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古地磁法地應(yīng)力方向評(píng)價(jià)(大小和方向)對(duì)水平井方位、井網(wǎng)布置、井徑優(yōu)化、水力壓裂設(shè)計(jì)與施工等都至關(guān)重要。地應(yīng)力條件控制著巖石對(duì)水力壓裂的反應(yīng),影響支撐劑裂縫的導(dǎo)流能力,對(duì)水平井產(chǎn)能有著根本的影響。
對(duì)于非定向頁(yè)巖巖芯來(lái)說(shuō),古地磁法地應(yīng)力方向評(píng)價(jià)包括三向主應(yīng)力(垂向、最大水平、最小水平)大小的計(jì)算和方向的判識(shí)。水平主應(yīng)力方向的判識(shí)分為巖芯定向和水平主應(yīng)力方向測(cè)定兩個(gè)步驟,若采用定向取芯則無(wú)需巖芯定向測(cè)試,巖芯定向主要采用古地磁定向方法,而水平主應(yīng)力方向測(cè)定采用聲學(xué)方法。
水平主應(yīng)力大小的計(jì)算有兩種方法,一是巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)參數(shù)計(jì)算,二是Kaiser效應(yīng)方法?;谝陨蠝y(cè)試方法,冠德科技已建立古地磁定向+聲波速度測(cè)定水平應(yīng)力方向、巖石力學(xué)參數(shù)計(jì)算地應(yīng)力大小和Kaiser效應(yīng)計(jì)算地應(yīng)力大小的完整實(shí)驗(yàn)流程和方法,提供地應(yīng)力評(píng)價(jià)技術(shù)服務(wù)。
實(shí)驗(yàn)原理
1
古地磁定向確定巖芯方位
古地磁定向的目的是確定巖芯的原地方位角,通過(guò)測(cè)定天然巖芯中的粘滯剩磁確定其與現(xiàn)代地磁北極的偏角,結(jié)合地理北極和地磁南極的夾角,就能恢復(fù)巖芯在地下的原始方位。
2
聲波速度測(cè)定水平主應(yīng)力方向
巖芯從地層中取出將產(chǎn)生彈性應(yīng)力釋放,導(dǎo)致巖石內(nèi)微裂縫的發(fā)育。由于聲波速度和衰減對(duì)裂縫極其敏感,因此裂縫會(huì)導(dǎo)致聲波速度的各向異性。這種各向異性在巖芯上得以保留,其測(cè)量結(jié)果可用于確定巖芯尺度上水平主應(yīng)力方向。
3
巖石力學(xué)參數(shù)計(jì)算地應(yīng)力大小
三向主應(yīng)力分別指上覆地層應(yīng)力、最小水平主應(yīng)力和最大水平主應(yīng)力。
上覆地層應(yīng)力也叫垂直應(yīng)力,是由上覆地層重量引起的,如果上覆地層的平均密度為ρa(bǔ),則上覆應(yīng)力σv可由以下公式計(jì)算。
Z為深度,ρa為地層密度,采用密度測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)計(jì)算可獲得更準(zhǔn)確的上覆應(yīng)力。
頁(yè)巖的巖石力學(xué)性質(zhì)(楊氏模量、泊松比等)在水平和垂直方向上具有各向異性?;趲r石力學(xué)參數(shù)計(jì)算最大水平主應(yīng)力和最小水平主應(yīng)力的公式如下:
Eh,v,νh,v分別表示水平和垂直方向上的楊氏模量和泊松比;Pp表示孔隙壓力,通過(guò)地層測(cè)試或壓力恢復(fù)測(cè)試獲得;αh,v表示水平和垂直方向上的有效應(yīng)力系數(shù);kh為校正系數(shù)(與區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力有關(guān))。
4
Kaiser效應(yīng)計(jì)算地應(yīng)力大小
Kaiser效應(yīng)的基本原理是,當(dāng)材料受到荷載時(shí),當(dāng)施加的應(yīng)力超過(guò)之前所經(jīng)歷的最大應(yīng)力時(shí),材料會(huì)發(fā)出聲發(fā)射。使用Kaiser效應(yīng)進(jìn)行巖石地應(yīng)力估算,需要在室內(nèi)對(duì)巖芯進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)。
Kaiser效應(yīng)適用的深度范圍
實(shí)驗(yàn)方法
1
古地磁定向?qū)嶒?yàn)
對(duì)于非定向取芯的巖芯樣品,地應(yīng)力評(píng)價(jià)的第一步就是要恢復(fù)巖芯樣品在地下的方位角,需要采用古地磁定向方法。古地磁測(cè)試實(shí)驗(yàn)室由磁屏蔽空間、磁矢量系統(tǒng)、退磁系統(tǒng)等組成,如下圖。
巖石古地磁測(cè)試實(shí)驗(yàn)室
地磁定向?qū)嶒?yàn)分為試樣制作、剩磁測(cè)定和磁偏角計(jì)算三步。試樣制作是實(shí)驗(yàn)成功的前提,用于古地磁測(cè)試的樣品要避免高溫和金屬(會(huì)使樣品消磁)。
古地磁定向是以剩磁水平分量確定磁北極方位,采用右手坐標(biāo)系。
單個(gè)試樣退磁測(cè)量的正交投影圖
將這些剩磁結(jié)果導(dǎo)入REMASOFT古地磁數(shù)據(jù)處理軟件,投影到赤平面上,采用Fisher統(tǒng)計(jì)方法獲得巖芯的磁偏角。
REMASOFT古地磁數(shù)據(jù)處理軟件(Fisher統(tǒng)計(jì))
2
全直徑巖芯圓周波速測(cè)量
我公司采用GCTS CVA-100圓周波速測(cè)定儀在全直徑巖芯圓周方向上每隔15°測(cè)量聲波速度,聲波速度最小方向即為全直徑巖芯上最大水平主應(yīng)力方向。
GCTS CVA-100圓周速度儀及測(cè)量結(jié)果
3
巖石壓縮實(shí)驗(yàn)
我公司采用英國(guó)INSTRON通用測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行圓柱試樣的壓縮實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)過(guò)程中同步監(jiān)測(cè)軸向和徑向應(yīng)變,獲得應(yīng)力-應(yīng)變曲線,計(jì)算楊氏模量和泊松比。楊氏模量是軸向應(yīng)力與軸向應(yīng)變之比,泊松比是徑向應(yīng)變與軸向應(yīng)變之比。
圓柱試樣壓縮實(shí)驗(yàn)及應(yīng)力-應(yīng)變曲線
4
有效應(yīng)力系數(shù)
有效應(yīng)力系數(shù),又稱Biot系數(shù),與巖石體積模量與組成巖石的礦物顆粒體積模量有關(guān),巖石體積模量具有各向異性,頁(yè)巖水平和垂直方向上的體積模量(Kh, Kv)可由彈性參數(shù)(楊氏模量和泊松比)計(jì)算,公式如下:
水平和垂直方向上的有效應(yīng)力系數(shù)(αh, αv)計(jì)算公式:
5
單軸壓縮+聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)
采用Kaiser效應(yīng)估算原位地應(yīng)力大小,實(shí)驗(yàn)室中對(duì)巖芯試樣進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)的同時(shí),監(jiān)測(cè)聲發(fā)射事件。
Kaiser效應(yīng)測(cè)試
聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)試樣鉆取示意圖
上述方法組合,可得到兩條地應(yīng)力評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)流程,一條是古地磁定向+聲波速度判識(shí)地應(yīng)力方向,巖石彈性參數(shù)計(jì)算地應(yīng)力大小;另一條是古地磁定向+Kaiser效應(yīng)實(shí)驗(yàn)確定地應(yīng)力大小和方向,此方法不適用于構(gòu)造應(yīng)力地區(qū),確定的地應(yīng)力大小也可能不是地層當(dāng)前的應(yīng)力狀態(tài)。