西南石油學(xué)院油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室井壁穩(wěn)定性研究教師：范翔宇博士后/副教授西南石油學(xué)院石油工程學(xué)院2009/11/24西南石油學(xué)院油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室第一章概論第二章井壁穩(wěn)定性研究的基本原理第三章地應(yīng)力及其測(cè)量技術(shù)第四章巖石強(qiáng)度第五章巖石彈性模量第六章鉆井地質(zhì)環(huán)境內(nèi)容西南石油學(xué)院油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室第一章概論井壁穩(wěn)定研究的意義井壁失穩(wěn)的表現(xiàn)形式影響井壁穩(wěn)定的基本因素井壁穩(wěn)定的研究現(xiàn)狀井壁穩(wěn)定研究的主要內(nèi)容西南石油學(xué)院油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室一、井壁穩(wěn)定研究的意義1、提高鉆井成功率2、確保井眼按設(shè)計(jì)要求，按時(shí)、保質(zhì)地完成鉆穿和鉆達(dá)設(shè)計(jì)要求的所有目的層，鉆達(dá)到設(shè)計(jì)井深和層位按時(shí)完成鉆井完井任務(wù)井身質(zhì)量好，滿足各種測(cè)試要求鉆井成本合理3、有助于取全、取準(zhǔn)所要求的各種資料；4、減小和防止油層損害，以利于發(fā)現(xiàn)和評(píng)價(jià)油氣層5、優(yōu)化完井方案（完井方式、射孔方案）西南石油學(xué)院油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室二、井壁失穩(wěn)的表現(xiàn)形式泥巖水化膨脹鹽巖蠕變剪切破壞張性破裂

井眼周圍巖石所受載荷不平衡引起西南石油學(xué)院油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室形成張性裂縫形成井眼垮塌二、井壁失穩(wěn)的表現(xiàn)形式西南石油學(xué)院油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室三、影響井壁穩(wěn)定的基本因素西南石油學(xué)院油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室四、井壁穩(wěn)定的研究現(xiàn)狀合理鉆井液密度西南石油學(xué)院油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室五、井壁穩(wěn)定研究的主要內(nèi)容西南石油學(xué)院油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室第二章井壁穩(wěn)定性原理基本概念鉆井地質(zhì)及力學(xué)環(huán)境井壁穩(wěn)定研究一般思路

原地應(yīng)力有效應(yīng)力力學(xué)本構(gòu)方程井周應(yīng)力分布主應(yīng)力井壁穩(wěn)定性判別模型“安全”泥漿密度范圍井壁穩(wěn)定性分析的參數(shù)獲取井壁穩(wěn)定性分析軟件介紹西南石油學(xué)院油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室井眼周圍地層的受力狀態(tài)井眼周圍地層能夠承受的力井壁穩(wěn)定強(qiáng)度判別準(zhǔn)則原地應(yīng)力狀態(tài)力學(xué)本構(gòu)方程巖石的強(qiáng)度一、基本概念井壁穩(wěn)定一般思路西南石油學(xué)院油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室原地應(yīng)力力學(xué)本構(gòu)關(guān)系井周有效應(yīng)力強(qiáng)度判別準(zhǔn)則巖石強(qiáng)度孔隙壓力合理泥漿密度上、下限地層坍塌應(yīng)力、破裂應(yīng)力孔隙壓力一、基本概念井壁穩(wěn)定一般思路西南石油學(xué)院油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室一、基本概念原地應(yīng)力：地層鉆開(kāi)前，已經(jīng)存在于巖層中的地應(yīng)力。通常用垂向應(yīng)力（

v）和水平方向兩個(gè)主應(yīng)力（

H1、

H2）描述。1

v

H1v2

H2西南石油學(xué)院油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室有效應(yīng)力：地層礦物顆粒對(duì)顆粒的作用力。在多孔的連續(xù)介質(zhì)中，有效應(yīng)力和孔隙壓力一起，支撐著外部總的應(yīng)力（

），即有效壓力等于總應(yīng)力與孔隙壓力之差。地層巖石受力示意圖Pp

e

一、基本概念西南石油學(xué)院油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室孔隙壓力一、基本概念有效應(yīng)力西南石油學(xué)院油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室二、力學(xué)本構(gòu)方程力的平衡方程幾何方程應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系西南石油學(xué)院油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室柱坐標(biāo)系下，力的平衡方程

r：徑向應(yīng)力

：周向應(yīng)力

r

：剪切應(yīng)力二、力學(xué)本構(gòu)方程西南石油學(xué)院油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室柱坐標(biāo)系下，幾何方程二、力學(xué)本構(gòu)方程西南石油學(xué)院油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室應(yīng)力

應(yīng)變關(guān)系二、力學(xué)本構(gòu)方程西南石油學(xué)院油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室三、井周應(yīng)力分布假設(shè)：地層均質(zhì)、各向同性和線－彈性遠(yuǎn)場(chǎng)孔隙壓力恒定西南石油學(xué)院油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室井眼圍巖應(yīng)力分布三、井周應(yīng)力分布西南石油學(xué)院油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室三、井周應(yīng)力分布西南石油學(xué)院油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室當(dāng)r=rw時(shí)，得到井壁應(yīng)力：其中：rw

：井半徑

Pwf

：泥漿柱壓力

r：徑向距離三、井周應(yīng)力分布西南石油學(xué)院油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室原地應(yīng)力坐標(biāo)變換

y

yx

x

zx

zz

yz

xzyxz

xy

zyv

v

H112

H2

α：井斜角；β：井斜方位與水平最大主應(yīng)力方位之間的夾角，即沿水平最大主應(yīng)力方向鉆井時(shí)，β=0

;沿水平最小主應(yīng)力方向鉆井時(shí)，β=90

。三、井周應(yīng)力分布西南石油學(xué)院油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室三、井周應(yīng)力分布西南石油學(xué)院油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室四、井壁主應(yīng)力在過(guò)任一點(diǎn)所作任意方向的單元面積上都有正應(yīng)力和剪應(yīng)力。如果在某一方向剪應(yīng)力為零，則此方向稱為主方向，而這時(shí)在該面上的正應(yīng)力稱為主應(yīng)力。

y

yx

x

zx

zz

yz

xzyxz

xy

zyv

v

H112

H2

西南石油學(xué)院油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室四、井壁主應(yīng)力西南石油學(xué)院油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在r=rw處三個(gè)主應(yīng)力分量為：四、井壁主應(yīng)力西南石油學(xué)院油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室五、井壁穩(wěn)定性判別模型Mohr-coulomb準(zhǔn)則Druck-Prager準(zhǔn)則非線性Pariseau準(zhǔn)則Hoek－Brown準(zhǔn)則西南石油學(xué)院油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室Mohr-coulomb準(zhǔn)則--剪切破壞判別準(zhǔn)則其中，c、

分別為內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角，Co為巖石的單軸抗壓強(qiáng)度。

坍塌壓力極限（P坍）:保證井壁不發(fā)生剪切變形的鉆井液柱壓力極限。西南石油學(xué)院油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室令則井壁穩(wěn)定性系數(shù)：[

c]為巖石允許承載的能力，[

1]為巖石實(shí)際承受載荷。當(dāng)K>1時(shí)，井眼發(fā)生塑性變形；當(dāng)K＝1時(shí)，巖石處于極限平衡態(tài);當(dāng)K

1時(shí)，井壁穩(wěn)定。Mohr-coulomb準(zhǔn)則--剪切破壞判別準(zhǔn)則西南石油學(xué)院油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室由井壁3個(gè)主應(yīng)力分量的有效應(yīng)力表達(dá)式，可以得到以下3種可能的關(guān)系：對(duì)應(yīng)的Mohr-Coulomb表達(dá)式：西南石油學(xué)院油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室最大拉應(yīng)力理論----張性破壞判別準(zhǔn)則

張性破裂壓力（P破）:保證井壁不發(fā)生張性破裂的泥漿柱壓力極限

為巖石抗拉強(qiáng)度;

Min:井壁最大拉應(yīng)力.西南石油學(xué)院油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室六、鉆井合理泥漿密度的確定1、裸眼井段的三個(gè)壓力剖面P破——地層破裂壓力P地——地層壓力P坍——地層坍塌壓力西南石油學(xué)院油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室七、井壁穩(wěn)定性分析的參數(shù)獲取地應(yīng)力及其測(cè)量技術(shù)巖石機(jī)械強(qiáng)度及其測(cè)量技術(shù)一、地應(yīng)力二、地應(yīng)力確定方法三、地應(yīng)力方向確定四、地應(yīng)力大小確定五、孔隙壓力預(yù)測(cè)方法第三章地應(yīng)力及其測(cè)量技術(shù)一、地應(yīng)力

垂向應(yīng)力（

v）水平方向兩個(gè)主應(yīng)力（

H1、

H2）地層孔隙壓力（PP）原地應(yīng)力：存在于地殼巖體中的內(nèi)應(yīng)力。由地殼內(nèi)部垂直運(yùn)動(dòng)和水平運(yùn)動(dòng)的力及其它因素的力(重力應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)力、孔隙壓力、熱應(yīng)力等)引起的介質(zhì)內(nèi)部單位面積上的作用力。西南石油學(xué)院油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室二、地應(yīng)力的確定方法地應(yīng)力確定方法非彈性應(yīng)變恢復(fù)古地磁差應(yīng)變凱塞效應(yīng)波速各向異性巖芯鉆孔誘導(dǎo)縫井壁崩落法井璧誘導(dǎo)縫微壓裂地質(zhì)資料分析巖芯測(cè)試技術(shù)測(cè)井資料分析技術(shù)井點(diǎn)地應(yīng)力狀態(tài):主應(yīng)力方向和大小地應(yīng)力方向及大小西南石油學(xué)院油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室地應(yīng)力大小及方向研究方法對(duì)比室內(nèi)巖心分析方法需要定向取心，難度大，具有隨機(jī)性，成本高。井下測(cè)井資料連續(xù)、成本相對(duì)較低，因此，常用。尤其是利用成像測(cè)井資料來(lái)研究原地應(yīng)力方向的方法更得到廣泛應(yīng)用。二、地應(yīng)力的確定方法西南石油學(xué)院油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室三、地應(yīng)力方向確定

利用井下測(cè)井資料利用巖心實(shí)驗(yàn)分析西南石油學(xué)院油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室利用井下測(cè)井資料開(kāi)展地應(yīng)力研究-理論基礎(chǔ)井壁巖石發(fā)生垮塌/崩落、破裂的方向與原地應(yīng)力延伸方向密切相關(guān)；井壁巖石發(fā)生垮塌/崩落、破裂的程度則與原地應(yīng)力大小以及巖石的強(qiáng)度密切相關(guān)。

因此，根據(jù)井下測(cè)井資料所反映出來(lái)的巖石的垮塌/崩落和破裂特征可以就地應(yīng)力的方向開(kāi)展研究。三、地應(yīng)力方向確定西南石油學(xué)院油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室三、地應(yīng)力方向確定溶蝕型橢圓井眼：常常發(fā)生在膏鹽地層，因巖鹽，石膏等巖層被鉆井液溶蝕而形成，其形狀基本為圓形；沖蝕型橢圓井眼：常發(fā)生于泥頁(yè)巖等軟巖層，這類地層受到鉆井液浸泡，體積將發(fā)生膨脹，導(dǎo)致坍塌。由于巖石本身結(jié)構(gòu)的各向異性，這種垮塌通常形成橢圓形井眼；鍵槽變形井眼：鉆具偏心磨損井壁形成，多發(fā)生于井斜較大且?guī)r石強(qiáng)度較低的地層段。非對(duì)稱的橢圓井眼；應(yīng)力型橢園井眼：由水平主應(yīng)力不平衡性造成井壁在最小主應(yīng)力方向上剪切掉塊或井壁崩落。對(duì)稱的橢圓井眼，其長(zhǎng)軸方向指示最小主應(yīng)力方向。利用井下測(cè)井資料開(kāi)展地應(yīng)力研究-井壁應(yīng)力崩落/垮塌類型井壁崩落三、地應(yīng)力方向確定利用井下測(cè)井資料開(kāi)展地應(yīng)力研究-井壁應(yīng)力崩落/垮塌-成像資料西南石油學(xué)院油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室三、地應(yīng)力方向確定利用井下測(cè)井資料開(kāi)展地應(yīng)力研究-井壁應(yīng)力崩落/垮塌-雙井徑資料溶蝕型橢圓井眼：形狀基本為圓形，雙井徑曲線均大于鉆頭直徑；沖蝕型橢圓井眼：橢圓形井眼，在雙井徑曲線上表現(xiàn)為井徑不等，且都大于鉆頭直徑。這種橢園井眼的長(zhǎng)軸方位一般變化大。規(guī)則井眼形狀及雙井徑曲線特征

沖(溶)蝕型橢圓井眼及雙井徑曲線特征

西南石油學(xué)院油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室鍵槽變形井眼：非對(duì)稱的橢圓井眼，在雙井徑曲線上常表現(xiàn)為一條井徑大于鉆頭直徑，一條井徑小于鉆頭直徑；

鍵槽變形井眼形狀及雙井徑曲線特征應(yīng)力型橢園井眼形狀及雙井徑曲線特征

三、地應(yīng)力方向確定利用井下測(cè)井資料開(kāi)展地應(yīng)力研究-井壁應(yīng)力崩落/垮塌-雙井徑資料應(yīng)力型橢園井眼：對(duì)稱的橢圓井眼，其長(zhǎng)軸方向指示最小主應(yīng)力方向，雙井徑曲線一條大于鉆頭直徑，一條近似等于鉆頭直徑。西南石油學(xué)院油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室三、地應(yīng)力方向確定利用井下測(cè)井資料開(kāi)展地應(yīng)力研究-井壁應(yīng)力崩落/垮塌-雙井徑資料西南石油學(xué)院油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室三、地應(yīng)力方向確定-鉆井誘發(fā)裂縫鉆井過(guò)程中誘發(fā)裂縫：鉆具震動(dòng)裂縫熱差誘導(dǎo)縫重泥漿壓裂縫應(yīng)力釋放縫

熱差誘導(dǎo)縫是因?yàn)殂@井液溫度低于地層溫度，使地層因收縮而產(chǎn)生的細(xì)微裂隙和裂紋。

鉆具震動(dòng)裂縫寬度十分微小，且徑向延伸很短，在FMI圖像上有高電導(dǎo)異常，但在方位電阻率成像（ARI）圖像上卻沒(méi)有顯示；西南石油學(xué)院油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室三、地應(yīng)力方向確定-鉆井誘發(fā)裂縫應(yīng)力釋放縫：現(xiàn)今地應(yīng)力相對(duì)集中的致密巖層段，當(dāng)?shù)貙颖汇@穿，隨著應(yīng)力釋放而產(chǎn)生的，其特征是一組接近平行的高角度裂縫；0102030405060708090010203040Dip(Degrees)Frequency(percent)誘導(dǎo)裂縫傾角大小分布0102030405060708090010203040Dip(Degrees)Frequency(percent)誘導(dǎo)裂縫傾角大小分布0102030405060708090010203040Dip(Degrees)Frequency(percent)誘導(dǎo)裂縫傾角大小分布

重泥漿壓裂縫：由鉆井液密度過(guò)大造成。當(dāng)垂向應(yīng)力為原地最大主應(yīng)力或原地中間主應(yīng)力時(shí)，重泥漿壓裂縫一般以高角度張性縫為主，且張開(kāi)度和延伸都可能很大。西南石油學(xué)院油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室鉆井誘導(dǎo)縫（壓裂縫和應(yīng)力釋放裂縫）往往呈180°對(duì)稱出現(xiàn)在兩個(gè)極板上，而天然裂縫通常單個(gè)出現(xiàn)，或者成對(duì)出現(xiàn)，但不對(duì)稱。對(duì)直井，通常誘導(dǎo)縫方位與現(xiàn)今最大水平主應(yīng)力方位一致。斜切井眼的天然裂縫則切井眼而過(guò)，在圖像上一般為完整的正弦線。三、地應(yīng)力方向確定利用井下測(cè)井資料開(kāi)展地應(yīng)力研究-鉆井誘發(fā)裂縫西南石油學(xué)院油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室天然裂縫在各種成像圖上的顯示特征該井段的壓裂縫呈180°對(duì)稱分布，呈現(xiàn)出明顯的鉆井誘導(dǎo)裂縫特征。西南石油學(xué)院油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室三、地應(yīng)力方向確定重泥漿壓裂縫利用井下測(cè)井資料開(kāi)展地應(yīng)力研究-鉆井誘發(fā)裂縫西南石油學(xué)院油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室三、地應(yīng)力方向確定室內(nèi)巖心分析方法-橫波各向異性13SVSH入射橫波反射橫波法線在鉆孔取心過(guò)程中，巖心發(fā)生應(yīng)力卸載，巖心上將出現(xiàn)與卸載程度成比例的微裂隙，在最大水平主應(yīng)力方向上卸載程度最大，這使沿原最大水平主應(yīng)力方向有最小波速，原最小水平應(yīng)力方向有最大波速。但該方法受到巖石各向異性的干擾。四、地應(yīng)力大小確定

原地應(yīng)力的直接測(cè)量方法小型水力壓裂法巖石聲發(fā)射測(cè)量法井眼漏失測(cè)試法利用井下測(cè)井資料優(yōu)點(diǎn)：精度較高缺點(diǎn)：不能得到連續(xù)的地應(yīng)力剖面

崩落法壓裂法成像測(cè)井法優(yōu)點(diǎn)：能連續(xù)計(jì)算地應(yīng)力的大小可同時(shí)得到地應(yīng)力的大小和方向缺點(diǎn)：間接結(jié)果，需實(shí)際測(cè)量資料的刻度。西南石油學(xué)院油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室四、地應(yīng)力大小確定聲發(fā)射：材料在受外載荷作用時(shí)，其內(nèi)部?jī)?chǔ)存的應(yīng)變能快速釋放產(chǎn)生彈性波，發(fā)出聲響。原地應(yīng)力的直接測(cè)量方法-巖石聲發(fā)射測(cè)量法凱塞效應(yīng)：1950年德國(guó)人凱塞發(fā)現(xiàn)多晶金屬的應(yīng)力從其歷史最高水平釋放后，再重新加載，當(dāng)應(yīng)力未達(dá)到先前最大應(yīng)力值時(shí)，很少有聲發(fā)射發(fā)生，而當(dāng)應(yīng)力達(dá)到和超過(guò)歷史最高水平后，則大量發(fā)生聲發(fā)射的現(xiàn)象。凱塞點(diǎn)：從很少產(chǎn)生聲發(fā)射到大量產(chǎn)生聲發(fā)射的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力即為材料先前受到的最大應(yīng)力。四、地應(yīng)力大小確定

根據(jù)巖石的地質(zhì)組成和構(gòu)造特點(diǎn)，按其凱塞效應(yīng)特征將其分為四種類型：I型(群發(fā)型)：以侵入的、礦物結(jié)晶良好、中粗粒的結(jié)晶巖為主，以花崗巖為代表。組成這類巖石的礦物強(qiáng)度較高。II型(集發(fā)型)：以淺層侵入及噴發(fā)巖為主，礦物結(jié)晶差異性大的玢巖為代表。III型(突發(fā)型)：以噴發(fā)巖為主，隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，以致密玄武巖為代表。IV型(散發(fā)型)：以沉積成因?yàn)橹鞯纳皫r、礫巖等中等強(qiáng)度巖石為代表。

由于聲發(fā)射與彈性波傳播有關(guān)，高強(qiáng)度的脆性巖石有較為明顯的聲發(fā)射凱塞效應(yīng)出現(xiàn)，而多孔隙低強(qiáng)度及塑性巖體的凱塞效應(yīng)不明顯，所以不宜用聲發(fā)射法測(cè)定比較軟弱疏松巖石的應(yīng)力。Zoback推導(dǎo)得到的應(yīng)力與井壁崩落關(guān)系式為：

Sy=2[(a1+a2)(τi-fΔp)-(c1+c2)(τi-eΔp)]/[(d1+d2)(a1+a2)-(b1+b2)(c1+c2)]Sx=2[(d1+d2)(τi-eΔp)-(b1+b2)(τi-fΔp)]/[(d1+d2)(a1+a2)-(b1+b2)(c1+c2)]四、地應(yīng)力大小確定利用井下測(cè)井資料-井壁崩落法Matthews&Kelly模型Ki為骨架應(yīng)力系數(shù)，Pp為地層孔隙壓力

Eaton模型

Anderson模型

Newberry模型四、地應(yīng)力大小確定利用測(cè)井資料連續(xù)估算最小水平地應(yīng)力

：應(yīng)力不平衡系數(shù)

a、b：橢圓井眼長(zhǎng)、短半軸sH2、sH1

：水平最小、大主應(yīng)力E、Ema:地層及其骨架的揚(yáng)氏模量K：系數(shù)利用井下測(cè)井資料-根據(jù)雙井徑測(cè)量值推導(dǎo)原地最大水平主應(yīng)力四、地應(yīng)力大小確定四、地應(yīng)力大小確定崩落模型壓裂模型約束條件成像、常規(guī)測(cè)井資料泥漿、孔隙壓力資料計(jì)算水平地應(yīng)力Sx、Sy求解井下原地應(yīng)力S

、Sz多參數(shù)約束的方法五、孔隙壓力預(yù)測(cè)方法西南石油學(xué)院油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室五、孔隙壓力預(yù)測(cè)方法電阻率測(cè)井資料聲波時(shí)差測(cè)井資料地層密度測(cè)井資料中子孔隙度測(cè)井資料自然伽馬測(cè)井資料自然伽馬能譜自然電位測(cè)井資料地層溫度測(cè)井資料重復(fù)電纜地層測(cè)試資料測(cè)井預(yù)測(cè)法西南石油學(xué)院油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室五、孔隙壓力預(yù)測(cè)方法(1)隨著深度的增加，孔隙度按指數(shù)規(guī)律衰減(2)隨著深度的增加，放射性強(qiáng)度增加(3)隨著深度的增加，地層水礦化度按指數(shù)規(guī)律增加(4)隨著深度的增加，地溫按線性規(guī)律增加測(cè)井預(yù)測(cè)法-依據(jù)西南石油學(xué)院油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室五、孔隙壓力預(yù)測(cè)方法1－儲(chǔ)層中的異常高壓地層；2－頁(yè)巖；3－灰?guī)r；4－砂巖；5－頁(yè)巖中的異常高壓和異常低壓地層

測(cè)井預(yù)測(cè)法-依據(jù)西南石油學(xué)院油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室五、孔隙壓力預(yù)測(cè)方法等效深度法估計(jì)地層孔隙壓力西南石油學(xué)院油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室五、孔隙壓力預(yù)測(cè)方法等效深度法估計(jì)地層孔隙壓力第四章巖石強(qiáng)度、應(yīng)力與應(yīng)變一、基本概念二、巖石強(qiáng)度及實(shí)驗(yàn)室測(cè)試方法三、巖石強(qiáng)度參數(shù)的礦場(chǎng)獲取方法四、巖石弱膠結(jié)結(jié)構(gòu)面對(duì)巖石強(qiáng)度的影響五、影響巖石力學(xué)性質(zhì)的因素西南石油學(xué)院油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室TensionCompressionShear巖石的受力和破壞形式一、基本概念西南石油學(xué)院油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室一、基本概念巖石強(qiáng)度巖石強(qiáng)度：指巖石試件在載荷作用下開(kāi)始破壞時(shí)的最大應(yīng)力（強(qiáng)度極限）以及應(yīng)力和破壞之間的關(guān)系，它反映了巖石承受各種載荷的特性，以及巖石抵抗破壞的能力和破壞的規(guī)律。巖石強(qiáng)度參數(shù)：巖石抗壓強(qiáng)度巖石抗張強(qiáng)度巖石抗剪強(qiáng)度西南石油學(xué)院油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室二、巖石強(qiáng)度及實(shí)驗(yàn)室測(cè)試方法巖石強(qiáng)度參數(shù)：巖石抗壓強(qiáng)度巖石抗張強(qiáng)度巖石抗剪強(qiáng)度（一）抗壓強(qiáng)度巖石的抗壓強(qiáng)度：指巖石在單軸壓力作用下達(dá)到破壞的極限強(qiáng)度，在數(shù)值上等于破壞時(shí)的最大壓應(yīng)力。根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件不同分為單軸、三軸（真三軸和假三軸）抗壓強(qiáng)度。巖石的單軸抗壓強(qiáng)度一般是在壓力機(jī)上進(jìn)行，即將巖石樣品(一般是圓柱體)置于壓力機(jī)承壓板之間軸向加荷，在巖樣破壞時(shí)的應(yīng)力值就是樣品的抗壓強(qiáng)度。巖石單軸抗壓實(shí)驗(yàn)基本概念及測(cè)試方法巖石的抗拉強(qiáng)度：指巖石在單軸拉力作用下達(dá)到破壞的極限強(qiáng)度，在數(shù)值上等于破壞時(shí)的最大拉應(yīng)力。實(shí)驗(yàn)室對(duì)巖石抗拉強(qiáng)度的獲取比抗壓強(qiáng)度的獲取困難得多，分為直接法和間接法兩種。直接法：是將巖石試樣兩端直接用夾子固定于拉力機(jī)上，然后對(duì)試件施加軸向拉力至巖石破壞。

（二）抗拉強(qiáng)度直接法測(cè)巖石抗拉強(qiáng)度基本概念及測(cè)試方法間接法：實(shí)驗(yàn)室常采用劈裂法（俗稱巴西法）測(cè)定巖石抗拉強(qiáng)度，一般采用圓柱體及立方體試件。

基本概念及測(cè)試方法（二）抗拉強(qiáng)度沿著圓柱體直徑方向施加集中載荷，試件受力后會(huì)沿著受力的直徑方向裂開(kāi)。根據(jù)彈性力學(xué)理論，沿著施加集中力P的直徑方向產(chǎn)生近似均勻分布的水平拉應(yīng)力σx；在水平方向直徑平面內(nèi)產(chǎn)生非均勻分布的豎向壓應(yīng)力，其在試件中軸線上的最大壓應(yīng)力為σy。

巖石劈裂試驗(yàn)示意圖（二）抗拉強(qiáng)度基本概念及測(cè)試方法圓柱狀試件的壓應(yīng)力σy為拉應(yīng)力σx的3倍，但巖石抗壓強(qiáng)度常常為抗拉強(qiáng)度的10倍，所以，在這種試驗(yàn)條件下試件總是表現(xiàn)為受拉破壞，因此，可以采用劈裂法試驗(yàn)結(jié)果求解巖石抗拉強(qiáng)度。此時(shí)，只需用試件破壞時(shí)的最大壓力Pmax代替式中P即可得到巖石的抗拉強(qiáng)度(σt)，即：如果試件為立方體試件，則巖石抗拉強(qiáng)度(σt)為：基本概念及測(cè)試方法（二）抗拉強(qiáng)度采用劈裂法試驗(yàn)得到的巖石抗拉強(qiáng)度與直接拉伸試驗(yàn)求得的巖石的抗拉強(qiáng)度有一定的差別。西南石油學(xué)院油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基本概念及測(cè)試方法（二）抗拉強(qiáng)度（三）抗剪強(qiáng)度巖石抗剪強(qiáng)度：是巖石抵抗剪切破壞(滑動(dòng))的能力，是巖石力學(xué)需要研究的最重要的特性之一，往往比抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度更有意義。巖石抗剪強(qiáng)度可用內(nèi)聚力（C）和內(nèi)摩擦角（φ）表示。內(nèi)聚力在宏觀上表現(xiàn)為沒(méi)有正應(yīng)力作用的剪切面上的抗剪強(qiáng)度，即該剪切面上不存在因內(nèi)摩擦力而造成的抗剪強(qiáng)度。不同巖石的內(nèi)聚力大小差別極大?；靖拍罴皽y(cè)試方法內(nèi)摩擦角：巖石破壞時(shí)極限平衡剪切面上的正應(yīng)力（σn）和內(nèi)摩擦力（F）形成的合力（R），與該正應(yīng)力之間形成的夾角。內(nèi)摩擦角反映了該種巖石內(nèi)摩擦力的大小。內(nèi)摩擦角越大，內(nèi)摩擦力越大。一般堅(jiān)硬巖石的內(nèi)摩擦角比軟巖石大。巖石內(nèi)摩擦角示意圖（三）抗剪強(qiáng)度基本概念及測(cè)試方法巖石名稱內(nèi)聚力(MPa)內(nèi)摩擦角φ（°）花崗巖玄武巖石灰?guī)r砂巖頁(yè)巖14～5020～6010～508～403～3045～6050～5535～5035～5020～35表3.1

幾種常見(jiàn)巖石的內(nèi)摩擦角、內(nèi)聚力參考值（三）抗剪強(qiáng)度基本概念及測(cè)試方法巖石抗剪強(qiáng)度常采用直接剪切試驗(yàn)和三軸壓縮試驗(yàn)測(cè)定。室內(nèi)巖石直接剪切試驗(yàn)是在直接剪切儀上進(jìn)行的。直接剪切試驗(yàn)儀器主要由上、下兩個(gè)剛性匣子組成，對(duì)測(cè)定巖石本身抗剪強(qiáng)度的試件，沒(méi)有明確規(guī)定尺寸，并規(guī)定結(jié)構(gòu)面上下巖石的厚度分別約為斷面尺寸的1/2左右。將制備好的巖樣放入剪切儀的上、下匣之間，逐漸加大作用力，直至巖石發(fā)生剪切破壞。試驗(yàn)中，一般是上匣固定不動(dòng)，下匣可以水平移動(dòng)，上下匣的錯(cuò)動(dòng)面就是巖石的剪切面。（三）抗剪強(qiáng)度基本概念及測(cè)試方法-直接剪切試驗(yàn)巖石抗剪強(qiáng)度是在垂直壓力N作用下，并且在水平方向施加剪切力T，直到巖石被剪斷為止。試驗(yàn)時(shí)，先在試樣上施加垂直載荷N，然后在水平方向逐漸施加水平剪切力T，直到達(dá)到最大值Tmax。剪切面上的正應(yīng)力（σn）和剪應(yīng)力τ分別為：其中，A—試件剪切面積（m2）。（三）抗剪強(qiáng)度基本概念及測(cè)試方法-直接剪切試驗(yàn)抗剪強(qiáng)度τf和正應(yīng)力σ關(guān)系曲線（三）抗剪強(qiáng)度巖石的抗剪強(qiáng)度隨作用在破壞面上的正應(yīng)力大小而變化，一般，巖石在低應(yīng)力作用下的抗剪強(qiáng)度較小，而受高應(yīng)力作用時(shí)抗剪強(qiáng)度較大。用相同的試件、不同的正應(yīng)力(σn1、σn2、σn3…)進(jìn)行多次試驗(yàn)，可得到對(duì)應(yīng)于不同正應(yīng)力的巖石的抗剪強(qiáng)度(τf1、τf2、τf3…)，進(jìn)而可繪制出—關(guān)系曲線?；靖拍罴皽y(cè)試方法-直接剪切試驗(yàn)試驗(yàn)證明，抗剪強(qiáng)度與正應(yīng)力之間在正應(yīng)力不大時(shí)(σn<10MPa)可近似看作直線，其方程式為：

即庫(kù)倫方程式。根據(jù)直線在τf軸上的截距可求得巖石的內(nèi)聚力C，根據(jù)該線與水平方向的夾角，可以確定巖石的內(nèi)摩擦角φ。（三）抗剪強(qiáng)度基本概念及測(cè)試方法-直接剪切試驗(yàn)三軸壓縮試驗(yàn)采用三軸壓力儀進(jìn)行；實(shí)驗(yàn)方法：對(duì)試件施加不同的側(cè)向壓力σ3，可以得到不同σ3下、作用在試件上，使試件破壞的最大主應(yīng)力σ1，根據(jù)σ1和σ3可以繪制多個(gè)應(yīng)力圓；繪制所有應(yīng)力圓的包絡(luò)線，即可得到巖石的抗剪強(qiáng)度曲線；若巖石的抗剪強(qiáng)度曲線近似為一根直線，則該線在縱軸上的截距即為巖石的內(nèi)聚力C，該線與水平線的夾角即為巖石的內(nèi)摩擦角φ?；靖拍罴皽y(cè)試方法-三軸壓縮試驗(yàn)（三）抗剪強(qiáng)度三、巖石強(qiáng)度參數(shù)的礦場(chǎng)獲取方法（一）采用鉆速方程預(yù)測(cè)巖石的抗壓強(qiáng)度（二）利用測(cè)井資料預(yù)測(cè)巖石的抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度（二）利用測(cè)井資料預(yù)測(cè)巖石強(qiáng)度Miller和Deere統(tǒng)計(jì)關(guān)系式：

Coats關(guān)系：三、巖石強(qiáng)度參數(shù)的礦場(chǎng)獲取方法四、巖石弱膠結(jié)結(jié)構(gòu)面對(duì)巖石強(qiáng)度的影響

巖石弱膠結(jié)結(jié)構(gòu)面巖石弱膠結(jié)結(jié)構(gòu)面受力分析巖石弱膠結(jié)結(jié)構(gòu)面對(duì)巖石強(qiáng)度的影響五、影響巖石力學(xué)性質(zhì)的因素

巖石的礦物組成巖石的結(jié)構(gòu)特征巖石構(gòu)造溫度的作用水的作用風(fēng)化作用西南石油學(xué)院油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室第五章彈性和彈性模量一、線彈性和胡克定律二、巖石彈性模量的實(shí)驗(yàn)室測(cè)定技術(shù)楊氏彈性模量剪切模量體積模量泊松比三、利用測(cè)井資料獲得巖石的彈性模量西南石油學(xué)院油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室一、線彈性和胡克定律線彈性材料服從胡克定律(Hooke’sLaw):F=KXF：作用在彈簧上的力；K：常數(shù)，即所謂彈性模量，反映了彈簧的剛度；X：彈簧拉伸或壓縮的長(zhǎng)度。胡克定律適用于各種彈性體、各種不同類型的作用力:

=Eε

=G p=KεvF斜率=kFx西南石油學(xué)院油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室根據(jù)巖心在施加載荷條件下的應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系得到的巖石的各彈性模量和泊松比，稱為巖石的靜態(tài)彈性模量和靜態(tài)泊松比；利用彈性波的傳播關(guān)系，由測(cè)量的彈性波速度和體積密度計(jì)算得到的巖石的彈性模量和泊松比稱為動(dòng)態(tài)彈性模量和動(dòng)態(tài)泊松比

二、彈性模量西南石油學(xué)院油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室二、彈性模量楊氏彈性模量是巖石張變彈性強(qiáng)弱的標(biāo)志。設(shè)長(zhǎng)為L(zhǎng)，截面積為Ao的巖石，在縱向上受到力F作用時(shí)伸長(zhǎng)或壓縮

L，則縱向張應(yīng)力（F/Ao）與張應(yīng)變（

L/Lo）之比值即為靜態(tài)楊氏彈性模量（E）。楊氏彈性模量（E）西南石油學(xué)院油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室二、彈性模量應(yīng)力與應(yīng)變之間的比例常數(shù)。StressStrain

=Eε

E

==ε

strainstress楊氏彈性模量西南石油學(xué)院油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室二、彈性模量MaterialsE(106psi)Shale0.1-4.3Sandstone0.1-12Limestone1-7Granite3.7-10Marble7Dolomite2.8-11.9AnhydriteConcrete0.25-3Steel30Plastic(Nylon)0.5Rubber0.01WaterCork巖石楊氏彈性模量代表值西南石油學(xué)院油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室二、彈性模量受力前

=G

G

=t

LDx受力后

=DxL=tan

剪應(yīng)變

=剪應(yīng)力

==

FA剪切模量=G=

=Dx

FAL是巖石切變彈性強(qiáng)弱的標(biāo)志，定義為剪應(yīng)力與剪應(yīng)變之比。剪切模量西南石油學(xué)院油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室二、彈性模量體積模量的倒數(shù)稱為壓縮系數(shù):1/Kb=體積模量巖石在各個(gè)方向都受到力F的作用時(shí)，應(yīng)力F/A與體積相對(duì)變化的比值,可用于度量巖石的抗壓能力：西南石油學(xué)院油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室二、彈性模量泊松比（υ）又稱橫向壓縮系數(shù)。泊松比表示為橫向相對(duì)壓縮與縱向相對(duì)伸長(zhǎng)之比。設(shè)長(zhǎng)為L(zhǎng)，直徑為d的圓柱形巖石，在受到壓縮時(shí)，其長(zhǎng)度縮短L，直徑增加d，泊松比（υ）表示為：e1e2

s泊松比=e2/e1西南石油學(xué)院油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室0

0.5各向同性介質(zhì)：=0.25理想不可壓縮物質(zhì)(流體)：=0.5擠壓或拉伸作用下不擴(kuò)展或收縮的物質(zhì)：=0Material

Shale0.1–0.5Sandstone0.13–0.35Limestone0.29–0.35Granite0.11–0.26Marble0.06–0.22Dolomite0.25–0.29Anhydrite0.24–0.29Concrete0–0.25Steel0.27–0.3Plastic(Nylon)0.4Rubber0.45–0.5Water0.5UnconsolidatedSand0.38-0.44常見(jiàn)巖石的泊松比值二、彈性模量西南石油學(xué)院油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室三、利用測(cè)井資料計(jì)算彈性模量、泊松比泊松比：

楊氏模量：

剪切模量：體積模量：西南石油學(xué)院油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室第六章鉆井地質(zhì)環(huán)境鉆井地質(zhì)剖面巖性及特征泥頁(yè)巖的組成及其對(duì)鉆井井壁穩(wěn)定的影響疏松砂巖地層中的井壁穩(wěn)定問(wèn)題致密地層中的井壁穩(wěn)定問(wèn)題破碎性地層中的井壁穩(wěn)定問(wèn)題井壁穩(wěn)定狀況的直觀顯示西南石油學(xué)院油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室井眼鹽丘褶皺斷層節(jié)理層面井筒內(nèi)壓

砂巖

泥頁(yè)巖

碳酸鹽巖

鹽巖

其它巖性一、鉆井地質(zhì)剖面巖性及其巖性特征西南石油學(xué)院油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室二、泥頁(yè)巖的組成及其對(duì)鉆井井壁穩(wěn)定的影響

鉆井過(guò)程中，鉆井液與泥頁(yè)巖地層之間的物理化學(xué)作用是導(dǎo)致泥頁(yè)巖井壁不穩(wěn)定的重要原因。地層與鉆井泥漿及其濾液接觸時(shí)水化膨脹和分散的程度與泥頁(yè)巖地層的粘土礦物組成及含量、陽(yáng)離子交換容量、地層水含量及礦化度密切相關(guān)。西南石油學(xué)院油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(一)泥頁(yè)巖中常見(jiàn)的粘土礦物蒙脫石：遇水后極易水化膨脹；伊利石：遇水后水化膨脹能力相對(duì)較?。痪G泥石：晶層間結(jié)合緊密，遇水后水化膨脹能力弱;高嶺石：水化膨脹能力差西南石油學(xué)院油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室粘土礦物對(duì)井壁穩(wěn)定性的影響與其物理化學(xué)性質(zhì)密切相關(guān)。不同粘土礦物的比表面積、陽(yáng)離子交換等性質(zhì)各不相同，遇水后水化的能力及程度不同，對(duì)井壁穩(wěn)定的影響也不同。(二)粘土礦物類型及含量對(duì)井壁