基于分形方法的多孔介质有效应力模型研究1.doc

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豆丁网:/week114 基于分形方法的多孔介质有效应力模型研究1 闫铁,李玮,毕雪亮 大庆石油学院提高油气采收率教育部重点实验室,黑龙江大庆 (163318) E-mail: HYPERLINK mailto:yant@ yant@ 摘 要:泰尔扎吉(Terzaghi)的有效应力方程是描述多孔介质应力关系的经典模型,后来 的学者相继开展了很多研究,建立了相关模型,但基本都基于浅层岩土而建立的。本文在充 分研究国内外多孔介质有效应力研究基础上,针对石油工程中深层岩石复杂结构特征,应用 分形几何理论,分别建立了深层多孔介质岩石有效应力的二维和三维分形计算模型。该模型 能反应任意孔隙结构下的应力作用关系,是现有相关有效应力模型的补充和完善。为了现场 应用方便,进一步给出多孔介质有效应力分形模型的简化式。实例计算表明,应用简化式计 算的有效应力值误差在 7%以内,可以满足油田现场的要求,并且应用简化式有利于应用测 井数据获得连续的有效应力剖面。 关键词:多孔介质;有效应力;Terzaghi 方程;分形几何;分形维数 1. 引言 所谓多孔介质是一种由非均匀组成且具有复杂多变孔隙结构上的复杂体,有效应力是描 述多孔介质中力学特征的基本参数。岩土和岩石是多孔介质中典型的例子,其结构上是由相 互连接在一起的固体颗粒(骨架)所组成的,孔隙中通常被一种或几种流体填充。通常情况下, 多孔介质同时受到外部应力和内部应力的共同作用。 目前有关多孔介质有效应力的计算模型很多,但都基本基于浅层岩土而建立的。石油工 程中的深层岩石多孔介质材料与浅层岩土相比,存在以下特点:岩石组成结构严密,支撑颗 粒胶结良好;岩石内的孔隙空间小,结构复杂,联通性差;深部岩石和岩石孔隙中流体所处 压力环境复杂。由于深部岩石与浅层岩土之间在组成结构及所处环境上的差异,造成有效应 力的计算存在着一定的差别。近几年的研究表明,深层多孔介质的岩石具有分形特征,应用 分形力学方法来研究更具实际意义。 本文应用分形理论,从多孔介质结构上的随机性、非均匀性入手,重新建立了有效应力 的分形计算模型,并进行了相应的参数分析和简化计算,为进一步应用分形方法研究多孔介 质的应力关系奠定基础。 2. 多孔介质有效应力的基本模型分析 1923年泰尔扎吉[1]在研究浅层岩土多孔介质时,首先引入了一维压实有效应力的概念, 并给出如下关系 σ O = σ + PP (1) 式中:σ O 为作用在整个多孔介质上的应力,称为总应力,MPa;σ 为作用在固体颗粒 上的应力,称为有效应力,MPa; PP 为孔隙中流体的压力,称为孔隙压力,MPa。这种一 维的地层内部应力处理方法后来被Biot所总结,并用相容性理论阐明了扩散与变形耦合作用 的一体过程[2,3]。目前式(1)已经广泛应用于地基处理、岩土工程、地质、石油工程等许多 领域。 1 本课题得到教育部博士点基金(20070220001)凝灰质储层水力压裂断裂损伤机理及裂缝几何形态描述的 资助。 1959 年 Habbert 等人[4]借鉴了泰尔扎吉方程原理。认为上覆岩层总体重力所形成的压力 σ OV 即为总应力σ O ,它由沉积物颗粒之间接触点上的应力σ (基岩应力)与孔隙流体压力 Pp 共同支撑,即 σ OV  = σ + Pp (2) 式中:σ OV 上覆岩层压力,MPa。在简单修改变量的概念后,式(2)通过形式上基本 照搬式(1),但内涵有所不同。由于方程式(2)中只有一个未知量且和上覆岩层压力联系 起来,因此在石油工程中得到了广泛的应用。 由以上两式的结构可知,σ 和 PP 两个量均衡地分担总应力的作用,而忽略了岩石本体 [5] 结构特征在σ 和 PP 之间协调所起的作用。 1963年Handin等人 了校正因子,改进为: 对以上两式进行修正并引入 σ O = ασ + (1 ? α )PP (3) 式中:α 被称为有效应力系数,或Biot系数,α = 1 ? Cr CB ,Cr 为骨架压缩率, CB 为容积压缩率。对比以上两式,若考虑α 非常小情况,ασ 趋向于有限的极限σ ,(1- α ) 近似为1,则式(3)将变为式(1),即泰尔扎吉方程。这说明(1)是式(3)中α 很小时 的一种特殊情况。然而,这种“ α 非常小”的假设是是很难满足的,因为对于许多胶结良好的 多孔介质(如基质胶结岩石),颗粒接触面积常常大于孔隙面积[6]。式中有效应力系数的引入意 味着在颗粒间存在着胶结作用抑制了孔隙压力的大小以平衡施加的载荷。 上个世纪90年代末,李传亮等人[7]对多孔介质展开了系统而深入的研究,进一步发展了 有效应力理论。他从本体有效应力和和结构有效应力两个方面阐述了多孔介质所受的应力关 系,并得出了本体有效应力的真实应

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