CN113125563B - 一种基于声波波速测试的泥页岩水化损伤定量评价方法 - Google Patents

一种基于声波波速测试的泥页岩水化损伤定量评价方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于声波波速测试的泥页岩水泥损伤定量评价方法，涉及非常规油气勘探与开发技术领域。本发明先对钻取的岩样干燥后筛选出至少3个纵横波波速相近的岩样形成岩样组，计算岩样组的初始平均纵横波波速和密度，计算出初始动态弹性模量；将岩样组进行浸泡，每间隔t时间取出，计算出浸泡后岩样的含水量和动态弹性模量；计算出岩样组的损伤变量；采用非线性拟合方法拟合得到泥页岩含水量演化方程和泥页岩水化损伤演化方程。本发明考虑了自由水侵入引起的岩样质量变化对水化损伤的影响，同时，还考虑了钻井井筒压力和井筒温度的影响，克服了已有方法存在的不足，能够更加真实的反映泥页岩水化损伤过程，而且该方法更加简便、经济、实用。

Description

一种基于声波波速测试的泥页岩水化损伤定量评价方法
技术领域
本发明涉及非常规油气勘探与开发技术领域，更具体地说涉及一种基于声波波速测试的泥页岩水化损伤定量评价方法。
背景技术
泥页岩矿物组成中富含黏土矿物，黏土矿物通常具有较强的水敏性。钻井过程中，钻井液滤液与泥页岩接触后，将发生页岩水化反应，主要是由于泥页岩中水敏性黏土矿物水化所致，黏土水化后将引起泥页岩岩石膨胀或分散，进而影响泥页岩井壁稳定，导致井壁坍塌失稳，极容易引起钻井卡钻、埋钻等井下复杂事故，严重时甚至导致井眼报废，造成巨大的经济损失。
维持泥页岩井壁稳定，通常需要钻井液具备三方面的要素：合理的钻井液密度、足够的钻井液抑制性和足够的钻井液封堵能力，而这3个要素的合理范围难以确定，其主要原因在于缺乏准确测量和评价钻井液引起的水化效应。
马天寿和陈平(2014)提出了一种基于CT扫描技术的页岩水化细观损伤特性定量评价方法【马天寿,陈平.基于CT扫描技术研究页岩水化细观损伤特性[J].石油勘探与开发,2014,41(2):227-233.】。他们通过开展不同水化阶段样品3个断面的CT扫描实验，分析了页岩水化细观损伤特性。但是，该方法仅仅考虑了不同水化周期下的损伤变量演化规律，并未考虑自由水侵入、井下环境温度和压力的影响，即没能考虑岩样质量变化、钻井井筒压力和井筒温度的影响，使得测试结果并不能完全反映泥页岩在井下的水化导致的水化损伤。同时，该方法以三个不同断面的CT图像为依据，对不同水化阶段CT断面图像定位精度要求极高，如果所对比的三个断面并不在同一位置，将对测试结果产生巨大影响，这非常不利于实际操作，而且CT扫描测试非常昂贵，这也限制了这种方法的推广使用。
发明内容
为了克服上述现有技术中存在的缺陷和不足，本发明提供了一种基于声波波速测试的泥页岩水化损伤定量评价方法，本发明的发明目的在于解决上述现有技术中对泥页岩水化损伤定量评价对操作精度要求高，操作复杂，成本较高的问题。本发明的基于声波波速测试的泥页岩水化损伤定量评价方法考虑了自由水侵入引起的岩样质量变化对水化损伤的影响，同时，还考虑了钻井井筒压力和井筒温度的影响，克服了已有方法存在的不足，能够更加真实的反映泥页岩水化损伤过程，而且该方法更加简便、经济、实用。
为了解决上述现有技术中存在的问题，本发明是通过下述技术方案实现的：
一种基于声波波速测试的泥页岩水化损伤定量评价方法，包括以下步骤：
步骤S10、钻取至少三个泥页岩圆柱形岩样，并放入45-60℃恒温干燥箱中干燥24h，干燥完成后取出，测量岩样密度，然后放入干燥皿中备用；
步骤S20、采用岩石声波参数测试仪测试全部泥页岩圆柱形岩样的纵波波速和横波波速；筛选出至少3个纵波波速相近且横波波速相近的岩样形成岩样组，用于泥页岩水化实验；同时记录岩样组内各干岩样的质量、纵波波速和横波波速，计算筛选出的岩样组的初始平均质量、初始平均纵波波速和初始平均横波波速，通过岩样组的初始平均纵波波速、初始平均横波波速和密度，计算出岩样组的初始动态弹性模量；
步骤S30、将步骤S20中筛选出的岩样组进行浸泡，进行高温高压泥页岩水化模拟实验，每间隔t时间取出浸泡的岩样，测量浸泡t时间后的岩样组中各岩样的质量、纵波波速和横波波速，求取岩样组在相同浸泡时间t内的平均质量、平均纵波波速和平均横波波速，并计算出浸泡t时间后岩样组的含水量和动态弹性模量；
步骤S40、以步骤S30中得到的浸泡t时间后的动态弹性模量为基准的损伤变量，并结合步骤S20中得到的岩样组初始动态弹性模量，计算出岩样组的损伤变量；
步骤S50、根据步骤S30中得到的岩样组浸泡t时间后的含水量和S40步骤中得到的岩样组的损伤变量，采用非线性拟合方法拟合得到泥页岩含水量演化方程和泥页岩水化损伤演化方程。
更进一步地，所述步骤S20中，岩样组的初始动态弹性模量Ed0表示为：
Figure BDA0002978190170000021
式中，Vp0为初始时刻测得的平均纵波波速；Vs0为初始时刻测得的平均横波波速；Ed0为初始动态弹性模量；ρ为密度。
更进一步地，所述步骤S30中，浸泡t时间后岩样组的含水量w(t)表示为：
Figure BDA0002978190170000031
式中，m(t)为浸泡t时间后的平均质量；m0为初始平均质量；w(t)为浸泡t时间后的含水量；
所述步骤S30中，浸泡t时间后岩样组的动态弹性模量Ed(t)表示为：
Figure BDA0002978190170000032
式中，Vp(t)为浸泡t时间后的平均纵波波速；Vs(t)为浸泡t时间后的平均横波波速；Ed(t)为浸泡t时间后的动态弹性模量；ρ为密度。
所述步骤S40中，岩样组的损伤变量D(t)表示为：
Figure BDA0002978190170000033
式中，Ed(t)为浸泡t时间后的动态弹性模量；Ed0为初始动态弹性模量；D(t)为岩样组的损伤变量。
所述步骤S50中，泥页岩含水量演化方程表示为：w(t)＝f(t)；泥页岩水化损伤演化方程表示为：D(t)＝g(w)＝g[f(t)]；式中：w(t)为浸泡t时间后的含水量；D(t)为浸泡t时间后岩样组的损伤变量；t为浸泡时长；f(t)为泥页岩含水量演化函数；g(w)为泥页岩水化损伤随含水量演化的函数。
更进一步的，所述步骤S20中岩石声波参数测试仪为纵横波同轴的波速测试仪器。
所述步骤S20中岩样的纵横波波速差异不得超过±5％。目的是消除泥页岩样品个体差异的影响。
所述步骤S30中高温高压泥页岩水化模拟实验的浸泡液体可以是现场钻井液滤液或需要评价测试的液体，高温高压条件设定为井筒压力和井筒温度。
与现有技术相比，本发明所带来的有益的技术效果表现在：
1、本发明建立的泥页岩水化损伤演化方程是以含水量演化方程为基础的，考虑了自由水侵入引起的岩样质量变化对水化损伤的影响，同时，还考虑了钻井井筒压力和井筒温度的影响，克服了已有方法存在的不足，能够更加真实的反映泥页岩水化损伤过程，而且该方法更加简便、经济、实用。
2、在本发明中，筛选出至少3个纵波波速相近且横波波速相近的岩样形成岩样组，尽可能确保同一岩样组内的各个岩样相同，避免岩样的不同而带来的测量误差，确保测试精度。
3、在本发明中，以步骤S30中得到的浸泡t时间后的动态弹性模量为基准的损伤变量，并结合步骤S20中得到的岩样组初始动态弹性模量，计算出岩样组的损伤变量；考虑了自由水侵入引起的岩样质量变化对水化损伤的影响，并根据岩样组浸泡t时间后的含水量和岩样组的损伤变量，采用非线性拟合方法拟合得到泥页岩含水量演化方程和泥页岩水化损伤演化方程，能够更加真实的反映泥页岩水化损伤过程，而且该方法更加简便、经济、实用。
附图说明
图1为本发明实施例2的流程图；
图2为泥页岩质量随浸泡时间变化测试结果；
图3为泥页岩纵横波波速随浸泡时间变化测试结果；
图4为泥页岩含水量随浸泡时间变化测试结果；
图5为泥页岩动态弹性模量随浸泡时间变化测试结果；
图6为泥页岩水化损伤变量随浸泡时间变化测试结果；
图7为泥页岩含水量与浸泡时间拟合结果；
图8为泥页岩水化损伤变量与含水量拟合结果。
具体实施方式
下面结合说明书附图，对发明的技术方案作出进一步详细地阐述。
实施例1
一种基于声波波速测试的泥页岩水化损伤定量评价方法，包括以下步骤：
步骤S10、钻取至少三个泥页岩圆柱形岩样，并放入45-60℃恒温干燥箱中干燥24h，干燥完成后取出，测量岩样密度，然后放入干燥皿中备用。
步骤S20、采用岩石声波参数测试仪测试全部泥页岩圆柱形岩样的纵波波速和横波波速；筛选出至少3个纵波波速相近且横波波速相近的岩样形成岩样组，用于泥页岩水化实验；同时记录岩样组内各干岩样的质量、纵波波速和横波波速，计算筛选出的岩样组的初始平均质量m0、初始平均纵波波速Vp0和初始平均横波波速Vs0，通过岩样组的初始平均纵波波速Vp0、初始平均横波波速Vs0和密度ρ，计算出岩样组的初始动态弹性模量Ed0；
Figure BDA0002978190170000051
式中，Vp0为初始时刻测得的平均纵波波速；Vs0为初始时刻测得的平均横波波速；Ed0为初始动态弹性模量；ρ为密度。/>
步骤S30、将步骤S20中筛选出的岩样组进行浸泡，进行高温高压泥页岩水化模拟实验，每间隔t时间取出浸泡的岩样，测量浸泡t时间后的岩样组中各岩样的质量、纵波波速和横波波速，求取岩样组在相同浸泡时间t内的平均质量m(t)、平均纵波波速Vp(t)和平均横波波速Vs(t)，并计算出浸泡t时间后岩样组的含水量w(t)和动态弹性模量Ed(t)；
Figure BDA0002978190170000052
Figure BDA0002978190170000053
式中，m(t)为浸泡t时间后的平均质量；m0为初始平均质量；w(t)为浸泡t时间后的含水量；Vp(t)为浸泡t时间后的平均纵波波速；Vs(t)为浸泡t时间后的平均横波波速；Ed(t)为浸泡t时间后的动态弹性模量；ρ为密度。
步骤S40、以步骤S30中得到的浸泡t时间后的动态弹性模量Ed(t)为基准的损伤变量，并结合步骤S20中得到的岩样组初始动态弹性模量Ed0，计算出岩样组的损伤变量D(t)；
Figure BDA0002978190170000054
式中，Ed(t)为浸泡t时间后的动态弹性模量；Ed0为初始动态弹性模量；D(t)为岩样组的损伤变量。
步骤S50、根据步骤S30中得到的岩样组浸泡t时间后的含水量w(t)和S40步骤中得到的岩样组的损伤变量D(t)，采用非线性拟合方法拟合得到泥页岩含水量演化方程和泥页岩水化损伤演化方程；泥页岩含水量演化方程表示为：w(t)＝f(t)；泥页岩水化损伤演化方程表示为：D(t)＝g(w)＝g[f(t)]；式中：w(t)为浸泡t时间后的含水量；D(t)为浸泡t时间后岩样组的损伤变量；t为浸泡时长；f(t)为泥页岩含水量演化函数；g(w)为泥页岩水化损伤随含水量演化的函数。
更进一步的，所述步骤S20中岩石声波参数测试仪为纵横波同轴的波速测试仪器。所述步骤S20中岩样的纵横波波速差异不得超过±5％。目的是消除泥页岩样品个体差异的影响。所述步骤S30中高温高压泥页岩水化模拟实验的浸泡液体可以是现场钻井液滤液或需要评价测试的液体，高温高压条件设定为井筒压力和井筒温度。
实施例2
一种基于声波波速测试的泥页岩水化损伤定量评价方法，包括以下步骤：
步骤S10、钻取泥页岩圆柱形岩样，岩样尺寸为Φ25×50mm，并放入60℃恒温干燥箱中干燥24h，取出测得岩样平均密度为2.75g/cm3，然后放入干燥皿中备用；
步骤S20、采用岩石声波参数测试仪测试全部岩样泥页岩样品的纵横波波速，筛选出纵横波波速相近的3个泥页岩样品，测试3个干样品的初始质量和纵横波波速，求取初始平均质量m0，平均纵波波速Vp0为3953m/s、平均横波波速Vs0为2372m/s，并然后通过下式计算干岩样的动态弹性模量Ed0：
Figure BDA0002978190170000061
式中：Vp0为初始时刻测得的平均纵波波速；Vs0为初始时刻测得的平均横波波速；Ed0为初始动态弹性模量；ρ为密度；
步骤S30、对所述泥页岩岩样在井筒压力(53MPa)、井筒温度(110℃)条件下进行浸泡，开展高温高压泥页岩水化模拟实验，每隔1d取出测试所述样品的质量和纵横波波速，并求取相同浸泡时间t岩样的平均质量m(t)、平均纵波波速Vp(t)和平均横波波速Vs(t)，连续测试15d后获得的平均质量m(t)随时间变化关系如图2所示，平均纵波波速Vp(t)和平均横波波速Vs(t)随时间变化关系如图3所示；
然后通过下式计算岩样的含水量w(t)动态弹性模量Ed(t)，计算得到的含水量w(t)随时间变化关系如图4所示，动态弹性模量Ed(t)随时间变化关系如图5所示；
Figure BDA0002978190170000071
Figure BDA0002978190170000072
式中：式中，m(t)为浸泡t时间后的平均质量；m0为初始平均质量；w(t)为浸泡t时间后的含水量；Vp(t)为浸泡t时间后的平均纵波波速；Vs(t)为浸泡t时间后的平均横波波速；Ed(t)为浸泡t时间后的动态弹性模量；ρ为密度；
步骤S40、选取以动态弹性模量为基准的损伤变量，然后通过下式计算岩样的损伤变量D(t)，损伤变量D(t)随时间变化关系如图6所示；
Figure BDA0002978190170000073
式中：Ed(t)为浸泡t时间后的动态弹性模量；Ed0为初始动态弹性模量；D(t)为岩样组的损伤变量；
步骤S50、根据上述不同浸泡时长t泥页岩的含水量w(t)和损伤变量D(t)，采用非线性拟合方法拟合得到泥页岩含水量演化方程和泥页岩水化损伤演化方程，拟合得到的泥页岩含水量演化方程如图7和下式所示，拟合得到的泥页岩水化损伤与含水量关系演化方程如图8和下式所示；
w(t)＝f(t)＝0.04538-0.04438×0.7994t
Figure BDA0002978190170000074
式中：w(t)为浸泡时长t后的含水量；D(t)为浸泡时长t后岩样水化损伤变量；t为浸泡时长；f(t)为泥页岩含水量演化函数；g(w)为泥页岩水化损伤随含水量演化的函数。
以上所述，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已通过上述实施例揭示，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些变动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (4)

1.一种基于声波波速测试的泥页岩水化损伤定量评价方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤S10、钻取至少三个泥页岩圆柱形岩样，并放入45-60℃恒温干燥箱中干燥24h，干燥完成后取出，测量岩样密度，然后放入干燥皿中备用；
步骤S20、采用岩石声波参数测试仪测试全部泥页岩圆柱形岩样的纵波波速和横波波速；筛选出至少3个纵波波速相近且横波波速相近的岩样形成岩样组，用于泥页岩水化实验；同时记录岩样组内各干岩样的质量、纵波波速和横波波速，计算筛选出的岩样组的初始平均质量、初始平均纵波波速和初始平均横波波速，通过岩样组的初始平均纵波波速、初始平均横波波速和密度，计算出岩样组的初始动态弹性模量；
岩样组的初始动态弹性模量
Figure QLYQS_1
表示为：
Figure QLYQS_2
，式中，/>
Figure QLYQS_3
为初始时刻测得的平均纵波波速；/>
Figure QLYQS_4
为初始时刻测得的平均横波波速；/>
Figure QLYQS_5
为初始动态弹性模量；/>
Figure QLYQS_6
为密度；
步骤S30、将步骤S20中筛选出的岩样组进行浸泡，进行高温高压泥页岩水化模拟实验，每间隔t时间取出浸泡的岩样，测量浸泡t时间后的岩样组中各岩样的质量、纵波波速和横波波速，求取岩样组在相同浸泡时间t内的平均质量、平均纵波波速和平均横波波速，并计算出浸泡t时间后岩样组的含水量和动态弹性模量；
浸泡t时间后岩样组的含水量
Figure QLYQS_7
表示为：
Figure QLYQS_8
，式中，/>
Figure QLYQS_9
为浸泡t时间后的平均质量；/>
Figure QLYQS_10
为初始平均质量；/>
Figure QLYQS_11
为浸泡t时间后的含水量；
浸泡t时间后岩样组的动态弹性模量
Figure QLYQS_12
表示为：
Figure QLYQS_13
，式中，/>
Figure QLYQS_14
为浸泡t时间后的平均纵波波速；/>
Figure QLYQS_15
为浸泡t时间后的平均横波波速；/>
Figure QLYQS_16
为浸泡t时间后的动态弹性模量；/>
Figure QLYQS_17
为密度；
步骤S40、以步骤S30中得到的浸泡t时间后的动态弹性模量为基准的损伤变量，并结合步骤S20中得到的岩样组初始动态弹性模量，计算出岩样组的损伤变量；
岩样组的损伤变量
Figure QLYQS_18
表示为：
Figure QLYQS_19
，式中，/>
Figure QLYQS_20
为浸泡t时间后的动态弹性模量；/>
Figure QLYQS_21
为初始动态弹性模量；
Figure QLYQS_22
为岩样组的损伤变量；
步骤S50、根据步骤S30中得到的岩样组浸泡t时间后的含水量和S40步骤中得到的岩样组的损伤变量，采用非线性拟合方法拟合得到泥页岩含水量演化方程和泥页岩水化损伤演化方程；
所述步骤S50中，泥页岩含水量演化方程表示为：
Figure QLYQS_23
；泥页岩水化损伤演化方程表示为：/>
Figure QLYQS_24
；式中：/>
Figure QLYQS_25
为浸泡t时间后的含水量；/>
Figure QLYQS_26
为浸泡t时间后岩样组的损伤变量；t为浸泡时长；/>
Figure QLYQS_27
为泥页岩含水量演化函数；/>
Figure QLYQS_28
为泥页岩水化损伤随含水量演化的函数。
2.如权利要求1所述的一种基于声波波速测试的泥页岩水化损伤定量评价方法，其特征在于：所述步骤S20中岩石声波参数测试仪为纵横波同轴的波速测试仪器。
3.如权利要求1所述的一种基于声波波速测试的泥页岩水化损伤定量评价方法，其特征在于：所述步骤S20中岩样的纵横波波速差异不得超过±5%。
4.如权利要求所述的一种基于声波波速测试的泥页岩水化损伤定量评价方法，其特征在于：所述步骤S30中高温高压泥页岩水化模拟实验的浸泡液体是现场钻井液滤液或需要评价测试的液体，高温高压条件设定为井筒压力和井筒温度。
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