陆相泥页岩地层岩石力学特征及地应力场评价技术——以川西坳陷新场气田须五段地层为例

摘要

川西坳陷新场须家河组五段地层是以泥页岩为主夹薄砂岩的地层，岩石类型多样且裂缝发育，现今地应力场分布特征复杂。压裂开发是目前非常规油气藏的主要开发方式，而压裂方案的设计离不开对地层现今应力场的研究。本论文综合岩石力学、地质统计学、石油地质学、地球物理测井、地质力学及油藏工程等多学科理论和方法，分别开展了须五段地层岩性及裂缝的识别、岩石力学特征研究、含裂缝岩石的等效力学参数取值、现今地应力特征及测井解释、含裂缝带非均质现今地应力场模拟等方面的详细研究，为压裂工艺设计提供依据。论文主要研究内容如下:
　　(1)根据须五段地层岩性及裂缝在常规测井曲线响应特征，采用二次判别分析方法识别岩性;在岩性识别的基础上，对不同岩性的裂缝进行识别。选用裂缝响应特征明显的AC、DEN、RD、CNL常规测井参数作为裂缝识别的样本参数，建立各岩性的裂缝判别方程，为地质模型的建立奠定基础。
　　(2)开展须五段岩石力学特征的研究。根据室内力学实验结果，明确砂泥岩的基本力学性质。根据岩石声学测试，明确岩性及含气性影响纵横波波速的主要因素。通过训练LM-BP神经网络，计算在不同岩性及含气性条件下的横波波速值，计算岩石动力学参数并建立动态静态力学参数转换关系，得到连续的岩石力学参数剖面。依据应变能理论推导二维条件下含裂缝岩石的等效弹性参数计算方法，解决了含裂缝岩石力学参数取值难的问题。
　　(3)根据室内声发射实验测试、差应变测试、压裂测试资料、各向异性测试、古地磁岩心定向测试资料，分析了各单井现今地应力大小和方向。采用ADS法计算地应力剖面，利用已有测试资料验证计算结果，最终获得24口井的地应力解释剖面，作为地应力模拟的验证资料。
　　(4)在岩性、裂缝、岩石力学参数及地应力特征研究的基础上，开展新场须五段地层现今地应力场模拟研究。依据须五段各砂组构造特征、沉积特征、岩性及裂缝平面分布特征，建立须五段地层含裂缝非均质模型;根据室内岩石力学测试结果，确定应力场模拟的本构模型为Duncan-Chang弹塑性模型。采用有限元法建立应力场模拟的力学模型，并利用井点地应力测试结果校正数值模拟结果，得到较为准确的研究区现今地应力模拟结果。
　　(5)根据应力场模拟结果，现今地应力分布主要受岩性、裂缝带及断层的影响。分别从现今地应力场与压裂缝破裂模式、压裂缝走向预测及压裂缝纵向扩展能力三个方面进行分析，须五段现今地应力状态以σx＞σz＞σy为主，该应力状态的地层压裂效果优于以σz＞σx＞σy为主的地层。并根据现今水平最大、最小主应力分布，预测压裂缝在目前应力场条件下的走向变化。
　　论文针对以泥岩为主夹砂岩的地层开展了相应的研究，形成了一套考虑岩性、裂缝、断层的复杂泥页岩地层的应力场评价技术。论文的研究成果能够为须家河组五段泥页岩地层的压裂工艺设计提供理论依据，文中涉及的研究思路与方法对同类泥页岩地层的研究具有借鉴意义。

目录

声明

摘要

第一章 引言

1．1 选题依据及意义

1．2 国内外研究进展

1．2．1 岩石力学参数的研究

1．2．2 现今地应力测量方法

1．2．3 应力场有限元模拟

1．3 存在的问题

1．4 主要研究内容

1．5 完成的工作量

1．6 论文创新点

第2章 区域地质概况

2．1 地层及构造

2．2 沉积及岩性

第3章 岩性及裂缝测井识别

3．1 岩性的测井识别

3．1．1 交会图法

3．1．2 主成分交会图法

3．1．3 判别分析

3．2 裂缝特征

3．2．1 裂缝产状

3．2．2 裂缝充填特征

3．2．3 岩心裂缝尺度参数

3．3 裂缝测井识别

3．3．1 成像测井识别裂缝

3．3．2 裂缝的常规测井识别

3．4 裂缝平面分布

第4章 岩石力学参数特征及测井解释

4．1 静力学参数

4．1．1 弹性参数

4．1．2 强度参数

4．1．3 内聚力及内摩擦角

4．2 动力学参数

4．2．1 声波的波动方程

4．2．2 实验室声学测试

4．2．3 横波波速计算

4．2．4 动力学参数测井解释

4．3 含裂缝岩石的力学参数研究

4．3．1 单一岩性一条裂缝的等效岩石力学参数研究

4．3．2 单一岩性多组裂缝等效岩石力学参数研究

4．3．3 互层岩性多组裂缝等效岩石力学参数研究

第5章 现今地应力特征及测井解释

5．1 地应力实验测试

5．1．1 声发射实验

5．1．2 差应变测试

5．1．3 压裂资料

5．2 地应力方向分析

5．3 地应力测井解释

5．3．1 ADS模型简介

5．3．2 计算过程的参数取值

5．3．3 地应力测井剖面

5．4 地应力测井解释系统的编制

第6章 三维现今地应力模拟及与压裂缝的关系

6．1 地应力场数值模拟方法

6．2 应力场数值模拟过程

6．2．1 地质模型

6．2．2 本构模型

6．2．3 变步长力学模型

6．2．4 边界条件

6．3 模拟后处理及PETREL成图

6．4 应力模型可靠性验证

6．4．1 最大主应力模型可靠性验证

6．4．2 最小主应力模型可靠性验证

6．5 现今应力场分布评价

6．5．1 现今地应力方向

6．5．2 水平最大、最小主应力的平面分布

6．5．3 水平最大、最小主应力的纵向分布

6．5．4 偏应力分布

6．6 现今应力场与压裂缝的关系

6．6．1 地应力状态与压裂缝破裂模式关系

6．6．2 现今应力场与压裂缝方向的关系

6．6．3 地应力剖面对压裂缝纵向扩展能力的影响

结论

致谢

参考文献

攻读学位期间取得学术成果

附录