井底應力解除結合數字圖像相關法測量水平地應力

1.目的

地應力是頁巖氣勘探開發研究中涉及的一項重要參數。原巖地應力測量方法目前主要包括應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力計設備；后者雖不受測試深度的限制，但求取最大水平應力時則需要給出抗張強度、破裂壓力等參數，不確定度較大。為了給頁巖氣井位部署、壓裂設計及套管變形風險預測等提供更可靠的基礎數據，筆者采用井底應力解除結合數字圖像相關法來測量水平應力的大小和方向，以期提高測量的精確度和快捷度，并且為巖心實驗結果提供實測數據，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行照明和拍照，結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所示的環形溝槽和中心孔，解除作用在巖柱上的水平地應力。沖洗井底后，再次使用井下成像儀對井底表面進行照明和拍照。由于應力解除前后獲得的圖像來自兩次拍攝過程，鏡頭的位置、角度都有可能發生變化。因此后續處理過程中，首先要以井筒為特征對兩幅圖像進行配準。最后，以中心孔為極點建立井底平面極坐標，通過數字圖像相關法獲得任意極角上的應變。顯然，應變最大的方向θx為最大水平應力σx的方向，應變為εx。應變最小的方向θy為最小水平應力σy的方向，應變為εy。設楊氏模量為E、泊松比為λ，根據彈性力學理論可計算求得水平應力值。

3.作用和效果

應用結果表明，非接觸式數字圖像相關法可以解決油氣井下狹小空間應變測量的問題，與井底應力解除結合能夠實現水平地應力的測量。計算所需的楊氏模量、泊松比參數較抗張強度、破裂壓力更易獲得。根據頁巖氣井實際參數進行模擬計算；在數字圖像分辨率為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設備上，還可以省略圖像配準的步驟，進一步節約作業時間實現即測即得。結論認為，該方法測量水平地應力無需取心實驗且測量精度高，為油氣領域地應力的實地測量提供了新方向，可以為頁巖氣開發研究提供更準確、更豐富的地應力數據。