CN105370267A - 一种分析致密砂岩弹性系数应力敏感性的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种分析致密砂岩弹性系数应力敏感性的方法及装置，该方法包括：对岩心进行不同方向的取心，获得岩心样品；在不同流体性质和一定压力条件下改变温度，对岩心样品进行变围压测量、变轴压测量以及变孔压测量，获取所述岩心样品在每个温度每个节点对应地纵波速度和横波速度；利用所述岩心样品在不同流体性质、每个温度、每个节点对应地纵波速度和横波速度，获取弹性系数；分析弹性系数的应力敏感性，建立不同地区、不同层位、不同储集条件的致密砂岩弹性系数数据库。本技术方案为后续的水平主应力、破裂压力评价等奠定基础，进而指导钻井、完井、油气井压裂增产，预防漏、塌、喷等事故的发生，制定施工工艺。

Description

一种分析致密砂岩弹性系数应力敏感性的方法及装置

技术领域

本发明涉及石油勘探开发中的测井与工程技术领域，特别涉及一种分析致密砂岩弹性系数应力敏感性的方法及装置。

背景技术

伴随世界油气需求的持续增长与常规油气产量的不断下降，具有较大资源潜力的非常规油气逐渐成为新的领域，其中致密砂岩油气成为全球非常规石油勘探开发的亮点。由于致密砂岩油气储层孔隙度和渗透率都比较低，一般条件下无自然产能或者自然产能较低，需要进行规模压裂才能产出工业油气流。然而，即使进行规模压裂，不同压裂段的产量也大有不同，因此，针对致密岩石的力学性质评价尤为重要。

通常，地下岩石受到三个力的作用，分别是上覆压力、水平主应力和孔隙压力，这三个力均对岩石性质有着重要的影响。上覆压力是上覆地层的基质质量和上覆地层孔隙中流体质量之和所产生的压力，孔隙压力是岩石孔隙中流体的压力，这两个力相对来说比较容易评价。水平主应力的评价比较复杂，根据地层模型的不同，其评价方法也不同。目前，普遍采用基于各向同性地层模型的方法进行评价，未考虑岩石的各向异性，我们的实验结果表明，致密砂岩具有横观各向同性性质，因此，利用各向同性模型来评价致密砂岩是不准确的。基于横观各向同性地层模型的评价符合岩石本身特性，结果更可靠。而进行基于横观各向同性地层模型的水平主应力评价首先需要根据实际应力条件选择合适的弹性系数，故针对弹性系数随应力的变化规律是水平主应力评价面临的一个重点和难点问题。

目前国内外已发表的文献，缺少针对致密砂岩弹性系数应力敏感性研究的系统分析方法，不能揭示地层条件下致密砂岩弹性系数的变化规律，难以满足实际地层评价需要。

发明内容

为了解决现有技术的问题，本发明提出一种分析致密砂岩弹性系数应力敏感性的方法及装置，通过变围压、变轴压和变孔压等系统实验来模拟不同上覆压力、水平主应力和孔隙压力对地下岩石弹性系数的影响，分析弹性系数在不同应力条件下的变化规律，从而满足实际地层评价需要。

为实现上述目的，本发明提供了一种分析致密砂岩弹性系数应力敏感性的方法，包括：

对岩心进行不同方向的取心，获得岩心样品；

在静水压条件下，给定围压初始值，测量所述岩心样品在该节点对应地纵波速度和横波速度，增加围压到下一节点；等压力平衡时测量所述岩心样品在该节点对应地纵波速度和横波速度；直至围压达到实验要求的数值；

在静水压条件下，给定围压初始值和轴压初始值，测量所述岩心样品在该节点对应地纵波速度和横波速度；保持围压不变，增加轴压到下一节点，等压力平衡时测量所述岩心样品在该节点对应地纵波速度和横波速度，直到轴压达到实验要求的数值；然后再降低轴压，使得轴压与围压相等，增加围压到下一个节点，保持围压不变，增加轴压，等压力平衡时测量所述岩心样品在该节点对应地纵波速度和横波速度，直到围压达到实验要求的数值和轴压达到实验要求的数值；

在静水压条件下，给定围压和孔压初始值，测量所述岩心样品在该节点对应地纵波速度和横波速度；轴压等于围压保持一致，保持围压不变，增加孔压到下一节点，等压力平衡时测量所述岩心样品在该节点对应地纵波速度和横波速度，直到孔压达到实验要求的数值；然后再降低孔压到初始值，减小围压到下一个节点，轴压等于围压保持一致，保持围压不变，增加孔压，等压力平衡时测量所述岩心样品在该节点对应地纵波速度和横波速度，直到孔压达到实验要求的数值；

在不同流体性质和一定压力条件下改变温度，重复上述步骤，测量所述岩心样品在每个温度每个节点对应地纵波速度和横波速度；

利用所述岩心样品在不同流体性质、每个温度、每个节点对应地纵波速度和横波速度，获取弹性系数；

分析弹性系数的应力敏感性，建立不同地区、不同层位、不同储集条件的致密砂岩弹性系数数据库。

优选地，所述弹性系数包括：C₁₁,C₁₂,C₁₃,C₃₃,C₄₄,C₆₆；其中，C₁₂＝C₁₁-2C₆₆； $C_{13}={\left[(C_{11}+C_{44}-2\mathrm{\ρ}{V}_{P45}^2)(C_{33}+C_{44}-2\mathrm{\ρ}{V}_{P45}^2)\right]}^{\frac{1}{2}}-C_{44};C_{33}=\mathrm{\ρ}{V}_{\mathrm{PV}}^2;C_{44}=\mathrm{\ρ}{V}_{\mathrm{SV}}^2;C_{66}=\mathrm{\ρ}{V}_{\mathrm{SH}}^2;$ V_PV表示垂直岩心在不同流体性质、每个温度、每个节点的纵波速度，V_PH表示水平岩心在不同流体性质、每个温度、每个节点的纵波速度，V_SV表示水平岩心在不同流体性质、每个温度、每个节点振动方向垂直于层理的横波速度，V_SH表示水平岩心在不同流体性质、每个温度、每个节点振动方向平行于层理的横波速度；V_P45对称轴与层理面呈45度夹角岩心在不同流体性质、每个温度、每个节点的纵波速度。

优选地，所述分析弹性系数的应力敏感性的步骤包括：

分析所述弹性系数随围压变化规律；

分析所述弹性系数随差应力变化规律；

分析所述弹性系数随孔隙压力变化规律；

分析同一弹性系数在不同围压条件下随差应力变化规律；

分析同一弹性系数在不同围压条件下随净压力变化规律；

其中，所述差应力是轴压与围压之差，所述净应力为围压与孔隙压力之差。

优选地，所述建立不同地区、不同层位、不同储集条件的致密砂岩弹性系数数据库的步骤具体为：

收集不同地区、不同层位和不同储集条件的岩心，通过实验分析岩心对应地弹性系数的变化规律，然后再应用到相应的地区或层位。

优选地，所述岩心样品获取的步骤具体为：从露头或全直径钻井取心上钻取三块不同方向的岩心样品，其中，所述不同方向为垂直于层理方向、平行于层理方向和与层理呈45度夹角。

为实现上述目的，本发明还提供了一种分析致密砂岩弹性系数应力敏感性的装置，包括：

岩心样品获取单元，用于对岩心进行不同方向的取心，获得岩心样品；

变围压测量单元，用于在静水压条件下，给定围压初始值，测量所述岩心样品在该节点对应地纵波速度和横波速度，增加围压到下一节点；等压力平衡时测量所述岩心样品在该节点对应地纵波速度和横波速度；直至围压达到实验要求的数值；

变轴压测量单元，用于在静水压条件下，给定围压初始值和轴压初始值，测量所述岩心样品在该节点对应地纵波速度和横波速度；保持围压不变，增加轴压到下一节点，等压力平衡时测量所述岩心样品在该节点对应地纵波速度和横波速度，直到轴压达到实验要求的数值；然后再降低轴压，使得轴压与围压相等，增加围压到下一个节点，保持围压不变，增加轴压，等压力平衡时测量所述岩心样品在该节点对应地纵波速度和横波速度，直到围压达到实验要求的数值和轴压达到实验要求的数值；

变孔压测量单元，用于在静水压条件下，给定围压和孔压初始值，测量所述岩心样品在该节点对应地纵波速度和横波速度；轴压等于围压保持一致，保持围压不变，增加孔压到下一节点，等压力平衡时测量所述岩心样品在该节点对应地纵波速度和横波速度，直到孔压达到实验要求的数值；然后再降低孔压到初始值，减小围压到下一个节点，轴压等于围压保持一致，保持围压不变，增加孔压，等压力平衡时测量所述岩心样品在该节点对应地纵波速度和横波速度，直到孔压达到实验要求的数值；

总测量单元，用于在不同流体性质和一定压力条件下改变温度，重复上述步骤，测量所述岩心样品在每个温度每个节点对应地纵波速度和横波速度；

弹性系数获取单元，用于利用所述岩心样品在不同流体性质、每个温度、每个节点对应地纵波速度和横波速度，获取弹性系数；

分析单元，用于分析弹性系数的应力敏感性，建立不同地区、不同层位、不同储集条件的致密砂岩弹性系数数据库。

优选地，所述弹性系数获取单元获取的弹性系数包括：C₁₁,C₁₂,C₁₃,C₃₃,C₄₄,C₆₆；其中， $C_{11}=\mathrm{\ρ}{V}_{\mathrm{PH}}^2;$ C₁₂＝C₁₁-2C₆₆； $C_{13}={\left[(C_{11}+C_{44}-2\mathrm{\ρ}{V}_{P45}^2)(C_{33}+C_{44}-2\mathrm{\ρ}{V}_{P45}^2)\right]}^{\frac{1}{2}}-C_{44};C_{33}=\mathrm{\ρ}{V}_{\mathrm{PV}}^2;$ V_PV表示垂直岩心在不同流体性质、每个温度、每个节点的纵波速度，V_PH表示水平岩心在不同流体性质、每个温度、每个节点的纵波速度，V_SV表示水平岩心在不同流体性质、每个温度、每个节点振动方向垂直于层理的横波速度，V_SH表示水平岩心在不同流体性质、每个温度、每个节点振动方向平行于层理的横波速度；V_P45对称轴与层理面呈45度夹角岩心在不同流体性质、每个温度、每个节点的纵波速度。

优选地，所述分析单元包括：

第一分析单元，用于分析所述弹性系数随围压变化规律；

第二分析单元，用于分析所述弹性系数随差应力变化规律；

第三分析单元，用于分析所述弹性系数随孔隙压力变化规律；

第四分析单元，用于分析同一弹性系数在不同围压条件下随差应力变化规律；

第五分析单元，用于分析同一弹性系数在不同围压条件下随净压力变化规律；

其中，所述差应力是轴压与围压之差，所述净应力为围压与孔隙压力之差。

优选地，所述分析单元具体用于对收集到的不同地区、不同层位和不同储集条件的岩心，通过实验分析，获取岩心对应地弹性系数的变化规律，然后再应用到相应的地区或层位。

优选地，所述岩心样品获取单元具体用于从露头或全直径钻井取心上钻取三块不同方向的岩心样品，其中，所述不同方向为垂直于层理方向、平行于层理方向和与层理呈45度夹角。

上述技术方案具有如下有益效果：本技术方案对岩心进行变围压、变轴压和变孔压等3个系列的实验，分别模拟了水平主应力、上覆压力和孔隙压力对地下岩石弹性性质的影响作用，为后续的最大最小水平主应力、破裂压力评价等奠定良好的基础，进而指导钻井、完井、油气井压裂增产，预防漏、塌、喷、卡事故的发生，制定泥浆方案和设计套管程序、确定套管下深等施工工艺。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供了一种分析致密砂岩弹性系数应力敏感性的方法流程图；

图2为本发明提供了一种分析致密砂岩弹性系数应力敏感性的装置框图；

图3为本实施例的分析致密砂岩弹性系数应力敏感性的方法流程图；

图4为本实施例的岩心钻取方法示意图；

图5为本实施例的声波速度测量示意图；

图6为本实施例的变围压测量流程图；

图7为本实施例的变轴压测量流程图；

图8为本实施例中变孔压测量流程图；

图9为本实施例中弹性系数随围压变化规律图；

图10为本实施例中弹性系数随差应力变化规律图；

图11为本实施例中弹性系数随净应力变化规律图；

图12为本实施例中同一弹性系数在不同围压条件下随差应力变化规律图；

图13为本实施例中同一弹性系数在不同围压条件下随净压力变化规律图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的工作原理是：设计变围压、变轴压和变孔压等三个系列实验，以模拟水平主应力、上覆压力和孔隙压力等三种力在不同温度、不同流体条件下对地下岩石的影响规律，分析岩石弹性系数的应力敏感性，形成相应的数据库，为地应力评价奠定基础。

如图1所示，为本发明提供了一种分析致密砂岩弹性系数应力敏感性的方法流程图。包括：

步骤101)：对岩心进行不同方向的取心，获得岩心样品；

步骤102)：在静水压条件下，给定围压初始值，测量所述岩心样品在该节点对应地纵波速度和横波速度，增加围压到下一节点；等压力平衡时测量所述岩心样品在该节点对应地纵波速度和横波速度；直至围压达到实验要求的数值；

步骤102中，在静水压条件下加压，按照实验要求把围压从小到大分成若干个节点，在节点处等压力平衡时测量其纵横波速度。

步骤103)：在静水压条件下，给定围压初始值和轴压初始值，测量所述岩心样品在该节点对应地纵波速度和横波速度；保持围压不变，增加轴压到下一节点，等压力平衡时测量所述岩心样品在该节点对应地纵波速度和横波速度，直到轴压达到实验要求的数值；然后再降低轴压，使得轴压与围压相等，增加围压到下一个节点，保持围压不变，增加轴压，等压力平衡时测量所述岩心样品在该节点对应地纵波速度和横波速度，直到围压达到实验要求的数值和轴压达到实验要求的数值；

在步骤103中，分两个阶段：第一阶段和第二阶段。其中，

第一阶段：固定围压，逐渐增加轴压，根据实验要求把轴压从小到大分成若干个节点，在节点处等压力平衡后测量其纵横波速度。在此基础上，轴压的数值比围压数值大。

第二阶段：降低轴压，直至轴压与围压相等，再增加围压到另一节点处，该节点处围压比第一阶段中围压高，具体数值按照实验要求确定，然后逐渐增加轴压，根据实验要求把轴压从小到大分成若干个节点，在节点处等压力平衡后测量其纵横波速度。如此反复，直到围压增加到实验要求的最大数值。

步骤104)：在静水压条件下，给定围压和孔压初始值，测量所述岩心样品在该节点对应地纵波速度和横波速度；轴压等于围压保持一致，保持围压不变，增加孔压到下一节点，等压力平衡时测量所述岩心样品在该节点对应地纵波速度和横波速度，直到孔压达到实验要求的数值；然后再降低孔压到初始值，减小围压到下一个节点，轴压等于围压保持一致，保持围压不变，增加孔压，等压力平衡时测量所述岩心样品在该节点对应地纵波速度和横波速度，直到孔压达到实验要求的数值；

同样地，在步骤104中，分两个阶段：第一阶段和第二阶段；其中，

第一阶段：在静水压条件下，增加围压到实验要求数值，轴压等于围压，围压变，轴压也跟着变，逐渐增加孔隙压力，根据实验要求把孔隙压力从小到大分成若干个节点，在节点处等压力平衡后测量其纵横波速度；

第二阶段：在第一阶段完成后，降低孔隙压力，此时，孔隙压力比初始值要小，再按照实验要求从大到小降低围压到下一个节点，轴压与围压相等。然后逐渐增加孔隙压力，根据实验要求把孔隙压力从小到大分成若干个节点，在节点处等压力平衡后测量其纵横波速度。如此反复，直到围压降低到实验要求的最小数值。

步骤105)：在不同流体性质和一定压力条件下改变温度，重复上述步骤，测量所述岩心样品在每个温度每个节点对应地纵波速度和横波速度；

步骤106)：利用所述岩心样品在不同流体性质、每个温度、每个节点对应地纵波速度和横波速度，获取弹性系数；

步骤107)：分析弹性系数的应力敏感性，建立不同地区、不同层位、不同储集条件的致密砂岩弹性系数数据库。

优选地，所述弹性系数包括：C₁₁,C₁₂,C₁₃,C₃₃,C₄₄,C₆₆；其中，C₁₂＝C₁₁-2C₆₆； $C_{13}={\left[(C_{11}+C_{44}-2\mathrm{\ρ}{V}_{P45}^2)(C_{33}+C_{44}-2\mathrm{\ρ}{V}_{P45}^2)\right]}^{\frac{1}{2}}-C_{44};C_{33}=\mathrm{\ρ}{V}_{\mathrm{PV}}^2;C_{44}=\mathrm{\ρ}{V}_{\mathrm{SV}}^2;C_{66}=\mathrm{\ρ}{V}_{\mathrm{SH}}^2;$ V_PV表示垂直岩心在不同流体性质、每个温度、每个节点的纵波速度，V_PH表示水平岩心在不同流体性质、每个温度、每个节点的纵波速度，V_SV表示水平岩心在不同流体性质、每个温度、每个节点振动方向垂直于层理的横波速度，V_SH表示水平岩心在不同流体性质、每个温度、每个节点振动方向平行于层理的横波速度；V_P45对称轴与层理面呈45度夹角岩心在不同流体性质、每个温度、每个节点的纵波速度。

优选地，所述分析弹性系数的应力敏感性的步骤包括：

分析所述弹性系数随围压变化规律；

分析所述弹性系数随差应力变化规律；

分析所述弹性系数随孔隙压力变化规律；

分析同一弹性系数在不同围压条件下随差应力变化规律；

分析同一弹性系数在不同围压条件下随净压力变化规律；

其中，所述差应力是轴压与围压之差，所述净应力为围压与孔隙压力之差。

优选地，所述建立不同地区、不同层位、不同储集条件的致密砂岩弹性系数数据库的步骤具体为：

收集不同地区、不同层位和不同储集条件的岩心，通过实验分析岩心对应地弹性系数的变化规律，然后再应用到相应的地区或层位。

优选地，所述岩心样品获取的步骤具体为：从露头或全直径钻井取心上钻取三块不同方向的岩心样品，其中，所述不同方向为垂直于层理方向、平行于层理方向和与层理呈45度夹角。

如图2所示，为本发明提供了一种分析致密砂岩弹性系数应力敏感性的装置框图。包括：

岩心样品获取单元201，用于对岩心进行不同方向的取心，获得岩心样品；

变围压测量单元202，用于在静水压条件下，给定围压初始值，测量所述岩心样品在该节点对应地纵波速度和横波速度，增加围压到下一节点；等压力平衡时测量所述岩心样品在该节点对应地纵波速度和横波速度；直至围压达到实验要求的数值；

变轴压测量单元203，用于在静水压条件下，给定围压初始值和轴压初始值，测量所述岩心样品在该节点对应地纵波速度和横波速度；保持围压不变，增加轴压到下一节点，等压力平衡时测量所述岩心样品在该节点对应地纵波速度和横波速度，直到轴压达到实验要求的数值；然后再降低轴压，使得轴压与围压相等，增加围压到下一个节点，保持围压不变，增加轴压，等压力平衡时测量所述岩心样品在该节点对应地纵波速度和横波速度，直到围压达到实验要求的数值和轴压达到实验要求的数值；

变孔压测量单元204，用于在静水压条件下，给定围压和孔压初始值，测量所述岩心样品在该节点对应地纵波速度和横波速度；轴压等于围压，保持围压不变，增加孔压到下一节点，等压力平衡时测量所述岩心样品在该节点对应地纵波速度和横波速度，直到孔压达到实验要求的数值；然后再降低孔压到初始值，减小围压到下一个节点，轴压等于围压，保持围压不变，增加孔压，等压力平衡时测量所述岩心样品在该节点对应地纵波速度和横波速度，直到孔压达到实验要求的数值；

总测量单元205，用于在不同流体性质和一定压力条件下改变温度，重复上述步骤，测量所述岩心样品在每个温度每个节点对应地纵波速度和横波速度；

弹性系数获取单元206，用于利用所述岩心样品在不同流体性质、每个温度、每个节点对应地纵波速度和横波速度，获取弹性系数；

分析单元207，用于分析弹性系数的应力敏感性，建立不同地区、不同层位、不同储集条件的致密砂岩弹性系数数据库。

优选地，所述弹性系数获取单元206获取的弹性系数包括：C₁₁,C₁₂,C₁₃,C₃₃,C₄₄,C₆₆；其中， $C_{11}=\mathrm{\ρ}{V}_{\mathrm{PH}}^2;$ C₁₂＝C₁₁-2C₆₆； $C_{13}={\left[(C_{11}+C_{44}-2\mathrm{\ρ}{V}_{P45}^2)(C_{33}+C_{44}-2\mathrm{\ρ}{V}_{P45}^2)\right]}^{\frac{1}{2}}-C_{44};$ V_PV表示垂直岩心在不同流体性质、每个温度、每个节点的纵波速度，V_PH表示水平岩心在不同流体性质、每个温度、每个节点的纵波速度，V_SV表示水平岩心在不同流体性质、每个温度、每个节点振动方向垂直于层理的横波速度，V_SH表示水平岩心在不同流体性质、每个温度、每个节点振动方向平行于层理的横波速度；V_P45对称轴与层理面呈45度夹角岩心在不同流体性质、每个温度、每个节点的纵波速度。

优选地，所述分析单元207包括：

第一分析单元，用于分析所述弹性系数随围压变化规律；

第二分析单元，用于分析所述弹性系数随差应力变化规律；

第三分析单元，用于分析所述弹性系数随孔隙压力变化规律；

第四分析单元，用于分析同一弹性系数在不同围压条件下随差应力变化规律；

第五分析单元，用于分析同一弹性系数在不同围压条件下随净压力变化规律；

其中，所述差应力是轴压与围压之差，所述净应力为围压与孔隙压力之差。

优选地，所述分析单元207具体用于对收集到的不同地区、不同层位和不同储集条件的岩心，通过实验分析，获取岩心对应地弹性系数的变化规律，然后再应用到相应的地区或层位。

优选地，所述岩心样品获取单元201具体用于从露头或全直径钻井取心上钻取三块不同方向的岩心样品，其中，所述不同方向为垂直于层理方向、平行于层理方向和与层理呈45度夹角。

实施例：

如图3所示，为本实施例的分析致密砂岩弹性系数应力敏感性的方法流程图。包括：

步骤1)对岩心进行不同方向的取心并进行干燥处理；

对某一油田非常规储层所取全直径岩心进行垂直于层理、平行于层理和与层理呈45度夹角分别钻取1块直径为25mm、长度为50mm的小岩心，分别定义为垂直样，水平样和倾斜样。

如图4所示，为本实施例的岩心钻取方法示意图。从图4可知，主要从全直径岩心或露头等大块岩心上钻取3块小岩心，小岩心尺寸能够用于岩石弹性性质实验即可。3块小岩心的钻取方式分别为垂直于层理钻取1块，平行于层理钻取1块，与层理呈45度夹角钻取1块。

如图5所示，为本实施例的声波速度测量示意图。针对步骤1中所钻取的3块岩心，分别测量纵横波速度。横波速度分为两个速度，传播方向一致，极化方向互相垂直，其中一个极化方向平行于层理方向，另一个速度平行于层理方向。

步骤2)对岩心逐渐增加围压，保持轴压与围压一致，并测量每一个围压节点的纵横波速度；

如图6所示，为本实施例的变围压测量流程图。在静水压条件下加压到5MPa、7MPa、10MPa、15MPa、20MPa、25MPa、30MPa、35MPa、40MPa、45MPa、50MPa、55MPa、60MPa、65MPa、70MPa等15个节点，分别测量每个压力点的纵横波速度。

步骤3)固定一个围压，逐渐增加轴压，在每个轴压节点处测量岩样的纵横波速度；轴压降低到与围压相等，然后增加围压到另一节点处，再逐渐增加轴压，同时在每个轴压节点处测量岩样的纵横波速度，如此反复直到围压增加到要求的数值；

如图7所示，为本实施例的变轴压测量流程图。变围压实验完成后，对岩心重新加压进行变轴压实验。首先固定围压在10MPa，然后逐渐增加轴压，压力点依次为10MPa、12MPa、15MPa、17MPa、20MPa、25MPa、30MPa、35MPa、40MPa、45MPa、50MPa、55MPa、60MPa等13个节点，测量每个压力点的纵横波速度。降低轴压到10MPa与围压一致，然后同时增加围压和轴压到20MPa，保持围压不变，逐渐增加轴压，压力点依次为20MPa、22MPa、25MPa、27MPa、30MPa、35MPa、40MPa、45MPa、50MPa、55MPa、60MPa等11个节点，测量每个压力点的纵横波速度；同样地，对于围压为30MPa时，测量的轴压压力点分别为30MPa、32MPa、35MPa、37MPa、40MPa、45MPa、50MPa、55MPa、60MPa等；对于围压为40MPa时，测量的轴压压力点为40MPa、42MPa、45MPa、47MPa、50MPa、55MPa、60MPa、65MPa、70MPa等；对于围压为50MPa时，测量的轴压压力点为50MPa、52MPa、55MPa、57MPa、60MPa、65MPa、70MPa等。

步骤4)静水压条件下增加围压到一定数值，逐渐增加孔隙压力，在每个孔隙压力节点处测量岩样的纵横波速度；使孔隙压力降低为零，降低围压到一个节点，然后逐渐增加孔隙压力，在每个孔隙压力节点处测量岩样的纵横波速度，如此反复直到围压降低到一定数值。

如图8所示，为本实施例中变孔压测量流程图。变轴压实验完成后，对岩心重新加压进行变孔压实验。首先固定围压在60MPa，然后逐渐增加孔压，压力点依次为0MPa、5MPa、10MPa、15MPa、20MPa、25MPa、30MPa、35MPa、40MPa、45MPa、50MPa、55MPa等12个节点，测量每个压力点的纵横波速度。降低轴压到0MPa，然后静水压条件下降低围压至50MPa，保持围压不变，逐渐增加孔压，压力点依次为0MPa、5MPa、10MPa、15MPa、20MPa、25MPa、30MPa、35MPa、40MPa、45MPa等10个节点，测量每个压力点的纵横波速度；同样地，对于围压为40MPa时，测量的孔压压力点分别为0MPa、5MPa、10MPa、15MPa、20MPa、25MPa、30MPa、35MPa等；对于围压为30MPa时，测量的孔压压力点为0MPa、5MPa、10MPa、15MPa、20MPa、25MPa等；对于围压为20MPa时，测量的孔压压力点为0MPa、5MPa、10MPa、15MPa等。

步骤5)改变温度和流体性质，重复以上步骤；

在一定压力条件下改变温度来考察温度对弹性系数的影响，比如在变围压实验中，围压分别为10MPa、20MPa、30MPa、40MPa、50MPa、60MPa时，每个围压下变化温度从25°、50°、70°、90°、100°变化，测量每个温度下的纵横波速度。

而对于流体性质主要考察其对弹性系数的影响，比如在三个系列实验中，完成干燥岩样的测量后，饱和水或油再重复测量，以考察流体性质对弹性系数的影响。

步骤6)利用测量得到的纵横波速度计算弹性系数；

测量得到的纵横波速度计算弹性系数，对于不同的地层模型具有不同的计算方法。由于致密岩石具有一定横观各向同性性质，因此这儿以横观各向同性模型为例。横观各向同性介质需要C₁₁,C₁₂,C₁₃,C₃₃,C₄₄,C₆₆等6个弹性系数表征其弹性性质。

通常所采用的计算公式 $C_{11}=\mathrm{\ρ}{V}_{\mathrm{PH}}^2,C_{33}=\mathrm{\ρ}{V}_{\mathrm{PV}}^2,C_{44}=\mathrm{\ρ}{V}_{\mathrm{SV}}^2,C_{66}=\mathrm{\ρ}{V}_{\mathrm{SH}}^2,$ C₁₂＝C₁₁-2C₆₆， $C_{13}={\left[(C_{11}+C_{44}-2\mathrm{\ρ}{V}_{P45}^2)(C_{33}+C_{44}-2\mathrm{\ρ}{V}_{P45}^2)\right]}^{\frac{1}{2}}-C_{44};$ 其中，V_PV是垂直岩心的纵波速度，V_PH是水平岩心的纵波速度，V_SV是水平岩心的振动方向垂直于层理的横波速度，V_SH是水平岩心的振动方向平行于层理的横波速度，V_P45是与层理面呈45度夹角岩心的纵波速度。

步骤7)根据计算得到的弹性系数与相应的应力关系，分析弹性系数的应力敏感性，建立不同地区、不同层位、不同储集条件的致密砂岩弹性系数数据库。

如图9所示，为本实施例中弹性系数随围压变化规律图。由图9可知，6个弹性系数随围压增加而逐渐增加，但增加的幅度不一样。

如图10所示，为本实施例中弹性系数随差应力变化规律图。在图10中，差应力为轴压与围压之差。在10MPa围压不变的条件下，弹性系数随轴压增加而逐渐增加，但增加的幅度不一样。

如图11所示，为本实施例中弹性系数随净应力变化规律图。在图11中，净应力为围压与孔压之差。在60MPa围压不变的条件下，弹性系数随孔压减小而逐渐增加，但增加的幅度不一样。

如图12所示，为本实施例中同一弹性系数在不同围压条件下随差应力变化规律图。在图12中，差应力为轴压与围压之差。在50MPa轴压不变的条件下，围压从10MPa变化到50MPa，差应力从40MPa变化到0MPa时弹性系数变化规律，弹性系数随差应力增加而减小，但减小的幅度不一样。

如图13所示，为本实施例中同一弹性系数在不同围压条件下随净压力变化规律图。在图13中，净压力围压为与孔压之差。在10MPa孔压不变的条件下，围压从20MPa变化到60MPa，净压力从10MPa变化到50MPa时弹性系数变化规律，弹性系数随净压力增加而增加，但增加的幅度不一样。

如图9、图10、图11、图12和图13所示，通过测量不同压力条件下的岩石纵横波速度，计算弹性系数，进而分析弹性系数的应力敏感性，获得弹性系数随不同应力的变化规律，为后续的最大最小水平主应力、破裂压力评价等奠定良好的基础，进而指导钻井、完井、油气井压裂增产，预防漏、塌、喷、卡事故的发生，制定泥浆方案和设计套管程序、确定套管下深等施工工艺。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种分析致密砂岩弹性系数应力敏感性的方法，其特征在于，包括：

对岩心进行不同方向的取心，获得岩心样品；

在静水压条件下，给定围压初始值，测量所述岩心样品在该节点对应地纵波速度和横波速度，增加围压到下一节点；等压力平衡时测量所述岩心样品在该节点对应地纵波速度和横波速度；直至围压达到实验要求的数值；

在静水压条件下，给定围压初始值和轴压初始值，测量所述岩心样品在该节点对应地纵波速度和横波速度；保持围压不变，增加轴压到下一节点，等压力平衡时测量所述岩心样品在该节点对应地纵波速度和横波速度，直到轴压达到实验要求的数值；然后再降低轴压，使得轴压与围压相等，增加围压到下一个节点，保持围压不变，增加轴压，等压力平衡时测量所述岩心样品在该节点对应地纵波速度和横波速度，直到围压达到实验要求的数值和轴压达到实验要求的数值；

在静水压条件下，给定围压和孔压初始值，测量所述岩心样品在该节点对应地纵波速度和横波速度；轴压等于围压保持一致，保持围压不变，增加孔压到下一节点，等压力平衡时测量所述岩心样品在该节点对应地纵波速度和横波速度，直到孔压达到实验要求的数值；然后再降低孔压到初始值，减小围压到下一个节点，轴压等于围压保持一致，保持围压不变，增加孔压，等压力平衡时测量所述岩心样品在该节点对应地纵波速度和横波速度，直到孔压达到实验要求的数值；

在不同流体性质和一定压力条件下改变温度，重复上述步骤，测量所述岩心样品在每个温度每个节点对应地纵波速度和横波速度；

利用所述岩心样品在不同流体性质、每个温度、每个节点对应地纵波速度和横波速度，获取弹性系数；

分析弹性系数的应力敏感性，建立不同地区、不同层位、不同储集条件的致密砂岩弹性系数数据库。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述弹性系数包括：C₁₁,C₁₂,C₁₃,C₃₃,C₄₄,C₆₆；其中， $C_{11}=\mathrm{\ρ}{V}_{\mathrm{PH}}^2;$ C₁₂＝C₁₁-2C₆₆； $C_{13}={\left[(C_{11}+C_{44}-2\mathrm{\ρ}{V}_{P45}^2)(C_{33}+C_{44}-2\mathrm{\ρ}{V}_{P45}^2)\right]}^{\frac{1}{2}}-C_{44};$ V_PV表示垂直岩心在不同流体性质、每个温度、每个节点的纵波速度，V_PH表示水平岩心在不同流体性质、每个温度、每个节点的纵波速度，V_SV表示水平岩心在不同流体性质、每个温度、每个节点振动方向垂直于层理的横波速度，V_SH表示水平岩心在不同流体性质、每个温度、每个节点振动方向平行于层理的横波速度；V_P45对称轴与层理面呈45度夹角岩心在不同流体性质、每个温度、每个节点的纵波速度。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述分析弹性系数的应力敏感性的步骤包括：

分析所述弹性系数随围压变化规律；

分析所述弹性系数随差应力变化规律；

分析所述弹性系数随孔隙压力变化规律；

分析同一弹性系数在不同围压条件下随差应力变化规律；

分析同一弹性系数在不同围压条件下随净压力变化规律；

其中，所述差应力是轴压与围压之差，所述净应力为围压与孔隙压力之差。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述建立不同地区、不同层位、不同储集条件的致密砂岩弹性系数数据库的步骤具体为：

收集不同地区、不同层位和不同储集条件的岩心，通过实验分析岩心对应地弹性系数的变化规律，然后再应用到相应的地区或层位。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述岩心样品获取的步骤具体为：从露头或全直径钻井取心上钻取三块不同方向的岩心样品，其中，所述不同方向为垂直于层理方向、平行于层理方向和与层理呈45度夹角。

6.一种分析致密砂岩弹性系数应力敏感性的装置，其特征在于，包括：

岩心样品获取单元，用于对岩心进行不同方向的取心，获得岩心样品；

变围压测量单元，用于在静水压条件下，给定围压初始值，测量所述岩心样品在该节点对应地纵波速度和横波速度，增加围压到下一节点；等压力平衡时测量所述岩心样品在该节点对应地纵波速度和横波速度；直至围压达到实验要求的数值；

变轴压测量单元，用于在静水压条件下，给定围压初始值和轴压初始值，测量所述岩心样品在该节点对应地纵波速度和横波速度；保持围压不变，增加轴压到下一节点，等压力平衡时测量所述岩心样品在该节点对应地纵波速度和横波速度，直到轴压达到实验要求的数值；然后再降低轴压，使得轴压与围压相等，增加围压到下一个节点，保持围压不变，增加轴压，等压力平衡时测量所述岩心样品在该节点对应地纵波速度和横波速度，直到围压达到实验要求的数值和轴压达到实验要求的数值；

变孔压测量单元，用于在静水压条件下，给定围压和孔压初始值，测量所述岩心样品在该节点对应地纵波速度和横波速度；轴压等于围压保持一致，保持围压不变，增加孔压到下一节点，等压力平衡时测量所述岩心样品在该节点对应地纵波速度和横波速度，直到孔压达到实验要求的数值；然后再降低孔压到初始值，减小围压到下一个节点，轴压等于围压保持一致，保持围压不变，增加孔压，等压力平衡时测量所述岩心样品在该节点对应地纵波速度和横波速度，直到孔压达到实验要求的数值；

总测量单元，用于在不同流体性质和一定压力条件下改变温度，重复上述步骤，测量所述岩心样品在每个温度每个节点对应地纵波速度和横波速度；

弹性系数获取单元，用于利用所述岩心样品在不同流体性质、每个温度、每个节点对应地纵波速度和横波速度，获取弹性系数；

分析单元，用于分析弹性系数的应力敏感性，建立不同地区、不同层位、不同储集条件的致密砂岩弹性系数数据库。

7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述弹性系数获取单元获取的弹性系数包括：C₁₁,C₁₂,C₁₃,C₃₃,C₄₄,C₆₆；

其中， $C_{11}=\mathrm{\ρ}{V}_{\mathrm{PH}}^2;$ C₁₂＝C₁₁-2C₆₆； $C_{13}={\left[(C_{11}+C_{44}-2\mathrm{\ρ}{V}_{P45}^2)(C_{33}+C_{44}-2\mathrm{\ρ}{V}_{P45}^2)\right]}^{\frac{1}{2}}-C_{44};$ V_PV表示垂直岩心在不同流体性质、每个温度、每个节点的纵波速度，V_PH表示水平岩心在不同流体性质、每个温度、每个节点的纵波速度，V_SV表示水平岩心在不同流体性质、每个温度、每个节点振动方向垂直于层理的横波速度，V_SH表示水平岩心在不同流体性质、每个温度、每个节点振动方向平行于层理的横波速度；V_P45对称轴与层理面呈45度夹角岩心在不同流体性质、每个温度、每个节点的纵波速度。

8.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述分析单元包括：

第一分析单元，用于分析所述弹性系数随围压变化规律；

第二分析单元，用于分析所述弹性系数随差应力变化规律；

第三分析单元，用于分析所述弹性系数随孔隙压力变化规律；

第四分析单元，用于分析同一弹性系数在不同围压条件下随差应力变化规律；

第五分析单元，用于分析同一弹性系数在不同围压条件下随净压力变化规律；

其中，所述差应力是轴压与围压之差，所述净应力为围压与孔隙压力之差。

9.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述分析单元具体用于对收集到的不同地区、不同层位和不同储集条件的岩心，通过实验分析，获取岩心对应地弹性系数的变化规律，然后再应用到相应的地区或层位。

10.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述岩心样品获取单元具体用于从露头或全直径钻井取心上钻取三块不同方向的岩心样品，其中，所述不同方向为垂直于层理方向、平行于层理方向和与层理呈45度夹角。