石油工程岩石力学讲课材料(复习)

受力大小的计算
岩石的强度破坏准则
判断井壁岩石是否破坏 及计算变形量
解决岩石力学问题的首要条件

需要测定岩石的变形特性及强度特性
需要了解岩石所受的外力

地下岩体受到的外力

井内液柱压力
钻头对地层施加的力


泥浆循环对地层的水力冲击力
地层孔隙压力 地应力
地应力的概念:

地应力：地下某深度处岩石受到的周围岩体对它的 挤压力。


1 2

1 2
大斜度井井壁应力分布计算模型：
式中：
X A D h B E H C F v 2 1 1 2 1 Pm P0 1
Y A D h B E H C F v
SZ36-1-5井东营组储层岩心，中粒砂岩（油浸） 弱胶结，深度1563.00米
强度实验方法

单轴抗压强度 三轴抗压强度
实验装置图
标准试样
岩石加载方式：
压应力
岩石应力应变曲线（纵横向）
（三）岩石的力学参数

岩石的变形性质：弹性模量和泊松比 弹性模量 ：岩石每增加单位应变所需 增加的应力

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。

不同构造区域、不同性质地层地应力大小不同。
地应力大小表示方法
地表
H
v hmax
hmin
地应力的来源：
上覆岩体的自重；
地质构造运动产生的构造应力；
W12-1N¹ Ô ä ¶ ¶ µ ° Ì Ë Ñ Á Ë ² Î ½ µ ± » ¹ ì ¶ þ Î Ø ã ® ú ¹ ¦ æ ½ » Ç Ä ä ¯
1.70 1.65 1.60 1.55 1.50 1.45 1.40 1.35 1.30 0 45 90 135 180 225
SI1 SI1 SI2 SI2
270
315
360
½ » Ç ² Î ½ (NE,¶ ) È
利用测井资料计算呼2井（直井） 安全泥浆密度随井深的变化曲线
2.5
破裂压力 剪切破坏 压力上限 侧钻后
±Á Ü È ¨ µ ¿ à ¶ £ g/cc)
2.2 1.Baidu Nhomakorabea 1.6
原套管下深
建议密度
建议套管下深
1.3
侧钻前
坍 塌 压 力
1 2400
地层力学参数的测井资料确定
利用纵、横波，密度、井径、伽玛测井曲线可 求得地层的如下参数：

岩石弹性模量、泊桑比 地层的粘聚力和内摩擦角；抗压强度、抗拉强度 可钻性


井壁失稳的力学机理
井壁失稳类型

井壁坍塌，井径扩
大（灰岩，泥页岩，
破碎性地层）

井眼缩径（软泥岩、
盐膏层）

井眼压裂，泥浆漏 失（砂岩）
ººº°ººº×ºººººººººº º é ÷
板壳法预测地应力场横向分布计算实例
板壳法研究区域
板壳法预测地应力场横向分布计算实例
板壳法下第三系底最大地应力分布
图 4-39 最大地应力方位分布等值线图
（三）岩石的力学性质

岩石力学特性：主要是指岩石在外载作用下的 变形特征及岩石的强度。
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。

外力有压力、拉力、剪力、弯矩和多轴压力 等，相应地有抗压强度、抗拉强度、抗剪强 度、抗弯强度及三轴强度等
（三）岩石的力学性质
1.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。 2.抗拉强度：岩石试样在单轴拉伸下能够承受的最大拉 应力。
1、现场水力压裂试验法；
2、室内凯塞尔效应法
3、岩芯差应变试验法；
典型的水力压裂试验曲线
井 口 压 力
破裂漏失 出现剪切 裂缝
停泵
裂缝重张
裂缝闭合
时间
利用水力压裂试验数据计算地应力：

H min
P
FCP
H max 3 H min Pp Pf S t
S t Pf Pr
凯塞尔效应法测定地应力的原理图
声发射数
凯塞尔效应点
压应力
凯塞尔效应测定地应力取芯方法
45 度
45 度
岩样尺寸 2550 mm
上覆地层压力大
水平向地应力小
上覆地层压力小
水平向地应力大
地应力纵向分布规律计算实例
3.2
© Ø ¦ ¦ Ý È ¨ µ Ó Á Ì ¶ £ G/cm^3£
2.9 2.6 2.3 2 1.7 1.4 2400 2600 2800 ® î ¨Ã © ¾ É £ ³£ 3000 3200
地温梯度的不均匀性和地层中的水压梯
度。
油田地应力研究中采用的一般方法
应用构造地质力学方法研究地应力的相对大小
及大致方位
应用井壁崩落法确定最大水平主地应力的方位 应用压裂井井下电视确定最小水平主地应力方
位
应用水力压裂法确定最小水平主地应力大小 Kaiser 效应试验确定水平主地应力大小
» È ¨Ä ® Û ½ » ° Î ¶ µ ¾ Ñ ² Î :N20~90E¼ N200~270E °
SP4 SP4 6 6
® ú ¹ ¦ Ì Ë Ñ Á (g/cm^3)
Æ ã Î ý ¼ Ë ° Ê : ® ±Ç ¾ Ð ½ :45¶ (³ ° Î ¶ µ ¾ Ð ½ ) È î » È ¨Ä ® ±Ç î ó ® ½ ôØ ¦ ¦ ½ » ³ ´ Ë Æ Ö µ Ó Á ² Î : N50E
地层破裂压力（Pf）：地层破裂产生流体漏失时的井底压力 裂缝延伸压力（Pr）：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（PFcp）：使一个存在的裂缝保持张开时的最小井底压力， 它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（PISIP）：关泵瞬间的裂缝中的压力。它一般大于PFcp，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。
抗拉强度须通过试验测得，由于试样制作困难，实际 上多采用劈裂试验间接测定抗拉强度。 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 。
SZ36-1-5井东营组储层岩心，中粒砂岩（含油） 中偏弱胶结，深度1565.74米
SZ36-1-5井东营组储层岩心，中粒砂岩（富含油） 中偏弱胶结，深度1562.70米
高效破岩技术：钻头设计、选型，水力破岩
井壁失稳机理及对策，盐层缩径卡钻 套管损坏（高压注水、盐层套管损坏、开采后 期套管损坏） 水力压裂裂缝延伸规律，开发井网布置



储层出砂规律、储层塌陷及对产能的影响规律
应力对储层物性的影响规律
岩石力学问题的研究思路
不同外载作用下岩石 测定地层的变形 特性及强度

井壁失稳的类型：坍塌或缩径；地层破裂漏失
需要回答的力学问题：
需要多大的泥浆密度才能稳定井壁？ 井壁坍塌与原地应力、孔隙压力及岩石
强度的关系？
是不是泥浆密度越大井壁一定越稳定？ 泥浆性能及钻井周期对井壁坍塌的影响
规律及如何定量预测坍塌周期？
安全泥浆密度窗口计算
最大水平主地应力 最小水平 主地应力 泥浆密度低
2600
2800
3000
3200
® î ¨Ã £ ¾ É £ ³©
泥页岩吸水造成井壁失稳机理

泥页岩中含有水敏性粘土矿物，当与钻井液接触时，在 水力梯度和化学势梯度的驱动下，引起水和离子的传递 而吸水 泥页岩水化膨胀产生水化应力，使井眼受力恶化 泥页岩吸水使强度降低，弹性模量减小，塑性增大，井 壁稳定恶化
Z 4G h H H Jv
2
H , h ---最大，最小水平主地应力； V ---上覆地层压力 A，B，C，D，E，F，G，H，J---与井斜角、方位角、 圆周角有关的系数
W12-1N油田涠二段地层坍塌 压力随井斜方位变化规律
SP2 SP2
B5 B5 SP1 SP1
MP1 MP1 MP5 MP55 5 MI2 MI2 MI3 MI3
石油工程中面临的岩石力学问题
邓 金 根
石油大学工程东楼319室（电话：3155）
岩石力学

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

岩石力学的研究内容：

如何破碎岩石 如何使岩体结构保持稳定 地震、隧道、水利大坝、矿山、滑坡、石油等

涉及的领域：

石油工程岩石力学

坍塌压力与钻井 时间的相关关系
化学作用转换成力学作 用，并使之定量化。实 现力学化学耦合。
新疆泥页岩水化对井壁稳定影响的计算结果



水化与时间相关，导致井壁周期性坍塌
通过测定泥浆滤液在泥页岩井壁中的渗透运移规律及由 此产生的水化应力和造成的地层强度变化，可使化学作 用产生的力学效应定量化，实现坍塌周期的定量预测。
技术思路
给定任一钻井时间
泥页岩吸水系数 泥页岩的吸水量
地层强度与吸水 量的相关关系 地层强度
＝E³ 膨胀系数及地层 弹性参数 产生的膨胀应力
r = 3
a = 1
损坏区
r
a
坍塌 若井内泥浆密度较小，不能对井壁提供足够的支撑，将 使井壁岩石所受的应力超过其本身的强度产生剪切破坏 而造成井壁坍塌。
最大水平主地应力
r = 1
a = 3
a
最小水平主地应力
r
泥浆密度高
泥浆密度过大： 地层剪切破坏产 生大量径向微裂 缝形成剪切破碎 带（造成泥浆的 大量侵入使井壁 失稳）
霍001井卡钻事故原因
图中是洗井循环时返出的上部井眼垮塌的岩块
分析认为本井卡钻的主要原因是井眼不稳定，坍塌伴随缩径造成复杂事故
井壁失稳多发井段

山前构造带高地应力区
泥页岩地层（占井壁失稳的90％），包 括：软泥岩、硬脆性泥页岩 破碎带（灰岩、泥页岩） 膏盐层（缩径） 高陡地层

井壁稳定的影响因素
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
压应力
围压
常规三轴试验
真三轴试验
Carrara大理石在不同围压下的应力应变曲线
白云岩在不同围压下的应力-应变曲线
应力状态对岩石力学性质的影响

随着围压的增加，岩石逐渐从脆性转化为塑性。
钻井安全泥浆密度窗口
剪切坍塌崩落泥浆密度下限 剪切破坏形成剪切破碎带的泥浆密度
上限
地层破裂压力（拉伸破坏）
大斜度井井壁应力分布计算模型：
大斜度井井壁应力分布计算模型：
大斜度井井壁应力状态计算的基本公式：
i r Pm 1 Pm P0 1 1 1 j X Pm Pm Z 2 2 2 1 1 1 k X Pm Pm Z 2 2 2
岩石强度随着围压的增加而增加，强度增大不与围压成正比 关系。


随围压增加，强度、塑性、弹性模量增大。
摩尔—库仑准则：

用两个主应力表示：
1 3 ctg 45 2ctg 45 C 2 2
2
岩石的强度参数： C—粘聚力 ——内摩擦角



地应力大小、方向及非均匀性 地层强度；层理面 泥浆理化性质 井斜角、方位角 地层孔隙压力 钻井周期
井壁失稳的力学原因

井壁不稳定都可归结为井壁岩石所受的应力超
过其本身的强度，使其产生剪切或拉伸破坏而 造成的。

凡是影响井壁受力状态及井壁岩石强度的因素 都将直接影响到井壁的稳定性。
剪切破碎带，使得泥浆更易渗入井壁
渗漏压力
pressure
“knee” pBD pLOT pLOT LOT examples stop pumping
pCL
actual closure pressure
XLOT
pw
time
地层坍塌压力及破裂压力剖面


坍塌压力：井壁不发生坍塌时的最低泥 浆密度： 若井内泥浆密度较小，不能对井壁提供 足够的支撑，将使井壁岩石所受的应力 超过其本身的强度产生剪切破坏而造成 井壁坍塌。 破裂压力：使井眼产生拉伸破坏而漏失 的井内泥浆密度。
根据断层特点确定地应力 分布规律及地应力方向： 最大水平主地应力方向平 行断层延伸方向 上覆地层压力v >最大水 平主地应力H> 最小水平 主地应力h
v
最大地应力方向
H
h
井眼坍塌破坏形状
σ
h
σ
H
σ
H
σ
h
地应力测定方法

上覆岩层压力由密度测井曲线经积 分求出。

水平主地应力测定方法主要有：