石油工程岩石力学地应力实用教案

1、 重分布应力重分布应力+ + + + + +天然应力第1页/共67页第一页，共67页。H地地 表表垂直主应力垂直主应力v v水平最大主应力水平最大主应力H H水平最小主应力水平最小主应力h h第2页/共67页第二页，共67页。 地应力是场函数(hnsh) 地应力又称为地应力场 有大小和方向水平水平(shupng)最大地应力最大地应力水平水平(shupng)最最小大地应力小大地应力第3页/共67页第三页，共67页。1.构成(guchng)： 岩体自重自重应力 构造运动构造应力 流体作用渗流应力 其它（地温、地球化学作用等）二、天然应力(yngl)的构成及起源第4页/共67页第四页，共67页。 自

2、重引起(ynq)的天然应力场121hhVgh二、天然应力的构成(guchng)及起源第5页/共67页第五页，共67页。 2.起源（主要(zhyo)指构造运动的起源）： 板块运动 地幔热对流 地球自转速度变化二、天然应力(yngl)的构成及起源第6页/共67页第六页，共67页。1.研究历史 1878年海姆提出天然应力1932年，在美国胡佛水坝下的隧道中，首次成功地测定了岩体中的天然应力到目前天然应力测点遍布(bin b)全球，有几十万个测点。大部分是浅部，最深5108米（美国密执安水压致裂法）。三、天然应力(yngl)的研究历史第7页/共67页第七页，共67页。 我国从50年代(nindi)末开

3、始天然应力量测三、天然(tinrn)应力的研究历史与研究意义第8页/共67页第八页，共67页。西南(xnn)：印度板块向NNE挤压东部(dn b)：太平洋板块向W俯冲北部：西伯利亚板块(bn kui)阻挡南部：菲律宾板块向N俯冲第9页/共67页第九页，共67页。arr = 3 a = 1 hHvH hmax planesslipplanes112231 2 33主应力主应力三轴试验三轴试验应力应力(yngl)状态状态原地应力原地应力在石油工程(gngchng)中，我们通常假设： sv 为主应力之一z区块分布区块分布(fnb)(fnb)特征特征第10页/共67页第十页，共67页。Anderson

4、理论理论断层类型断层类型(lixng)与与主应力关系主应力关系第11页/共67页第十一页，共67页。正断层与地应力典型应力(yngl)状态： sv = s1 sHMAX = s2sHmin = s3地垒地堑结构拉伸倾角v = 1HMAX = 2拉伸hmin = 3第12页/共67页第十二页，共67页。走滑断层(duncng)（拗断层(duncng)）与地应力v = 2hmin = 3HMAX = 1锐角几乎垂直的断层面HMAXhmin伴生正断层HMAX典型(dinxng)应力状态： sHMAX = s1 sv = s2 sHmin = s3第13页/共67页第十三页，共67页。逆掩断层逆掩断层

5、(duncng)与地应力与地应力compressionstatic basal sheetoverthrust sheetbrittle quartz-illite shalehinge pointshighly fractured zonelargely unfractured shaleABCHMAX = 1v = 3overthrust sheethigh-p shale第14页/共67页第十四页，共67页。四、进行地应力研究(ynji)的意义： 是所有地质力学问题中重要的初始条件； 是勘探(kntn)、钻井及油藏等石油工程的重要参数； 是钻井工程中井壁稳定分析的重要参数； 是采油工程中

6、出砂防砂分析的重要参数； 是油气层增产改造措施制定的重要参数；第15页/共67页第十五页，共67页。A Borehole in a Stress Fieldzxy12pEffective stresses:1 = 1 - p2 = 2 - p3 = 3 - p p = pore pressureHere, v = 2, HMAX = 1,hmin = 3, and1 2 3Hole inclinationparametersCoordinates parallelto earths surfacePrincipal stressesPrincipal stresses areusually p

7、arallel andnormal to the surface.第16页/共67页第十六页，共67页。Drilling Direction and Stressv HMAX hminhminHMAXvHMAX v hminHMAX v hminvhminHMAXvhminHMAXThe best orientation to increase hole stability minimizes the principal stress difference normal to the borehole axis60 coneDrill within a 60cone (30) from the

8、 mostfavored directionFavored holeorientationIn highly differential stressfields, the proper choice of aninclined hole facilitates drilling第17页/共67页第十七页，共67页。第二节 地应力的测量方法 垂直地应力是由重力作用产生的（岩石的重量）； 在任意深度，垂直地应力等于上覆岩层压力： sv = rgz （密度重力加速度深度） 通常垂直地应力通过对密度测井数据积分获得； 在海上钻井(zun jn)要包含泥线以上海水产生的压力；垂直(chuzh)主应力的求

9、取：第18页/共67页第十八页，共67页。水平(shupng)主应力的求取： 在沉积岩中，地应力的大小一般应用下述方法(fngf)获得： 构造地质力学方法(fngf) 水力压裂法 室内岩心试验法 建立在测井资料上的方法(fngf)地应力的方向一般用下述方法(fngf)获得： 井壁崩落椭圆法 压裂井井下电视法第19页/共67页第十九页，共67页。凯塞尔效应试验(shyn)法测定地应力的原理AE CountsLoad Kaiser effect point岩石在施加载荷后，岩岩石在施加载荷后，岩石内部产生微裂缝而发石内部产生微裂缝而发出声波信号，当岩石加出声波信号，当岩石加载到曾受到的最大应力载到

10、曾受到的最大应力状态时，其发射的这种状态时，其发射的这种信号会明显增大，用专信号会明显增大，用专用用(zhunyng)仪器可仪器可以监测出这种信号的变以监测出这种信号的变化。由此可测出岩石在化。由此可测出岩石在井下时所受的应力。井下时所受的应力。第20页/共67页第二十页，共67页。室内岩心(ynxn)试验法：MTS岩石力学实验(shyn)装置SAMOS多通道声发射装置中国石油大学中国石油大学（北京）岩石力（北京）岩石力学室拥有美国进学室拥有美国进口的先进仪器设口的先进仪器设备，能够完成凯备，能够完成凯塞尔效应、单轴塞尔效应、单轴/ /三轴抗压试验三轴抗压试验(shyn)(shyn)、水、水力

11、压裂室内试验力压裂室内试验(shyn)(shyn)等多等多项实验。项实验。第21页/共67页第二十一页，共67页。室内(sh ni)岩心试验法：声发射信号数声发射信号数单轴压缩应力单轴压缩应力凯塞尔效应点凯塞尔效应点凯塞尔效应凯塞尔效应(xioyng)试验曲线示意试验曲线示意图图45度 45度凯塞尔效应试验凯塞尔效应试验(shyn)取芯位置取芯位置第22页/共67页第二十二页，共67页。试验(shyn)步骤：o 加工(ji gng)好的岩样套上橡胶封隔套，装入高压釜中；o 加围压至设定值，并使之保持恒定；o 以恒定的加载速给岩样施加向载荷；记录下加载过程中岩样内部微破坏所发出的声发射信号o 将

12、向载荷卸致零，进行第二次加载；o 绘出二次加载过程中的声发射信号载荷的变化曲线第23页/共67页第二十三页，共67页。cp212900900hcp212900900HcpVKPP2tg122KPP2tg122KPPKaiser效应(xioyng)试验结果的解释第24页/共67页第二十四页，共67页。现场水压致裂法：根据多孔弹性介质力学理论，从井壁受力状态出发，通过(tnggu)测出地层破裂压力，裂隙重张压力，裂隙闭合压力，可求出最大、最小水平主地应力。水力压裂试验可以比较精确地测定最小水平主地应力。测量最大水平主地应力的精度受地层孔隙度、渗透率、孔隙连通性影响较大。第25页/共67页第二十五页

13、，共67页。AAmaxhminh)()1 ()1 (2)21 (2cos)31 (2)()1 (2)(22442222phHhHPPrRrRrRPrR井周地层井周地层(dcng)应力状态应力状态第26页/共67页第二十六页，共67页。(after Gaarenstroom et al., 1993)volume监测裂缝扩展和关井后的压力监测裂缝扩展和关井后的压力，准确，准确(zhnqu)确定最小主确定最小主应力应力典型的水力(shul)压裂试验曲线第27页/共67页第二十七页，共67页。典型的水力压裂试验(shyn)曲线出现(chxin)剪切裂缝破裂(pli)漏失停泵裂缝闭合裂缝重张时间井口压

14、力第28页/共67页第二十八页，共67页。利用水力压裂试验数据(shj)计算地应力：地层破裂压力（Pf）：地层破裂产生流体漏失时的井底压力裂缝延伸压力（Pr）：使一个已存在的裂缝延伸扩展时的井底压力裂缝闭合压力（PFcp）：使一个存在的裂缝保持张开时的最小井底压力，它等于作用在岩体上垂直裂缝面的法向应力，即最小水平主地应力。瞬时停泵压力（PISIP）：关泵瞬间的裂缝中的压力。它一般大于PFcp，两者之间的差别一般在0.17MPa之间变化(binhu)，它取决压裂工艺及岩石性质。在低渗透性地层，两者近似相等第29页/共67页第二十九页，共67页。利用水力压裂试验数据(shj)计算地应力：HFCP

15、PminHHpftPPSmaxmin3SPPtfr第30页/共67页第三十页，共67页。构造应力场导致井壁崩落椭圆具有明显的长轴方位(fngwi)。在地层倾角测井记录上，一条井径曲线比较平直或等于钻头直径，而另一条井径曲线则比钻头直径大得多，而非应力孔眼井径曲线上表现为，钻头孔截面没有明显的长轴方向。 井壁崩落(bn lu)椭圆法确定主应力方向由于井壁崩落椭圆因崩落的长轴方向总是与最小水平主地应力方向一致，即与最大水平地应力方向垂直，因此可借用(jiyng)井壁崩落椭圆来确定地应力的方向。 第31页/共67页第三十一页，共67页。地层倾角(qngjio)测井确定地应力方位主地应力方向主地应力方

16、向H第32页/共67页第三十二页，共67页。坍塌拉伸裂缝第33页/共67页第三十三页，共67页。破碎性地层井壁坍塌破坏(phui)规律第34页/共67页第三十四页，共67页。地应力纵向(zn xin)分布规律计算 不同深度，不同性质的地层其地应力大小及非均匀性不同，即地应力不是随井深增加而线性增大，对不同地层要分层计算地应力。 地应力主要来自于上覆岩层的自重及地质(dzh)构造运动产生的构造应力，用公式表示为：HHHT第35页/共67页第三十五页，共67页。地应力纵向(zn xin)分布规律计算 由上覆地层产生的水平地应力，可根据弹性变形力学理论(lln)，假设在水平方向的变形受到限制，即（x

17、）V=（y）V =0，由此可得到：HvhvvppPP1该部分地应力在水平(shupng)方向相同，为均匀分布的第36页/共67页第三十六页，共67页。地应力纵向分布(fnb)规律计算模式 由构造运动产生的地应力，由于构造运动的方向性，使得在水平方向产生的地应力不同。假设构造运动可分解为沿相互垂直的两个主方向（H方向和h方向）的向前平推运动，在两个方向的构造运动变形量分别(fnbi)为H、h；并假设在构造运动过程中各地层保持连续（不产生相互错动），根据广义虎克定律有：HTHhhThHEEEE1111第37页/共67页第三十七页，共67页。地应力纵向分布规律(gul)计算模式H水平(shupng)

18、构造应力第38页/共67页第三十八页，共67页。地应力纵向分布(fnb)规律计算模式不同深度(shnd)地层的分层地应力计算模式：H、h表示构造运动激烈程度的构造应力系 数，由实测地应力值反算。-泊桑比，E-弹性模量H、h分别为最大、最小水平主地应力hVPPHhPPEE111HVPPHhPPEE111第39页/共67页第三十九页，共67页。地应力横向分布规律(gul)研究第40页/共67页第四十页，共67页。区域(qy)地应力场横向分布规律计算图1 背斜油气藏剖面示意图油气水xyyyzh/2h/2图2板壳法计算地应力场：板壳法计算地应力场： 板受力板受力 弯曲变形弯曲变形曲率变化曲率变化(bi

19、nhu) (binhu) 地地层受力层受力地应力地应力第41页/共67页第四十一页，共67页。板壳法预测地应力场横向(hn xin)分布计算实例图4-39 最大地应力方位分布等值线图第42页/共67页第四十二页，共67页。井眼周围地层应力井眼周围地层应力(yngl)状态状态第43页/共67页第四十三页，共67页。井眼周围(zhuwi)地层应力状态意义？意义？井壁稳定性分析及安全井壁稳定性分析及安全(nqun)泥泥浆密度窗口的确定基础浆密度窗口的确定基础出砂预测研究的基础出砂预测研究的基础第44页/共67页第四十四页，共67页。 假设条件假设条件(tiojin)： 地层均质各向同性地层均质各向同

20、性 线形弹性，小变形线形弹性，小变形 轴向轴向平面应力或平面应变平面应力或平面应变井眼周围(zhuwi)地层应力状态三维问题三维问题(wnt)转化为二维转化为二维问题问题(wnt)第45页/共67页第四十五页，共67页。直井井眼周围(zhuwi)地层应力状态 h二维平面二维平面(pngmin)应变应变模型模型 r第46页/共67页第四十六页，共67页。直井井眼周围地层(dcng)应力状态依据线弹性、小变形应力依据线弹性、小变形应力(yngl)叠加原理叠加原理对井眼受力进行分解对井眼受力进行分解请回忆请回忆(huy)弹性基础中厚壁筒及小孔应力弹性基础中厚壁筒及小孔应力集中集中第47页/共67页第

21、四十七页，共67页。 由钻井液柱压力由钻井液柱压力(yl)P(yl)P引起的应力引起的应力 直井井眼周围地层(dcng)应力状态rRrPRrP 2222无剪应力，只与井眼半径无剪应力，只与井眼半径R R和地层和地层(dcng)(dcng)的矢径的矢径r r有关有关第48页/共67页第四十八页，共67页。直井井(jn jn)眼周围地层应力状态由水平最大地应力 所引起(ynq)的井周应力分布HrHHHHrHRrRrRrRrRrRrRr21213422121322132222442222444422()()cos()()cos()sin第49页/共67页第四十九页，共67页。直井井眼周围(zhuwi

22、)地层应力状态由水平最小地应力(yngl) 所引起的井周应力(yngl)分布hrhhhhrhRrRrRrRrRrRrRr 21213422121322132222442222444422()()cos()()cos()sin第50页/共67页第五十页，共67页。直井井眼周围地层应力(yngl)状态钻井液渗流(shn li)效应)()1 (2)21 ()()()1 (2)21 ()()()1 (2)21 (222222prpprPPPPrRrPPrRr第51页/共67页第五十一页，共67页。)()1 ()1 (2)21 (2cos)431 (2)()1 (2)(2222442222phHhHrP

23、PrRrRrRrRPrR)()1 ()1 (2)21 (2cos)31 (2)()1 (2)(22442222phHhHPPrRrRrRPrR2sin)231 (22244rRrRhHr直井井眼周围(zhuwi)地层应力状态第52页/共67页第五十二页，共67页。直井井眼周围地层应力(yngl)状态)(prPPP)(1)21 ()2cos21 ()2cos21 (phHPPP)(1)21 (2cos)(2phHvzPP 井壁应力井壁应力(yngl)状态：状态：第53页/共67页第五十三页，共67页。直井井(jn jn)眼周围地层应力状态直井井眼周围应力分布直井井眼周围应力分布(fnb)的特点是

24、的特点是什么？什么？)(1)21 (3maxphHPPP)(1)21 (3minpHhPPP第54页/共67页第五十四页，共67页。01020304050607010.820.830.840.850.860.8第55页/共67页第五十五页，共67页。05101520253035404510.820.830.840.850.860.8第56页/共67页第五十六页，共67页。10203040506070090180270360第57页/共67页第五十七页，共67页。05101520253035404550090180270360第58页/共67页第五十八页，共67页。AAmaxhminh)()1 ()1 (2)21 (2cos)31 (2)()1 (2)(2