第2讲-岩石力学-岩石力学及其在石油工程中的应用

提纲
一、岩石力学在石油工程中的作用
二、岩石力学研究的系统性问题 三、岩石力学在石油工程中的应用
三、岩石力学在石油工程中的应用
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。 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。 抗拉强度：岩石试样在单轴拉伸下能够承受的最大拉应力。 抗剪强度：是指岩石试样在一定法向压应力作用下能够承受的最大剪应力 岩石的变形： 杨氏模量 ：岩石每增加单位应变所需增加的应力 泊松比：压缩应力作用下岩石横向应变与纵向应变之比
常见岩石的抗压强度
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
岩石力学是地质与工程之间的一座桥梁，贯穿油气勘探开发全过程。
提纲
一、岩石力学在石油工程中的作用
二、岩石力学研究的系统性问题 三、岩石力学在石油工程中的应用
二、岩石力学研究的系统性问题
岩石力学历史是基础，现代岩石力学特点是关键，未来力学 行为是目标。
地质力学 地质力学历史
区域构造 工程构造 岩体结构
理力学化学特征发生变化，变形、破坏和失稳的机理、模型和工程特征也
表现出周期性和突发性，一成不变用线弹性理论和摩尔库伦破坏模型将出 现较大的偏差。
二、岩石力学研究的系统性问题
动载：工程涉及的力学问题是个动载问题，井壁失稳、钻头破岩、水力压裂、
开发过程的孔隙裂缝的变形、套管损坏等。
盐膏层
套管 水泥环 套损区
• • • 应力的方向 应力的大小
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
岩石力学模型的建立


岩石力学性质：岩心试验、测井、井筒垮塌分析
上覆岩层压力Sv：密度测井积分 孔隙压力Pp：实测（RFT、DST、PWD)、常规测井、地震速度 最小主应力SHmin：破裂压力试验、泥浆漏失等 最大主应力SHmax：分析井筒垮塌、偶极子声波、构造运动分析 地应力方向：4臂或6臂井径测井、成像测井 失稳准则的选取：摩尔库伦、八面体剪应力等
地质力学建模
地层压力三维分布图
地应力数据库
井震联合预测
地层裂缝
三压力剖面
二、岩石力学研究的系统性问题
油藏开发专业领域：中等尺度、弹性理论为主、考虑时效性和高温高应力；研究地应 力变化、渗透的应力敏感性与开发制度的关系及井网、天然裂缝网、水力压裂裂缝间 的匹配；解决井型、井网、开发制度中的油藏地质力学的影响，从开发压裂角度提高 储层改造的有效性。
岩石力学参数与声波速度的关系
岩石力学性质-井筒岩石参数求取
岩石力学参数与声波速度的关系
岩石外载
• 地应力：一般在深度H处和岩体 所受到的地应力可用三个主地应 力来表示，一个为垂直向主地应
力；另二个为相互垂直的二个水
平主地应力。大多数情况下三个 主地应力值是不相等的。
三个主应力的方向 三个主应力的大小 孔隙压力
岩石力学模型的建立
岩石力学模型的建立
1、优化安全钻井液密度窗口&井身结构
岩石力学模型的建立
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。
地质区域构造
开发区块
钻完井
二、岩石力学研究的系统性问题
岩性：面对的是复杂岩性组合体，有界面，有复杂的力学化学、流体固体多场耦合 问题；长期以来国内外都是从各自专业领域研究各自打交道的岩性地层，例如：钻 井研究泥岩和盐膏岩、开发和压裂研究储层砂岩等。
迪那1
砾岩
迪那2
克拉2
盐膏岩
迪北
砂岩
二、岩石力学研究的系统性问题
时效：岩石在油田的不同阶段，岩石与工程发生交互作用，其自身各类物
岩石力学性质-抗压强度
单轴抗压强度 三轴抗压强度
压应力
围 压
常规三轴试验
真三轴试验
岩石力学性质-抗压强度
岩石受力变形至破坏可分为三个阶段：
裂隙压密阶段，曲线斜率随应力增加而 增大；
弹性变形阶段，应力与应变之间呈线性
关系； 塑性变形、裂隙扩展阶段，岩石变形不 再恢复，裂隙扩展，直至岩石破坏。
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。
盐膏层井眼缩径
套管挤毁
二、岩石力学研究的系统性问题
高温高应力：超深层岩石温度高、地应力大，岩石的变形、断裂、破坏、 渗透的应力敏感性、组合岩性地层裂缝扩展与有效性等基本问题是一个全
新研究领域，目前国内受试验装备制约还没有开展。
二、岩石力学研究的系统性问题
地质物探专业领域：大尺度、准静载的线性弹性理论，研究区域地应力、 岩石力学特征为基础，预测天然裂缝、三个压力等。
0.1～0.3 0.1～0.25 0.1～0.3 0.2～0.3 0.1～0.3 01～0.35 0.2～0.3
页 岩 石灰岩 白云岩 板岩 片岩 片麻岩 石英岩
0.2～0.4 0.2～0.35 0.15～0.35 0.2～0.3 0.2～0.4 0.1～0.35 0.08～0.25
岩石力学性质-抗拉强度
模拟最大水平主应力
岩石外载-水平应力方位
地应力方位由井壁应力垮塌和钻井诱导张性缝确定。
全部垮塌
应力性垮塌
岩石的强度破坏准则-摩尔库伦准则
• • • 若已知岩石的应力状态，如何判断岩石是否会发生破坏？ 单向拉伸或单向压缩力作用下用抗拉强度准则或抗压强度准则。 一般三向应力作用下岩石的破坏为剪切破坏，用摩尔—库仑准则。
测量声波传播速度：声波时差测井、偶极横波测井 测量声波能量：井周声波成像测井、变密度测井
测量井下自然噪声：噪声测井
核测井：以研究岩石及其孔隙流体的某种核物理性质为基础。 伽玛测井：研究伽玛辐射为基础—自然伽玛测 井、自然伽玛能谱测井、 地层密度测井
岩石力学性质-井筒岩石参数求取
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。
(after Gaarenstroom et al., 1993)
岩石外载-安德森断层理论
岩石外载-水平最大主应力
垮塌宽度
N
井壁垮塌是地应力与井壁岩石相互作用的结果； 已知井筒破损情况和岩石强度，就可反演模拟
成像资料
W E
出当今最大水平主应力大小。
S
井径曲线
井壁垮塌宽度 岩石强度 （测井曲线计算）
小直径的钢条，然后施加压力至试件沿直径方
向劈裂为止。 若假设材料为均匀、各向同性的弹性体，用弹 性理论即可得出抗压强度为：
σt=2P/πd L
ｄ为试件直径，L为试件厚度，P为破坏载荷。
直接法和间接方法测量岩石抗拉强度
岩石力学性质-抗拉强度
常见岩石的抗拉强度
岩石力学性质-井筒岩石参数求取
声波测井：以研究岩石及其孔隙流体的某种声学性质为基础。根据所研究岩 石的声学性质，可分为三类：
1
有效应力(MPa)
岩石的强度破坏准则-摩尔库伦准则
摩尔（Mohr）继续库伦的早期研究工作，提出材 料的破坏是剪切破坏的理论，认为在破裂面上， 法向应力与抗剪强度之间存在着函数关系，即：
f( n )

极限平衡条件下两个主应力之间的关系：
1 3tan2 45 2 C tan 45 2 2
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。

库仑准则：
当剪切破坏面上所受的剪切力大于岩石本身的的粘聚强度与内摩擦力之和时， 岩石将发生剪切破坏：
1 n 3
>C + ·n
式中：=tan(45°- /2) －内摩擦系数 C－粘聚力 －内摩擦角

3
剪切应力（MPa）
14 12 10 8 6 4 2 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45
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
壳牌，Hame Soroush： 80年代进入石油工业， 因在降低非生产时间和 提高产量方面的实用性 和有效性，获得国际石 油公司的认可。已经证 明，其可为那些在以前 看来不可能实现的苛刻 环境下钻井和提高产量 提供机会。
一、岩石力学在石油工程中的作用
近年来国际上储层地质力学的发展经历了三个阶段
一、岩石力学在石油工程中的作用
地层出砂
一、岩石力学Fra Baidu bibliotek石油工程中的作用
地质勘探
井位研究
钻完改造
气藏开发
一、岩石力学在石油工程中的作用
复杂条件下的钻、改、采等工程设计和优化中缺少一个定量环节
地质认识
+
地质力学
=
工程参数
？
走向、倾向、倾角…
压力、分级、排量…
将地质语言翻译为工程中可执行的定量数据，从源头为工程着想
一、岩石力学在石油工程中的作用
岩石力学及其在石油工程中的应用
卢运虎
提纲
一、岩石力学在石油工程中的作用
二、岩石力学研究的系统性问题 三、岩石力学在石油工程中的应用
一、岩石力学在石油工程中的作用
井身结 构设计 井壁稳定性：钻井
安全（钻井复杂及事 故）
钻头优选与 设计
地表沉降 断层是否稳定及 封堵性能 压裂效果 套损
地层完整性评价 裂缝渗透性能
• • • 岩石的抗拉强度：试件在单轴拉伸条件下达到破坏时的极限应力。 可采用直接或间接方法来测定岩石的抗拉强度。 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。 巴西实验法：将岩石试件切割成圆柱体，沿圆 柱体直径方向施加均布载荷，即将试件横置于 压力机压头上，在试件上下承压板上各放置一
岩石外载-上覆岩层压力
常见岩石的密度
岩石名称
密度 (g／cm3)
岩石名称
密度(g／cm3)
花 岗 岩
2.52～2.81
石 灰 岩
2.37～2.75
闪 长 岩
2.67～2.96
白 云 岩
2.75～2.80
辉 长 岩
2.85～3.12
片 麻 岩
2.59～3.06
辉 绿 岩
2.80～3.11
片
岩
2.70～2.90