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发布时间:2020-06-26 11:02:52

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作者:刘红岐等

出版社:石油工业出版社

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现场测井与工程应用基础

现场测井与工程应用基础试读:

前言

现代测井技术对现场测井操作人员提出了越来越高的要求,要求他们不仅要熟练掌握各种仪器的安全操作规程,还要对与测井紧密相关的专业有一定的了解,如钻井、录井、完井、固井以及射孔等专业。而作为石油工业的关键技术之一,近些年来测井不断开拓着自身的应用领域,在导向钻井、完井评价、油气开采、地质力学等方面发挥着越来越重要的作用。

为了适应相关技术的发展和现场需求,特编写了本教材。教材包含十章内容。第一章主要介绍岩石力学方面的基础知识,这是利用测井进行地质力学评价的基础。第二章介绍钻井和井眼轨迹设计,内容包括钻具、钻井液和井眼轨迹设计的一般原则和方法,简单介绍了井眼轨迹控制的一般理论和水平井井眼轨道设计方法。第三章重点介绍各种录井方法,主要包括钻时录井、岩心岩屑录井、钻井液录井和气测录井等。第四章介绍完井、固井、射孔和试油等相关专业知识,重点讲述了井身结构、管柱设计、水泥胶结评价、完井方式与射孔的基本知识以及试油和中途测试技术。第五章重点介绍井壁稳定性问题,包括导致井壁不稳定的原因及其危害,直井、斜井井眼坍塌压力和破裂压力的计算方法,并结合实例进行了分析。第六章介绍测井技术在地质力学分析方面的应用,包括测井计算基本弹性模量的方法、测井资料在地应力分析中的应用。第七章介绍测井现场作业的基本规则,主要包括现场测井作业的服务内容、现场施工影响因素、常用工具、基础设备以及仪器故障的解除方法等方面。第八章介绍水平井、大斜度井以及欠平衡等复杂条件下的各种测井作业技术和工艺流程。第九章介绍现场常用的测井系列,包括DDL-Ⅲ、CSU、3700、ECLIPS-5700和EXCELL-2000,还介绍了胜利油田研发的SL-6000系列。第十章主要介绍测井质量、健康、安全和环境管理体系。

第一章和第六章由西南石油大学夏宏泉编写,第二章和第四章由范翔宇编写,第三章、第五章、第七章和第八章由西南石油大学刘红岐和程超编写,第九章和第十章由川庆钻探公司测井发展中心张树东以及生产测井中心邱泉和吴宝玉等编写,全书由刘红岐统稿。

在编写的过程中,得到了西南油气田分公司教授级高工赵良孝教授,川庆钻探公司总地质师齐保全,西南石油大学博士生导师陈平教授等专家的大力协助和指导,为本书的编写提出了宝贵的意见与建议,编者在此向为本书提供资料、提供帮助和提出意见的专家表示衷心的感谢。

由于作者的水平有限,书中难免存在纰漏与错误,望读者不吝指正。编 者2012年11月

绪论

测井,作为石油工业的一项主要的关键技术,在油气的勘探和开发领域发挥着越来越重要的作用。测井除了其传统的储层评价方面的作用以外,近些年来,测井在钻井工程、完井工程、试井工程、井壁稳定、钻头选型、导向钻井等方面得到了越来越多的应用。测井在石油工程方面的应用主要体现在以下几个方面。

一、测井在岩石弹性分析和地应力分析方面的应用

通过声波全波列测井、阵列声波测井、偶极子声波测井等资料,可以提供纵波和横波数据和图形等资料,结合密度测井资料,可以提供全井眼连续剖面的杨氏模量、泊松比等弹性参数曲线,进行地应力分析,结合多臂井径曲线,可以计算最大最小地应力,判断应力方向(图0-1)。图0-1 井眼应力形变造成椭圆井眼

二、测井资料在泥岩物理化学变化方面的分析和评价

钻进过程中钻井液的侵入,会导致泥岩发生物理和化学的变化,如泥饼形成、应力垮塌。泥岩吸水后,如高岭石、膨润土等泥岩矿物,会发生比较明显的水化作用。根据泥岩指示曲线(例如自然伽马曲线、自然电位曲线、自然伽马能谱曲线)确定泥岩层位,计算泥岩含量。根据电阻率曲线等可以判断泥岩层在钻井液侵入不同时期水化的程度,也可以根据阳离子交换量(CEC)进行判断。

三、测井在钻井工程中的应用

随钻测井和导向钻井技术的出现,实际上将钻井和测井——石油工业的两大关键技术紧密地结合在一起。导向钻井节约了钻进时间,提高了中靶率和储层的钻遇率。随钻测井缩短了测井时间,降低了钻井液侵入对地层的影响,从而降低了电阻率等多种测井响应受钻井液的影响。同时,随钻测井技术也拓展了多种信息测井方法,如随钻方位密度、方位中子、偶极子随钻声波测井等。

四、测井在固井和完井方面的应用

通过声波幅度测井,可以对固井质量进行评价,通过伽马测井和磁定位(CCL)测井,可以帮助射孔定位。

五、测井在试井工程方面的应用

试井过程中,流体的流量、流速、井筒温度、井底压力等动态参数,都可以通过生产测井技术获得,如图0-2所示。套管井动态监测仪可以实时地监测地层动态参数的变化。此外,通过放射性示踪测井还可以监测注水效果、管外窜槽等情况,为注水开发及时地提供决策信息等。图0-2 套管井动态测试器由(Schlumberger)提供

六、测井技术在井壁稳定性评价方面的应用

井壁是否稳定关系到钻井、测井安全以及整个油井的生产过程,井眼垮塌、产层出砂、钻井液漏失等异常情况都威胁着油气开发和生产过程的安全。利用测井资料,根据Mohr准则,可以确定钻井液安全密度窗口,为安全钻井提供保障。

本书重点讲述测井在钻井、完井、试井等方面的应用。书中首先介绍了岩石力学的相关知识,讲述了利用自然伽马测井、声波测井等资料计算地层的泊松比、杨氏模量等的基本方法,介绍了岩石的可钻性和研磨性以及如何利用测井资料评价计算可钻性极值。其次,讲述了钻井和井眼轨迹控制的一般理论。了解井身结构的一般规律和井眼控制的基本原理,对于测井作业安全,提高测井质量是很有帮助的。在第二章还介绍了钻井液的性能,这有助于测井工作者更深入地了解钻井液对地层侵入伤害以及钻井液对电阻率测井的影响。第三章介绍完井和固井方法,管柱设计、水泥性能和水泥胶结评价测井(CBL)方法。水泥固井和射孔完井是生产井必需的关键环节,固井质量的好坏,需要通过测井技术进行定量评价,教材简单介绍了水泥胶结测井(CBL)、变密度测井(VDL)、扇区胶结测井(SBT)等方法。射孔完井的目的是射开油层,使油气进入井筒。接下来,讲述了井壁稳定性方面的基本知识,主要是井壁失稳的判断,地层破裂压力和坍塌压力的计算方法等。本章内容和第五章是紧密联系的,借助于测井岩性资料和声波资料,可以有效地进行地应力分析,给出连续的地应力剖面。最后两章的内容以现场测井作业和测井仪器为主。第六章主要讲解测井现场施工的必备工具、基本设备、仪器下井步骤等,讲述了测井故障的排除方法。第七章则以目前各油田现场服务测井系列为主要内容,介绍了DDL-III、CSU、3700、5700和EXCL2000,同时也介绍了胜利油田研发的SL6000系列等。

要想成为一个熟练的测井现场工程师和优秀的测井解释专家,必须要经过长期大量的现场实践,与其他学科相结合。单一技术和专业已不能胜任现场对测井人员的技术要求。

随着测井仪器不断地推陈出新,测井技术发生着日新月异的变化,它与其他技术的联系也越来越紧密,因此测井技术的应用领域也在不断拓展,对测井工作者提出了越来越高的要求。

测井专业的学生和技术人员在努力掌握本专业技能的同时,必须要了解、兼顾其他相关学科,才能够满足石油工业迅猛发展和国际化的需求。第一章岩石力学基础

钻井的目的在于破碎岩石形成井筒。破岩工具作用下的岩体内部是处于多向应力状态,作用在井底岩石上的力,除钻压、扭转剪切力外,还有上覆岩层的压力、钻井液液柱压力及地层孔隙压力等。因此,要达到破碎岩石获得进尺的目的,除选择高质量的破岩工具外,还必须使钻头施加于岩石上的外力超过岩石的硬度、强度极限值。所以,研究岩石在各种应力状态下的力学及变形特点和机械性质、各种类型钻头的结构及其破岩原理,是钻井技术中的主要内容。第一节岩石的力学性质

岩石的力学性质通常包括两个方面:岩石的变形特征和强度特征。岩石的变形特征是指岩石在各种载荷作用下的变形规律,包括岩石的弹性变形、塑性变形、黏性流动和破坏规律。岩石的强度特征是指岩石在载荷作用下开始破坏时的最大应力(强度极限)以及应力与破坏之间的关系,它反映了岩石抵抗破坏的能力和破坏规律。

一、岩石的应力-应变曲线

岩石的变形特征和强度特征,由岩石试件在单轴或三轴试验机上所得到的应力-应变曲线来描述。图1-1为采用刚性试验机,对圆形岩样进行轴向压缩试验,在加载速度充分适应于试件变形速度的条件下,所得到的岩石典型应力-应变曲线。图中OA段曲线稍向上凹,这反映了岩石试件内部裂隙逐渐被压密,随着岩石内裂隙被压密进入AB段,它的斜率为常数或接近于常数,其斜率定义为岩石的弹性模量E,随着载荷的继续增大,变形和载荷呈非线性关系,裂缝进入不稳定发展状态,这是破坏的现行阶段,即BC段。这一段应力-应变曲线的斜率随着应力的增加逐渐减小到零,曲线向下凹,在岩石中引起不可逆变化。B点为发生弹性到塑性行为过渡的点,通常称为屈服点,而相应的应力σ称为屈服应力。最高点C的应力称为强度极限S(如为单轴试验,便称为单轴抗压强度)。CD段曲线下降,是由于裂缝发生了不稳定传播,新的裂隙分叉发展使岩石开始解体。CD段以脆性形态为其特征。C点以前的阶段可称为破坏前阶段,这一段的力学表现大体与一般试验机和刚性试验所得到的结果基本没什么区别,但一般试验机得不出CD段过程,所以认为岩石在C点发生了破坏。实际岩石是有后破坏特征的,虽然此时裂隙大量发展,但破坏是个渐近过程,不会突然发生破坏,并且在应力超过峰值以后仍然具有一定的承载能力,这在研究岩石的破碎过程和井壁岩石的失稳破坏及支护时是应该加以考虑的。图1-1 岩石的应力-应变曲线

二、简单应力条件下岩石的强度

岩石的强度与应变形式有很大关系,只有在压缩情况下,岩石才呈现出很大的强度。一般的规律是,岩石的抗剪强度大于抗弯强度,更大于抗拉强度,而岩石的抗压强度最大。

由于岩石结构的多变性及岩石的微观或宏观的结构特征都会对岩石的强度发生影响,所以一般在实际应用时,必须对具体的岩石进行必要的强度试验,以获取比较准确可靠的数据。

岩石的常规抗压缩强度是指岩石抵抗外力压缩的能力,其数值大小等于在岩样上施加轴向压缩载荷直至破坏时单位面积上的载荷,可通过单轴抗压缩强度试验来获得。岩石抗拉伸强度可通过直接和间接抗拉伸强度试验来确定。

岩石的直接拉伸试验即是把岩样加工成拉伸试样,置于材料拉伸试验机上进行简单应力状态下(或称单轴抗拉伸状态)的拉伸试验。岩样拉断时的应力值即为岩石的抗拉伸强度。

岩石抗拉伸试验的间接方法常用的有岩石的筒形抗内压胀裂试验和岩石的巴西劈裂抗拉伸试验两种。岩石的筒形抗内压胀裂试验是对圆筒状岩样施以均匀内压,直到圆筒胀裂的试验方法。通过运用拉梅厚壁圆筒应力理论,可确定岩样的抗拉伸强度。岩石的巴西劈裂抗拉伸试验是把盘形岩样立放于试验机的工作台面和加载平板之间进行压缩加载。岩盘破裂是从盘的中心开始沿加载直径向上、下两方面扩展开来,从而使盘在加载连线上呈现清晰的破裂痕迹。岩盘的破裂是垂直于加载方向上的拉应力达到极限值引起的。设岩盘的半径r(m),厚度为δ(m),岩盘破裂时的载荷为W(MPa),则岩样的0抗拉伸强度为:

三、复杂应力条件下岩石的强度

在实际的钻井条件下,尤其是深井钻井,岩石是处于复杂的而不是单一的应力状态,因此,研究这种复杂的多向应力作用下岩石的机械性质具有重要的实际意义。三轴应力试验提供了定量测试岩石在复杂应力状态下机械性质的一种良好手段。

常规三轴试验是最为常用的一种三轴应力试验方法。它是将圆柱形的岩样置于一个高压容器中,首先用液压使其四周处于三向均匀压缩的应力状态下,然后保持此压力不变,对岩样施加轴向载荷,直到使其破坏。可以进行三轴压缩试验,也可以进行三轴拉伸试验,如图1-2所示。图1-2 常规三轴试验(图中σ、σ、σ为三个方向的应力)123(a)压缩试验;(b)拉伸试验

根据摩尔-库仑(Mohr-Coulomb)强度理论,岩石的强度是随作用于破坏面(或剪切滑动面)的垂直(法向)压应力的增加而增大的。按照库仑理论,岩石的强度可表达为:

式中——破坏面的剪应力,Pa;

σ——破坏面的正应力,Pa;

C——黏结力,Pa;

f——内摩擦系数;

φ——岩石的内摩擦角,(°)。

若将和σ用主应力σ和σ表示(σ≥σ≥σ,且以压应力为13123正),由摩尔圆(图1-3)可知:

其中,θ是剪切破坏面得法线与最大主应力σ方向之间的夹角,1或是该平面与最小主应力的夹角,并且有,φ表示岩石的内摩擦角。图1-3 库伦剪切强度曲线

库仑剪切强度曲线在Oσ平面上是一条直线,它与σ轴的斜率为f=tanφ,在轴上的截距为C。此线表明,岩石的抗剪强度由两部分组成:一部分是黏结力(或即法向力为零时的抗剪强度);另一部分是滑移面上的内摩擦力,它与正应力成正比关系。当摩尔应力圆与式(1-4)所给出的直线相切时,岩石便发生了破坏。

实践证明,岩石材料的剪切强度曲线在低围压情况下,多近似为直线,且破坏角的实测值与预测值十分吻合。但库仑条件不适合于拉应力小于零的情况,也不适用于高围压的情况。

摩尔对库仑理论做了推广,提出岩石强度曲线应是一系列不同应力水平的极限应力圆的包络线,由此,平面上的岩石强度曲线变成了近似于斜率逐渐减小的抛物线,适用于高围压的情况。

根据范卡尔曼(Von Karman)、汉丁(Homdin)和哈格尔(Hager)等人的试验结果,在三轴应力作用下,岩石的机械性质产生了两个方面的显著变化。一个显著变化是随着围压的增大,岩石强度极限明显增大,但对于不同类型的岩石,增大幅度和倍数是不一样的。同时,围压对岩石强度的影响程度,并不是在所有的压力范围内都是相同的,一般情况是,在围压增大的初期,强度增加较明显;围压继续增加时,相应的强度增量就变得越来越小;最后当围压很高时,有些岩石(如石灰岩)的强度将趋于常数。岩石机械性质另一个显著变化是随着围压增大,岩石表现出从脆性到塑性的转变,且围压越大,岩石破坏前所呈现的塑性也越大。

一般认为,岩石的总应变量达到3%~5%时,就可以说该岩石已开始具有塑性性质或已达到了脆-塑的转变。对于深井钻井来说,研究岩石从脆性到塑性的转变点(或称临界压力)具有重要的实际意义。因为脆性破坏和塑性破坏是两种具有本质差别的破坏形式,需分别利用不同的破碎工具(不同结构的钻头类型),采用不同的破碎方式(冲击、压碎、挤压、剪切或切削、磨削等)以及不同的破碎参数(钻压、转速及水力参数等)的组合。因此,确定各类岩石的脆-塑性转变的“临界压力”将为设计、选择和合理使用钻头提供科学依据。第二节静态弹性参数和动态弹性参数的关系

岩石力学特性参数包括岩石泊松比、杨氏模量、切变模量、体积模量、岩石硬度、抗剪强度、抗压强度、抗钻强度等。这些参数可以通过两种方法确定,一种方法是将钻井所得的岩心,在实验室内模拟岩石在地下所处的环境(温度、围压、孔隙压力)并进行实测。另一种方法是利用测井曲线进行反算,这种方法由于资料充足,且可以得到连续的计算剖面,一直是石油钻井科技人员积极探索、努力的方向,目前已经取得了一些可以应用的成熟方法。利用测井资料确定岩石力学参数的计算公式是通过弹性波动理论推导出其理论计算公式,如泊松比、杨氏模量等。下面分别给出这些参数的理论计算公式。

一、岩石的泊松比μ

泊松比又称横向压缩系数。泊松比表示为横向相对压缩与纵向相对伸长之比。设长为L、直径为d的圆柱形岩石,在受到压缩时,其长度缩短ΔL,直径增加Δd,则泊松比表示为:

如果有纵、横波速度或纵、横波的数据以及岩石的密度,也可以根据这些资料计算泊松比,公式如下:

式中 μ——泊松比,无量纲;

Δt、Δt——岩石的横波、纵波时差,μs/m;sp

v、v——岩石的横波、纵波速度,m/s。sp

二、杨氏模量

杨氏模量是岩石张变弹性强弱的标志。设长为L、截面积为A的岩石,在纵向上受到力F作用时伸长或压缩ΔL,则纵向张应力(F/A)与张应变(ΔL/L)之比即为杨氏模量E:

杨氏模量也可以根据声波测井资料和岩石密度进行计算,公式如下:

式中 E——杨氏模量,MPa;3

ρ——岩石密度,g/cm。

三、剪切模量G

岩石的切变弹性模量是岩石切变弹性强弱的标志。设剪切力(F)平行作用于岩石表面后产生的切变角为ψ,则静态切变弹性模量(G)就等于剪切应力(F/A)与剪应变或切应变角(当切变角很小时)之比:

横波是反映岩石剪切特性的,因此可以根据横波时差和岩石的密度计算剪切模量,公式如下:

式中 G——剪切模量(切变模量),MPa。

四、体积模量Kb

岩石的体积模量可用于度量岩石的抗压能力。体积模量(K)b是岩石在各个方向上都受到力F的作用时应力F/A与体积相对变化的比值:

同样,根据声波资料和岩石密度可以计算体积模量K:b

式中 K——体积模量,MPa。b

利用测井资料确定上述参数时,必须同时具备声波纵波、横波及密度测井资料。由于现场往往不测全波列测井项目,没有直接的横波测量结果,一般只有通过纵波估算横波。有人提出在砂岩或泥质砂岩地层条件下用于横波估算的计算公式为:

这个计算公式也可在其他岩性地层中使用,但有一定的误差。

岩石弹性参数的静态值和动态值存在着一定的差值,静态弹性模量普遍小于动态弹性模量,而静态泊松比有的大于动态泊松比,有的小于动态泊松比。在实际应用中,可根据资料信息选择一种,但为了资料的互补与统一,寻找动、静弹性参数之间的关系有着积极的意义。

假设岩石为各向同性无限弹性体,则根据纵波速度和横波速度计算动态泊松比和动态杨氏模量的关系式为:

式中 μ——动态泊松比;d

E——动态杨氏模量,MPa。d

通过对东部各地区主要油田砂泥的三轴试验研究发现,静态泊松比随围压的增大而增大,岩石的泊松比、弹性模量与所处的深度有关,并提出用式(1-12)、式(1-13)来描述岩石泊松比和弹性模量的变化规律,即:

式中 μ——静态泊松比;s

m、n、a、b——取决于岩性的常数;

E——静态杨氏模量,MPa;s

μ——单轴静态泊松比;so

E——单轴静态杨氏模量,MPa;so

p——围压。c

通过某油田30多块岩心在三轴下进行动静同步测试得出:

其中,A=a+alg(σ-σ),K=k+klg(σ-σ)。11112131111213

其中,A=a+alg(σ-σ),K=k+klg(σ-σ)。22122132212213

式中 a、k——回归系数。ijij

对于A、A、K、K的取值,最简单的方法是对动静态同步测1212试的弹性参数进行线性回归。第三节岩石的研磨性与可钻性

一、岩石的研磨性

在用机械方法破碎岩石的过程中,钻井工具(如钻头)和岩石产生连续的或间歇的接触和摩擦,从而在破碎岩石的同时,这些工具本身也受到岩石的磨损而逐渐变钝甚至损坏。岩石磨损这些材料的能力称为岩石的研磨性。

研磨性磨损是由钻头工作刃与岩石相摩擦过程中产生微切削、刻划、擦痕等所造成的,属表面磨损。这种研磨性磨损除与摩擦副材料的性质(如化学组成和结构)有关外,还取决于摩擦的类型和特点、摩擦表面的形状和尺寸(如表面的粗糙度)、摩擦面的介质等因素。可见,研磨性磨损是一个十分复杂的问题。

史立涅尔等人用摩擦磨损法对各种岩石的研磨性进行了比较详尽的研究,得出了一些有实际应用价值的结果。摩擦磨损法实质上即是确定一个转动的金属圆环在岩石表面上相互摩擦时的磨损量,以此作为度量岩石研磨性的指标。

实验证明,岩石的研磨性不仅取决于岩石的结构、组织特点、组成岩石矿物的性质和颗大小(对碎屑岩还取决于胶结强度)等一系列岩石本身的性质,还取决于所用的金属材料的性质。为此,史立涅尔等分别以淬火钢、硬质合金为金属摩擦介质,对各种岩石进行了试验。

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