中国石油大学岩石力学模拟试题详解

中国石油大学（华东）现代远程教育《岩石力学》课程综合练习题中国石油大学（华东）现代远程教育《岩石力学》课程综合练习题#坍塌时，井壁上发生的是剪切破坏，常用的破坏准则有Mohre-Coulomb准则。2Ccos91+sin0o'= + -C'1-sin91-sin93式中：O1为有效最大主应力，MPa；a3为有效最小主应力，MPa。U为内摩擦角C为内聚力，Mpa由于剪切破坏是由于钻井液柱压力较小引起的的，故Or最小应力，分一下两种情况：当轴向主应力ov为最大主应力时，将o1=Ov，o3=Or带入上式通过计算得到钻井液柱压力，进而得到坍塌压力当量密度；对于垂直井眼，有o-aP=2Ccos9+1+sin9(P-aP)vp1-sin9 1-sin9wp当周向主应力O。为最大主应力时，将01=0。，O3=Or带入上式通过计算得到钻井液柱压力，进而得到坍塌压力当量密度。对于垂直井眼，有3o-o-P-aP=2Ccos9+1+sin9(P-aP)Hhwp1-sin91-sin9wpP式中P为地层坍塌压力，换算成当量泥浆密度为：P=二*100w wH5、如何计算破裂压力？岩石的抗拉强度只有抗压强度的几分之几甚至十几分之几，因此在拉伸应力的作用下，很容易被拉伸破坏。对于井眼结构来说，当井内钻井液液柱压力过高时，在井壁处会出现拉应力，当拉应力超过地层的抗拉强度时，就会出现拉伸破坏，发生井漏事故。按最大拉应力理论，井壁应力满足以下等式时，井壁岩石将处于张性极限平衡状态：o=-S0min t式中：S为岩石的抗拉强度。t对于垂直井而言，有：P=3q—o—aP+SfhHpt式中P为地层破裂压力，换算成当量泥浆密度为：f3o—o—aP+Sp=hH ptx100fH6、当坍塌压力大于破裂压力时，应怎样选择泥浆密度？一般而言，钻井液存在一个合适的密度窗口，即p坍塌＜p钻井液＜p破裂，由钻井液密度所产生的液柱压力要小于地层的破裂压力。）因为如果钻井液密度所产生的液柱压力大于地层的破裂压力，将把地层压漏，必须进行堵漏处理。井壁出现了坍塌，可以通过及时地循环钻井液而把岩屑携带上来。7、简述钻井过程做破裂压力试验求取原地应力的过程？地层破裂压力试验包括地层的破裂、裂纹的延伸、瞬时停泵裂缝闭合及裂缝重张等环节。瞬时停泵压力即为最小水平主地应力，破裂压力与重张压力的差为抗拉强度，由破裂压力公式可进一步求出最大水平主地应力。8、影响井眼围岩应力状态和破坏准则的因素有哪些？概括起来，影响井眼围岩应力状态和破坏准则的因素可分为四大类：（1）地质力学因素，原地应力状态、地层孔隙压力、原地温度、地质构造特征等。这些因素是不可改变的，只能准确地确定它们。（2）岩石的综合性质，岩石的强度和变形特征、孔隙度、含水量、粘土含量、组成和压实情况等。（3）钻井液的综合性质，化学组成、连续相的性质、内部相的组成和类型、与连续相有关的添加剂类型、泥浆体系的维护等。特别是对于泥页岩和泥质胶结的砂岩，钻井液对它们的物理力学性质的影响非常大。（4）其它工程因素，包括打开井眼的时间、裸眼长度、井身结构参数（井深、井斜角、方位角）、压力激动和抽吸等。这些因素和参数之间相互作用、相互影响，使井壁稳定问题变得非常复杂。第九章水力压裂一、填空题1、在加压过程中，井眼的切向或垂向的有效应力可能变成拉应力，当此拉应力达到地层的（抗拉强度）时，井眼发生破裂。此时的压力称为（破裂压力）。当裂缝扩展到（3）倍的井眼直径后停泵，并关闭液压系统，形成（“瞬时停泵”压力Ps）,当井壁形成裂缝后，围岩被进一步连续地劈开的压力称为（传播压力Ppro）。如果围岩渗透性很好，停泵后裂缝内的压力将逐渐衰减到（地层孔隙压力Pp）。二、判断改错题1、一般情况下裂缝沿垂直于最小主地应力的方向扩展。由于最小主地应力一般都是水平方向的，因此裂缝一般都是垂直的。J。2、泥浆密度过低，井壁应力将超过岩石的抗剪强度而产生剪切破坏（表现为井眼坍塌扩径或屈服缩径），此时的临界井眼压力定义为破裂压力。X。把破裂压力改为坍塌压力。三、简答题1、水力压裂有哪些基本用途？概括起来，水力压裂有如下基本用途：（1）克服近井地带污阻，目前的钻井技术不可避免地造成近井地带的污染，它包括钻井液的液相污染和固相污染。这些污染常使油气从地层流入井内的能力大为减弱。水力压裂可以在污染带以外建立良好的油流通道。因此压裂后的产量可增加几倍到几十倍。（2）压开深远裂缝，提高井的产能。利用深穿透裂缝可以从一般油层中采出更多的石油，使油井的控制面积增大。对于渗透性极低、能慢慢渗油的地层提供大的泄油面积，从而最大限度地利用油藏能量。使原来被认为无开采价值的地区，现在也能进行有经济意义的开采。同时，深穿透裂缝能够恢复并延长油井寿命。（3）协助二次采油。压裂对于二次采油的油田有两个重要作用：一是在一定压力下提高注水井的吸水量；二是为生产井提供高流通能力的通道，增大注气或注水效率。（4）排出油田盐水。油井大量产出盐水，严重限制了原油的生产。通过水力压裂可以在任何一个地方打出低压高注水量的井，供回注盐水使用。2、水力压裂裂缝的方位是怎样的？裂缝总是沿着最有利的方向扩展和传播，一般的情况下裂缝沿垂直于最小主地应力的方向扩展。由于最小主地应力一般都是水平方向，因此裂缝一般是垂直缝，对于直井，裂缝如下图所示。直井水力压裂垂直裂缝井眼中，水力压裂会在垂直于最小地应力的方向产生两个对称的裂缝翼。如果两个水平地应力相等，裂缝方向就很难确定。3、如何通过水力压裂得到岩石的最大主应力值？（1）一般来讲。广Yh作为主地应力之一。我们可以将%与%h作比较，若唱%h，则可以肯定此时02h为最小主应力；进一步将0z与01h作比较，也就可以以此确定地应力的三个主应力。因为开裂点方位或开裂裂缝方向可以确定％2h的方位或01h的方向，所以三个地主应力的方位也就可以相应确定。（2）如果%hNYh，并且孔壁开裂后孔内岩体出现水平裂缝，则此时。广Yh为最小地应力，02h与%1h各为中间主应力及最大地主应力，垂直开裂方向即为最大地应力方向。5、黄荣樽法预测地层破裂压力的公式是什么？在上世纪80年代，石油大学黄荣樽教授提出了新的预测地层破裂压力（fracturepressur的方法，其基本假设如下：（1）地层处于非均匀构造应力的作用之下；（2）井眼附近存在应力效应；（3）井壁破裂的原因是井壁应力超过岩层抗拉强度。在上述假设条件下，考虑井眼的应力集中，得出直井的破裂压力表达式：P=3o—o—aP+ofhHpt其中：o=—^―+wIo—aP）+aPH11-p, 1vPP

:+wIo—aP)+aP、1—日 2vpp式中，W|、w。分别为o方向和空方向的构造应力关系数。12 H h根据上两式，可以把黄荣樽法的表达式改写为：=a=aPp+［三T及＞7Pp）+。其中K=3—3w126、瞬时停泵压力ISIP有什么意义？考虑致密，非渗透性地层，水力压裂曲线如图所示。在形成裂缝之前产生峰值压力，称为破裂压力。裂缝形成后压力将保持恒定或略有增加，此时的压力是裂缝传播压力。如果此时停泵并关井，压力下降到一定水平与地应力平衡，此时的压力称为瞬时停泵压力（instantaneousshutinpressure）ISIP，从原理上讲裂缝闭合时，裂缝内流体压力是可以测量的。一般认为瞬时停泵压力（ISIP）等于裂缝闭第十章油井生产出砂一、填空题1、地层砂可以分为两种，（充填砂）和（骨架砂），其中（充填砂）并不是防治的对象。二、判断改错题1、对于砂岩来说，不同胶结物的连接强度不同，他们的大小顺序是：铁质〉硅质〉钙质〉泥质。X。把“铁质〉硅质〉钙质〉泥质”改为“硅质〉铁质〉钙质〉泥质”。2、砂岩中存在三种胶结类型，它们的强度大小为：基底胶结〉接触胶结〉孔隙胶结。X。把“基底胶结〉接触胶结〉孔隙胶结”改为“基底胶结〉孔隙胶结〉接触胶结”。三、简答题1、出砂给生产带来的危害有哪些？（1）井下、井口采油设备的磨损和腐蚀产液中带砂使各种采油泵、管线受到磨损，大大缩短了它们的寿命。对于输油管线由于砂粒磨损加快了腐蚀速度；（2）井眼稳定问题由于出砂使井眼失稳而导致套管挤毁、油井报废。通过对胜利油田某疏松砂岩区块资料分析发现：随着出砂的加剧和原地层压力的降低，套损井逐年增加，疏松砂岩储层油井套管损坏严重，总数已占10％以上，个别区块已达30％以上。（3）出砂会导致减产或停产作业油井出砂磨损泵筒与柱塞，降低泵效，甚至损坏采油泵，造成油井减产或停产。2、防砂的主要对象是什么？地层砂可分为两种：松散砂和骨架砂。当流体的流速达到一定值时，首先使得充填于油层孔道中的未胶结的砂粒发生移动，油井开始出砂，这类充填砂的流出是不可避免的，而且起到疏通地层孔隙通道的作用；反之，如果这些充填砂留在地层中，有可能堵塞地层孔隙，造成渗透率下降，产量降低。因此充填砂不是防治的对象。当流速和生产压差达到某一数值时，岩石所受的应力达到或超过它的强度，造成岩石结构损坏，使骨架砂变成松散砂，被流体带走，引起油井大量出砂。防砂的主要对象就是骨架砂，上述情况是在生产过程中应尽量避免的。3、出砂的控制因素有哪些？影响油井出砂的因素很多，概括起来可分为三大类：①地质力学因素，包括：原地应力状态（垂直地应力与原始水平地应力）、孔隙压力、原地温度、地质构造等；②砂岩储层的综合性质井深、砂岩的强度和变形特征、孔隙度、渗透率、泄流半径、流体的组成（油、气、水的含量及分布等）、粘土含量、岩石组成、颗粒尺寸和形状及压实情况等；③工程因素，包括完井类型、井身结构参数（井深.井斜、方位、井径）、完井液的性能、增产措施（压裂、酸化等）、生产工艺参数（流速、生产压差及流量）、油层损害（表皮系数增大）、放油或关井方案、人工举升技术、油藏衰竭、累计出砂量等。4、什么是主动防砂法？主动防砂法包括砾石充填、绕丝筛管、化学固结和地层预强化等方法。砾石充填是比较重要的一种方法。主动防砂法的共同点：一是价格昂贵；二是会降低油层的渗透率，从而降低油井的生产能力。5、什么是稳定砂拱法？稳定砂拱法是用水力封隔器将井眼附近地层机械压实的方法。其目的是改善地层颗粒之间的桥堵能力。6、如何用破坏准则对出砂进行分析？岩石的破坏形式主要有两种：剪切破坏和拉伸破