CN109061099A - 一种非均质致密岩石损伤程度的非破坏性实验评价方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种非均质致密岩石损伤程度的非破坏性实验评价方法，包括：（1）测试岩样的初始声波波速，将其转换成初始动态杨氏模量和初始动态泊松比；（2）测试岩样的孔隙度、孔径分布和分层含水率；（3）对岩样进行高温高压工作液损伤处理；（4）测试损伤岩样的声波波速，将其转换为动态杨氏模量和动态泊松比；（5）测试损伤岩样的孔隙度、孔径分布和分层含水率，分析岩样物性变化、孔隙结构变化、工作液侵入深度；（6）计算岩样的损伤变量；（7）拟合岩样的损伤变量与动态杨氏模量、动态泊松比的关系式，对工作液的力学损伤进行评价和预测。本发明解决了非均质致密岩石的损伤评价问题，为钻完井优化设计提供技术指导和理论依据。

Description

一种非均质致密岩石损伤程度的非破坏性实验评价方法
技术领域
本发明涉及油气田开发领域，尤其涉及一种非均质储层钻完井过程中工作液对岩石的损伤的非破坏性实验评价方法。
背景技术
岩石是由不同矿物颗粒集合体和胶结材料组成的非均质体，岩石中的矿物成分及其含量是决定岩石物理力学性质的主要因素(陶振宇,潘别桐.岩石力学原理与方法[M].武汉:中国地质大学出版社,1991)。大量的岩石力学试验结果表明岩石本身的非均质性是岩石的物理力学性质参数存在较大离散性的重要影响因素。因此对于岩石的矿物组成较复杂的岩石，如火成岩、岩屑砂岩等，岩石的组成非均质性较强，岩石的物理力学性质离散性较大。
火成岩、致密砂岩等非均质油气储层在勘探开发过程通常涉及多种钻完井工艺，其设计、施工都直接依赖于岩石强度、变形等力学参数，而不同工艺所采用的工作液与储层接触导致储层岩石受到损伤，比如钻井过程中钻井液侵入造成的伤害、压裂改造过程中酸液预处理对岩石的损伤和压裂液滤液侵入造成的伤害，使得岩石物理力学性质发生改变，因此岩石力学参数的合理性将直接影响设计方案的可靠性。准确认识工作液对非均质岩石的损伤程度，及岩石在工作液作用后的力学参数及其变化规律对指导钻完井工程的设计及施工具有重要的意义。
目前，工作液对岩石力学性质的影响的实验评价基本都是通过开展抗压、抗拉、断裂韧性等对岩样具有破坏性的力学性质测试，采用平行样对比分析方法，对比分析未经工作液作用的岩样和经工作液作用后的岩样的物理力学性质变化。但是对于火成岩等本身非均质性较强的岩样而言，岩样间的物理力学性质差异较大，采用平行样对比分析方法的可靠性较差，无法准确表征工作液对岩石力学性质的影响程度，亦无法有效评价工作液对岩石力学参数的影响规律。从而导致非均质性较强的储层的钻完井方案设计的实施效果不理想，因此亟需一种针对非均质岩石的损伤程度评价方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种非均质致密岩石损伤程度的非破坏性实验评价方法，该方法原理可靠，操作简单，能够有效解决非均质致密岩石的损伤评价问题，为钻完井优化设计提供技术指导和理论依据，克服了现有技术的缺陷和不足。
为达到以上技术目的，本发明提供以下技术方案。
本发明考虑了非均质致密岩石的物性和力学性质的差异性，对原有的平行样分析方法进行改进，同时考虑到致密岩石低孔渗特性，在岩样损伤处理方面也作出了改进，建立了新的适用于非均质致密岩石损伤评价的非破坏性实验方法。
一种非均质致密岩石损伤程度的非破坏性实验评价方法，依次包括以下步骤：
(1)测试岩样的初始声波波速，将其转换成初始动态杨氏模量和初始动态泊松比；
(2)利用核磁共振技术，测试岩样的孔隙度、孔径分布和分层含水率；
(3)对岩样进行高温高压工作液损伤处理；
(4)测试损伤岩样的声波波速，将其转换为损伤岩样的动态杨氏模量和动态泊松比；
(5)测试损伤岩样的孔隙度、孔径分布和分层含水率，根据岩样在工作液处理前后的孔隙度测试结果对比分析岩样物性变化，根据孔径分布测试结果对比分析岩样的孔隙结构变化，根据分层含水率测试结果对比分析工作液侵入岩样的深度，对工作液的物理损伤作用进行定量评价；
(6)计算岩样的损伤变量；
(7)以损伤变量为横坐标，分别以动态杨氏模量变化率、动态泊松比变化率为纵坐标，作损伤变量与动态杨氏模量变化率、动态泊松比变化率的散点图，拟合岩样的损伤变量与动态杨氏模量、动态泊松比的关系式，根据该关系式得到不同损伤变量下的岩石力学参数(杨氏模量、泊松比)，对工作液的力学损伤作用进行定量评价和预测。
在本发明中，所述步骤(1)中测试岩样的初始声波波速，将其转换成初始动态杨氏模量和初始动态泊松比，过程如下：
A.制备圆柱形岩样，将岩样烘干；
B.测试在围压(地层条件)下岩样的初始纵波波速Vp0和初始横波波速Vs0，根据下式将其转换成初始动态杨氏模量Ed0和初始动态泊松比vd0(陈勉,金衍.石油工程岩石力学[M].科学出版社，2008)：
式中，Ed0——岩样的初始动态杨氏模量，KPa；
vd0——岩样的初始动态泊松比，无因次；
Vp0——岩样的初始纵波波速，m/s；
Vs0——岩样的初始横波波速，m/s；
ρ——岩石密度，g/cm3。
在本发明中，所述步骤(2)中利用核磁共振技术，测试岩样的孔隙度、孔径分布和分层含水率，是指将岩样放入岩心饱和装置中，抽真空后充分饱和标准盐水，利用高温高压核磁共振设备，测定岩样的原始孔隙度、孔径分布和含水率分布。
在本发明中，所述步骤(3)中对岩样进行高温高压工作液损伤处理，是指将岩样置于干燥箱中烘干，放入装有足量工作液的高温高压动态反应釜中，向釜内通入氮气至设计压力，将釜体升温至设计温度，待岩样在釜内高温高压条件下反应至设计时间后，泄压，取出岩样，得到不同损伤程度的岩样。
在本发明中，所述步骤(4)中测试损伤岩样的声波波速，将其转换为损伤岩样的动态杨氏模量和动态泊松比，是指将损伤岩样置于干燥箱中烘干，测试岩样在围压下的纵波波速Vp和横波波速Vs，采用与步骤(1)相同的方法将其转换为动态杨氏模量Ed和动态泊松比vd。
在本发明中，所述步骤(6)根据下式计算岩样的损伤变量S：
式中，S——损伤变量，无因次；
Vp——损伤岩样的纵波波速，m/s；
Vs——损伤岩样的横波波速，m/s。
在本发明中，所述步骤(7)是指以步骤(6)得到的损伤变量为横坐标，根据步骤(1)和(4)得到的岩样初始动态杨氏模量Ed0、初始动态泊松比vd0和动态杨氏模量Ed、动态泊松比vd，分别以动态杨氏模量变化率、动态泊松比变化率为纵坐标，作损伤变量与动态杨氏模量变化率、动态泊松比变化率的散点图，根据数据点变化趋势采用曲线拟合的方式，拟合岩样的损伤变量与动态杨氏模量、动态泊松比的关系式，得到不同损伤变量下的岩石力学参数，从而对工作液的力学损伤作用进行定量评价和预测，该关系式如下：
(Ed-Ed0)/Ed0＝-0.924S (4)
(vd-vd0)/vd0＝23.823S (5)
式中，Ed——损伤岩样的动态杨氏模量，KPa；
(Ed-Ed0)/Ed0——动态杨氏模量变化率；
vd——损伤岩样的动态泊松比，无因次；
(vd-vd0)/vd0——动态泊松比变化率。
与现有技术相比，本发明提供了一种非均质致密岩石损伤程度的非破坏性实验评价方法，很大程度上提高了损伤岩石力学性质的评价和预测精度，根据预测结果可以为钻完井优化设计提供基础数据，提高勘探开发的有效率。
附图说明
图1是本发明中酸损伤前后岩石的纵波波速变化图。
图2是本发明中酸损伤前后岩石的动态泊松比变化图。
图3是本发明中酸损伤前后岩石的孔径分布图。
图4是本发明中损伤变量与泊松比变化率的关系图。
图5是本发明中损伤变量与杨氏模量变化率的关系图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
该实施方式旨在对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。应当指出，本发明并不局限于以下方式，在不脱离本发明原理的前提下，还能进一步改进和完善，而这些改进和完善也应视为本发明的保护范围。
实施例1
以川东非均质致密砂岩的酸损伤评价为例，采用本发明提供的非均质储层酸损伤的非破坏性实验评价方法，具体过程如下：
(1)测试岩样的初始声波波速，将其转换成岩样的初始动态杨氏模量、初始动态泊松比)。
A.制备符合实验条件的标准圆柱体岩样。对非均质致密砂岩全直径岩心径向钻取直径为25mm的圆柱形试样，保持岩样的长度与直径为2:1，以避免端部效应。两个端面平行度必须保持在0.02mm范围内，端面与轴线的垂直度在0.05mm内；
B.将岩样置于干燥箱中，在70-90℃下烘干24小时；
C.测试岩样在围压(地层条件)下的声波波速，并根据式(1)、式(2)将其转换为动态力学参数。
(2)利用核磁共振技术，测试岩样的孔隙度、孔径分布和分层含水率。
A.将岩样放入岩心饱和装置中，抽真空20小时；
B.将标准盐水导入饱和装置中，在饱和压力25MPa条件下饱和岩样20小时以上，使得岩样充分饱和标准盐水；
C.利用高温高压核磁共振设备，测定岩样的原始孔隙度、孔径分布和含水率分布。
(3)对岩样进行高温高压工作液损伤处理。
A.将岩样置于干燥箱中，在70-90℃下烘干24小时；
B.将岩样放入装有足量工作液的高温高压动态反应釜中，向釜内通入氮气至设计测试压力，将釜体升温至设计温度，待岩样在釜内高温高压反应至设计时间后，泄压，取出岩心，得到不同损伤程度的岩样。
(4)将岩样置于干燥箱中在70-90℃下烘干24小时后，测试岩样在围压(地层条件)下的声波波速，分析岩样损伤前后的声波性能变化(如图1)，并采用与步骤(1)相同的方法将其转换为动态杨氏模量和动态泊松比，分析工作液损伤前后岩样的杨氏模量变化规律和泊松比变化规律(如图2)。
(5)采用与步骤(2)相同的方法和条件对损伤岩样进行孔隙度、孔径分布和分层含水率测试。根据孔隙度测试结果对比分析岩石物性变化。将工作液损伤前后岩样的核磁孔径分布进行对比(如图3)，并分析孔隙结构的变化。将工作液损伤前后岩样的分层含水率进行对比，分析酸液侵入岩样的深度。
(6)根据式(3)计算岩石的酸损伤变量，各岩样的损伤变量计算结果如表1所示。
表1 岩样酸损伤变量评价结果
(7)根据测试结果拟合酸损伤变量和力学参数的关系式，即根据步骤(1)、(4)得到的岩石动态力学参数，结合步骤(6)计算得到的酸损伤变量，作出损伤变量与泊松比变化率的关系图(图4)、损伤变量与杨氏模量变化率的关系图(图5)，拟合岩石泊松比变化率、杨氏模量变化率和损伤变量之间的关系式。

Claims (7)

1.一种非均质致密岩石损伤程度的非破坏性实验评价方法，依次包括以下步骤：
(1)测试岩样的初始声波波速，将其转换成初始动态杨氏模量和初始动态泊松比；
(2)利用核磁共振技术，测试岩样的孔隙度、孔径分布和分层含水率；
(3)对岩样进行高温高压工作液损伤处理；
(4)测试损伤岩样的声波波速，将其转换为损伤岩样的动态杨氏模量和动态泊松比；
(5)测试损伤岩样的孔隙度、孔径分布和分层含水率，根据岩样在工作液处理前后的孔隙度测试结果对比分析岩样物性变化，根据孔径分布测试结果对比分析岩样的孔隙结构变化，根据分层含水率测试结果对比分析工作液侵入岩样的深度；
(6)计算岩样的损伤变量；
(7)以损伤变量为横坐标，分别以动态杨氏模量变化率、动态泊松比变化率为纵坐标，作损伤变量与动态杨氏模量变化率、动态泊松比变化率的散点图，拟合岩样的损伤变量与动态杨氏模量、动态泊松比的关系式，得到不同损伤变量下的岩石力学参数，从而对工作液的力学损伤作用进行定量评价和预测。
2.如权利要求1所述的一种非均质致密岩石损伤程度的非破坏性实验评价方法，其特征在于，所述步骤(1)中测试岩样的初始声波波速，将其转换成初始动态杨氏模量和初始动态泊松比，过程如下：
A.制备圆柱形岩样，将岩样烘干；
B.测试在围压下岩样的初始纵波波速Vp0和初始横波波速Vs0，根据下式将其转换成初始动态杨氏模量Ed0和初始动态泊松比vd0：
式中ρ——岩石密度，g/cm3。
3.如权利要求1所述的一种非均质致密岩石损伤程度的非破坏性实验评价方法，其特征在于，所述步骤(2)中利用核磁共振技术，测试岩样的孔隙度、孔径分布和分层含水率，是指将岩样放入岩心饱和装置中，抽真空后充分饱和标准盐水，利用高温高压核磁共振设备，测定岩样的原始孔隙度、孔径分布和含水率分布。
4.如权利要求1所述的一种非均质致密岩石损伤程度的非破坏性实验评价方法，其特征在于，所述步骤(3)中对岩样进行高温高压工作液损伤处理，是指将岩样烘干，放入装有足量工作液的高温高压动态反应釜中，向釜内通入氮气至设计压力，将釜体升温至设计温度，待岩样在釜内高温高压条件下反应至设计时间后，泄压，取出岩样，得到不同损伤程度的岩样。
5.如权利要求1所述的一种非均质致密岩石损伤程度的非破坏性实验评价方法，其特征在于，所述步骤(4)中测试损伤岩样的声波波速，将其转换为损伤岩样的动态杨氏模量和动态泊松比，是指将损伤岩样烘干，测试岩样在围压下的纵波波速Vp和横波波速Vs，采用与步骤(1)相同的方法将其转换为动态杨氏模量Ed和动态泊松比vd。
6.如权利要求1所述的一种非均质致密岩石损伤程度的非破坏性实验评价方法，其特征在于，所述步骤(6)根据下式计算岩样的损伤变量S：
式中Vp——损伤岩样的纵波波速，m/s；
Vs——损伤岩样的横波波速，m/s。
7.如权利要求1所述的一种非均质致密岩石损伤程度的非破坏性实验评价方法，其特征在于，所述步骤(7)是指以步骤(6)得到的损伤变量为横坐标，根据步骤(1)和(4)得到的岩样初始动态杨氏模量Ed0、初始动态泊松比vd0和动态杨氏模量Ed、动态泊松比vd，分别以动态杨氏模量变化率、动态泊松比变化率为纵坐标，作损伤变量与动态杨氏模量变化率、动态泊松比变化率的散点图，拟合岩样的损伤变量与动态杨氏模量、动态泊松比的关系式，得到不同损伤变量下的岩石力学参数，从而对工作液的力学损伤作用进行定量评价和预测，该关系式如下：
(Ed-Ed0)/Ed0＝-0.924S
(vd-vd0)/vd0＝23.823S
式中(Ed-Ed0)/Ed0——动态杨氏模量变化率；
(vd-vd0)/vd0——动态泊松比变化率。
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