照步驟a)建立巖心有限元數(shù)值模型，通過(guò)有限元計(jì)算得到遠(yuǎn)場(chǎng)垂直地應(yīng)力、最大水平地應(yīng)力和最小水平地應(yīng)力變圍壓狀態(tài)下的巖心抗壓強(qiáng)度、彈性模量和泊松比。
[0017]c)利用上述步驟b)中所建立的區(qū)塊巖體有限元數(shù)值模型，以最大垂直主應(yīng)力σ V、最大水平主應(yīng)力σ Η、最小水平主應(yīng)力oh、彈性模量、泊松比、抗壓強(qiáng)度、殘余應(yīng)力水平、泥質(zhì)含量和滲透率為模型初始參數(shù)，進(jìn)行有限元數(shù)值計(jì)算，求得如圖4所示的壓裂裂縫起裂與擴(kuò)展延伸形貌；并定義當(dāng)壓裂裂縫擴(kuò)展至井筒直徑3倍長(zhǎng)度時(shí)的水壓即是壓裂裂縫起裂壓力值。
[0018]圖5是對(duì)不同層位的巖心實(shí)施例進(jìn)行水力壓裂得到的裂縫起裂壓力與孔隙度關(guān)系。在本發(fā)明實(shí)施例中，模型尺寸、模型巖石力學(xué)參數(shù)、模型外邊界地應(yīng)力大小均需參照實(shí)際工程條件選取、設(shè)定。
[0019]本發(fā)明的有益效果在于，可規(guī)避物理實(shí)驗(yàn)巖心數(shù)量有限造成的巖層分析層位不連續(xù)性的缺點(diǎn)，同時(shí)對(duì)物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析，可有效減小由于巖心非均勻性和實(shí)驗(yàn)條件局限性帶來(lái)的參數(shù)結(jié)果的離散性；此外，在普通計(jì)算機(jī)平臺(tái)上運(yùn)用數(shù)值軟件對(duì)復(fù)雜巖心進(jìn)行參數(shù)計(jì)算的實(shí)驗(yàn)方法具有較好的便利性、通用性和可操作性，且可以處理某些非規(guī)則巖心在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)與邊界條件下的變形與破壞特征參數(shù)。
【附圖說(shuō)明】
[0020]圖1(a)巖心彈性模量與孔隙度的對(duì)應(yīng)表征關(guān)系。
[0021]圖1 (b)巖心泊松比與孔隙度的對(duì)應(yīng)表征關(guān)系。
[0022]圖1 (c)巖心峰值強(qiáng)度與孔隙度的對(duì)應(yīng)表征關(guān)系。
[0023]圖1 (d)巖心殘余應(yīng)力水平與孔隙度的對(duì)應(yīng)表征關(guān)系。
[0024]圖1(e)巖心泥質(zhì)含量與孔隙度的對(duì)應(yīng)表征關(guān)系。
[0025]圖1 (f)巖心滲透率與孔隙度的對(duì)應(yīng)表征關(guān)系。
[0026]圖2為本發(fā)明實(shí)施例所分析的巖心數(shù)值模型圖。
[0027]圖3(a)為本發(fā)明實(shí)施例的區(qū)塊巖體沿井筒的垂直剖面圖。
[0028]圖3(b)為本發(fā)明實(shí)施例的區(qū)塊巖體三維有限元模型網(wǎng)格圖。
[0029]圖4(a)為本發(fā)明實(shí)施例區(qū)塊巖體壓裂裂縫起裂結(jié)果圖。
[0030]圖4(b)為本發(fā)明實(shí)施例區(qū)塊巖體壓裂裂縫延伸結(jié)果圖。
[0031]圖5為本發(fā)明實(shí)施例起裂壓力與孔隙度關(guān)系的曲線圖。
【具體實(shí)施方式】
[0032]本實(shí)施例研宄的是真三維條件下砂巖、泥巖薄互層條件下水力壓裂裂縫的起裂特征。為使本發(fā)明實(shí)施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明實(shí)施例做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。在此，本發(fā)明的示意性實(shí)施例及其說(shuō)明用于解釋本發(fā)明，但并不作為對(duì)本發(fā)明的限定。
[0033]為了滿足工程與科研中對(duì)復(fù)雜應(yīng)力條件下巖心的力學(xué)參數(shù)的需求，彌補(bǔ)物理實(shí)驗(yàn)的巖心鉆取數(shù)量有限、耗費(fèi)大、結(jié)果離散性大等缺點(diǎn)，本發(fā)明提供一種深部?jī)?chǔ)層巖心力學(xué)參數(shù)的數(shù)值表征方法，基于測(cè)井和巖心物理實(shí)驗(yàn)提供基本的參數(shù)，以孔隙度為主變量對(duì)其他測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)和巖心物理實(shí)驗(yàn)結(jié)果參數(shù)進(jìn)行擬合，擬合曲線如圖1所示。圖2是針對(duì)實(shí)際物理巖心建立的數(shù)值巖心模型圖，圖3?圖5展示用于實(shí)施本發(fā)明的實(shí)施例。該方法包括下列步驟:
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