【摘要】：21世紀(jì)是海洋的世紀(jì),海洋工程建設(shè)和海洋礦產(chǎn)資源開發(fā)是海洋經(jīng)濟(jì)的引擎。作為一個新礦種,天然氣水合物潛力巨大,天然氣水合物儲層的準(zhǔn)確識別和精細(xì)定量評價是自然界水合物開發(fā)利用的基礎(chǔ)。目前,地球物理測井是除地震和鉆探取心外最有效的原位識別和評價方法。測井離不開鉆探,海洋鉆探是一項技術(shù)復(fù)雜且成本高昂的工作。多功能靜力觸探技術(shù)集合了測井技術(shù)和傳統(tǒng)孔壓靜力觸探(CPTU)技術(shù)的優(yōu)點,隨著多功能CPTU技術(shù)的發(fā)展,其作用不僅限于評價巖土體特性,在識別地層異常方面,也大有用武之地;CPTU探頭的豐富性,無疑會使這種識別效果大大提升。如果能用多功能CPTU技術(shù)對天然氣水合物特征地層或儲層進(jìn)行識別,然后再采用鉆探取芯或測井技術(shù)對天然氣水合物儲層進(jìn)行驗證,則可以大大提高水合物儲層的勘探效率,降低勘探成本。在貫入機(jī)理方面,通過對比現(xiàn)存的CPTU各種研究方法,提出了將孔穴擴(kuò)張理論和有限元法相結(jié)合的研究思路。利用孔穴擴(kuò)張理論解釋CPTU錐尖阻力等測試數(shù)據(jù),利用有限元法模擬了土體剛度指數(shù)、原位應(yīng)力狀態(tài)和探頭粗糙程度對粘土中CPTU錐尖阻力的影響,土體應(yīng)變軟化和應(yīng)變速率對海相粘土中CPTU錐尖阻力的影響,土體應(yīng)力狀態(tài)、剪切模量、摩擦角、膨脹角等因素對砂土中CPTU錐尖阻力的影響,并分析了探頭周圍土體的變形和塑性區(qū)的擴(kuò)展與孔穴擴(kuò)張理論的關(guān)系。在應(yīng)用方面,在對比現(xiàn)存的基于CPTU測試數(shù)據(jù)的土體行為分類法基礎(chǔ)上,引入層次聚類算法,提出了基于CPTU測試數(shù)據(jù)的聚類流程圖。將聚類流程圖轉(zhuǎn)化為Matlab代碼,實現(xiàn)了聚類流程的計算機(jī)化。利用聚類流程圖,結(jié)合國際上通用的Robertson和Campanella分類圖,提出了一套土層劃分與分類規(guī)則。然后將該方法應(yīng)用于CPT測試、CPTU測試和海上CPTU測試項目中,并利用臨近土層鉆孔柱狀圖、孔穴擴(kuò)張理論與有限元法研究成果驗證了基于CPTU測試數(shù)據(jù)的土體聚類分層效果。最后,研究了天然氣水合物儲層與淺層氣儲層的多功能CPTU響應(yīng)特征,在合理選擇與處理聚類初始參數(shù)基礎(chǔ)上,將上述聚類分層方法應(yīng)用于天然氣水合物儲層識別與淺層氣儲層識別中,取得了較好的效果。主要工作和研究成果概括如下:逡(1)提出了將孔穴擴(kuò)張理論和有限元法相結(jié)合的研究思路。通過對CPTU錐尖阻力的大應(yīng)變有限元分析,獲得了考慮土體剛度指數(shù)、原位應(yīng)力狀態(tài)和探頭粗糙程度的粘土錐形因子表達(dá)式以及考慮土體剛度指數(shù)、應(yīng)變軟化和應(yīng)變速率的海相粘土錐形因子表達(dá)式。探頭周圍土體的變形和塑性區(qū)的擴(kuò)展證實了利用孔穴擴(kuò)張理論解釋CPTU數(shù)據(jù)的合理性。(2)引入層次聚類算法,通過對初始數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化方法、距離函數(shù)和聚類效果評估方法的合理選擇,對最大聚類個數(shù)N_(cmax)和最終聚類個數(shù)N_(cf)的定義,提出了基于CPTU測試數(shù)據(jù)的聚類流程圖。將聚類流程圖轉(zhuǎn)化為Matlab代碼,實現(xiàn)了聚類流程的計算機(jī)化。在此基礎(chǔ)上,結(jié)合國際上通用的Robertson和Campanella分類圖,提出了一套土層劃分與分類規(guī)則。(3)通過一系列CPTU測試及臨近土層鉆孔取樣,證明聚類分層方法可以成功劃分出土層中的主層、次要層,分離出依靠鉆孔柱狀圖無法體現(xiàn)的混合層、夾層和過渡層,起到了細(xì)分土層,識別過渡層、混合層和數(shù)據(jù)異常的目的。并利用孔穴擴(kuò)張理論與有限元法研究成果驗證了基于CPTU測試數(shù)據(jù)的土體聚類分層效果。(4)聚類分層方法應(yīng)用于天然氣水合物儲層識別時,基于電阻率、聲波時差、密度和自然伽馬測井參數(shù)的聚類分層界線與巖性柱分界線匹配度高,分層效果好。其中,以電阻率、聲波時差和密度為初始參數(shù)的聚類算法識別出兩處泥巖,但未識別出天然氣水合物具體位置;以電阻率、聲波時差和自然伽馬為初始參數(shù)的聚類算法成功識別出天然氣水合物的位置和厚度。(5)聚類分層方法應(yīng)用于淺層氣儲層識別時,單純利用CPTU數(shù)據(jù)只能識別出含氣土層有別于其他土層的特征,大致判斷含氣土層的位置與厚度。綜合利用多功能CPTU數(shù)據(jù)(非歸一化土體行為分類指數(shù)I_(SBT)、電阻率Rt和聲波速度AC等)識別出含氣土層中氣體部分所處的具體位置和厚度,達(dá)到了識別淺層氣的目的�；诙喙δ蹸PTU數(shù)據(jù)的土體聚類分層方法聚合了CPTU技術(shù)和測井技術(shù)的優(yōu)點,免除了人工分層的繁瑣,細(xì)化了分層效果、提高了識別地層異常的能力�？傊�,在使用多功能CPTU數(shù)據(jù)進(jìn)行土體聚類分層時,選擇合理的初始參數(shù),對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理,消除測試曲線的干擾信號、增加聚類效果評價系數(shù)可以提高聚類效果,達(dá)到細(xì)分土層、識別異常地層的目的,最終實現(xiàn)對天然氣水合物特征地層或儲層的識別。
【圖文】：

展主要是為了滿足油氣行業(yè)的需要，其面臨的主要挑戰(zhàn)是如何惡劣偏遠(yuǎn)環(huán)境�？辈焖w深度的增加，地質(zhì)災(zāi)害評估也顯得尤為重要，這就需原位測試技術(shù)以獲得一系列土體參數(shù)。在深海獲取高質(zhì)量的土這也是 CPTU 技術(shù)得到快速發(fā)展的一個重要原因。用于海上作業(yè)的CPTU測試系統(tǒng)主要分為兩種類型：海床式CPT測試系統(tǒng)和井下 CPTU（Downhole CPTU）測試系統(tǒng)。為了滿足兩種測試系統(tǒng)會根據(jù)需要搭配不同功能的探頭，達(dá)到綜合評價下面從這三個方面進(jìn)行介紹。床式 CPTU 系統(tǒng)式 CPTU 測試系統(tǒng)的特點是推進(jìn)裝置將觸探頭從海底貫入，觸基準(zhǔn)唯一。海床式 CPTU 能夠免除波浪、潮汐等因素的影響，保證觸探路徑與海底的垂直度，所以此種工藝不適應(yīng)深層海底，貫入深度可達(dá)到海床以下 40-50m，在某些勘察領(lǐng)域使用比例鉆探[39]。典型的海床式 CPTU 貫入系統(tǒng)如圖 1.2 所示。

圖 1.3 隨鉆 CPTU（CPTUWD）原理圖和實物圖[41]PTU 技術(shù)的在海洋工程中的應(yīng)用對測量數(shù)據(jù)要求的提高和勘察范圍的擴(kuò)大，在 CPTU 探頭上配越多樣化。1981 年，F(xiàn)ugro 公司首次在海上使用 CPTU 探頭[4，根據(jù)需要，自 1970 年開始在探頭上部增加了測量孔斜的裝置力 CPTU 探頭可以利用安裝在摩擦筒上的傳感器測量土體的側(cè) Beaufort 海上勘查中使用過，但是獲得的數(shù)據(jù)并不可靠，所以旁壓 CPTU 探頭也可以用來測量側(cè)壓力和變形模量，但是因為造成了擾動，其理論解釋難度更大，所以目前在海上應(yīng)用很少 年，，荷蘭提出了電阻率 CPTU 探頭以測量土體的電阻率[44]。該體的電阻率，還能測量孔隙水的電阻率。利用該裝置可以對海進(jìn)行評估。 年，荷蘭的 Deltares 公司研發(fā)出核子密度 CPTU 探頭[45]。該裝穿過土體前后能級的變化測量土體體積密度。該設(shè)備被應(yīng)用于質(zhì)粉土等具有高壓縮性的層中，應(yīng)用效果很好。
【學(xué)位授予單位】：中國地質(zhì)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：P744.4

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本文編號：2620405