石油工程岩石力学-地应力
合集下载
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
完整地层塌块小， 井眼长轴在最小水
平地应力方位
地应力纵向分布规律计算
不同深度，不同性质的地层其地应力大小及 非均匀性不同，即地应力不是随井深增加而 线性增大，对不同地层要分层计算地应力。
地应力主要来自于上覆岩层的自重及地质构 造运动产生的构造应力，用公式表示为：
H
H
H
T
地应力纵向分布规律计算
hmin
HMAX >> v > hmin
第二节 地应力的测量方法
垂直主应力的求取：
垂直地应力是由重力作用产生的（岩石的重量）； 在任意深度，垂直地应力等于上覆岩层压力：
v = gz （密度×重力加速度×深度） 通常垂直地应力通过对密度测井数据积分获得； 在海上钻井要包含泥线以上海水产生的压力；
B A
C
largely unfractured shale
static basal sheet
compression
四、进行地应力研究的意义：
是所有地质力学问题中重要的初始条件； 是勘探、钻井及油藏等石油工程的重要参数； 是钻井工程中井壁稳定分析的重要参数； 是采油工程中出砂防砂分析的重要参数； 是油气层增产改造措施制定的重要参数；
直井井眼周围地层应力状态
由水平最大地应力 H所引起的井周应力分布
r
H 2
(1
R2 r2 )
H 2
(1
3R 4 r4
4R2 r 2 ) cos2
H 2
(1
R2 r2
)
H 2
(1
3R 4 r4
) cos2
r
H 2
(1
3R 4 r4
2R2 r2
) sin 2
直井井眼周围地层应力状态
由水平最小地应力 h 所引起的井周应力分布
r = 3
r
三轴试验 应力状态
a
v H > h
h
z
H
原地应力
在石油工程中， 我们通常假设： v 为主应力之 一
Anderson理论——断层类型与主应力关系
正断层与地应力
v = 1
HMAX = 2
拉伸
hmin = 3
地垒－地堑结构
倾角 拉伸
典型应力状态： v = 1 >HMAX = 2>Hmin = 3
水平主应力的求取：
在沉积岩中，地应力的大小一般应用下述方法获得： 构造地质力学方法 水力压裂法 室内岩心试验法 建立在测井资料上的方法 地应力的方向一般用下述方法获得： 井壁崩落椭圆法 压裂井井下电视法
凯塞尔效应试验法测定地应力的原理
岩石在施加载荷后， 岩石内部产生微裂缝 而发出声波信号，当 岩石加载到曾受到的 最大应力状态时，其 发射的这种信号会明 显增大，用专用仪器 可以监测出这种信号 的变化。由此可测出 岩石在井下时所受的 应力。
线
Kaiser效应试验结果的解释
σV σ αPp KPc
σH
σ0 σ90 2
σ0 σ90 2
1 tg2 2
1 2
αPp KPc
σh
σ0 σ90 2
σ0 σ90 2
1 tg2 2
1 2
αPp KPc
现场水压致裂法：
根据多孔弹性介质力学理论，从井壁受力状态出发， 通过测出地层破裂压力，裂隙重张压力，裂隙闭合压 力，可求出最大、最小水平主地应力。
由于井壁崩落椭圆因崩落的长轴方向总是与最小水平主地 应力方向一致，即与最大水平地应力方向垂直，因此可借 用井壁崩落椭圆来确定地应力的方向。
地层倾角测井确定地应力方位
主地应力方向
H
泥浆密度低，井壁坍塌 椭圆井眼长轴在最小水 平地应力方位
拉伸裂缝 坍塌
破碎性地层井壁坍塌破坏规律
节理破碎地层塌块 大，井眼长轴在最 大水平地应力方位
第一节 概 述
一、天然应力的概念
1.天然应力：人类工程活动之前，天然状态下，岩 体内部存在的应力，称为岩体天然应力或岩体 初始应力，有时也称为地应力。
2.重布应力：人类进行工程建设将引起一定范围内 岩体初始应力的改变，工程建设扰动后的岩体 应力称为重布应力或二次应力。
第一节 概 述
++++++
++++++
AE Counts
Kaiser effect point
Load
室内岩心试验法：
MTS岩石力学 实验装置
SAMOS多通 道声发射装置
中国石油大学 （北京）岩石 力学室拥有美 国进口的先进 仪器设备，能 够完成凯塞尔 效应、单轴/三 轴抗压试验、 水力压裂室内 试验等多项实 验。
室内岩心试验法：
声
利用水力压裂试验数据计算地应力：
P
H min
FCP
H max 3 H min Pp Pf St
St Pf Pr
井壁崩落椭圆法确定主应力方向
构造应力场导致井壁崩落椭圆具有明显的长轴方位。在地 层倾角测井记录上，一条井径曲线比较平直或等于钻头直 径，而另一条井径曲线则比钻头直径大得多，而非应力孔 眼井径曲线上表现为，钻头孔截面没有明显的长轴方向。
数，由实测地应力值反算。
μ---泊桑比，E----弹性模量
σH、σh———分别为最大、最小水平主地应力
地应力横向分布规律研究
区域地应力场横向分布规律计算
气
油 水
图 1 背斜油气藏剖面示意图
z
h/2
h/2 y y y
x
图2
板壳法计算地应力场：
板受力—> 弯曲变形—>曲率变化—> 地层受力—>地应力
H
T
E
E
1 H 1 h
h
T
E
E
1 h 1 H
地应力纵向分布规律计算模式
H 水 平 构 造 应 力
地应力纵向分布规律计算模式
不同深度地层的分层地应力计算模式：
E
E
h 1 V PP PP 1 H 1 h
E
E
H 1
V PP
PP
1
H
1
h
εH、εh—表示构造hole in a Stress Field
Here, v = 2, HMAX = 1, hmin = 3,
and 1 > 2 > 3
Hole inclination parameters
y
Effective stresses:
1’ = 1 - p
2’ = 2 - p
3’ = 3 - p p = pore pressure
z
2
1 x
Principal stresses
p 3
Coordinates parallel to earth’s surface
Principal stresses are usually parallel and normal to the surface.
Drilling Direction and Stress
++++++
天然应力
∧
→
←
↓↑
重分布应力
概述
一般情况下主地应力表示方法
地表
H
垂直主应力σv
水平最小主应力σh
水平最大主应力σH
概述
地应力是场函数 地应力又称为地应力场 有大小和方向
水平最小大地应力 水平最大地应力
二、天然应力的构成及起源
1.构成：
• 岩体自重→自重应力 • 构造运动→构造应力 • 流体作用→渗流应力 • 其它（地温、地球化学作用等）
大部分是浅部，最深5108米（美国密执安水压致 裂法）。
三、天然应力的研究历史与研究意义
我国从50年代末开始天然应力量测
东部：太平洋板块向W俯冲
北部：西伯利亚板块阻挡 南部：菲律宾板块向N俯冲
区块分布特征
3
主应力
1 > 2 > 3
2
1
1
2 3
a = 1 slip
max planes
planes
水力压裂试验可以比较精确地测定最小水平主地应力。 测量最大水平主地应力的精度受地层孔隙度、渗透率、
孔隙连通性影响较大。
井周地层应力状态
R2 r2
P
( H
h ) (1
2
R 2 ) ( H
r2
h ) (1 3R4 ) cos2
2
r4
[
(1
2
)
2(1 )
(1
R2 r2
)
](P
Pp
Favored hole orientation
v
The best orientation to increase hole stability minimizes the principal stress difference normal to the borehole axis
60° cone
三维问题转化为二维问题
直井井眼周围地层应力状态
h
二维平面应变模型
r
直井井眼周围地层应力状态
依据线弹性、小变形应力叠加原理对井眼 受力进行分解
请回忆弹性基础中厚壁筒及小孔应力集中
直井井眼周围地层应力状态
由钻井液柱压力P引起的应力 R2
r r2 P R2
r2 P
无剪应力，只与井眼半径R和地层的矢径r有关
裂缝闭合压力（PFcp）：使一个存在的裂缝保持张开时的最小 井底压力，它等于作用在岩体上垂直裂缝面的法向应力，即最 小水平主地应力。
瞬时停泵压力（PISIP）：关泵瞬间的裂缝中的压力。它一般 大于PFcp，两者之间的差别一般在0.1～7MPa之间变化，它 取决压裂工艺及岩石性质。在低渗透性地层，两者近似相等
走滑断层（拗断层）与地应力
hmin = 3 HMAX
锐角
v = 2 HMAX = 1
几乎垂直的断层面
hmin
HMAX
伴生正断层
典型应力状态： HMAX = 1> v = 2 > Hmin = 3
逆掩断层与地应力
hinge points
high-p shale
v = 3 HMAX = 1
overthrust sheet highly fractured zone
板壳法预测地应力场横向分布计算实例
图 4-39 最大地应力方位分布等值线图
井眼周围地层应力状态
井眼周围地层应力状态
意义？
井壁稳定性分析及安全泥浆密度窗 口的确定基础
出砂预测研究的基础
……
井眼周围地层应力状态
假设条件： 地层均质各向同性 线形弹性，小变形 轴向——平面应力或平面应变
二、天然应力的构成及起源
自重引起的天然应力场
gh
V
h1
h2
1
二、天然应力的构成及起源
2.起源（主要指构造运动的起源）：
板块运动 地幔热对流 地球自转速度变化
三、天然应力的研究历史
1.研究历史
1878年海姆提出天然应力 1932年，在美国胡佛水坝下的隧道中，首次成功
地测定了岩体中的天然应力 到目前天然应力测点遍布全球，有几十万个测点。
HMAX hmin
v >> HMAX > hmin
hmin
Drill within a 60°cone (±30°) from the most favored direction
v HMAX ~ v
>> hmin
HMAX
v HMAX
In highly differential stress fields, the proper choice of an inclined hole facilitates drilling
45 度 45 度
发
射
信
号
数
凯塞尔效应点
单轴压缩应力
凯塞尔效应试验曲线示意图
凯塞尔效应试验取芯位置
试验步骤：
加工好的岩样套上橡胶封隔套，装入高压釜中； 加围压至设定值，并使之保持恒定； 以恒定的加载速给岩样施加向载荷；记录下加载
过程中岩样内部微破坏所发出的声发射信号 将向载荷卸致零，进行第二次加载； 绘出二次加载过程中的声发射信号载荷的变化曲
r
h 2
(1
R2 r2 )
h 2
(1
3R 4 r4
4R2 r 2 ) cos2
h 2
(1
R2 r2
)
h 2
(1
3R 4 r4
) cos2
r
h 2
(1
3R 4 r4
2R2 r 2 ) sin 2
直井井眼周围地层应力状态
钻井液渗流效应
r
[ (1 2 ) 2(1 )
(r 2
R2) r2
)
h min
A
A
h max
典型的水力压裂试验曲线
监测裂缝扩展和关井后的压 力，准确确定最小主应力
volume
(after Gaarenstroom et al., 1993)
典型的水力压裂试验曲线
破裂漏失
井 出现剪切
口 裂缝
停泵
压
力
裂缝重张
裂缝闭合
时间
利用水力压裂试验数据计算地应力：
地层破裂压力（Pf）：地层破裂产生流体漏失时的井底压力 裂缝延伸压力（Pr）：使一个已存在的裂缝延伸扩展时的井底 压力
由上覆地层产生的水平地应力，可根据弹性 变形力学理论，假设在水平方向的变形受 到限制，即（εx）V=（εy）V =0，由此可 得到：
H
v
h
v 1 v Pp
Pp
该部分地应力在水平方向相同，为均匀分布的
地应力纵向分布规律计算模式
由构造运动产生的地应力，由于构造运动的方向性，使得在水平 方向产生的地应力不同。假设构造运动可分解为沿相互垂直的 两个主方向（H方向和h方向）的向前平推运动，在两个方向的 构造运动变形量分别为εH、εh；并假设在构造运动过程中各 地层保持连续（不产生相互错动），根据广义虎克定律有：
平地应力方位
地应力纵向分布规律计算
不同深度，不同性质的地层其地应力大小及 非均匀性不同，即地应力不是随井深增加而 线性增大，对不同地层要分层计算地应力。
地应力主要来自于上覆岩层的自重及地质构 造运动产生的构造应力，用公式表示为：
H
H
H
T
地应力纵向分布规律计算
hmin
HMAX >> v > hmin
第二节 地应力的测量方法
垂直主应力的求取：
垂直地应力是由重力作用产生的（岩石的重量）； 在任意深度，垂直地应力等于上覆岩层压力：
v = gz （密度×重力加速度×深度） 通常垂直地应力通过对密度测井数据积分获得； 在海上钻井要包含泥线以上海水产生的压力；
B A
C
largely unfractured shale
static basal sheet
compression
四、进行地应力研究的意义：
是所有地质力学问题中重要的初始条件； 是勘探、钻井及油藏等石油工程的重要参数； 是钻井工程中井壁稳定分析的重要参数； 是采油工程中出砂防砂分析的重要参数； 是油气层增产改造措施制定的重要参数；
直井井眼周围地层应力状态
由水平最大地应力 H所引起的井周应力分布
r
H 2
(1
R2 r2 )
H 2
(1
3R 4 r4
4R2 r 2 ) cos2
H 2
(1
R2 r2
)
H 2
(1
3R 4 r4
) cos2
r
H 2
(1
3R 4 r4
2R2 r2
) sin 2
直井井眼周围地层应力状态
由水平最小地应力 h 所引起的井周应力分布
r = 3
r
三轴试验 应力状态
a
v H > h
h
z
H
原地应力
在石油工程中， 我们通常假设： v 为主应力之 一
Anderson理论——断层类型与主应力关系
正断层与地应力
v = 1
HMAX = 2
拉伸
hmin = 3
地垒－地堑结构
倾角 拉伸
典型应力状态： v = 1 >HMAX = 2>Hmin = 3
水平主应力的求取：
在沉积岩中，地应力的大小一般应用下述方法获得： 构造地质力学方法 水力压裂法 室内岩心试验法 建立在测井资料上的方法 地应力的方向一般用下述方法获得： 井壁崩落椭圆法 压裂井井下电视法
凯塞尔效应试验法测定地应力的原理
岩石在施加载荷后， 岩石内部产生微裂缝 而发出声波信号，当 岩石加载到曾受到的 最大应力状态时，其 发射的这种信号会明 显增大，用专用仪器 可以监测出这种信号 的变化。由此可测出 岩石在井下时所受的 应力。
线
Kaiser效应试验结果的解释
σV σ αPp KPc
σH
σ0 σ90 2
σ0 σ90 2
1 tg2 2
1 2
αPp KPc
σh
σ0 σ90 2
σ0 σ90 2
1 tg2 2
1 2
αPp KPc
现场水压致裂法：
根据多孔弹性介质力学理论，从井壁受力状态出发， 通过测出地层破裂压力，裂隙重张压力，裂隙闭合压 力，可求出最大、最小水平主地应力。
由于井壁崩落椭圆因崩落的长轴方向总是与最小水平主地 应力方向一致，即与最大水平地应力方向垂直，因此可借 用井壁崩落椭圆来确定地应力的方向。
地层倾角测井确定地应力方位
主地应力方向
H
泥浆密度低，井壁坍塌 椭圆井眼长轴在最小水 平地应力方位
拉伸裂缝 坍塌
破碎性地层井壁坍塌破坏规律
节理破碎地层塌块 大，井眼长轴在最 大水平地应力方位
第一节 概 述
一、天然应力的概念
1.天然应力：人类工程活动之前，天然状态下，岩 体内部存在的应力，称为岩体天然应力或岩体 初始应力，有时也称为地应力。
2.重布应力：人类进行工程建设将引起一定范围内 岩体初始应力的改变，工程建设扰动后的岩体 应力称为重布应力或二次应力。
第一节 概 述
++++++
++++++
AE Counts
Kaiser effect point
Load
室内岩心试验法：
MTS岩石力学 实验装置
SAMOS多通 道声发射装置
中国石油大学 （北京）岩石 力学室拥有美 国进口的先进 仪器设备，能 够完成凯塞尔 效应、单轴/三 轴抗压试验、 水力压裂室内 试验等多项实 验。
室内岩心试验法：
声
利用水力压裂试验数据计算地应力：
P
H min
FCP
H max 3 H min Pp Pf St
St Pf Pr
井壁崩落椭圆法确定主应力方向
构造应力场导致井壁崩落椭圆具有明显的长轴方位。在地 层倾角测井记录上，一条井径曲线比较平直或等于钻头直 径，而另一条井径曲线则比钻头直径大得多，而非应力孔 眼井径曲线上表现为，钻头孔截面没有明显的长轴方向。
数，由实测地应力值反算。
μ---泊桑比，E----弹性模量
σH、σh———分别为最大、最小水平主地应力
地应力横向分布规律研究
区域地应力场横向分布规律计算
气
油 水
图 1 背斜油气藏剖面示意图
z
h/2
h/2 y y y
x
图2
板壳法计算地应力场：
板受力—> 弯曲变形—>曲率变化—> 地层受力—>地应力
H
T
E
E
1 H 1 h
h
T
E
E
1 h 1 H
地应力纵向分布规律计算模式
H 水 平 构 造 应 力
地应力纵向分布规律计算模式
不同深度地层的分层地应力计算模式：
E
E
h 1 V PP PP 1 H 1 h
E
E
H 1
V PP
PP
1
H
1
h
εH、εh—表示构造hole in a Stress Field
Here, v = 2, HMAX = 1, hmin = 3,
and 1 > 2 > 3
Hole inclination parameters
y
Effective stresses:
1’ = 1 - p
2’ = 2 - p
3’ = 3 - p p = pore pressure
z
2
1 x
Principal stresses
p 3
Coordinates parallel to earth’s surface
Principal stresses are usually parallel and normal to the surface.
Drilling Direction and Stress
++++++
天然应力
∧
→
←
↓↑
重分布应力
概述
一般情况下主地应力表示方法
地表
H
垂直主应力σv
水平最小主应力σh
水平最大主应力σH
概述
地应力是场函数 地应力又称为地应力场 有大小和方向
水平最小大地应力 水平最大地应力
二、天然应力的构成及起源
1.构成：
• 岩体自重→自重应力 • 构造运动→构造应力 • 流体作用→渗流应力 • 其它（地温、地球化学作用等）
大部分是浅部，最深5108米（美国密执安水压致 裂法）。
三、天然应力的研究历史与研究意义
我国从50年代末开始天然应力量测
东部：太平洋板块向W俯冲
北部：西伯利亚板块阻挡 南部：菲律宾板块向N俯冲
区块分布特征
3
主应力
1 > 2 > 3
2
1
1
2 3
a = 1 slip
max planes
planes
水力压裂试验可以比较精确地测定最小水平主地应力。 测量最大水平主地应力的精度受地层孔隙度、渗透率、
孔隙连通性影响较大。
井周地层应力状态
R2 r2
P
( H
h ) (1
2
R 2 ) ( H
r2
h ) (1 3R4 ) cos2
2
r4
[
(1
2
)
2(1 )
(1
R2 r2
)
](P
Pp
Favored hole orientation
v
The best orientation to increase hole stability minimizes the principal stress difference normal to the borehole axis
60° cone
三维问题转化为二维问题
直井井眼周围地层应力状态
h
二维平面应变模型
r
直井井眼周围地层应力状态
依据线弹性、小变形应力叠加原理对井眼 受力进行分解
请回忆弹性基础中厚壁筒及小孔应力集中
直井井眼周围地层应力状态
由钻井液柱压力P引起的应力 R2
r r2 P R2
r2 P
无剪应力，只与井眼半径R和地层的矢径r有关
裂缝闭合压力（PFcp）：使一个存在的裂缝保持张开时的最小 井底压力，它等于作用在岩体上垂直裂缝面的法向应力，即最 小水平主地应力。
瞬时停泵压力（PISIP）：关泵瞬间的裂缝中的压力。它一般 大于PFcp，两者之间的差别一般在0.1～7MPa之间变化，它 取决压裂工艺及岩石性质。在低渗透性地层，两者近似相等
走滑断层（拗断层）与地应力
hmin = 3 HMAX
锐角
v = 2 HMAX = 1
几乎垂直的断层面
hmin
HMAX
伴生正断层
典型应力状态： HMAX = 1> v = 2 > Hmin = 3
逆掩断层与地应力
hinge points
high-p shale
v = 3 HMAX = 1
overthrust sheet highly fractured zone
板壳法预测地应力场横向分布计算实例
图 4-39 最大地应力方位分布等值线图
井眼周围地层应力状态
井眼周围地层应力状态
意义？
井壁稳定性分析及安全泥浆密度窗 口的确定基础
出砂预测研究的基础
……
井眼周围地层应力状态
假设条件： 地层均质各向同性 线形弹性，小变形 轴向——平面应力或平面应变
二、天然应力的构成及起源
自重引起的天然应力场
gh
V
h1
h2
1
二、天然应力的构成及起源
2.起源（主要指构造运动的起源）：
板块运动 地幔热对流 地球自转速度变化
三、天然应力的研究历史
1.研究历史
1878年海姆提出天然应力 1932年，在美国胡佛水坝下的隧道中，首次成功
地测定了岩体中的天然应力 到目前天然应力测点遍布全球，有几十万个测点。
HMAX hmin
v >> HMAX > hmin
hmin
Drill within a 60°cone (±30°) from the most favored direction
v HMAX ~ v
>> hmin
HMAX
v HMAX
In highly differential stress fields, the proper choice of an inclined hole facilitates drilling
45 度 45 度
发
射
信
号
数
凯塞尔效应点
单轴压缩应力
凯塞尔效应试验曲线示意图
凯塞尔效应试验取芯位置
试验步骤：
加工好的岩样套上橡胶封隔套，装入高压釜中； 加围压至设定值，并使之保持恒定； 以恒定的加载速给岩样施加向载荷；记录下加载
过程中岩样内部微破坏所发出的声发射信号 将向载荷卸致零，进行第二次加载； 绘出二次加载过程中的声发射信号载荷的变化曲
r
h 2
(1
R2 r2 )
h 2
(1
3R 4 r4
4R2 r 2 ) cos2
h 2
(1
R2 r2
)
h 2
(1
3R 4 r4
) cos2
r
h 2
(1
3R 4 r4
2R2 r 2 ) sin 2
直井井眼周围地层应力状态
钻井液渗流效应
r
[ (1 2 ) 2(1 )
(r 2
R2) r2
)
h min
A
A
h max
典型的水力压裂试验曲线
监测裂缝扩展和关井后的压 力，准确确定最小主应力
volume
(after Gaarenstroom et al., 1993)
典型的水力压裂试验曲线
破裂漏失
井 出现剪切
口 裂缝
停泵
压
力
裂缝重张
裂缝闭合
时间
利用水力压裂试验数据计算地应力：
地层破裂压力（Pf）：地层破裂产生流体漏失时的井底压力 裂缝延伸压力（Pr）：使一个已存在的裂缝延伸扩展时的井底 压力
由上覆地层产生的水平地应力，可根据弹性 变形力学理论，假设在水平方向的变形受 到限制，即（εx）V=（εy）V =0，由此可 得到：
H
v
h
v 1 v Pp
Pp
该部分地应力在水平方向相同，为均匀分布的
地应力纵向分布规律计算模式
由构造运动产生的地应力，由于构造运动的方向性，使得在水平 方向产生的地应力不同。假设构造运动可分解为沿相互垂直的 两个主方向（H方向和h方向）的向前平推运动，在两个方向的 构造运动变形量分别为εH、εh；并假设在构造运动过程中各 地层保持连续（不产生相互错动），根据广义虎克定律有：