石油工程巖石力學(xué)之地應(yīng)力

1、石油工程巖石力學(xué)之地應(yīng)力重分布應(yīng)力+天然應(yīng)力第一節(jié) 概 述一般情況下主地應(yīng)力表示方法H地 表垂直主應(yīng)力v水平最大主應(yīng)力H水平最小主應(yīng)力h概 述地應(yīng)力是場函數(shù)地應(yīng)力又稱為地應(yīng)力場有大小和方向概 述水平最大地應(yīng)力水平最小大地應(yīng)力1.構(gòu)成： 巖體自重自重應(yīng)力 構(gòu)造運(yùn)動構(gòu)造應(yīng)力 流體作用滲流應(yīng)力 其它（地溫、地球化學(xué)作用等）二、天然應(yīng)力的構(gòu)成及起源自重引起的天然應(yīng)力場二、天然應(yīng)力的構(gòu)成及起源2.起源（主要指構(gòu)造運(yùn)動的起源）：板塊運(yùn)動 地幔熱對流 地球自轉(zhuǎn)速度變化二、天然應(yīng)力的構(gòu)成及起源1.研究歷史 1878年海姆提出天然應(yīng)力1932年，在美國胡佛水壩下的隧道中，首次成功地測定了巖體中的天然應(yīng)力到目前天

2、然應(yīng)力測點(diǎn)遍布全球，有幾十萬個測點(diǎn)。大部分是淺部，最深5108米（美國密執(zhí)安水壓致裂法）。三、天然應(yīng)力的研究歷史我國從50年代末開始天然應(yīng)力量測三、天然應(yīng)力的研究歷史與研究意義西南：印度板塊向NNE擠壓東部：太平洋板塊向W俯沖北部：西伯利亞板塊阻擋南部：菲律賓板塊向N俯沖arr = 3 a = 1 hHvH hmax planesslipplanes112231 2 33主應(yīng)力三軸試驗(yàn)應(yīng)力狀態(tài)原地應(yīng)力在石油工程中，我們通常假設(shè)： sv 為主應(yīng)力之一z區(qū)塊分布特征Anderson理論斷層類型與主應(yīng)力關(guān)系正斷層與地應(yīng)力典型應(yīng)力狀態(tài)： sv = s1 sHMAX = s2sHmin = s3地壘地塹

3、結(jié)構(gòu)拉伸q傾角sv = s1sHMAX = s2拉伸shmin = s3走滑斷層（拗?jǐn)鄬樱┡c地應(yīng)力sv = s2shmin = s3sHMAX = s1銳角幾乎垂直的斷層面sHMAXshmin伴生正斷層sHMAX典型應(yīng)力狀態(tài)： sHMAX = s1 sv = s2 sHmin = s3逆掩斷層與地應(yīng)力compressionstatic basal sheetoverthrust sheetbrittle quartz-illite shalehinge pointshighly fractured zonelargely unfractured shaleABCsHMAX = s1sv = s

4、3overthrust sheethigh-p shale四、進(jìn)行地應(yīng)力研究的意義： 是所有地質(zhì)力學(xué)問題中重要的初始條件； 是勘探、鉆井及油藏等石油工程的重要參數(shù)； 是鉆井工程中井壁穩(wěn)定分析的重要參數(shù)； 是采油工程中出砂防砂分析的重要參數(shù)； 是油氣層增產(chǎn)改造措施制定的重要參數(shù)；A Borehole in a Stress Fieldzxy2pEffective stresses:1 = 1 - p2 = 2 - p3 = 3 - p p = pore pressureHere, v = 2, HMAX = 1,hmin = 3, and1 2 3Hole inclinationparamete

5、rsCoordinates parallelto earths surfacePrincipal stressesPrincipal stresses areusually parallel andnormal to the surface.Drilling Direction and Stressv HMAX hminhminHMAXvHMAX v hminHMAX v hminvhminHMAXvhminHMAXThe best orientation to increase hole stability minimizes the principal stress difference

6、normal to the borehole axis60 coneDrill within a 60cone (30) from the mostfavored directionFavored holeorientationIn highly differential stressfields, the proper choice of aninclined hole facilitates drilling第二節(jié) 地應(yīng)力的測量方法垂直地應(yīng)力是由重力作用產(chǎn)生的（巖石的重量）；在任意深度，垂直地應(yīng)力等于上覆巖層壓力： sv = rgz （密度重力加速度深度）通常垂直地應(yīng)力通過對密度測井?dāng)?shù)據(jù)積

7、分獲得；在海上鉆井要包含泥線以上海水產(chǎn)生的壓力；垂直主應(yīng)力的求?。核街鲬?yīng)力的求?。?在沉積巖中，地應(yīng)力的大小一般應(yīng)用下述方法獲得： 構(gòu)造地質(zhì)力學(xué)方法 水力壓裂法 室內(nèi)巖心試驗(yàn)法 建立在測井資料上的方法地應(yīng)力的方向一般用下述方法獲得： 井壁崩落橢圓法 壓裂井井下電視法凱塞爾效應(yīng)試驗(yàn)法測定地應(yīng)力的原理AE CountsLoad Kaiser effect point巖石在施加載荷后，巖石內(nèi)部產(chǎn)生微裂縫而發(fā)出聲波信號，當(dāng)巖石加載到曾受到的最大應(yīng)力狀態(tài)時，其發(fā)射的這種信號會明顯增大，用專用儀器可以監(jiān)測出這種信號的變化。由此可測出巖石在井下時所受的應(yīng)力。室內(nèi)巖心試驗(yàn)法：MTS巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置SAMOS

8、多通道聲發(fā)射裝置中國石油大學(xué)（北京）巖石力學(xué)室擁有美國進(jìn)口的先進(jìn)儀器設(shè)備，能夠完成凱塞爾效應(yīng)、單軸/三軸抗壓試驗(yàn)、水力壓裂室內(nèi)試驗(yàn)等多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)。室內(nèi)巖心試驗(yàn)法：聲發(fā)射信號數(shù)單軸壓縮應(yīng)力凱塞爾效應(yīng)點(diǎn)凱塞爾效應(yīng)試驗(yàn)曲線示意圖凱塞爾效應(yīng)試驗(yàn)取芯位置試驗(yàn)步驟：加工好的巖樣套上橡膠封隔套，裝入高壓釜中；加圍壓至設(shè)定值，并使之保持恒定；以恒定的加載速給巖樣施加向載荷；記錄下加載過程中巖樣內(nèi)部微破壞所發(fā)出的聲發(fā)射信號將向載荷卸致零，進(jìn)行第二次加載；繪出二次加載過程中的聲發(fā)射信號載荷的變化曲線Kaiser效應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果的解釋現(xiàn)場水壓致裂法：根據(jù)多孔彈性介質(zhì)力學(xué)理論，從井壁受力狀態(tài)出發(fā)，通過測出地層破裂壓力，裂隙重

9、張壓力，裂隙閉合壓力，可求出最大、最小水平主地應(yīng)力。水力壓裂試驗(yàn)可以比較精確地測定最小水平主地應(yīng)力。測量最大水平主地應(yīng)力的精度受地層孔隙度、滲透率、孔隙連通性影響較大。A井周地層應(yīng)力狀態(tài)(after Gaarenstroom et al., 1993)volume監(jiān)測裂縫擴(kuò)展和關(guān)井后的壓力，準(zhǔn)確確定最小主應(yīng)力典型的水力壓裂試驗(yàn)曲線典型的水力壓裂試驗(yàn)曲線出現(xiàn)剪切裂縫破裂漏失停泵裂縫閉合裂縫重張時間井口壓力利用水力壓裂試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算地應(yīng)力：地層破裂壓力（Pf）：地層破裂產(chǎn)生流體漏失時的井底壓力裂縫延伸壓力（Pr）：使一個已存在的裂縫延伸擴(kuò)展時的井底壓力裂縫閉合壓力（PFcp）：使一個存在的裂縫保持張

10、開時的最小井底壓力，它等于作用在巖體上垂直裂縫面的法向應(yīng)力，即最小水平主地應(yīng)力。瞬時停泵壓力（PISIP）：關(guān)泵瞬間的裂縫中的壓力。它一般大于PFcp，兩者之間的差別一般在0.17MPa之間變化，它取決壓裂工藝及巖石性質(zhì)。在低滲透性地層，兩者近似相等利用水力壓裂試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算地應(yīng)力：構(gòu)造應(yīng)力場導(dǎo)致井壁崩落橢圓具有明顯的長軸方位。在地層傾角測井記錄上，一條井徑曲線比較平直或等于鉆頭直徑，而另一條井徑曲線則比鉆頭直徑大得多，而非應(yīng)力孔眼井徑曲線上表現(xiàn)為，鉆頭孔截面沒有明顯的長軸方向。 井壁崩落橢圓法確定主應(yīng)力方向由于井壁崩落橢圓因崩落的長軸方向總是與最小水平主地應(yīng)力方向一致，即與最大水平地應(yīng)力方向垂

11、直，因此可借用井壁崩落橢圓來確定地應(yīng)力的方向。 地層傾角測井確定地應(yīng)力方位主地應(yīng)力方向泥漿密度低，井壁坍塌橢圓井眼長軸在最小水平地應(yīng)力方位坍塌拉伸裂縫破碎性地層井壁坍塌破壞規(guī)律節(jié)理破碎地層塌塊大，井眼長軸在最大水平地應(yīng)力方位完整地層塌塊小，井眼長軸在最小水平地應(yīng)力方位地應(yīng)力縱向分布規(guī)律計(jì)算不同深度，不同性質(zhì)的地層其地應(yīng)力大小及非均勻性不同，即地應(yīng)力不是隨井深增加而線性增大，對不同地層要分層計(jì)算地應(yīng)力。地應(yīng)力主要來自于上覆巖層的自重及地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動產(chǎn)生的構(gòu)造應(yīng)力，用公式表示為：地應(yīng)力縱向分布規(guī)律計(jì)算 由上覆地層產(chǎn)生的水平地應(yīng)力，可根據(jù)彈性變形力學(xué)理論，假設(shè)在水平方向的變形受到限制，即（x）V=（y

12、）V =0，由此可得到：該部分地應(yīng)力在水平方向相同，為均勻分布的地應(yīng)力縱向分布規(guī)律計(jì)算模式 由構(gòu)造運(yùn)動產(chǎn)生的地應(yīng)力，由于構(gòu)造運(yùn)動的方向性，使得在水平方向產(chǎn)生的地應(yīng)力不同。假設(shè)構(gòu)造運(yùn)動可分解為沿相互垂直的兩個主方向（H方向和h方向）的向前平推運(yùn)動，在兩個方向的構(gòu)造運(yùn)動變形量分別為H、h；并假設(shè)在構(gòu)造運(yùn)動過程中各地層保持連續(xù)（不產(chǎn)生相互錯動），根據(jù)廣義虎克定律有：地應(yīng)力縱向分布規(guī)律計(jì)算模式H水平構(gòu)造應(yīng)力地應(yīng)力縱向分布規(guī)律計(jì)算模式不同深度地層的分層地應(yīng)力計(jì)算模式：H、h表示構(gòu)造運(yùn)動激烈程度的構(gòu)造應(yīng)力系 數(shù)，由實(shí)測地應(yīng)力值反算。-泊桑比，E-彈性模量H、h分別為最大、最小水平主地應(yīng)力地應(yīng)力橫向分布規(guī)律

13、研究區(qū)域地應(yīng)力場橫向分布規(guī)律計(jì)算板殼法計(jì)算地應(yīng)力場： 板受力 彎曲變形曲率變化 地層受力地應(yīng)力板殼法預(yù)測地應(yīng)力場橫向分布計(jì)算實(shí)例井眼周圍地層應(yīng)力狀態(tài)井眼周圍地層應(yīng)力狀態(tài)意義？井壁穩(wěn)定性分析及安全泥漿密度窗口的確定基礎(chǔ)出砂預(yù)測研究的基礎(chǔ)假設(shè)條件：地層均質(zhì)各向同性線形彈性，小變形軸向平面應(yīng)力或平面應(yīng)變井眼周圍地層應(yīng)力狀態(tài)三維問題轉(zhuǎn)化為二維問題直井井眼周圍地層應(yīng)力狀態(tài)h二維平面應(yīng)變模型r直井井眼周圍地層應(yīng)力狀態(tài)依據(jù)線彈性、小變形應(yīng)力疊加原理對井眼受力進(jìn)行分解請回憶彈性基礎(chǔ)中厚壁筒及小孔應(yīng)力集中由鉆井液柱壓力P引起的應(yīng)力 直井井眼周圍地層應(yīng)力狀態(tài)無剪應(yīng)力，只與井眼半徑R和地層的矢徑r有關(guān)直井井眼周圍地

14、層應(yīng)力狀態(tài)由水平最大地應(yīng)力 所引起的井周應(yīng)力分布直井井眼周圍地層應(yīng)力狀態(tài)由水平最小地應(yīng)力 所引起的井周應(yīng)力分布直井井眼周圍地層應(yīng)力狀態(tài)鉆井液滲流效應(yīng)直井井眼周圍地層應(yīng)力狀態(tài)直井井眼周圍地層應(yīng)力狀態(tài)井壁應(yīng)力狀態(tài)：直井井眼周圍地層應(yīng)力狀態(tài)直井井眼周圍應(yīng)力分布的特點(diǎn)是什么？A井周地層應(yīng)力狀態(tài)(after Gaarenstroom et al., 1993)volume監(jiān)測裂縫擴(kuò)展和關(guān)井后的壓力，準(zhǔn)確確定最小主應(yīng)力典型的水力壓裂試驗(yàn)曲線典型的水力壓裂試驗(yàn)曲線出現(xiàn)剪切裂縫破裂漏失停泵裂縫閉合裂縫重張時間井口壓力利用水力壓裂試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算地應(yīng)力：地層破裂壓力（Pf）：地層破裂產(chǎn)生流體漏失時的井底壓力裂縫延伸壓力（Pr）：使一個已存在的裂縫延伸擴(kuò)展時的井底壓力