岩石力学大作业.docx

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岩石力学大作业

岩石力学结课大作业

张宗仁

1前言：

在石油勘探开发过程中，由于地层岩石其特有的性质，在钻井过程中，由于井壁围岩失稳所造成漏、喷、塌、卡等安全事故，以及开采过程中，出沙、套管损坏等问题已经造成巨大损失。

利用岩石力学知识，利用测井数据分析井眼周围岩石力学性质，是解决这些问题的有效方法。

本文利用给出的测井数据，对地层力学参数、地应力、地层坍塌压力与破裂压力进行分析计算，作出地层力学参数、地层主应力、地层坍塌、破裂压力剖面，分析井壁坍塌原因；研究储层段的出砂可能性。

2利用自然伽马测井数据简单分析地层岩性

2．1估算地层泥质含量

自然伽玛测井是在井内测量岩层中自然存在的放射性核素核衰变过程中放射出来的

射线的强度，它可用于划分岩性，估算地层泥质含量。

由于泥质颗粒细小，具有较大的比面，使它对放射性物质有较大的吸附能力，并且沉积时间长，有充分的时间与溶液中的放射性物质一起沉积下来，所以泥质有很高的放射性。

在不含放射性矿物的情况下，泥质含量的多少就决定了沉积岩石的放射性的强弱。

所以有可能利用自然伽玛测井资料来估算泥质的含量，具体方法有两种[1]P125：

相对值法

（2-1）

式中：

为泥质的体积含量。

GCUR为希尔奇指数，与地质时代有关，可根据取芯分析资料与自然伽玛测井值进行统计确定，对于第三系地层取，老地层取2（本作业中取2）。

为泥质含量指数。

（2-2）

分别表示目的层的、纯泥岩层的和纯砂岩层的自然伽玛值。

本测井数据中

=；

=。

计算出的泥质含量与井深的关系见第8部分图1。

2．2估算地层biot系数

当泥质含量

>时，biot系数

=，当泥质含量

<时，biot系数

=，当

时，biot系数

。

计算出的biot系数与井深的关系见第8部分图2。

3利用测井数据计算分析地层的弹性模量、泊松比。

3．1纵、横声波速度[2]

声波速度测井是测量地层声波速度的测井方法，声波速度测井可测量滑行波通过地层传播的时差△T，纵波时差△ts和横波时差△tp可从由测井公司提供的测井曲线或磁盘数据中得到，经过换算即可得到纵横波速度为：

（m/s）（3-1）

式中：

为纵波时差，

；

为横波时差，

。

大部分的油田测井作业中，并不作全波列测井，即缺少横波测井资料，因此针对某一地层，就需要借助经验公式来估算横波速度。

对于大多数地层，其柏松比一般在~之间，因此有：

（3-2）

计算出纵、横声波速度与井深的关系见第8部分图3。

利用B井测井数据计算分析地层强度参数

3．2岩石的动态弹性参数确定[2]

岩石为各向同性无限弹性体，则根据纵波速度和横波速度计算动态泊松比和动态杨氏模量的关系为：

（3-3）

（3-4）

其中：

为纵波速度；

为横波速度；

为岩石密度；

为动态泊松比；

为动态弹性模量。

应用上式以及从密度测井和声波测井得到的一系列数据，我们能确定整个井深剖面内的岩石弹性参数。

3．3岩石的动态弹性参数与静态弹性参数的转化[3]

根据文献[3]岩石的动态参数与静态参数的关系式可以表示为：

（3-5）

（3-6）

动态弹性模量与静态弹性模量井深的关系见第8部分图4；动态泊松比与静态泊松比与井深的关系见第8部分图5。

4利用测井数据计算粘聚力、内摩擦角与地层抗拉强度的连续剖面

长期以来，一直有不少研究人员尝试着从测井资料获取岩石特性参数。

地层声波测井反映声波在岩石中的传播速度，它与岩石的密度、孔隙度、结构强度等密切相关，它作为衡量岩石强度参数的一个重要指标，长期以来为众多学者所重视。

4．1岩石单轴抗压强度的确定[2]

Miller和Deere在实验基础之上建立了岩石单轴抗压和岩石弹性模量、粘土含量之间的关系；

（4-1）

式中：

为砂岩的泥质含量；

为砂岩的动态杨氏模量，MPa。

单轴抗压强度与井深的关系见第8部分图6

Cotaes等人继Miller和Deere之后，提出了岩石固有剪切强度（

）与单轴抗压强度（

）之间的关系

（4-2）

岩石实验表明，岩石的单轴抗压强度一般是其抗拉强度的8~15倍，因此，可以用下式近似计算岩石的抗拉强度：

（4-3）

式中：

为岩石的抗拉强度，MPa。

Kcl=8~15,本次计算取15。

抗拉强度与井深的关系见第8部分图7

4．2岩石粘聚力和内摩擦角的确定

Coast提出沉积岩的年粘聚力和单轴抗压强度（

）的经验关系式：

（4-4）

式中：

为岩石的动态体积压缩模量。

粘聚力与井深的关系见第8部分图7

对岩石强度内摩擦角的计算，在斯伦贝谢公司推出的力学稳定性测井软件中假定所有岩石的内摩擦角为30°，这与实际情况不符，岩石的类型、颗粒大小等均对

有很大的影响。

一般岩石的

值与

值存在着一定的对应关系。

根据玛湖油田13组岩芯的实测强度参数值，通过回归分析得到泥页岩地层内摩擦角

与粘聚力

间的相关关系式为：

（4-5）

内摩擦角与井深的关系见第8部分图8

5计算地层地应力

地层间或者层间的不同岩性岩石的物理特性、力学特性以及地层孔隙压力等方面的差别造成了层间或者层内应力分布的非均匀性。

测井资料可以有效地计算这些特征量。

根据上述测井资料解释出来的岩层物理、力学参数可以有效地解释地应力。

由于0-700米的井段缺少测井数据，我们需要从下部的底层的测井数据推倒0-700岩石参数，由于在自然沉积过程中，由于岩石的压实效应，岩石的密度往往随地层深度的增加而增加并且近似的成正比关系，我们不妨用700-3800米的地层密度测井数据拟和岩石密度与井深的变化关系。

（5-1）

式中：

H为井深，A、B为拟合数据。

本次计算中拟合结果为：

当H=700米处，该处的上腹岩层压力约为

（5-2）

黄荣樽等假设地下岩层的地应力主要由上覆岩层压力与水平方向构造应力产生，且水平方向的构造应力与上覆岩层压力成正比[4]P92。

（5-3）

式中：

、

为地应力系数；

、

为地应力系数；是区域地层的特性值，那么我们可根据水力压裂试验的方法反求它们的值。

（5-4）

式中：

为有效应力系数；

为孔隙压力（MPa）。

当井深2450m时，

=59Mpa，

=49Mpa，由测井数据及以上内容计算：

Vcl=

=

带入上式可算得：

把上述系数带入式（5-3）可以求得地层地应力随井深的变化规律。

计算结果见第8部分图9。

从计算结果可以看出，在该底层段，最小水平主应力<上覆岩层压力<最大水平主应力。

6计算地层坍塌压力和破裂压力

6．1岩石破坏强度准则——摩尔库伦准则[4]P100

若岩石受三主应力

，摩尔库伦准则可表示为：

（6-1）

若岩有空隙压力Pp时，用有效应力：

（6-2）

6．2井壁坍塌压力的计算[4]P105

根据摩尔-库仑强度准则，岩石剪切破坏与否主要受岩石所受到的最大最小主控应力控制，井壁处岩石最大最小主应力分别为周向应力和径向应力。

若水平地应力不均匀，井壁岩石周向应力在于最大水平主应力成90度或270度时得到最大的应力差值。

假设泥页岩渗透率非常小，且钻井液性能优良，基本上与泥页岩地层间不发生渗流，保持井壁稳定的坍塌压力计算公式可表示为：

（6-3）

式中：

；H为井深（m）；

为坍塌压力（

）；

为岩石的粘聚力（MPa）；

为应力非线性修正系数（

=）；

（孔隙压力：

MPa）

6．3井壁破裂压力的计算[4]P106

在地层某处深度处，井内的钻井液柱所产生的压力升高足以压裂地层，使其原有的裂隙张开延伸或形成新的裂隙时的井内流体压力称为地层的破裂压力。

地层的破裂是由于井内钻井液密度过大使岩石所受的周向应力达到岩石的抗拉强度而造成的。

若渗透率很低，不考虑渗流，地层破裂压力可表示为：

（6-4）

坍塌压力当量密度、破裂压力当量密度、泥浆密度关系见第8部分图10。

6．4扩径原因分析

从计算结果可以看出不难发现发现，该井在部分井段上有井壁坍塌得可能性，从井径与井深关系曲线（第8部分图11），我们不难看出在该井700-2500米存在不同程度的坍塌或者缩径，在的（2600-2700米）井段以及（2700-3300米）井段出现了严重的扩径现象，（3300-3800米）井段扩径现象减小，一方面由于泥浆密度提高，一方面由于岩石强度增大以及地应力水平相对降低。

第一，在（700-2500米）层段，一方面现场所使用的泥浆密度在地层坍塌压力当量密度附近，时大时小，另一方面，原始地应力水平高，加上岩石沙岩泥岩交替，产生坍塌缩径。

不难解释该段井径扩大，以及部分地方出现缩径。

第二，（2600-2700米）井段以及（2700-3300米）井段根据此段岩性特征，开始出现含砾不等粒砂岩，强度低，不稳定，由强度参数对比图可以看出，该层段的粘聚力低于5MPa,属于未胶结。

当井内液柱压力不足时，更造成容易坍塌事故。

第三，（3300-3800米）井段，一方面由于泥浆密度提高，一方面由于岩石强度增大以及地应力水平相对降低。

7地层出砂预测

7．1利用B指数法预测地层是否出砂[1]P149

（7-1）

B值越大，E与G之和就越大，那么岩石强度就越大，稳定性越好，不易出砂。

（1）当B>2×104MPa时，在正常生产时油层不会出砂；

（2）当2×104MPa>B>×104MPa时，油层微量出砂，但油层见水后就会严重出砂，需生产中适时防砂；

（3）当B<×104MPa时，正常生产时会严重出砂。

B指数与井深的关系见第8部分图12，从结果可以看出，该储层岩石强度较高，在储层段B指数基本上都大于20000MPa，在油井正常生产时不出砂。

7．2组合模量法预测地层是否出砂[1]P150

根据声速及密度测井资料，用下式计算岩石的弹性组合模量Ec：

（7-2）

一般情况下，Ec越小，地层出砂的可能性越大。

出砂与否的判断方法如下：

（1）Ec>2×104MPa，在正常生产时油层不会出砂；

（2）当2×104MPa>Ec>×104MPa时，油层微量出砂；

（3）当Ec<×104MPa时，正常生产时会严重出砂。

组合模量与井深的关系见第8部分图13，从结果可以看出，该储层岩石强度较高，在储层段Ec都大于20000MPa，在油井正常生产时不出砂。

8计算结果及其分析

8．1利用自然伽马测井数据简单分析地层泥质含量

图1地层泥质含量与井深关系曲线图2Boit系数与井深关系曲线

8．2地层的动静态弹性模量、泊松比

图3纵横波波速

图4地层地层动静态弹性模量图5地层地层动静态泊松比

8．3地层岩石单轴抗拉强度、粘聚力、内摩擦角与地层抗拉强度的连续剖面

图6地层岩石单轴抗压强度图7地层岩石内磨擦角

图8地层岩石粘聚力与抗拉强度

8．4地层地应力

图9地层地应力当量密度

8．5地层坍塌压力和破裂压力

图10地层坍塌压力和破裂压力

图11井径

从上图可以看出在该井在2600米~3300米处出现了较为严重的扩径现象，在坍塌破裂压力曲线图上我们不难发现在该井段泥浆密度低于坍塌压力，在下部井段提高泥浆密度过后，扩径明显减小，井眼质量得到改善。

从计算结果可以看出不难发现发现，该井在部分井段上有井壁坍塌得可能性，从井径与井深关系曲线（第8部分图10），我们不难看出在该井700-2500米存在不同程度的坍塌或者缩径，在的（2600-2700米）井段以及（2700-3300米）井段出现了严重的扩径现象，（3300-3800米）井段扩径现象减小，一方面由于泥浆密度提高，一方面由于岩石强度增大以及地应力水平相对降低。

8．6用B指数法预测地层出砂可能性

图12B指数

图13组合模量

从结果可以看出，该储层岩石强度较高，在储层段B指数基本上都大于20000MPa，Ec都大于20000MPa，在油井正常生产时不出砂。

9结论与总结

本文根据声波、密度、伽玛测井资料及泥浆密度等参数，利用本课程中所学到的岩石强度参数计算公式计算出各地层的强度参数，再根据密度对井深的积分计算出上覆岩层应力，利用压裂试验数据，通过六五模式，强度参数计算了最大、最小主应力。

然后用以上所得参数计算出地层的坍塌及破裂压力。

分析了在井段出现扩径的原因。

最后利用B指数和组合模量法对出砂情况进行预测。

通过计算，该储层正常生产时，出砂的可能性较小。

通过学习本课程，我对石油工程岩石力学有了更深更系统的了解，为以后继续学习和工作奠定了一定的基础，蔚宝华老师讲课认真细致，对我理解本课程的知识点帮助很大，感谢蔚老师！

参考文献

[1]丁次乾.矿场地球物理[M].中国石油大学出版社，

[2]楼一珊,金业权.岩石力学与石油工程[M].石油工业出版社，

[3]林英松葛洪魁.岩石动静力学参数的试验研究[J].岩石力学与工程学报，1998,17

（2）216~222

[4]陈勉,金衍,张广清.石油工程岩石力学[M].北京：

科学出版社，,287-295.