井孔应力集中对页岩中声波测井影响的数值模拟研究

Borehole sonic logging measurements provide important information about subsurface rock elasticity. Drilling a borehole in a formation strongly alters the stress distribution in its vicinity that can affect formation elasticity. Thus, achieving a correct interpretation of sonic measurements requires an understanding of the relationship between the stress and the elastic response of the formation around a borehole. Existing methods for modeling the effect of borehole stress concentration on sonic logging assume that rocks are isotropic at zero stress state and the observed in situ anisotropy is caused by stresses. However, this assumption can only be applied to rocks, such as sand or limestone, that are relatively homogenous and have no aligned micro-structure, while it is invalid for shale because of its strong intrinsic anisotropy. It is proposed to combine rock physics modeling and borehole wave propagation simulation to investigate the interaction between shale intrinsic anisotropy and borehole stress-induced elasticity changes and their influence on borehole acoustic response.

声波测井是井中测量岩石弹性性质的主要方法。钻井把井中原有的岩石移除后代以填充较轻的泥浆，这会改变井孔附近的应力分布，导致应力集中在井孔周围，从而影响井孔附近岩石的弹性性质。因此，研究井孔应力对声波测井的影响可用于指导声波数据解析，同时这也是利用声波方法反演地应力信息的理论基础。对这一问题，已有的模拟方法都是假设岩石在没有外部压力作用下时是弹性各向同性的，在井中地应力作用下会表现出弹性各向异性性质。但这一假设只适用于比较均匀而且没有明显层理结构的岩石，例如砂岩或石灰岩，对页岩却是不成立的。因为页岩的薄片状层理结构使得它具有很强的本征弹性各向异性。本项目计划通过结合页岩的岩石物理数值模拟和井孔的声波传播数值模拟来研究井孔应力集中对页岩中声波测井的影响。通过本项目，我们可以更加准确地研究在地应力作用下页岩中的井孔声波响应特征。

本项目计划建立一套适用于计算地应力对各向异性页岩地层井孔声波响应影响的数值模拟方法，然后通过数值模拟研究在不同页岩弹性性质和地应力条件下井孔的声波响应特征及其影响因素。在按照本项目研究计划执行的前提下，我们向与课题相关的多个研究方向进行了深入的拓展研究。目前，我们已经发展了基于显式解析解的各向异性地层裸眼井和套管井应力分布计算方法、适用于各向异性页岩的井孔岩石物理建模方法、页岩井孔声波测井模拟方法和通过井径仪数据识别井壁崩落的可靠算法。通过对裸眼井和套管井井周地应力分布和井中声波测井特征的深入研究，我们发现慢地层中单极子源激发的地层透过横波能够被声波测井仪探测到，这一发现表明有可能利用单极声波测井数据获得慢地层的剪切波速度。本项目的研究过程中获得了大量有应用价值的成果，这些研究成果有希望应用于声波测井数据解释、钻井稳定性分析、完井岩石力学分析和井安全性分析等实际问题中。相关研究成果已在国际权威学术期刊发表了8篇论文，在SEG（国际勘探地球物理年会）和ARMA（美国岩石力学年会）等国际会议发表了5篇会议论文，同时获得了3项中国发明专利（已授权）和1项美国发明专利（已授权）。