岩石力学参数试验与地层破裂压力预测研究

LI Min1, LIAN Zhanghua1, CHEN Shichun1,2, WEI Chenxing1, LIN Tiejun1, LI Xiaojun1
（1. Southwest Petroleum University of Oil and Gas Reservoir Geology and Development Engineering, State Key Laboratory,Chengdu 610500, China; 2. Tarim Drilling Engineering Company of Bohai Drilling Engineering Co., Korla 841000, China）
1 试验方法及其原理 Testing methods and principles
1.1 试验设备 Testing devices 采用美国 GCTS 公司研制的 RTR-1000 型伺服
控制静（动）三轴岩石测试系统，可以进行单轴抗压、 常温 / 高温高压三轴抗压、弹性模量、泊松比、声波 （纵波、横波 ）以及常温常压下岩石的抗张强度测试。 允许的最大轴向压力 1000 kN，最大围压 140 MPa， 最大孔隙压力 140 MPa，最高温度 150 ℃。试验控 制精度为：压力 0.01 MPa，液体体积 0.01 mL，变形 0.001 mm。 1.2 试验样品及试验方法
Testing samples and methods 试验所采用的 100 块岩心取自于群库恰克地 区群克 1 井、群 5 井、群 6 井和群 601 井，取心深度 2536.20~5483.00 m。试验岩样主要为砂岩、泥岩、泥 质粉砂岩、灰岩，涵盖了群库恰克地区的大部分岩样 特性，能充分体现所有群库恰克地区岩样的力学性 质。样品制作采用美国 ASTM D443-04 标准执行， 加工成圆柱状（D = 25 mm），高度与直径之比约为 2， 两端面的不平行度小于 0.015 mm。 试验过程中根据不同的试验要求编写不同的试 验程序，单轴试验时，直接给岩样施加轴向载荷，由 数据采集系统采集记录加载过程中岩样的应力和应 变，直至岩样破坏，停止加载；三轴试验时，通过高 压泵逐渐施加围压到指定值，然后开启液压机给岩 样施加轴向载荷，直至岩样产生破坏，停止加载。轴 压控制采用控制精度高、操作方便的应变控制，加载 速率为 1.5×10-5 mm/s。为了模拟井下岩样实际受 载情况，试验采用有效应力法确定围压，围压确定为 10 MPa、20 MPa 和 30 MPa。 岩石纵、横波时差（Tp、Ts）采用超声波脉冲透射 法测试，将纵波和横波发射器或接收器紧贴试验岩 样，由发射器产生超声波，超声波穿过岩样后由接收 器接收，并测量出超声波穿过岩样所用时间，记录纵
（1. 西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室，四川成都 610500；2. 渤海钻探塔里木钻井工程公司，新疆库尔勒 841000）
摘要：通过对塔里木盆地群库恰克地区 4 口井中的 7 个地层 100 块岩心进行岩石力学参数试验和声波试验，获得了该地 区岩石的弹性模量、泊松比、纵横波时差等一系列岩石静态力学参数。对试验结果进行了分析研究，得到了岩石纵横波时差关 系拟合模型。结合测井资料所得到的岩石动态力学参数，回归出了群库恰克地区岩石的动静态力学参数模型，为预测群库恰克 地区地层破裂压力提供了准确的岩石力学参数。在建立群库恰克地区地层破裂压力预测模型过程中，基于岩石的破裂机理，提 出了一种地层破裂压力预测的新模型，该新模型已用于群库恰克地区地层破裂压力预测，为合理确定钻井液密度提供了理论依 据。
图 3 群 5 井（井深 4889.0 m）岩心三轴试验曲线 Fig.3 Core tri-axial test of Qun-5 Well（Depth: 4889 m）
2.2 声波时差试验结果分析
A coustic travel time testing results analysis
将试验得到的纵、横波时差进行回归分析，如图
Key words: tri-axial test; poisson ratio; dynamic and static mechanical parameters; acoustic travel time; fracture pressure
准确地预测地层破裂压力，有助于合理确定钻井 液密度与井身结构，保证钻井安全，在石油工程中具 有十分重要的作用和意义［1-5］。群库恰克构造带位 于塔里木盆地西南坳陷麦盖提斜坡西段的上倾方向， 基本略呈东南一西北向延伸，东以色力布亚大断裂为
2.1 岩石抗压试验结果分析 Rock compression testing results analysis 通过对群库恰克地区 7 个不同地层岩样进行单
轴、三轴试验，得到了大量的试验结果曲线。图 1 为 群克 1 井古生界奥陶系（O）深灰色泥质砂岩岩心单 轴抗压试验结果，从试验结果照片可知，岩石破坏属 于劈裂破坏，破坏裂纹与轴向近乎平行，表明岩石单 轴抗压强度的降低是由于岩样内部的拉伸破坏造成 的。从岩样应变曲线图可知岩样的轴向应变和径向 应变一正一负，应变曲线斜率大，表明此地层为致密 泥质砂岩。图 2 为群 6 井古生界石炭系中上统小海 子组（C2-3x）浅灰色灰岩在 10 MPa 围压下应力—应 变曲线试验结果，由图 1、图 2 可知三轴试验岩石破 坏方式和单轴试验不同，单轴试验岩心属于劈裂破 坏，而三轴试验岩心属于剪切破坏，破裂的裂纹方向 与岩心轴线方向具有一定的夹角。图 3 为群 5 井 古生 界 石 炭 系 下 统 巴 楚 组（C1b）灰 岩 在 0 MPa、10 MPa、20 MPa 和 30 MPa 围压下应力—应变曲线结果 图。从图 3 可知，岩石的强度随围压的增加而增加， 围压较小时，岩石强度随围压增加而增加的速度较 快；围压较大时，岩石强度随围压增加的趋势逐渐变 缓。随着围压的增大，岩石的变形明显增大，弹性极 限增大，岩石的残余强度增大。
第 31 卷 第 5 期 2009 年 10 月
石油钻采工艺 OIL DRILLING & PRODUCTION TECHNOLOGY
文章编号：1000 – 7393（2009）05 – 0015 – 04
Vol. 31 No. 5 Oct. 2009
岩石力学参数试验与地层破裂压力预测研究
李 敏 1 练章华 1 陈世春 1，2 魏臣兴 1 林铁军 1 李孝军 1
图 1 群克 1 井（井深 3350.5 m）岩心单轴试验曲线 Fig.1 Core uni-axial test curve of Qunke-1 Well （Depth:3350.5 m）
பைடு நூலகம்
李 敏等：岩石力学参数试验与地层破裂压力预测研究
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图 2 群 6 井（井深 4986.0 m）岩心三轴试验曲线 Fig.2 Core tri-axial test of Qun-6 Well（Depth: 4986 m）
其仿真方面的研究工作。电话：028-83032210，E-mail：tttli@。
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石油钻采工艺 2009 年 10 月（第 31 卷）第 5 期
群库恰克地区 4 口典型井中 100 块岩心进行室内岩 石三轴、单轴试验及岩石声波试验等，获得了岩石弹 性模量、泊松比、内聚力、内摩擦角及纵横波时差等岩 石静态力学参数，通过测井资料得到了群库恰克地区 的岩石动态泊松比、动态弹性模量，为地层破裂压力 预测新模型提供了静态与动态的岩石力学参数。
Abstract: The elastic modulus, Poisson ratio, S-P interval and other static rock mechanical parameters were obtained through the rock mechanical parametric experiments and acoustic experiments of the 100 drilling cores from 7 layers and 4 wells in Qunkuqiake Block of Tarim Basin. The matching model of rock S-P interval relationship can be derived from the results of the experiments. Combine with the static rock mechanical parameters obtained from logging data, the static rock mechanical parametric model of the Qunkuqiake Block can be derived. This provides accurate rock mechanical parameters for formation fracture pressure prediction in Qunkuqiake Block. When build up the forecast model of the formation fracture pressure in Qunkuqianke Block, a new model was developed for formation fracture pressure prediction on base of the fracturing mechanism. This new model has already been used on the formation fracture pressure prediction in Qunkuqiake Block, and it provides theoretical criterion for the proper selection of drilling fluid density.
波或横波沿岩样长度方向的传播时间，计算得到纵 波、横波时差。