第6章 岩石力学在油气田开发工程中的应用
深层岩石力学试验技术在石油工程中的应用
深层岩石力学试验技术在石油工程中的应用[摘要]岩石力学在石油工程中日益显示了其重要性。
本文作者从专业角度分析了深层岩石力学试验技术，分析了深层岩石的力学特征，为其在石油工程中的应用有指导意义。
[关键词]深层岩石力学石油工程在深层岩石力学研究中，所涉及的地层深度大多在2 000～8 000 m范围内，研究对象以沉积岩层为主体，岩石处于较高的围压（可达200MPa）、较高的温度（可达200℃）和较高的孔隙压力（可达200MPa）作用下。
这与水电站的坝基设计、高边坡稳定、隧道和巷道的开挖及支护、建筑的桩基工程、地下洞室、城市地铁建造等不超过1 000 m深度的地表或浅层岩石力学问题不同，也不同于以火成岩和变质岩为研究主体，深度超过万米的下地壳、上地幔岩石物理力学问题。
20世纪60年代以来，随着我国大庆油田等油田的开发，岩石力学在石油工程中日益显示了其重要性。
主要研究范围包括：（1）深层地应力测量理论与技术；（2）深部地层环境下的岩石力学性质；（3）岩石应力、渗透性的声学响应特性及岩石物理力学性质的地球物理解释；（4）构造应力场的数值模拟及其在油气勘探与开发中的应用；（5）深层岩石中天然裂缝的形态、分布和预测理论。
1深层岩石力学参数的室内试验测定岩石的力学特性参数包括强度参数和弹性参数。
涉及的参数主要为抗压强度、内摩擦力、内摩擦角、泊松比和杨氏模量。
目前，岩石力学特性参数的测定主要有2种方法：静态法和动态法。
静态法是通过对岩样进行加载试验测得其变形而得到参数，所得参数为岩石静态力学特性参数。
动态法是通过测定超声波穿过岩样的速度得到参数，所得参数为岩石动态力学特性参数。
根据实际受载情况，岩石的静态力学特性参数更适合工程需要。
迄今为止，岩石的静态力学特参数的测定方法已比较成熟，有了一套规范的试验程序和数据处理程序。
但静态法需从4地下取出待研究井段的岩芯，在室内做单轴或三轴应力试验，其缺点是成本高、时效性差、资料的代表性较差；而动态法利用声波测井资料，可直接求出原地应力下的动态力学特性参数，获得岩层沿深度的连续的力学特性资料。
中石油页岩气开发中的几个岩石力学问题
摘要 页岩气是一种重要的非常规油气资源，未来发展前景广阔。中石油在四川盆地的页岩气勘探开发实践中 形成了一套综合地质评价技术，页岩气开发技术进步显著。同时，在页岩气的实际开发过程中发现了一系列亟 待解决的岩石力学问题：(1) 水平井井眼方向问题。由于四川盆地地质构造复杂，目前的垂直于水平最大主应力 方向的水平井井眼方向给施工带来一系列工程问题，并且这种井眼方向与页岩气形成复杂裂缝的设计相矛盾； (2) 压裂液液量问题。压裂液的渗吸、置换和增能作用，要求尽可能加大压裂液液量；(3) 储层保护问题。在页岩 气开发过程中应该正确的认识页岩储层中的储层保护问题，鼓励页岩储层的渗吸作用；(4) 套管变形问题。套管 变形问题形势严峻，造成的经济损失严重。解决这些工程中的关键问题可以进一步增加页岩气产量，降低生产 成本，具有重要的意义。
石油科学通报 2019 年 9 月 第 4 卷第 3 期：223-232
中石油页岩气开发中的几个岩石力学问题
石林1,2*，史璨2，田中兰1，张矿生3
1 中国石油钻井工程研究院，北京 102206 2 中国石油大学 ( 北京 ) 石油工程学院，北京 102249 3 中国石油长庆油田分公司油气工艺研究院，西安 710018 * 通信作者，shilindri@
1 China Petroleum Drilling Engineering Research Institute, Beijing 102206, China 2 College of Petroleum Engineering, China University of Petroleum-Beijing, Beijing 102249, China 3 Oil & Gas Technology Research Institute of Changqing Oilfield Branch Company, CNPC, Xi’an 710018, China
岩石力学及其应用
至关重要，直接与经济效益挂钩。水力压裂是 油气井增产的一个重要
的手段，裂缝模型的设计（包括：裂缝的扩产模型、裂缝的延伸方向 等）都与地应力有分不开的关系，而研究地应力也是岩石力学的一个
主要的任务和发展方向。
三 岩石力学在采油工程领域中的应用
地应力在岩石力学中是一个比较重要的概念，所谓地应力是指地
壳中的天然应力。由于地球的自转产生的离心力，天体之间的万有引 力等，这些力作用在地球上使得地层发生变形，那么，地层内部肯定 要产生一个力与之相平衡，使地层保持原有的状态，因此单位面积上 的这种力称之为地应力。
是当今及以后的一个热点话题了，随着井深的增加，岩石的性质也有 很大的变化，主要是由于温度、压力等外界条件的改变，使得地层岩
石的力学性质发生的明显的变化。
二 岩石力学在钻井工程领域中的应用
在整个钻井工程中，井壁稳定对钻井施工的顺利进行起着至关重 要的作用。钻井之前，深埋地下的岩石受到上覆岩层压力、最大水平
三 岩石力学在采油工程领域中的应用
裂缝重新张开压力pre:瞬时停泵后启动注入泵，从而使闭合的 裂缝重新张开。由于张开闭合裂缝所需的压力pre与开裂压力pf′ 相比不需要克服岩石的抗拉强度，因此可以近似地认为破裂层的抗 拉强度等于这两个压力的差值，即有 ：
三 岩石力学在采油工程领域中的应用
岩石力学在石油工程其他领域中还有重要的应用，由于本人水 平有限，想要更深入了解岩石力学的进展情况还需要参考有关著作 （程远方教授编著的《油气井工程岩石力学》、陈勉教授编著的 《石油工程岩石力学》等及其相关学术论文）。
时也包括裂缝的扩展方向。
三 岩石力学在采油工程领域中的应用
常用裂缝扩展模型：PKN模型和KGD模型。 PKN模型所假设的裂缝的形状为横截面和纵截面的形状均为椭圆
岩石力学在采矿工程中的应用与分析
岩石力学在采矿工程中的应用与分析岩石力学是研究岩石力学性质及其变形、破坏规律的学科，它在采矿工程中有着广泛的应用。
本文将从岩石力学在采矿工程中的应用以及分析岩石力学对采矿工程的影响等方面进行详述。
岩石力学在采矿工程中的应用主要体现在以下几个方面：1. 岩石力学对矿山开拓和开采方案的影响。
矿山的选址、矿体的开拓、采矿方法的选择等，都需要进行岩石力学分析，以确保工程的安全性和经济性。
岩石力学分析可以评估矿山围岩的稳定性，从而确定开采方案和支护设计，有效地避免岩体崩塌、冒顶等事故的发生。
2. 岩石力学在矿山巷道和洞穴设计中的应用。
在巷道和洞穴工程设计中，需要考虑岩体的强度、应力分布以及岩层之间的接触状态等。
通过岩石力学分析，可以合理选择巷道和洞穴的形状、尺寸和支护方式，确保工程的稳定性和安全性。
3. 岩石力学在采矿设备设计和维护中的应用。
采矿设备的设计和维护需要考虑岩石的力学性质，特别是岩石的强度、稳定性和裂缝发育状况。
岩石力学分析可以为采矿设备的合理使用提供依据，延长设备的使用寿命，同时也能减少设备故障和事故的发生。
4. 岩石力学在采矿工程中的监测和预测。
采矿过程中，岩石围岩会受到应力的改变和加速损伤的影响，而这些变化可能引发岩体破坏、冒顶等事故。
通过岩石力学监测和预测，可以及时掌握岩石围岩的变化趋势，提前采取防范措施，保证工程的安全性。
岩石力学分析在采矿工程中的重要性不可忽视，它对采矿工程的影响主要体现在以下几个方面：1. 确保采矿工程的安全性。
通过岩石力学分析，可以评估岩体的稳定性，及时采取支护措施，降低岩体破坏和灾害事故的风险。
2. 提高采矿工程的经济性。
岩石力学分析可以合理选择开采方案和支护设计，减少资源浪费，降低采矿成本。
3. 优化巷道和洞穴设计，提高工程的稳定性。
岩石力学分析可以为巷道和洞穴的形状、尺寸和支护方式等提供科学依据，降低工程风险，提高工程质量。
4. 延长采矿设备的使用寿命。
通过岩石力学分析，可以选择合适的采矿设备并制定相应的维护措施，延长设备的使用寿命，降低设备维护成本。
石油钻井工程中的岩石力学应用研究
石油钻井工程中的岩石力学应用研究石油钻井工程是石油勘探及开发的重要环节，其中岩石力学的应用研究起着非常关键的作用。
岩石力学是研究岩石与力学相互作用的学科，通过分析岩石的物理力学性质，为石油钻井工程的设计和施工提供科学依据。
本文将介绍岩石力学在石油钻井工程中的应用及相关研究进展。
一、岩石力学的基本概念岩石力学是研究岩石在地壳应力下的变形与破裂规律的学科。
岩石在受到外力作用时，会发生各种变形，包括弹性变形、塑性变形和破坏变形等。
岩石力学研究的主要内容包括岩石力学性质的测试与评价、岩石力学参数的确定、岩石结构及其力学特性的分析等。
二、岩石力学在石油钻井中的应用1. 井壁稳定性分析在石油钻井过程中，井壁的稳定性对于钻井安全和石油开采效益具有重要影响。
岩石力学可以通过对井壁岩石性质及其对地应力的响应进行研究，评估井壁的稳定性，并提供相应的支护设计建议。
通过合理控制钻井液的性质和加强井壁支护措施，可以减少井壁垮塌和漏失等问题，提高钻井的顺利进行。
2. 钻井液的设计与优化钻井液在石油钻井工程中起着冷却钻头、清洁井孔等重要作用。
岩石力学可以通过分析岩石的物理力学性质和井壁稳定性需求，推断钻井液的性质要求，并根据具体情况进行设计与优化。
合理选择钻井液的成分和浓度，可以提高钻井液的性能，降低钻井风险，提高钻井效率。
3. 孔隙压力分析在石油钻井过程中，岩石的孔隙压力是衡量油气储层性质和钻井安全性的重要指标。
岩石力学可以通过分析地层中的孔隙结构和孔隙流动规律，推断孔隙压力的分布及其变化趋势，并根据这些数据制定合理施工方案。
合理控制孔隙压力可以减少井喷和井探等钻井事故的发生，为石油勘探开发提供有力的支持。
三、岩石力学在石油钻井领域的研究进展随着石油钻井工程的不断发展，对岩石力学的研究需求也在不断增加。
当前，岩石力学在石油钻井领域的研究主要集中在以下几个方面：1. 岩石力学参数测试方法的改进岩石力学参数的测试是岩石力学研究的基础，其准确性和可靠性直接影响到工程设计的可行性和钻井安全。
石油工程岩石力学基础知到章节答案智慧树2023年中国石油大学(北京)
石油工程岩石力学基础知到章节测试答案智慧树2023年最新中国石油大学（北京）第一章测试1.岩石力学在石油工程中体现在什么方面（）参考答案:破岩;水力压裂;井壁稳定;油层出砂2.岩浆岩可以分为____、____。
参考答案:null3.变质作用的方式（）参考答案:交代作用;变质结晶作用;变形和破裂作用;重结晶作用;变质分异作用4.岩石力学来源于生产实践，生产实践也是岩石力学发展的推动力。
（）参考答案:对5.岩石力学研究方法主要是科学试验和理论分析。
（）参考答案:对第二章测试1.各向同性材料的刚度矩阵为（）参考答案:2.对于土和疏松砂岩，它的Biot系数取值范围为0.1-1.0。
（）参考答案:错3.弹性与塑性的根本区别在于：____。
参考答案:null4.岩石力学中，应力的符号规定通常取拉应力为____，压应力为____。
参考答案:null5.已知一点处应力状态为，根据摩尔库伦准则该点处主应力为多少？参考答案:null第三章测试1.岩体的强度小于岩石强度的主要原因为（）参考答案:岩体中含有大量不连续面2.大部分岩体属于（）参考答案:非均质材料;各向异性材料;非连续材料3.抗冻系数是岩石冻融前干抗压强度与反复冻融后干抗压强度之比。
（）参考答案:错4.常见岩石的结构连结类型有哪些？____，____。
参考答案:null5.岩石的渗透性是什么？参考答案:null第四章测试1.以下岩石属于火成岩的是（）参考答案:花岗岩2.以下岩石属于变质岩的是（）参考答案:片麻岩3.以下属于岩石微观结构特点的是（）参考答案:岩石内部的不完全性;颗粒间的胶结情况的不均匀性4.白云岩的矿物粉末在冷稀盐酸中反应缓慢。
（）参考答案:对5.岩石的基本构成：____，____。
参考答案:null第五章测试1.巴西实验中，岩石抗拉强度计算公式为（）参考答案:2.随着围压的增大，岩石的抗压强度会增大。
（）参考答案:对3.岩石的蠕变分为：____，____，____三个阶段。
第6章岩石力学在油气田开发工程中的应用
1 6.1 地应力方向与水平井最优产能方位的选择 2 6.2 地应力场状态下注采井网模型的选择 3 6.3 地应力场状态下低渗透油田开发方案的设计原则 4 6.4 岩石力学在套损机理研究中的应用
6.1 地应力方向与水平井最优产能方位的选择
某油田岩样进行岩石力学试验结论
该地区的原地应力状态为σH＞σv＞σh，水平最大地应力接近垂向地应力。
由图1可以看出，随着井斜角 的增加，坍塌压力减小，说明地 层的稳定性变好，适合打斜井和 水平井。
由图2当井斜方位与最大水平 主 应 力 方 位 的 夹 角 接 近 60° 时 ， 坍塌压力最小，沿此方位钻进地 层最不易坍塌。
呈雁行排列的天然裂缝； ➢ 地层渗透率各向差异很大； ➢ 低渗远油藏需要进行压裂改造，水力裂缝受地层三维应力制
约； ➢ 向井筒内的泄油内径向流变为伸向油藏的水力裂缝的直线流
道等等；
➢ 与渗透率低并且各向差异很大的关系； ➢ 水力裂缝方向与油水井排空间方位的关系； ➢ 水力裂缝长度与井距的关系； ➢ 与水力裂缝形态的关系； ➢ 与天然裂缝的关系； ➢ 与射孔的关系； ➢ 油井和水井如何排布的关系等等。
井距/m 五点法
均质
0o
22.5o
45o
七点发
见水时间/年
五点法
4.17
3.62
3.05
2.89
100 七点发
3.72
2.83
2.60
2.64
反九点法
3.37
2.34
2.46
2.94
五点法
9.73
8.19
6.85
6.50
石油工程岩石力学智慧树知到答案章节测试2023年中国石油大学(华东)
第一章测试1.下列属于岩石材料的基本性质的是（）A:不连续B:多孔介质C:各向同性D:非均质答案:ABD2.岩石在加载过程中可能会产生局部破坏，但不一定影响其整体稳定性。
（）A:错B:对答案:B3.地下水对岩石骨架的强度没有影响。
（）A:对B:错答案:B4.井眼钻开前，地层在地应力作用下处于平衡状态，井眼钻开后，井眼处的岩石被钻井液所取代，造成井眼周围应力的重新分布，引发井壁失稳。
（）A:对B:错答案:A5.岩石力学可应用于下列哪些石油工程领域？（）A:水力压裂改造B:井壁稳定分析C:套管损坏分析D:出砂预测答案:ABCD第二章测试1.主平面是指单元体中正应力等于零的平面。
（）A:对B:错答案:B2.一般情况下，一点的应力状态的表征中有（）个相互独立的应力分量。
A:12B:6C:3D:9答案:B3.从莫尔应力圆中可以看出，正应力最大时，切应力为零。
（）A:对B:错答案:A4.典型岩石应力-应变曲线一般分为以下哪几个阶段。
（）A:裂隙压密阶段B:峰后阶段C:裂纹扩展阶段D:线弹性阶段答案:ABCD5.在岩石加压试验时，为了避免围压介质进入岩石孔隙中，通常需用密封套对岩样加以密封。
（）A:对B:错答案:A第三章测试1.Coulomb-Mohr强度准则认为材料的剪切破坏不仅与剪切面上的剪应力有关，还与剪切面上的正应力有关。
（）A:对B:错答案:A2.根据Drucker-Prager准则，岩石的屈服过程与应力球张量有关。
（）A:对B:错答案:A3.采用C-M准则和D-P准则进行岩石破坏情况分析时，两者都忽略了中间应力的作用。
（）A:对B:错答案:B4.采用Hoek-Brown强度准则进行岩石破坏分析时，可以考虑岩石结构面的强度。
（）A:对B:错答案:A5.根据Coulomb-Mohr强度准则，岩石的破裂角一般大于45°。
（）A:对B:错答案:A第四章测试1.岩石在长期载荷作用下，应力、应变随时间而变化的性质，称为岩石的（）A:弹性变形B:流变性C:蠕变D:应力松弛答案:B2.岩石在恒定载荷持续作用下，其变形随时间逐渐缓慢增长的现象称为岩石的蠕变。
测井解释与岩石力学
基于岩石力学分析结果，评估地层应力状态和裂缝发育情况，预测油气田 开采过程中的安全风险。
根据监测数据和岩石力学分析结果，调整油气田开采方案和生产参数，实 现高效、安全、环保的开采目标。
04 测井解释与岩石力学的挑 战与未来发展
复杂油气藏的测井解释挑战
岩石在单轴压力作用下的抗压 极限强度。
抗拉强度
岩石在拉力作用下的抗拉极限 强度。
岩石的应力与应变关系
应变
岩石的变形量，分 为法向应变和切向 应变。
弹性阶段
应力与应变呈线性 关系，岩石处于弹 性状态。
应力
作用在岩石上的力， 分为法向应力和切 向应力。
应力-应变曲线
描述岩石在受力过 程中应力与应变关 系的曲线。
测井解释的应用领域
油气勘探
水文地质调查
利用测井解释确定油气藏的位置、边界、 储量和产能等关键参数。
通过测井解释分析地下水资源的分布、储 量和品质，为水资源管理和开发提供依据 。
煤田勘探
工程地质勘察
利用测井解释分析煤层的厚度、结构、含 气量和煤质等参数，为煤炭资源开发和利 用提供技术支持。
在工程地质勘察中，测井解释可用于分析 岩土层的性质、结构、强度和稳定性等关 键参数，为工程设计和施工提供依据。
钻井设计与优化案例
案例描述
针对某复杂地层，利用测井解释和岩石力学技术进行钻井设计与优化。
案例分析
根据地层特点，选择合适的钻头和钻井液，优化钻井参数，降低钻井成本。利用测井数据和岩石力学实验结果，预测 钻遇地层的地质情况和钻井难度，及时调整钻井方案，确保钻井安全和效率。
案例结论
该案例表明，结合测井解释和岩石力学技术的钻井设计与优化能够有效提高钻井效率、降低成本和风险。
第2讲-岩石力学-岩石力学及其在石油工程中的应用
岩石力学性质
常见岩石的弹性模量与泊松比
岩石名称
弹性模量 (104MPa)
5～10 5～10 7～15 5～12 7～15 6～12 0.5～10
泊松比
岩石名称
弹性模量 (104MPa)
0.2～8 5～10 5～9.4 2～ 8 1～ 9 1～10 6～20
泊松比
花岗岩 流纹岩 闪长岩 安山岩 辉长岩 玄武岩 砂 岩
岩石外载-孔隙压力
岩石外载-异常孔隙压力来源
岩石外载-水平最小主应力
地层破裂压力（FBP）：地层破裂产生流体漏失时的井底压力
裂缝延伸压力（FPP）：使一个已存在的裂缝延伸扩展时的井底压力 裂缝闭合压力（FCP）：使一个存在的裂缝保持张开时的最小井底压力，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（ISIP）：关泵瞬间的裂缝中的压力。它一般大于FCP，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。
砂
岩
2.17～2.70
大 理 岩
2.75左右
页
岩
2.06～2.66
板
岩
2.72～2.84
岩石外载-孔隙压力
• 太沙基理论：上覆岩层压力=孔隙压力+有效应力
岩石外载-孔隙压力
岩石外载-孔隙压力
岩石外载-孔隙压力
声波速度同有效应力相关，同样的声波速度意味着同样的有效应力，即AB两点的有效应力相同，A点 的为正常压实地层，因此可通过Terzaghi 理论计算A点的有效应力，即可得到B点的孔隙压力。
岩石力学模型的建立
岩石力学在石油工程中的应用
岩石力学在钻井工程中的第一个应用就是岩石的研磨性和可钻性，钻井的过程就是钻头研磨破碎地层岩石，从而形成一个从地上联通地下的通道，钻头在岩层的钻井过程中，随着钻进深度的增加，地层岩石的力学性质也会随着变化，如硬度，强度，在钻井过程中，施工工具不能像在地面施工一样可以随时检测到是否正常运行，而且中路如果钻具损坏，那么钻具的跟换也十分麻烦，所以钻具的选择就影响到钻井的速度和成本1 岩石力学在钻井工程中的应用岩石研磨性：岩石研磨性即是岩石磨损与其相摩擦物体的能力，除金刚石制作的钻具外，其他淬火钢或者合金钢钻具在钻进过程中，会因为与岩石的摩擦而逐渐变钝，甚至损坏，所以研究不同地层对不同材质的钻头的研磨性对于钻头优选，降低钻井成本具有十分重大的意义。
岩石可钻性：可钻性是表征破碎岩石的工具与岩石之间的力学参数，表示钻具钻进岩石的难易程度。
目前岩石可钻性的研究方法分为三种：室内岩心分析、实钻数据分析、测井估分析。
但是由于技术原因，目前对岩石可钻性的评估具有较大的局限，井壁稳定性：在石油工程发展早期，有很长时间人们都认为，井壁失稳是地应力和岩石自身强度作用引起的，认为只要加重钻井液密度就能克服这一问题，随着科学技术的发展和在井壁稳定方面研究的深入，钻井液和井壁岩石的物理—化学作用对井壁稳定性也被发现存在十分大的影响。
当岩石钻开后，破坏了原来岩石中的应力平衡，井壁周围应力变化，形成次生应力，这样可以求出井壁各点应力，在与岩石的强度比较接可以比较理想的判断井壁是否失稳，但是实际情况却不是这样的，由于在钻井过程中，有钻井液代替了原有的岩石，因此钻进液的物理化学性质对井壁的稳定性也有十分大的影响。
2 岩石力学在采油工程中的应用谈到采油工程，不得不谈到的就是出砂和防砂的问题。
在管道打进地下之后，导致井壁附近岩石应力集中，岩石的垂向应力变得很大，井壁的水平应力相应增加，周围的岩石容易遭到破坏，尤其是对于胶结程度低的岩石，这种破坏就更加明显。
石油工程岩石力学
石油工程岩石力学石油工程岩石力学是石油工程领域中的一个重要分支，它涉及到岩石在石油开采和开发中的应力变形特性、岩石破坏机理、岩石力学参数等方面的理论和实验研究。
岩石力学研究的最终目标是为石油开采提供可靠的技术支撑。
一、岩石的力学性质在石油工程领域中，岩石是非常重要的一个研究对象。
岩石的力学性质是岩石力学研究的核心，主要包括力学性质、物理性质和工程性质等方面。
1.力学性质岩石的力学性质包括弹性模量、剪切模量、泊松比和强度等。
其中，弹性模量表示了岩石在受力时的弹性变形程度，剪切模量表示了岩石受到剪切应力时的抗剪能力，泊松比表示了岩石在受到应力时体积变化与形变变化的比值，强度则是岩石耐受破坏的极限应力。
2.物理性质岩石的物理性质包括密度、孔隙度、渗透性、热传导性、电导率等方面。
这些性质对于岩石的开采和开发非常重要。
例如，密度和孔隙度可以用来计算岩石的体积和储量，渗透性可以评估岩石中流体的运移特性，热传导性和电导率可以用来预测岩石下的油气储层的温度和电磁性质。
3.工程性质岩石的工程性质包括可塑性、变形能量、破坏模式和采油性能等方面。
这些性质对于岩石的开采和开发技术具有实际意义。
例如，可塑性可以评估岩石的塑性变形特性，变形能量可以评估岩石的变形能力，破坏模式可以指导岩石开采中的破裂预测和控制，采油性能可以指导油气的生产和提高开采效率。
二、岩石力学参数的测定岩石力学参数的测定是岩石力学研究中的关键问题之一，它关系到研究的可靠性和成果的实用性。
岩石力学参数的测定方法包括试验室测定和现场测定两种。
1.试验室测定试验室测定是一种传统的岩石力学参数测定方法，它包括标准试验和特殊试验两种。
标准试验包括压缩试验、引张试验和剪切试验等，通过标准试验可以获得岩石的弹性模量、剪切模量、泊松比和强度等力学参数。
特殊试验包括三轴试验、比较试验、应力波传播试验等，可以获得岩石的动态特性及其耐久性等参数。
2.现场测定现场测定是一种新兴的岩石力学参数测定方法，可以直接获取岩石在地质环境下的实际力学参数。
分形岩石力学在油气井工程中的应用
0 � 引言
长 期以 来 , 人 们尝 试用 各种 数学 , 力学 方法 研究 和描 述 岩石 复 杂的 自 然结 构 和 物 理力 学 性 质 , 提 出多 种 岩石 力学 分析 和计算 方法 , 为 解决 实际 工程 中的岩 石 力学 问 题创 造 了条 件 . 然而, 由 于 受岩 石 复 杂 且极 不 规则 的自 然性 状及认 知和 描述 方法 的局 限性 影响 , 传统 的岩 石力 学方 法在 定量 描述 岩石 组成 结构 , 缺陷 分 布, 几 何形 态 , 演化 性质及 其对 岩石 宏观 力学 行为 的影 响 等方 面 存在 很 多 困难 . 因此 , 客 观 地 认 识, 掌握 和 科学 地描 述岩 石自然 组成 和内 部缺 陷的 几何 和物 理性 状 , 探 索新 理论 , 新 方法 , 对于 发展 岩石 力学 理论 , 有 效地 解决 实际 工程问 题具 有重 要意 义 . 油 气井 工程 是石油 工程 中的 重要 分支 , 是 一门 包括极 为广 泛的 多学 科交 叉的 综合 学科 , 而岩 石力 学是 油 气井 工程 中重 要的基 础应 用学 科之 一 . 地层 中岩 石的物 理和 机械 性质 对钻 井效 率 , 钻井成 本和 钻井 安全 等 影响 明显 , 而在 石油 钻井 中地 层岩 石所 表现出 来的 一些 非线 性性 质尚 未认 识清 楚 , 分形岩 石力 学的 出现 为 解决 这些 非线 性问题 提供 了有 力的 方法 和手 段 .
闫 � 铁 �李 � 玮
(东 北 石 油 大学 石 油 工 程 学 院 , 黑 龙 江 大 庆 �1 6 3 3 1 8)
分析岩石力学的非线性特征, 阐 述 分 形 岩 石 力学 的 发 展 过 程 及 研 究 内 容 , 论述 油气井工 程中分形 岩石力学 � �摘 � 要 � 的 研究 进 展 情 况 , 探 讨 分 形 岩 石 力 学 在 油 气 井 工 程 中 的 发展 方 向 . 分形岩石力学已经成为一 门极具发展潜 力的实用性岩 石 力学 分 支 , 其 与 油 气 井 工 程 结 合 必 将 为 解 决 油 气 井 工 程中 的 非 线 性 问 题 提 供 一 条 可 行 的 途 径 . 关�键�词� 分 形 �岩 石 力 学 �油 气 井 工 程 �非 线性 �力 学 性 能 中图分类号� ) TE 2 1� � � 文 献 标 识 码 � A� � �文 章 编 号 � 1 0 0 0 �1 8 9 1( 2 0 1 0 0 5 �0 0 6 0 �0 5
石油工程第6章——东北石油大学
二、 地层压力的预测原理与方法
多年来发展了数种预测异常高压的技术，其中有在钻 井施工前进行的地球物理预测方法，也有钻井过程中应用 的钻井参数方法和其他方法。目前在国内使用最多的方法 是声波测井法和dc指数法。
1. 地球物理方法
地震资料法
地球物理方法
声波测井法
电阻率测井法
第六章 第一节 地层压力及其预测
2. (1) d(或dc)
20世纪60年代以来，人们了解了机械钻速和地层 压力之间的关系，并在此基础上发展了一种改进机械 钻速预测地层压力的方法，称为d(或dc)指数法。
1) 工作原理
d(或dc)指数法是利用泥页岩的压实规律及欠压实 地层机械钻速增大的特性和压差影响机械钻速的原理， 同时考虑了钻井参数对机械钻速的影响来监测地层压 力的。
地层破裂压力的大小取决于许多因素，如上覆岩层 压力、地层压力、岩性、地层年代、埋藏深度以及该处 岩石的应力状态。
为了衡量某一深度D的破裂压力的大小，引入地层破
裂压力梯度GDf的概念。GDf
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
pf D
第六章 第二节 地层压力破裂及其预测
二、 地层破裂压力预测方法
哈伯特—威利斯法
马修斯—凯顿法
破裂压力预测方法
pp＜ph，异常低压
pp＞ph，异常高压
第六章 第一节 地层压力及其预测
4. 基岩应力 上覆岩层的重量是由岩石颗粒和孔隙内的流体共同支
撑的。没有被孔隙内流体所承担的那部分上覆岩层压力称 为基岩应力。如果用σ表示基岩应力
pob p p
在正常的压力环境中(pp=ph)，由于颗粒和颗粒间相 互接触，岩石基体支撑着上覆岩层重量，而这个直接的 颗粒间应力的减少(σ→0)，将导致孔隙内流体支撑起部 分上覆岩层，而形成异常高压(pp＞ph)。
岩石力学在采矿工程中的应用（共1104字）
岩石力学在采矿工程中的应用(共1104字)一、岩石力学在采矿工程中的应用1.1对于深部开采所带来的灾害预测要知道对于矿山的深部开采是一件具有一定危险系数的工作，可能会遇见矿震、岩石爆炸等危险。
并且这类事故是常有发生的，目前已经有很多国家有过类似的经历，比如南非就曾经经历过震级达到M5.1级的岩爆，这种岩石爆炸的破坏力以及杀伤力是十分巨大的，但是目前对于岩爆的预防以及防止工作却没有引起相应的重视。
施工队伍对矿山的开采已经越来越深入，所面临的危险也自然越来越大，因此对于这方面必须加以重视。
应用岩石力学的相关知识对工程地质进行调查、应力测量以及一些岩石力学实验，通过对能量的聚集和变化的研究去探讨岩爆的发生原理，从而对岩爆进行一定的防治工作。
1.2矿山地应力场测量地应力是存在于地质底层中的天然力量，它是引起在岩石开挖过程中地质发生变化的力量，对其进行研究是对于开采方案进行研究的首要前提。
对于采矿工程来说，实现必须要了解掌握具体工程中的地应力状况，这样才能对矿山进行合理的总体布置并且选取适当的采矿方法。
长期以来，我们所生存的地球已经经历了无数次的构造运动，逐步演变出地球地应力复杂性，要想安全的进行采矿工程，就必须对其进行实地应用力测量。
1.3大型深凹露天矿边坡设计优化现在我国已经有很多露天矿山开采转为了深凹开采，随着开采难度的越来越大，对于安全性以及稳定性的维护就越来越难，边坡滑移的破坏事故发生日益频繁，这些都要严重的威胁到了矿山开采工作的安全性。
但是，减少边坡角滑坡事故与增加成本之间却出现了矛盾，对于这种情况，我们就需要经过精确的定量而不只是定性计算并充分考虑岩体条件和地应力的作用，在能够保证安全的前提条件下，尽量的节省成本，保证工程效益。
现如今岩石力学已经在采矿工程中的很多方面都得到了应用，但我国仍然在不断的进行理论研究，对于那些更复杂的工程将会提出更加合理的解决方案。
岩石力学在采矿工程中的应用将会朝着多学科相互交叉和多种知识手段综合的趋势逐步发展，采取一定的措施对灾害的非线性动力过程进行预测和防治。
有机岩石学在油气勘探方面的应用
有机岩石学在油气勘探方面的应用
有机岩石学在油气勘探方面的应用
油气勘探是油气行业中非常重要的一个环节，它是以勘探发现和评价合理的油气藏区为目的，以及为油气勘探开发提供技术基础的重要技术手段和活动,它是勘探、勘探研究和勘探开发的综合体系。
有
机岩石学在油气勘探方面的应用具有重要意义。
在油气勘探中，有机岩石学的应用主要有以下几个方面：
一、有机岩石学在油气勘探中的应用
1、通过有机岩石学能够探测大气含气层和地表层的结构，以及
油气藏在岩石层中的分布，因此可以更好地预测油气勘探方向和范围。
2、有机岩石学可以利用地球物理技术探测油气藏的物理性质，
如油气藏的埋藏深度、油气藏的属性和油气藏的可采储层。
3、通过有机岩石学能够更好地判断油气藏的资源量，从而为油
气勘探提供技术支持。
4、有机岩石学可以提供有关油气藏的渗流性能和压力系统的信息，以及可对某一规模油气藏的发育过程和演化特征定量分析。
二、有机岩石学在油气勘探中的应用
1、通过有机岩石学可以确定含油气层的地质期古地理构造条件，及烃源岩（原油）的发育程度，从而判断油气的资源量及质量，以及油气勘探地区的探明率。
2、有机岩石学可以预测油气生成的温度、压力、油气的种类和
混合程度等，从而有利于更好地进行油气勘探。
3、有机岩石学可以分析油气的演化规律，从而有效进行勘探结果的评价和绩效监测，并及时发现油藏发育构造变更，提高勘探成果的准确性和信息量。
综上所述，有机岩石学在油气勘探方面的应用十分重要，它可以为油气勘探提供技术支持，帮助提高勘探成果的准确性和有效性。
第2讲-岩石力学-岩石力学及其在石油工程中的应用
垂直应力
Pp
孔隙压力
最大主应力 • 孔隙压力
岩石机械力学性质
最小主应力
C0
岩石外载-上覆岩层压力
岩石外载-上覆岩层压力
• 密度反演：当没有密度测井数据时，可以通过声波、电阻 率测井等数据进行反演。
The Rock Physics Handbook. Mavko et al., 2003
开发过程中地应力动态变化
二、岩石力学研究的系统性问题
工程角度：井筒的概念，小尺度、静载到动载、弹性塑性粘性、多场耦 合；研究钻头动载破碎力学和三维钻速方程，多场耦合组合岩性的井壁失稳 问题，非平面水力裂缝起裂、扩展机理，测试完井过程的井筒稳定力学；解 决高效钻头设计或优选、钻井液性能设计与工程对策、钻井井身结构和套管 强度设计、水平井压裂和深井压裂有利缝（网）的形成的方法与工程对策； 测试安全与完井井筒完整性。
根据应力应变曲线可确定抗压强度、杨 氏模量及泊松比
应力应变曲线
岩石力学性质-杨氏模量、泊松比
杨氏模量 ：岩石每增加单位 应变所需增加的应力
E /
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
横 纵
应力应变曲线
岩石力学性质
工程地质学
现代地质力学特点 成分 微结构 深部地质体 宏观结构
岩石力学
未来力学行为
强度力学行为 变形力学行为
地应力场
渗流场
温度场
破碎岩石 保持稳定
二、岩石力学研究的系统性问题
尺度：地质物探的大尺度；油藏开发的中等尺度；钻测录试的小尺度和细观 尺度；目前主要后者为主。
力学在油气井工程中的应用
145油气井工程是围绕油气井的设计、建设、测量、使用与维护而进行的工程。
在油井生产过程中，管柱是必不可少工具，包括钻柱、套管柱、测试管柱、生产管柱及连续油管、膨胀管等，其力学行为十分复杂，很难从一般的力学知识中直接找到答案，必须给出实际工程的约束条件进行专门研究。
所谓油气井管柱力学，就是建立管柱的力学模型，然后建立相应的数学模型，再施加约束条件求解相关参数，为后续的工程施工提供理论支撑。
1 研究方法油气井管柱力学的理论研究主要有微分方程法、纵横弯曲法、能量法和有限单元法。
具体步骤包括以下几点：分离、简化、力学模型、数学模型求解、计算、验证、得出结论。
分离，将待研究的系统与周围环境分离开单独研究它的受力情况。
简化，将管柱受到的多个力进行合成。
简化可以将复杂的物体抽象为简单的结构，简化时要根据要求解的对象保留主要影响因素，忽略次要影响因素，使后续的力学模型物理意义明确。
力学模型，将简化结果用力学模型明确表达出来，一般用示意图表示，外加文字解释。
数学模型，只有将力学模型转化成数学模型，才能用数学手段进行分析。
数学模型包含偏微分方程和外载约束条件。
求解，通过最有效的方法求解数学模型。
简单的数学模型可以通过解析解求出，而复杂的数学模型就需要通过数值分析方法来求出数值解。
2 油气井管柱摩阻和扭矩对于全井段二维定向井，解析解通常可以很好的适用。
但是对于三维定向井要考虑到它的井斜和方位的变化，很难求出解析解。
针对这个问题，可以用有限差分法对二维模型求数值解。
二维井模型：F ：油气井管柱受到的轴向力；N ：井壁受到的反力；µ：滑动摩擦系数；N ：接触面的法向力；对于三维定向井，将上面的公式用向前有限差分公式代替，可得从下往上的计算公式：经过有限差分处理以后，油气井管柱摩阻计算模型变成为袋鼠方程式，有利于编程计算，只要做适度调整满足误差即可。
3 下部钻具组合动静态分析3.1 BHA静力学防斜原理目前，国内外常用的是钟摆钻具组合和满眼钻具组合。
工程力学在石油工程中的应用
工程力学在石油工程中的应用石油工程作为一门综合性的工程学科，涉及到多个学科的知识和技术，其中工程力学在石油工程中的应用尤为重要。
工程力学是研究物体静力学和动力学行为的科学，它通过分析和计算物体在外力作用下的变形和运动，为石油工程提供了理论基础和技术支持。
本文将探讨工程力学在石油工程中的应用，并阐述其中的关键点。
一、地层力学分析地层力学是石油工程中的重要分支，它研究地层与井筒、岩石之间的相互作用。
通过工程力学的应用，可以对地层力学进行准确的分析，包括地层的力学性质、变形特征、应力分布等。
在油气勘探和开发过程中，地层力学分析可以帮助工程师判断油气资源的储量和分布情况，优化油井的布置，提高钻井和采油效率。
工程力学提供了一套科学的方法和理论，可以为地层力学的分析提供准确的数值计算和仿真模拟。
二、井筒力学分析井筒力学是石油工程中的重要研究领域，它主要研究井筒的强度、稳定性和完整性。
井筒在钻探和采油过程中扮演着关键的角色，它承受着巨大的地层压力和钻井液的冲刷，必须保持足够的强度和稳定性。
通过工程力学的分析，可以对井筒的受力和应力分布进行计算和模拟，预测井筒的强度和稳定性，为工程师提供决策依据。
此外，工程力学还可以用于分析井筒完整性的问题，如井筒的裂缝、崩塌等，以及设计合理的固井方案。
三、地震工程学应用地震对于石油工程来说是一个重大的威胁，因此地震工程学在石油工程中的应用至关重要。
地震工程学是研究地震对工程结构和地质体的影响及其控制措施的学科，它涵盖了工程力学的各个方面。
在石油工程中，地震工程学的应用主要包括地震监测、地震风险评估、地震防护设计等。
通过工程力学的分析，可以对地震波的传播和地震对结构的影响进行计算和预测，为石油工程的设计和施工提供科学依据，减少地震风险。
四、管道力学分析管道力学是石油工程中的重要分支，它研究输油管道、输气管道等管道系统的力学特性和稳定性。
在石油工程中，长距离的输油管道和输气管道承受着巨大的压力和载荷，在运行过程中可能遇到各种问题，如管道的振动、腐蚀、破裂等。
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6.2地应力场状态下注采井网模型的选择
6.2.1五点法、七点法和反九点法面积井网开发效果
效果对比
井网 五点法
注水井排与最大水平 波及系数 见水时间 主应力方向的夹角
45o 22.5o 0o 0o 0o 45o 0.396 0.385 0.34 0.629 0.564 0.508 9.17 8.74 7.88 14.5 11.35 11.77
σv ， σH ， σh—— 分别为垂直应 力，水平最大主应力，水平最小 主应力。 θ— 井眼轨迹轴线与最大主应力 夹角，可理解为方位角。
θ=30~45°
σh 大斜度井，水平井轨 迹应与最大主应力成 30~45° ， 坍 塌 压 力 最小，井眼稳定。
σH
θ=30~45°
垂向应力为中间应力时，θ大于60°时，坍塌压力随井斜角的变 化较小。故垂向应力为中间主应力时，大斜度井的最优钻井方向为与 最大水平主应力方向
6.2地应力场状态下注采井网模型的选择
6.2.1五点法、七点法和反九点法面积井网开发效果
五点法井网开发油田，注水井排与最大渗透率方向，即最大主应力方向夹 角为０度情况下，见水时间为14.55年，波及系数为 0.629 ；当最大渗透率方 向与注水井夹角为22.5度时，最早见水时间为12.18年，波及系数为0.526；当 最大渗透率方向与注水井排夹角为45度时，见水时间为11.56年．波及系数为 0.5左右。因此，当注水井排与最大渗透率方向，即最大主应力方向夹角为０ 度情况下，开发效果最好，见水时间晚，波及系数高。 七点法面积井网，当注水井排与最大渗透率方向夹角为０度时，见水时间 为11.35年，波及系数为0.564；当注水井排与最大水平主应力方向夹角为22.5 度时，见水时间为 10.37 年，波及系数为 0.516；当注水井排与最大水平主应 力方向夹角为 45度时，见水时间为 10.55年，波及系数为 0.525，因此，采用 七点法面积井网开发时，当注水井排与最大水平主应力方向夹角为 0度时效 果最佳，夹角为22.5度时，效果最差。 反九点法面积井网，注水井排与最大渗透率方向在夹角为45度时开发效果 最佳，在夹角为0度时最差。
岩石力学在开发中的研究领域
近年来, 岩石力学在石油开发领域的应用解决油气藏开发中复 杂技术问题的同时 ,也促进了与油气开发相关的岩石力学的飞速发 展。目前岩石力学不仅在降低钻采事故、进行油藏工程研究、制定 合理可行的开发方案、提高油气采收率、防止储层破坏和延长油气 经济开采年限等领域得到了广泛应用 ,而且已形成了固定的发展和 研究方向。本章研究内容有以下几个方面：
（1）天然裂缝性油藏水平井的量优产能方位应平行子最小水平 主应力方向。 （2）基质低渗透性薄储层的水平井最优产能方位应平行于最小 水平主应力方向。 （3）基质低渗透性厚储层油藏的水平井最优产能方位应平行最 大水平主应力方向 。 （4）基质高渗透性厚储属油藏的水平井量优产能方位应平行于 最小水平主应力方向
不同地应力场中井壁稳定规律分析 3.垂向应力为最小主应力（ σH＞σh ＞σv ）
σv ， σH ， σh—— 分别为垂直应 力，水平最大主应力，水平最小 主应力。 θ— 井眼轨迹轴线与最大主应力 夹角，可理解为方位角。 σH
θ=0°
θ=0°
σh
大斜度井，水平井轨 迹应与最大主应力平 行，坍塌压力最小， 井眼稳定。
不同地应力场中井壁稳定规律分析
以下为砂岩、石灰岩、自云岩、页岩、角闪岩5种岩石模拟井眼的破坏实验得 出的结论：
1.垂向应力为最大主应力（ σv＞σH＞σh ）
σv ， σH ， σh—— 分别为垂直应 力，水平最大主应力，水平最小 主应力。 θ— 井眼轨迹轴线与最大主应力 夹角，可理解为方位角。 σH
水平井最优产能方位的选择
地应力场状态下注采井网模型选择 低渗透油田开发方案的设计原则
1
6.1 地应力方向与水平井最优产能方位的选择 6.2 地应力场状态下注采井网模型的选择 6.3 地应力场状态下低渗透油田开发方案的设计原则 6.4 岩石力学在套损机理研究中的应用
2
3 4
6.1 地应力方向与水平井最优产能方位的选择
θ大于60°时坍塌压力随井斜角的增大而略微增大。故垂向应力为 最小主应力时，大斜度井，水平井轨迹最优钻井方向为平行于最大水平 主应力方向。
某油田岩样进行岩石力学试验结论
该地区的原地应力状态为σH＞σv＞σh，水平最大地应力接近垂向地应力。 由图1可以看出，随着井斜角 的增加，坍塌压力减小，说明地 层的稳定性变好，适合打斜井和 水平井。 由图2当井斜方位与最大水平 主应力方位的夹角接近 60°时， 坍塌压力最小，沿此方位钻进地 层最不易坍塌。 垂向应力为中间应力时可通 过计算得出井眼轨迹方向应与最 大水平主应力成 30~60°角，具体 角度数值通过油田岩心室内试验 得出。
θ
σh 大斜度井，水平井轨迹 应垂直于最大主应力， 坍塌压力最小，井眼稳 定。 垂向应力为最大主应力时，大斜度井（井斜角大于45°），水平井最优钻 井方向为垂直于最大水平主应力方向，沿此方向钻进，地层最不易坍塌。
θ=90°
不同地应力场中井壁稳定规律分析 2.垂向应力为中间主应力（ σH＞σv＞σh ）
最差七点发 反九点法Fra bibliotek五点法最佳
七点发 反九点法
6.2地应力场状态下注采井网模型的选择
6.2.2不同井距各种井网的比较
油井见水时间与井距有关。在其它地层条件及流体参数不变条件下，最大水平主应力方向的渗透率与 最小水平主应力方向的渗透率之比值为3时，计算井距不同时各种井网的见水时间，如表所示。
井距/m 井网 五点法 七点发 五点法 100 七点发 反九点法 五点法 150 七点发 反九点法 五点法 200 七点发 反九点法 五点法 250 七点发 反九点法 五点法 300 七点发 反九点法 注水井排与最大水平主应力方向的夹角 均质 0o 见水时间/年 4.17 3.72 3.37 9.73 8.37 7.58 16.67 14.85 13.47 26.05 23.24 21.05 37.50 33.40 30.31 3.62 2.83 2.34 8.19 6.39 5.26 14.56 11.35 9.34 22.75 17.74 14.59 52.76 25.54 21.02 3.05 2.60 2.46 6.85 5.85 5.54 12.19 10.37 9.85 19.04 16.20 15.38 27.42 23.02 22.15 2.89 2.64 2.94 6.50 5.94 6.62 11.56 10.55 11.37 18.06 16.49 18.39 26.00 23.75 26.48 22.5o 45o