岩石力学实验技术优选ppt资料

岩石(yánshí)力学实验技术第一页，共56页。一、简介二、实验类型及测试参数三、在石油工程(gōngchéng)领域中的应用

汇报提纲第二页，共56页。一.简介岩石(yánshí)力学开展现状“岩石力学是研究岩石力学性能的理论和应用(yìngyòng)的科学〞。它在石油工程领域中的应用(yìngyòng)起步较晚，国内外上世纪90年代后才得到较快开展。第三页，共56页。岩石力学(lìxué)开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以下(yǐxià)几方面：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；地下(dìxià)的岩石物性和声学响应特征；水力压裂力学研究；井眼稳定、储层出砂、优化射孔、稠油冷热采等井下工程研究；一.简介第四页，共56页。岩石力学(lìxué)开展现状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；应力场、温度场和渗流场作用(zuòyòng)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；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。目前国内外石油工程领域岩石力学(lìxué)的研究主要集中在以下几方面：一.简介第五页，共56页。实验设备(shèbèi)简介轴向力:σ≤149吨围压:Pc≤138MPa孔隙压力(yālì):Pp≤103MPa模拟温度:T≤200℃技术指标一.简介第六页，共56页。设备(shèbèi)的工作原理计算机自动控制(zìdònɡkònɡzhì)环境条件(tiáojiàn)模拟岩石静态、动态参数测试力学参数声学参数渗透性参数其它参数实验设备简介一.简介第七页，共56页。一、简介二、实验(shíyàn)类型及测试参数三、在石油工程领域中的应用

汇报提纲汇报提纲第八页，共56页。二.实验类型及测试参数室内岩石力学(lìxué)研究方法静态(jìngtài)法静态法：是通过(tōngguò)对岩样进行静态加载，测试获得。动态法：是通过测定声波在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第九页，共56页。бб1.单轴压缩(yāsuō)实验实验(shíyàn)方法：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。上端帽下端帽热缩套应变传感器岩样岩样组件(zǔjiàn)示意图二.实验类型及测试参数第十页，共56页。1.单轴压缩(yāsuō)实验ACBDC0OB'maxa0Cs=压密阶段(jiēduàn)弹性(tánxìng)变形阶段塑性变形阶段破坏后阶段屈服点剩余强度二.实验类型及测试参数第十一页，共56页。1.单轴压缩(yāsuō)实验计算公式：二.实验类型及测试参数测试(cèshì)参数：单轴抗压强度、杨氏模量、泊松比第十二页，共56页。2.三轴压缩(yāsuō)实验加孔压的三轴压缩(yāsuō)实验实验也可以(kěyǐ)模拟地层温度条件实验方法：是在恒定围压〔和恒定孔隙压力〕条件下，对圆柱状岩样连续施加轴向载荷，直至岩样破坏。二.实验类型及测试参数不加孔压的三轴压缩实验岩样бdбd第十三页，共56页。2.三轴压缩(yāsuō)实验三轴压缩(yāsuō)应力应变曲线二.实验类型及测试参数第十四页，共56页。2.三轴压缩(yāsuō)实验加孔压的三轴压缩(yāsuō)实验加载方式二.实验类型及测试参数ACDBOFE第十五页，共56页。2.三轴压缩(yāsuō)实验根据体积应变(yìngbiàn)——围压关系曲线计算压缩系数ⅢⅡⅠ加孔压的三轴压缩(yāsuō)实验二.实验类型及测试参数第十六页，共56页。2.三轴压缩(yāsuō)实验利用一个单轴压缩(yāsuō)实验和三至五个三轴压缩(yāsuō)实验，可以绘制莫尔圆及破裂包络线。二.实验类型及测试参数内聚力、内摩擦角第十七页，共56页。2.三轴压缩(yāsuō)实验库仑(kùlún)破裂包络线的表达式：二.实验类型及测试参数第十八页，共56页。3.巴西(bāxī)劈拉实验实验方法：利用Brazil实验间接测定岩样的抗拉强度。原理是在岩样的直径方向上，以恒定(héngdìng)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。二.实验类型及测试参数岩样尺寸(chǐcun)：直径50.4mm厚度与直径之比为0.5:1~1:1第十九页，共56页。3.巴西(bāxī)劈拉实验半球轴承(zhóuchéng)，2—上加载鄂，3—螺孔，4—导杆，5—下加载鄂，6—岩样样品(yàngpǐn)组件示意图二.实验类型及测试参数岩样PP破坏后示意图第二十页，共56页。3.巴西(bāxī)劈拉实验计算公式：二.实验类型及测试参数测试参数(cānshù)：抗拉强度P第二十一页，共56页。4.声波(shēnɡbō)实验实验方法：用一个矩形、瞬时、高压电脉冲激发P波或S波压电晶体，产生一沿着岩样传播的弹性(tánxìng)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。根据脉冲通过岩样的时间计算P波、S波的速度。二.实验类型及测试参数第二十二页，共56页。4.声波(shēnɡbō)实验岩样发射端帽接收端帽P、S波转换开关示波器收、发波器频率(pínlǜ)为1MHz声波(shēnɡbō)实验原理图t1二.实验类型及测试参数第二十三页，共56页。4.声波(shēnɡbō)实验测量(cèliáng)与计算测量超声波在端帽中的延迟时间t0测量超声波传播的总时间t1计算样品中的传播时间t计算P波和S波的波速V计算动态(dòngtài)弹性参数二.实验类型及测试参数第二十四页，共56页。5.断裂韧性实验(shíyàn)实验方法：在模拟(mónǐ)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。二.实验类型及测试参数第二十五页，共56页。5.断裂韧性实验(shíyàn)φ75mm75mm17mmφ10mm断裂韧性岩样尺寸(chǐcun)端帽岩样装配(zhuāngpèi)示意图高压孔隙压力管线聚乙烯管岩样聚四氟乙烯套密封圈端帽二.实验类型及测试参数第二十六页，共56页。5.断裂韧性实验(shíyàn)计算公式：二.实验类型及测试参数测试(cèshì)参数：断裂韧性实验(shíyàn)后的岩样照片砂岩泥岩第二十七页，共56页。6.蠕变(rúbiàn)实验实验方法：保持轴向应力、围压和孔隙压力恒定(héngdìng)〔完全伺服控制〕，测试岩样应变随时间的变化。二.实验类型及测试参数两种类型(lèixíng)：趋于稳定的蠕变非趋于稳定的蠕变第二十八页，共56页。6.蠕变(rúbiàn)实验典型(diǎnxíng)的蠕变曲线0.瞬时变形阶段：常应力刚刚(gānggāng)作用于岩石上就出现的瞬时弹性应变εe；Ⅰ.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。Ⅱ.稳态蠕变阶段：应变随时间呈近于等速的增长。Ⅲ.加速蠕变阶段：应变速率加快，并迅速导致破坏。二.实验类型及测试参数第二十九页，共56页。6.蠕变(rúbiàn)实验计算公式：二.实验类型及测试参数测试参数(cānshù)：蠕变第三十页，共56页。7.渗透率实验(shíyàn)实验方法：模拟地层条件，进行(jìnxíng)渗透率的测试。也可模拟油藏开发不同时期，进行(jìnxíng)渗透率同步检测。二.实验类型及测试参数测试(cèshì)参数：渗透率第三十一页，共56页。7.渗透率实验(shíyàn)二.实验类型及测试参数峰值点屈服点第三十二页，共56页。一、简介二、实验类型及测试参数三、在石油(shíyóu)工程领域中的应用

汇报提纲第三十三页，共56页。三.在石油工程领域的应用应用范围井壁稳定性出砂预测套管损坏机理压裂优化设计地球物理解释地应力测量产能预测、压实第三十四页，共56页。井壁稳定(wěndìng)地震(dìzhèn)勘探出砂预测(yùcè)压裂设计井壁稳定从力学的角度来说，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石本身的强度而产生压缩破坏。三.在石油工程领域的应用第三十五页，共56页。井壁稳定的力学分析(fēnxī)流程原地应力力学本构关系“安全”钻井液密度岩石强度井筒周向应力强度判断准则地层坍塌应力、破裂压力孔隙压力地震(dìzhèn)勘探出砂预测(yùcè)压裂设计井壁稳定井壁稳定三.在石油工程领域的应用第三十六页，共56页。巴西(bāxī)劈拉实验单轴压缩(yāsuō)实验实验(shíyàn)后的岩样照片第二十九页，共56页。实验也可以(kěyǐ)模拟地层温度条件岩石物理力学性质的井下地球物理解释；θ为井眼周围某点径向与最大水平主应力方向的夹角；巴西(bāxī)劈拉实验半球轴承(zhóuchéng)，2—上加载鄂，3—螺孔，4—导杆，5—下加载鄂，6—岩样地震(dìzhèn)勘探第三十三页，共56页。Pp为地层孔隙压力；实验(shíyàn)方法：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。“深层岩石超声性质测试与矿场应用〞地震(dìzhèn)勘探井壁稳定的力学分析(fēnxī)流程地震(dìzhèn)勘探出砂预测(yùcè)压裂设计(shèjì)井壁稳定井壁稳定地层zr力学模型z——垂向应力r——径向应力——周向应力原地应力分析三.在石油工程领域的应用第三十七页，共56页。井壁岩石(yánshí)的状态方程：地震(dìzhèn)勘探出砂预测(yùcè)压裂设计井壁稳定井壁稳定建立状态方程式中：σr为井眼周围所受径向应力；σθ为井眼周围所受周向应力；τθr

为井眼周围所受切应力；Pi为井内钻井液柱压力；θ为井眼周围某点径向与最大水平主应力方向的夹角；σH为最大地应力；σh

为最小地应力；Pp为地层孔隙压力；

α为有效应力系数；三.在石油工程领域的应用第三十八页，共56页。地震(dìzhèn)勘探出砂预测(yùcè)压裂设计(shèjì)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、内聚力、内摩擦角等参数三.在石油工程领域的应用第三十九页，共56页。地震(dìzhèn)勘探出砂预测(yùcè)压裂设计(shèjì)井壁稳定井壁稳定井壁上的最大周向应力:

确定钻井液密度当最大周向压应力超过井壁岩石的抗压强度，井壁将会出现压缩破坏，引起井眼扩大、崩落、孔眼坍塌等问题。可根据实验室数据和应力分析确定平安生产的钻井液密度。三.在石油工程领域的应用第四十页，共56页。出砂预测(yùcè)地震(dìzhèn)勘探出砂预测(yùcè)压裂设计井壁稳定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：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砂：可以通过调整生产压差、维持地层压力来控制。

三.在石油工程领域的应用第四十一页，共56页。出砂预测(yùcè)地震(dìzhèn)勘探压裂设计(shèjì)井壁稳定出砂的力学分析流程原地应力力学本构关系“安全”生产压差岩石强度井筒周应力强度判断准则井底流压三.在石油工程领域的应用第四十二页，共56页。地震(dìzhèn)勘探出砂预测(yùcè)压裂设计(shèjì)井壁稳定室内测试分析

巴西劈拉实验单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三.在石油工程领域的应用第四十三页，共56页。地震(dìzhèn)勘探出砂预测(yùcè)压裂设计(shèjì)井壁稳定判别准那么拉伸破坏准那么

式中:3--为岩石所受的最小主应力T0--岩石的抗拉强度三.在石油工程领域的应用第四十四页，共56页。地震(dìzhèn)勘探出砂预测(yùcè)压裂设计(shèjì)井壁稳定随着井底流压的增大，井壁上的周向压应力逐渐减小，当最小周向压应力小于井壁岩石的抗拉强度时，井壁将会出现拉伸破坏。井壁上的最小周向应力:

判别准那么三.在石油工程领域的应用第四十五页，共56页。地震(dìzhèn)勘探出砂预测(yùcè)压裂设计(shèjì)井壁稳定drd破坏区平安区r＜d，稳定r＞d，出砂r＝d，即将出砂库仑法判别准那么：剪切破坏准那么判别准那么三.在石油工程领域的应用第四十六页，共56页。地震(dìzhèn)勘探出砂预测(yùcè)压裂设计(shèjì)井壁稳定确定平安生产压差设r=d,并将实验结果代入状态方程，就可计算得到最小井底流压：Pwmin根据地层压力P0和最小井底流压，计算得到防止地层出砂的最大平安生产压差：ΔPmax=Po-Pwmin三.在石油工程领域的应用第四十七页，共56页。压裂设计(shèjì)地震(dìzhèn)勘探出砂预测(yùcè)压裂设计井壁稳定三.在石油工程领域的应用压裂过程条件：井底压力大于岩石的抗拉强度〔断裂韧性〕注入高压液体裂缝起裂扩展注入携砂液〔支撑剂〕人工裂缝压裂液返排裂缝闭合第四十八页，共56页。地震(dìzhèn)勘探出砂预测(yùcè)压裂设计(shèjì)井壁稳定室内测试分析巴西劈拉实验单轴压缩实验三轴压缩实验断裂韧性实验杨氏模量、泊松比抗拉强度、抗压强度、断裂韧性获得地层压力系数三.在石油工程领域的应用第四十九页，共56页。地震(dìzhèn)勘探出砂预测(yùcè)压裂设计(shèjì)井壁稳定利用杨氏模量、泊松比预测裂缝尺寸

将得到代入公式：利用抗拉强度判断裂缝起裂三.在石油工程领域的应用第五十页，共56页。地震(dìzhèn)勘探出砂预测(yùcè)压裂设计(shèjì)井壁稳定利用断裂韧性判断裂缝的扩展将分层地应力剖面〔、、〕和分层岩石力学参数〔、〕输入压裂设计软件〔目前采油院用的是GOHFER软件〕，利用GOHFER建立地质模型，通过数值模拟，进行压裂优化设计。三.在石油工程领域的应用第五十一页，共56页。压裂设计(shèjì)地球物理出砂预测(yùcè)地球物理井壁稳定(wěndìng)室内声波实验〔Vp,Vs〕现场声波测试〔Vp,Vs〕岩性、物性、流体