石油工程岩石力学讲课材料(复习).ppt

石油工程中面临的岩石力学问题 邓 金 根 石油大学工程东楼319室（电话：3155） 岩石力学 岩石力学：研究岩石在外载作用下的变形特性和破坏特性的科学 岩石力学的研究内容： 如何破碎岩石 如何使岩体结构保持稳定 涉及的领域： 地震、隧道、水利大坝、矿山、滑坡、石油等 石油工程岩石力学 高效破岩技术：钻头设计、选型，水力破岩 井壁失稳机理及对策，盐层缩径卡钻 套管损坏（高压注水、盐层套管损坏、开采后期套管损坏） 水力压裂裂缝延伸规律，开发井网布置 储层出砂规律、储层塌陷及对产能的影响规律 应力对储层物性的影响规律 岩石力学问题的研究思路 解决岩石力学问题的首要条件 需要测定岩石的变形特性及强度特性 需要了解岩石所受的外力 地下岩体受到的外力 井内液柱压力 钻头对地层施加的力 泥浆循环对地层的水力冲击力 地层孔隙压力 地应力 地应力的来源： 上覆岩体的自重； 地质构造运动产生的构造应力； 地温梯度的不均匀性和地层中的水压梯度。 油田地应力研究中采用的一般方法 应用构造地质力学方法研究地应力的相对大小及大致方位 应用井壁崩落法确定最大水平主地应力的方位 应用压裂井井下电视确定最小水平主地应力方位 应用水力压裂法确定最小水平主地应力大小 Kaiser 效应试验确定水平主地应力大小 根据断层特点确定地应力分布规律及地应力方向：最大水平主地应力方向平行断层延伸方向上覆地层压力?v 最大水平主地应力?H 最小水平主地应力?h 利用水力压裂试验数据计算地应力： 地应力纵向分布规律计算实例 板壳法预测地应力场横向分布计算实例 板壳法预测地应力场横向分布计算实例 （三）岩石的力学性质 岩石力学特性：主要是指岩石在外载作用下的变形特征及岩石的强度。 岩石力学性质分为强度性质和变形性质两方面 岩石的强度：岩石在外力作用下发生破坏时所能承受的最大应力。 外力有压力、拉力、剪力、弯矩和多轴压力等，相应地有抗压强度、抗拉强度、抗剪强度、抗弯强度及三轴强度等 （三）岩石的力学性质 1.抗压强度：岩石试样受单向压应力作用下能够承受的最大压应力称单轴抗压强度。 2.抗拉强度：岩石试样在单轴拉伸下能够承受的最大拉应力。 抗拉强度须通过试验测得，由于试样制作困难，实际上多采用劈裂试验间接测定抗拉强度。 岩石抗拉强度远远低于抗压强度，一般前者为后者的1/10—1/20，甚至为1/50 。 （三）岩石的力学参数 岩石的变形性质：弹性模量和泊松比 弹性模量 ：岩石每增加单位应变所需增加的应力 式中：E－弹性模量；?－应力；?－应变 泊松比：压缩应力作用下岩石横向应变与纵向应变之比 常规三轴试验 白云岩在不同围压下的应力-应变曲线 应力状态对岩石力学性质的影响 随着围压的增加，岩石逐渐从脆性转化为塑性。 岩石强度随着围压的增加而增加，强度增大不与围压成正比关系。 随围压增加，强度、塑性、弹性模量增大。 摩尔—库仑准则： 用两个主应力表示： 岩石的强度参数： C—粘聚力 ?——内摩擦角 地层力学参数的测井资料确定 利用纵、横波，密度、井径、伽玛测井曲线可求得地层的如下参数： 岩石弹性模量、泊桑比 地层的粘聚力和内摩擦角；抗压强度、抗拉强度 可钻性 井壁失稳的力学机理 井壁失稳类型 井壁坍塌，井径扩大（灰岩，泥页岩，破碎性地层） 井眼缩径（软泥岩、盐膏层） 井眼压裂，泥浆漏失（砂岩） 井壁失稳多发井段 山前构造带高地应力区 泥页岩地层（占井壁失稳的90％），包括：软泥岩、硬脆性泥页岩 破碎带（灰岩、泥页岩） 膏盐层（缩径） 高陡地层 井壁失稳的力学原因 井壁不稳定都可归结为井壁岩石所受的应力超过其本身的强度，使其产生剪切或拉伸破坏而造成的。 凡是影响井壁受力状态及井壁岩石强度的因素都将直接影响到井壁的稳定性。 井壁失稳的类型：坍塌或缩径；地层破裂漏失 需要回答的力学问题： 需要多大的泥浆密度才能稳定井壁？ 井壁坍塌与原地应力、孔隙压力及岩石强度的关系？ 是不是泥浆密度越大井壁一定越稳定？ 泥浆性能及钻井周期对井壁坍塌的影响规律及如何定量预测坍塌周期？ 安全泥浆密度窗口计算 地层坍塌压力及破裂压力剖面 坍塌压力：井壁不发生坍塌时的最低泥浆密度： 若井内泥浆密度较小，不能对井壁提供足够的支撑，将使井壁岩石所受的应力超过其本身的强度产生剪切破坏而造成井壁坍塌。 破裂压力：使井眼产生拉伸破坏而漏失的井内泥浆密度。 钻井安全泥浆密度窗口 剪切坍塌崩落泥浆密度下限 剪切破坏形成剪切破碎带的泥浆密度上限 地层破裂压力（拉伸破坏） 大斜度井井壁应力分布计算模型： 大斜度井井壁应力分布计算模型： 大斜度井井壁应力状态计算的基本公式： 大斜度井井壁应力分布计算模型： W12-1