巖石力學(xué)大作業(yè)

1、 CHINA UNIVERSITY OF PETROLEUM20092010學(xué)年第二學(xué)期巖石力學(xué)結(jié)課大作業(yè)所在院系： 石油工程學(xué)院 考生姓名： 張宗仁 學(xué) 號(hào)： S090020463 班 級(jí)： 油氣井研09-1 完成日期：2010 年 6 月 15日目 錄1 前言：12 利用自然伽馬測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)簡(jiǎn)單分析地層巖性121 估算地層泥質(zhì)含量122 估算地層biot系數(shù)23 利用測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)計(jì)算分析地層的彈性模量、泊松比。231縱、橫聲波速度232巖石的動(dòng)態(tài)彈性參數(shù)確定233巖石的動(dòng)態(tài)彈性參數(shù)與靜態(tài)彈性參數(shù)的轉(zhuǎn)化34 利用測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)計(jì)算粘聚力、內(nèi)摩擦角與地層抗拉強(qiáng)度的連續(xù)剖面341巖石單軸抗壓強(qiáng)度的確定342巖

2、石粘聚力和內(nèi)摩擦角的確定45 計(jì)算地層地應(yīng)力46 計(jì)算地層坍塌壓力和破裂壓力661巖石破壞強(qiáng)度準(zhǔn)則摩爾庫(kù)倫準(zhǔn)則662井壁坍塌壓力的計(jì)算663井壁破裂壓力的計(jì)算764擴(kuò)徑原因分析77 地層出砂預(yù)測(cè)771利用B指數(shù)法預(yù)測(cè)地層是否出砂772組合模量法預(yù)測(cè)地層是否出砂88 計(jì)算結(jié)果及其分析981利用自然伽馬測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)簡(jiǎn)單分析地層泥質(zhì)含量982地層的動(dòng)靜態(tài)彈性模量、泊松比1083地層巖石單軸抗拉強(qiáng)度、粘聚力、內(nèi)摩擦角與地層抗拉強(qiáng)度的連續(xù)剖面1184地層地應(yīng)力1385地層坍塌壓力和破裂壓力1486用B指數(shù)法預(yù)測(cè)地層出砂可能性159 結(jié)論與總結(jié)16參考文獻(xiàn)17巖石力學(xué)結(jié)課大作業(yè)張宗仁1 前言：在石油勘探開發(fā)過

3、程中，由于地層巖石其特有的性質(zhì)，在鉆井過程中，由于井壁圍巖失穩(wěn)所造成漏、噴、塌、卡等安全事故，以及開采過程中，出沙、套管損壞等問題已經(jīng)造成巨大損失。利用巖石力學(xué)知識(shí)，利用測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)分析井眼周圍巖石力學(xué)性質(zhì)，是解決這些問題的有效方法。本文利用給出的測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)，對(duì)地層力學(xué)參數(shù)、地應(yīng)力、地層坍塌壓力與破裂壓力進(jìn)行分析計(jì)算，作出地層力學(xué)參數(shù)、地層主應(yīng)力、地層坍塌、破裂壓力剖面，分析井壁坍塌原因；研究?jī)?chǔ)層段的出砂可能性。2 利用自然伽馬測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)簡(jiǎn)單分析地層巖性21 估算地層泥質(zhì)含量自然伽瑪測(cè)井是在井內(nèi)測(cè)量巖層中自然存在的放射性核素核衰變過程中放射出來(lái)的射線的強(qiáng)度，它可用于劃分巖性，估算地層泥質(zhì)含量。 由于泥

4、質(zhì)顆粒細(xì)小，具有較大的比面，使它對(duì)放射性物質(zhì)有較大的吸附能力，并且沉積時(shí)間長(zhǎng)，有充分的時(shí)間與溶液中的放射性物質(zhì)一起沉積下來(lái)，所以泥質(zhì)有很高的放射性。在不含放射性礦物的情況下，泥質(zhì)含量的多少就決定了沉積巖石的放射性的強(qiáng)弱。所以有可能利用自然伽瑪測(cè)井資料來(lái)估算泥質(zhì)的含量，具體方法有兩種1 P125：相對(duì)值法 （2-1）式中：為泥質(zhì)的體積含量。GCUR為希爾奇指數(shù)，與地質(zhì)時(shí)代有關(guān)，可根據(jù)取芯分析資料與自然伽瑪測(cè)井值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)確定，對(duì)于第三系地層取3.7，老地層取2（本作業(yè)中取2）。為泥質(zhì)含量指數(shù)。 （2-2）分別表示目的層的、純泥巖層的和純砂巖層的自然伽瑪值。本測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)中=26.4；=154.319。

5、計(jì)算出的泥質(zhì)含量與井深的關(guān)系見第8部分圖1。22 估算地層biot系數(shù)當(dāng)泥質(zhì)含量>0.8時(shí)，biot系數(shù)=0.6，當(dāng)泥質(zhì)含量<0.2時(shí)，biot系數(shù)=0.9，當(dāng)時(shí)，biot系數(shù)。計(jì)算出的biot系數(shù)與井深的關(guān)系見第8部分圖2。3 利用測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)計(jì)算分析地層的彈性模量、泊松比。31縱、橫聲波速度2聲波速度測(cè)井是測(cè)量地層聲波速度的測(cè)井方法，聲波速度測(cè)井可測(cè)量滑行波通過地層傳播的時(shí)差T，縱波時(shí)差ts和橫波時(shí)差tp可從由測(cè)井公司提供的測(cè)井曲線或磁盤數(shù)據(jù)中得到，經(jīng)過換算即可得到縱橫波速度為： （m/s） （3-1）式中：為縱波時(shí)差，；為橫波時(shí)差，。大部分的油田測(cè)井作業(yè)中，并不作全波列測(cè)井，即缺

6、少橫波測(cè)井資料，因此針對(duì)某一地層，就需要借助經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)估算橫波速度。對(duì)于大多數(shù)地層，其柏松比一般在0.20.3之間，因此有： （3-2）計(jì)算出縱、橫聲波速度與井深的關(guān)系見第8部分圖3。32巖石的動(dòng)態(tài)彈性參數(shù)確定2巖石為各向同性無(wú)限彈性體，則根據(jù)縱波速度和橫波速度計(jì)算動(dòng)態(tài)泊松比和動(dòng)態(tài)楊氏模量的關(guān)系為： (3-3) (3-4)其中：為縱波速度；為橫波速度；為巖石密度；為動(dòng)態(tài)泊松比；為動(dòng)態(tài)彈性模量。應(yīng)用上式以及從密度測(cè)井和聲波測(cè)井得到的一系列數(shù)據(jù)，我們能確定整個(gè)井深剖面內(nèi)的巖石彈性參數(shù)。33巖石的動(dòng)態(tài)彈性參數(shù)與靜態(tài)彈性參數(shù)的轉(zhuǎn)化3根據(jù)文獻(xiàn)3巖石的動(dòng)態(tài)參數(shù)與靜態(tài)參數(shù)的關(guān)系式可以表示為： （3-5） （

7、3-6）動(dòng)態(tài)彈性模量與靜態(tài)彈性模量井深的關(guān)系見第8部分圖4；動(dòng)態(tài)泊松比與靜態(tài)泊松比與井深的關(guān)系見第8部分圖5。4 利用測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)計(jì)算粘聚力、內(nèi)摩擦角與地層抗拉強(qiáng)度的連續(xù)剖面長(zhǎng)期以來(lái)，一直有不少研究人員嘗試著從測(cè)井資料獲取巖石特性參數(shù)。地層聲波測(cè)井反映聲波在巖石中的傳播速度，它與巖石的密度、孔隙度、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等密切相關(guān)，它作為衡量巖石強(qiáng)度參數(shù)的一個(gè)重要指標(biāo)，長(zhǎng)期以來(lái)為眾多學(xué)者所重視。41巖石單軸抗壓強(qiáng)度的確定2Miller和Deere在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)之上建立了巖石單軸抗壓和巖石彈性模量、粘土含量之間的關(guān)系； （4-1）式中：為砂巖的泥質(zhì)含量；為砂巖的動(dòng)態(tài)楊氏模量，MPa。單軸抗壓強(qiáng)度與井深的關(guān)系見第8部分

8、圖6Cotaes等人繼Miller和Deere之后，提出了巖石固有剪切強(qiáng)度（）與單軸抗壓強(qiáng)度（）之間的關(guān)系 （4-2）巖石實(shí)驗(yàn)表明，巖石的單軸抗壓強(qiáng)度一般是其抗拉強(qiáng)度的815倍，因此，可以用下式近似計(jì)算巖石的抗拉強(qiáng)度： （4-3）式中：為巖石的抗拉強(qiáng)度，MPa。Kcl=815,本次計(jì)算取15。抗拉強(qiáng)度與井深的關(guān)系見第8部分圖742巖石粘聚力和內(nèi)摩擦角的確定Coast提出沉積巖的年粘聚力和單軸抗壓強(qiáng)度（）的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式： （4-4）式中：為巖石的動(dòng)態(tài)體積壓縮模量。 粘聚力與井深的關(guān)系見第8部分圖7對(duì)巖石強(qiáng)度內(nèi)摩擦角的計(jì)算，在斯倫貝謝公司推出的力學(xué)穩(wěn)定性測(cè)井軟件中假定所有巖石的內(nèi)摩擦角為30

9、6;，這與實(shí)際情況不符，巖石的類型、顆粒大小等均對(duì)有很大的影響。一般巖石的值與值存在著一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。根據(jù)瑪湖油田13組巖芯的實(shí)測(cè)強(qiáng)度參數(shù)值，通過回歸分析得到泥頁(yè)巖地層內(nèi)摩擦角與粘聚力間的相關(guān)關(guān)系式為： （4-5）內(nèi)摩擦角與井深的關(guān)系見第8部分圖85 計(jì)算地層地應(yīng)力地層間或者層間的不同巖性巖石的物理特性、力學(xué)特性以及地層孔隙壓力等方面的差別造成了層間或者層內(nèi)應(yīng)力分布的非均勻性。測(cè)井資料可以有效地計(jì)算這些特征量。根據(jù)上述測(cè)井資料解釋出來(lái)的巖層物理、力學(xué)參數(shù)可以有效地解釋地應(yīng)力。由于0-700米的井段缺少測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)，我們需要從下部的底層的測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)推倒0-700巖石參數(shù)，由于在自然沉積過程中，由于巖石

10、的壓實(shí)效應(yīng)，巖石的密度往往隨地層深度的增加而增加并且近似的成正比關(guān)系，我們不妨用700-3800米的地層密度測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)擬和巖石密度與井深的變化關(guān)系。 (5-1)式中：H為井深，A、B為擬合數(shù)據(jù)。本次計(jì)算中擬合結(jié)果為：當(dāng)H=700米處，該處的上腹巖層壓力約為 (5-2)黃榮樽等假設(shè)地下巖層的地應(yīng)力主要由上覆巖層壓力與水平方向構(gòu)造應(yīng)力產(chǎn)生，且水平方向的構(gòu)造應(yīng)力與上覆巖層壓力成正比4P92。 (5-3)式中：、為地應(yīng)力系數(shù)；、為地應(yīng)力系數(shù)；是區(qū)域地層的特性值，那么我們可根據(jù)水力壓裂試驗(yàn)的方法反求它們的值。 (5-4)式中： 為有效應(yīng)力系數(shù)； 為孔隙壓力（MPa）。當(dāng)井深2450m時(shí)，=59Mpa，=4

11、9Mpa，由測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)及以上內(nèi)容計(jì)算：Vcl=0.3427=0.2413 帶入上式可算得：把上述系數(shù)帶入式（5-3）可以求得地層地應(yīng)力隨井深的變化規(guī)律。計(jì)算結(jié)果見第8部分圖9。從計(jì)算結(jié)果可以看出，在該底層段，最小水平主應(yīng)力< 上覆巖層壓力<最大水平主應(yīng)力。6 計(jì)算地層坍塌壓力和破裂壓力61巖石破壞強(qiáng)度準(zhǔn)則摩爾庫(kù)倫準(zhǔn)則4P100若巖石受三主應(yīng)力，摩爾庫(kù)倫準(zhǔn)則可表示為： （6-1）若巖有空隙壓力Pp時(shí)，用有效應(yīng)力： （6-2）62井壁坍塌壓力的計(jì)算4P105根據(jù)摩爾-庫(kù)侖強(qiáng)度準(zhǔn)則，巖石剪切破壞與否主要受巖石所受到的最大最小主控應(yīng)力控制，井壁處巖石最大最小主應(yīng)力分別為周向應(yīng)力和徑向應(yīng)力。若

12、水平地應(yīng)力不均勻，井壁巖石周向應(yīng)力在于最大水平主應(yīng)力成90度或270度時(shí)得到最大的應(yīng)力差值。假設(shè)泥頁(yè)巖滲透率非常小，且鉆井液性能優(yōu)良，基本上與泥頁(yè)巖地層間不發(fā)生滲流，保持井壁穩(wěn)定的坍塌壓力計(jì)算公式可表示為： （6-3） 式中：； H為井深(m)；為坍塌壓力（）； 為巖石的粘聚力（MPa）；為應(yīng)力非線性修正系數(shù)（=1.18）；（孔隙壓力：MPa）63井壁破裂壓力的計(jì)算4P106在地層某處深度處，井內(nèi)的鉆井液柱所產(chǎn)生的壓力升高足以壓裂地層，使其原有的裂隙張開延伸或形成新的裂隙時(shí)的井內(nèi)流體壓力稱為地層的破裂壓力。地層的破裂是由于井內(nèi)鉆井液密度過大使巖石所受的周向應(yīng)力達(dá)到巖石的抗拉強(qiáng)度而造成的。若滲透

13、率很低，不考慮滲流，地層破裂壓力可表示為： (6-4)坍塌壓力當(dāng)量密度、破裂壓力當(dāng)量密度、泥漿密度關(guān)系見第8部分圖10。64擴(kuò)徑原因分析 從計(jì)算結(jié)果可以看出不難發(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)，該井在部分井段上有井壁坍塌得可能性，從井徑與井深關(guān)系曲線（第8部分圖11），我們不難看出在該井700-2500米存在不同程度的坍塌或者縮徑，在215.9mm的（2600-2700米）井段以及（2700-3300米）井段出現(xiàn)了嚴(yán)重的擴(kuò)徑現(xiàn)象，（3300-3800米）井段擴(kuò)徑現(xiàn)象減小，一方面由于泥漿密度提高，一方面由于巖石強(qiáng)度增大以及地應(yīng)力水平相對(duì)降低。第一，在（700-2500米）層段，一方面現(xiàn)場(chǎng)所使用的泥漿密度在地層坍塌壓力當(dāng)

14、量密度附近，時(shí)大時(shí)小，另一方面，原始地應(yīng)力水平高，加上巖石沙巖泥巖交替，產(chǎn)生坍塌縮徑。不難解釋該段井徑擴(kuò)大，以及部分地方出現(xiàn)縮徑。第二，（2600-2700米）井段以及（2700-3300米）井段根據(jù)此段巖性特征，開始出現(xiàn)含礫不等粒砂巖，強(qiáng)度低，不穩(wěn)定，由強(qiáng)度參數(shù)對(duì)比圖可以看出，該層段的粘聚力低于5MPa,屬于未膠結(jié)。當(dāng)井內(nèi)液柱壓力不足時(shí)，更造成容易坍塌事故。第三，（3300-3800米）井段，一方面由于泥漿密度提高，一方面由于巖石強(qiáng)度增大以及地應(yīng)力水平相對(duì)降低。7 地層出砂預(yù)測(cè)71利用B指數(shù)法預(yù)測(cè)地層是否出砂1P149 (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

15、易出砂。（1）當(dāng)B>2×104MPa時(shí)，在正常生產(chǎn)時(shí)油層不會(huì)出砂；（2）當(dāng)2×104MPa>B>1.4×104MPa時(shí)，油層微量出砂，但油層見水后就會(huì)嚴(yán)重出砂，需生產(chǎn)中適時(shí)防砂；（3）當(dāng)B<1.4×104MPa時(shí)，正常生產(chǎn)時(shí)會(huì)嚴(yán)重出砂。B指數(shù)與井深的關(guān)系見第8部分圖12，從結(jié)果可以看出，該儲(chǔ)層巖石強(qiáng)度較高，在儲(chǔ)層段B指數(shù)基本上都大于20000MPa，在油井正常生產(chǎn)時(shí)不出砂。72組合模量法預(yù)測(cè)地層是否出砂1P150根據(jù)聲速及密度測(cè)井資料，用下式計(jì)算巖石的彈性組合模量Ec： (7-2)一般情況下，Ec越小，地層出砂的可能性越大。出砂與

16、否的判斷方法如下：（1）Ec>2×104MPa，在正常生產(chǎn)時(shí)油層不會(huì)出砂；（2）當(dāng)2×104MPa>Ec>1.5×104MPa時(shí)，油層微量出砂；（3）當(dāng)Ec<1.5×104MPa時(shí)，正常生產(chǎn)時(shí)會(huì)嚴(yán)重出砂。組合模量與井深的關(guān)系見第8部分圖13，從結(jié)果可以看出，該儲(chǔ)層巖石強(qiáng)度較高，在儲(chǔ)層段Ec都大于20000MPa，在油井正常生產(chǎn)時(shí)不出砂。8 計(jì)算結(jié)果及其分析81利用自然伽馬測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)簡(jiǎn)單分析地層泥質(zhì)含量 圖1地層泥質(zhì)含量與井深關(guān)系曲線 圖2 Boit系數(shù)與井深關(guān)系曲線82地層的動(dòng)靜態(tài)彈性模量、泊松比圖3 縱橫波波速 圖4 地層地層動(dòng)靜

17、態(tài)彈性模量 圖5 地層地層動(dòng)靜態(tài)泊松比83地層巖石單軸抗拉強(qiáng)度、粘聚力、內(nèi)摩擦角與地層抗拉強(qiáng)度的連續(xù)剖面 圖6 地層巖石單軸抗壓強(qiáng)度 圖7 地層巖石內(nèi)磨擦角圖8 地層巖石粘聚力與抗拉強(qiáng)度84地層地應(yīng)力圖9 地層地應(yīng)力當(dāng)量密度85地層坍塌壓力和破裂壓力 圖10地層坍塌壓力和破裂壓力 圖11 井徑從上圖可以看出在該井在2600米3300米處出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的擴(kuò)徑現(xiàn)象，在坍塌破裂壓力曲線圖上我們不難發(fā)現(xiàn)在該井段泥漿密度低于坍塌壓力，在下部井段提高泥漿密度過后，擴(kuò)徑明顯減小，井眼質(zhì)量得到改善。從計(jì)算結(jié)果可以看出不難發(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)，該井在部分井段上有井壁坍塌得可能性，從井徑與井深關(guān)系曲線（第8部分圖10），我們

18、不難看出在該井700-2500米存在不同程度的坍塌或者縮徑，在215.9mm的（2600-2700米）井段以及（2700-3300米）井段出現(xiàn)了嚴(yán)重的擴(kuò)徑現(xiàn)象，（3300-3800米）井段擴(kuò)徑現(xiàn)象減小，一方面由于泥漿密度提高，一方面由于巖石強(qiáng)度增大以及地應(yīng)力水平相對(duì)降低。86用B指數(shù)法預(yù)測(cè)地層出砂可能性圖12 B指數(shù)圖13 組合模量從結(jié)果可以看出，該儲(chǔ)層巖石強(qiáng)度較高，在儲(chǔ)層段B指數(shù)基本上都大于20000MPa， Ec都大于20000MPa，在油井正常生產(chǎn)時(shí)不出砂。9 結(jié)論與總結(jié)本文根據(jù)聲波、密度、伽瑪測(cè)井資料及泥漿密度等參數(shù)，利用本課程中所學(xué)到的巖石強(qiáng)度參數(shù)計(jì)算公式計(jì)算出各地層的強(qiáng)度參數(shù)，再根據(jù)密度對(duì)井深的積分計(jì)算出上覆巖層應(yīng)力，利用壓裂試驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過六五模式，強(qiáng)度參數(shù)計(jì)算了最大、最小主應(yīng)力。然后用以上所得參數(shù)計(jì)算出地層的坍塌及破裂壓力。分析了在215.9mm井段出現(xiàn)擴(kuò)徑的原因。最后利用B指數(shù)和組合模量法對(duì)