CN111175128A - 一种基于频谱分析的致密砂岩抗张强度预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于频谱分析的致密砂岩抗张强度预测方法，包括将致密砂岩加工成直径为25.2mm，长度12.6～25.2mm的标准柱塞样，确保两端面平整且与圆柱体轴线相垂直，避免岩样柱面及两端面上存有不可修复的缺损，将切割后的岩样在烘箱中烘干15～24h备用。S2.利用声发射系统，观察密砂岩岩样声波特征，整体提取0～300us时窗内横波波谱的波形及信号等操作步骤。本发明方案简便高效，在不破坏岩样的条件下，可区分不同岩样的抗张强度大小，符合现场高效快速稳定的实际需求。

Description

一种基于频谱分析的致密砂岩抗张强度预测方法

技术领域

本发明属于频谱分析技术领域，尤其涉及一种基于频谱分析的致密砂岩抗张强度预测方法。

背景技术

致密砂岩，通常指低渗透-特低渗透砂岩储集层，其覆压基质渗透率≤0.1×10^{- 3}um²，单井一般无自然产能，或自然产能低于工业油气流下限，但在一定经济条件和技术措施下，可以获得工业产能，这些措施包括压裂增产、水平井、多分支井等。致密砂岩储层纵向上非均质性强，横向上储油体连续性差，油气水关系复杂，一般无统一油气水界面，无统一压力系统，这种纵向与横向的宏观非均质性导致压裂改造的延展范围、形态难以预测，最终造成层间改造效果差异明显。岩石的抗张强度是指岩石在单轴拉力作用下达到破坏的极限强度，数值上等于破坏时的最大拉应力，表征岩石抵抗拉张破坏的能力。在地质实践与破坏理论中岩石抗张强度扮演着极为关键的角色，尤其是在油气勘探开发领域有着广泛的应用，诸如分析井壁稳定性、储层改造以及注水开发等等，因此，准确高效的掌握岩石抗张强度，对致密砂岩勘探开发显得尤为重要。

岩石抗张强度的测定多在实验室通过拉伸破坏试验完成，但是，相比较于抗压强度等岩石强度参数，抗张强度的获取要困难的多。目前，针对岩石抗张强度的预测，前人已有相应的技术手段，但仍旧存在不可避免的缺点；如刘杰2015年公布了一种多次破裂测岩石抗张强度的试验方法(专利申请号：201410688098.4)。该技术方法通过在一个岩样上进行多次劈裂试验，测定得到多个岩石抗张强度数值。但该方法是破坏性试验，无法保证岩样的完整性，岩样首次劈裂后涂抹胶结物质，胶水固结与岩样原本的胶结方式差异大，严重影响试验结果的准确性，除首次试验外，并不能保证后续试验数据的可靠性。与抗张强度相类似，李顺才2018年公布了一种煤样单轴抗压强度的多元回归预测模型及其建立方法(专利申请号：201810481170.4)。通过模型利用加载前测定的煤样声波速度、密度，不做加载劈坏试验，即可预测煤样的抗压强度，虽然该方法能保证岩石的完整性，但测定的参数中以首波触发机制记录的波速，反映的是沿着波阻抗最大路径传播的声波速度，不能全面反映岩石内部微观结构信息，应用波速反演强度参数时，预测结果与实际值偏差较大；密度的测量则依赖于岩样的完整性，轻微破损都将导致岩样密度计算失真，同时多参数多元回归易导致误差的累加，最终的拟合结果偏差严重。杨琦等2017年在文献《鄂尔多斯盆地南部长8储层岩石力学实验研究》中提出利用广义Hoek-Brown准则方法能准确预测储集层抗压强度，首先通过测试确定Hoek-Brown准则中各待定参数，再利用巴西劈裂试验测定致密砂岩抗张强度，最终利用相应公式完成对岩石抗张强度的预测，该方法对岩样要求过高，一块岩样需同时完成三轴力学试验与巴西劈裂试验，井下取心异常宝贵，全部用于破坏性试验经济成本极高，不符合现场实际，方法适用性差。

综上所述，目前致密砂岩抗张强度的预测多基于加载性破坏试验，预测模型使用的参数则不能全面表征岩石内部孔隙结构信息，基于此，本发明提供了一种适用于现场快速判别致密砂岩抗张强度大小的方法，同时利用少量岩心进行巴西劈裂试验便可得到抗张强度定量预测模型。

现有技术一的技术方案

技术一：多次劈裂测岩石抗拉强度的试验方法(专利申请号：201410688098.4)

该发明公布一种多次劈裂测岩石抗张强度的试验方法，如图1所示，包括以下步骤：一、制备待测岩样；二、沿径向第一次劈裂试验；三、将劈裂后的岩样胶结；四、更换非胶结位置，进行第二次劈裂试验；五、将劈裂后的岩样胶结；六、继续劈裂试验直到最大容许劈裂次数；本发明提供的一种多次劈裂测岩抗张强度的试验方法，通过在一个岩样上进行多次劈裂试验，测定多个岩石抗张强度数据。

现有技术一的缺点

①该方案核心为持续破坏性试验，若要得到岩石抗张强度必须进行加载劈裂，井下取心非常宝贵，经济成本高，不适用于现场实际。

②岩样首次劈裂后，胶水固结与岩样原本的胶结方式差异大，后续测得的抗张强度不能代表岩样抵抗拉张的能力，试验失败风险高。

③该方案仅适用于致密岩样，不适用于疏松岩样，疏松岩样劈裂后产生大量碎屑，同时存在多个不规整的断裂面，靠胶水固结几乎不可能实现，脱离实际适用性差。

现有技术二的技术方案

技术二：一种煤样单轴抗压强度的多元回归预测模型及其建立方法(专利申请号：201810481170.4)

该技术方案涉及一种煤样单轴抗压强度的多元回归预测模型的建立方法，包括以下步骤：一、取一组标准煤样，测量每个标准煤样的尺寸和质量，计算其质量密度；二、利用声发射系统通过断铅试验测定标准煤样中的声速值；三、选取至少四个标准煤样，按照给定的加载速率、煤样声速值和煤样质量密度的多元回归模型。该方案通过模型利用记载前测定的煤样中的声速值、煤样密度，可不做加载破坏试验，即可预测煤样在给定加载速率下的抗压强度。

现有技术二的缺点

①模型多元回归采用声波速度为运动学参数，其反映的沿着波阻抗最大路径传播的声波速度，不能全面反映岩石内部微观结构信息，该方案选用的关键参数不具备较强的代表性，易造成预测结果与实际值产生偏差。

②密度参数的测量依赖岩样的完整度，若岩样出现破损则体积不易确定，最终导致密度值失真，该方案对试验条件要求过高。

③预测模型为多参数多元回归，易导致试验误差的累加，最终的预测结果实际值偏差较大，预测精度低。

现有技术三的技术方案

技术三：鄂尔多斯盆地南部长8储层岩石力学试验研究(期刊论文：石油地质与工程，第31卷，第4期)

该实验方案提出利用广义Hoek-Brown准则预测储集层抗张强度，首先通过预测确定Hoek-Brown准则中各待定参数，再利用巴西劈裂试验测定致密砂岩抗张强度，最终利用公式(4)完成对岩石抗张强度的预测。

σ_t＝-Sσ_ci/m (4)

式中：σ_t——抗张强度，MPa；σ_ci——单轴抗压强度，Mpa；m和s—待定常数，无量纲。

①该方案对岩样要求过高，一块岩样需同时完成三轴力学试验与巴西劈裂试验，对取心长度要求极高，同时井下取心异常宝贵，全部用于破坏性试验经济成本极高，不符合现场实际需求，适用性差。

本发明提供了一种适用于现场快速判别致密砂岩抗张强度大小的方法，同时利用少量岩心进行加载劈裂试验可得到抗张强度定量预测模型。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术存在的缺陷，提供一种基于频谱分析的致密砂岩抗张强度预测方法，可区分不同岩样的抗张强度大小，符合现场高效快速稳定的实际需求。

本发明采用如下技术方案：

一种基于频谱分析的致密砂岩抗张强度预测方法，包括以下步骤：

S1.将致密砂岩加工成直径为25.2mm，长度12.6～25.2mm的标准柱塞样，确保两端面平整且与圆柱体轴线相垂直，避免岩样柱面及两端面上存有不可修复的缺损，将切割后的岩样在烘箱中烘干15～24h备用。

S2.利用声发射系统，观察密砂岩岩样声波特征，整体提取0～300us时窗内横波波谱的波形及信号。

S3.针对采集到的横波x(t)进行频谱分析，运用快速傅里叶变换绘制频谱特征曲线，见公式(1)，但是，在实际的控制系统中得到的是连续信号x(t)的离散采样值x(nT)，因此实际使用公式(2)。

S4.定量表征横波频谱图中的频率分布特征，采用核心频率(f_z)反映频率的分布范围，高频信息越丰富则频谱图的f_z值越大，核心频率f_z定义为：

式中：fi为离散化的各频率值，KHz；Afi为频率波的幅值，mV；△f为相邻频率之间的差值，kHz。

S5.选取经横波频谱分析的标准岩样至少5颗，进行巴西劈裂试验，测得标准岩样的抗张强度(σ_t)。

S7.分析横波核心频率f_z与抗张强度σ_t之间的相关性。

S8.采用公式(3)建立横波核心频率f_z与抗张强度σ_t之间的关系，依据此模型可定量预测抗张强度数值。

σ_t＝Af_z+B (3)

式中：f_z为横波核心频率值，KHz；σ_t为抗张强度，MPa；A,B为拟合参数，无量纲。

本发明的有益效果：

(1).方案中采用的横波核心频率(f_z)携带的高频信号能够较为全面的表征岩石内部微观结构信息，同时f_z的获取手段快速稳定，对试验条件要求低。

(2).该方案简便高效，在不破坏岩样的条件下，可区分不同岩样的抗张强度大小，符合现场高效快速稳定的实际需求。

(3).若想进一步得到岩样抗张强度定量预测模型，仅需进行少量岩样巴西劈裂试验，便可持续定量得到相似地层岩样的抗张强度数值，经济成本低，节省人力物力资源。

附图说明

图1为岩样多次劈裂示意图；

图2为岩样时窗0～300us内横波谱的波形及信号；

图3为FFT处理后岩样横波频谱图；

图4为横波核心频率与抗张强度交会图；

图5为本发明的方案流程图；

图6为预测抗张强度与实际抗张强度关系图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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作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。

如图1所示，本发明的一种基于频谱分析的致密砂岩抗张强度预测方法，包括以下步骤：

S1.将致密砂岩加工成直径为25.2mm，长度12.6～25.2mm的标准柱塞样，确保两端面平整且与圆柱体轴线相垂直，避免岩样柱面及两端面上存有不可修复的缺损，将切割后的岩样在烘箱中烘干15～24h备用。

S2.利用声发射系统，观察密砂岩岩样声波特征，整体提取0～300us时窗内横波波谱的波形及信号，见图2所示。

S3.针对采集到的横波x(t)进行频谱分析，运用快速傅里叶变换绘制频谱特征曲线，见公式(1)，但是，在实际的控制系统中得到的是连续信号x(t)的离散采样值x(nT)，因此实际使用公式(2)，见图3所示。

S4.定量表征横波频谱图中的频率分布特征，采用核心频率(f_z)反映频率的分布范围，高频信息越丰富则频谱图的f_z值越大，核心频率f_z定义为：

式中：fi为离散化的各频率值，KHz；Afi为频率波的幅值，mV；△f为相邻频率之间的差值，kHz。

S5.选取经横波频谱分析的标准岩岩至少5颗，进行巴西劈裂试验，测得标准岩样的抗张强度(σ_t)。

S6.分析横波核心频率f_z与抗张强度σ_t之间的相关性，见图4所示。

S7.采用公式(3)建立横波核心频率f_z与抗张强度σ_t之间的关系，依据此模型可定量预测抗张强度数值。

σ_t＝Af_z+B (3)

式中：f_z为横波核心频率值，KHz；σ_t为抗张强度，MPa；A,B为拟合参数，无量纲，具体流程见图5所示。

岩石的抗张强度是指岩石在单轴拉力作用下达到破坏的极限强度，数值上等于破坏时的最大拉应力，表征岩石抵抗拉张破坏的能力。在地质实践与破坏理论中岩石抗张强度扮演着极为关键的角色，尤其是在油气勘探开发领域有着广泛的应用，诸如井壁失稳、储层改造以及可压裂性分析等等，因此，准确掌握岩石抗张强度，对致密砂岩勘探开发显得尤为重要。

实施例

鄂尔多斯盆地杭锦旗地区下石盒子组沉积厚度大，平面展布相对稳定，主要发育低孔低渗-特低孔特低渗致密砂岩储层，构成该区域内主力勘探目的层系；勘探前期，在钻井过程中常出现泥浆密度过大或井内流体循环波动压力过大造成地层破裂的现象，这是因为井壁有效周向应力超过地层抗张强度所导致；在后期的水力压裂以及注水改造中，岩石抗张强度同样影响着储层施工效果，综上所述，准确高效的掌握杭锦旗地区下石盒子组储层抗张强度的大小显得尤为重要。

同时，该地区钻井取心成本高、数量少，岩心实体资料承载着多项岩石物理实验，按照常规实验室破坏性劈裂实验获取岩石抗张强度显得不切实际，急需一套高效便捷、经济成本低、节省人力物力的抗张强度预测方法。

钻取杭锦旗地区致密砂岩标准柱塞样16颗(φ25.2mm×25.2mm),两端打磨平整且与圆柱体轴线相垂直，岩样柱面及两端面无缺损，将切割后的岩样在烘箱中烘干24h。

利用声发射系统，观察5颗致密砂岩岩样声波特征，整体提取0～300us时窗内横波波谱的波形及信号；针对采集到的横波进行频谱分析，运用快速傅里叶变换绘制频谱特征曲线。

定量表征横波频谱图中的频率分布特征，采用核心频率(f_z)反映频率的分布范围，高频信息越丰富则频谱图的f_z值越大；对求取核心频率后的岩心进行巴西劈裂实验，得到这5颗岩心的抗张强度。

建立横波核心频率f_z与抗张强度σ_t之间的关系，将两者之间的关系拟合成线性公式，得到模型：

σ_t＝0.0127f_z-1.15

通过声发射系统得到其余11颗岩样的纵波核心频率(f_z)，带入上述模型中，得到岩样的预测抗张强度，并对其余11颗岩心进行巴西劈裂实验，得到实际抗张强度值。

如下图6所示，预测抗张强度与实际抗张强度呈正相关，且相关系数高，数据点紧靠R²＝1线周围，表明模型精度高，该方法能精确预测杭锦旗地区致密砂岩的抗张强度，满足现场高效便捷、节省经济成本的实际需求，在现场实际应用中取得了较好的效果。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (4)

1.一种基于频谱分析的致密砂岩抗张强度预测方法，其特征在于,包括以下步骤：

S1.将致密砂岩加工成直径为25.2mm，长度12.6～25.2mm的标准柱塞样，将切割后的岩样在烘箱中烘干15～24h备用；

S2.利用声发射系统，观察密砂岩岩样声波特征，整体提取0～300us时窗内横波波谱的波形及信号；

S3.针对采集到的横波x(t)进行频谱分析，运用快速傅里叶变换绘制频谱特征曲线，见公式(1)，但是，在实际的控制系统中得到的是连续信号x(t)的离散采样值x(nT)，因此实际使用公式(2)；

式中ω为角频率，rad/s；

S4.定量表征横波频谱图中的频率分布特征，采用核心频率f_z反映频率的分布范围，核心频率f_z定义为：

式中：fi为离散化的各频率值，KHz；Afi为频率波的幅值，mV；△f为相邻频率之间的差值，kHz；

S5.选取经横波频谱分析的标准岩样至少5颗，进行巴西劈裂试验，测得标准岩样的抗张强度σ_t；

S6.分析横波核心频率f_z与抗张强度σ_t之间的相关性；

S7.采用公式(3)建立横波核心频率f_z与抗张强度σ_t之间的关系，依据此模型可定量预测抗张强度数值；

σ_t＝Af_z+B (3)

式中：f_z为横波核心频率值，KHz；σ_t为抗张强度，MPa；A，B为拟合参数，无量纲。

2.根据权利要求1所述的基于频谱分析的致密砂岩抗张强度预测方法，其特征在于，步骤S1中，致密砂岩加工时，确保两端面平整且与圆柱体轴线相垂直，避免岩样柱面及两端面上存有不可修复的缺损。

3.根据权利要求1所述的基于频谱分析的致密砂岩抗张强度预测方法，其特征在于，S3中，快速傅里叶变换可将任何形状的信号分解成不同频率的正弦信号，并在数学上用傅里叶序列表示。

4.根据权利要求1所述的基于频谱分析的致密砂岩抗张强度预测方法，其特征在于，S4中，高频信息越丰富则频谱图的f_z值越大。

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