岩石力学参数的计算及应用.pdf

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第卷增刊测井技术

岩石力学参数的计算及应用

李金柱李双林
胜利石油管理局测井公司

摘要
李金柱,李双林岩石力学参数的计算及应用测井技术,,增刊
岩石力学性质及地层应力在油田勘探开发中有特别重要的指导作用。实践表明,岩石的力学性质及地层应力与地
层的声学性质之间有密切的关系。利用从各种声波测井资料提取出的纵、横波速度或时差计算岩石的力学参数,并对
岩石力学性质在井眼稳定性、砂岩强度分析、水力压裂作业等方面的应用进行了初步探讨。
关键词纵波横波弹性模量应力破裂压力

粥

,,一

,

,

〔

、,

、

和大斜度井设计及钻井的依据。因此,研究岩石的力学
特性在油田勘探开发中有十分重要的现实意义和不可

引言。
估量的经济意义
岩石力学性质在油田勘探开发中有特别重要的作
用。在渗透率各向异性的低渗透率油田中,主渗透率方
方法原理
向与最大水平主应力方向趋于一致地层压力梯度为近
平衡压力钻井、负压钻井提供可靠的钻井液配制依据计算地层弹性参数

、、
钻井过程中井壁的稳定性及油井采油过程中油层是否描述地层弹性参数主要有杨氏模量剪切模量产

。
出砂与井周应力分布和岩石力学性质密切有关在油层体积模量和泊松比对于砂泥岩地层,孔隙比较均

。
改造中,地层应力分布状态、岩石的力学性质决定着水匀,岩性也比较稳定,可以按各向同性介质模型处理
力压裂裂缝的形态、方位、高度和宽度,影响着压裂效因此,根据弹性波动理论,可以得出地层的弹性模量与

、。
果注水开发中井网的布置和调整,若对地层应力场研声波纵横波速度的关系
究不全面会导致无水采油期缩短、驱油效率降低,出现计算地层应力
水窜和水淹地层应力的异常及地层应力场的剧变将导分析地层应力时,通常采用三向地层应力模型,如

。,、
致套管变形或损坏应用分层地层应力资料,射孔时可图所示氏为垂向主应力如氏为水平主应力水平

,,
选择合理的遮挡层并可优化射孔井段,防止开采过程中主应力经常不相等用如表示最大水平主应力方向用

。
剖面上的水窜、汽窜及气窜地层应力资料也是水平井氏表示最小水平主应力方向作用于地下岩石的应力
测井技术年

、。
最重要的是重力构造力和流体压力引起的应力由于地表
地壳环境具有水平不自由和垂直自由性,构造应力垂向
主应力为。因此,地层的垂向主应力就是重力垂向应
力,等于上覆地层压力。。孔隙流体压力产生的应力
是球应力,等于流体压力。乘以系数。上述重力
应力、构造应力、孔隙流体压力共同作用于地层骨架和
孔隙流体。根据各向同性物体的广义虎克定律,得到描
川
述地层三向地层应力的数学公式。
破裂准则破裂包络线采用直线型强
刀了、吐、于了、·
‘一“,。
。击度线

、
、夕、‘产
。一
一井眼力学稳定性分析

、。
式中一一水平骨架应力非平衡因子,等于沿最大、最井眼的稳定性受化学和力学稳定性的综合影响

,
小主应力方向的水平骨架应力比值。通本文仅从力学角度分析生产过程中井眼的稳定性问题
常在一范围内变化。可根据双井径曲从而为选择是否支撑井壁的完井方式及钻井过程中选

。、
线或压裂资料确定。择合理的泥浆密度提供参考地层坍塌压力破裂压力

、。
系数,由地层和骨架的体积模量确定。是泥浆密度选择套管层次及下深确定的基本依据因

。
一井眼周围地层应力分布此,准确预测地层坍塌压力和破裂压力是非常重要的
钻井过程是对原地层应力场的扰动,钻井以前地层计算地层破裂压力
岩石处于应力平衡状态。地层应力在钻井过程中释放,由式可知,在最大水平主应力方向上,岩石所受

。
并在井眼周围形成应力集中。井壁岩石的应力集中使的切向应力最小因此,增加井内液柱压力,将减小井
原始应力平衡状态被打破。根据弹性力学中圆孔对应眼周围的应力集中,当呱变为拉伸并达到岩石的抗拉
力分布的影响求解,得到井壁上的应力分布为川强度时,地层容易张性破裂,在井壁上产生裂缝。根据
唤一如十氏一如一氏一一。岩石张性破裂准则,地层破裂时川
氏一如一一一
人一一这时的井内液柱压力即为地层破裂压力
式中唤井眼有效切向应力一氏一如一
人—井眼有效径向应力计算地层坍塌压力

—,
一相对的逆时针方位在最小主应力方向上井壁岩石所受的切向应力最
。
井内液柱压力大。当日一时,井眼有效切向应力和有效径向应力
显然,在—非均匀地层应力状态下,随圆周角日的不为

,,,
同井壁岩石受的应力不同在平行最大主应力方向上吸一如一么一一

,,
切向应力有极小值在平行最小主应力方向上切向应、
火一丸一
。
力有极大值当井内液柱压力太小时,不足以支撑地层应力作用
岩石破裂准则下的井壁岩石,岩石将发生剪切破裂,导致井壁坍塌。

。
岩石的破裂类型主要是张性破裂和剪切破裂对图是坍塌压力的莫尔圆解法。在氏一坐标中,以
张性破裂其破裂准则是阁呱十为