CN113640119A - 一种确定应力相关岩石动态Biot系数的方法 - Google Patents

一种确定应力相关岩石动态Biot系数的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种确定应力相关岩石动态Biot系数的方法。本发明基于多个围压下的孔隙度、纵横波波速，获取了不同围压下Biot系数及其与围压的动态关系，实现了应力相关岩石动态Biot系数的测定。本发明具有结果可靠、操作便捷、经济高效、适用性广的特点。本发明为地层弹性能量分析、地应力评价、井壁稳定性评价、压裂设计优化以及油气井产能动态分析等提供了关键基础参数，对推动油气勘探开发系列技术发展具有积极意义。

Description

一种确定应力相关岩石动态Biot系数的方法
技术领域
本发明涉及石油、天然气勘探与开发技术领域，具体涉及一种确定应力相关岩石动态Biot系数的方法。
背景技术
Biot系数是岩石孔隙变形特征、多孔介质流固耦合特征的重要表征，是岩石等多孔介质有效应力理论的关键参数。Biot系数的科学确定对地层弹性参数分析、油气井井壁稳定性评价、压裂设计优化、油气储层应力敏感性评价、渗流表征以及油气井产能分析等油气勘探、开发多个工程环节都具有重要意义。
自1941年建立多孔介质有效应力模型以来，该模型被相关学者及工程技术人员广泛应用于岩土等多孔介质的力学分析，并通过大量研究及工程实践认识到Biot系数不仅与岩石的岩性、胶结特征、孔隙结构等自身内在因素相关，同时还与所处的应力状态密切相关，即岩石Biot系数随应力状态不同而动态变化。
目前围绕Biot系数的测试，目前主要形成了声波动态计算、加压排水测试、孔隙压力-围压交汇图解等确定Biots系数的实验方法。但相关研究及应用实践表明，现有方法都不同程度存在操作工艺复杂、结果可靠差、测试时间长等问题，同时，基于现有方法难以获取测定应力相关动态Biot系数。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种确定应力相关岩石动态Biot系数的方法解决了Biot系数测试工艺复杂、可靠性差以及应力相关动态Biot系数难以测试获取的问题。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种确定应力相关岩石动态Biot系数的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、在同一钻井岩心上，钻取两个新鲜、完整无裂缝的圆柱形岩样C1、C2，低温烘干岩样，并计算岩样在常压下的孔隙度和密度；
S2、计算确定钻井岩心地层上覆地层压力，同时对岩样C1进行单轴压缩测试，获取抗压强度；并根据上覆地层压力、岩样C1的抗压强度确定最大测试围压，根据最大测试围压设置不少于5个测试围压(P1、P2…Pi…Pn)，n≥5，i为测试围压的序号，i＝1、2…n；
S3、对岩样C2依次施加围压(P1、P2…Pi…Pn)，在各个围压条件下测试岩样C2的孔隙度
Figure BDA0003244100770000021
根据各个围压下的孔隙度计算岩样C2在各个围压下的孔隙体积模量
Figure BDA0003244100770000022
S4、依次在围压(P1、P2…Pi…Pn)下，采用声波透射法分别测试岩样C2的纵波波速(Vc1、Vc2…Vci…Vcn)与横波波速(Vs1、Vs2…Vsi…Vsn)；
S5、根据孔隙体积模量
Figure BDA0003244100770000023
纵波波速Vci、横波波速Vsi以及常压下的孔隙度和密度，计算岩样C2在各个围压(P1、P2…Pi…Pn)条件下的Biot系数(a1、a2…ai…an)；
S6、统计Biot系数与围压的动态关系，确定应力相关动态Biot系数与围压的函数关系ai＝f(Pi)。
进一步地：所述步骤S1中圆柱形岩样C1、C2的直径为25mm或50mm，高度为50mm～100mm。
进一步地：所述步骤S2的具体步骤为：
S21、根据钻井岩样的取心深度和上覆地层密度计算上覆地层压力，其计算公式为：
PG＝ρgH×10-3
上式中，PG为上覆地层压力，ρ为上覆地层的平均密度，g为重力加速度，取值为10，H为取心深度；
S22、对岩样C1进行单轴压缩测试并获取全过程应力-应变曲线，根据全过程应力-应变曲线获取岩样C1的单轴抗压强度UCS；
S23、根据上覆地层压力、岩样C1的单轴抗压轻度UCS确定最大测试围压Pc，其计算公式为：
Pc＝min(PG，UCS)
S24、根据最大测试围压Pc设置不少于5个测试围压(P1、P2…Pi…Pn)，所述测试围压Pi的计算公式为：
Figure BDA0003244100770000031
进一步地：所述步骤S3中各个围压下的孔隙体积模量
Figure BDA0003244100770000032
的计算公式为：
Figure BDA0003244100770000033
进一步地：所述步骤S5中各个围压条件下的Biot系数ai的计算公式为：
Figure BDA0003244100770000034
上式中，ρ0为岩样在常压条件下的密度，
Figure BDA0003244100770000035
为岩样在常压条件下的孔隙度。
进一步地：所述步骤S6具体为：以围压(P1、P2…Pi…Pn)为自变量，统计建立Biot系数与围压的动态关系，确定岩石Biot系数(a1、a2…ai…an)与围压(P1、P2…Pi…Pn)的函数式。
本发明的有益效果为：本发明基于多个围压下的孔隙度、纵横波波速，获取了不同围压下Biot系数及其与围压的动态关系，实现了应力相关岩石动态Biot系数的测定。本发明具有结果可靠、操作便捷、经济高效、适用性广的特点。本发明为地层弹性能量分析、地应力评价、井壁稳定性评价、压裂设计优化以及油气井产能动态分析等提供了关键基础参数，对推动油气勘探开发系列技术发展具有积极意义。
附图说明
图1为本发明流程图；
图2为本发明实施例中岩样C1的全过程应力-应变曲线；
图3为本发明实施例中岩样C2在不同围压下的孔隙度；
图4为本发明实施例中岩样C2在不同围压下的孔隙体积模量；
图5为本发明实施例中岩样C2在不同围压下的纵波波速；
图6为本发明实施例中岩样C2在不同围压下的横波波速；
图7为本发明实施例中岩样C2在不同围压下的Biot系数；
图8为本发明实施例中岩样C2在动态Biot系数与围压的动态关系。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
如图1所示，一种确定应力相关岩石动态Biot系数的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、在同一钻井岩心上，钻取两个新鲜、完整无裂缝的圆柱形岩样C1、C2，低温烘干岩样，并计算岩样在常压下的孔隙度和密度；
S2、计算确定钻井岩心地层上覆地层压力，同时对岩样C1进行单轴压缩测试，获取抗压强度；并根据上覆地层压力、岩样C1的抗压强度确定最大测试围压，根据最大测试围压设置不少于5个测试围压(P1、P2…Pi…Pn)，n≥5，i为测试围压的序号，i＝1、2…n；
S3、对岩样C2依次施加围压(P1、P2…Pi…Pn)，在各个围压条件下测试岩样C2的孔隙度
Figure BDA0003244100770000051
根据各个围压下的孔隙度计算岩样C2在各个围压下的孔隙体积模量
Figure BDA0003244100770000052
S4、依次在围压(P1、P2…Pi…Pn)下，采用声波透射法分别测试岩样C2的纵波波速(Vc1、Vc2…Vci…Vcn)与横波波速(Vs1、Vs2…Vsi…Vsn)；
S5、根据孔隙体积模量
Figure BDA0003244100770000053
纵波波速Vci、横波波速Vsi以及常压下的孔隙度和密度，计算岩样C2在各个围压(P1、P2…Pi…Pn)条件下的Biot系数(a1、a2…ai…an)；
S6、统计Biot系数与围压的动态关系，确定应力相关动态Biot系数与围压的函数关系ai＝f(Pi)。
本发明的实施例为：
S1、对在同一钻井岩心上，钻取两个新鲜、完整无裂缝的小圆柱形试样C1、C2，对试样烘干并分别测试两个岩心试样的直径25.14mm、长度为50.65mm；体积密度2.234g/cm3以及常压条件下的孔隙度0.1645；
S2、计算确定钻井岩心地层上覆地层压力，同时对岩样C1进行单轴压缩测试，获取抗压强度；并根据上覆地层压力、岩样C1的抗压强度确定最大测试围压，根据最大测试围压设置不少于5个测试围压(P1、P2…Pi…Pn)，n≥5，i为测试围压的序号，i＝1、2…n；
步骤S2的具体步骤为：
S21、根据钻井岩样的取心深度和上覆地层密度计算上覆地层压力，其计算公式为：
PG＝ρgH×10-3
上式中，PG为上覆地层压力，ρ为上覆地层的平均密度，g为重力加速度，取值为10，H为取心深度；
S22、对岩样C1进行单轴压缩测试并获取全过程应力-应变曲线，根据全过程应力-应变曲线获取岩样C1的单轴抗压强度UCS；
S23、根据上覆地层压力、岩样C1的单轴抗压轻度UCS确定最大测试围压Pc，其计算公式为：
Pc＝min(PG，UCS)
S24、根据最大测试围压Pc设置不少于5个测试围压(P1、P2…Pi…Pn)，所述测试围压Pi的计算公式为：
Figure BDA0003244100770000061
通过上述步骤，计算取心深度上覆地层压力为56.05MPa，并依据岩样C1的应力-应变曲线，图2所示，获取单轴抗压强度为59.12MPa，进而确定最大测试围压为56MPa，并设置测试围压点Pi为(7MPa、14MPa、21MPa、27MPa、35MPa、42MPa、49MPa、56MPa)。
S3、对岩样C2依次施加围压(P1、P2…Pi…Pn)，在各个围压条件下测试岩样C2的孔隙度
Figure BDA0003244100770000062
根据各个围压下的孔隙度计算岩样C2在各个围压下的孔隙体积模量
Figure BDA0003244100770000063
Figure BDA0003244100770000064
测试试样C2在各测试围压Pi下的孔隙度
Figure BDA0003244100770000065
如图3所示；计算分析各测试围压下的孔隙体积模量
Figure BDA0003244100770000066
如图4所示。
S4、依次在围压(P1、P2…Pi…Pn)下，采用声波透射法分别测试岩样C2的纵波波速(Vc1、Vc2…Vci…Vcn)与横波波速(Vs1、Vs2…Vsi…Vsn)；
测试试样C2在各测试围压Pi下的纵波波速Vci如图5所示，测试试样C2在各测试围压Pi下的横波波速Vsi如图6所示。
S5、根据孔隙体积模量
Figure BDA0003244100770000071
纵波波速Vci、横波波速Vsi以及常压下的孔隙度和密度，计算岩样C2在各个围压(P1、P2…Pi…Pn)条件下的Biot系数(a1、a2…ai…an)；
Biot系数ai的计算公式为：
Figure BDA0003244100770000072
上式中，ρ0为岩样在常压条件下的密度，
Figure BDA0003244100770000073
为岩样在常压条件下的孔隙度。测试试样C2在各测试围压Pi下的Biot系数ai如图7所示。
S6、统计Biot系数与围压的动态关系，确定应力相关动态Biot系数与围压的函数关系ai＝f(Pi)。统计动态Biot系数与围压的关系如图8所示，确定岩样C2的应力相关动态Biot系数为：
ai＝-0.226ln(Pc)+1.0575

Claims (6)

1.一种确定应力相关岩石动态Biot系数的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、在同一钻井岩心上，钻取两个新鲜、完整无裂缝的圆柱形岩样C1、C2，低温烘干岩样，并计算岩样在常压下的孔隙度和密度；
S2、计算确定钻井岩心地层上覆地层压力，同时对岩样C1进行单轴压缩测试，获取抗压强度；并根据上覆地层压力、岩样C1的抗压强度确定最大测试围压，根据最大测试围压设置不少于5个测试围压(P1、P2…Pi…Pn)，n≥5，i为测试围压的序号，i＝1、2…n；
S3、对岩样C2依次施加围压(P1、P2…Pi…Pn)，在各个围压条件下测试岩样C2的孔隙度
Figure FDA0003244100760000011
根据各个围压下的孔隙度计算岩样C2在各个围压下的孔隙体积模量
Figure FDA0003244100760000012
S4、依次在围压(P1、P2…Pi…Pn)下，采用声波透射法分别测试岩样C2的纵波波速(Vc1、Vc2…Vci…Vcn)与横波波速(Vs1、Vs2…Vsi…Vsn)；
S5、根据孔隙体积模量
Figure FDA0003244100760000013
纵波波速Vci、横波波速Vsi以及常压下的孔隙度和密度，计算岩样C2在各个围压(P1、P2…Pi…Pn)条件下的Biot系数(a1、a2…ai…an)；
S6、统计Biot系数与围压的动态关系，确定应力相关动态Biot系数与围压的函数关系ai＝f(Pi)。
2.根据权利要求1所述的一种确定应力相关岩石动态Biot系数的方法，其特征在于，所述步骤S1中圆柱形岩样C1、C2的直径为25mm或50mm，高度为50mm～100mm。
3.根据权利要求1所述的一种确定应力相关岩石动态Biot系数的方法，其特征在于，所述步骤S2的具体步骤为：
S21、根据钻井岩样的取心深度和上覆地层密度计算上覆地层压力，其计算公式为：
PG＝ρgH×10-3
上式中，PG为上覆地层压力，ρ为上覆地层的平均密度，g为重力加速度，取值为10，H为取心深度；
S22、对岩样C1进行单轴压缩测试并获取全过程应力-应变曲线，根据全过程应力-应变曲线获取岩样C1的单轴抗压强度UCS；
S23、根据上覆地层压力、岩样C1的单轴抗压轻度UCS确定最大测试围压Pc，其计算公式为：
Pc＝min(PG，UCS)
S24、根据最大测试围压Pc设置不少于5个测试围压(P1、P2…Pi…Pn)，所述测试围压Pi的计算公式为：
Figure FDA0003244100760000021
4.根据权利要求1所述的一种确定应力相关岩石动态Biot系数的方法，其特征在于，所述步骤S3中各个围压下的孔隙体积模量
Figure FDA0003244100760000022
的计算公式为：
Figure FDA0003244100760000023
5.根据权利要求1所述的一种确定应力相关岩石动态Biot系数的方法，其特征在于，所述步骤S5中各个围压条件下的Biot系数ai的计算公式为：
Figure FDA0003244100760000024
上式中，ρ0为岩样在常压条件下的密度，
Figure FDA0003244100760000025
为岩样在常压条件下的孔隙度。
6.根据权利要求1所述的一种确定应力相关岩石动态Biot系数的方法，其特征在于，所述步骤S6具体为：以围压(P1、P2…Pi…Pn)为自变量，统计建立Biot系数与围压的动态关系，确定岩石Biot系数(a1、a2…ai…an)与围压(P1、P2…Pi…Pn)的函数式。
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