中國石油大學(xué)巖石力學(xué)大作業(yè)

1、CHINA UNIVERSITY OF PETROLEUM巖石力學(xué)大作業(yè)所在院系： 石油工程學(xué)院 班 級： 油氣井14-1班 姓 名： 熊振宇 學(xué) 號： 2014212020 完成日期：2015 年 5 月 13日目 錄第1章 巖性分析3第2章 利用測井?dāng)?shù)據(jù)計算分析地層的彈性模量、泊松比42.1 縱橫波速度的確定42.2 彈性參數(shù)5第3章 孔隙壓力分析6第4章 利用測井?dāng)?shù)據(jù)計算強(qiáng)度參數(shù)7第5章 地應(yīng)力9第6章 安全泥漿密度窗口116.1坍塌壓力116.2破裂壓力12第7章 出砂可能性分析12第8章 合理完井方式推薦13第9章 啟裂壓力的計算14第10章 參考文獻(xiàn)16第1章 巖性分析根據(jù)自然伽瑪

2、測井?dāng)?shù)據(jù)，計算出不同井深處巖石的泥質(zhì)含量： （1-1） （1-2）式中 Vsh泥質(zhì)的體積含量；GCUR希爾奇指數(shù)，對于第三系地層取值3.7，老地層取值2，這里取3.7；IGR泥質(zhì)含量指數(shù)；GR、GRmax 、GRmin目的層的、純泥頁巖的和純砂巖層的自然伽馬值。分析得到GRmin=35.2，GRmax=134.9。VCL<0.3,Boit=0.8；,Boit=0.65；,Boit=0.5。泥質(zhì)含量隨井深剖面如圖1所示：圖1 泥質(zhì)體積含量在砂泥巖剖面中，砂巖顯示出最低值，粘土（泥巖、頁巖）顯示出最高值，而粉砂巖、泥質(zhì)砂巖介于其間，并隨著巖層中泥質(zhì)含量的增加曲線幅度增大。在砂泥巖剖面中，砂巖

3、顯示出最低值，粘土（泥巖、頁巖）顯示出最高值，而粉砂巖、泥質(zhì)砂巖介于其間，并隨著巖層中泥質(zhì)含量的增加曲線幅度增大。圖中紅線分別為泥質(zhì)含量0.3、0.5的臨界線。從圖中可看出，大部分井段的泥質(zhì)含量小于0.3，判斷該層段巖性為砂巖，選取Boit系數(shù)為0.8。第2章 利用測井?dāng)?shù)據(jù)計算分析地層的彈性模量、泊松比通過聲波測井即可取得整個井身剖面內(nèi)的全部巖石力學(xué)參數(shù)，而且測試周期短，能節(jié)省大量的人力物力。而且聲波測井采用最新的電子技術(shù)，在將以電子計算機(jī)為中心的數(shù)據(jù)分析和處理技術(shù)應(yīng)用于巖石力學(xué)研究中必將取到重要作用。2.1 縱橫波速度的確定我們知道，當(dāng)擾動產(chǎn)生于彈性體中的一點(diǎn)時，波動將由此點(diǎn)開始向各個方向傳

4、播，此時的波前并不在一個平面上，但距離擾動中心足夠遠(yuǎn)時，則可以近似認(rèn)為波動的轉(zhuǎn)播將以平面的形式向前推進(jìn)，且所有質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動都平行或垂直于傳播方向，這種波稱為平面波。其中，當(dāng)質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動方向平行于傳播方向時，稱為縱波；而當(dāng)質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動方向垂直于傳播方向時，稱為橫波。在聲波測井中，縱、橫波速度通過測井解釋后可以直接從測井解釋曲線中得到。測井曲線記錄的為各類波傳播的時間，單位為微米/米。經(jīng)過換算即可得到縱、橫波速度，換算公式為： (3-1) (3-2)在大部分的油田測井作業(yè)中，并不做全波列測井，即缺失橫波測井資料，因此，針對某一地層，就要借助經(jīng)驗(yàn)公式來估計橫波速度。對于大多數(shù)地層，常用的基于回歸的經(jīng)驗(yàn)公式2為

5、： (3-3) （3-4）(建議取值a=11.44，b=18.03，c=-5.686)2.2 彈性參數(shù)若已知介質(zhì)的密度、彈性模量和泊松比，則可確定出介質(zhì)的縱、橫波速度，反過來若測得巖石的縱、橫波速度和密度，則可求得巖石的彈性模量和泊松比，即：動態(tài)泊松比 (3-5)動態(tài)彈性模量 (3-6)為巖石的容積密度。一般認(rèn)為，動、靜彈性模量之間有著較好的線性關(guān)系3： (3-7) (3-8) 圖2 靜態(tài)泊松比隨井深剖面變化圖 圖3 靜態(tài)彈性模量隨井深剖面變化圖第3章 孔隙壓力分析本文采用Eaton法計算地層孔隙壓力。Eaton法是Eaton根據(jù)墨西哥灣等地區(qū)經(jīng)驗(yàn)及理論分析建立起來的地層孔隙壓力與測井參數(shù)間的

6、關(guān)系式： （2-1）式中：地層壓力計算值，g/cm3；上覆巖層壓力當(dāng)量鉆井液密度, g/ cm3； 正常地層壓力當(dāng)量鉆井液密度, g/ cm3，本文取為1.03g/cm3；計算處實(shí)測值；計算點(diǎn)對應(yīng)的正常趨勢線上的值。上覆巖層壓力當(dāng)量鉆井液密度的計算過程如下：首先通過線性回歸得出地層體積密度與深度的關(guān)系，即，上覆巖層壓力當(dāng)量密度為： （2-2）同時，回歸出聲波時差與地層深度的關(guān)系曲線，如圖2所示，即ln=-0.0002D+3.8844。之后可求得，最后可求出地層壓力。 圖4 聲波時差隨井深剖面變化圖 圖5 孔隙壓力當(dāng)量密度隨井深剖面變化圖第4章 利用測井?dāng)?shù)據(jù)計算強(qiáng)度參數(shù)由于取心的困難，長期以來，

7、國內(nèi)外的專家都在尋找一種更簡便的方法來確定地層的強(qiáng)度參數(shù)。利用測井資料來求取地層強(qiáng)度參數(shù)就是在這種迫切需求下發(fā)展起來的，到目前為，一些理論已經(jīng)發(fā)展得相當(dāng)成熟。巖心抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見表1。表1 A井巖心室內(nèi)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)井深(m)巖心編號圍壓(MPa)破壞強(qiáng)度(MPa)備注37971-1039.52-120146.43-140215.438874-1050.65-120155.26-140201.439758-1052.59-120148.210-140187.739758-2018.4浸泡鉆井液2天9-22097.510-240128.5未避免誤差，排除3975米處浸泡過的巖心數(shù)據(jù)。根據(jù)摩爾庫倫準(zhǔn)則

8、，將結(jié)果代入公式，可求出粘聚力和內(nèi)摩擦角如下表：在井深3797米處，內(nèi)摩擦角和粘聚力定值，設(shè)，分別利用三組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行線性回歸，可求A=4.3975，B=45.817，即得C=10.924，=39.010。同理，在井深3887米處，A=3.77，B=60.333，即得C=15.537, =35.501 在井深3975米處，A=3.38，B=61.867，即得C=16.826 , =32.914將以上結(jié)果代入公式粘聚力公式 （4-1）可算出系數(shù)A，取、A3的平均值有 。所以 （4-2）將三點(diǎn)處值代入公式進(jìn)行線性回歸，求得a=49.669 ,b=-0.9606 ,即 （4-3）抗拉強(qiáng)度由UCS=2C*

9、ctg(45-/2)和St=UCS/12給出。具體如下圖所示。圖6 摩擦角/內(nèi)聚力/抗拉強(qiáng)度隨井深變化圖第5章 地應(yīng)力地層的密度值是隨深度H變化的，所以自重產(chǎn)生的垂直地應(yīng)力一般認(rèn)為其方向與地表垂直。地層密度積分方法計算上覆主應(yīng)力： （5-1）對于構(gòu)造平緩的地區(qū)，除了上面講的垂直方向的地應(yīng)力（可認(rèn)為是一個主應(yīng)力，即在其作用的面上沒有剪應(yīng)力）可由密度測井曲線求得外，考慮到有地質(zhì)構(gòu)造力的作用，其余兩個水平主方向上的有效地應(yīng)力可寫為1： （5-2） （5-3）式中 分別為最大、最小水平主地應(yīng)力；上覆地層壓力；地層孔隙壓力；有效應(yīng)力系數(shù)，本報告中??；地層泊松比；表征構(gòu)造運(yùn)動激烈程度的構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)，對某一

10、構(gòu)造區(qū)域?yàn)槌?shù)。要確定構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)，首先必須確定該地區(qū)的地應(yīng)力。根據(jù)地漏試驗(yàn)1、2數(shù)據(jù)，代入下列公式： ； （5-4）； （5-5）; （5-6）分別計算在3832m處水平最大主應(yīng)力為77.27016MPa，水平最小主應(yīng)力為59.05847MPa；在1605m處水平最大主應(yīng)力為32.22558 MPa，水平最小主應(yīng)力為23.70465 MPa;在3832米處，為0.252 ， 為43.672MPa , 為81.78 Mpa；在1606米處，為0.294 ， 為12.941 MPa , 為 32.5Mpa將上述值分別代入公式（5.2）和（5.3），分別求得：，；， 取平均值，有，。圖7 地應(yīng)力剖

11、面曲線第6章 安全泥漿密度窗口6.1坍塌壓力假設(shè)泥頁巖的滲透率很小，而且鉆井液的性能優(yōu)良，基本上與泥頁巖地層見不發(fā)生滲透流動，可知井壁坍塌失穩(wěn)在90°和270°處，該處的有效差應(yīng)力為最大值，由摩爾庫倫強(qiáng)度準(zhǔn)則可得到保持井壁穩(wěn)定的坍塌壓力公式 （6-1）式中, 井深，m；巖石粘聚力，MPa；非線性修正系數(shù)，這里取16.2破裂壓力 當(dāng)井內(nèi)的鉆井液柱所產(chǎn)生的壓力升高到足以壓裂地層，使其原有的裂隙張開延伸或形成新的裂隙時的井內(nèi)流體壓力稱為地層的破裂壓力，從力學(xué)上說，地層破裂壓力是由于井內(nèi)鉆井液密度過大，使井壁巖石所受的周向應(yīng)力超過巖石的拉伸強(qiáng)度而造成的，即（St為抗拉強(qiáng)度）。當(dāng)此拉

12、伸力大到足以克服巖石的抗拉強(qiáng)度時，地層即產(chǎn)生破裂，造成井漏。破裂發(fā)生在最小處，即=0°或=180°處。保持井壁穩(wěn)定的破裂壓力公式 (6-2) 根據(jù)以上計算，得到地層坍塌、破裂壓力縱向分布圖，如圖10所示。 圖8 坍塌壓力/破裂壓力剖面圖第7章 出砂可能性分析油氣井出砂是石油開采遇到的重要問題之一。如果出砂得不到治理，則油氣田得不到有效開發(fā)。油井出砂是指在生產(chǎn)壓差的作用下，儲層中松散砂粒隨產(chǎn)出液流向井底的現(xiàn)象。出砂量大時砂粒會在井內(nèi)沉淀并形成砂堵。本文應(yīng)用出砂指數(shù)法對油井進(jìn)行出砂預(yù)測。 （7-1）B值越大，E與G之和就越大，那么巖石強(qiáng)度就越大，穩(wěn)定性越好，不易出砂。（1）當(dāng)B

13、>2×104MPa時，在正常生產(chǎn)時油層不會出砂；（2）當(dāng)2×104MPa>B>1.4×104MPa時，油層微量出砂，但油層見水后就會嚴(yán)重出砂，需生產(chǎn)中適時防砂；（3）當(dāng)B<1.4×104MPa時，正常生產(chǎn)時會嚴(yán)重出砂。圖9 出砂指數(shù)剖面圖從圖9中可以看出，在1600-2500m處，出砂指數(shù)小于14000MPa，屬于極易出砂的地層；而2500m以下的地層，出砂指數(shù)比上部地層略大，但在生產(chǎn)過程中也容易出砂, 350m以后地層出砂指數(shù)比較高，出砂可能性較小。所以在完井過程中，應(yīng)考慮防砂問題。第8章 合理完井方式推薦由以上分析可知，該井有

14、大段易出砂層，應(yīng)采用防砂完井。常見的防砂完井方式有裸眼礫石充填完井、套管內(nèi)礫石充填完井和人工井壁防砂完井等。 裸眼礫石充填完井是在鉆開生產(chǎn)層以前套管封固，再鉆開產(chǎn)層，在產(chǎn)層段擴(kuò)大井眼，下入篩管，在井眼與環(huán)空中充填礫石。礫石和篩管對地層出砂起阻擋作用。在下入套管并射孔的井中如有出砂，可在出沙井段下篩管，在篩管和油層套管之間的環(huán)空中充填礫石的防砂工藝，是管內(nèi)礫石充填完井。在這種完井屬于二次完井。這是利用滲透性的可凝固材料注入到出砂層，形成阻擋沙粒的人工井壁，用以防砂的完井技術(shù)。從以上壓力剖面的分析中可以看出，本井力學(xué)性質(zhì)較穩(wěn)定，同時從提高產(chǎn)量的角度來說，選擇裸眼礫石充填完井能夠滿足要求；若已經(jīng)下入

15、套管固井，則可考慮套管內(nèi)礫石充填完井；人工井壁防砂完井則比較適用于裂縫比較發(fā)育的地層，對本井不適用。第9章 啟裂壓力的計算根據(jù)巖石破壞準(zhǔn)則，當(dāng)壁面處平面上的最大有效拉伸應(yīng)力等于臨界破裂應(yīng)力Tf時，巖石發(fā)生啟裂，即 （9-1）在水平井情況下，井壁處表面上的周向應(yīng)力可以表示為 （9-2）式中，P0為初始空隙壓力，此處設(shè)為0.5MPa。最大拉伸地應(yīng)力方向（最小主應(yīng)力方向）在=90°和270°處，此時 （9-3）最大主應(yīng)力方向在=0和180°處，此時 （9-4）同時，由于A井主要受正斷層控制，所以根據(jù)相關(guān)知識，上覆壓力v應(yīng)該為最大主應(yīng)力，即有典型應(yīng)力狀態(tài)： （9-5）將對

16、應(yīng)的最大、最小主應(yīng)力代入上述9-1、9-3、9-4式，即可分別計算出水平最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力方向鉆進(jìn)的裸眼起裂壓力。根據(jù)M.krief推倒的孔隙度計算公式，其中為巖石骨架密度，砂巖一般取2.65；為孔隙流體密度，取1.03；為密度測井?dāng)?shù)據(jù)。圖10 最小主應(yīng)力方向/最大主應(yīng)力方向起裂壓力變化圖根據(jù)圖可觀察，在該垂深3980-4000米地層處，沿最大主應(yīng)力方向鉆井時的起裂壓力約為120MPa，沿最小主應(yīng)力方向鉆井時的起裂壓力約為200MPa。但總的來說，沿水平最小主應(yīng)力方向鉆進(jìn)時，起裂壓力較大，井壁越穩(wěn)定，所以選擇沿水平最小主應(yīng)力鉆進(jìn)。第10章 參考文獻(xiàn)1 鄧金根等.井壁穩(wěn)定預(yù)測技術(shù).石油工業(yè)出

17、版社.2008.2 陳勉等.石油工程巖石力學(xué).科學(xué)出版社.2008.3 林英松,葛洪魁,王順昌.巖石動靜力學(xué)參數(shù)的試驗(yàn)研究.巖石力學(xué)與工程學(xué)報.1998.4.4 樓一珊等.巖石力學(xué)與石油工程.石油工業(yè)出版社.5 劉向君等.石油測井與井壁穩(wěn)定.石油工業(yè)出版社.附錄Matlab 程序VP=1./DT*106*0.3048;%縱波波速VS=(11.44*(VP/1000)+18.03).0.5-5.686)*1000;%橫波波速Ed=(DEN.*VS.2.*(3*VP.2-4*VS.2)./(VP.2-VS.2);%動態(tài)彈性模量Es=0.544*Ed;%靜態(tài)彈性模量，泊松比figure(1);plo

18、t(Es/(109),DEPT,'b','linewidth',1);grid on;set(gcf,'color','white');set(gca,'ydir','reverse');xlabel('靜態(tài)彈性模量/Gpa');ylabel('井深/m');axis( 0 40 1600 4100);ed=(VP./VS).2-1)./(2*(VP./VS).2-1);%動態(tài)泊松比es=0.3*ed+0.2;%靜態(tài)泊松比figure(2);plot(es,DEPT,

19、'b','linewidth',1);grid on;hold on;set(gcf,'color','white');set(gca,'ydir','reverse');xlabel('靜態(tài)泊松比');ylabel('井深/m');axis( 0.2 0.4 1600 4100);kd=DEN.*(VP/1000).2-4/3*(VS/1000).2);%體積模量IGR=(GR-min(GR)/(max(GR)-min(GR);Vsh=(2.(3.7*IGR)-1)

20、/(23.7-1);%泥質(zhì)含量%礦物分析圖y1=0.3*ones(size(DEPT);y2=0.5*ones(size(DEPT);figure(3);plot(Vsh,DEPT,'b','linewidth',1);grid on;hold on;plot(y1,DEPT,'color','red','linewidth',1.5);hold on;plot(y2,DEPT,'color','red','linewidth',1.5);set(gcf,'c

21、olor','white');set(gca,'ydir','reverse');xlabel('泥質(zhì)體積含量');ylabel('井深/m');axis( -inf inf 1600 4100);P=(0.0045*(1-Vsh)+0.008*Vsh).*Ed;%抗壓強(qiáng)度St=1/12*P;%抗拉強(qiáng)度%通過三軸試驗(yàn)計算地層內(nèi)摩擦角和內(nèi)聚力A=0 20 40;B=39.5 146.4 215.4;50.6 155.2 201.4;52.5 148.2 187.7;%輸入實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)for i=1:3 D(i,:

22、)=polyfit(A,B(i,:),1);%回歸抗壓強(qiáng)度與圍壓endfor i=1:3 Fii(i)=2*(45-acotd(D(i,1)0.5); Ci(i)=D(i,2)/(2*cotd(45-Fii(i)/2);%計算三次試驗(yàn)的內(nèi)摩擦角和內(nèi)聚力endKK=3.25 5.28 3.73*1021;%輸入for i=1:3 Ai(i)=Ci(i)./KK(i);%計算參數(shù)A CoFi=polyfit(Ci,Fii,1);%計算參數(shù)a，bendAA=sum(Ai(1:3)/3;C=AA*(1-2*ed).*(1+ed)./(1-ed).2.*DEN.2.*VP.4.*(1+0.78*Vsh)

23、;%內(nèi)聚力Fi=CoFi(2)+CoFi(1)*C;%內(nèi)摩擦角figure(4);plot(C,DEPT,'b','linewidth',0.7);hold on;plot(Fi,DEPT,'r','linewidth',0.7);hold on;plot(St/106,DEPT,'g','linewidth',0.7);grid on;legend('內(nèi)聚力/Mpa','內(nèi)摩擦角','抗拉強(qiáng)度/Mpa',0);set(gcf,'color&#

24、39;,'white');set(gca,'ydir','reverse');ylabel('井深/m');axis( 0 50 1600 4100);%孔隙壓力分析m=polyfit(DEPT,DEN/1000,1);%線性回歸巖石體積密度Sigma_v=m(1)/2*DEPT+m(2);%上覆巖層壓力鉆井液密度dT=DT/0.3048;n=polyfit(DEPT,log(dT),1);%線性回歸聲波時差dTn=exp(n(1)*DEPT+n(2);Pp=Sigma_v-(Sigma_v-1.03).*(dTn./dT).3;

25、%用伊頓法計算孔隙壓力p=polyfit(DEPT,Pp,1);Ppp=p(1)*DEPT+p(2);figure(5);plot(log(dT),DEPT,'b','linewidth',1);hold on;plot(log(dTn),DEPT,'color','red','linewidth',1.5);set(gcf,'color','white');set(gca,'ydir','reverse');xlabel('InDT'

26、);ylabel('井深/m');axis( -inf inf 1600 4100);figure(6);plot(Pp,DEPT,'b','linewidth',1);hold on;plot(Ppp,DEPT,'color','red','linewidth',1.5);set(gcf,'color','white');set(gca,'ydir','reverse');xlabel('地層孔隙壓力當(dāng)量鉆井液密度/g/cm3

27、');ylabel('井深/m');axis( 0 3 1600 4100);%地應(yīng)力Sigma_z=0.00981*Sigma_v.*DEPT;%上覆主應(yīng)力%地漏實(shí)驗(yàn)i=find(DEPT=3832);h1=60.22;H1=3*h1-0.8*Ppp(i)*0.00981.*DEPT(i)-70.98+2.65;%代入Pf Stbeta1=(H1-0.8*Ppp(i)*0.00981.*DEPT(i)./(Sigma_z(i)-0.8*Ppp(i)*0.00981.*DEPT(i)-es(i)./(1-es(i);gama1=(h1-0.8*Ppp(i)*0.0098

28、1.*DEPT(i)./(Sigma_z(i)-0.8*Ppp(i)*0.00981.*DEPT(i)-es(i)./(1-es(i);i=find(DEPT=1605);h2=24.10;H2=3*h2-0.8*Ppp(i)*0.00981.*DEPT(i)-27.01+0.88;beta2=(H2-0.8*Ppp(i)*0.00981.*DEPT(i)./(Sigma_z(i)-0.8*Ppp(i)*0.00981.*DEPT(i)-es(i)./(1-es(i);gama2=(h2-0.8*Ppp(i)*0.00981.*DEPT(i)./(Sigma_z(i)-0.8*Ppp(i)*0

29、.00981.*DEPT(i)-es(i)./(1-es(i);beta=(beta1+beta2)/2;gama=(gama1+gama2)/2;%構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)Sigma_H=(es./(1-es)+beta).*(Sigma_v-0.8*Pp)+0.8*Pp;Sigma_h=(es./(1-es)+gama).*(Sigma_v-0.8*Pp)+0.8*Pp;figure(7)plot(Sigma_H,DEPT,'b','linewidth',0.7);hold on;plot(Sigma_h,DEPT,'g','linewidth&

30、#39;,0.7);hold on;plot(Sigma_v,DEPT,'r','linewidth',1);grid on;legend('水平最大主應(yīng)力當(dāng)量密度g/cm2','水平最小主應(yīng)力當(dāng)量密度g/cm2','垂向應(yīng)力當(dāng)量密度g/cm2');set(gcf,'color','white');set(gca,'ydir','reverse');ylabel('井深/m');axis( 0 3 1600 4100);%安全泥漿密度窗

31、口K=cotd(45-Fi/2);Pb=(3*Sigma_h-Sigma_H)-2*C.*K./DEPT*100+0.8*Ppp.*(K.2-1)./(K.2+1);%坍塌壓力Pf=(3*Sigma_h-Sigma_H-0.8*Pp)+St./(0.00981*DEPT*106);%破裂壓力figure(8);plot(Pb,DEPT,'b','linewidth',0.7);hold on;plot(Pf,DEPT,'g','linewidth',0.7);hold on;plot(Pm,DE,'r','linewidth',0.7);grid on;legend('坍塌壓力當(dāng)量密度','破裂壓力當(dāng)量密度','鉆井液密度');set(gcf,'color','white');set(gca,'ydir','reverse');ylabel('井深/m');axis( 0 3 1600 4100);