第5章-地应力与岩石强度

弹性模量和动态泊松比则是利用弹性波的传播关系，由测量
的弹性波速度和体积密度计算得到的。
五、利用测井资料预测岩石强度
1、岩石的弹性模量和泊松比
杨氏弹性模量是岩石张变弹性强弱的标志。设长为L,截面积 为A的岩石，在纵向上受到力F作用时伸长或压缩ΔL,则纵向张 应力(F/A )与张应变(ΔL/L)之比即为静态杨氏模量Es,即：
2、利用等效深度法预测异常地层压力
（1）泥页岩正常压实趋势线建立
已知孔隙度随深度（H）的衰减关系式为：
t o t ma 表层 o t f t ma t L t ma L深度 L t f t ma
o e
C p H
(t L t ma ) (to t ma )e t o e t L t o e
（2）利用等效深度法预测地层孔隙压力 等效深度法假定在不同深度但具有相同岩石物理性质的 泥页岩的骨架所受到的有效应力相等，即：
( p Pp )1 ( p Pp )2
应用等效深度法首先必须建立 正常压实趋势线，进而在正常压力 趋势线上确定出与异常压力地层具 有相同岩石物理性质的深度点，即 等效深度点。
e p Pp
地层孔隙压力—地层孔隙中所含流体的压力，即流体压 力，分为正常压力和异常压力。正常孔隙压力等于地层
水静液柱压力，压力变化范围1.0-1.07 g/cm3，决定于地
层水矿化度。凡是低于地层水静液柱压力的叫异常低压， 高于地层水静液柱压力的叫异常高压。
四、地层孔隙压力预测
正常压力趋势线
N
( p Pp ) A ( p Pp ) N
四、地层孔隙压力预测
2、利用等效深度法预测异常地层压力
（2）利用等效深度法预测地层孔隙压力
i gh
某深度
i 1
n
P w gh
对泥页岩，若Biot系数取1, 得： A点
PpA A ghA g( N w )hN
1、岩石的弹性模量和泊松比
岩石的体积模量可用于度量岩石的抗压能力。静态体积 模量（Kbs ）是岩石在各个方向都受到力F的作用时，应力 F/A与体积相对变化的比值，即：
F/A K bs V / V
泊松比又称横向压缩系数。静态泊松比表示为横向相对压 缩与纵向相对伸长之比。设长为L,直径为d的圆柱形岩石， 在受到压缩时，其长度缩短△L,直径增加△d,则静态泊松 比（vs）表示为：
二、利用双井径测井资料确定地应力方向
1、井壁垮塌的双井径曲线特征
（1）溶蚀型椭圆井眼：常 常发生在膏盐地层，它是
因盐岩、石膏等岩层被钻
井液溶蚀而形成，双井径 曲线均大于钻头直径；
二、利用双井径测井资料确定地应力方向
1、井壁垮塌的双井径曲线特征
（2）冲蚀型椭圆井眼：常发生
于泥页岩等软岩层，这类地层 受到钻井液浸泡，体积将发生 膨胀，导致坍塌。由于岩石本 身结构的各向异性，这种垮塌 通常形成椭圆形井眼，在双井 径曲线上表现为井径不等，且 都大于钻头直径，
C p H C p H
C p H
t ma (1 e
C p H
)
利用该式，作出埋深 与声波时差的交会图，建 立正常压实趋势线，进而 利用等效深度法预测地层 压力。
H (lnto lnt L ) / C p
四、地层地层压力
地应力和岩石强度
地应力是指存在于地壳岩体中的内应力。它是由 地壳内部垂直运动和水平运动的力及其它因素的 力引起的介质内部单位面积上的作用力。 垂向应力 最大水平主应力 最小水平主应力
v
H1
H2
由于岩石的变形和破坏取决于其所受到的有 效应力的大小，因此，常常也把地层孔隙压力作 为地应力的一个重要组成部分。
1、基于井壁应力崩落和应力垮塌 确定地应力大小及方向 岩石力学的研究表 明，钻井过程中，井壁 出现的应力崩落和应力 垮塌都是由于井壁附近 应力集中产生剪切破坏 的结果，应力崩落和应 力垮塌的方向与区域最 小水平主应力方向一致。
一、成像测井资料研究地应力大小及方向
井壁应力崩落、应 力垮塌的方位、形状、 宽度都可以从地层倾角 测井及各种成像测井图 上观察到。如右图的声 波成像测井图所示，井 壁应力崩落区域和应力 垮塌区域都具有明显的 对称性。
二、利用双井径测井资料确定地应力方向
1、井壁垮塌的双井径曲线特征
（3）键槽变形井眼：由钻具偏
心磨损井壁形成，多发生于井
斜较大且岩石强度较低的地层 段。其特征为非对称的椭圆井
眼，在双井径曲线上常表现为
一条井径大于钻头直径，一条 井径小于钻头直径；
二、利用双井径测井资料确定地应力方向
1、井壁垮塌的双井径曲线特征 （4）应力型椭园井眼：
d / d vs L / L
五、利用测井资料预测岩石强度
1、岩石的弹性模量和泊松比
根据弹性波理论，利用测井资料计算地层动态弹性模量、 泊松比的理论关系式为： 动态泊松比：
(t s2 2tc2 ) vd 2(t s2 tc2 )
动态杨氏模量： Ed 动态剪切模量：
b 3t s2 4t c2
_
_
四、地层孔隙压力预测
2、利用等效深度法预测异常地层压力
（2）利用等效深度法预测地层孔隙压力
五、利用测井资料预测岩石强度
表征岩石强度的参数： 杨氏弹性模量(E)
体积模量（Kb)
切变模量(G） 泊松比（v） 岩石的抗压强度（σc） 抗张强度（ σt ） 抗剪强度（τ） 主要的方法有岩心测试和测井计算。
原地最大水平主应力方向，因此，通过对这两 种类型裂缝的研究可以确定地应力的方向。
一、成像测井资料研究地应力大小及方向
2、利用钻井诱导缝确定地应力方向
与天然裂缝相比，与应力相关的钻井诱导缝在成像图上具 有如下显著特点： （1）呈180 。 对称出现，天然裂缝根据产状不同，在成像图上 的表现特征不同，但出现方位不对称是天然裂缝最显著的特点。 垂直的天然裂缝通常单个出现，而斜切井眼的天然裂缝在图像 上一般为完整的正弦线，随裂缝倾角降低，正弦线逐渐变得平 缓; （2）开度较稳定，缝面较平直；天然裂缝的开度不稳定，缝宽 变化较大； （3）重泥浆压裂缝能够直接切穿不同岩石，在砾石层中可以直 接切穿砾石；天然开启缝一般则绕砾石而过。 （4）诱导缝的延伸都不大，深侧向电阻率值下降不很明显。
行的裂缝。其裂缝的倾角与地
下三轴应力的相对大小有关： ①当垂直应力为中间主应力和
最大主应力时，裂缝为垂直缝
和高角度缝； ②当垂直应力为最小主应力时，
裂缝为低角度缝；
一、成像测井资料研究地应力大小及方向
2、利用钻井诱导缝确定地应力方向
(4)重泥浆压裂缝是由于钻井液密度过大造成的。当垂向应力 为原地最大主应力或原地中间主应力时，重泥浆压裂缝一般 以高角度张性缝为主，且张开度和延伸都可能很大。
α ＝ β
若II号极板对应长轴半径，则长轴方位角α为：
α ＝ β±90°
二、利用双井径测井资料确定地应力方向
2、利用双井径确定椭园井眼长轴方位及地应力方位
三、最小水平地应力大小计算
利用测井资料连续计算最小水平地应力 H 2 的方法很多，其 中具有代表性的模型为Matthews&Kelly模型、Eaton模型、 Anderson模型和Newberry模型。 Matthews&Kelly模型： H 2
①在FMI图像上，它们总是 以180°或接近180°对称 分布在图像上，往往以一 条高角度缝为主，两侧伴 生有羽状微缝； ②在双侧向曲线上出现 “双轨”，具正差异特征， 且电阻率较高。
一、成像测井资料研究地应力大小及方向
2、利用钻井诱导缝确定地应力方向
重泥浆压裂缝和应力释放缝与地应力分布
密切相关，对直井来说，裂缝出现方位对应于
地应力和岩石强度
对于实际地层来说，垂向应力与两个 水平主应力随深度的关系如下：
埋深<几百米时：
H1 > H 2 > v H1 > v
几百米<埋深<2000米时：
> H2
埋深>2000米时：
v
> H1 > H 2
地应力的获取方法
一、成像测井资料研究地应力大小及方向
四、地层孔隙压力预测
1、异常压力地层的测井显示特征
异常高压地层：孔隙流体压力比正常压力高，使得颗粒间有效 应力减小，地层的孔隙度将增大，密度、电阻率、自然伽马射 线强度减小，而中子孔隙度、声波时差则增大； 异常低压地层：孔隙度、中子孔隙度、声波时差减小，而密度、
电阻率、自然伽马射线强度增大。
四、地层孔隙压力预测
Newberry模型： H 2
低渗透且有微裂缝地层
上式中，σv—垂向应力，K—骨架应力系数，Pp—地层孔隙压 力， ν—泊松比，αp—Biot弹性系数。
四、地层孔隙压力预测
地层的稳定性取决于其所受到的有效应力。根据有效 应力的基本原理，有效应力（σe）等于地层受到的总的载
荷（σ）减去孔隙压力（Pp）的作用，即：
一、成像测井资料研究地应力大小及方向
2、利用钻井诱导缝确定地应力方向
钻井过程中在井壁地层 中诱发的裂缝主要有钻具震 动裂缝、热差诱导缝、重泥 浆压裂缝和应力释放缝4种不 同类型，这些不同类型的裂 缝具有以下特点： （1)钻具震动裂缝宽度十分 微小，且径向延伸很短，在 FMI等探测深度浅的电阻率图 像上有高电导异常，但在方 位电阻率成像(ARI )等探测 深度大的电阻率图像上却没 有显示。
一、成像测井资料研究地应力大小及方向
2、利用钻井诱导缝确定地应力方向
(2)热差诱导缝是因为钻
井液温度低于地层温度，
使地层因收缩而产生的细 微裂隙和裂纹。
一、成像测井资料研究地应力大小及方向
2、利用钻井诱导缝确定地应力方向
(3)应力释放缝是在现今地应
力相对集中的致密岩层段，当
地层被钻开，随着应力释放而 产生的，其特征是一组接近平
由于水平主应力的不平衡
性造成井壁在最小主应力 方向上剪切掉块或井壁崩 落，形成对称的椭圆井眼， 其长轴方向指示最小主应
力方向，双井径曲线一条
大于钻头直径，一条近似
等于钻头直径。
二、利用双井径测井资料确定地应力方向
2、利用双井径确定椭园井眼长轴方位及地应力方位
由于四臂地层倾角测井仪不仅提供两条相互垂直的 井径曲线(d13与d24），而且还同时记录I号极板方位角、 井斜角和井斜方位角，因此，当仪器在井内转动测量， 通过椭圆井眼时，若其中一对井径臂转向长轴方位后就 不再转动，则另一对与之正交的井径臂将必然转向短轴 方位，这样，测出的大井径就映了椭圆井眼长轴。若1号 极板对应长轴半径，则长轴方位角(α)就等于I号极板方 位角（β）即
ES F/A L / L
岩石的切变弹性模量是岩石切变弹性强弱的标志。设剪切力 (F)平行作用于岩石表面后产生的切变角为Ψ，则静态切变弹 性模量(Gs)就等于剪切应力(Ft/A)与剪应变或切变角（当切变 角很小时）之比，即：
GS Ft / A


Ft / A l / d
五、利用测井资料预测岩石强度
五、利用测井资料预测岩石强度
1、岩石的弹性模量和泊松比
岩石的杨氏弹性模量（E）、体积模量（Kb ),切变模量
(G)统称为岩石的弹性模量。根据获取方法的不同，岩石的 弹性模量和泊松比分为静态弹性模量、静态泊松比和动态弹 性模量、动态泊札比。岩石的静态弹性模量和静态泊松比是 根据岩心在施加载荷条件下的应力一应变关系得到的；动态
1、异常压力地层的测井显示特征
可用于预测孔隙压力的测井资料主要有电阻率、声波 时差、地层密度、中子孔隙度、白然伽玛、自然电位、地 层温度和地层测试资料。当地层出现异常压力时，上述测 井响应将发生突变，偏离常趋势线 。
正常压力情况下：
（1）随着深度的增加，孔隙度按指数规律衰减； （2）随着深度的增加，放射性强度增加； （3）随着深度的增加，地层水矿化度按指数规律增加； （4）随着深度的增加，地温按线性规律增加。
K i ( v Pp ) Pp
Eaton模型：
H2
v ( v Pp ) Pp 1 v
Anderson模型： H 2
v ( v p Pp ) p Pp 1 v v ( v p Pp ) Pp 1 v
Biot多孔介质弹性理论