巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)

1、巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)交流人：交流人：李世杰李世杰 一、簡(jiǎn)介一、簡(jiǎn)介 二、實(shí)驗(yàn)類型及測(cè)試參數(shù)二、實(shí)驗(yàn)類型及測(cè)試參數(shù) 三、在石油工程領(lǐng)域中的應(yīng)用三、在石油工程領(lǐng)域中的應(yīng)用 匯匯 報(bào)報(bào) 提提 綱綱一一. . 簡(jiǎn)介簡(jiǎn)介巖石力學(xué)發(fā)展現(xiàn)狀巖石力學(xué)發(fā)展現(xiàn)狀“巖石力學(xué)是研究巖石力學(xué)性能的理論和巖石力學(xué)是研究巖石力學(xué)性能的理論和應(yīng)用的科學(xué)應(yīng)用的科學(xué)”。它在石油工程領(lǐng)域中的。它在石油工程領(lǐng)域中的應(yīng)用起步較晚，國內(nèi)外上世紀(jì)應(yīng)用起步較晚，國內(nèi)外上世紀(jì)90年代后年代后才得到較快發(fā)展。才得到較快發(fā)展。巖石力學(xué)發(fā)展現(xiàn)狀巖石力學(xué)發(fā)展現(xiàn)狀目前國內(nèi)外石油工程領(lǐng)域巖石力學(xué)的研究主要集中在目前國內(nèi)外石油工程領(lǐng)域巖石力學(xué)的

2、研究主要集中在以下幾方面：以下幾方面：巖石物理力學(xué)性質(zhì)的井下地球物理解釋；巖石物理力學(xué)性質(zhì)的井下地球物理解釋；地層巖石的力學(xué)性質(zhì)及在開采中的變化規(guī)律；地層巖石的力學(xué)性質(zhì)及在開采中的變化規(guī)律；地下的巖石物性和聲學(xué)響應(yīng)特征；地下的巖石物性和聲學(xué)響應(yīng)特征；水力壓裂力學(xué)研究；水力壓裂力學(xué)研究；井眼穩(wěn)定、儲(chǔ)層出砂、優(yōu)化射孔、稠油冷熱采等井下井眼穩(wěn)定、儲(chǔ)層出砂、優(yōu)化射孔、稠油冷熱采等井下工程研究；工程研究；一一. . 簡(jiǎn)介簡(jiǎn)介巖石力學(xué)發(fā)展現(xiàn)狀巖石力學(xué)發(fā)展現(xiàn)狀油氣藏開采引起的地層錯(cuò)動(dòng)、蠕變和地面沉降研究；油氣藏開采引起的地層錯(cuò)動(dòng)、蠕變和地面沉降研究；石油開采中的流固耦合問題及孔隙結(jié)構(gòu)的變形和坍塌；石油開采中

3、的流固耦合問題及孔隙結(jié)構(gòu)的變形和坍塌；應(yīng)力場(chǎng)、溫度場(chǎng)和滲流場(chǎng)作用下的流固耦合分析；應(yīng)力場(chǎng)、溫度場(chǎng)和滲流場(chǎng)作用下的流固耦合分析；流固耦合油氣藏?cái)?shù)值模擬理論和方法研究；流固耦合油氣藏?cái)?shù)值模擬理論和方法研究；地應(yīng)力測(cè)試技術(shù)；地應(yīng)力測(cè)試技術(shù)；地應(yīng)力場(chǎng)的演變及天然裂縫的形成與擴(kuò)展的規(guī)律。地應(yīng)力場(chǎng)的演變及天然裂縫的形成與擴(kuò)展的規(guī)律。目前國內(nèi)外石油工程領(lǐng)域巖石力學(xué)的研究主要集中在目前國內(nèi)外石油工程領(lǐng)域巖石力學(xué)的研究主要集中在以下幾方面：以下幾方面：一一. . 簡(jiǎn)介簡(jiǎn)介實(shí)驗(yàn)設(shè)備簡(jiǎn)介實(shí)驗(yàn)設(shè)備簡(jiǎn)介軸向力軸向力:149 :149 噸噸圍壓圍壓:Pc138 MPa:Pc138 MPa孔隙壓力孔隙壓力:Pp103 MP

4、a:Pp103 MPa模擬溫度模擬溫度:T200 :T200 技 術(shù) 指 標(biāo)一一. . 簡(jiǎn)介簡(jiǎn)介設(shè)備的工作原理設(shè)備的工作原理計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制環(huán)境條件模擬環(huán)境條件模擬巖石靜態(tài)、動(dòng)態(tài)巖石靜態(tài)、動(dòng)態(tài)參數(shù)測(cè)試參數(shù)測(cè)試力學(xué)參數(shù)力學(xué)參數(shù) 聲學(xué)參數(shù)聲學(xué)參數(shù)滲透性參數(shù)滲透性參數(shù)其它參數(shù)其它參數(shù)實(shí)驗(yàn)設(shè)備簡(jiǎn)介實(shí)驗(yàn)設(shè)備簡(jiǎn)介一一. . 簡(jiǎn)介簡(jiǎn)介 一、簡(jiǎn)介一、簡(jiǎn)介 二、實(shí)驗(yàn)類型及測(cè)試參數(shù)二、實(shí)驗(yàn)類型及測(cè)試參數(shù) 三、在石油工程領(lǐng)域中的應(yīng)用三、在石油工程領(lǐng)域中的應(yīng)用 匯匯 報(bào)報(bào) 提提 綱綱匯匯 報(bào)報(bào) 提提 綱綱二二. .實(shí)驗(yàn)類型及測(cè)試參數(shù)實(shí)驗(yàn)類型及測(cè)試參數(shù)室室內(nèi)內(nèi)巖巖石石力力學(xué)學(xué)研研究究方方法法靜態(tài)法靜態(tài)法：靜

5、態(tài)法：是通過對(duì)巖樣進(jìn)行是通過對(duì)巖樣進(jìn)行靜態(tài)加載，測(cè)試獲得。靜態(tài)加載，測(cè)試獲得。 動(dòng)態(tài)法：動(dòng)態(tài)法：是通過測(cè)定聲波在是通過測(cè)定聲波在巖樣中的傳播速度而獲得。巖樣中的傳播速度而獲得。 單軸壓縮實(shí)驗(yàn) 三軸壓縮實(shí)驗(yàn) 巴西劈拉實(shí)驗(yàn)斷裂韌性實(shí)驗(yàn)蠕變實(shí)驗(yàn)室內(nèi)聲波實(shí)驗(yàn)聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)動(dòng)態(tài)法1.1.單軸壓縮實(shí)驗(yàn)單軸壓縮實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)方法：實(shí)驗(yàn)方法：不加側(cè)向約束力，對(duì)圓柱狀巖樣連不加側(cè)向約束力，對(duì)圓柱狀巖樣連續(xù)施加軸向載荷，直至破壞。續(xù)施加軸向載荷，直至破壞。 上端帽上端帽下端帽下端帽熱縮套熱縮套應(yīng)變傳感器應(yīng)變傳感器巖樣巖樣巖樣組件示意圖巖樣組件示意圖 二二. .實(shí)驗(yàn)類型及測(cè)試參數(shù)實(shí)驗(yàn)類型及測(cè)試參數(shù)1.1.單軸壓縮實(shí)驗(yàn)單軸壓縮

6、實(shí)驗(yàn)maxaUUCSC或aaEarmaxa0C壓密階段壓密階段彈性變形階段彈性變形階段塑性變形階段塑性變形階段破壞后階段破壞后階段屈服點(diǎn)殘余強(qiáng)度二二. .實(shí)驗(yàn)類型及測(cè)試參數(shù)實(shí)驗(yàn)類型及測(cè)試參數(shù)1.1.單軸壓縮實(shí)驗(yàn)單軸壓縮實(shí)驗(yàn)計(jì)算公式：計(jì)算公式：aaEarmax0aC二二. .實(shí)驗(yàn)類型及測(cè)試參數(shù)實(shí)驗(yàn)類型及測(cè)試參數(shù)測(cè)試參數(shù)：測(cè)試參數(shù)：?jiǎn)屋S抗壓強(qiáng)度、楊氏模量、泊松比單軸抗壓強(qiáng)度、楊氏模量、泊松比2.2.三軸壓縮實(shí)驗(yàn)三軸壓縮實(shí)驗(yàn)加孔壓的三軸壓縮實(shí)驗(yàn)加孔壓的三軸壓縮實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)也可以模擬地層溫度條件實(shí)驗(yàn)也可以模擬地層溫度條件實(shí)驗(yàn)方法：實(shí)驗(yàn)方法： 是在恒定圍壓（和恒定孔隙壓力）條是在恒定圍壓（和恒定孔隙壓力）條

7、件下，對(duì)圓柱狀巖樣連續(xù)施加軸向載荷，直至巖件下，對(duì)圓柱狀巖樣連續(xù)施加軸向載荷，直至巖樣破壞。樣破壞。 二二. .實(shí)驗(yàn)類型及測(cè)試參數(shù)實(shí)驗(yàn)類型及測(cè)試參數(shù)不加孔壓的三軸壓縮實(shí)驗(yàn)不加孔壓的三軸壓縮實(shí)驗(yàn)巖樣巖樣pccPPPcPcPdd2.2.三軸壓縮實(shí)驗(yàn)三軸壓縮實(shí)驗(yàn)maxd三三軸軸壓壓縮縮應(yīng)應(yīng)力力應(yīng)應(yīng)變變曲曲線線二二. .實(shí)驗(yàn)類型及測(cè)試參數(shù)實(shí)驗(yàn)類型及測(cè)試參數(shù)max)(cdcPPC)21 ( 3)1 (2EKEGEaraa2.2.三軸壓縮實(shí)驗(yàn)三軸壓縮實(shí)驗(yàn)加孔壓的三軸壓縮實(shí)驗(yàn)加載方式加孔壓的三軸壓縮實(shí)驗(yàn)加載方式二二. .實(shí)驗(yàn)類型及測(cè)試參數(shù)實(shí)驗(yàn)類型及測(cè)試參數(shù)ACDBOFE2.2.三軸壓縮實(shí)驗(yàn)三軸壓縮實(shí)驗(yàn)圍壓（

8、MPa）體積應(yīng)變根據(jù)體積應(yīng)變根據(jù)體積應(yīng)變圍壓關(guān)系曲線計(jì)算壓縮系數(shù)圍壓關(guān)系曲線計(jì)算壓縮系數(shù)bgCC10)(1133PPPPbbgPdPVVVVC013pbbbdPVVC加孔壓的三軸壓縮實(shí)驗(yàn)加孔壓的三軸壓縮實(shí)驗(yàn)二二. .實(shí)驗(yàn)類型及測(cè)試參數(shù)實(shí)驗(yàn)類型及測(cè)試參數(shù)2.2.三軸壓縮實(shí)驗(yàn)三軸壓縮實(shí)驗(yàn)利用一個(gè)單軸壓利用一個(gè)單軸壓縮實(shí)驗(yàn)和三至五縮實(shí)驗(yàn)和三至五個(gè)三軸壓縮實(shí)驗(yàn)，個(gè)三軸壓縮實(shí)驗(yàn)，可以繪制莫爾圓可以繪制莫爾圓及破裂包絡(luò)線。及破裂包絡(luò)線。0二二. .實(shí)驗(yàn)類型及測(cè)試參數(shù)實(shí)驗(yàn)類型及測(cè)試參數(shù)內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角2.2.三軸壓縮實(shí)驗(yàn)三軸壓縮實(shí)驗(yàn)庫侖破裂包絡(luò)線的表達(dá)式：庫侖破裂包絡(luò)線的表達(dá)式：tan0二二

9、. .實(shí)驗(yàn)類型及測(cè)試參數(shù)實(shí)驗(yàn)類型及測(cè)試參數(shù)3.3.巴西劈拉實(shí)驗(yàn)巴西劈拉實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)方法：實(shí)驗(yàn)方法：利用利用Brazil實(shí)驗(yàn)間接測(cè)定巖樣實(shí)驗(yàn)間接測(cè)定巖樣的抗拉強(qiáng)度。原理是在巖樣的直徑方向的抗拉強(qiáng)度。原理是在巖樣的直徑方向上，以恒定的加載速率，連續(xù)施加相對(duì)上，以恒定的加載速率，連續(xù)施加相對(duì)的線形荷載，使之沿直徑方向破壞。的線形荷載，使之沿直徑方向破壞。二二. .實(shí)驗(yàn)類型及測(cè)試參數(shù)實(shí)驗(yàn)類型及測(cè)試參數(shù)巖樣尺寸：巖樣尺寸：直徑直徑50.4mm厚度與直徑之比為厚度與直徑之比為0.5:11:13.3.巴西劈拉實(shí)驗(yàn)巴西劈拉實(shí)驗(yàn)半球軸承，2上加載鄂，3螺孔，4導(dǎo)桿，5下加載鄂，6巖樣樣品組件示意圖樣品組件示意圖 二

10、二. .實(shí)驗(yàn)類型及測(cè)試參數(shù)實(shí)驗(yàn)類型及測(cè)試參數(shù)巖樣巖樣P PP破壞后示意圖破壞后示意圖 3.3.巴西劈拉實(shí)驗(yàn)巴西劈拉實(shí)驗(yàn)計(jì)算公式：計(jì)算公式：二二. .實(shí)驗(yàn)類型及測(cè)試參數(shù)實(shí)驗(yàn)類型及測(cè)試參數(shù)測(cè)試參數(shù)：測(cè)試參數(shù)：抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度DhPT2P4.4.聲波實(shí)驗(yàn)聲波實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)方法：實(shí)驗(yàn)方法：用一個(gè)矩形、瞬時(shí)、高壓電脈用一個(gè)矩形、瞬時(shí)、高壓電脈沖激發(fā)沖激發(fā)P波或波或 S波壓電晶體，產(chǎn)生一沿著巖波壓電晶體，產(chǎn)生一沿著巖樣傳播的彈性超聲波擾動(dòng)，然后由裝在巖樣傳播的彈性超聲波擾動(dòng)，然后由裝在巖樣另一端端帽上的對(duì)應(yīng)的壓電晶體接收。樣另一端端帽上的對(duì)應(yīng)的壓電晶體接收。根據(jù)脈沖通過巖樣的時(shí)間計(jì)算根據(jù)脈沖通過巖樣的時(shí)間計(jì)算P

11、波、波、 S波的波的速度。速度。二二. .實(shí)驗(yàn)類型及測(cè)試參數(shù)實(shí)驗(yàn)類型及測(cè)試參數(shù)4.4.聲波實(shí)驗(yàn)聲波實(shí)驗(yàn)巖樣巖樣發(fā)射發(fā)射端帽端帽接收接收端帽端帽P、S波波轉(zhuǎn)換開關(guān)轉(zhuǎn)換開關(guān)示波器示波器收、發(fā)收、發(fā)波器波器頻率為頻率為1MHz聲波實(shí)驗(yàn)原理圖聲波實(shí)驗(yàn)原理圖t1二二. .實(shí)驗(yàn)類型及測(cè)試參數(shù)實(shí)驗(yàn)類型及測(cè)試參數(shù)4.4.聲波實(shí)驗(yàn)聲波實(shí)驗(yàn)測(cè)測(cè)量量與與計(jì)計(jì)算算 測(cè)量超聲波在端帽中的延遲測(cè)量超聲波在端帽中的延遲時(shí)間時(shí)間t0 測(cè)量超聲波傳播的總時(shí)間測(cè)量超聲波傳播的總時(shí)間t1 計(jì)算樣品中的傳播時(shí)間計(jì)算樣品中的傳播時(shí)間t 計(jì)算計(jì)算P波和波和S波的波速波的波速V 計(jì)算動(dòng)態(tài)彈性參數(shù)計(jì)算動(dòng)態(tài)彈性參數(shù))21(3)1(2)(21)

12、43()1(22222222201DDDDDDspspDspspsDaEKEGVVVVVVVVVEtLVttt二二. .實(shí)驗(yàn)類型及測(cè)試參數(shù)實(shí)驗(yàn)類型及測(cè)試參數(shù)5.5.斷裂韌性實(shí)驗(yàn)斷裂韌性實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)方法：實(shí)驗(yàn)方法：在模擬圍壓和上覆壓力條件下，在模擬圍壓和上覆壓力條件下，對(duì)厚壁圓柱狀巖樣的內(nèi)孔中連續(xù)施加流體對(duì)厚壁圓柱狀巖樣的內(nèi)孔中連續(xù)施加流體壓力，直至巖樣沿預(yù)制縫破裂，測(cè)得巖樣壓力，直至巖樣沿預(yù)制縫破裂，測(cè)得巖樣破裂時(shí)的最大流體壓力。破裂時(shí)的最大流體壓力。 二二. .實(shí)驗(yàn)類型及測(cè)試參數(shù)實(shí)驗(yàn)類型及測(cè)試參數(shù)5.5.斷裂韌性實(shí)驗(yàn)斷裂韌性實(shí)驗(yàn)75mm75mm17mm10mm斷裂韌性巖樣尺寸斷裂韌性巖樣尺寸端帽

13、端帽巖樣裝配示意圖巖樣裝配示意圖高壓孔隙壓力管線高壓孔隙壓力管線聚乙烯管聚乙烯管巖樣巖樣聚四氟乙烯套聚四氟乙烯套密封圈密封圈端帽端帽二二. .實(shí)驗(yàn)類型及測(cè)試參數(shù)實(shí)驗(yàn)類型及測(cè)試參數(shù)5.5.斷裂韌性實(shí)驗(yàn)斷裂韌性實(shí)驗(yàn)計(jì)算公式：計(jì)算公式：)(max*aPKKJIIC二二. .實(shí)驗(yàn)類型及測(cè)試參數(shù)實(shí)驗(yàn)類型及測(cè)試參數(shù)測(cè)試參數(shù)：測(cè)試參數(shù)：斷裂韌性斷裂韌性實(shí)驗(yàn)后的巖樣照片實(shí)驗(yàn)后的巖樣照片砂巖砂巖泥巖泥巖6.6.蠕變實(shí)驗(yàn)蠕變實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)方法：實(shí)驗(yàn)方法：保持軸向應(yīng)力、圍壓和孔隙壓保持軸向應(yīng)力、圍壓和孔隙壓力恒定（完全伺服控制），測(cè)試巖樣應(yīng)變力恒定（完全伺服控制），測(cè)試巖樣應(yīng)變隨時(shí)間的變化。隨時(shí)間的變化。二二. .實(shí)驗(yàn)類

14、型及測(cè)試參數(shù)實(shí)驗(yàn)類型及測(cè)試參數(shù)兩種類型：兩種類型：趨于穩(wěn)定的蠕變趨于穩(wěn)定的蠕變非趨于穩(wěn)定的蠕變非趨于穩(wěn)定的蠕變6.6.蠕變實(shí)驗(yàn)蠕變實(shí)驗(yàn)典型的蠕變曲線典型的蠕變曲線0.瞬時(shí)變形階段：瞬時(shí)變形階段：常應(yīng)力剛剛作用于巖石上就出現(xiàn)的瞬時(shí)彈性應(yīng)變e；.初始蠕變階段：初始蠕變階段：應(yīng)變的增長(zhǎng)速率隨時(shí)間逐漸降低。這個(gè)過程微裂隙以逐漸減小的速率慢慢擴(kuò)展。. 穩(wěn)態(tài)蠕變階段：穩(wěn)態(tài)蠕變階段：應(yīng)變隨時(shí)間呈近于等速的增長(zhǎng)。. 加速蠕變階段：加速蠕變階段：應(yīng)變速率加應(yīng)變速率加快，并迅速導(dǎo)致破壞?？欤⒀杆賹?dǎo)致破壞。二二. .實(shí)驗(yàn)類型及測(cè)試參數(shù)實(shí)驗(yàn)類型及測(cè)試參數(shù)6.6.蠕變實(shí)驗(yàn)蠕變實(shí)驗(yàn)計(jì)算公式：計(jì)算公式：二二. .實(shí)驗(yàn)類型

15、及測(cè)試參數(shù)實(shí)驗(yàn)類型及測(cè)試參數(shù)測(cè)試參數(shù)：測(cè)試參數(shù)：蠕變?nèi)渥?.7.滲透率實(shí)驗(yàn)滲透率實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)方法：實(shí)驗(yàn)方法：模擬地層條件，進(jìn)行滲透模擬地層條件，進(jìn)行滲透率的測(cè)試。也可模擬油藏開發(fā)不同時(shí)率的測(cè)試。也可模擬油藏開發(fā)不同時(shí)期，進(jìn)行滲透率同步檢測(cè)。期，進(jìn)行滲透率同步檢測(cè)。二二. .實(shí)驗(yàn)類型及測(cè)試參數(shù)實(shí)驗(yàn)類型及測(cè)試參數(shù)測(cè)試參數(shù)：測(cè)試參數(shù)：滲透率滲透率7.7.滲透率實(shí)驗(yàn)滲透率實(shí)驗(yàn)二二. .實(shí)驗(yàn)類型及測(cè)試參數(shù)實(shí)驗(yàn)類型及測(cè)試參數(shù)峰值點(diǎn)峰值點(diǎn)屈屈服服點(diǎn)點(diǎn) 一、簡(jiǎn)介一、簡(jiǎn)介 二、實(shí)驗(yàn)類型及測(cè)試參數(shù)二、實(shí)驗(yàn)類型及測(cè)試參數(shù) 三、在石油工程領(lǐng)域中的應(yīng)用三、在石油工程領(lǐng)域中的應(yīng)用 匯匯 報(bào)報(bào) 提提 綱綱三三. .在石油工程領(lǐng)

16、域的應(yīng)用在石油工程領(lǐng)域的應(yīng)用應(yīng)用范圍應(yīng)用范圍 井壁穩(wěn)定性井壁穩(wěn)定性 出砂預(yù)測(cè)出砂預(yù)測(cè) 套管損壞機(jī)理套管損壞機(jī)理 壓裂優(yōu)化設(shè)計(jì)壓裂優(yōu)化設(shè)計(jì) 地球物理解釋地球物理解釋 地應(yīng)力測(cè)量地應(yīng)力測(cè)量 產(chǎn)能預(yù)測(cè)、壓產(chǎn)能預(yù)測(cè)、壓實(shí)實(shí)井壁穩(wěn)定井壁穩(wěn)定地震勘探地震勘探出砂預(yù)測(cè)出砂預(yù)測(cè)壓裂設(shè)計(jì)壓裂設(shè)計(jì)井壁穩(wěn)定井壁穩(wěn)定從力學(xué)的角度來說，造成井壁不穩(wěn)定的原從力學(xué)的角度來說，造成井壁不穩(wěn)定的原因主要是地層原有的應(yīng)力狀態(tài)被打破，在因主要是地層原有的應(yīng)力狀態(tài)被打破，在井壁上產(chǎn)生應(yīng)力集中，當(dāng)井內(nèi)液柱壓力較井壁上產(chǎn)生應(yīng)力集中，當(dāng)井內(nèi)液柱壓力較低時(shí)，井壁周圍巖石所受的周應(yīng)力超過巖低時(shí)，井壁周圍巖石所受的周應(yīng)力超過巖石本身的強(qiáng)度而產(chǎn)生

17、壓縮破壞。石本身的強(qiáng)度而產(chǎn)生壓縮破壞。三三. .在石油工程領(lǐng)域的應(yīng)用在石油工程領(lǐng)域的應(yīng)用井壁穩(wěn)定的力學(xué)分析流程井壁穩(wěn)定的力學(xué)分析流程原地應(yīng)力原地應(yīng)力力學(xué)本構(gòu)關(guān)系力學(xué)本構(gòu)關(guān)系“安全安全”鉆井液密度鉆井液密度巖石強(qiáng)度巖石強(qiáng)度井筒周向應(yīng)力井筒周向應(yīng)力強(qiáng)度判斷準(zhǔn)則強(qiáng)度判斷準(zhǔn)則地層坍塌應(yīng)力、破裂壓力地層坍塌應(yīng)力、破裂壓力孔隙壓力孔隙壓力地震勘探地震勘探出砂預(yù)測(cè)出砂預(yù)測(cè)壓裂設(shè)計(jì)壓裂設(shè)計(jì)井壁穩(wěn)定井壁穩(wěn)定井壁穩(wěn)定井壁穩(wěn)定三三. .在石油工程領(lǐng)域的應(yīng)用在石油工程領(lǐng)域的應(yīng)用地震勘探地震勘探出砂預(yù)測(cè)出砂預(yù)測(cè)壓裂設(shè)計(jì)壓裂設(shè)計(jì)井壁穩(wěn)定井壁穩(wěn)定井壁穩(wěn)定井壁穩(wěn)定地層zr力學(xué)模型力學(xué)模型z垂向應(yīng)力r徑向應(yīng)力周向應(yīng)力原地應(yīng)力分

18、析三三. .在石油工程領(lǐng)域的應(yīng)用在石油工程領(lǐng)域的應(yīng)用井壁巖石的狀態(tài)方程：井壁巖石的狀態(tài)方程：地震勘探地震勘探出砂預(yù)測(cè)出砂預(yù)測(cè)壓裂設(shè)計(jì)壓裂設(shè)計(jì)井壁穩(wěn)定井壁穩(wěn)定井壁穩(wěn)定井壁穩(wěn)定建立狀態(tài)方程式中：式中：r 為井眼周圍所受徑向應(yīng)力；為井眼周圍所受徑向應(yīng)力；為井眼周圍所受周向?yàn)榫壑車苤芟驊?yīng)力；應(yīng)力；r 為井眼周圍所受切應(yīng)力；為井眼周圍所受切應(yīng)力；P i為井內(nèi)鉆井液柱壓力；為井內(nèi)鉆井液柱壓力； 為井眼周圍某點(diǎn)徑向與最大水平主應(yīng)力方向的夾角；為井眼周圍某點(diǎn)徑向與最大水平主應(yīng)力方向的夾角；H 為為最大地應(yīng)力；最大地應(yīng)力；h 為最小地應(yīng)力；為最小地應(yīng)力；P p 為地層孔隙壓力；為地層孔隙壓力； 為有為有效

19、應(yīng)力系數(shù)；效應(yīng)力系數(shù)； 三三. .在石油工程領(lǐng)域的應(yīng)用在石油工程領(lǐng)域的應(yīng)用地震勘探地震勘探出砂預(yù)測(cè)出砂預(yù)測(cè)壓裂設(shè)計(jì)壓裂設(shè)計(jì)井壁穩(wěn)定井壁穩(wěn)定井壁穩(wěn)定井壁穩(wěn)定室內(nèi)測(cè)試分析抗壓強(qiáng)度、楊氏模量、泊松比、抗壓強(qiáng)度、楊氏模量、泊松比、內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角等參數(shù)內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角等參數(shù)三三. .在石油工程領(lǐng)域的應(yīng)用在石油工程領(lǐng)域的應(yīng)用地震勘探地震勘探出砂預(yù)測(cè)出砂預(yù)測(cè)壓裂設(shè)計(jì)壓裂設(shè)計(jì)井壁穩(wěn)定井壁穩(wěn)定井壁穩(wěn)定井壁穩(wěn)定井壁上的最大周向應(yīng)力井壁上的最大周向應(yīng)力: : PihH3確定鉆井液密度ohHBCPi3當(dāng)最大周向壓應(yīng)力超當(dāng)最大周向壓應(yīng)力超過井壁巖石的抗壓強(qiáng)過井壁巖石的抗壓強(qiáng)度，井壁將會(huì)出現(xiàn)壓度，井壁將會(huì)出現(xiàn)壓縮破壞，

20、引起井眼擴(kuò)縮破壞，引起井眼擴(kuò)大、崩落、孔眼坍塌大、崩落、孔眼坍塌等問題?？筛鶕?jù)實(shí)驗(yàn)等問題?？筛鶕?jù)實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)和應(yīng)力分析確室數(shù)據(jù)和應(yīng)力分析確定安全生產(chǎn)的鉆井液定安全生產(chǎn)的鉆井液密度。密度。三三. .在石油工程領(lǐng)域的應(yīng)用在石油工程領(lǐng)域的應(yīng)用出砂預(yù)測(cè)出砂預(yù)測(cè)地震勘探地震勘探出砂預(yù)測(cè)出砂預(yù)測(cè)壓裂設(shè)計(jì)壓裂設(shè)計(jì)井壁穩(wěn)定井壁穩(wěn)定根據(jù)影響機(jī)理可以把出砂劃分為兩種類型：根據(jù)影響機(jī)理可以把出砂劃分為兩種類型：1.主要由流體力影響的出砂：主要由流體力影響的出砂：可通過調(diào)整流速來控制。2.主要由高就地應(yīng)力和低油井壓力影響的出主要由高就地應(yīng)力和低油井壓力影響的出砂：砂：可以通過調(diào)整生產(chǎn)壓差、維持地層壓力來控制。三三. .

21、在石油工程領(lǐng)域的應(yīng)用在石油工程領(lǐng)域的應(yīng)用出砂預(yù)測(cè)出砂預(yù)測(cè)地震勘探地震勘探壓裂設(shè)計(jì)壓裂設(shè)計(jì)井壁穩(wěn)定井壁穩(wěn)定出砂的力學(xué)分析流程出砂的力學(xué)分析流程原地應(yīng)力原地應(yīng)力力學(xué)本構(gòu)關(guān)系力學(xué)本構(gòu)關(guān)系“安全安全”生產(chǎn)壓差生產(chǎn)壓差巖石強(qiáng)度巖石強(qiáng)度井筒周應(yīng)力井筒周應(yīng)力強(qiáng)度判斷準(zhǔn)則強(qiáng)度判斷準(zhǔn)則井底流壓井底流壓三三. .在石油工程領(lǐng)域的應(yīng)用在石油工程領(lǐng)域的應(yīng)用地震勘探地震勘探出砂預(yù)測(cè)出砂預(yù)測(cè)壓裂設(shè)計(jì)壓裂設(shè)計(jì)井壁穩(wěn)定井壁穩(wěn)定室室內(nèi)內(nèi)測(cè)測(cè)試試分分析析 巴西劈拉實(shí)驗(yàn)巴西劈拉實(shí)驗(yàn)單軸壓縮實(shí)驗(yàn)單軸壓縮實(shí)驗(yàn)三軸壓縮實(shí)驗(yàn)三軸壓縮實(shí)驗(yàn)楊氏模量、泊松比等抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角莫爾破裂包絡(luò)線獲得獲得三三. .在石油工程領(lǐng)域的應(yīng)

22、用在石油工程領(lǐng)域的應(yīng)用地震勘探地震勘探出砂預(yù)測(cè)出砂預(yù)測(cè)壓裂設(shè)計(jì)壓裂設(shè)計(jì)井壁穩(wěn)定井壁穩(wěn)定判判別別準(zhǔn)準(zhǔn)則則拉伸破壞準(zhǔn)則拉伸破壞準(zhǔn)則 式中式中: : 3 - 3 - 為巖石所受的最小主應(yīng)力為巖石所受的最小主應(yīng)力 T T0 0 - - 巖石的抗拉強(qiáng)度巖石的抗拉強(qiáng)度三三. .在石油工程領(lǐng)域的應(yīng)用在石油工程領(lǐng)域的應(yīng)用地震勘探地震勘探出砂預(yù)測(cè)出砂預(yù)測(cè)壓裂設(shè)計(jì)壓裂設(shè)計(jì)井壁穩(wěn)定井壁穩(wěn)定PiHh3隨著井底流壓的隨著井底流壓的增大，井壁上的增大，井壁上的周向壓應(yīng)力逐漸周向壓應(yīng)力逐漸減小，當(dāng)最小周減小，當(dāng)最小周向壓應(yīng)力小于井向壓應(yīng)力小于井壁巖石的抗拉強(qiáng)壁巖石的抗拉強(qiáng)度時(shí)，井壁將會(huì)度時(shí)，井壁將會(huì)出現(xiàn)拉伸破壞。出現(xiàn)拉伸破

23、壞。井壁上的最小周向應(yīng)力井壁上的最小周向應(yīng)力: : oHhTPi3判判別別準(zhǔn)準(zhǔn)則則三三. .在石油工程領(lǐng)域的應(yīng)用在石油工程領(lǐng)域的應(yīng)用地震勘探地震勘探出砂預(yù)測(cè)出砂預(yù)測(cè)壓裂設(shè)計(jì)壓裂設(shè)計(jì)井壁穩(wěn)定井壁穩(wěn)定0drd破壞區(qū)破壞區(qū)安全區(qū)安全區(qū)rd，穩(wěn)定，穩(wěn)定rd，出砂，出砂rd，即將出砂，即將出砂庫侖法判別準(zhǔn)則：庫侖法判別準(zhǔn)則：剪切破壞準(zhǔn)則剪切破壞準(zhǔn)則判判別別準(zhǔn)準(zhǔn)則則三三. .在石油工程領(lǐng)域的應(yīng)用在石油工程領(lǐng)域的應(yīng)用地震勘探地震勘探出砂預(yù)測(cè)出砂預(yù)測(cè)壓裂設(shè)計(jì)壓裂設(shè)計(jì)井壁穩(wěn)定井壁穩(wěn)定確定安全生產(chǎn)壓差 設(shè)設(shè)r=d, , 并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果代入狀態(tài)方程，就可并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果代入狀態(tài)方程，就可計(jì)算得到最小井底流壓：計(jì)算得到最小

24、井底流壓： P Pwminwmin 根據(jù)地層壓力根據(jù)地層壓力P P0 0和最小井底流壓，計(jì)算得和最小井底流壓，計(jì)算得到防止地層出砂的最大安全生產(chǎn)壓差：到防止地層出砂的最大安全生產(chǎn)壓差： PPmaxmax= =P Po o- -P Pwminwmin三三. .在石油工程領(lǐng)域的應(yīng)用在石油工程領(lǐng)域的應(yīng)用壓裂設(shè)計(jì)壓裂設(shè)計(jì)地震勘探地震勘探出砂預(yù)測(cè)出砂預(yù)測(cè)壓裂設(shè)計(jì)壓裂設(shè)計(jì)井壁穩(wěn)定井壁穩(wěn)定三三. .在石油工程領(lǐng)域的應(yīng)用在石油工程領(lǐng)域的應(yīng)用壓壓裂裂過過程程條件：井底壓力大于巖石的抗拉強(qiáng)度（斷裂韌性）條件：井底壓力大于巖石的抗拉強(qiáng)度（斷裂韌性）注入高壓液體注入高壓液體裂縫起裂擴(kuò)展 注入攜砂液注入攜砂液（支撐劑）

25、（支撐劑）人工裂縫人工裂縫壓裂液返排壓裂液返排裂縫閉合裂縫閉合地震勘探地震勘探出砂預(yù)測(cè)出砂預(yù)測(cè)壓裂設(shè)計(jì)壓裂設(shè)計(jì)井壁穩(wěn)定井壁穩(wěn)定室內(nèi)測(cè)試分析巴西劈拉實(shí)驗(yàn)巴西劈拉實(shí)驗(yàn)單軸壓縮實(shí)驗(yàn)單軸壓縮實(shí)驗(yàn)三軸壓縮實(shí)驗(yàn)三軸壓縮實(shí)驗(yàn)斷裂韌性實(shí)驗(yàn)斷裂韌性實(shí)驗(yàn)楊氏模量、泊松比抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、斷裂韌性獲得獲得地層壓力系數(shù)三三. .在石油工程領(lǐng)域的應(yīng)用在石油工程領(lǐng)域的應(yīng)用地震勘探地震勘探出砂預(yù)測(cè)出砂預(yù)測(cè)壓裂設(shè)計(jì)壓裂設(shè)計(jì)井壁穩(wěn)定井壁穩(wěn)定利用楊氏模量、泊松比預(yù)測(cè)裂縫尺寸 PiPpHh30T03TPPpHhf將將得到得到代入公式：代入公式：利用抗拉強(qiáng)度判斷裂縫起裂51512)1 (89. 1tGHQW515143)1 (45

26、. 0tHEQL三三. .在石油工程領(lǐng)域的應(yīng)用在石油工程領(lǐng)域的應(yīng)用地震勘探地震勘探出砂預(yù)測(cè)出砂預(yù)測(cè)壓裂設(shè)計(jì)壓裂設(shè)計(jì)井壁穩(wěn)定井壁穩(wěn)定利用斷裂韌性判斷裂縫的擴(kuò)展)(cos)(212)(11121hHphPKffIC將分層地應(yīng)力剖面（將分層地應(yīng)力剖面（ 、 、 ）和分層巖石力學(xué)）和分層巖石力學(xué)參數(shù)（參數(shù)（ 、）輸入壓裂設(shè)計(jì)軟件（目前采油院用的、）輸入壓裂設(shè)計(jì)軟件（目前采油院用的是是GOHFER軟件），利用軟件），利用GOHFER建立地質(zhì)模型，建立地質(zhì)模型，通過數(shù)值模擬，進(jìn)行壓裂優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過數(shù)值模擬，進(jìn)行壓裂優(yōu)化設(shè)計(jì)。HhfPE三三. .在石油工程領(lǐng)域的應(yīng)用在石油工程領(lǐng)域的應(yīng)用壓裂設(shè)計(jì)壓裂設(shè)計(jì)地球物理地球物理出砂預(yù)測(cè)出砂預(yù)測(cè)地球物理地球物理井壁穩(wěn)定井壁穩(wěn)定室內(nèi)聲波實(shí)驗(yàn)室內(nèi)聲波實(shí)驗(yàn)（Vp, Vs）現(xiàn)場(chǎng)聲波測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)聲波測(cè)試（Vp, Vs）巖性、物性、流體巖性、物性、流體聲學(xué)模型聲學(xué)模型反演反演正演正演地震、聲波測(cè)井地震、聲波測(cè)井原理原理三三. .在石油工程領(lǐng)域的應(yīng)用在石油工程領(lǐng)域的應(yīng)用地球物理地球物理出砂預(yù)測(cè)出砂預(yù)測(cè)壓裂設(shè)計(jì)壓裂設(shè)計(jì)井壁穩(wěn)定井壁穩(wěn)定流流程程框框圖圖巖性、物性、流體巖性、物性、流體地震勘探地震勘探地震資料