2006级硕士岩石力学

1、油气工程岩石力学硕士研究生专用11.1 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1.2 特点岩石的破裂 结构特征抗拉强度 孔隙流体 风化 岩体外载一、 岩石力学概述2岩石的破裂特性岩石一般处于压应力状态，破坏具有局部性。尺寸效应岩石的强度和变形特征受岩石材料的性质和各种地质结构面的共同影响。抗拉强度岩石的抗拉强度远低于抗压强度地下水的影响孔隙压力的影响，通过有效应力原理起作用风化岩体外载原地应力状态的确定31.3 研究方法科学实验、理论分析和现场验证1.4 发展史1951年奥地利J. Stini 和

2、 L. Muller等人联合地质、力学、工程等学科专家学者在奥地利的Salzburg发起和举行了以岩石力学为主题的第一次国际岩石力学研讨会。1962年国际岩石力学学会成立。美国1965年成立了联邦岩石力学委员会。1981年成立了中国岩石力学与工程学会筹备组，随后成立了国际岩石力学学会中国小组。1985年正式成立中国岩石力学与工程学会。专业委员会、省级委员会成立。41.5 应用领域采矿（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51 .6 石油工程岩石力学研究特点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领域岩石破

3、碎机理及地层可钻性地层防斜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6二、弹性力学基础2.1 基本概念外力: 表面力（集中力、分布力）、体力内力：外力的反作用力：单位：N应力:单位面积上的内力。单位：MPa应变:长度的变化，角度的变化。无量纲单位。7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8一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,zxR=R/Azyxxyzx9应力状态：一点应力的总和。z zx zyy y

4、x yzx xy xzxz102.2 主应力与主应变主应力应力不变量偏应力主应变11可以证明：通过一点总存在着三个相互垂直其剪应力为零的特殊截面，该截面称为主面，其外法线方向称为该点的主方向。作用在主面上的正应力称为主应力。n1213根据上述方程可求得三个实根：123称为最大、中间及最小主应力。I1、I2、I3分别称为应力张量的第一、第二、第三不变量。213n14剪应力斜面上的正应力和剪应力为：最大剪应力：15球应力张量、偏应力张量、八面体应力及应力强度分成球应力张量和偏应力张量16偏应力不变量：八面体是一组特殊的斜截面，其上的应力为：17几何方程： 某点某方向上剪应变为零，该方向称为应变主方

5、向，其上的正应变称为主应变。182.3 三大方程静态平衡方程相容方程物理方程19 静力平衡方程xyzy2021变形协调方程：22物理方程：剪切弹性模量体积弹性模量232.4 平面问题平面应力问题平面应变问题厚壁筒分析24平面应变问题25平面应力问题26岩土力学中关于位移、应变和应力的规定：（1）沿坐标轴正方向作用的力和位移分量为正；（2）收缩正应变取为正；（3）压缩正应力取为正；（4）若截面内法线相对于坐标原点向内指，则截面上剪应力方向相对于坐标原点向内为正，反之亦然。27Mohrs stress circle121228习题1、下图所示的矩形板边缘上均匀地分布着给定载荷，板厚50mm， AB

6、长500mm，BC长400mm。（a）确定BC、DA边上为保持板的平衡必须有用的剪力。（b）相对于xy参考轴，确定板内任一点p的应力状态。（c）对于所示的lm轴，确定应力分量ll、mm、lm。（d）确定最大主应力值和最大应力轴相对x轴的方向。（e）对于GH面，其外法线与x轴的夹角为，请确定作用在该面上的作为xx、yy、xy和函数的牵引力分量表达式，并分别给出=0、60、90时的tx、ty值。给出=60时的平面合应力。29400kN250kN300kN250kN400kNyxmlxGHptxty3030三、岩石的基本力学性质常温常压下岩石的力学性质围压对岩石力学性质的影响温度对岩石力学性质的影响

7、孔隙压力对对岩石力学性质的影响313.1 常温常压下岩石的力学性质实验条件：圆柱形试件，高径比2-2.5。加载速率5-8x105Pa/S.R.P. Miller将单轴压缩下应力应变曲线分为6大类型。全应力应变曲线弹性参数的确定326大类型弹性变形弹-塑性变形塑弹性变形塑-弹-塑性变形弹-塑-蠕变变形33弹性弹-塑塑-弹塑-弹-塑塑-弹-塑屈服34全应力应变曲线oABCDOA微裂缝闭合AB弹性变形BC弹塑性变形CD参与变形35切线模量Et=d/d割线模量Es= k/ kkk363.2 围压对岩石力学性质的影响图1-1 Carrara大理岩在不同围压下应力-应变曲线Pc=100MPa50MPa30

8、MPa0MPa37石灰石38主要结论：(1) 随着围压的增加，其破坏强度、屈服应力及延性都增加。(2) 在三轴不等压情况下，随着中间主应力2的增加，其破坏强度、屈服应力增加，但延性减小。(3) 在三轴不等压情况下，随着最小主应力3增加，其破坏强度及延性增加，但屈服应力保持不变。393.3 温度对岩石力学性质的影响图1-4 温度对岩石力学性质的影响25C100 C300 C4041主要结论：（1）岩石在一定围压下，随着温度的升高，无论是拉伸或压缩，其屈服应力与强度均要降低，加速了由脆性向延性转化。其影响程度随着岩石种类及受力状态的不同而各异。（2）随着温度的升高，弹性模量值逐渐降低。423.4

9、孔隙压力对岩石力学性质的影响图1-6 围压50MPa孔隙压力对石灰岩力学性质的影响Pp=0MPa30MPa50MPa43有效应力的基本原理 有效应力为:=-Pp h1h2A点的总应力 =wh1+ sh2A点的孔隙压力Pp= w(h1+h2)A点的有效应力=-Pp= wh1+ sh2- w(h1+h2) =(s- w)h2当h1发生变化时，A点总应力变化，有效应力不变。44主要结论：（1）在一定围压下，由于孔隙压力增大，强度及延性随之降低。若孔隙压力逐渐提高，则岩石强度随之下降，且由延性逐渐转化为脆性。（2）当孔隙压力等于围压时，则相当于单轴压缩的应力-应变曲线及强度。45四、岩石的强度与室内实

10、验岩石的破坏与破坏类型岩石的抗压强度及其影响因素岩石抗拉强度及其影响因素岩石抗剪强度及其影响因素不连续结构面的强度及其影响因素464.1 岩石的破坏与破坏类型一、岩样的制备圆柱形试件：直径 1“、1.5”、2“三种H/D比：抗压强度实验2.5-3.0弯曲实验3.0-7.0巴西实验0.5-1.0冲压实验0.2-0.25加工精度：端面磨平到0.02mm；端面与轴线的垂直度误差在0.001弧度；周边的不平度直径差不超过0.3mm.岩芯的代表性：大理石2-3块，页岩5块，砂岩5-10块47二、岩石的破坏类型岩石的破坏取决于物理环境，在低温、低围压及高应变速率下，表现为脆性破坏；在高温、高围压及低应变速

11、率下，表现为延性破坏。根据岩石破坏前应变的百分数可以将岩石破坏分为5种类型。4849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

12、延性状态，永久应变量大于10%。50图4-2 石灰岩及大理石的破坏特征514.2 岩石抗压强度及其影响因素一、抗压强度岩石强度的含义是指岩石不致产生破坏而能抵抗的最大应力，岩石力学中常将破坏应力定义为岩石强度。 单轴强度是指岩石试件在单轴载荷下达到破坏时的最大应力，一般分成抗压、抗拉、抗剪强度等等。 单轴抗压强度简称抗压强度，通常将圆柱体(如5.411cm3)的岩石试件放置在压力机上进行单轴加压试验，当压力达到破坏时，则试件破坏应力称为岩石抗压强度。即 c=Pc/A 上式Pc为破坏载荷， A为试件原始横截面面积。 52二、影响因素1、岩石的内在因素矿物成分、颗粒大小、胶结物及孔隙度是控制强度的

13、内在因素。硅质胶结铁质、钙质胶结泥质胶结水的渗入促进交接软化，强度大幅降低。2、实验方法与物理环境试件直接放在压机上加载，端面产生不均匀分布力；高径比的影响53 端面压力分布图 高径比对强度的影响 1 1.5 2 2.5 3544.3 岩石的单轴抗拉强度及其影响因素一、抗拉强度 岩石的抗拉强度是指试件在单轴拉伸条件下达到破坏时的极限应力。可采用直接或间接方法来测定岩石的抗拉强度。直接法： t=P/A间接法即巴西实验法(Brazilian test) t=2P/dl 55二、岩石抗拉强度影响因素岩石抗拉强度远远低于抗压强度，一般前者为后者的1/101/20，甚至为1/50。其抗拉强度低的原因主要

14、是由于岩石内部孔隙的影响，一般情况由于岩石内部微裂隙、孔隙较为发育，这种缺陷对抗拉强度降低尤为敏感，在拉应力作用下具有削弱岩石强度的效应。岩石的抗拉强度还受到岩石本身内部组分的影响，例如矿物成份，颗粒间胶结物的强度都影响岩石的抗拉强度。 564.4 岩石的抗剪强度一、抗剪强度（内聚力0，内摩擦角）抗剪强度一般有两种定义：一种是指试件在法向载荷作用下，岩石剪切破坏面上的最大剪应力；另一种定义为纯剪切时(即没有法向载荷)，剪切破坏面上的最大剪应力。 前者考虑到剪切破坏时岩石中包含着粘聚力和内摩擦力；后者仅仅取决于粘聚力。 室内常采用直接剪切实验及三轴实验确定抗剪强度。 57直接剪切实验倾斜压模剪切

15、法 最广泛采用的是楔形简单剪切仪，主要装置如图所示，将长方柱体(101015cm)试件放置在剪切仪中，在压力机上施加压力进行剪切破坏试验。当载荷P达到一定值时，试件沿ab截面剪断，一般在剪切装置上下与压力板之间装有滚轴，并加上滑润油，在加载过程中可以消除压力板与剪切仪之间的摩擦阻力。当试件产生剪切破坏时，破裂面上的剪应力及正应力分别为： =T/A=P/Asin N=N/A=P/Acos 上式中P为试件产生剪切破坏时的载荷，T为作用在剪切破坏面上的剪力，N为作用在剪切破坏面上的压应力，A为剪切破坏面面积，为水平面与剪切破坏面之间的夹角。 58059剪切破坏实验时，同一种岩石采用多个岩石试件，分别

16、以不同角度进行实验。当剪切破坏时，对应每一个值可以得到一对及n值，在坐标系中绘出不同值的一系列点，用光滑曲线连接这些点，此曲线即为某种岩石剪切破坏时的强度曲线。它反映岩石抗剪强度的两个参数，即内聚力(曲线与轴的交点)与内摩擦角(曲线与轴交点的切线与轴的夹角)。 60岩石三轴实验岩石三轴实验采用下图所示三轴实验仪，将岩石试件放置在压力室内，施加一定的侧向压力(3)，然后施加垂直压力(1)，直到岩石破坏。这样可得到岩石破坏时1及3值。于是在坐标系中可画出一个破坏应力圆。用相同岩石的试件进行不同侧向压力3及垂直压力1的破坏实验，这样可得到一系列不同的1及3值，可画出一组破坏应力圆。这组破坏应力圆的包

17、络线，即为岩石抗剪强度曲线。包络线上任意点的纵坐标即代表在一定围压及垂直压应力作用下，沿剪切破裂面的抗剪强度f；任意点的切线与横坐标之间夹角(代表相应剪切面上的内摩擦角；切线与纵坐标相交的截距，即为该剪切破坏面的粘聚力C。 610624.5 不连续结构面的强度岩石或岩块是指从岩体中切割下出来尺寸较小较完整的岩块（例如岩芯或人工切割的岩石），含裂隙较少。它的强度及变形性态主要取决于物理环境和岩石的组成。岩体是指地壳中充分大的地质体的一部分。含有各种不连续的结构面及软弱面：如节理、裂隙、劈理、片理、软弱夹层及断层等。岩体中不连续结构面形成了应力传递的不连续面。岩体的有效强度大大低于完整岩石的强度。

18、63结构面的力学性质一、法向变形在法向载荷作用下，岩石粗糙结构面的接触面积和接触点随载荷增加而增加，结构面间隙呈非线性减小，应力与法向变形之间呈指数关系。（接触点的弹性变形、压碎和间接拉裂隙的产生，以及新的接触点、接触面积的增加）。载荷去除后，将引起明显的后滞和非弹性效应。Goodman模型为原位应力；n为法向应力；n为结构面闭合量。64nn啮合非啮合nn65二、剪切变形破坏后岩石的滑动方式有两种：一种是沿滑动面产生连续位移，成为稳定滑动；其应力应变曲线为连续光滑曲线，另一种沿摩擦面产生突跳运动式位移，其应力应变曲线为锯齿状振荡，称为粘滑。影响滑动方式的因素有两方面，一是岩石类型、孔隙度、矿物

19、、断层泥和水。二是压力、温度、加载速率和压力机刚度。66三、结构面强度n67四、影响因素加载方式、结构面粗糙程度、胶结物性质、胶结程度。68习题一组砂岩三轴实验结果如下，计算内聚力，内摩擦角？No.S3/MPaS1/MPa1010022018034023069基本概念蠕变经验公式蠕变影响因素蠕变模型五、岩石的流变性705.1 基本概念岩石在长期载荷作用下，应力应变随时间而变化的性质成为岩石的流变性。岩石在恒定载荷作用下，其变形随时间逐渐缓慢地增长的现象称为蠕变(creep)。若控制变形保持不变，应力随时间的延长而逐渐减少的现象，称为松弛（Relaxation）。71t725.2 蠕变经验公式描

20、述蠕变本构关系的方法有两种：经验公式法和模型法735.3 影响因素一、应力的影响10040.511.510MPa12.51518.120.5天74二、围压、温度对蠕变性能的影响650MPa55044032040 c80ctt75三、岩石结构及湿度对岩石蠕变形态的影响0.1mm0.63mm0.55mm岩盐颗粒大小对蠕变的影响t76水HCl干湿度对蠕变的影响t775.4 蠕变模型 基本元件弹性元件=/E粘性元件 = 塑性元件 =sE s78麦克斯韦尔模式79若应力保持恒定= 0，则：若初始时间t=t0，则初始应变为：将上式积分：即：令t0=0,则：80开尔文模式Et81若恒定应力= 0，则上式变为

21、：设t=t0时，解为：若设t=t0时，82柏格斯模式E11E2283设初始时刻t=0时，作用一恒定应力0，初始瞬时应变0=0/E，则上式解为：84思考题：井深为3000米的盐膏层，温度为100C，上覆岩层压力梯度为0.023MPa/m，水平地应力梯度为0.019MPa/m，求井眼钻井液密度为1.1g/cm3时的井眼收缩速率？（只考虑稳态蠕变阶段，蠕变速率=1.1x10-91.9 1/hr）85六、强度破坏准则Maximum extension stress criterionCoulomb-Navier CriterionMohr CriterionHOEK-BROWN CriterionGr

22、iffith Criterion86拉伸破坏准则 3=-t是水力压裂的起点或井漏的起点。maxmin87COULOMB-Navier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+f在、坐标系下，上式为一直线方程。88/4-/289Mohr 破坏准则从三轴试验可以看出：当围压较低时，岩石剪切破裂线近似为一条斜直线。当围压较高时，则为一条曲线。其、0均随围压大小而变化。当围压较高时，角变小， 0增加。常用抛物线型曲线和双曲线型曲线描述岩石的抗剪强度

23、。9091HOEK-BROWN 破坏准则1 最大主应力；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92Griffith 断裂准则1393裂纹尖端周向应力：94Griffith断裂准则95七、声波在岩石中的传播固体中弹性波的基本理论表面波有限介质中的弹性波声阻抗、折射和反射声发射967-1 固体中弹性波的基本理论1。弹性波的波动方程动力方程：作用在微单元体dxdydz上的应力如图所示。zyx97X方向运动微分方程：化简后，得：98几何方程：99物理方程：1002。无限弹性体中波的类型将几何方程、物理方程带入动力方程，得：101压缩波又名P波、无旋转波或纵波。由于

24、无旋转，令：即有：102将上式带入x方向动力方程，有：同理，y、z方向，有：103令：Vp为压缩波传播的速度，且各方向的波速相等，压缩波传播过程中仍包含着剪切变形，具有无旋转及质点振动方向和波传播方向一致的特点。104剪切波又名S波、畸变波、等体积波或横波。由于等体积，令：带入动力方程，得：105令：为剪切波波速。剪切波具有等体积及质点振动方向和传播方向垂直的特点。Vp、Vs的关系为： 对于泊松比为0-05，必有：106840.10.20.5泊松比Vp/Vs107由于纵波的速度总是比横波的速度要快，因此，常把纵波称为初至波（Primary），简称为P波；把横波称为续至波（Secondary）或

25、次波，简称为S波。1087 2 表面波通过前面的讨论，在各向同性无限介质中，由而且仅有纵波和横波两种类型的弹性波。但是，若介质存在一个或多个界面，并在界面两侧具有不同的弹性参数，如固体与空气的交界面，其情况将如何呢？理论分析和实际观测表明：在界面附近存在着称为表面波的波形。这种波受到界面的制约，其质点振动时的振幅随着离开界面距离的增加而按指数规律减小。109表面波有两种基本形式，一是瑞利（Rayeigh）波，它存在于介质径向垂直平面内，这时质点作椭圆形的逆进运动。另一种表面波称为勒夫（Love）波。它是当半无限介质表面上至少覆盖有一层表面层时才可能出现。这时介质质点仅在水平横向作剪切型振动。下

26、面仅介绍瑞利波的一些重要结论：（1）Vr是Vs的m倍。110（2）表面波的波速Vr与频率无关，而仅与介质的弹性系数有关。因此，表面波在各向同性介质中传播时波形不会改变。即不会出现频散现象。（3）表面波沿界面一定深度传播，它的强度随深度很快衰减，频率越高，这种沿深度发生的振幅衰减就越快。（4）面波随距离的衰减要比体波慢（面波与距离的一次方呈反比，体波与距离的二次方呈反比）。111P S Rt纵波、横波、面波的传播次序1127-3 有限介质中的弹性波对于常见的有限体，如圆柱形杆、圆管、以及板等，边界面具有机械波导的性质，使得在介质中传播的弹性波受到界面的制约，产生了简单的和复杂的制导波。当纵波沿圆

27、柱形杆传播时，必将产生切向变形，出现纵横波。当横波沿圆柱形杆传播时，也将出现各横截面之间的相对转动，出现弯曲波。杆件具有长度和直径两个尺寸，可以同时产生相互影响的轴向振动和横向振动。沿杆轴传播的纵波速度小于无限大介质中的纵波速度。1137-4 声阻抗、折射和反射声阻抗：介质密度与波速的乘积。相当于电学中的电阻。下面讨论弹性波在半无限介质边界面处的行为：（1）分界面的一侧，介质的密度为，而波速为V；另一侧为真空情况。即=V=0，称为半无限介质的自由面。（2）分界面一侧介质的密度为a，波速为Va;而另一侧介质的密度为b,波速为Vb。在介质的分界面上，必须满足两个条件：114（1）在分界面上，两种介

28、质中的质点振动位移应该相等。界面上质点的振动必须连续。（2）在界面两侧质点所受的应力应该相等。分析平面纵波入射到自由表面时的情形A3,VsA2,VpA1,Vpxyo122115取YZ平面为介质的自由面，而入射的纵波与x轴成1角。入射后产生一个反射纵波，其反射角为2= 1。同时还反射一个横波Vs，反射角为2。11620406080入射角10.40.8A2/A1A3/A1=1/3振幅比1177-6 岩石的声发射若干金属和非金属材料，当受到外力作用时，会发射出音频范围或超音频范围的弹性波。这种弹性波常常是一种随机的非周期性的暂态过程其产生的原因并不十分清楚。但是这种现象总是伴随着材料在外力作用下的变

29、形和破坏的发展而产生的。每一次的发射都是材料内局部所储存的弹性能的一次突然的释放。释放出的弹性能以脉冲波的形式由材料传播至其表面，当这种能量释放达到一定的强度时，经常可以被人耳听见。因此，材料在外力作用下，发生变形和破坏过程中所观察到的弹性能脉冲式释放的现象称为声发射现象，也称凯塞尔效应。118岩石也有声发射现象。岩石的声发射现象可能与下述现象有关：（1）微观水平上的位错；（2）岩石颗粒之间原有联系的破裂；（3）贯穿岩石颗粒的裂隙的发展。岩石试件在加压过程中发生变形，产生的声发射经压电陶瓷换能器检验并转换成相应的电信号，由高通滤波器滤除各种低频干扰再经宽频带放大器放大后由磁带记录下来。对声发射

30、现象研究过程中所记录的参数有：119（1）A.E.累计值N一定时间内记录到的超过规定阀值的声发射次数的总和.（2）A.E.频度NR单位时间内观察到的声发射次数。（3）A.E.振幅值A用任意单位表示的每一次声发射的最大振幅。（4）A.E.能量E任意单位表示的声发射振幅的平方。（5）能量累计E一定时间范围内所测得的全部声发射能量的总和。120声发射研究结果（1）声发射现象及伴随的声信号是时间的非周期性函数。声发射的时间序列没有周期性。（2）每次声发射信号与其它任何一次声发射信号的波形都不会完全相同。即每次声发射信号都有它自己的特殊的频率谱。（3）岩石声发射信号所产生的声信号，包含有很宽的频率成分。

31、100赫到数十万赫。声发射技术是研究地应力、脆性岩石破坏过程的重要手段。121八、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122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；地层在沉积过程中逐渐被压实。一般地层=0.25，水平地应力比上覆岩层压力为1/3；盐膏层=0.5，水平地应力等于上覆岩层压力。123上覆岩层压力随井深的变化v=0.027h01000200030004080上覆岩层压力v（Mpa)井深/m124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

32、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125大洋板块大陆板块板块运动示意图126无层面滑移有层面滑移褶皱内应力的变化127构造对地应力的影响井深应力挤压断层拉张断层vhH128地应力方向的确定井眼崩塌断层分析水力压裂129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130dpumpdPctimeFlat Jack Stress Test131Stress Release Test132Anelastic Strain Relaxation直井需要6个测点；斜井需要9个测点。Elapsed timed

33、isplacement133应变片围压微应变Differential Strain Analysis134水力压裂法PfPrPsPaPt135地层抗拉强度：t=Pf-Pr最小水平地应力：h=Ps最大水平地应力：H=3 h-Pf+ t-Pp136九、地层孔隙压力预测、检测技术理论基础监测方法预测方法137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。138异常压力产生的原因：欠压实迅速沉积盆地断

34、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。1399.1 地层孔隙压力预测理论基础在陆地和海上烃类资源普查中，均发现了异常压力。可以存在于砂泥岩剖面，也可以存在于蒸发岩剖面。在地质时代上，形成范围从新生代到古生代。成因有：沉积压实不均、水热增压、渗透作用和构造运动。140地层沉积过程：沉积物压缩过程是由上覆沉积层重力引起的。随着上覆岩层的增加，下面的地层逐渐被压实。若沉积速度较慢，沉积层内岩石颗粒有足够的时间进行重新紧密排列，使孔隙度减小，孔隙中过剩流体被挤出。如果是“开放”地质环境，被挤出流体就沿阻力小的方向或向低压高渗方向流动，于是便建立了正常压力环境。影响地层压实的主要因

35、素有：上覆沉积速度；地层渗透率大小；孔隙度减小速度；排出流体能力。1419.2 地层孔隙压力监测方法dc指数法（1）1965宾汉通过室内模拟实验，提出了钻速方程：V=KaNe(P/D)d由钻速方程可以得到d指数，进一步修正得到dc指数。dc=n/ m=log(3.282e/N)/log(0.0684P/D)(2)绘制dc指数随深度变化图（3）建立正常趋势线AMCO认为不同地区正常趋势线变化不大。142dchdc指数示意图143(4)运用dc指数计算孔隙压力有四种方法：a.反算法 p=(dcn/dc) hb.等效应力法 dc指数反映了泥页岩压实程度，相等dc指数其基岩应力也相等。而上覆岩层压力总

36、是等于地层压力和基岩应力之和，正常压力下基岩应力可以求得，这样，应用dc值相同和值相同原理，可得计算公式：Gp=Gp0+(Go-Gp0)(dcn-dc)/(a*h)a为正常趋势线的斜率144dcndcheh145c 伊顿法1976年伊顿通过大量实践，得出：Gp=Go-(Go-Gn)(dc/dc)1.2d 对数法1967年统计分析得：p=0.91log(dcn-dc)+1.98146C指数法1982年P.L. Moore提出的新方法，原理：孔隙压力增加机械钻速增高，增加泥浆密度可使钻速降低。若增加泥浆密度使机械钻速恢复到原来的值，泥浆密度的增量即为孔隙压力的增量。2= 1log(3.2808vh

37、1)/log(3.2808vh21/cc值由邻井资料计算。1479.3 孔隙压力预测方法地震层速度法1。公式法先建立正常压实地层层速度与井深的关系线。然后建立计算公式。a等效深度法层速度相同的地层具有相同的有效应力。Pp=GnHe+(H-He)Gob比值法正常压力地层层速度与地层压力之积等于异常压力地层层速度与孔隙压力之积。148Pp=Gn(vn/v)2.图版法3.直接预测法=B(v-vmin)/(vmax-A(v-vmin)Pp=Go-(Go-Gn)(v/vn)3Pp=Go(vmax-v)/(vmax-vmin)1493声波时差法等效深度法Gp=Go-(Go-Gn)ln( t0)-ln(tn

38、)/Ch伊顿法Gp=Go-(Go-Gn)(tn/ t)3.6150十、井壁稳定的基本原理地层三个压力的概念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。15110.1 井眼围岩应力分布规律应力 强度直井线弹性模型斜井线弹性模型蠕变模型152 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。Hh153hHhhH- h154则，井眼围岩有效应力分布规律为：155井壁上一点的应力状态：156斜井井眼应力分布规律Hhvzr157158井壁上一点的应力状态：15910

39、.2 坍塌压力的计算Mohr-Coulumb 准则直井井壁应力表达式：160井壁应力与圆周角的关系：161当=90，井壁应力分量为：pmz rP1 p2162令1= ， 3= r，则带入库伦准则，得：163令1= z， 3= r，则带入库伦准则，得：令1= z， 3= ，则带入库伦准则，得：16410.3 破裂压力的计算拉伸破坏准则：破裂压力表达式：16510.4 计算示例 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12.2KP

40、a/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。166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=31.7MPa;（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=Pm167= 2h-Pm=88.4-Pmz= v=58.76若： 1= ，3= r,则根据Mohr-Coulumb定律，有：40.66-0.922Pm=6+(0.6922Pm-18.11)x0.959Pc=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1.42-2.18168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=44.2MPa,H=50MPa；（2）孔隙压力Pp=12.2x2600=31.7MPa;（3）地层破裂压力Pf=3h-H+t-Pp=3x44.2-50+0-