井底應(yīng)力解除結(jié)合數(shù)字圖像相關(guān)法測量水平地應(yīng)力

1.目的

地應(yīng)力是頁巖氣勘探開發(fā)研究中涉及的一項(xiàng)重要參數(shù)。原巖地應(yīng)力測量方法目前主要包括應(yīng)力解除法和水壓致裂法兩種。其中前者測試深度相對較淺，需要足夠的地下空間容納空心包體應(yīng)力計(jì)設(shè)備；后者雖不受測試深度的限制，但求取最大水平應(yīng)力時(shí)則需要給出抗張強(qiáng)度、破裂壓力等參數(shù)，不確定度較大。為了給頁巖氣井位部署、壓裂設(shè)計(jì)及套管變形風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測等提供更可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，筆者采用井底應(yīng)力解除結(jié)合數(shù)字圖像相關(guān)法來測量水平應(yīng)力的大小和方向，以期提高測量的精確度和快捷度，并且為巖心實(shí)驗(yàn)結(jié)果提供實(shí)測數(shù)據(jù)，以便于其修正或印證。

2.方法

鉆直井至測量目的層，首先采用磨銑工具平整井底表面，然后沖洗井底并使用井下成像儀對井底表面進(jìn)行照明和拍照，結(jié)果顯示井底表面有磨銑工具形成的散斑。接著在井底鉆出如圖1所示的環(huán)形溝槽和中心孔，解除作用在巖柱上的水平地應(yīng)力。沖洗井底后，再次使用井下成像儀對井底表面進(jìn)行照明和拍照。由于應(yīng)力解除前后獲得的圖像來自兩次拍攝過程，鏡頭的位置、角度都有可能發(fā)生變化。因此后續(xù)處理過程中，首先要以井筒為特征對兩幅圖像進(jìn)行配準(zhǔn)。最后，以中心孔為極點(diǎn)建立井底平面極坐標(biāo)，通過數(shù)字圖像相關(guān)法獲得任意極角上的應(yīng)變。顯然，應(yīng)變最大的方向θx為最大水平應(yīng)力σx的方向，應(yīng)變?yōu)棣舩。應(yīng)變最小的方向θy為最小水平應(yīng)力σy的方向，應(yīng)變?yōu)棣舮。設(shè)楊氏模量為E、泊松比為λ，根據(jù)彈性力學(xué)理論可計(jì)算求得水平應(yīng)力值。

3.作用和效果

應(yīng)用結(jié)果表明，非接觸式數(shù)字圖像相關(guān)法可以解決油氣井下狹小空間應(yīng)變測量的問題，與井底應(yīng)力解除結(jié)合能夠?qū)崿F(xiàn)水平地應(yīng)力的測量。計(jì)算所需的楊氏模量、泊松比參數(shù)較抗張強(qiáng)度、破裂壓力更易獲得。根據(jù)頁巖氣井實(shí)際參數(shù)進(jìn)行模擬計(jì)算；在數(shù)字圖像分辨率為1億像素的條件下，理論上的測量誤差不超過2%。如果將鉆孔、井底沖洗與攝像功能集成到同一個(gè)設(shè)備上，還可以省略圖像配準(zhǔn)的步驟，進(jìn)一步節(jié)約作業(yè)時(shí)間實(shí)現(xiàn)即測即得。結(jié)論認(rèn)為，該方法測量水平地應(yīng)力無需取心實(shí)驗(yàn)且測量精度高，為油氣領(lǐng)域地應(yīng)力的實(shí)地測量提供了新方向，可以為頁巖氣開發(fā)研究提供更準(zhǔn)確、更豐富的地應(yīng)力數(shù)據(jù)。