正交偶极子阵列声波测井(XMAC-II)

小于 1。 由双井径测井曲线可近似计算不平衡构造因子，根据式 6-8 计算的最小水平主应力及 不平衡构造因子计算最大水平主应力。 根据最大水平主应力与最小水平主应力，进而计算地应力差。 ②地应力方向 地下不同地质时期形成的各种岩石，都具有一定的强度，因此在地壳应力场的作用下， 都可能发生弹性变形或产生弹性势能。 某深度的岩石在垂向主应力， 最大与最小水平主应力 的作用下， 一般处于相对平衡状态。 当井眼在地层内被钻开后， 在井壁岩石上形成应力集中， 垂直于井轴的横向截面上处于两个水平应力的压力作用及钻井液的张应力作用。 根据力的叠 加原理，井壁上的应力状态用下式表示： Sθ= S1+S2-2(S1-S2)·COS2θ-Pm (6-9) 式中：Sθ—井壁岩石的切向应力； S1—最大水平主应力； Pm—钻井液柱压力； θ—相对于最大水平主应力方向的逆时针方位角。 由(6-9)式可看出，当θ为 0 度或 180 度时，即在最大水平主应力的方向，井壁岩石所 受的应力最小，此时切向应力值为： Sθ=3S2-S1-Pm (6-10) 当θ为 90 度或 180 度时，即在最小水平主应力的方向上，井壁岩石所受的切向应力最 大，此时切向应力值为： Sθ=3S1-S2-Pm (6-11) 根据脆性材料破裂理论，当作用力达到或超过材料的破坏强度时，就会发生破裂现象。 井眼周围的岩石在最大水平主应力方向， 受到较弱的压应力， 此时的岩石不易受地应力破坏， 井眼尺寸应接近钻头直径。如果泥页岩与钻井液作用，发生水化膨胀，进而出现井壁破坏的 情况，要与地应力的作用区别开来。井眼在最小水平主应力方向受到较强的压应力，当这个 压应力超过岩石的抗剪强度时， 井壁岩石就会发生剪切破坏， 出现井壁崩落， 形成椭园井眼。 显然，椭园井眼的短轴方向即为最大水平主应力方向。 井眼崩落椭园的测量是由四臂或六臂地层倾角测井仪直接测量的。测井是在电缆提升 过程中进行的，当电缆以一定速度提升时，测井仪器也以一定速率旋转，当某对极板进入椭 园井眼的长轴位置时，测井仪不再旋转，而是按一定的方向上升，这样就可测出或计算出椭 园井眼的长轴及短轴。再结合一号极板测量的方位，就可判断出最大水平主应力方向。
四、岩石力学参数的工程应用
1、确定合理的钻井液密度
地层压力梯度为近平衡压力钻井、负压钻井提供可靠的钻井液配制依据。对于近平衡 压力钻井，在钻进油气层时以钻井液相对密度高于地层压力系数 5～10%左右的原则设计钻 井液密度。根据地层压力检测资料，既可实现近平衡钻井，提高钻井速度，降低钻井成本， 又可减少或防止泥浆对油气层的污染，避免解释中漏掉油气层，同时还可防止井喷、井涌等 工程事故。对于负压钻井，在钻进油气层时钻井液相对密度应低于地层压力系数，这就需要 较准确预测产层的地层压力系数以便选用适当的钻井液相对密度。 2、确定井身设计中是否需下技术套管 根据地层破裂压力梯度和孔隙压力梯度，可确定井身设计中是否需要下技术套管及技 术套管的下深。 从防喷防漏的角度考虑， 当地层孔隙压力梯度小于地层破裂压力梯度时选用 适当的泥浆密度钻井过程中不用下技术套管。 当高压地层的孔隙压力梯度接近或大于上部地 层某深度的破裂压力梯度时， 在该深度之上必须下技术套管。 不然较大密度的钻井液会将上 部非高压层压坏，钻井中发生井漏或储层被压死情况。 3、分析裂缝形态 根据地层破裂压力梯度及上覆压力梯度，可分析井下压裂后的裂缝形态。若地层破裂 压力梯度小于上覆压力梯度， 地层压裂后形成垂直裂缝： 若地层破裂压力梯度大于上覆压力 梯度，地层压裂时形成水平裂缝。 4、井下压裂施工参数的确定 当地层压裂后形成垂直裂缝时，裂缝的长度和高度是杨氏模量、切变模量、泊松比、 压裂液排量、粘度等的函数。根据压裂目的及已知的岩石力学参数、井下压裂工程可确定压 裂液和支撑剂的类型，用量、泵入速度等，就可准确地控制压裂缝的长度、高度、形状等。 5、出砂预测 根据出砂指数，可预测产层在产液过程中是否出砂、以便及时采取防砂措施。经验表 明，出砂指数小于 1.4×10 Mpa 时地层在产液过程中会出砂，当出砂指数大于 2.0×10 Mpa 时，地层不会出砂，当出砂指数介于二者之间时，地层出少量砂。 6、油气运移规律研究 根据地应力资料，地质研究人员可进行砂层走向，油气运移规律的研究。地应力是油 气运移的主要驱动力之一。 地应力值的低值区是油气聚集的有利区， 油气由强压应力区向弱 压应力区运移，最大水平主应力方向是油气运移，渗流的主方向。 7、分析套变情况 根据水平最大及最小主应力差，可确定井下套管能否发生形变及发生形变的位置。 8、判断裂缝高度的延伸方向
正交偶极子阵列声波测井(XMAC-II) 一、正交偶极子阵列声波测井(XMAC-II)原理
ECLIPS—5700 测井系统中的交互式多极子阵列声波仪(XMAC-II)是将一个单极阵列和 一个偶极阵列交叉组合在一起，两个阵列配置是完全独立的，各自具有不同的传感器。单极 阵列包括两个单极声源和 8 个接收器。 声源发射器发射的声波是全方位的， 既是柱状对称的， 0 中心频率为 8kHz。偶极阵列是由两个交叉摆放(相差 90 )的偶极声源及 8 个交叉式偶极接收 器组成。接收器间距为 0.5 英尺。 每个深度点记录 12 个单极源波形， 其中 8 个为阵列全波波形(TFWV10)， 4 个为记录普 通声波时差的全波波形(TNWV10)。每个深度点记录 32 个偶极源波形，即每个接收器记录 XX、XY、YX、YY 4 个偶极源波形，X、Y 表示不同方位的发射器或接收器的方向，例如 XY 表示 X 方向发射器发射， Y 方向接收器接收； YY 则表示 Y 方向发射器发射 Y 方向接收 器接收。 8 个接收器共记录 32 个偶极源波形 (TXXWV10 、 TXYWV10 、 TYXWV10 、 TYYWV10)。
E
DEN 3DTS 2 4 DT 2 DTS 2 DTS 2 DT 2
(6-2)
式中：DEN—体积密度。 3、切变模量(μ) 是剪切应力与切变角之比， DTS 2
(6-3)
4、体积弹性模量(k)和体积压缩系数(CB)
岩石各个方向都受到力的作用时，应力与体积相对变化之比，它量度岩石的抗压应力。 体积压缩系数与体积弹性模量互为倒数关系。 计算公式：
三、地层岩石力学参数的基本概念及计算方法
1、泊松比(σ)
又称横向压缩系数，就是横向相对压缩与纵向相对伸长之比。 计算公式:

0.5DTS 2 DT 2 DTS 2 DT 2
(6-1)
式中：DTS—横波时差； DT—纵波时差。
2、杨氏模量(E)
又称纵向弹性模量，就是张应力与张应变之比，它量度岩石的抗张应力。 计算公式：
8、水平地应力
地应力简称地壳内的应力，它是地壳固体介质受重力、各地球构造力和天文动力以及 探掘工程附加动力的作用，在介质内部单元引起响应变形的力学参数。 地应力既有大小，又有方向，既有垂向地应力，又有水平地应力。描述水平地应力时 用到最大水平地应力、最小水平地应力、水平地应力方向三个地质概念。岩石在垂向应力作 用下，由于泊松效应，在水平方向有产生变形的趋势，但由于周围岩石的约束，不易产生横 向变形。由于相邻岩石的阻挡作用，就相当于对岩石施加了水平应力。岩石除受垂向应力作 用外，还受地层孔隙压力、构造应力作用。地层中若不存在构造应力时为各向同性地层，此 时水平地应力相同，当构造应力存在时，水平地应力将变为各向异性。 获取地应力的方法有多种，如声发射凯塞效应法，现场水力压裂试验法，测井资料计 算的井眼崩落法等。利用测井资料计算地应力使用成本较低，计算速度快，显示井段长，计 算结果较准确， 具有其它方法不可比拟的优势。 下面简要介绍利用测井资料计算地应力方向 及大小的方法。 ①地应力大小 当岩石为线性多孔弹性体， 远场孔隙压力为恒定值且在埋藏过程中其横向应变为零时， 最小水平主应力可用下式计算： S2=σ·P0/(1-σ)+[1-σ/(1-σ)]αPP (6-8) 式中：S2—最小水平主应力； α—有效应力系数。 有效应力系数α根据岩石的体积压缩系数和骨架的体积压缩系数计算，其数值大于 0
它是作用在地层孔隙空间里的流体上的压力。地层压力有正常地层压力和异常地层压 力之分，异常地层压力又有异常高压和异常低压之别。高于正常地层压力称为异常高压。异 常地层压力的形成是多方面的，有快速不平衡欠压实沉积，地质构造运动，孔隙流体膨胀， 烃类的裂解等诸多因素。 目前多见到的异常高压地层一般都是不平衡欠压实沉积形成的。 在 地层沉积过程中，由于沉积速度过快，孔隙排水能力下降，随着地层的继续沉积，上覆岩层 的重量逐渐增加，孔隙内的流体要支撑部分上覆岩层压力，这样就形成异常高压。 根据测井资料，采用声波时差等效深度法计算地层压力是用来检测因不平衡欠压实沉 积形成地层异常高压的有效方法，该方法适用范围为砂泥岩剖面。 在砂泥岩地层中，随着地层深度的增加，泥岩所受上覆岩层的压力越来越大，由于压 实和失水的作用，其孔隙度逐渐减小，声波时差可反映岩石孔隙度的变化。在正常压实情况 下，当深度增加时，泥岩的声波逐渐减小，由此可建立泥岩的声波时差随深度变化的规律— 正常压实趋势线。 正常压实趋势线表达式： DEP=A·LOG(DT)+B (6-5) 式中：DEP—地层深度；
3DTS 2 4 DT 2 K DEN 3DTS 2 DT 2
(6-4)
5、单轴抗压强度及固有剪切强度
单轴抗压强度表示岩石抵抗外力压性破坏的能力，它的大小与岩石的杨氏模量、泥质 含量等参数有关。 固有剪切强度表示岩石抵抗剪切破坏的能力，它的大小与单轴抗压强度及体积压缩系 数等参数有关。
6、地层孔隙压力
9、地层破裂压力
井内一定深度的地层，承受井眼液柱压力的能力是有限的，当压力达到某一定值时， 就会使地层破裂， 这时的压力值就称这个地层的破裂压力。 地层破裂往往是由于井内钻井液 密度过大，使井壁岩石所受的切向应力超过岩石的拉伸强度而造成的。 由(6-10)式可知，在最大水平主应力方向受到较小的切向应力。进而可知当液柱压力 Pm 增大时，在这个方向上将受到较大的拉伸力。式 6-10 所示为总切向应力，设有效切向应 力为 Sθe，则： Sθe=3S2-S1-αPp-Pm (6-12) 设岩石的抗拉强度为 St,并且与切向应力方向相反。当 Pm 增大，且有效切向应力值等 于或超过岩石的抗拉强度时，地层则破裂，即： -St=3S2-S1-αPp-Pm (6－13) 因为这时的破裂压力值就是液柱压力值 Pm，设破裂压力为 Pf 则由上式得： Pf=3S2-S1-αPp+St (6-14)