钻头扰动对天然气水合物岩心和井周地层弹性波速影响研究

以揭示钻井过程中天然气水合物岩心和井周地层受典型保压取心钻具之钻头扰动的范围和程度为目标，开展以四氢呋喃代替天然气制备水合物模型地层研究，测试其力学特性；试验研究应力水平对四氢呋喃水合物模型地层波速的影响，测定其应力与波速的关系曲线；在四氢呋喃水合物模型地层开展典型保压取心钻具之钻头对岩心和井周地层扰动的模拟钻井试验，主要以波速相对变化量为评价指标，测定天然气水合物岩心和井壁周围地层受典型保压取心钻具之钻头扰动的范围和程度；对井底以下局部水合物地层受钻头扰动的应力分布进行数值模拟，结合测定的应力与波速关系曲线，预测真实钻井过程中不同钻压条件下典型保压取心钻具之钻头对岩心和井周地层的扰动范围和程度。本项目关于钻井过程中钻头扰动对天然气水合物岩心和井周地层弹性波速影响研究，具有重要的学术理论价值和实际应用价值，将为通过岩心分析和测井获取天然气水合物地层准确信息提供重要参考。

本项目提出了两种制备悬浮态水合物模型岩心的工艺方法，研制了悬浮态水合物模型岩心制备专用装置，进行了骨架材料试验优选，测量了悬浮态水合物模型岩心中水合物替代物的饱和度与波速对应关系，研制了侧限压缩条件下测定岩心模型弹性波速专用低温测试装置，制备了不同饱和度的胶结态水合物模型岩心，测试了其在不同压应力下的波速；对目前成熟度最高、应用最广的PCS水合物保压取芯钻具取芯过程进行了深入分析，建立了钻头对水合物地层扰动的有限元计算模型，通过有限元数值模拟得到了不同钻压条件下岩心区域和井周地层中的应力应变分布图，结合实验室测得的应力与波速对应关系曲线，从理论上确定了不同条件下钻头扰动对岩心和井周地层弹性波速的影响范围，制备了不同饱和度的冰胶结大块模型地层，采用PCS保压取芯钻具缩尺模型，实施了不同钻压和转速条件下的模拟钻井实验，在井周沿径向和轴向进行了微扰动取样测量，比较了钻进前后的波速变化，以波速相对变化量为评价指标，考查了不同钻压条件下岩心和井周地层受扰动程度；数值仿真和模拟钻井试验结果表明，钻头扰动对岩心和井周地层波速影响显著。