基于天然气水合物勘探的多功能CPTU数据解释与聚类算法研究

发布时间：2020-04-09 06:15

【摘要】：21世纪是海洋的世纪,海洋工程建设和海洋矿产资源开发是海洋经济的引擎。作为一个新矿种,天然气水合物潜力巨大,天然气水合物储层的准确识别和精细定量评价是自然界水合物开发利用的基础。目前,地球物理测井是除地震和钻探取心外最有效的原位识别和评价方法。测井离不开钻探,海洋钻探是一项技术复杂且成本高昂的工作。多功能静力触探技术集合了测井技术和传统孔压静力触探(CPTU)技术的优点,随着多功能CPTU技术的发展,其作用不仅限于评价岩土体特性,在识别地层异常方面,也大有用武之地;CPTU探头的丰富性,无疑会使这种识别效果大大提升。如果能用多功能CPTU技术对天然气水合物特征地层或储层进行识别,然后再采用钻探取芯或测井技术对天然气水合物储层进行验证,则可以大大提高水合物储层的勘探效率,降低勘探成本。在贯入机理方面,通过对比现存的CPTU各种研究方法,提出了将孔穴扩张理论和有限元法相结合的研究思路。利用孔穴扩张理论解释CPTU锥尖阻力等测试数据,利用有限元法模拟了土体刚度指数、原位应力状态和探头粗糙程度对粘土中CPTU锥尖阻力的影响,土体应变软化和应变速率对海相粘土中CPTU锥尖阻力的影响,土体应力状态、剪切模量、摩擦角、膨胀角等因素对砂土中CPTU锥尖阻力的影响,并分析了探头周围土体的变形和塑性区的扩展与孔穴扩张理论的关系。在应用方面,在对比现存的基于CPTU测试数据的土体行为分类法基础上,引入层次聚类算法,提出了基于CPTU测试数据的聚类流程图。将聚类流程图转化为Matlab代码,实现了聚类流程的计算机化。利用聚类流程图,结合国际上通用的Robertson和Campanella分类图,提出了一套土层划分与分类规则。然后将该方法应用于CPT测试、CPTU测试和海上CPTU测试项目中,并利用临近土层钻孔柱状图、孔穴扩张理论与有限元法研究成果验证了基于CPTU测试数据的土体聚类分层效果。最后,研究了天然气水合物储层与浅层气储层的多功能CPTU响应特征,在合理选择与处理聚类初始参数基础上,将上述聚类分层方法应用于天然气水合物储层识别与浅层气储层识别中,取得了较好的效果。主要工作和研究成果概括如下:逡(1)提出了将孔穴扩张理论和有限元法相结合的研究思路。通过对CPTU锥尖阻力的大应变有限元分析,获得了考虑土体刚度指数、原位应力状态和探头粗糙程度的粘土锥形因子表达式以及考虑土体刚度指数、应变软化和应变速率的海相粘土锥形因子表达式。探头周围土体的变形和塑性区的扩展证实了利用孔穴扩张理论解释CPTU数据的合理性。(2)引入层次聚类算法,通过对初始数据、数据标准化方法、距离函数和聚类效果评估方法的合理选择,对最大聚类个数N_(cmax)和最终聚类个数N_(cf)的定义,提出了基于CPTU测试数据的聚类流程图。将聚类流程图转化为Matlab代码,实现了聚类流程的计算机化。在此基础上,结合国际上通用的Robertson和Campanella分类图,提出了一套土层划分与分类规则。(3)通过一系列CPTU测试及临近土层钻孔取样,证明聚类分层方法可以成功划分出土层中的主层、次要层,分离出依靠钻孔柱状图无法体现的混合层、夹层和过渡层,起到了细分土层,识别过渡层、混合层和数据异常的目的。并利用孔穴扩张理论与有限元法研究成果验证了基于CPTU测试数据的土体聚类分层效果。(4)聚类分层方法应用于天然气水合物储层识别时,基于电阻率、声波时差、密度和自然伽马测井参数的聚类分层界线与岩性柱分界线匹配度高,分层效果好。其中,以电阻率、声波时差和密度为初始参数的聚类算法识别出两处泥岩,但未识别出天然气水合物具体位置;以电阻率、声波时差和自然伽马为初始参数的聚类算法成功识别出天然气水合物的位置和厚度。(5)聚类分层方法应用于浅层气储层识别时,单纯利用CPTU数据只能识别出含气土层有别于其他土层的特征,大致判断含气土层的位置与厚度。综合利用多功能CPTU数据(非归一化土体行为分类指数I_(SBT)、电阻率Rt和声波速度AC等)识别出含气土层中气体部分所处的具体位置和厚度,达到了识别浅层气的目的。基于多功能CPTU数据的土体聚类分层方法聚合了CPTU技术和测井技术的优点,免除了人工分层的繁琐,细化了分层效果、提高了识别地层异常的能力。总之,在使用多功能CPTU数据进行土体聚类分层时,选择合理的初始参数,对测试数据进行标准化处理,消除测试曲线的干扰信号、增加聚类效果评价系数可以提高聚类效果,达到细分土层、识别异常地层的目的,最终实现对天然气水合物特征地层或储层的识别。
【图文】：

实物,原理图,海床,测试系统

展主要是为了满足油气行业的需要，其面临的主要挑战是如何恶劣偏远环境。勘察水体深度的增加，地质灾害评估也显得尤为重要，这就需原位测试技术以获得一系列土体参数。在深海获取高质量的土这也是 CPTU 技术得到快速发展的一个重要原因。用于海上作业的CPTU测试系统主要分为两种类型：海床式CPT测试系统和井下 CPTU（Downhole CPTU）测试系统。为了满足两种测试系统会根据需要搭配不同功能的探头，达到综合评价下面从这三个方面进行介绍。床式 CPTU 系统式 CPTU 测试系统的特点是推进装置将触探头从海底贯入，触基准唯一。海床式 CPTU 能够免除波浪、潮汐等因素的影响，保证触探路径与海底的垂直度，所以此种工艺不适应深层海底，贯入深度可达到海床以下 40-50m，在某些勘察领域使用比例钻探[39]。典型的海床式 CPTU 贯入系统如图 1.2 所示。

原理图,实物,原理图,土体

图 1.3 随钻 CPTU（CPTUWD）原理图和实物图[41]PTU 技术的在海洋工程中的应用对测量数据要求的提高和勘察范围的扩大，在 CPTU 探头上配越多样化。1981 年，Fugro 公司首次在海上使用 CPTU 探头[4，根据需要，自 1970 年开始在探头上部增加了测量孔斜的装置力 CPTU 探头可以利用安装在摩擦筒上的传感器测量土体的侧 Beaufort 海上勘查中使用过，但是获得的数据并不可靠，所以旁压 CPTU 探头也可以用来测量侧压力和变形模量，但是因为造成了扰动，其理论解释难度更大，所以目前在海上应用很少年，，荷兰提出了电阻率 CPTU 探头以测量土体的电阻率[44]。该体的电阻率，还能测量孔隙水的电阻率。利用该装置可以对海进行评估。年，荷兰的 Deltares 公司研发出核子密度 CPTU 探头[45]。该装穿过土体前后能级的变化测量土体体积密度。该设备被应用于质粉土等具有高压缩性的层中，应用效果很好。
【学位授予单位】：中国地质大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：P744.4

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