石油工程岩石力学地应力
第4讲-岩石力学-油田地应力及其确定方法概要

地下压力概念图示
什么是孔隙压力
静水压力与地表自由水位沟通
• 海上—海平面 • 陆上—潜水面
静水压力取决于流体密度
-地层水密度随溶解固体(主要为盐)浓度的变化而变化。 -盐度受以下因素影响:原生水史、温度、成岩作用、靠近盐体、渗透性
地层孔隙压力状态分类表(据杜栩,1995)
压力系数 <0.75 0.75-0.9 0.9-1.1 1.1-1.5 >1.5
地应力及其确定方法
提纲
一、油田地应力的定义及组成 二、油田地应力的确定方法 三、分层地应力 四、区域地应力预测
一、油田地应力的定义及组成
什么神秘的力量造成的满目疮痍,惨不忍睹 造成了地貌沧海桑田的巨变
一、油田地应力的定义及组成
盐膏层
套管 水泥环
套损区
什么原因导致深部盐层套管被挤毁?
一、油田地应力的定义及组成
地层压力预测方法
Eaton法求取地层压力
Eaton原始方法(Eaton,1972)利用的是孔隙压力和地震波旅行时间等参数 的幂指数关系,这种关系并不随岩性或深度的变化而变化:
n
pp
po
( po
ph )
tn to
式中,pp-预测的孔隙压力; pob-静岩压力; ph-正常的静水压力; Δtn-地震波在正常的泥岩中的旅行时间; Δto-实测的地震波在泥岩中的旅行时间; n-Eaton指数。
(4)生烃作用 在逐渐埋深期间,将有机物转化成烃的反应也产生流体体积
的增加,从而导致单个压力封存箱内的超压。许多研究表明与烃 类生成有关的超压产生的破裂是烃类从源岩中运移出来进入多孔 的、高渗透储集岩的机制,尤其是甲烷的生成在许多储集层中已 被引为超压产生的原因。气体典型地同异常压力有联系,异常压 力具有气体饱和的特点。当源岩中的有机质或进入储集层中的油 转变成甲烷时,引起相当大的体积增加。在良好的封闭条件下, 这些体积的增加能产生很强的超高压.
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
3高等岩石力学-地应力测量

高等岩石力学
一、水压致裂法
测量水压致裂裂隙和钻孔试验段天 然节理、裂隙的位置、 然节理、裂隙的位置、方向和大小 测量可以采用井下摄影机、 测量可以采用井下摄影机、井下电 井下光学望远镜或印模器。 视、井下光学望远镜或印模器。前三 种方法代价昂贵,操作复杂。 种方法代价昂贵,操作复杂。使用印 模器则比较简便,实用。 模器则比较简便,实用。
21
高等岩石力学
四、地应力测量方法分类
间接测量法是借助某些传感元件或某些
介质, 介质,测量和记录岩体中某些与应力有关的间 接物理量的变化, 岩体中的变形或应变、 接物理量的变化,如岩体中的变形或应变、岩 体的密度、渗透性、吸水性、电阻、电容, 体的密度、渗透性、吸水性、电阻、电容,弹 性波传播速度等 性波传播速度等,然后由测得的间接物理量的 变化,通过已知的公式计算岩体中的应力值。 变化,通过已知的公式计算岩体中的应力值。 套孔应力解除法是目前国内外应用最普遍 是目前国内外应用最普遍、 套孔应力解除法是目前国内外应用最普遍、 发展较成熟的一种地应力间接测量方法。 发展较成熟的一种地应力间接测量方法。
σ1 P 3σ2−σ1 σ2
30
高等岩石力学
一、水压致裂法
如果继续向封闭段注入高压水, 如果继续向封闭段注入高压水,使裂隙 进一步扩展,当裂隙深度达到3 进一步扩展,当裂隙深度达到3倍钻孔直径 此处已接近原岩应力状态,停止加压, 时,此处已接近原岩应力状态,停止加压, 保持压力恒定,将该恒定压力记为P 保持压力恒定,将该恒定压力记为Ps,Ps应 和原岩应力σ2相平衡,即: 和原岩应力σ 相平衡,
高等岩石力学
Adwanced Rock Mechanics
辽宁科技大学
1
高等岩石力学
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
石油工程岩石力学-地应力知识讲解

Kaiser效应试验结果的解释
σV σαPpKPc
σH
σ0σ 2
σ0σ90 2
1
1tg22 2
αPpKPc
σh
σ0σ90 2
σ0σ90 2
1
1tg22 2
HMAX hmin
v >> HMAX > hmin
hmin
Drill within a 60°cone (±30°) from the most favored direction
v HMAX ~ v
>> hmin
HMAX
v HMAX
In highly differential stress fields, the proper choice of an inclined hole facilitates drilling
AE Counts
Kaiser effect point
Load
室内岩心试验法:
MTS岩石力学 实验装置
SAMOS多通 道声发射装置
中国石油大学 (北京)岩石 力学室拥有美 国进口的先进 仪器设备,能 够完成凯塞尔 效应、单轴/三 轴抗压试验、 水力压裂室内 试验等多项实 验。
室内岩心试验法:
声
z
2
1 x
Principal stresses
p 3
Coordinates parallel to earth’s surface
Principal stresses are usually parallel and normal to the surface.
Drilling Direction and Stress
走滑断层(拗断层)与地应力
《岩石力学》 地应力及其测量

1. 地壳是静止不动的还是变动的?怎样理解岩体的自然平衡状态?答:地壳是变动的。
自然平衡状态是指:岩体中初始应力保持不变的状态。
2. 初始应力、二次应力和应力场的概念。
答:未受影响的应力称为初始应力工程开挖时,受工程开挖影响而形成的应力称为二次应力地应力是关于时间和空间的函数,可以用“场”的概念来描述,称之为地应力场。
3. 何谓海姆假说和金尼克假说?答:海姆首次提出了地应力的概念,并假定地应力是一种静水应力状态,即地壳中任意一点的应力在各个方向上均相等,且等于单位面积上覆岩层的重量,即σℎ=σv=γH金尼克认为地壳中各点的垂直应力等于上覆岩层的重量,而侧向应力(水平应力)是泊松效应的结果,其值应为乘以一个修正系数K。
他根据弹性力学理论,认为这个系数等于μ1−μ,即σv=γH,σℎ=μ1−μγH4. 地应力是如何形成的?答:地应力的形成主要与地球的各种动力运动过程有关,其中包括:板块边界受压、地幔热对流、地球内应力、地心引力、地球旋转、岩浆侵入和地壳非均匀扩容等。
另外,温度不均、水压梯度、地表剥蚀或其他物理化学变化等也可引起相应的应力场。
5. 什么是岩体的构造应力?构造应力是怎样产生的?土中有无构造应力?为什么?答:岩体中由于地质构造运动引起的应力称为构造应力。
关于构造应力的形成有两种观点:地质力学观点认为是地球自转速度变比的结果;大地构造学说则认为是出于地球冷却收缩、扩张、脉动、对流等引起的,如板块边界作用力。
土中没有构造应力,由于土本身是各向同性介质,不存在地质构造。
6. 试述自重应力场与构造应力场的区别和特点。
答:由地心引力引起的应力场称为重力应力场,重力应力场是各种应力场中惟一能够计算的应力场。
地壳中任一点的自重应力等于单位面积的上覆岩层的重量,即σG=γH。
重力应力为垂直方向应力,它是地壳中所有各点垂直应力的主要组成部分,但是垂直应力一般并不完全等于自重应力,因为板块移动,岩浆对流和侵入,岩体非均匀扩容、温度不均和水压梯度均会引起垂直方向应力变化。
岩石力学第五讲、地应力

5、地温梯度3℃/100m--热膨胀、收缩– 压应力
6、地表剥蚀的影响:松弛的速度、封闭应力
←大陆板快的推挤 中国板块的主应力迹线
地幔对流机制→ 上升流与下降流
第二节 自重应力与构造应力
1、原岩应力的地位与重要性: 力学研究的基本问题 岩体的荷载与材料力学的荷载 研究原岩应力的意义。 2、自重应力: 上覆岩体的重力引起的应力。 研究时将岩体视为半无限体的均 匀、连续、各向同性的弹性体。 垂直应力:σz = γH 水平应力:横向约束不变形,
第五节 地应力实测方法2
三、三孔交汇实测方法 为得到三维主应力的大小和方向, 将三个孔的实测资料汇总在一起。 1、孔径变形法:测量应力解除后钻孔直 径的变化量,在完整岩体内适用。 按弹性力学平面问题,圆孔孔径的变化: △d = f(E,μ,P x,P y,P x y,θ) 故至少应有三个不同方向的孔径变化才 能计算出P x,P y,P x y,一般在钻 孔变形计中安排4个孔径变化测头。 一般不测量沿钻孔轴线方向的应变,而 用三个孔的测量结果计算三维地应力
第三节
地应力的一般规律
一、重力应力场与构造应力场的分布特点: 1、重力应力场: ☆以垂直应力为主,垂直应力大于水平应力; ☆应力为压应力 ☆应力随深度增加而增加 在构造不发育地区、第四纪冲积层、裂隙 发育地区、岩性较软的塑性岩体地区,其应 力场基本符合重力应力场的分布规律。 2、构造应力场: ☆应力有压应力,也可有拉应力 ☆以水平应力为主,水平应力大于垂直应力 ☆分布很不均匀,通常以地壳浅部为主。 原岩应力基本由重力应力场和构造应力场叠加。 构造应力是复杂多变的,难以有定量的规律。
一、应力解除法实测的基本原理 1、岩体内有原岩应力 2、原岩应力已使岩体产生变形 3、将岩块从岩体母体分离出来,原岩 应力得到解除,变形将恢复 4、测量恢复的变形值,根据应力应变 关系,计算引起变形的应力值。 二、应力解除法的步骤: 1、钻大孔至测点,避开二次应力影响; 2、磨平孔底,钻同心小孔(测量孔), 一次扰动; 3、在测量孔安装测应变和位移的元件; 4、大孔套取岩芯,二次扰动,测量本 次扰动时应力解除后的应变。 5、用弹性力学中关于圆孔问题的解析 解建立观测方程。
岩石力学---第4章 地应力及其测量

基本概念
次生应力(二次应力)岩体开挖扰动了原岩的
自然平衡状态,使一定范围内的原岩应力发生变化,
变化后的应力称为次生应力或二次应力。
原岩应力≈自重应力+构造应力
迄今为止,对原岩应力还无法进行较完善的理论计 算,而只能依靠实际测量来建立岩体中初始应力状 态。
1. 地应力定义
地应力: 指岩体在天然状态下所存在的内应力,
第四章 地应力及其测量
基本要求
1.掌握初始应力的概念,了解构造应力的概 念,掌握自重应力的计算方法; 2.了解原岩应力的一般规律及影响原岩应力 分布的因素; 3.了解地应力的实测方法。
本章的重点难点:
1、岩体初始应力场的构成;
2、重力应力场和构造应力场的特点;
3、原岩应力场的分布状态; 4、应力解除法的基本原理。 关键术语:原岩、原岩应力、自重应力、构造应力、 应力解除 要求:1、掌握本课程重点难点内容; 2、了解原岩应力分布状态; 3、了解影响原岩应力分布的因素; 4、熟悉几种应力解除法测试原岩应力的 方法和测试步骤。
三、构造应力场分析
根据岩体变形破坏机理,对构造运动留下的遗 迹(构造形迹)进行分析,以判断构造应力的主应 力方向。 (一)构造形迹的形成机理 1、褶皱形成机理
2、断层和节理的形成机理 断层、节理形成机理有三种:张性的、扭性的、压性的。
(1)张性断层是由于岩体中的张应变超过极限而产生的。这 种断层层面不规则,断层走向与最大主应力方向平行。小的 张性断裂两盘岩石不一定发生错动,称之为张性节理。 (2)压性断层和扭性断层都可用莫尔-库伦理论来解释。
v H
其中,λ为侧压系数
h v
1
1
H
υ-上覆岩层泊松比
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水平主应力的求取:
在沉积岩中,地应力的大小一般应用下述方法获得: 构造地质力学方法 水力压裂法 室内岩心试验法 建立在测井资料上的方法 地应力的方向一般用下述方法获得: 井壁崩落椭圆法 压裂井井下电视法
凯塞尔效应试验法测定地应力的原理
岩石在施加载荷后, 岩石内部产生微裂缝 而发出声波信号,当 岩石加载到曾受到的 最大应力状态时,其 发射的这种信号会明 显增大,用专用仪器 可以监测出这种信号 的变化。由此可测出 岩石在井下时所受的 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;
HMAX hmin
v >> HMAX > hmin
hmin
Drill within a 60°cone (±30°) from the most favored direction
v HMAX ~ v
>> hmin
HMAX
v HMAX
In highly differential stress fields, the proper choice of an inclined hole facilitates drilling
大部分是浅部,最深5108米(美国密执安水压致 裂法)。
三、天然应力的研究历史与研究意义
我国从50年代末开始天然应力量测
东部:太平洋板块向W俯冲
北部:西伯利亚板块阻挡 南部:菲律宾板块向N俯冲
区块分布特征
3
主应力
1 > 2 > 3
2
1
1
2 3
a = 1 slip
max planes
planes
z
2
1 x
Principal stresses
p 3
Coordinates parallel to earth’s surface
Principal stresses are usually parallel and normal to the surface.
Drilling Direction and Stress
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;
AE Counts
Kaiser effect point
Load
室内岩心试验法:
MTS岩石力学 实验装置
SAMOS多通 道声发射装置
中国石油大学 (北京)岩石 力学室拥有美 国进口的先进 仪器设备,能 够完成凯塞尔 效应、单轴/三 轴抗压试验、 水力压裂室内 试验等多项实 验。
室内岩心试验法:
声
Favored hole orientation
v
The best orientation to increase hole stability minimizes the principal stress difference normal to the borehole axis
60° cone
走滑断层(拗断层)与地应力
hmin = 3 HMAX
锐角
v = 2 HMAX = 1
几乎垂直的断层面
hmin
HMAX
伴生正断层
典型应力状态: HMAX = 1> v = 2 > Hmin = 3
逆掩断层与地应力
hinge points
high-p shale
v = 3 HMAX = 1
overthrust sheet highly fractured zone
++++++
天然应力
∧
→
←
↓↑
重分布应力
概述
一般情况下主地应力表示方法
地表
H
垂直主应力σv
水平最小主应力σh
水平最大主应力σH
概述
地应力是场函数 地应力又称为地应力场 有大小和方向
水平最小大地应力 水平最大地应力
二、天然应力的构成及起源
1.构成:
• 岩体自重→自重应力 • 构造运动→构造应力 • 流体作用→渗流应力 • 其它(地温、地球化学作用等)
45 度 45 度
发
射
信
号
数
凯塞尔效应点
单轴压缩应力
凯塞尔效应试验曲线示意图
凯塞尔效应试验取芯位置
试验步骤:
加工好的岩样套上橡胶封隔套,装入高压釜中; 加围压至设定值,并使之保持恒定; 以恒定的加载速给岩样施加向载荷;记录下加载
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
三、天然应力的研பைடு நூலகம்历史
1.研究历史
1878年海姆提出天然应力 1932年,在美国胡佛水坝下的隧道中,首次成功
地测定了岩体中的天然应力 到目前天然应力测点遍布全球,有几十万个测点。
r = 3
r
三轴试验 应力状态
a
v H > h
h
z
H
原地应力
在石油工程中, 我们通常假设: v 为主应力之 一
Anderson理论——断层类型与主应力关系
正断层与地应力
v = 1
HMAX = 2
拉伸
hmin = 3
地垒-地堑结构
倾角 拉伸
典型应力状态: v = 1 >HMAX = 2>Hmin = 3
第一节 概 述
一、天然应力的概念
1.天然应力:人类工程活动之前,天然状态下,岩 体内部存在的应力,称为岩体天然应力或岩体 初始应力,有时也称为地应力。
2.重布应力:人类进行工程建设将引起一定范围内 岩体初始应力的改变,工程建设扰动后的岩体 应力称为重布应力或二次应力。
第一节 概 述
++++++
++++++
A Borehole in a Stress Field
Here, v = 2, HMAX = 1, hmin = 3,
and 1 > 2 > 3
Hole inclination parameters
y
Effective stresses:
1’ = 1 - p
2’ = 2 - p
3’ = 3 - p p = pore pressure