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35.Techlog 地质力学使用技巧(三):页岩气TIV各向异性地层地质力学建模

页岩气属于非常规天然气资源,蕴藏于以泥页岩为主的层系中。不同于常规砂岩储层, 页岩气地层具有典型的TIV各向异性特征,其水平方向的力学性质与垂直方向的力学性质有较大差别。

一、页岩气地层力学性质

地下岩石一般为非均质各向异性,处在不同的应力和温度场中,具有不同的力学性质。从地质力学建模简单实用原则出发, 可以将岩石分为三大类:各向同性ISO, 横观各向异性TIV或TIH,正交各向异性ORT。页岩气地层则是典型的TIV各向异性地层,其水平方向模量、强度等力学性质不同于垂直方向力学性质,其地应力剖面的求取也有别于常规均质各向同性多孔弹性模型方程。

对于TIV各向异性地层,其刚度矩阵中C44=C55, C11=C22,因此需要5个独立模量参数才能完整描述。斯伦贝谢Sonic Scanner测井系列可以得到各向异性地层中横向和纵向传播的声波时差,获得三个独立测量参数C33、C44(或者C55)以及C66,需要两个关系式Annie或者Mannie假设,才能得到5个独立变量,求取出TIV各向异性地层的刚度矩阵,从而得到水平方向和垂直方向的杨氏模量和泊松比。

二、页岩气井地质力学建模流程

为了更好地表征页岩气的力学性质,准确求取页岩气地层的地应力剖面, Techlog软件平台Shale suite模块提供了专门的页岩气地层地质力学建模方法。页岩气地层力学建模流程与常规各向同性地层基本一致(见Techlog Geomechanics 使用技巧之二:一维地质力学建模流程),包括计算上覆岩层压力 SVERTICAL及上覆压力等效密度OBMW;分析地层孔隙压力PPRS和孔隙压力当量密度PPMW;计算弹性模量参数YME, PR, BMK, SMG; 分析岩石强度参数UCS, TSTR, FANG;计算水平应力SHMAX和SHMNIN。其差别仅在于动态弹性参数和地应力计算方法不同。页岩气地层的弹性参数包括水平方向杨氏模量和泊松比,及垂直方向杨氏模量和泊松比;地应力计算模型也同时考虑了水平方向或垂直方向弹性参数的不同。

三、实例

基于TIV各向异性模型计算的页岩气地层岩石力学参数和地应力更符合实际地层情况,已经广泛应用于指导页岩气地层的钻井优化、压裂分级、压裂设计等方面。下图对比了采用各向同性模型和采用各向异性模型的地质力学结果。从图中可以看出:

• 各向同性地层TIV模型结果与常规模型结果相同。

• 在各向异性地层,TIV模型计算的最小水平主应力大于常规各向同性模型计算的最小水平主应力,并且在泥页岩层段差异明显。

• 横向杨氏模量大于垂向杨氏模量。

• 横向泊松比大于垂向泊松比。

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