営瓊盆地を例とした土壌圧密音響実験と間隙水圧予測モデルの確立

Dec 30, 2023

Scientific Reports volume 13、記事番号: 1885 (2023) この記事を引用

492 アクセス

2 オルトメトリック

メトリクスの詳細

南シナ海の営瓊盆地に適した間隙水圧予測モデルを確立する。 炉心圧密過程を模擬する新しい室内試験法を設計し、土圧密音響実験を実施して各種パラメータを解析し、対象ブロックに適した異常間隙水圧予測モデルを確立した。 まず、営瓊盆地における異常高圧の原因を分析・特定し、地層の搬入・搬出のシミュレーション実験を行います。 土の圧密、実験装置、実験計画を設計します。 数セットの実験を実施し、実験中の各種パラメータの変化を解析・集計し、この地域に適した間隙水圧予測モデルを標準化・確立し、この地域の一部の井戸で適用検証・評価を実施しました。 結果は,予測モデルが正確で適用可能であることを示し,予測精度が従来の予測モデルよりわずかに優れている土壌圧密実験法によって間隙水圧を予測できることを示した。 本研究では、実行可能な土圧密音響実験手法を用いて、厳密なコア岩を使用せずに岩石力学実験と間隙水圧予測モデルを確立することができます。 実験により、この方法の実現可能性が証明され、積載機構予測モデルと除荷機構予測モデルを含む 2 つの予測モデルが得られました。

天然資源省の石油・ガス資源評価によると、鶯歌海盆地と瓊東南盆地は海洋資源の80％以上を占め1、オーバーフローと循環喪失2の顕著な特徴を持っています。 楽東ガス田と雅城ガス田は、南シナ海西部油田の重要な石油・ガス資源地帯であり、豊富な石油・ガス資源を有しているが、航路砂の発達により地質条件は複雑である3。 高温高圧の坑井では密度範囲が狭く、オーバーフローや漏洩などの複雑な状況が頻繁に発生します。 例として、営瓊盆地の一区画にある 9 つの高温高圧の試掘井を取り上げます。複雑な井戸制御条件を持つこれらの井戸はすべてオーバーフローが発生し、そのうち 6 つは循環を失いました。 動作密度ウィンドウは 0.11 未満であり、一部のウェルには負のウィンドウさえあります。 ３つの井戸を封鎖するための掘削中に掘削は中止を余儀なくされた。

異常な高圧の原因には、地質学的、物理的、地球化学的、力学的な要因など、さまざまな原因があります。 あるブロック内の異常高圧の原因は、一般に、ある要因が支配的であり、他の要因によって補われる4。 異常高圧の発生メカニズムは数多くありますが 5、6、異常高圧の最も一般的なメカニズムは常に炭化水素の生成と圧縮不足です 7。 炭化水素の生成は間隙流体容積の変化によって引き起こされる異常高圧に属し、過圧縮は岩石間隙容積の変化によって引き起こされる異常高圧に属します。

荷重機構（アンダーコンパクション）にはイートン法8と等価深さ法9、除荷機構にはバウワーズ法10、11など、さまざまな機構によって形成される異常高圧についてはさまざまな計算モデルがあります。 内外の圧力試験研究の分野ではある程度の進歩が見られたが、上記の研究結果は営瓊盆地の高温高圧井の地層圧力予測には適しておらず、圧力計算方法は大きな誤差。 営瓊盆地の地層圧力計算モデルに関する研究を実施することが急務である。

過去に提案された間隙水圧予測モデルは、帰納的解析とモデリング後の坑井検層データに基づいていました。 このモデルは地域のデータに基づいて得られたもので、地域の適用可能性は大きく依存しており、厳格な岩石力学の実験的検証と研究には合格していませんでした。 地下岩石を完全にコアリングして岩石力学実験を行うことは、コアリングが難しいだけでなく、採取後の岩盤の原位置応力状態も変化してしまいます。 したがって、この方法の実験には大きな誤差が生じます。 この研究は、南シナ海の地層の切り出し物を使用した実験室での実験に基づいています。 さまざまな圧縮機構の形成メカニズムに従って、コアは自家製であり、屋内人工コアサンプルは土壌圧密音響実験研究と分析に使用されます。 研究変数が制御され、パラメータの関係が要約されます。 間隙水圧予測モデルのフィッティングと導出は、上記手法の欠点を解決した土圧密実験法による間隙水圧予測とモデル化を行うことで確立されており、予測精度は他の従来の予測モデルより若干優れています。 本研究で用いた土の圧密実験法は、厳密な地下コアリングを行わずに岩石力学実験や間隙水圧予測モデルを確立することを可能にしますが、これまでの実証モデルの実験的根拠の欠如も補います。

本研究では、泥岩固結プロセスの音波と密度応答則を利用した屋内土壌固結音響実験の方法を通じて、楽東ブロックと雅城ブロックにおける異常高圧の形成メカニズムの研究を実施し、測定を行った。ロードおよびアンロード機構の圧力形成プロセスの研究が行われます。 坑井データ応答則は、ターゲットブロックに適した地層圧力計算モデルの確立に役立ちます。これは、さまざまな圧縮機構の下での間隙圧力予測のための実験科学を提供するだけでなく、異常に高圧なブロックで効果的かつ正確に管理された圧力掘削のための技術サポートも提供します。営瓊盆地の安全かつ効率的な街区開発を促進します。

Bowers 10,11 と Tosaya12 による泥岩の実験データ解析によれば、異常高圧の形成メカニズムは音密度交点マップを使用することで特定できます 13,14。 荷重（アンダーコンパクション）プロセス中、波の速度と密度および密度の物理的特性パラメーターは両方とも有効応力とともに増加します。 除荷プロセス（水熱加圧、炭化水素の生成、流体の充填）中、有効応力が減少するにつれて、波の速度も大幅に減少しますが、密度データは基本的に変化しません。 音速と抵抗率、密度と空隙率はそれぞれ伝導特性と体積特性です。 岩石が除荷を受けると、細孔容積が増加し、有効応力が減少し、音速などの伝導特性は除荷機構の変化により敏感になるため、明らかな変化が生じますが、体積特性は密度や気孔率などのパラメータは基本的に変更されません15。 図1に示すように、荷重機構の作用により、岩石の有効応力が増加し、音波の速度と密度も大幅に増加します。 岩石除去機構の作用により有効応力が減少し、有効応力により音波速度が減少します。 徐々に減少傾向にありますが、現時点では密度は基本的に変化していません。 したがって、異常高圧地層メカニズムの種類は、地層の負荷時または無負荷時の音響波の速度と密度の異なる応答特性に基づいて分析できます16,17。

音波の速度または密度と有効応力との関係。

Yingqiong 盆地の Ledong ブロックの坑井 A は、Yinggehai 層の 2 番目の層の深さ 3354 ～ 3465 m に位置しています。 伐採時の音響特性と密度を解析します。 データは、図2aに示すように、密度は基本的に変化せず、音速が減少することを示しており、アンロード機構の規則的な特性と一致しています。 同様に、以下の図2b、cに示すように、坑井Bの梅山層の最初の層の3868〜3982 mのセクションと梅山層の2番目の層の4027〜4175 mのセクションの分析は、両方とも次のことを示しています。明らかなアンロードメカニズム。

レドン鉱区の一部の井戸の異常な圧力の特定。

営瓊盆地の雅城鉱区の坑井 C は、深さ 3654 ～ 3842 m に位置し、黄流層の最初の層に位置しています。 伐採時の音響特性と密度を解析します。 データは、以下の図 3a に示すように、密度は基本的に変化せず、音速が減少することを示しています。 図に示すように、アンロード機構の通常の特性に準拠しています。

亜城鉱区の一部の井戸で異常な圧力が確認された。

営瓊盆地の雅城鉱区の坑井 C は、深さ 3843 ～ 3962 m に位置し、黄流層の 2 番目の層に位置しています。 伐採時の音響特性と密度を解析します。 データは、以下の図 3b に示すように、密度と音速が同時に増加することを示しています。 荷重機構の規則的な特性に適合していることが示されています。 同様に、以下の図3cに示すように、坑井Dの三亜層の最初の部分の3950〜4266 mセクションの分析でも、明らかな荷重メカニズムが示されています。

したがって、営瓊盆地に位置する楽東地域と亜城地域の異常高圧は発生源が似ている。 加圧成形機構には主に 2 つの明らかな機構、すなわちローディング機構とアンロード機構があります。

有効応力理論に基づいて実験シミュレーションを実施し、異常高圧下における音速と音密度の応答実験を行った。

本研究では、過小圧縮と通常の圧縮の両方が載荷過程に属し、同じ有効応力が同じ気孔率を生成すると考えられますが、過小圧縮の方が載荷速度が速く、異常に高い圧力が発生すると考えられます。 本研究では、有効応力が減少する（垂直応力は変化せず、間隙圧力が増加する）過程が除荷過程である。 実験プロセスにおける主な実験変数は、音速、密度、有効応力、間隙圧力、垂直圧力です。

この方法では、営瓊盆地地域の実際の地層切土が選択されました。 挿し木が採取できるおおよその位置は東経 108.6 度、北緯 17.7 度、深さは 2050 m です。 実験前に、切り出した岩石を40メッシュの破砕機で破砕し、土を形成した。 実験用の岩石切断物を図4に示します。

形成の挿し木と土壌。

この実験の装置には、2 つのキャリア、圧力シリンダー、音響波センサー プローブが含まれています。 実験補助装置には、サーボ制御コンプレッサー、音響試験システム、コンピュータ、高圧パイプライン、音響波試験ライン、シールリングなどが含まれます。その中で、サーボ制御コンプレッサーのモデルは、図に示すようにTAW-100です。 .5aは変位変化を高精度にリアルタイムに記録することができ、圧力と変位の精度は0.1%です。 図5bに示すように、音響試験システムのモデルはHKN-Bで、時間読み取り精度は0.05マイクロ秒です。 この実験は音波速度を収集するために直接浸透法を採用し、屈折波、散乱波などの影響を避けるために、実験装置は屈折波と散乱波の影響を弱めるための対応する措置を講じています。 たとえば、上下のキャリアシリンダーに切り込みを入れる方法により、散乱波や表面波の影響が軽減されます。 同時に、音響波試験の系統的誤差を回避するために、2つの音響波センサーと音響波試験装置の間の音響波時間差が直接測定され、それらが除去されます。 それらの間の自己遅延を排除すると、実験がより厳密になります。

装置。

土を固める装置では、圧力シリンダー内にキャリアを設置し、圧力シリンダー内に実験に必要な土を充填する必要があります。 加圧シリンダー内に別のキャリアを設置し、キャリア内に 2 つの音響波センサーを設置する必要があります。 土壌固結装置を図 5a の中央に示します。 土壌固結装置は高精度サーボ制御コンプレッサーの下に設置され、音響試験システムと音響波センサーは音響波ラインで接続され、圧力シリンダー壁穴と間隙水圧制御システムは高精度ケーブルで接続されています。圧力パイプライン。 実験システムの概略図を図6に示します。

実験システムの概略図。

初期実験パラメータ: 間隙圧力 5 MPa、垂直圧力 10 MPa。

通常の圧縮 間隙圧力と鉛直圧力は、最初の実験値から一定時間 (60 分) 後に同じ速度で徐々に負荷されます。 間隙水圧と垂直圧力が増加し、有効応力が増加しますが、間隙水圧相当密度は変化しません。 例: 間隙圧力は 10 MPa に負荷され、垂直圧力は 20 MPa に負荷されます。 つまり、有効応力が増加し、間隙水圧相当密度は変化しない。

通常の締固め曲線に従って、同じ有効応力に基づいて同じ程度の締固めを生成するアンダーコンパクションを行うと、異なる等価間隙圧力の下で音波の速度と密度が得られます。 実験中、コアの変位が安定した後、音速や変位などの実験パラメータを測定しました。

このスキームでは荷重速度を変更して複数の実験を実行しますが、コア荷重中の通常の圧縮または過小圧縮中のリアルタイム有効応力と間隙圧力相当密度の変動則が保証される必要があります。 実験グループ 1 の各実験点のパラメーターを以下の表 1 に示します。

初期実験パラメータ: 例: 間隙圧力 5 MPa、垂直圧力 10 MPa。

間隙圧力と鉛直圧力は初期の実験値からのものであり、一定時間 (例: 60 分) の後、一定速度と通常の圧縮によって徐々に一定の値まで荷重が加えられます (たとえば、間隙圧力は荷重されます)。 30MPaまで、垂直圧力は60MPaまで負荷されます。 一定期間（24 時間）保管します。

垂直方向の圧力を一定に保つと、間隙圧力の増加により有効応力が減少します。 例: 垂直圧力は 60 MPa で変化せず、一定時間 (60 分) 後に間隙圧力は 30 MPa から 40 MPa に増加します。 すなわち、有効応力が減少し、間隙圧力相当密度が増加する。 実験中、コアの変位が安定した後、音速や変位などの実験パラメータを測定しました。

除荷速度を変更してこのスキームを数回繰り返すことは可能ですが、炉心除荷効果と有効応力が増加し、間隙圧力相当密度が増加することを確認する必要があります。 実験グループ 2 の各実験点のパラメーターを以下の表 2 に示します。

本研究における載荷実験は複数セットの実験を実施した（試験後の土固めコアを図7に示す）が、ここでは解析と説明のために1セットの実験結果のみを示す。 実験グループ 1 のサンプルパラメータ: 岩質: 泥岩。 サンプリング深さ: 2050 m; 泥含有量: 0.346。

土壌が固まった後の岩石。

荷重実験: 通常の圧縮プロセスをシミュレートし、軸圧力と間隙圧力を増加させ、有効応力を徐々に増加させます。 圧密が安定した後、各有効応力点の音速、密度、その他のパラメータが測定されます。 実験グループ 1 の有効応力は 5 MPa から 30 MPa まで徐々に増加しました。

通常の圧縮：間隙圧力を 5 MPa から 30 MPa まで徐々に増加させ、これに応じて鉛直圧力を 10 MPa から 60 MPa まで増加させ、有効応力を 5 MPa から 30 MPa まで徐々に増加させます。

アンダーコンパクション：同じ有効応力で同じ程度の締固めを行い、通常の締固め曲線に従って、異なる等価間隙圧力の下での音波速度と密度が得られ、下の図8に示すようにグラフが描画されます。 。 有効応力が増加すると密度が増加し、有効応力が増加すると音速が増加します。

異なる等価間隙圧の下での音波の速度と密度の法則。

本研究における除荷実験も複数セットの実験を実施した（試験後の土固結コアを図9に示す）が、ここでは解析と説明のために1セットの実験結果のみを示す。

土壌が固まった後の岩石。

アンロードプロセスをシミュレートします。 通常の圧縮が安定した後、軸圧力は変化せず、間隙圧力を増加させて有効応力を徐々に減少させます。 実験が安定した後、各有効応力点の音波速度や密度などのパラメータが測定され、有効応力の範囲は 30 MPa です。 5MPaまで減圧し、除荷開始点は30MPaとなります。 各実験結果のデータを以下の図１０に示す。 実効応力が減少しても密度は基本的に変化せず、実効応力が減少すると音速は減少します。

アンロード実験の結果。

モデリングプロセス:

正規化された音波速度 (無次元):

\({V}_{0}\): 通常圧縮の超音波速度。\(V\): 測定の超音波速度。

異なる等価間隙圧力の下での音波速度マップに従って,標準化された音波速度V*行列と荷重有効応力行列を確立した。 V* と有効応力マトリックス データのクロス プロットを以下の図 11 に示します。 継手のタイプを式のように決定します。 (2)、係数行列 a、b を当てはめて解きます。

\({\sigma }_{e}\): 有効応力。 \(a, b\): 係数。

V* および有効応力マトリックス データ。

a および b の係数行列と表土圧力との関係を確立し、a および b をフィッティングしてパラメータ化します (サンプル 1 に基づく)。

\({\sigma }_{v}\): 過負荷圧力。

サンプル 2 については、上記のモデリング プロセスと同じモデルを作成し、サンプル 2 のパラメータ a と b を取得します。

他のグループの実験結果を組み合わせると、荷重モデルが得られます。

標準化された音速 (無次元)、標準化された除荷開始応力 (無次元):

\({V}_{q}\): 開始点での超音波速度。\(V\): 測定の超音波速度。\({\sigma }_{eq}\): 開始点での有効応力。

\(\sigma_{e*}\) 行列と V* 行列を確立します。 V* と \(\sigma_{e*}\) 行列データの交差部分を以下の図 12 に示します。 継手のタイプを式のように決定します。 (7) 係数行列 a と b を当てはめて解きます (サンプル 1 に基づく)。

V* および σe ∗ 行列データ。

他のグループの実験結果を組み合わせると、除荷モデルが得られます。

坑井 A1 では、検層データによれば、荷重モデルは坑井間隔 1000 ～ 3500 m に適しています。 この研究では、間隙水圧の予測 (d = 0.5) が荷重モデルに従って実行されます。 予測結果は、以下の図 13 のウェル A1 に示されています。 一般的に使用されるイートンモデルの計算結果を図にプロットします。 本研究における予測モデルの計算結果をイートンモデルと比較する。 圧力測定データによると、間隙圧力の総合精度誤差は 8% から 3% に減少します。 坑井 A2 については、検層データによれば、載荷モデルは 2200 ～ 3500 m の坑井区間に適しており、本研究では載荷モデルに従って間隙水圧予測（d = 2.5）を実施した。 予測結果は、以下の図 13 のウェル A2 に示されています。 一般的に使用されるイートンモデルの計算結果を図にプロットします。 この研究の予測モデルの計算結果は、最初と 3 番目の圧力測定点の精度が同等であり、間隙水圧精度誤差が 9.6 % と 4% であったのに対し、2.4 に減少することを除いて、イートン モデルの計算結果と比較されます。それぞれ0.6%です。 したがって、一般的に使用されているイートン モデルと比較して、このモデルの総合精度は 96% に向上します。

負荷モデリングの予測結果の比較。

坑井 B1 および B2 については、検層データによると、除荷モデルは 3400 ～ 4000 m の坑井セクションと 3650 ～ 4000 m の坑井セクションに適しています。 本研究では除荷モデルに従って間隙水圧予測を行った。 予測結果を図 14 のウェル B1 とウェル B2 に示します。図には一般的に使用される Bowers 法モデルの計算結果がプロットされています。 Bowers 法モデルと比較して、この研究の予測モデルの総精度誤差は 9% から 2% 減少しました。 したがって、一般的に使用される Bowers 法のモデルと比較して、このモデルの総合精度は 98% に向上します。

除荷モデリングの予測結果の比較。

営瓊盆地における主な圧力形成機構は、ローディング機構とアンローディング機構である。

間隙水圧予測モデルを確立するための新しい方法、すなわち土圧密音響実験法が得られた。 載荷機構と除荷機構をシミュレーションするための実験装置と実験計画を設計し、室内実験により土の圧密と間隙水圧の予測のシミュレーション方法を確立した。

新しい方法によれば、2 つの間隙水圧予測モデルが確立されます。 荷重機構の予測モデルを式(1)に示す。 除荷機構予測モデルは式(5)に示されます。 (8)。

地盤圧密音響実験に基づいて予測モデルを確立することが可能です。 この研究で確立された予測モデルに従って、南シナ海営瓊盆地のいくつかの井戸が検証および適用され、このモデルの効果が評価されました。 結果は、予測精度が従来の予測モデルよりわずかに優れていることを示しています。 したがって、土壌圧密実験法は、石油工学における間隙圧の予測に使用できます。

現在の研究中に使用および分析されたデータセットは、合理的な要求に応じて責任著者から入手できます。

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ハン・ジョンイン、チェン・ユアンファン、ヤン・チュアンリャン

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HZ、CY、YC は革新的なアイデアと手法を提案しました。 SB は実験を実行し、データを分析し、論文を執筆しました。 著者は最終原稿を読んで承認しました。

ボソンさんへの手紙。

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Han, Z.、Sun, B.、Cheng, Y. 他営瓊盆地を例とした土壌圧密音響実験と間隙水圧予測モデルの確立。 Sci Rep 13、1885 (2023)。 https://doi.org/10.1038/s41598-023-29078-x

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受信日: 2022 年 10 月 1 日

受理日: 2023 年 1 月 30 日

公開日: 2023 年 2 月 2 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-29078-x

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