钻井工程岩石工程力学性质.pptx
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1、n 地应力地应力n 岩石的变形岩石的变形n 岩石的强度岩石的强度n 岩石的抗钻特性岩石的抗钻特性目录目录第1页/共52页n 地应力地应力n 岩石的变形岩石的变形n 岩石的强度岩石的强度n 岩石的抗钻特性岩石的抗钻特性目录目录第2页/共52页 地应力地应力 内力内力 应力应力当物体受到外力作用时,在它的内部同时产生了一个与此外力相对抗以保持当物体受到外力作用时,在它的内部同时产生了一个与此外力相对抗以保持平衡的力,这就是内力平衡的力,这就是内力单位面积上的内力称为应力单位面积上的内力称为应力地壳不同部位出现受力不均衡,分别受到挤压、拉伸、旋钮等力的作用,促地壳不同部位出现受力不均衡,分别受到挤压
2、、拉伸、旋钮等力的作用,促使地壳中的岩层发生变形,与此同时,岩层也产生一种反抗变形的力,这种使地壳中的岩层发生变形,与此同时,岩层也产生一种反抗变形的力,这种内部产生的并作用在地壳单位面积上的力,称为地应力内部产生的并作用在地壳单位面积上的力,称为地应力地应力概念地应力概念一、地应力一、地应力第3页/共52页地应力确定方法地应力确定方法u 地应力测量主要有四种方法:地应力测量主要有四种方法:资料分析方法资料分析方法,资料分析可以定性地给出大范围的应力场分布与特点,但资料分析可以定性地给出大范围的应力场分布与特点,但很难很难进行进行 精细的应力场研究精细的应力场研究 有孔应力测量有孔应力测量,这
3、种方法可以给出比较精确的应力测量结果,精确描述应力场这种方法可以给出比较精确的应力测量结果,精确描述应力场的特点,但是的特点,但是深部应力测量代价昂贵深部应力测量代价昂贵 岩心分析方法岩心分析方法,该方法是有孔应力测量方法的派生方法,但是可以在室内测定,该方法是有孔应力测量方法的派生方法,但是可以在室内测定,有广泛的应用,给有广泛的应用,给岩心定向是这种方法的技术关键岩心定向是这种方法的技术关键 地应力原点测量地应力原点测量,在油田深部地层地应力测量方面,这种方法在国内外几乎还是一在油田深部地层地应力测量方面,这种方法在国内外几乎还是一个空白,其个空白,其安全、可靠性及技术方面都存在一定的困难
4、安全、可靠性及技术方面都存在一定的困难一、地应力一、地应力第4页/共52页地应力确定方法地应力确定方法u 水力压裂法测地应力水力压裂法测地应力水力压裂法是水力压裂法是根据井眼的受力状态及其破裂机理来推算地应力的根据井眼的受力状态及其破裂机理来推算地应力的地层破裂实验曲线地层破裂实验曲线一、地应力一、地应力第5页/共52页地应力确定方法地应力确定方法 另外地应力分量、上覆地层压力可以由密度测井数据求得另外地应力分量、上覆地层压力可以由密度测井数据求得,这样,地层某,这样,地层某深处的三个主地应力即可以完全确定深处的三个主地应力即可以完全确定 通过破裂压力试验测得地层的通过破裂压力试验测得地层的破
5、裂压力破裂压力 pf 、瞬时停泵压力、瞬时停泵压力 ps 和裂缝重和裂缝重张压力张压力 pr ,结合地层孔隙压力的测定,结合地层孔隙压力的测定,即可以确定出地层某深处的最大、,即可以确定出地层某深处的最大、最小水平主地应力:最小水平主地应力:一、地应力一、地应力第6页/共52页地应力确定方法地应力确定方法u 井壁崩落法确定地应力的方向井壁崩落法确定地应力的方向无限大地层平面内井眼周围的应力分布为:无限大地层平面内井眼周围的应力分布为:由于井壁崩落椭圆因崩落的长轴方向总是与最小水平主地应力方向一致,即与最大水平地应力方向垂直,因此可借用井壁崩落椭圆来确定地应力的方向 在地应力的作用下,井壁附近岩
6、石发生变形,并在井壁附近引起应力集中,当作用在B、D两点的应力差(r -)达到或超过该处岩石的剪切强度时,就发生井壁崩落现象,形成井壁崩落椭圆,其长轴方向与最小水平主地应力方向一致一、地应力一、地应力第7页/共52页地应力确定方法地应力确定方法u 井壁崩落椭圆的识别标志井壁崩落椭圆的识别标志 井壁崩落椭圆井壁崩落椭圆具有明显的长轴方位具有明显的长轴方位,在地层倾角测井记录上,在地层倾角测井记录上,一条井径曲线一条井径曲线比较平直或等于钻头直径,而另一条井径曲线则比钻头直径大得多比较平直或等于钻头直径,而另一条井径曲线则比钻头直径大得多,而非应力孔,而非应力孔眼井径曲线上表现为钻头孔截面没有明显
7、的长轴方向眼井径曲线上表现为钻头孔截面没有明显的长轴方向一、地应力一、地应力第8页/共52页地应力确定方法地应力确定方法u 岩石声发射凯塞尔岩石声发射凯塞尔(Kaiser)效应测地应力效应测地应力 Kaiser 效应效应 当岩石再次加载到先前经受过的应力水平后,其声发射活动将突然增当岩石再次加载到先前经受过的应力水平后,其声发射活动将突然增加,这种加,这种岩石的声发射活动能够岩石的声发射活动能够“记忆记忆”岩石所受过的最大应力的效应岩石所受过的最大应力的效应被被称为凯塞尔效应称为凯塞尔效应 声发射凯塞尔效应测定地应力是声发射凯塞尔效应测定地应力是利用了岩石具有记忆的特性,测量岩样曾利用了岩石具
8、有记忆的特性,测量岩样曾经承受过的最大压应力经承受过的最大压应力 凯塞尔(凯塞尔(Kaiser)效应测地应力)效应测地应力一、地应力一、地应力第9页/共52页地应力确定方法地应力确定方法 岩样加工岩样加工:地应力求解方程:地应力求解方程:取芯取芯一、地应力一、地应力第10页/共52页地应力确定方法地应力确定方法围压下声发射围压下声发射法测地应力法测地应力流程图流程图单轴下声发射单轴下声发射法测地应力法测地应力流程图流程图一、地应力一、地应力第11页/共52页地应力确定方法地应力确定方法u 复合地应力测量方法复合地应力测量方法 该方法是将该方法是将声波各向异性和声发射声波各向异性和声发射Kais
9、ir Kaisir 效应地应力测量相结合效应地应力测量相结合的新方法的新方法 当岩芯被钻取发生应力卸载时,沿原最大水平主应力方向上卸载程度最大,有最小声波当岩芯被钻取发生应力卸载时,沿原最大水平主应力方向上卸载程度最大,有最小声波速度,沿原最小水平主应力方向有最大声波速度,速度,沿原最小水平主应力方向有最大声波速度,沿事先利用波速各向异性方法测出的水平沿事先利用波速各向异性方法测出的水平地应力最大、最小相对位置,进行声发射地应力最大、最小相对位置,进行声发射Kaiser Kaiser 实验实验,可以测出地应力大小,可以测出地应力大小式中:KH,Kh 为最大、最小水平地应力方向上的Kaisir
10、点应力;pp孔隙压力;为有效应力系数 理论依据理论依据 计算公式计算公式一、地应力一、地应力第12页/共52页地应力确定方法地应力确定方法u 地破试验与差应变结合确定地应力的方法地破试验与差应变结合确定地应力的方法 地破试验地破试验套管鞋附近进行地层破裂试验,可得岩石产生拉伸破坏时地层破裂压力套管鞋附近进行地层破裂试验,可得岩石产生拉伸破坏时地层破裂压力式中:式中:为最大地应力,为最大地应力,为最小地应力,为最小地应力,为地层孔隙压力,为地层孔隙压力,H、h、pp、为有效应力系数,为有效应力系数,st 为抗拉强为抗拉强度度(可通过巴西实验测试可通过巴西实验测试),pf 为地层破裂压力。为地层破
11、裂压力。差应变试验确定主应力比值差应变试验确定主应力比值若确定了野外状态的应变值,此时的三向主应力之比为若确定了野外状态的应变值,此时的三向主应力之比为式中,式中,H为水平最大地应力方向应变量,为水平最大地应力方向应变量,h为水平最小地应力方向应变量,为水平最小地应力方向应变量,v为竖向地应力方向应变量,为竖向地应力方向应变量,为泊松比为泊松比一、地应力一、地应力第13页/共52页地应力确定方法地应力确定方法差应变分析试验试样差应变分析试验试样差应变分析试验装置示意图差应变分析试验装置示意图 地应力的确定方法:地应力的确定方法:一、地应力一、地应力第14页/共52页地应力确定方法地应力确定方法
12、u 地破试验与多极子测井相结合的方法地破试验与多极子测井相结合的方法n偶极子理论偶极子理论,即偶极子声波测井获得的岩石声波各向异性,即偶极子声波测井获得的岩石声波各向异性,根据井壁围岩根据井壁围岩应力集中对弯曲波的影响可反算地应力的相对大小,并确定地应力的方向应力集中对弯曲波的影响可反算地应力的相对大小,并确定地应力的方向式中:V12和V13分别为快横波、慢横波速度;p0为地层体积密度,c66为剪切模量,c456为地层的三阶非线性弹性参数。这3 个参数取静水压力下的地层为参考状态,可根据密度测井、全波声波测井确定该理论方法主要由两部分组成:该理论方法主要由两部分组成:n受地应力作用地层的声场是
13、两个变形的叠加受地应力作用地层的声场是两个变形的叠加,一个是地应力引起的静变形,另,一个是地应力引起的静变形,另一个是声波的扰动引起的非常小的形变;一个是声波的扰动引起的非常小的形变;n计算公式计算公式一、地应力一、地应力第15页/共52页分层地应力解释方法分层地应力解释方法 由于地层间或层内的由于地层间或层内的不同岩性岩石的物理特性、力学特性和地层孔隙压力异常等方不同岩性岩石的物理特性、力学特性和地层孔隙压力异常等方面的差别面的差别造成了层间或层内地应力分布的非均匀性造成了层间或层内地应力分布的非均匀性n分层地应力的预测模式分层地应力的预测模式单轴应变模式单轴应变模式六五模式六五模式七五模式
14、七五模式经验公式经验公式u 分层地应力解释方法分层地应力解释方法一、地应力一、地应力第16页/共52页u 动态地应力理论动态地应力理论在注水和生产过程中,地层中的在注水和生产过程中,地层中的流体流动同时压力发生变化,会使得地层变形流体流动同时压力发生变化,会使得地层变形,主要体现在水平两个主应力的变化上主要体现在水平两个主应力的变化上需要需要分别建立渗流场和应力场的方程分别建立渗流场和应力场的方程,在进行渗流场的计算时,认为位移是已,在进行渗流场的计算时,认为位移是已知的,而在计算应力场的过程中,认为压力是已知的,知的,而在计算应力场的过程中,认为压力是已知的,这样通过两场的迭代这样通过两场的
15、迭代来达到耦合的目的来达到耦合的目的动态地应力理论动态地应力理论地层的地应力发生变化后,会改变地层渗流参数地层的地应力发生变化后,会改变地层渗流参数,如渗透率、孔隙度、压缩系,如渗透率、孔隙度、压缩系数等,数等,进而进一步影响流体的流动规律进而进一步影响流体的流动规律。因此,这两个过程是同时发生的,必。因此,这两个过程是同时发生的,必须同时考虑须同时考虑注水和生产过程实际上是一个注水和生产过程实际上是一个地层变形和流体流动的耦合问题地层变形和流体流动的耦合问题一、地应力一、地应力第17页/共52页n 地应力地应力n 岩石岩石的变形的变形n 岩石的强度岩石的强度n 岩石的抗钻特性岩石的抗钻特性目
16、录目录第18页/共52页二、岩石的变形二、岩石的变形 岩石的力学性质岩石的力学性质主要通过室内岩石试验进行研究主要通过室内岩石试验进行研究,根据岩石的,根据岩石的应力应变时间关系应力应变时间关系,可将其力学属性划分为,可将其力学属性划分为弹性、塑性和粘性弹性、塑性和粘性材料的应力应变时间关系材料的应力应变时间关系第19页/共52页岩石的变形岩石的变形 是指在一定的应力范围内,是指在一定的应力范围内,物体受外力作用产生变形,而去除外力(卸荷)后能够立即恢物体受外力作用产生变形,而去除外力(卸荷)后能够立即恢复其原有的形状和尺寸大小的性质复其原有的形状和尺寸大小的性质,其产生的变形称为弹性变形,其
17、产生的变形称为弹性变形 是指物体受力后,是指物体受力后,在应力超过屈服应力时仍能继续变形而不即行断裂,撤去外力(卸荷)在应力超过屈服应力时仍能继续变形而不即行断裂,撤去外力(卸荷)后,变形又不能完全恢复的性质后,变形又不能完全恢复的性质。不能恢复的那部分变形称为塑性变形,或称永久变形、残。不能恢复的那部分变形称为塑性变形,或称永久变形、残余变形余变形 是指是指物体受力后变形不能在瞬时完成,且应变速率随应力的大小而改变的性质物体受力后变形不能在瞬时完成,且应变速率随应力的大小而改变的性质,称为粘性,应变速率随应力变化的变形称为流动变形称为粘性,应变速率随应力变化的变形称为流动变形弹性弹性塑性塑性
18、粘性粘性第20页/共52页n 峰值前的变形机理峰值前的变形机理 岩石由于成分、结构不同,其变形机理比较复杂,但大致可归纳为三种类型:岩石由于成分、结构不同,其变形机理比较复杂,但大致可归纳为三种类型:以裂纹行为为主导的变形以裂纹行为为主导的变形以弹性变形为主的变形以弹性变形为主的变形以塑性变形为主的变形以塑性变形为主的变形u 应力应力-应变曲线上变形阶段的划分及特征应力值应变曲线上变形阶段的划分及特征应力值应力应力-应变曲线应变曲线二、岩石的变形二、岩石的变形第21页/共52页u 以裂纹行为为主导的变形以裂纹行为为主导的变形 一些一些中中-粗粒结构的岩石粗粒结构的岩石,如花岗岩,大理岩、砂岩等
19、,常具有许多晶间或晶内裂纹,如花岗岩,大理岩、砂岩等,常具有许多晶间或晶内裂纹,这这类岩石轴向的应力类岩石轴向的应力-应变曲线属应变曲线属S S 型型在单向受压条件下,岩石变形直至破坏经历了:在单向受压条件下,岩石变形直至破坏经历了:裂纹闭合、线性变形、裂纹稳定扩展的裂纹闭合、线性变形、裂纹稳定扩展的非线性变形、裂纹加速扩展至岩石破裂非线性变形、裂纹加速扩展至岩石破裂四个阶段四个阶段:S S 型应力型应力-应变曲线应变曲线应力应力-应变曲线应变曲线n岩石变形四个阶段岩石变形四个阶段二、岩石的变形二、岩石的变形第22页/共52页uo a 段段裂纹压密段:裂纹压密段:这一阶段是由于极扁这一阶段是由
20、于极扁的张开裂纹在压应力作用下闭合而引起的张开裂纹在压应力作用下闭合而引起ua b 段段岩石线性变形阶段:岩石线性变形阶段:岩石应力岩石应力应变曲线呈直线,但压力卸去后,岩石变形并不能完应变曲线呈直线,但压力卸去后,岩石变形并不能完全恢复全恢复ub c 段段裂纹稳定扩展的非线性变形阶段:裂纹稳定扩展的非线性变形阶段:岩石中的裂纹在应力作用岩石中的裂纹在应力作用下开始扩展,岩石中发生新的裂纹下开始扩展,岩石中发生新的裂纹uc d 段段裂纹加速扩展直至岩石破裂:裂纹加速扩展直至岩石破裂:随着裂纹的进一步扩展,裂纹在试件随着裂纹的进一步扩展,裂纹在试件某些部位密集、搭接、相连,形成某些宏观裂缝某些部
21、位密集、搭接、相连,形成某些宏观裂缝应力应力-应变曲线应变曲线二、岩石的变形二、岩石的变形第23页/共52页 其其轴向应力轴向应力-应变曲线呈直线型应变曲线呈直线型 ,一些一些结构致密、岩性硬的岩石结构致密、岩性硬的岩石,如石英、玄武岩、,如石英、玄武岩、硅质灰岩等的变形,硅质灰岩等的变形,多属这种类型多属这种类型(1 1)轴向应力)轴向应力-应变曲线不具压密段,曲线斜率一般较陡应变曲线不具压密段,曲线斜率一般较陡(2 2)应力)应力-应变直线段卸载时,变形可完全恢复,变形主要为弹性变形应变直线段卸载时,变形可完全恢复,变形主要为弹性变形应力应力-应变曲线应变曲线 以弹性变形为主的变形以弹性变
22、形为主的变形u 曲线特点曲线特点直线型应力直线型应力-应变曲线应变曲线二、岩石的变形二、岩石的变形第24页/共52页 其轴向的应力其轴向的应力-应变曲线呈下凹型应变曲线呈下凹型,岩盐、饱水的半坚硬泥岩,在加荷速率较岩盐、饱水的半坚硬泥岩,在加荷速率较低时变形呈这种类型低时变形呈这种类型 变形没有明显的阶段,而是随着压应力的增大而不断增长,卸载后大部变形没有明显的阶段,而是随着压应力的增大而不断增长,卸载后大部分变形不能恢复分变形不能恢复u 以塑性变形为主的变形以塑性变形为主的变形p 曲线特点曲线特点下凹型应力下凹型应力-应变曲线应变曲线应力应力-应变曲线应变曲线二、岩石的变形二、岩石的变形第2
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