A test method for the in-situ stress of salt rock
-
摘要: 盐岩地层地应力是储气库形态设计、运行压力区间确定的重要影响因素，为了获得盐岩地层地应力参数，采用水压致裂法和多极子阵列声波测井计算盐岩地层地应力。针对盐岩的非渗透性特点，水压致裂法增加了回流工艺，在多个操作参数下进行多期裂缝重张测试，利用不同数据分析方法计算盐岩最小主应力得到了统一结果，误差低于5%。结合多极子阵列声波测井，分析了盐岩地层各向异性，依据密度测井资料和弹性波动理论，计算了地层水平主应力。阵列声波测井计算结果与水压致裂测试结果一致，测试盐岩地层中3个主应力值接近，为该地区盐穴储气库建设和优化设计提供了可靠的依据。Abstract: The in-situ stress of salt rock is an important influencing factor for the design of gas storage shape and the determination of operation pressure interval. To obtain the in-situ stress parameters of salt rock, the in-situ stress of salt rock was calculated by means of hydraulic fracturing method and multipole array acoustic logging. Considering the impermeability of salt rock, the hydraulic fracturing method was added with the reflow process. Multistage fracture reopening tests were carried out on various operation parameters, and the minimum principal stress of salt rock was calculated by using various data analysis methods. And thus, the results were consistent with the error lower than 5%. Then, the anisotropy of salt rock was analyzed based on multipole array acoustic logging, and horizontal principal stress of the formation was calculated on the basis of density logging data and elastic wave theory. It is shown that the in-situ stress calculated from the array acoustic logging data is consistent with the result of hydraulic fracturing test and the three principal stresses of the salt rock are close. The research results provide the reliable basis for the construction and optimal design of salt-cavern gas storage in this area.
-
Keywords:
- gas storage /
- hydraulic fracturing /
- array acoustic wave /
- salt rock /
- in-situ stress
-
对于大批量液体的计量, 立式罐容量计量是一种经济、方便、易于推广应用的计量方式, 但长期以来, 由于立式罐底量问题解决不理想, 计量精度降低, 减少了该计量方法的使用。本文对影响该计量方法的基本因素之一——立式罐底量问题进行分析探讨。
立式罐底量的状态
立式罐底量是立式罐容量计量中久已存在的一个概念, 但至今在各种文献中仍未取得共识。综合OIML、ISO、JJG168-76、JJG 168—87等文献中的规定, 得出如下结论:
(1) 对于罐底量的定义存在不同的理解;
(2) 对于罐底板升降变化的影响均没有提出实际解决方法;
(3) 均认为在空罐状态下采用测量方法得出底量值, 就可解决底量问题。
经过分析研究, 立式罐的底量状态基本存在以下三种。
1 空罐状态下的底量
当立式罐建造完毕并进行试压后, 原来具有一定锥度的规则状底板变成不规则的凹凸状表面。这是由于罐基础不均匀沉陷和底板变形造成的, 在绝大部分情况下, 这个底板形状造成空罐状态下罐容积减少。
2 不稳定地基状态下充液后的底量
在新建罐投入使用后的一定时间内, 罐地基处于不断变化的过程中, 直到充液使用后, 地基才趋于稳定。在这段时间内, 立式罐底量变化没有规律性, 目前对这种情况下的底量变化问题还未能解决。
3 稳定地基充液后的底量
目前绝大多数在用罐, 均处于这种状态。国内对这种状态下的底量变化规律已作了充分的研究并得到了实用的修正方法。
在实际检定中, 一般只考虑第一、第三两种情况。为了保证实罐状态(相对于空罐状态而言, 即充液后的罐)下容积表的应用精度，不但要进行空罐状态下容积表的检定, 而且必须对实罐状态进行必要的检定，然后在空罐容积表的基础上, 根据实罐状态下的测量数据，编制实罐容积表。实罐状态下的测量主要是进行底量增量标定。
底量增量的研究
国内外研究罐底量增量所采用的方法是在罐顶板上有规律地开十几到二十几个测量孔, 从开孔处测量随罐内液位变化的参照高度值, 并认为参照高度值的增加量完全由于罐底板下沉所致。在此基础上, 研究找出底板的升降变化规律。
实际上, 罐底板升降变化仅仅是影响参照高度变化的主要因素。在目前采用的这种测量方法中, 基本是在常温条件下进行的, 故其他因素的影响可忽略不计, 罐底板的规律也不会因此而有实质性影响。
表 1中列出的是在5 000 m3罐上进行参照高度测量的部分数据, 是通过在罐顶板上的两个同心圆上各开8个测量孔及中心一个孔, 共计17个孔处测量得到的。
表 1 5 000 m3立式罐参照高度测 mm
上述的测量在不同类型罐上反复进行了多次，通过对测量所得大量参照高度值进行分析研究，提出了罐底板的变形规律，这个规律基本上可以用图 1中曲线表示。
结合图 1将罐底板变形规律说明如下。
任意一座立式罐, 当罐内液位不断上升时, 会产生底量增加值ΔV, 即由于罐底板下降导致罐容量增加。
当液位值从0增加到Hk1时, 罐底板状态与空罐时相同, 不发生任何变化, 因此不产生底量增量, 即ΔV=0, 见图 1中第Ⅰ区。此时的空罐容积表保持其有效性。
图 1中Hk1称为液位第一临界点, 当液位上升到Hk1的一瞬间, 罐底板突然"失稳”，即突然产生大面积下沉变形, 造成罐容量在空罐容积的基础上, 产生一个增量ΔVk1，ΔVk1称为罐底量第一临界增量。这个变化过程是在一瞬间产生的, 此时罐底板的变形可称为失稳变形, 基本上属于机械变形。
在液位由Hk1逐渐上升到Hk2的过程中, 罐底板变形总体上仍呈下沉趋势, 底量增量ΔV不断增大, 基本上与液体增加量成正比, 直至液位达到Hk2时停止，Hk2称为液位第二临界点, 此时相应产生的底量增量ΔVK2称为第二临界增量。在Hk1至Hk2范围内, 形成第Ⅱ变化区, 该区域内罐底板变形属于自身弹性形, 故又可称为弹性变形区。在此区域内, 由于底量增量已经改变了它的液位与容量关系, 空罐容积表容量值已经不再适用, 必须进行实罐状态下的修正。
当液位由Hk2继续增长到安全储存高度H0时, 形成罐底增量变化的第Ⅲ区。在这个区域内, ΔVk2值基本处于稳定状态, 即罐底板总体上是处于无下沉变化状态, 所以该区可称为稳定区。显然, 空罐容积表在此区中是不适用的, 必须进行实罐修正。
由此可见, 对于任意一座立式罐, 在进行空罐状态下的常规检定后, 再通过实测方法确定出Hk1、Hk2、Vk1、Vk2四个参数值, 就找出了该罐底量增量的变化规律, 也就可以在空罐容积表基础上编制出实罐容积表。这个实罐容积表完全可以保证该罐在实际充液使用过程中, 所测液体体积具有0.l%的精度。
国内有关单位的研究表明, 立式罐底量增量值约为全罐总容量的0.1%~0.2%, 根据罐基础状态不同而有所差异。特别在软基础情况下, 大部分罐的底量增量僮可达到0.2%。国外的文献中介绍, 在5 000 m3罐上进行测量分析的结果表明, 罐底板下降产生的底量增量约为0.1%。这个结果与国内研究结果基本一致, 因此, 立式罐底量增量对罐容积表影响是严重的, 对底量增量不进行实罐修正就不能保证立式罐容量计量的精度。
实际应用
由于实际中存在着两个不可克服的困难, 故采用上述方法实际测量每个罐的底量增量是不可能的。首先是不可能在每一个被测罐上进行打孔测量, 在内、外浮顶罐上尤为不可能; 其次采用各个测量点处参照高度相对变化量来描述罐底板升降量﹒其单个数值有偶然性, 在底量增量总量上会出现误差。因此, 前述方法只适用于底量增量的定性研究，而不适用于广泛的实际测量。但是, 任何一个可以应用于实际底量增量的测量方法, 都应该依据基本规律来拟定。天津市的大容量计量工作者经过多年的研究提出了一种符合上述规律﹑简单方便﹑实际中可以应用的测算方法, 利用该测算方法在2000 m3罐上进行了实际测量，编制出实罐容积表，表 2中列出了该实罐容积表与原有空罐容积表的比较情况。
表 2 立式罐容积表比较
从表 2中可以看出, 经过修正的实罐容积表与原有空罐容积表有明显差别, 这种差别与每个罐的底板状态﹑容量大小, 地基稳定后的形状等因素有关, 罐不同, 这种差别也不同。因此, 实际修正时必须对每个罐都要进行单独测算。
-
[1] HAIMSON B C, CORNET F H. ISRM suggested methods for rock stress estimation-Part 3: hydraulic fracturing (HF) and/ or hydraulic testing of pre-existing fractures(HTPF)[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 2003, 40: 1011-1020. doi: 10.1016/j.ijrmms.2003.08.002
[2] 王成虎. 地应力主要测试和估算方法回顾与展望[J]. 地质评论, 2014, 60(5): 980-981. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-DZLP201405003.htm WANG C H. Review and prospect of main testing and estimation methods of in-situ stress[J]. Geological Review, 2014, 60(5): 980-981. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-DZLP201405003.htm
[3] 景锋, 盛谦, 张勇慧, 等. 我国原位地应力测量与地应力分析研究进展[J]. 岩土力学, 2011, 32(2): 51-54. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YTLX2011S2008.htm JING F, SHENG Q, ZHANG Y H, et al. Study advance on insite geostress measurement and analysis of initial geo-stress field in China[J]. Rock and Soil Mechanics, 2011, 32(2): 51-54. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YTLX2011S2008.htm
[4] 董光, 邓金根, 朱海燕, 等. 重复压裂前的地应力场分析[J]. 断块油气田, 2012, 19(4): 485-488. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-DKYT201204022.htm DONG G, DENG J G, ZHU H Y, et al. Analysis of stress field before refracture treatment[J]. Fault-Block Oil Gas Field, 2012, 19(4): 485-488. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-DKYT201204022.htm
[5] 赵刚, 董事尔. 水压致裂法测量地应力理论与应用[J]. 山西建筑, 2009, 35(36): 77-78. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-JZSX200936047.htm ZHAO G, DONG S E. Theory and application of hydraulic fracturing method of measuring in-situ stress[J]. Shanxi Architecture, 2009, 35(36): 77-78. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-JZSX200936047.htm
[6] 苏大明. XMAC测井资料评价水力压裂效果的应用分析[J]. 国外测井技术, 2011, 6(3): 41-43. SU D M. Analysis of the application of XMAC well logging data in evaluating the effect of hydraulic fracturing[J]. World Well Logging Technology, 2011, 6(3): 41-43.
[7] 程道解, 孙宝佃, 程志刚, 等. 基于测井资料的地应力评价现状及前景展望[J]. 测井技术, 2014, 38(4): 379-381. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-CJJS201404001.htm CHENG D J, SUN B D, CHENG Z G, et al. Current situation and prospect of in-situ stress assessment based on well logging data[J]. Well Logging Technology, 2014, 38(4): 379-381. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-CJJS201404001.htm
[8] 王军, ZHU Z Y, 郑晓波. 多极源随钻声波测井实验分析[J]. 地球物理学报, 2016, 59(5): 1909-1912. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-DQWX201605033.htm WANG J, ZHU Z Y, ZHENG X B. Experimental analysis on acoustic LWD with multi-pole source[J]. Chinese Journal of Geophysics, 2016, 59(5): 1909-1912. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-DQWX201605033.htm
[9] 严成增, 郑宏, 孙冠华, 等. 基于FDEM-Flow研究地应力对水力压裂的影响[J]. 岩土力学, 2016, 37(1): 237-243. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YTLX201601029.htm YAN C Z, ZHENG H, SUN G H, et al. Effect of in-situ stress on hydraulic fracturing based on FDEM-Flow[J]. Rock and Soil Mechanics, 2016, 37(1): 237-243. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YTLX201601029.htm
[10] YUAN Y, XU B, PALMGREN C. Design of caprock integrity in thermal stimulation of shallow oil-sands reservoirs[J]. Journal of Canadian Petroleum Technology, 2013, 52(4): 266-278.
[11] 王建军. 应用水压致裂法测量三维地应力的几个问题[J]. 岩石力学与工程学报, 2000, 19(2): 229-233. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YSLX200002026.htm WANG J J. Several problems of 3D in-situ stress measurement by hydraulic fracturing method[J]. Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2000, 19(2): 229-233. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YSLX200002026.htm
[12] 马秀敏, 彭华, 李振, 等. 深孔水压致裂地应力测量[J]. 地质评论, 2013, 59(增刊1): 1016-1017. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-DZLX201905015.htm MA X M, PENG H, LI Z, et al. Geo-stress measurement with hydro-fracture of deep borehole[J]. Geological Review, 2013, 59(S1): 1016-1017. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-DZLX201905015.htm
[13] 张重远, 吴满璐, 陈群策, 等. 地应力测量方法综述[J]. 河南理工大学学报(自然科学版), 2012, 31(3): 305-310. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-JGXB201203010.htm ZHANG C Y, WU M L, CHEN Q C, et al. Review of in-situ stress measurement method[J]. Journal of Henan Polytechnic University(Natural Science Edition), 2012, 31(3): 305-310. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-JGXB201203010.htm
[14] BELL J S, BACHU S. In-situ stress magnitudes in the Alberta Basin-regional coverage for petroleum engineers[C]. Alberta: SPE Canadian International Petroleum Conference, 2004: 155.
[15] YUAN Y, XU B, YANG B. Geomechanics for the thermal stimulation of heavy oil reservoirs[C]. Kuwait City: Heavy Oil Conference and Exhibition, 2011: 150293.
[16] SETTARI A, RAISBECK J M. Fracture mechanism analysis in in-situ oil sands recovery[J]. Journal of Canadian Petroleum Technology, 1979, 18(2): 252-254.
[17] 王晓杰, 彭仕宓, 吕本勋, 等. 用正交偶极阵列声波测井研究地层地应力场[J]. 中国石油大学学报(自然科学版), 2008, 3(4): 43-45. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-SYDX200804013.htm WANG X J, PENG S M, LYU B X, et al. Studying stress field of formation by using cross dipole array acoustic logging[J]. Journal of China University of Petroleum(Natural Science Edition), 2008, 3(4): 43-45. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-SYDX200804013.htm
[18] 尹帅, 丁文龙, 赵威, 等. 基于阵列声波测井的海陆过度相碎屑岩地层裂缝识别方法[J]. 石油钻探技术, 2015, 43(5): 75-79. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-SYZT201505015.htm YIN S, DING W L, ZHAO W, et al. Fracture identification method for marine-continent rocks based on the array acoustic logging[J]. Petroleum Drilling Techniques, 2015, 43(5): 75-79. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-SYZT201505015.htm
[19] 吴晓光, 季凤玲, 李德才. 偶极声波测井技术应用现状及研究进展[J]. 地球物理学进展, 2016, 31(1): 380-386. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-DQWJ201601044.htm WU X G, JI F L, LI D C. Application status and research progress of dipole acoustic well logging[J]. Progress in Geophysics, 2016, 31(1): 380-386. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-DQWJ201601044.htm
[20] 杨红, 许亮, 何衡, 等. 利用测井压裂资料求取储层地应力的方法[J]. 断块油气田, 2014, 21(4): 509-512. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-DKYT201404026.htm YANG H, XU L, HE H, et al. Method for obtaining ground stress of reservoir using logging and fracturing data[J]. FaultBlock Oil Gas Field, 2014, 21(4): 509-512. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-DKYT201404026.htm
[21] 赖富强, 孙建孟, 苏远大, 等. 利用多极子阵列声波测井预测地层破裂压力[J]. 地球物理勘探进展, 2007, 30(1): 39-42. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-KTDQ200701007.htm LAI F Q, SUN J M, SU Y D, et al. Predicting breakdown pressure by multiple array acoustic logging[J]. Progress in Exploration Geophysics, 2007, 30(1): 39-42. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-KTDQ200701007.htm
[22] 高坤, 陶果, 仵岳奇, 等. 利用多极子阵列声波测井资料计算横向各向同性地层破裂压力[J]. 中国石油大学学报(自然科学版), 2007, 31(1): 35-39. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-SYDX200701006.htm GAO K, TAO G, WU Y Q, et al. Determining breakdown pressures in transversely isotropic formation by multipole array acoustic logs[J]. Journal of China University of Petroleum (Edition of Natural Science), 2007, 31(1): 35-39. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-SYDX200701006.htm
[23] 董经利. 多极子阵列声波测井资料处理及应用[J]. 测井技术, 2009, 33(2): 115-119. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-CJJS200902006.htm DONG J L. Processing of multipole array acoustic log data and its application[J]. Well Logging Technology, 2009, 33(2): 115-119. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-CJJS200902006.htm
下载:
计量
- 文章访问数:
- HTML全文浏览量: 0
- PDF下载量: