岩石力学.ppt

1、钻井地质力学环境描述及井壁稳定技术,主讲人： 程远方,钻井地质力学环境描述及井壁稳定技术,概述 石油工程岩石力学的概念和特点 研究领域 钻井地质力学环境 弹性力学基础 岩石的力学特性 原地应力状态 强度破坏准则 页岩和软弱砂岩的力学性质,钻井地质力学环境描述及井壁稳定技术,井壁稳定技术 地层三个压力的概念 井眼围岩应力状态 强度破坏准则 地层三个压力的确定 井壁稳定影响因素 力学-化学耦合模型 套损机理分析 套管变形 油藏变形,一、概述,工程岩石力学 概念 岩石力学是研究岩石和岩体力学性能的理论和应用的科学，是探讨岩石和岩体对其周围物理环境的力场的反应的力学分支。 岩石力学=应力+强度 特点

2、岩石的破裂 结构特征 抗拉强度 孔隙流体 风化 岩体外载,一）岩石力学的概念和特点,应用 采矿（表面开采与地下开采） 能源开发（水电与核电、油气储存、核废料储存、地热） 交通运输 建筑 军事 石油工程 地质构造分析 地震预测,石油工程岩石力学 特点 深度大 看不见摸不着 固液耦合 钻遇地层的种类繁杂 研究课题 岩石破碎机理及地层可钻性 井壁不稳定问题 水力压裂 出砂与防砂 套管损坏 油藏变形 地面下沉,二、钻井地质力学环境描述,一）弹性力学基础,应力的概念 静力平衡方程 Mohrs stress circle 几何方程 本构方程,应力符号说明： v上覆岩层压力； H最大水平主应力； h最小水平

3、主应力 x y z r 正应力； xy yz zx r rz z切向应力； r 径向应力； 周向应力,应力的概念,一点的应力状态 分正应力、剪应力两大类。 由六个独立的应力分量描述： =x,y,z,xy,yz,zx 主应力和应力不变量 一点的应力也可以由3个主应力分量描述： =1,2,3 I1= x+y+z= 1+2+3 I2= x y+y z +z x-(xy2+yz2+zx2) I3= x y z+2 xyyzzx-(x yz2+ y zx2+ z xy2,y yz yx,z zx zy,x xz xy,3,1,2,1 2 3,偏应力和八面体应力 应力可分解为偏应力和静水应力分量 平均应力

4、（或静水应力） m= I1/3 偏应力 Sij=ij-ij m 静力平衡方程,x,y,z,y,Mohrs stress circle,1,2,1,2,几何方程 本构方程 线弹性模型,非线弹性模型 多孔弹性介质模型,p,p,Drained test Undrained test,对于排水实验，静水应力与体积应变的关系如下,对于非排水实验，静水应力与体积应变的关系为,有效应力定义,Biot 系数,二）、岩石的力学特性,典型岩石的变形特征和破坏特性 实验室测试技术 页岩和软弱砂岩的力学性质 根据现场资料估算岩石的力学性质,基本概念: 弹性变形 外力去除后，变形能够完全恢复。 由弹性模量E和泊松比表征

5、。 其它弹性参数有：体积弹性模量K，剪切弹性模量G K=E/3(1-2 ), G=E/2(1+ ) v=(m-p)/K,基本概念： 塑性变形 外力去除后，变形不能恢复 屈服函数 F(,H)0 弹性变形 F(,H)=0 塑性变形 应变硬化 扩容 随着塑性应变的增加，体积增大的现象,典型岩石的变形特征和破坏特性 常温常压下岩石的力学性质 Miller将单轴压缩应力应变曲线分为六类： 弹性变形 弹-塑性变形 塑-弹性变形 塑-弹-塑性变形 塑-弹-塑性变形 弹-塑-蠕变,弹性,弹-塑,塑-弹,塑-弹-塑,塑-弹-塑,屈服,围压对岩石力学性质的影响 岩石的延性与脆性 随着围压的增加，岩石的破坏强度、屈

6、服应力及延性都在增加。 温度对岩石力学性质的影响 随着温度的增加，岩石的延性增大； 随着温度的增加，岩石的强度、屈服应力都在降低。 孔隙压力对岩石力学性质的影响 应变速率对岩石力学性质的影响,岩石的强度特征 岩石的强度：岩石破坏时所承担的应力 岩石的破坏取决于物理环境（围压、温度、应变率、中间主应力、孔隙、孔隙压力等） 根据岩石破坏前的应变量分为五类： 第一类：近地表岩石，破坏前变形量1%，岩石垂直于最小主应力方向产生张性破裂。 第二类：离地表一定深度，岩石表现少量延性，破坏前应变量在1-5%。 第三类：离地表2-5Km，破坏面为单一剪切面，破裂面与最大主应力方向的夹角小于45，破坏前的应变在

7、2-8,第四类：离开地表10-20Km，处于较高的温度和围压下，破坏时剪切破碎带较宽，且有一定的相互错动，断层面与最大主应力方向夹角略小于45，破坏前应变量在5-10%。 第五类：距地表20Km，围压大于50MPa，温度大于500，岩石处于完全延性状态，永久应变量大于10%。 岩石的破坏类型可分为破裂和流动两种。 岩石强度的表征 单轴抗压强度简称抗压强度 抗拉强度 抗剪强度,剪切破坏形成过程： (a)裂纹形成初期 (b)裂纹非常发育 (c)剪切面形成,a,b,c,实验室测试技术 岩样的制备 既要避免岩体的结构面，又要有一定的代表性和广泛性。 出处-产地、井深、层位和岩性 规则岩样： 25-50

8、mm 抗压实验：h/d=2.5-3.0 抗弯实验：h/d=3.0-7.0 巴西实验：h/d=0.5-1.0 冲压实验：h/d=0.2-0.25,制备过程： 1 将钻井岩芯锯切成所需长度 2 用取芯机钻取所需直径的岩样 3 端面处理 样品数量： 大理石 2-3块 页岩 5块 砂岩 5-10块,不同实验时的应力条件 真三轴 ab c 常规三轴 a=c= r 平面应变 b=0 平面应力b=0 单向变形a= c= r=0 单轴压缩 a=c= r=0 静水压力 a=c= r=,a,a,常规三轴抗压实验,1,3,教材P48,巴西实验,p,法向力,切向力,剪切实验示意图,小结： 1。岩石力学参数主要包括：弹

9、性、塑性、强度参数。 2。弹性参数比较容易确定，但是非常重要。 3。塑性变形非常复杂，但是在井壁稳定分析、出砂预测、油藏变形分析中存在塑性变形。 4。产生塑性变形并不等于系统发生破坏，只考虑弹性变形的分析有些保守。 5。系统分析考虑塑性变形会更加合理。 6。岩石力学性质可通过室内实验、数据库和现场表象获取,三）原地应力状态岩石力学=应力+强度应力=原地应力+岩石力性+人为扰动,地应力的成因 异常孔隙压力的成因 地应力方向的确定 地应力大小的确定,地应力的成因,重力作用 假设：地层为无限大均质各向同性弹性体； 不考虑应力历史的作用或结构的变化,一般地层=0.25，水平地应力比上覆岩层压力为1/3

10、； 盐膏层=0.5，水平地应力等于上覆岩层压力,上覆岩层压力随井深的变化,v=0.027h,0,1000,2000,3000,40,80,上覆岩层压力v（Mpa,井深/m,构造应力 现今构造应力，如板块运动、断层活动； 现今岩石力学性质； 沉积历史 温度和孔隙压力 其它因素 局域构造特征，如断层、褶皱、盐丘等 地表形态 油藏注采,大洋板块,大陆板块,板块运动示意图,无层面滑移,有层面滑移,褶皱内应力的变化,构造对地应力的影响,井深,应力,挤压断层,拉张断层,v,h,H,异常孔隙压力孔隙压力通过有效应力影响岩石的变形和破坏。在沉积过程中一般地层中的孔隙水能够自由运移，形成常压地层。偏离正常压力的

11、地层称为异常压力地层，分异常高压和异常低压两种,异常压力特点： 地层比较年轻； 伴随高孔隙度； 起始于较大埋深； 砂泥岩交互层较厚,异常压力产生的原因： 欠压实 迅速沉积盆地 断层运动封闭地层 高位水源头，如高山附近。 其它原因，如热膨胀等,地应力方向的确定,井眼崩塌 断层分析 水力压裂,地应力大小的确定,由上覆岩层压力求水平地应力 用测井资料确定 仪器测量（ASR,DSA,Flat jack,AE等） 水力压裂,Anelastic Strain Relaxation,直井需要6个测点； 斜井需要9个测点,Elapsed time,displacement,应变片,围压,微应变,Differe

12、ntial Strain Analysis,d,pump,d,Pc,time,Flat Jack Stress Test,Stress Release Test,四）强度破坏准则,拉伸破坏准则 3=-t 是水力压裂的起点或井漏的起点,max,min,MOHR-COULOMB破坏准则 岩石沿某一面发生剪切破坏，不仅与该面上剪应力的大小有关，而且与该面的正应力有关。岩石并不沿着最大剪应力作用面产生破坏，而是沿着其剪应力与正应力达到最不利组合的某一面产生破裂。即： f= 0+fn 0为内聚力；f内摩擦系数。 在、坐标系下，上式为一直线方程,n f,4-/2,HOEK-BROWN 破坏准则,1 最大主

13、应力 3最小主应力 c单轴抗压强度 mb HOEK-BROWN常数 s，a岩体特征常数,Griffith 断裂准则,1,3,裂纹尖端周向应力,Griffith断裂准则,小结： 1。强度是描述工程结构是否失稳的参数。 2。根据分析目的不同应选用不同的破坏准则。 如：破裂压力分析、水力压裂裂缝传播、井壁稳定等。 3。一般岩石的弹性屈服点不同于破坏点,五）页岩和软弱砂岩力学性质,页岩和软弱砂岩的力学性质 软弱砂岩力学性质 软弱砂岩的特征,岩石 矿物颗粒的集合体，颗粒间由胶结物质填充,粘土 由散体矿物颗粒组成,弱胶结砂岩 颗粒间的联结强度介于岩石和矿物之间,弱胶结砂岩的组构 粒间结构,切向接触 较高的

14、孔隙度，较低的接触面积；较低的强度,长接触 大接触面积；高强度,填充接触 接触面积大；强度高,颗粒1,颗粒2,孔隙,颗粒,吸附水层,油,孔隙结构,放大,体积减小机制,弹性变形,接触点压缩和屈服,颗粒重排,溶液重结晶,变形特征 包括弹性变形、塑性应变硬化、弱化等部分。 峰值强度、残余强度均可用Mohr-Coulomb准则描述。 内聚力近似为零，或者等于抗拉强度。 岩石发生扩容或收缩，导致岩石的渗透率对应力非常敏感,松散砂岩的变形,轴向应变,轴向应力,弱胶结砂岩变形特征 1。弱胶结砂岩的变形由弹性、塑性硬化、塑性弱化三部分组成。剪切带出现在残余强度阶段。低围压下塑性硬化不明显。 2。Mohr-Co

15、ulomb准则可以较好地描述弱胶结砂岩的强度特性。 3。从理论上说，内聚力为零，实际上由于毛细管力，有一定的内聚力。 4。存在明显的剪切扩容现象，在高围压下，出现扩容之前，产生压缩。 5。弱胶结砂岩的渗透率与对应力敏感,页岩力学性质 页岩的变形特征和强度特征 （1）概述 作为油藏盖层，占钻遇地层的75% 富含粘土矿物，粘土矿物为片状结构 具有各种缺陷和不连续面 与砂岩、粉砂岩、石灰岩交互 镜面擦痕现象 断层、裂缝 低渗透性10-3-10-9mD 油藏作业对页岩的影响,2）与页岩相关的工程问题 膨胀特性、内在缺陷和邻近油藏是页岩产生问题的主要因素。 井壁不稳定问题，占所有问题的90%以上 页岩的

16、密封能力 套管损坏 （3）页岩的膨胀特性 粘土矿物呈片状结构，表面带负电，产生离子表面吸附，抑制离子的运动。若外来溶液的离子浓度低于粘土表面的离子浓度，水就会进入粘土层间，使层间距离增大，造成膨胀。如果这种膨胀被抑制，就会产生膨胀压,+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -,H20,粘土片层结构图,以渗透势为基础的膨胀压分析 以半透膜理论为基础，计算页岩的膨胀压： 对于具有低水活度（高盐浓度）的页岩，若与其接触的水的活度高，产

17、生膨胀；相反，页岩就会收缩，页岩中的水向外流。 上述特性依赖于页岩的组构、物理性质及其它因素。 渗透压的表达式如下,页岩膨胀实验 膨胀压测定 页岩膨胀后，进行三轴实验，确定强度变化。 实验设备如下： 自由膨胀实验-在零载荷或静水压力下测定页岩的膨胀量。 恒定轴向载荷条件下，测定膨胀量。即高温高压膨胀实验。 Oedometer swell test 恒定轴向位移。( Mody F., and Hale A. H., JPT 1993 pp1093-1101.,实验结果,Time/hr,Time/hr,轴向膨胀应变,径向膨胀应变,膨胀主要出现在前天； 轴向膨胀大于径向膨胀，比值在.之间,膨胀压测定

18、,Time/hr,Swelling pressure,水,10G,20G,实验过程中，恒定体积,页岩的三轴实验 在岩心准备阶段，要保持含水量不变，否则会引起页岩强度的变化，准备过程页岩应浸泡在惰性液体中，如煤油。 由于渗透率很低，应控制排水条件，岩样尺寸应小，加载速率应尽量低。 由于各向异性，在不同方位取芯，其强度和变形特性不同。 在页岩中存在微裂隙等，在应用中应考虑这些弱面,页岩的变形特性和强度 在低围压下，是典型的脆性变形，在峰值强度前，变形主要是弹性，峰值强度后产生残余强度。 峰值强度和残余强度可以用Mohr-Coulumb准则或Drucker-Prager 准则描述,差应力,径向应变轴

19、向应变,页岩水化膨胀对变形和强度的影响,轴向应变,差应力,原始曲线,NaCl,水,膨胀后，页岩明显被弱化，弹性模量和强度明显降低； 水的弱化大于NaCl溶液,含水量对强度的影响,350,50,烘干,加水,含水量,实验条件为： 温度22C,围压250MPa,应变速率2.3x10-5/s 岩心的原始含水量为2.1% 随含水量的增加，强度明显降低。 含水量只影响内聚力，对内摩擦角影响不大,差应力,MPa,根据现场资料估算岩石的力学性质 测井资料 点载荷实验 反分析,能够确定的力学参数有： 弹性模量 泊松比 内聚力 内摩擦角 单轴抗压强度,三、井壁稳定技术,一）井壁稳定的基本原理,地层三个压力的概念

20、孔隙压力 地层孔隙压力是指地层中孔隙流体的压力。 坍塌压力 地层坍塌压力是指井壁产生剪切破坏时的临界井眼压力。 破裂压力 地层破裂压力是指地层产生拉伸破坏时的临界井眼压力,二）井眼围岩应力分布规律,直井线弹性井眼围岩应力分布 斜井线弹性井眼围岩应力分布 直井非线性井眼围岩应力分布 直井弹塑性井眼围岩应力分布,1 直井线弹性井眼围岩应力分布规律,假设：地层为线性、均质、各向同性弹性体,H,h,h,H,h,h,H- h,则，井眼围岩应力分布规律为,2 斜井线弹性井眼围岩应力分布规律（略） 3直井非线性井眼围岩应力分布规律（略） 4直井弹塑性井眼围岩应力分布规律（略,三）坍塌压力的计算,Mohr-C

21、oulumb 准则 直井坍塌压力表达式,四）破裂压力的计算,拉伸破坏准则,破裂压力表达式,五）应用举例,某油田井深为2600米的砂岩地层，强度符合Mohr-Coulumb准则，其内聚力为6MPa,内摩擦角为43.8度，泊松比为0.2，单轴抗拉强度为0。地层的上覆岩层压力梯度为22.6KPa/m,地层孔隙压力梯度为12.2KPa/m,假设水平地应力均匀，且其应力梯度为17KPa/m.试求打开该砂岩层的合理钻井液密度范围,解： （1）原地应力状态 上覆岩层压力v=22.6x2600=58.76MPa; 水平地应力h=H=17x2600=44.2MPa； （2）孔隙压力 Pp=12.2x2600=3

22、1.7MPa; （3）地层破裂压力 Pf=3h-H+t-Pp=3x44.2-44.2+0-31.72=56.68 当量钻井液密度为100 x56.68/2600=2.18g/cm3 （4）地层坍塌压力 井壁上的应力分量 r=Pm,2h-Pm=88.4-Pm z= v=58.76 若： 1= ，3= r,则根据Mohr-Coulumb定律，有： 40.66-0.922Pm=6+(0.6922Pm-18.11)x0.959 Pc=36.79 当量钻井液密度为：1.42g/cm3 该层位合理钻井液密度范围是1.42-2.18,例2 对上题砂岩层，若水平地应力非均匀H=50MPa, h=44.2MPa,其它条件不变，试确定打开砂岩层的