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。
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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