地应力计算模式
水平井合理生产压差研究

98水平井合理提液成为制约开发的突出问题。
因此,进行了主要考虑某X油田地层疏松出砂、存在边底水两方面的因素,确定较为合理科学的生产压差,延缓底水上升的速度的研究,为水平井开采提供理论依据。
一、某X油田出砂临界生产压差研究对于某X油田的疏松砂岩而言,存在一个出砂临界压差,着是指随着井底流压的降低刚刚出现出砂现象时的生产压差临界值,也就是说当实际油气井生产压差超过这一临界值后,井筒开始出砂。
根据不同的破坏机理有不同的破坏失效准则,选择最常用的莫尔-库伦准则来计算某X油田的出砂临界生产压差。
1.水平井地应力场坐标变换要得到水平井近井地应力分布模型,需要将原始地应力H σ、h σ、v σ进行相应的转化,再取井筒倾角为90°时就得到水平井近井地应力分布模型。
转变后的应力场坐标系为变为(x,y,z),其中z轴对于与井筒方向一致,x轴与y轴位于与井轴垂直的平面之中,变换坐标以后的各应力分量变换为:σσσσσσ、,然后再将变换后的地应力分量转换成极坐标的形式,变换后的水平井地应力坐标的6个分量与原地应力分布存在以下的关系:sin cos cos sin 00cos sin cos sin σσσσβσβσσβσβσσσσββσββ= =+ =+= = =−+(1)胜利油田的地应力计算公式(1300-3300m):22.580.03411.650.0220.0210.022H h v H H H σσσ=−+=−+ =+ (2)2.出砂临界生产压差的计算值根据摩尔-库伦准则(如式(2))可以得到临界出砂条件下的井底流压和岩石孔隙流体压力,则可以得出出砂临界生产压差为:(,)p w x wfp p p r p ∆=−0(,)(,)2tan()[(,)(,)]tan ()2424p r p p r p r p p r φφππσβτσβ−=++−+ (3)根据以上某X油田水平井主应力值结合莫尔-库伦准则的可以得到的某X油田疏松砂岩临界生产压差为2.11MPa,出砂临界井底流压为8.98 MPa。
石油工程岩石力学-地应力

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
地层压力专业知识

使用c指数法旳注意事项
泥浆密度旳拟定.在计算c 指数和地层压力 时,应采用井底压力当量泥浆密度. 钻遇压力过渡带时,为防止不久钻遇高压过 渡带,往往把vh钻压转K速e P降N低,已达到减慢钻速 旳目旳.在这种情况下,用' c指a 数法监测地层 压力需要对机械钻速加以校正,修正公式如 下: 当泥浆密度较底时,c值对地层压力变化很 敏感,只要地层压力稍有变化,C值变化很大.
1.声波测井法
地层声波时差与孔隙度旳关系
t tma
t f tma
式中 φ-- 岩石孔隙度,%;
Δt--岩层声波时差测量值,μs/m; Δtma --岩层骨架声波时差,μs/m;
Δtf--岩层孔隙中旳流体声波时
差,μs/m 。
地层声波时差与孔隙度在正常压实旳地层 中旳相同公式:
t t0ecH
式中 A--系数; W--井底压力,KN; N--转速,r/min; R--钻速,m/h; ΔBBLSTiP--t-h----钻钻井-地头头底层直类压岩径型差性;,,mM;;pa; HEyfdf----水钻利头原磨因损;原因。
(2)对公式可作进一步简化得
RS
A
W N R (Bs )r3
(
Ed
)
r1
岩石强度法 dc 指数法预测值一实测值对比
实测压力梯
岩石强度法
Dc 指数法
度当量密度 压力梯度
误差 压力梯度 误差
(g/cm3)
(g/cm3)
(%)
(g/cm3)
(%)
1.56
1.59
1.92
1.46
6.41
1.83
1.86
1.64
1.61
12.02
1.81
009第九章 测井地应力分析概论

大
小
(
100.00
80.00
60.00 2800.00
3200.00
3600.00
4000.00
4400.00
深度(m)
4800.00
库车山前构造带泥岩地应力场的最大主应力与深度关系图
塔河2井声波时差.电阻率随深度关系
塔河2井建模
构造稳定区测井计算地应力与实测模型计算结果对比
克拉2井地应力结果
3735 78.99252
3752 79.09621
3769 80.46458
3786 81.23924
3803 82.00498
3821 81.00843
3838 81.42256
3855 81.64127
山前构造带地应力分布对油气 形成的影响
• 重点井区井筒地应力分析
• 地应力分布与储层物性和油气分布关系 • 基于地应力的盖层-储层组合分析 • 地应力分布与构造样式关系
3657.445 0.330617
KL2声波时差与弹性模量关系图
深度
弹性模量
3531 0.370665
3547 0.326022
3564 0.330058
3582 0.329569
3599 0.325627
3616 0.329223
3633 0.331087
3650 0.330913
3667 0.331303
主要难题:是泥岩压实过程的人工模拟与高温高压条件下的物性 参数的实测,目前国内还没有成功的实例,Okala homa大学正在 开展这方面的尝试。对泥岩原地应力大小的测试,可应用差应变 法和Kaiser效应声发射法,其关键是泥岩样品的采集与制作。
地应力分析

108°56′
278000
280000
282000
284000
286000
108°55′
WZ12-1-6
WZ12-1-5
中块3井区
南 块
中块4井区
北
ILN2490
XLN1955
F2
F82
F4
F5
F1
F3
N3
N1
N
N2
F9
F81
F10
块
F11
F2A
FA
WZ12-1-B5
N1a
N1b
最大水平主地应力方向N100E左右
h
v
H
最大水平主地应力
WZ12-1-6井壁崩落椭圆长轴方位
WZ12-1北油田地应力方向分析
非均匀地应力作用下井壁坍塌将形成椭圆形井眼,椭圆井眼长轴为最小水平主地应力方向 双井径测井数据: WZ12-1-6井下部8.5"井 眼段(MD:2380~2980m) 井眼椭圆长轴方位 N120°E 是由非均匀地应力造成的井壁坍塌而形成的椭圆井眼吗?
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:
地应力相对大小: 最大水平地应力大致方位:N600-750E
BZ25-1-2井地应力方位频率图 最大水平主地应力方位N65-70E
N
E
最大水平主应力方位
地应力计算公式范文

地应力计算公式范文地应力是指地下岩体受到的应力状态,地应力主要由地球内部的重力、地壳的厚度和岩石本身的力学特性等因素所决定。
在地质勘探和地下工程中,准确地计算和了解地应力的分布和变化对于工程设计和施工具有重要意义。
本文介绍了地应力的计算公式及其推导过程,并对地应力的影响因素进行了简要讨论。
地应力的计算公式可以通过应力平衡方程来推导得到。
应力平衡方程可以表示为:∂σ_xx/∂x + ∂τ_xy/∂y + ∂τ_xz/∂z + F_x = 0 (1)∂τ_xy/∂x + ∂σ_yy/∂y + ∂τ_yz/∂z + F_y = 0 (2)∂τ_xz/∂x + ∂τ_yz/∂y + ∂σ_zz/∂z + F_z = 0 (3)其中,σ_xx、σ_yy和σ_zz分别代表岩体在x、y和z三个方向上的正应力;τ_xy、τ_xz和τ_yz分别代表岩体在xy、xz和yz平面上的剪应力;F_x、F_y和F_z分别代表岩体受到的体力。
有了这个应力平衡方程,我们可以得到一系列求解地应力的计算公式。
根据岩石力学理论,我们可以假设岩体处于弹性状态,即应力与应变之间存在线性关系。
根据胡克定律,我们可以将应力表示为应变的线性函数:σ_xx = E(ε_xx + v(ε_yy+ε_zz)) (4)σ_yy = E(ε_yy + v(ε_xx+ε_zz)) (5)σ_zz = E(ε_zz + v(ε_xx+ε_yy)) (6)τ_xy = 2Gγ_xy (7)τ_xz = 2Gγ_xz (8)τ_yz = 2Gγ_yz (9)其中,E代表岩石的弹性模量,G代表岩石的剪切模量,v代表泊松比,ε_xx、ε_yy和ε_zz分别代表岩体在x、y和z三个方向上的应变,γ_xy、γ_xz和γ_yz分别代表岩体在xy、xz和yz平面上的剪应变。
根据以上公式,结合应力平衡方程,就可以计算出地应力的大小和分布。
具体的计算步骤如下:1.假设每个方向上的应变分布情况,并通过实际野外或实验数据进行验证。
地应力建模

地应力建模地应力建模是一种研究地表,空间,地形,深部岩层,地质构造以及许多不同地质过程之间的综合模型。
在实际应用中,地应力建模的重点在于研究地应力的数值模型和计算结果的影响分析,以精确地模拟地表形貌,并推导出地应力对岩石力学性质有何影响,乃至岩石结构的改变。
地应力建模技术可以帮助我们获得地质数据,以便更好地了解地震等自然灾害的发生。
此外,地应力建模可以帮助我们预测地面的变形,因此也可以提前帮助我们防范以及更安全地建设地下设施。
例如,近年来,高速铁路工程、海岸工程以及煤矿开采等项目中,都使用了地应力建模技术,以保证项目的安全可持续性。
地应力建模采用了多种科学模型,主要包括(1)岩石力学模型、(2)土力学模型、(3)岩土混合体模型。
岩石力学模型研究岩石对地应力的变形特性,以及岩石力学性质的影响;土力学模型利用计算方法,研究土体对不同地应力的变形模式;岩土混合体模型则是一种集合岩石力学和土力学研究的模型,以更精确的模拟地表的形貌,更深入地分析岩石的力学和土力学特性对地应力的响应。
地应力建模还可用于不同地质过程的建模,例如流体流动,风化,扩展,断裂,崩裂,山脉形成,滑坡,地震等。
通过建立相应的数学模型,可以精确地估算各种地质过程对地应力的影响。
举个例子,当发生地震时,地应力建模可以计算震动对地表形貌的影响,帮助我们预测潜在的危险性,从而采取有效的预防措施。
同时,地应力建模也可用于监测和预测地表变形情况,比如检测建筑物的位移,检测道路变形,地下设施变形等,从而保证安全可持续性。
总而言之,地应力建模对科学研究和具体实践都起着重要的作用,它为地学研究、地质灾害预测、地质工程建设、地下设施规划等提供了有力的支撑。
因此,地应力建模技术应受到科学界和社会的广泛关注,进一步推动地质科学的发展,为人类的生活带来更多的便利和保障。
石油工程岩石力学_地应力

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;
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
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。
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。
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
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
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(3-37)
该 模式认 为地下岩层的地应力主要由 上覆 岩层 压 力和 水平 方向 的构造应力 产生,在同一断块内,系数β1、β2 为常数,即构造应力与垂向有效应力成正比。 该模式考虑了构造应力的影响,可以解释在我国更常见的三向应力不等且最 大水平应力大于垂向应力的现象,但该模式没有考虑岩石刚性对水平地应力的影 响,对不同岩性岩石中的地应力的差别考虑不充分。
V
α T E∆T 1 −ν
1− ν
④孔隙压力的贡献: 1 − 2 ν α P P ⑤地层剥蚀的影响:△ σ h 和△ σ H 式中:σV、σh、σH 分别为垂向应力、最小水平应力和最大水平应力;ν、 E、αT、α分别为地层岩石的泊松比、杨氏模量、热膨胀系数和有效应力系数; H、Pp、ΔT 分别为地层的深度、计算深度处的地层孔隙压力和地层温度的改变; g、h、ρ分别为重力加速度、深度变量和地层密度;Kh、KH 分别为最小水平地 应力、最大水平地应力方向的构造应力系数,在同一断块内可视为常数;Δσh、 ΔσH 分别为考虑地层剥蚀的最小和最大水平地应力附加量,在同一断块内可视 为常数。 该模式有如下几个特点: (1)考虑因素比较全面。包括了上覆岩层重量、地层孔隙压力、地层岩石 的泊松比和杨氏模量、地层温度变化、构造应力对水平地应力的影响。 (2)适用范围广,适用于三向地应力不等的地区。而且,不但适用于水力 压裂裂缝为垂直裂缝的情况,也适用于水力压裂裂缝为水平裂缝的情况。 (3)模式中各参数物理含义明确,并有一定的理论基础。 (4)比较符合地应力分布规律:
当不考虑地层温度变化时,模式变得很简单∶
H σ V = ∫0 ρ ( h) gdh ν 垂直裂缝∶ + β 1 G〕 (σ v − αPp ) ( σ h = 1 −ν ν σ H = ( + β 2 G〕 (σ v − αPp ) 1 −ν
(3-42)
H σ V = ∫0 ρ ( h) gdh ν ( + β 1G〕 (σ v − αPp ) + ∆σ h 水平裂缝∶ σ h = 1 −ν ν σ H = ( + β 2 G〕 (σ v − αPp ) + ∆σ H 1 −ν
式中: σ T 是考虑构造应力作用的附加项,通过地应力实测值反算,且认为 在一个断块内 σ T 基本上为一常数,不随深度而变。但由实测数据来看,不同深度 处 σ T 是不同的。
3.2.3 黄氏模式
1983 年石油大学黄荣樽教授在进行地层破裂压力预测新方法的研究中, 提出 了一个新的地应力计算模式: ν ( σ − αPP ) + β1 ( σV − αPP ) 1− ν V ν σ − αP = ( σ − αPP ) + β 2 ( σV − αPP ) H P 1− ν V σ − αP =
单轴应变模式意味着两水平方向的地应力大小相等,均小于垂向的地应力, 这与大部分的地应力实测结果 不符。这 主要 是没有考虑 水平方向 构造应力的影 响。 在近些年的 SPE 文献中, 有一些人试图通过在上式中添加一校正项来提高最 小水平地应力的预测精度,即: σ h − αPP = ν ( σV − αPP ) + σ T 1− ν (3-36)
这个模式与 Mattews 和 Kelly 模式不同之处是,垂向应力梯度随深度而变 化,将 Ki 具体化为ν/(1-ν) ,α的引入使人们对地层孔隙压力有了进一步的认 识。 4. Newberry 模式 Newberry 针对低渗透、且有微裂缝地层,修正了 Anderson 模式,认为由于 裂缝的存在,最小水平地应力的 Biot 系数近似等于 1: σ h − PP = ν ( σV − αPP ) 1− ν (3-35)
ν Eα T Edε h νEdε H d ( σV − αPP ) + dT + + 1− ν 1− ν 1 − ν2 1 − ν2 Eα T Edε H νEdε h ν d ( σ H − αPP ) = d ( σV − αPP ) + dT + + 1− ν 1− ν 1 − ν 2 1 − ν2 d ( σ h − αPP ) =
(3-43)
式中∶β1 =
Kh K , β 2 = H 。我们可以将模式分解得到: 2 2
H 0
垂向应力: σ V = ∫ ρ ( h ) gdh 水平应力: ①重力分量: ②构造应力分量: ③热应力分量:
ν (σ 1 −ν
K E (σ
h
V
− α PP )
E (σ
H
− α PP ) 和K 1+ν
V
− α PP ) 1 +ν
图 3-7
弹簧模式示意图
此模式意味着地应力不但与泊松比有关,而且与地层岩石的杨氏模量有关, 地应力与杨氏模量成正比。用此式可对有的砂岩地层比相邻的页岩层有更高的地 应力的现象做出解释。 组合弹簧模式有一定的物理基础,但其各岩层水平方向应变相等的假设的合 理性还有待于验证, 在构造运动剧烈的地区, 此前提条件的应用受到挑战。 另外, 该模式忽略了岩层的非线弹性特征,也没有考虑热应力的影响。
此模式以最大、 最小主应力之间的关系给出。其理论基础是莫尔-库仑破坏准 则,即假设地层最大原地剪应力是由地层的抗剪强度决定的。在假设地层处于剪 切破坏临界状态的基础上,给出了地应力模式:
σ 1 − Pp = C 0+N ϕ (σ 3 − Pp )
2
(3-30)
式中, N φ = tg ( π / 4 + φ / 2 ) ;NΦ为三轴应力系数,φ为岩石内摩擦角; σ1、σ3 为最大和最小主应力;C0 为岩石单轴抗压强度。当忽略地层强度时(认 为破裂沿原有裂缝或断层发生), 且垂向应力为最大主应力时, 该地层破坏模式变 为:
σ 1 − Pp = N ϕ (σ 3 − Pp )
的临界状态的假定,没有普遍的意义。
(3-31)
此模式有一定的物理基础,比较适合疏松砂岩地层,但其地层处于剪切破坏
3.2.2 单轴应变模式
这一类模式发展最早,该类模式假设由于水平方向尺度无限大,地层在沉积 过程中只发生垂向变形,水平方向的变形受到限制,应变为零,水平方向的应力 是由上覆岩层重量产生的。属于这一类的模式有: 1.金尼克模式。 假设水平方向应变为零εx=εy=0,据虎克定律有 σ H = σh = ν σV 1− ν (3-32)
3.2 地应力计算模式
在实际工作中,由于缺少地应力实测资料而广泛采用了地应力计算方法,根 据地应力分布规律和影响地应力诸多因素的分析,建立起地应力计算的模式,计 算得到地应力数据。 地下岩石大都经历了复杂的构造运动历史,其中所赋存的地应力是地质历史 的产物。在整个地应力场形成时期内,岩石为非线弹性体,地应力的计算并不服 从叠加原理, 地层岩石的弹性参数随所处的地质和力学环境而变。地下岩层地质 构造复杂,地层被大大小小的规模不等的断裂切割,地层的产状差别也很大,大 倾角地层中的上覆岩层压力(垂向应力)可能已不再是主应力,加上断块边界条 件不容易确定,使岩层地应力的计算较为困难。 从理论的角度来看,利用简单的数学模式来计算地应力似乎有些粗糙,但由 于生产的需要和通过模式计算获取地应力数值所固有的优点,使得探索反映地应 力本质规律的模式是有价值的。地层岩石在现今地应力作用下处于相对平衡和相 对稳定之中。地应力的大小是地层能量积累(集聚)的结果和显示。充分利用已 掌握的地应力分布规律和地应力测试数据进行探索和研究,建立地应力计算模式 是可能的。实践也说明,在一定条件下采用地应力模式计算地应力对解决实际问 题是有帮助的。 地应力模式为能反映地应力物理本质和实际规律的计算公式,大家习惯上称 之为地应力模式或计算模型。到目前为止,人们已提出了一些地应力模式,取得 了一些进展。大家普遍采用了垂向应力σv 为一主应力且等于上覆岩层重量的假 设,即∶
(3-38)
式中εh、εH 分别为岩层在最小和最大水平应力方向的应变。在同一断块 内εh、εH 为常数。此模式的物理基础可以形象地比喻为两个平行板之间的一 组弹簧(如图 3-7) ,具有不同刚度的弹簧代表具有不同弹性参数的地层。在 A、 B 两板受到力的作用时,只发生横向位移不发生偏转,从而使各弹簧的水平位移 相等,刚度大的弹簧将受到较大的应力,即杨氏模量大的地层承受较高的应力。
Байду номын сангаас
3.2.6 新的地应力模式
在理论分析和资料调研的基础上,我们尝试提出了一新的地应力模式。 1.适用于水力压裂裂缝为垂直裂缝(最小地应力在水平方向)的模式
H σ V = ∫0 ρ ( h) gdh E (σ v − αPp ) α T E∆T ν + αPP + (σ V − αPP ) + K h σ h = 1 −ν 1 +ν 1 −ν E (σ v − αPp ) α T E∆T ν + αPP + (σ V − αPP ) + K H σ H = 1−ν 1 +ν 1 −ν
此模式没有考虑地层孔隙压力的影响,对绝大多数的地层是不适用的。 2.Mattews 和 Kelly 模式 σ H − PP = σ h − PP = Ki ( σV − PP ) 此模式认为 Ki 是不随深度而变化的常数,故不适合于实际情况。 3.Anderson 模式 该模式将 Biot 系数引入关系式中: σ H − αPP = σ h − αPP = ν ( σV − αPP ) 1− ν (3-34) (3-33)
(5)模式中的各参数比较容易获取,简单、实用。 该模型存在的主要问题是岩石线弹性假定,构造应力分量和地层剥蚀引起的 水平应力增量还需经过实际验证和完善。
(3-40)
2.适用于水力压裂裂缝为水平裂缝(最小地应力在垂直方向上)的模式
H σ V = ∫0 ρ (h) gdh E (σ v − αPp ) α T E∆T ν (σ V − αPP ) + K h + + αPP + ∆σ h (3-41) σ h = 1−ν 1+ν 1−ν E (σ v − αPp ) α T E∆T ν + αPP + ∆σ H (σ V − αPP ) + K H + σ H = 1−ν 1 +ν 1 −ν