岩石力学实验技术

1、岩石力学实验技术岩石力学实验技术交流人：交流人：李世杰李世杰 一、简介一、简介 二、实验类型及测试参数二、实验类型及测试参数 三、在石油工程领域中的应用三、在石油工程领域中的应用 汇汇 报报 提提 纲纲一一. . 简介简介岩石力学发展现状岩石力学发展现状“岩石力学是研究岩石力学性能的理论和岩石力学是研究岩石力学性能的理论和应用的科学应用的科学”。它在石油工程领域中的。它在石油工程领域中的应用起步较晚，国内外上世纪应用起步较晚，国内外上世纪90年代后年代后才得到较快发展。才得到较快发展。岩石力学发展现状岩石力学发展现状目前国内外石油工程领域岩石力学的研究主要集中在目前国内外石油工程领域岩石力学的

2、研究主要集中在以下几方面：以下几方面：岩石物理力学性质的井下地球物理解释；岩石物理力学性质的井下地球物理解释；地层岩石的力学性质及在开采中的变化规律；地层岩石的力学性质及在开采中的变化规律；地下的岩石物性和声学响应特征；地下的岩石物性和声学响应特征；水力压裂力学研究；水力压裂力学研究；井眼稳定、储层出砂、优化射孔、稠油冷热采等井下井眼稳定、储层出砂、优化射孔、稠油冷热采等井下工程研究；工程研究；一一. . 简介简介岩石力学发展现状岩石力学发展现状油气藏开采引起的地层错动、蠕变和地面沉降研究；油气藏开采引起的地层错动、蠕变和地面沉降研究；石油开采中的流固耦合问题及孔隙结构的变形和坍塌；石油开采中

3、的流固耦合问题及孔隙结构的变形和坍塌；应力场、温度场和渗流场作用下的流固耦合分析；应力场、温度场和渗流场作用下的流固耦合分析；流固耦合油气藏数值模拟理论和方法研究；流固耦合油气藏数值模拟理论和方法研究；地应力测试技术；地应力测试技术；地应力场的演变及天然裂缝的形成与扩展的规律。地应力场的演变及天然裂缝的形成与扩展的规律。目前国内外石油工程领域岩石力学的研究主要集中在目前国内外石油工程领域岩石力学的研究主要集中在以下几方面：以下几方面：一一. . 简介简介实验设备简介实验设备简介轴向力轴向力:149 :149 吨吨围压围压:Pc138 MPa:Pc138 MPa孔隙压力孔隙压力:Pp103 MP

4、a:Pp103 MPa模拟温度模拟温度:T200 :T200 技 术 指 标一一. . 简介简介设备的工作原理设备的工作原理计算机自动控制计算机自动控制环境条件模拟环境条件模拟岩石静态、动态岩石静态、动态参数测试参数测试力学参数力学参数 声学参数声学参数渗透性参数渗透性参数其它参数其它参数实验设备简介实验设备简介一一. . 简介简介 一、简介一、简介 二、实验类型及测试参数二、实验类型及测试参数 三、在石油工程领域中的应用三、在石油工程领域中的应用 汇汇 报报 提提 纲纲汇汇 报报 提提 纲纲二二. .实验类型及测试参数实验类型及测试参数室室内内岩岩石石力力学学研研究究方方法法静态法静态法：静

5、态法：是通过对岩样进行是通过对岩样进行静态加载，测试获得。静态加载，测试获得。 动态法：动态法：是通过测定声波在是通过测定声波在岩样中的传播速度而获得。岩样中的传播速度而获得。 单轴压缩实验 三轴压缩实验 巴西劈拉实验断裂韧性实验蠕变实验室内声波实验声发射实验动态法1.1.单轴压缩实验单轴压缩实验实验方法：实验方法：不加侧向约束力，对圆柱状岩样连不加侧向约束力，对圆柱状岩样连续施加轴向载荷，直至破坏。续施加轴向载荷，直至破坏。 上端帽上端帽下端帽下端帽热缩套热缩套应变传感器应变传感器岩样岩样岩样组件示意图岩样组件示意图 二二. .实验类型及测试参数实验类型及测试参数1.1.单轴压缩实验单轴压缩

6、实验maxaUUCSC或aaEarmaxa0C压密阶段压密阶段弹性变形阶段弹性变形阶段塑性变形阶段塑性变形阶段破坏后阶段破坏后阶段屈服点残余强度二二. .实验类型及测试参数实验类型及测试参数1.1.单轴压缩实验单轴压缩实验计算公式：计算公式：aaEarmax0aC二二. .实验类型及测试参数实验类型及测试参数测试参数：测试参数：单轴抗压强度、杨氏模量、泊松比单轴抗压强度、杨氏模量、泊松比2.2.三轴压缩实验三轴压缩实验加孔压的三轴压缩实验加孔压的三轴压缩实验实验也可以模拟地层温度条件实验也可以模拟地层温度条件实验方法：实验方法： 是在恒定围压（和恒定孔隙压力）条是在恒定围压（和恒定孔隙压力）条

7、件下，对圆柱状岩样连续施加轴向载荷，直至岩件下，对圆柱状岩样连续施加轴向载荷，直至岩样破坏。样破坏。 二二. .实验类型及测试参数实验类型及测试参数不加孔压的三轴压缩实验不加孔压的三轴压缩实验岩样岩样pccPPPcPcPdd2.2.三轴压缩实验三轴压缩实验maxd三三轴轴压压缩缩应应力力应应变变曲曲线线二二. .实验类型及测试参数实验类型及测试参数max)(cdcPPC)21 ( 3)1 (2EKEGEaraa2.2.三轴压缩实验三轴压缩实验加孔压的三轴压缩实验加载方式加孔压的三轴压缩实验加载方式二二. .实验类型及测试参数实验类型及测试参数ACDBOFE2.2.三轴压缩实验三轴压缩实验围压（

8、MPa）体积应变根据体积应变根据体积应变围压关系曲线计算压缩系数围压关系曲线计算压缩系数bgCC10)(1133PPPPbbgPdPVVVVC013pbbbdPVVC加孔压的三轴压缩实验加孔压的三轴压缩实验二二. .实验类型及测试参数实验类型及测试参数2.2.三轴压缩实验三轴压缩实验利用一个单轴压利用一个单轴压缩实验和三至五缩实验和三至五个三轴压缩实验，个三轴压缩实验，可以绘制莫尔圆可以绘制莫尔圆及破裂包络线。及破裂包络线。0二二. .实验类型及测试参数实验类型及测试参数内聚力、内摩擦角内聚力、内摩擦角2.2.三轴压缩实验三轴压缩实验库仑破裂包络线的表达式：库仑破裂包络线的表达式：tan0二二

9、. .实验类型及测试参数实验类型及测试参数3.3.巴西劈拉实验巴西劈拉实验实验方法：实验方法：利用利用Brazil实验间接测定岩样实验间接测定岩样的抗拉强度。原理是在岩样的直径方向的抗拉强度。原理是在岩样的直径方向上，以恒定的加载速率，连续施加相对上，以恒定的加载速率，连续施加相对的线形荷载，使之沿直径方向破坏。的线形荷载，使之沿直径方向破坏。二二. .实验类型及测试参数实验类型及测试参数岩样尺寸：岩样尺寸：直径直径50.4mm厚度与直径之比为厚度与直径之比为0.5:11:13.3.巴西劈拉实验巴西劈拉实验1. 半球轴承，2上加载鄂，3螺孔，4导杆，5下加载鄂，6岩样样品组件示意图样品组件示意

10、图 二二. .实验类型及测试参数实验类型及测试参数岩样岩样P PP破坏后示意图破坏后示意图 3.3.巴西劈拉实验巴西劈拉实验计算公式：计算公式：二二. .实验类型及测试参数实验类型及测试参数测试参数：测试参数：抗拉强度抗拉强度DhPT2P4.4.声波实验声波实验实验方法：实验方法：用一个矩形、瞬时、高压电脉用一个矩形、瞬时、高压电脉冲激发冲激发P波或波或 S波压电晶体，产生一沿着岩波压电晶体，产生一沿着岩样传播的弹性超声波扰动，然后由装在岩样传播的弹性超声波扰动，然后由装在岩样另一端端帽上的对应的压电晶体接收。样另一端端帽上的对应的压电晶体接收。根据脉冲通过岩样的时间计算根据脉冲通过岩样的时间

11、计算P波、波、 S波的波的速度。速度。二二. .实验类型及测试参数实验类型及测试参数4.4.声波实验声波实验岩样岩样发射发射端帽端帽接收接收端帽端帽P、S波波转换开关转换开关示波器示波器收、发收、发波器波器频率为频率为1MHz声波实验原理图声波实验原理图t1二二. .实验类型及测试参数实验类型及测试参数4.4.声波实验声波实验测测量量与与计计算算 测量超声波在端帽中的延迟测量超声波在端帽中的延迟时间时间t0 测量超声波传播的总时间测量超声波传播的总时间t1 计算样品中的传播时间计算样品中的传播时间t 计算计算P波和波和S波的波速波的波速V 计算动态弹性参数计算动态弹性参数)21(3)1(2)(

12、21)43()1(22222222201DDDDDDspspDspspsDaEKEGVVVVVVVVVEtLVttt二二. .实验类型及测试参数实验类型及测试参数5.5.断裂韧性实验断裂韧性实验实验方法：实验方法：在模拟围压和上覆压力条件下，在模拟围压和上覆压力条件下，对厚壁圆柱状岩样的内孔中连续施加流体对厚壁圆柱状岩样的内孔中连续施加流体压力，直至岩样沿预制缝破裂，测得岩样压力，直至岩样沿预制缝破裂，测得岩样破裂时的最大流体压力。破裂时的最大流体压力。 二二. .实验类型及测试参数实验类型及测试参数5.5.断裂韧性实验断裂韧性实验75mm75mm17mm10mm断裂韧性岩样尺寸断裂韧性岩样尺

13、寸端帽端帽岩样装配示意图岩样装配示意图高压孔隙压力管线高压孔隙压力管线聚乙烯管聚乙烯管岩样岩样聚四氟乙烯套聚四氟乙烯套密封圈密封圈端帽端帽二二. .实验类型及测试参数实验类型及测试参数5.5.断裂韧性实验断裂韧性实验计算公式：计算公式：)(max*aPKKJIIC二二. .实验类型及测试参数实验类型及测试参数测试参数：测试参数：断裂韧性断裂韧性实验后的岩样照片实验后的岩样照片砂岩砂岩泥岩泥岩6.6.蠕变实验蠕变实验实验方法：实验方法：保持轴向应力、围压和孔隙压保持轴向应力、围压和孔隙压力恒定（完全伺服控制），测试岩样应变力恒定（完全伺服控制），测试岩样应变随时间的变化。随时间的变化。二二. .

14、实验类型及测试参数实验类型及测试参数两种类型：两种类型：趋于稳定的蠕变趋于稳定的蠕变非趋于稳定的蠕变非趋于稳定的蠕变6.6.蠕变实验蠕变实验典型的蠕变曲线典型的蠕变曲线0.瞬时变形阶段：瞬时变形阶段：常应力刚刚作用于岩石上就出现的瞬时弹性应变e；.初始蠕变阶段：初始蠕变阶段：应变的增长速率随时间逐渐降低。这个过程微裂隙以逐渐减小的速率慢慢扩展。. 稳态蠕变稳态蠕变阶段：阶段：应变随时间呈近于等速的增长。. 加速蠕变阶段：加速蠕变阶段：应变速率加应变速率加快，并迅速导致破坏。快，并迅速导致破坏。二二. .实验类型及测试参数实验类型及测试参数6.6.蠕变实验蠕变实验计算公式：计算公式：二二. .实

15、验类型及测试参数实验类型及测试参数测试参数：测试参数：蠕变蠕变7.7.渗透率实验渗透率实验实验方法：实验方法：模拟地层条件，进行渗透模拟地层条件，进行渗透率的测试。也可模拟油藏开发不同时率的测试。也可模拟油藏开发不同时期，进行渗透率同步检测。期，进行渗透率同步检测。二二. .实验类型及测试参数实验类型及测试参数测试参数：测试参数：渗透率渗透率7.7.渗透率实验渗透率实验二二. .实验类型及测试参数实验类型及测试参数峰值点峰值点屈屈服服点点 一、简介一、简介 二、实验类型及测试参数二、实验类型及测试参数 三、在石油工程领域中的应用三、在石油工程领域中的应用 汇汇 报报 提提 纲纲三三. .在石油

16、工程领域的应用在石油工程领域的应用应用范围应用范围 井壁稳定性井壁稳定性 出砂预测出砂预测 套管损坏机理套管损坏机理 压裂优化设计压裂优化设计 地球物理解释地球物理解释 地应力测量地应力测量 产能预测、压产能预测、压实实井壁稳定井壁稳定地震勘探地震勘探出砂预测出砂预测压裂设计压裂设计井壁稳定井壁稳定从力学的角度来说，造成井壁不稳定的原从力学的角度来说，造成井壁不稳定的原因主要是地层原有的应力状态被打破，在因主要是地层原有的应力状态被打破，在井壁上产生应力集中，当井内液柱压力较井壁上产生应力集中，当井内液柱压力较低时，井壁周围岩石所受的周应力超过岩低时，井壁周围岩石所受的周应力超过岩石本身的强度

17、而产生压缩破坏。石本身的强度而产生压缩破坏。三三. .在石油工程领域的应用在石油工程领域的应用井壁稳定的力学分析流程井壁稳定的力学分析流程原地应力原地应力力学本构关系力学本构关系“安全安全”钻井液密度钻井液密度岩石强度岩石强度井筒周向应力井筒周向应力强度判断准则强度判断准则地层坍塌应力、破裂压力地层坍塌应力、破裂压力孔隙压力孔隙压力地震勘探地震勘探出砂预测出砂预测压裂设计压裂设计井壁稳定井壁稳定井壁稳定井壁稳定三三. .在石油工程领域的应用在石油工程领域的应用地震勘探地震勘探出砂预测出砂预测压裂设计压裂设计井壁稳定井壁稳定井壁稳定井壁稳定地层zr力学模型力学模型z垂向应力r径向应力周向应力原地

18、应力分析三三. .在石油工程领域的应用在石油工程领域的应用井壁岩石的状态方程：井壁岩石的状态方程：地震勘探地震勘探出砂预测出砂预测压裂设计压裂设计井壁稳定井壁稳定井壁稳定井壁稳定建立状态方程式中：式中：r 为井眼周围所受径向应力；为井眼周围所受径向应力；为井眼周围所受周向为井眼周围所受周向应力；应力；r 为井眼周围所受切应力；为井眼周围所受切应力；P i为井内钻井液柱压力；为井内钻井液柱压力； 为井眼周围某点径向与最大水平主应力方向的夹角；为井眼周围某点径向与最大水平主应力方向的夹角；H 为为最大地应力；最大地应力；h 为最小地应力；为最小地应力；P p 为地层孔隙压力；为地层孔隙压力； 为有

19、为有效应力系数；效应力系数； 三三. .在石油工程领域的应用在石油工程领域的应用地震勘探地震勘探出砂预测出砂预测压裂设计压裂设计井壁稳定井壁稳定井壁稳定井壁稳定室内测试分析抗压强度、杨氏模量、泊松比、抗压强度、杨氏模量、泊松比、内聚力、内摩擦角等参数内聚力、内摩擦角等参数三三. .在石油工程领域的应用在石油工程领域的应用地震勘探地震勘探出砂预测出砂预测压裂设计压裂设计井壁稳定井壁稳定井壁稳定井壁稳定井壁上的最大周向应力井壁上的最大周向应力: : PihH3确定钻井液密度ohHBCPi3当最大周向压应力超当最大周向压应力超过井壁岩石的抗压强过井壁岩石的抗压强度，井壁将会出现压度，井壁将会出现压缩

20、破坏，引起井眼扩缩破坏，引起井眼扩大、崩落、孔眼坍塌大、崩落、孔眼坍塌等问题。可根据实验等问题。可根据实验室数据和应力分析确室数据和应力分析确定安全生产的钻井液定安全生产的钻井液密度。密度。三三. .在石油工程领域的应用在石油工程领域的应用出砂预测出砂预测地震勘探地震勘探出砂预测出砂预测压裂设计压裂设计井壁稳定井壁稳定根据影响机理可以把出砂划分为两种类型：根据影响机理可以把出砂划分为两种类型：1.主要由流体力影响的出砂：主要由流体力影响的出砂：可通过调整流速来控制。2.主要由高就地应力和低油井压力影响的出主要由高就地应力和低油井压力影响的出砂：砂：可以通过调整生产压差、维持地层压力来控制。三三

21、. .在石油工程领域的应用在石油工程领域的应用出砂预测出砂预测地震勘探地震勘探压裂设计压裂设计井壁稳定井壁稳定出砂的力学分析流程出砂的力学分析流程原地应力原地应力力学本构关系力学本构关系“安全安全”生产压差生产压差岩石强度岩石强度井筒周应力井筒周应力强度判断准则强度判断准则井底流压井底流压三三. .在石油工程领域的应用在石油工程领域的应用地震勘探地震勘探出砂预测出砂预测压裂设计压裂设计井壁稳定井壁稳定室室内内测测试试分分析析 巴西劈拉实验巴西劈拉实验单轴压缩实验单轴压缩实验三轴压缩实验三轴压缩实验杨氏模量、泊松比等抗压强度、抗拉强度、内聚力、内摩擦角莫尔破裂包络线获得获得三三. .在石油工程领

22、域的应用在石油工程领域的应用地震勘探地震勘探出砂预测出砂预测压裂设计压裂设计井壁稳定井壁稳定判判别别准准则则拉伸破坏准则拉伸破坏准则 式中式中: : 3 - 3 - 为岩石所受的最小主应力为岩石所受的最小主应力 T T0 0 - - 岩石的抗拉强度岩石的抗拉强度三三. .在石油工程领域的应用在石油工程领域的应用地震勘探地震勘探出砂预测出砂预测压裂设计压裂设计井壁稳定井壁稳定PiHh3随着井底流压的随着井底流压的增大，井壁上的增大，井壁上的周向压应力逐渐周向压应力逐渐减小，当最小周减小，当最小周向压应力小于井向压应力小于井壁岩石的抗拉强壁岩石的抗拉强度时，井壁将会度时，井壁将会出现拉伸破坏。出现

23、拉伸破坏。井壁上的最小周向应力井壁上的最小周向应力: : oHhTPi3判判别别准准则则三三. .在石油工程领域的应用在石油工程领域的应用地震勘探地震勘探出砂预测出砂预测压裂设计压裂设计井壁稳定井壁稳定0drd破坏区破坏区安全区安全区rd，稳定，稳定rd，出砂，出砂rd，即将出砂，即将出砂库仑法判别准则：库仑法判别准则：剪切破坏准则剪切破坏准则判判别别准准则则三三. .在石油工程领域的应用在石油工程领域的应用地震勘探地震勘探出砂预测出砂预测压裂设计压裂设计井壁稳定井壁稳定确定安全生产压差 设设r=d, , 并将实验结果代入状态方程，就并将实验结果代入状态方程，就可计算得到最小井底流压：可计算得

24、到最小井底流压： P Pwminwmin 根据地层压力根据地层压力P P0 0和最小井底流压，计算得和最小井底流压，计算得到防止地层出砂的最大安全生产压差：到防止地层出砂的最大安全生产压差： PPmaxmax= =P Po o- -P Pwminwmin三三. .在石油工程领域的应用在石油工程领域的应用压裂设计压裂设计地震勘探地震勘探出砂预测出砂预测压裂设计压裂设计井壁稳定井壁稳定三三. .在石油工程领域的应用在石油工程领域的应用压压裂裂过过程程条件：井底压力大于岩石的抗拉强度（断裂韧性）条件：井底压力大于岩石的抗拉强度（断裂韧性）注入高压液体注入高压液体裂缝起裂扩展 注入携砂液注入携砂液（支

25、撑剂）（支撑剂）人工裂缝人工裂缝压裂液返排压裂液返排裂缝闭合裂缝闭合地震勘探地震勘探出砂预测出砂预测压裂设计压裂设计井壁稳定井壁稳定室内测试分析巴西劈拉实验巴西劈拉实验单轴压缩实验单轴压缩实验三轴压缩实验三轴压缩实验断裂韧性实验断裂韧性实验杨氏模量、泊松比抗拉强度、抗压强度、断裂韧性获得获得地层压力系数三三. .在石油工程领域的应用在石油工程领域的应用地震勘探地震勘探出砂预测出砂预测压裂设计压裂设计井壁稳定井壁稳定利用杨氏模量、泊松比预测裂缝尺寸 PiPpHh30T03TPPpHhf将将得到得到代入公式：代入公式：利用抗拉强度判断裂缝起裂51512)1 (89. 1tGHQW515143)1

26、(45. 0tHEQL三三. .在石油工程领域的应用在石油工程领域的应用地震勘探地震勘探出砂预测出砂预测压裂设计压裂设计井壁稳定井壁稳定利用断裂韧性判断裂缝的扩展)(cos)(212)(11121hHphPKffIC将分层地应力剖面（将分层地应力剖面（ 、 、 ）和分层岩石力学）和分层岩石力学参数（参数（ 、）输入压裂设计软件（目前采油院用的、）输入压裂设计软件（目前采油院用的是是GOHFER软件），利用软件），利用GOHFER建立地质模型，建立地质模型，通过数值模拟，进行压裂优化设计。通过数值模拟，进行压裂优化设计。HhfPE三三. .在石油工程领域的应用在石油工程领域的应用压裂设计压裂设计地球物理地球物理出砂预测出砂预测地球物理地球物理井壁稳定井壁稳定室内声波实验室内声波实验（Vp, Vs）现场声波测试现场声波测试（Vp, Vs）岩性、物性、流体岩性、物性、流体声学模型声学模型反演反演正演正演地震、声波测井地震、声波测井原理原理三三. .在石油工程领域的应用在石油工程领域的应用地球物理地球物理出砂预测出砂预测压裂设计压裂设计井壁稳定井壁稳定流流程程框框图图岩性、物性、流体岩性、物性、流体地震勘探地震勘探地震资料