第4章2：地层各向异性及其评估方法

The ultrasonic testing system
•With the testing data, acoustic velocity may be calculated by the following equation:
V l t t0 1000
•Where V is the acoustic velocity, m/s; and l length of the rock sample, mm; and t propagation time of the acoustic wave, s; and t0 delayed time of the testing system, s.
The roller bit has three rollers
The PDC bit has some PDC teeth set in the body
3.2 Acoustic Anisotropy
• It is supposed that the formation is transversely isotropic. Thus, the acoustic anisotropy can be expressed by an acoustic anisotropy index( Iv ) defined as the following： V
It’s standard.
experimental results of rock drill-ability of 14 core samples
Rock drill-ability with the roller bit (KdRB)
Perpendicular to bedding plane Parallel to bedding plane
ef
pd pu ps
I b ( e f e d ) (1 I b )( e f e a )( e a e d ) I b ( e f e u ) (1 I b )( e f e a )( e a e u ) I b ( e f e s ) (1 I b )( e f e a )( e a e s )
Dh
Drill-ability Anisotropy
• When rock drill-ability is tested in laboratory using the core samples, weight on the bit and rotary speed are constants so that drill-ability anisotropy index ( Ir) can be also expressed as the following relationship: Tv
No. of the cores (CCSD)
Measured depth (m)
Rock drill-ability with the PDC bit (KdPDC)
Perpendicular to bedding plane Parallel to bedding plane
I rR B I rP D C K d R B
Ir Tv Th
• Where Tv and Th are respectively the drilling time parameters perpendicular to and parallel to bedding plane of the core sample.
Th
岩石可钻性各向异性概念
模型参数反演的基本概念
根据系统科学的研究，构成系统的三个基本 因素及其相互关系如图表示：
输入 (因讯号)
关
系 (模型)
输出 (果讯号)
(反馈信息)
各向异性评估方法——目标函数
K ( k1 , k 2 , k 3 , k 4 , k5 , k 6 )
T
( I b , I r 1 , I r 2 , D n , Fa o , F lo)
0.94 0.62 0.71 0.82 1.03 0.82 0.49 0.91 0.74 3.86 0.64 0.88 0.48 0.23 1.16 0.24 0.89 0.92 1.34 1.01 0.69 0.79 0.57 4.72 0.32 0.57 0.73 0.56 0.09 0.68 0.50 0.28 -0.04 0.29 1.04 0.14 0.43 -1.95 0.65 0.19 1.05 2.09
a) b) c) d) e) f) g) h) i) j) k) l) 地层A: 地层B: 地层C: 地层D: 地层E: 地层F: 地层G: 地层H: 地层I: 地层J: 地层K: 地层L: Ir1<Ir2<1 Ir1=Ir2<1 Ir1=Ir2>1 Ir1>Ir2>1 Ir2<Ir1<1 Ir1<1<Ir2 Ir1<Ir2=1 Ir2>Ir1>1 Ir2<1<Ir1 Ir1>Ir2=1 Ir1=1>Ir2 Ir1=1<Ir2 (Ddip<Dstr<Dn) (Ddip=Dstr<Dn) (Ddip=Dstr>Dn) (Ddip>Dstr>Dn) (Dstr<Ddip<Dn) (Ddip<Dn<Dstr) (Ddip<Dstr=Dn) (Dstr>Ddip>Dn) (Dstr<Dn<Ddip) (Ddip>Dstr=Dn) (Ddip=Dn>Dstr) (Ddip=Dn<Dstr)
自然造斜效应较大。
塔里木盆地山前构造
塔里木盆地山前高陡构造地层倾角大多在1580 ，防斜与打快的矛盾十分突出。
防斜打快，钻压控制是关键！
• 钻压（Wb）的作用：
– 是地层各向异性造斜效应的外因 – 影响钻头破岩效率（机械能量） – 影响底部钻具组合的力学行为
• 钻压优化控制：地层各向异性是钻压优化
Experimental results of acoustic velocity of 14 rock samples
岩石可钻性各向异性，可以用岩石可钻性各向异性指 数来度量，在固定钻深和钻压的实验条件下，横观各
向同性地层岩石可钻性各向异性可表示为：
I r Tv Th
或
Ir 2
K d
Ir为岩石可钻性各向异性指数；ΔKd为平行于层面和垂
直于层面的岩石可钻性级值之差。
The testing device for rock drill-ability
T
表示钻井特性参数列向量，可
以把它视作随井深变化的空间分布场函数。 化反演的基本模型是井眼轨迹误 优 差函数，即：
EE E E N E H
(K) (K)
式中， (K ) 为全局大地坐标系下井底钻头处井眼的三维位移（或钻速）计算 值， 参数
(K)
控制的主要客观依据。
– 就目前的技术水平而言，严重井斜是由地层各向 异性引起的。假设：实际钻压为Wb，而由地层各 向异性确定的钻压最优值为Wo。如果地层各向异 性不确定，则会发生下列不理想： – 当Wb<Wo时，则降低了钻井速度； – 当Wb>Wo时，则井斜超标，影响钻井质量。
钻压Wb
定向钻井控制
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. rock sample micro-bit cutting tray turbine rod Lever Weight meter for measuring depth 8. bar for adjusting lever 9. Worktable 10. compaction bar with thread
地层可钻性 各向异性， 是影响钻进 方向的主要 客观因素。
2.地层各向异性钻井特性
Zf e zf e yf Yf
O
e xf X
f
er et e ed ef o 井眼轴线
地层倾角
钻头
水平面
eg
I r1
D d ip Dn
,
Ir2
D s tr Fra Baidu bibliotekn
正交各向异性地层的分类
9 38 57 104 143 179 218 252 281 288 304 340 363 373
48 145 197 305 400 504 607 698 775 795 834 925 998 1027
6.03 9.18 10.29 11.11 8.21 8.7 9.25 10.64 8.78 10.17 7.92 8.89 9.15 8.12
地层各向异性及其评估方法
目
1.引言
录
2.地层各向异性钻井特性
3.岩石各向异性实验分析
4.地层各向异性测井评价
5.山前构造案例分析
6.结束语
1. 引言：准葛尔盆地山前构造
处于山前构造带，构 造地应力巨大。 断层切割严重，地应 力在纵横向分布复杂。
地层倾角大；地层层 理发育、断层多、破 碎。
6.12 9.86 10.79 11.39 8.17 8.99 10.29 10.78 9.21 8.22 8.57 9.08 10.2 10.21
4.55 8.57 9.89 10.78 7.82 8.48 8.61 9.52 8.22 9.55 6.06 8.14 8.18 7.93
4.34 10.65 10.06 10.9 7.4 8.47 9.14 9.86 9.03 7.31 7.71 8.95 8.64 8.77
v
I v Vv Vh
• Where Vv and Vh are respectively the acoustic velocities in directions V h perpendicular to and parallel to bedding plane of the formation, m/s.
③正演计算；
④迭代优化计算；
⑤收敛条件判断，若收敛则转到⑦，否则继续；
⑥修正参数，转③； ⑦判断是否完成本段的反演，是则停止，否则令结果 作为下一步的初始值，回到②。
各向异性指数优化反演结果(渤海)
Ib 0 .4 0 .6 0 .8 1 .0
1200
I r1
0 .5 1 .0
I r2
Dn
MF
3
L
MF
钻头与地层相互作用模型
f e rN e r p d e d I r 1 p u e u I r 2 p s e s
式中，r 表示沿 N 位力
er
方向的“正规化”钻井效率；
fe
称为在单
作 用 下 的 有 效 钻 力 ； Ir1 和 Ir2 表 示 正 交 各 向 异 性 地 层 的 岩 石 各 向 异 性 指 数 ； p d ， p u 及 p s可 表 达 如 下 ：
Ir Dh Dv
Dv
• Where Dh and Dv are respectively rock drill-ability parameters in directions perpendicular and parallel to bedding plane of the formation.

为 相 应 井 深 的 实 测 值 ，它 们 是 钻 头 有 效 钻 力 、转 角 和 地 层 钻 井 特 性 值：
K
K 的函数。利用最优化方法，求使目标函数最小的参数
k { K }
M in
(E
T
E)
地层和钻头各向异性指数优化反演的步骤
①给定原始数据及参数搜索区间、收敛条件等；
②设定初始试探值K0，确定反演井深长度；
9 10
a
0 .6 0 .9 1 .2 0 .6 1 .2 1 .8
6
20
30
1400
1600
井1 8 0 0 深
2000
2200
2400
3.岩石各向异性实验分析
3.1 rock drillability anisotropy:
• The transversely isotropic formation is a typical anisotropic formation. Its rock drillability anisotropy can be expressed by an anisotropy index( Ir ) defined as：