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古地磁法地應(yīng)力方向評價

發(fā)布時間：2024-04-24 來源：本站瀏覽量：1051

古地磁法地應(yīng)力方向評價（大小和方向）對水平井方位、井網(wǎng)布置、井徑優(yōu)化、水力壓裂設(shè)計與施工等都至關(guān)重要。地應(yīng)力條件控制著巖石對水力壓裂的反應(yīng)，影響支撐劑裂縫的導(dǎo)流能力，對水平井產(chǎn)能有著根本的影響。

對于非定向頁巖巖芯來說，古地磁法地應(yīng)力方向評價包括三向主應(yīng)力（垂向、最大水平、最小水平）大小的計算和方向的判識。水平主應(yīng)力方向的判識分為巖芯定向和水平主應(yīng)力方向測定兩個步驟，若采用定向取芯則無需巖芯定向測試，巖芯定向主要采用古地磁定向方法，而水平主應(yīng)力方向測定采用聲學(xué)方法。

水平主應(yīng)力大小的計算有兩種方法，一是巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)參數(shù)計算，二是Kaiser效應(yīng)方法。基于以上測試方法，冠德科技已建立古地磁定向+聲波速度測定水平應(yīng)力方向、巖石力學(xué)參數(shù)計算地應(yīng)力大小和Kaiser效應(yīng)計算地應(yīng)力大小的完整實(shí)驗(yàn)流程和方法，提供地應(yīng)力評價技術(shù)服務(wù)。

實(shí)驗(yàn)原理

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，通過測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。

聲波速度測定水平主應(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裂縫極其敏感，因此裂縫會導(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，其測量結(jié)果可用于確定巖芯尺度上水平主應(yīng)力方向。

巖石力學(xué)參數(shù)計算地應(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可由以下公式計算。

Z為深度，ρ_a為地層密度，采用密度測井?dāng)?shù)據(jù)計算可獲得更準(zhǔn)確的上覆應(yīng)力。

頁巖的巖石力學(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。基于巖石力學(xué)參數(shù)計算最大水平主應(yīng)力和最小水平主應(yīng)力的公式如下：

E_h,v，ν_h,v分別表示水平和垂直方向上的楊氏模量和泊松比；P_p表示孔隙壓力，通過地層測試或壓力恢復(fù)測試獲得；α_h,v表示水平和垂直方向上的有效應(yīng)力系數(shù)；k_h為校正系數(shù)（與區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力有關(guān)）。

Kaiser效應(yīng)計算地應(yīng)力大小

Kaiser效應(yīng)的基本原理是，當(dāng)材料受到荷載時，當(dāng)施加的應(yīng)力超過之前所經(jīng)歷的最大應(yīng)力時，材料會發(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

古地磁定向?qū)嶒?yàn)

對于非定向取芯的巖芯樣品，地應(yīng)力評價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。

巖石古地磁測試實(shí)驗(yàn)室

地磁定向?qū)嶒?yàn)分為試樣制作、剩磁測定和磁偏角計算三步。試樣制作是實(shí)驗(yàn)成功的前提，用于古地磁測試的樣品要避免高溫和金屬（會使樣品消磁）。

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。

單個試樣退磁測量的正交投影圖

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）

全直徑巖芯圓周波速測量

我公司采用GCTS CVA-100圓周波速測定儀在全直徑巖芯圓周方向上每隔15°測量聲波速度，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圓周速度儀及測量結(jié)果

巖石壓縮實(shí)驗(yàn)

我公司采用英國INSTRON通用測試系統(tǒng)進(jìn)行圓柱試樣的壓縮實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)過程中同步監(jiān)測軸向和徑向應(yīng)變，獲得應(yīng)力-應(yīng)變曲線，計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

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，頁巖水平和垂直方向上的體積模量（K_h, K_v）可由彈性參數(shù)（楊氏模量和泊松比）計算，公式如下：

水平和垂直方向上的有效應(yīng)力系數(shù)（α_h, α_v）計算公式：

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)室中對巖芯試樣進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)的同時，監(jiān)測聲發(fā)射事件。

Kaiser效應(yīng)測試

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)力評價實(shí)驗(yàn)流程，一條是古地磁定向+聲波速度判識地應(yīng)力方向，巖石彈性參數(shù)計算地應(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)。

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