1、油氣工程巖石力學碩士研究生專用11.1 概念 巖石力學是研究巖石和巖體力學性能的理論和應用的科學，是探討巖石和巖體對其周圍物理環境的力場的反應的力學分支。 巖石力學=應力+強度1.2 特點巖石的破裂 結構特征抗拉強度 孔隙流體 風化 巖體外載一、 巖石力學概述2巖石的破裂特性巖石一般處于壓應力狀態，破壞具有局部性。尺寸效應巖石的強度和變形特征受巖石材料的性質和各種地質結構面的共同影響。抗拉強度巖石的抗拉強度遠低于抗壓強度地下水的影響孔隙壓力的影響，通過有效應力原理起作用風化巖體外載原地應力狀態的確定31.3 研究方法科學實驗、理論分析和現場驗證1.4 發展史1951年奧地利J. Stini 和

2、 L. Muller等人聯合地質、力學、工程等學科專家學者在奧地利的Salzburg發起和舉行了以巖石力學為主題的第一次國際巖石力學研討會。1962年國際巖石力學學會成立。美國1965年成立了聯邦巖石力學委員會。1981年成立了中國巖石力學與工程學會籌備組，隨后成立了國際巖石力學學會中國小組。1985年正式成立中國巖石力學與工程學會。專業委員會、省級委員會成立。41.5 應用領域采礦（表面開采與地下開采）能源開發（水電與核電、油氣儲存、核廢料儲存、地熱）交通運輸建筑軍事石油工程地質構造分析地震預測51 .6 石油工程巖石力學研究特點特點深度大看不見摸不著固液耦合鉆遇地層的種類繁雜研究領域巖石破

3、碎機理及地層可鉆性地層防斜井壁不穩定問題水力壓裂出砂與防砂套管損壞油藏變形地面下沉6二、彈性力學基礎2.1 基本概念外力: 表面力（集中力、分布力）、體力內力：外力的反作用力：單位：N應力:單位面積上的內力。單位：MPa應變:長度的變化，角度的變化。無量綱單位。7應力符號說明：v上覆巖層壓力； H最大水平主應力； h最小水平主應力x y z r 正應力；xy yz zx r rz z切向應力； r 徑向應力；周向應力；應力的概念8一點的應力狀態分正應力、剪應力兩大類。由六個獨立的應力分量描述：=x,y,z,xy,yz,zxR=R/Azyxxyzx9應力狀態：一點應力的總和。z zx zyy y

4、x yzx xy xzxz102.2 主應力與主應變主應力應力不變量偏應力主應變11可以證明：通過一點總存在著三個相互垂直其剪應力為零的特殊截面，該截面稱為主面，其外法線方向稱為該點的主方向。作用在主面上的正應力稱為主應力。n1213根據上述方程可求得三個實根：123稱為最大、中間及最小主應力。I1、I2、I3分別稱為應力張量的第一、第二、第三不變量。213n14剪應力斜面上的正應力和剪應力為：最大剪應力：15球應力張量、偏應力張量、八面體應力及應力強度分成球應力張量和偏應力張量16偏應力不變量：八面體是一組特殊的斜截面，其上的應力為：17幾何方程： 某點某方向上剪應變為零，該方向稱為應變主方

5、向，其上的正應變稱為主應變。182.3 三大方程靜態平衡方程相容方程物理方程19 靜力平衡方程xyzy2021變形協調方程：22物理方程：剪切彈性模量體積彈性模量232.4 平面問題平面應力問題平面應變問題厚壁筒分析24平面應變問題25平面應力問題26巖土力學中關于位移、應變和應力的規定：（1）沿坐標軸正方向作用的力和位移分量為正；（2）收縮正應變取為正；（3）壓縮正應力取為正；（4）若截面內法線相對于坐標原點向內指，則截面上剪應力方向相對于坐標原點向內為正，反之亦然。27Mohrs stress circle121228習題1、下圖所示的矩形板邊緣上均勻地分布著給定載荷，板厚50mm， AB

6、長500mm，BC長400mm。（a）確定BC、DA邊上為保持板的平衡必須有用的剪力。（b）相對于xy參考軸，確定板內任一點p的應力狀態。（c）對于所示的lm軸，確定應力分量ll、mm、lm。（d）確定最大主應力值和最大應力軸相對x軸的方向。（e）對于GH面，其外法線與x軸的夾角為，請確定作用在該面上的作為xx、yy、xy和函數的牽引力分量表達式，并分別給出=0、60、90時的tx、ty值。給出=60時的平面合應力。29400kN250kN300kN250kN400kNyxmlxGHptxty3030三、巖石的基本力學性質常溫常壓下巖石的力學性質圍壓對巖石力學性質的影響溫度對巖石力學性質的影響

7、孔隙壓力對對巖石力學性質的影響313.1 常溫常壓下巖石的力學性質實驗條件：圓柱形試件，高徑比2-2.5。加載速率5-8x105Pa/S.R.P. Miller將單軸壓縮下應力應變曲線分為6大類型。全應力應變曲線彈性參數的確定326大類型彈性變形彈-塑性變形塑彈性變形塑-彈-塑性變形彈-塑-蠕變變形33彈性彈-塑塑-彈塑-彈-塑塑-彈-塑屈服34全應力應變曲線oABCDOA微裂縫閉合AB彈性變形BC彈塑性變形CD參與變形35切線模量Et=d/d割線模量Es= k/ kkk363.2 圍壓對巖石力學性質的影響圖1-1 Carrara大理巖在不同圍壓下應力-應變曲線Pc=100MPa50MPa30

8、MPa0MPa37石灰石38主要結論：(1) 隨著圍壓的增加，其破壞強度、屈服應力及延性都增加。(2) 在三軸不等壓情況下，隨著中間主應力2的增加，其破壞強度、屈服應力增加，但延性減小。(3) 在三軸不等壓情況下，隨著最小主應力3增加，其破壞強度及延性增加，但屈服應力保持不變。393.3 溫度對巖石力學性質的影響圖1-4 溫度對巖石力學性質的影響25C100 C300 C4041主要結論：（1）巖石在一定圍壓下，隨著溫度的升高，無論是拉伸或壓縮，其屈服應力與強度均要降低，加速了由脆性向延性轉化。其影響程度隨著巖石種類及受力狀態的不同而各異。（2）隨著溫度的升高，彈性模量值逐漸降低。423.4

9、孔隙壓力對巖石力學性質的影響圖1-6 圍壓50MPa孔隙壓力對石灰巖力學性質的影響Pp=0MPa30MPa50MPa43有效應力的基本原理 有效應力為:=-Pp h1h2A點的總應力 =wh1+ sh2A點的孔隙壓力Pp= w(h1+h2)A點的有效應力=-Pp= wh1+ sh2- w(h1+h2) =(s- w)h2當h1發生變化時，A點總應力變化，有效應力不變。44主要結論：（1）在一定圍壓下，由于孔隙壓力增大，強度及延性隨之降低。若孔隙壓力逐漸提高，則巖石強度隨之下降，且由延性逐漸轉化為脆性。（2）當孔隙壓力等于圍壓時，則相當于單軸壓縮的應力-應變曲線及強度。45四、巖石的強度與室內實

10、驗巖石的破壞與破壞類型巖石的抗壓強度及其影響因素巖石抗拉強度及其影響因素巖石抗剪強度及其影響因素不連續結構面的強度及其影響因素464.1 巖石的破壞與破壞類型一、巖樣的制備圓柱形試件：直徑 1“、1.5”、2“三種H/D比：抗壓強度實驗2.5-3.0彎曲實驗3.0-7.0巴西實驗0.5-1.0沖壓實驗0.2-0.25加工精度：端面磨平到0.02mm；端面與軸線的垂直度誤差在0.001弧度；周邊的不平度直徑差不超過0.3mm.巖芯的代表性：大理石2-3塊，頁巖5塊，砂巖5-10塊47二、巖石的破壞類型巖石的破壞取決于物理環境，在低溫、低圍壓及高應變速率下，表現為脆性破壞；在高溫、高圍壓及低應變速

11、率下，表現為延性破壞。根據巖石破壞前應變的百分數可以將巖石破壞分為5種類型。4849根據巖石破壞前的應變量分為五類：第一類：近地表巖石，破壞前變形量1%，巖石垂直于最小主應力方向產生張性破裂。第二類：離地表一定深度，巖石表現少量延性，破壞前應變量在1-5%。第三類：離地表2-5Km，破壞面為單一剪切面，破裂面與最大主應力方向的夾角小于45，破壞前的應變在2-8%。第四類：離開地表10-20Km，處于較高的溫度和圍壓下，破壞時剪切破碎帶較寬，且有一定的相互錯動，斷層面與最大主應力方向夾角略小于45，破壞前應變量在5-10%。第五類：距地表20Km，圍壓大于50MPa，溫度大于500，巖石處于完全

12、延性狀態，永久應變量大于10%。50圖4-2 石灰巖及大理石的破壞特征514.2 巖石抗壓強度及其影響因素一、抗壓強度巖石強度的含義是指巖石不致產生破壞而能抵抗的最大應力，巖石力學中常將破壞應力定義為巖石強度。 單軸強度是指巖石試件在單軸載荷下達到破壞時的最大應力，一般分成抗壓、抗拉、抗剪強度等等。 單軸抗壓強度簡稱抗壓強度，通常將圓柱體(如5.411cm3)的巖石試件放置在壓力機上進行單軸加壓試驗，當壓力達到破壞時，則試件破壞應力稱為巖石抗壓強度。即 c=Pc/A 上式Pc為破壞載荷， A為試件原始橫截面面積。 52二、影響因素1、巖石的內在因素礦物成分、顆粒大小、膠結物及孔隙度是控制強度的

13、內在因素。硅質膠結鐵質、鈣質膠結泥質膠結水的滲入促進交接軟化，強度大幅降低。2、實驗方法與物理環境試件直接放在壓機上加載，端面產生不均勻分布力；高徑比的影響53 端面壓力分布圖 高徑比對強度的影響 1 1.5 2 2.5 3544.3 巖石的單軸抗拉強度及其影響因素一、抗拉強度 巖石的抗拉強度是指試件在單軸拉伸條件下達到破壞時的極限應力。可采用直接或間接方法來測定巖石的抗拉強度。直接法： t=P/A間接法即巴西實驗法(Brazilian test) t=2P/dl 55二、巖石抗拉強度影響因素巖石抗拉強度遠遠低于抗壓強度，一般前者為后者的1/101/20，甚至為1/50。其抗拉強度低的原因主要

14、是由于巖石內部孔隙的影響，一般情況由于巖石內部微裂隙、孔隙較為發育，這種缺陷對抗拉強度降低尤為敏感，在拉應力作用下具有削弱巖石強度的效應。巖石的抗拉強度還受到巖石本身內部組分的影響，例如礦物成份，顆粒間膠結物的強度都影響巖石的抗拉強度。 564.4 巖石的抗剪強度一、抗剪強度（內聚力0，內摩擦角）抗剪強度一般有兩種定義：一種是指試件在法向載荷作用下，巖石剪切破壞面上的最大剪應力；另一種定義為純剪切時(即沒有法向載荷)，剪切破壞面上的最大剪應力。 前者考慮到剪切破壞時巖石中包含著粘聚力和內摩擦力；后者僅僅取決于粘聚力。 室內常采用直接剪切實驗及三軸實驗確定抗剪強度。 57直接剪切實驗傾斜壓模剪切

15、法 最廣泛采用的是楔形簡單剪切儀，主要裝置如圖所示，將長方柱體(101015cm)試件放置在剪切儀中，在壓力機上施加壓力進行剪切破壞試驗。當載荷P達到一定值時，試件沿ab截面剪斷，一般在剪切裝置上下與壓力板之間裝有滾軸，并加上滑潤油，在加載過程中可以消除壓力板與剪切儀之間的摩擦阻力。當試件產生剪切破壞時，破裂面上的剪應力及正應力分別為： =T/A=P/Asin N=N/A=P/Acos 上式中P為試件產生剪切破壞時的載荷，T為作用在剪切破壞面上的剪力，N為作用在剪切破壞面上的壓應力，A為剪切破壞面面積，為水平面與剪切破壞面之間的夾角。 58059剪切破壞實驗時，同一種巖石采用多個巖石試件，分別

16、以不同角度進行實驗。當剪切破壞時，對應每一個值可以得到一對及n值，在坐標系中繪出不同值的一系列點，用光滑曲線連接這些點，此曲線即為某種巖石剪切破壞時的強度曲線。它反映巖石抗剪強度的兩個參數，即內聚力(曲線與軸的交點)與內摩擦角(曲線與軸交點的切線與軸的夾角)。 60巖石三軸實驗巖石三軸實驗采用下圖所示三軸實驗儀，將巖石試件放置在壓力室內，施加一定的側向壓力(3)，然后施加垂直壓力(1)，直到巖石破壞。這樣可得到巖石破壞時1及3值。于是在坐標系中可畫出一個破壞應力圓。用相同巖石的試件進行不同側向壓力3及垂直壓力1的破壞實驗，這樣可得到一系列不同的1及3值，可畫出一組破壞應力圓。這組破壞應力圓的包

17、絡線，即為巖石抗剪強度曲線。包絡線上任意點的縱坐標即代表在一定圍壓及垂直壓應力作用下，沿剪切破裂面的抗剪強度f；任意點的切線與橫坐標之間夾角(代表相應剪切面上的內摩擦角；切線與縱坐標相交的截距，即為該剪切破壞面的粘聚力C。 610624.5 不連續結構面的強度巖石或巖塊是指從巖體中切割下出來尺寸較小較完整的巖塊（例如巖芯或人工切割的巖石），含裂隙較少。它的強度及變形性態主要取決于物理環境和巖石的組成。巖體是指地殼中充分大的地質體的一部分。含有各種不連續的結構面及軟弱面：如節理、裂隙、劈理、片理、軟弱夾層及斷層等。巖體中不連續結構面形成了應力傳遞的不連續面。巖體的有效強度大大低于完整巖石的強度。

18、63結構面的力學性質一、法向變形在法向載荷作用下，巖石粗糙結構面的接觸面積和接觸點隨載荷增加而增加，結構面間隙呈非線性減小，應力與法向變形之間呈指數關系。（接觸點的彈性變形、壓碎和間接拉裂隙的產生，以及新的接觸點、接觸面積的增加）。載荷去除后，將引起明顯的后滯和非彈性效應。Goodman模型為原位應力；n為法向應力；n為結構面閉合量。64nn嚙合非嚙合nn65二、剪切變形破壞后巖石的滑動方式有兩種：一種是沿滑動面產生連續位移，成為穩定滑動；其應力應變曲線為連續光滑曲線，另一種沿摩擦面產生突跳運動式位移，其應力應變曲線為鋸齒狀振蕩，稱為粘滑。影響滑動方式的因素有兩方面，一是巖石類型、孔隙度、礦物

19、、斷層泥和水。二是壓力、溫度、加載速率和壓力機剛度。66三、結構面強度n67四、影響因素加載方式、結構面粗糙程度、膠結物性質、膠結程度。68習題一組砂巖三軸實驗結果如下，計算內聚力，內摩擦角？No.S3/MPaS1/MPa1010022018034023069基本概念蠕變經驗公式蠕變影響因素蠕變模型五、巖石的流變性705.1 基本概念巖石在長期載荷作用下，應力應變隨時間而變化的性質成為巖石的流變性。巖石在恒定載荷作用下，其變形隨時間逐漸緩慢地增長的現象稱為蠕變(creep)。若控制變形保持不變，應力隨時間的延長而逐漸減少的現象，稱為松弛（Relaxation）。71t725.2 蠕變經驗公式描

20、述蠕變本構關系的方法有兩種：經驗公式法和模型法735.3 影響因素一、應力的影響10040.511.510MPa12.51518.120.5天74二、圍壓、溫度對蠕變性能的影響650MPa55044032040 c80ctt75三、巖石結構及濕度對巖石蠕變形態的影響0.1mm0.63mm0.55mm巖鹽顆粒大小對蠕變的影響t76水HCl干濕度對蠕變的影響t775.4 蠕變模型 基本元件彈性元件=/E粘性元件 = 塑性元件 =sE s78麥克斯韋爾模式79若應力保持恒定= 0，則：若初始時間t=t0，則初始應變為：將上式積分：即：令t0=0,則：80開爾文模式Et81若恒定應力= 0，則上式變為

21、：設t=t0時，解為：若設t=t0時，82柏格斯模式E11E2283設初始時刻t=0時，作用一恒定應力0，初始瞬時應變0=0/E，則上式解為：84思考題：井深為3000米的鹽膏層，溫度為100C，上覆巖層壓力梯度為0.023MPa/m，水平地應力梯度為0.019MPa/m，求井眼鉆井液密度為1.1g/cm3時的井眼收縮速率？（只考慮穩態蠕變階段，蠕變速率=1.1x10-91.9 1/hr）85六、強度破壞準則Maximum extension stress criterionCoulomb-Navier CriterionMohr CriterionHOEK-BROWN CriterionGr

22、iffith Criterion86拉伸破壞準則 3=-t是水力壓裂的起點或井漏的起點。maxmin87COULOMB-Navier破壞準則巖石沿某一面發生剪切破壞，不僅與該面上剪應力的大小有關，而且與該面的正應力有關。巖石并不沿著最大剪應力作用面產生破壞，而是沿著其剪應力與正應力達到最不利組合的某一面產生破裂。即： f= 0+f在、坐標系下，上式為一直線方程。88/4-/289Mohr 破壞準則從三軸試驗可以看出：當圍壓較低時，巖石剪切破裂線近似為一條斜直線。當圍壓較高時，則為一條曲線。其、0均隨圍壓大小而變化。當圍壓較高時，角變小， 0增加。常用拋物線型曲線和雙曲線型曲線描述巖石的抗剪強度

23、。9091HOEK-BROWN 破壞準則1 最大主應力；3最小主應力c單軸抗壓強度；mb HOEK-BROWN常數s，a巖體特征常數92Griffith 斷裂準則1393裂紋尖端周向應力：94Griffith斷裂準則95七、聲波在巖石中的傳播固體中彈性波的基本理論表面波有限介質中的彈性波聲阻抗、折射和反射聲發射967-1 固體中彈性波的基本理論1。彈性波的波動方程動力方程：作用在微單元體dxdydz上的應力如圖所示。zyx97X方向運動微分方程：化簡后，得：98幾何方程：99物理方程：1002。無限彈性體中波的類型將幾何方程、物理方程帶入動力方程，得：101壓縮波又名P波、無旋轉波或縱波。由于

24、無旋轉，令：即有：102將上式帶入x方向動力方程，有：同理，y、z方向，有：103令：Vp為壓縮波傳播的速度，且各方向的波速相等，壓縮波傳播過程中仍包含著剪切變形，具有無旋轉及質點振動方向和波傳播方向一致的特點。104剪切波又名S波、畸變波、等體積波或橫波。由于等體積，令：帶入動力方程，得：105令：為剪切波波速。剪切波具有等體積及質點振動方向和傳播方向垂直的特點。Vp、Vs的關系為： 對于泊松比為0-05，必有：106840.10.20.5泊松比Vp/Vs107由于縱波的速度總是比橫波的速度要快，因此，常把縱波稱為初至波（Primary），簡稱為P波；把橫波稱為續至波（Secondary）或

25、次波，簡稱為S波。1087 2 表面波通過前面的討論，在各向同性無限介質中，由而且僅有縱波和橫波兩種類型的彈性波。但是，若介質存在一個或多個界面，并在界面兩側具有不同的彈性參數，如固體與空氣的交界面，其情況將如何呢？理論分析和實際觀測表明：在界面附近存在著稱為表面波的波形。這種波受到界面的制約，其質點振動時的振幅隨著離開界面距離的增加而按指數規律減小。109表面波有兩種基本形式，一是瑞利（Rayeigh）波，它存在于介質徑向垂直平面內，這時質點作橢圓形的逆進運動。另一種表面波稱為勒夫（Love）波。它是當半無限介質表面上至少覆蓋有一層表面層時才可能出現。這時介質質點僅在水平橫向作剪切型振動。下

26、面僅介紹瑞利波的一些重要結論：（1）Vr是Vs的m倍。110（2）表面波的波速Vr與頻率無關，而僅與介質的彈性系數有關。因此，表面波在各向同性介質中傳播時波形不會改變。即不會出現頻散現象。（3）表面波沿界面一定深度傳播，它的強度隨深度很快衰減，頻率越高，這種沿深度發生的振幅衰減就越快。（4）面波隨距離的衰減要比體波慢（面波與距離的一次方呈反比，體波與距離的二次方呈反比）。111P S Rt縱波、橫波、面波的傳播次序1127-3 有限介質中的彈性波對于常見的有限體，如圓柱形桿、圓管、以及板等，邊界面具有機械波導的性質，使得在介質中傳播的彈性波受到界面的制約，產生了簡單的和復雜的制導波。當縱波沿圓

27、柱形桿傳播時，必將產生切向變形，出現縱橫波。當橫波沿圓柱形桿傳播時，也將出現各橫截面之間的相對轉動，出現彎曲波。桿件具有長度和直徑兩個尺寸，可以同時產生相互影響的軸向振動和橫向振動。沿桿軸傳播的縱波速度小于無限大介質中的縱波速度。1137-4 聲阻抗、折射和反射聲阻抗：介質密度與波速的乘積。相當于電學中的電阻。下面討論彈性波在半無限介質邊界面處的行為：（1）分界面的一側，介質的密度為，而波速為V；另一側為真空情況。即=V=0，稱為半無限介質的自由面。（2）分界面一側介質的密度為a，波速為Va;而另一側介質的密度為b,波速為Vb。在介質的分界面上，必須滿足兩個條件：114（1）在分界面上，兩種介

28、質中的質點振動位移應該相等。界面上質點的振動必須連續。（2）在界面兩側質點所受的應力應該相等。分析平面縱波入射到自由表面時的情形A3,VsA2,VpA1,Vpxyo122115取YZ平面為介質的自由面，而入射的縱波與x軸成1角。入射后產生一個反射縱波，其反射角為2= 1。同時還反射一個橫波Vs，反射角為2。11620406080入射角10.40.8A2/A1A3/A1=1/3振幅比1177-6 巖石的聲發射若干金屬和非金屬材料，當受到外力作用時，會發射出音頻范圍或超音頻范圍的彈性波。這種彈性波常常是一種隨機的非周期性的暫態過程其產生的原因并不十分清楚。但是這種現象總是伴隨著材料在外力作用下的變

29、形和破壞的發展而產生的。每一次的發射都是材料內局部所儲存的彈性能的一次突然的釋放。釋放出的彈性能以脈沖波的形式由材料傳播至其表面，當這種能量釋放達到一定的強度時，經常可以被人耳聽見。因此，材料在外力作用下，發生變形和破壞過程中所觀察到的彈性能脈沖式釋放的現象稱為聲發射現象，也稱凱塞爾效應。118巖石也有聲發射現象。巖石的聲發射現象可能與下述現象有關：（1）微觀水平上的位錯；（2）巖石顆粒之間原有聯系的破裂；（3）貫穿巖石顆粒的裂隙的發展。巖石試件在加壓過程中發生變形，產生的聲發射經壓電陶瓷換能器檢驗并轉換成相應的電信號，由高通濾波器濾除各種低頻干擾再經寬頻帶放大器放大后由磁帶記錄下來。對聲發射

30、現象研究過程中所記錄的參數有：119（1）A.E.累計值N一定時間內記錄到的超過規定閥值的聲發射次數的總和.（2）A.E.頻度NR單位時間內觀察到的聲發射次數。（3）A.E.振幅值A用任意單位表示的每一次聲發射的最大振幅。（4）A.E.能量E任意單位表示的聲發射振幅的平方。（5）能量累計E一定時間范圍內所測得的全部聲發射能量的總和。120聲發射研究結果（1）聲發射現象及伴隨的聲信號是時間的非周期性函數。聲發射的時間序列沒有周期性。（2）每次聲發射信號與其它任何一次聲發射信號的波形都不會完全相同。即每次聲發射信號都有它自己的特殊的頻率譜。（3）巖石聲發射信號所產生的聲信號，包含有很寬的頻率成分。

31、100赫到數十萬赫。聲發射技術是研究地應力、脆性巖石破壞過程的重要手段。121八、原地應力狀態巖石力學=應力+強度應力=原地應力+巖石力性+人為擾動地應力的成因異常孔隙壓力的成因地應力方向的確定地應力大小的確定122地應力的成因重力作用假設：地層為無限大均質各向同性彈性體；地層在沉積過程中逐漸被壓實。一般地層=0.25，水平地應力比上覆巖層壓力為1/3；鹽膏層=0.5，水平地應力等于上覆巖層壓力。123上覆巖層壓力隨井深的變化v=0.027h01000200030004080上覆巖層壓力v（Mpa)井深/m124構造應力現今構造應力，如板塊運動、斷層活動；現今巖石力學性質；沉積歷史溫度和孔隙壓

32、力其它因素局域構造特征，如斷層、褶皺、鹽丘等地表形態油藏注采125大洋板塊大陸板塊板塊運動示意圖126無層面滑移有層面滑移褶皺內應力的變化127構造對地應力的影響井深應力擠壓斷層拉張斷層vhH128地應力方向的確定井眼崩塌斷層分析水力壓裂129地應力大小的確定由上覆巖層壓力求水平地應力用測井資料確定儀器測量（ASR,DSA,Flat jack,AE等）水力壓裂130dpumpdPctimeFlat Jack Stress Test131Stress Release Test132Anelastic Strain Relaxation直井需要6個測點；斜井需要9個測點。Elapsed timed

33、isplacement133應變片圍壓微應變Differential Strain Analysis134水力壓裂法PfPrPsPaPt135地層抗拉強度：t=Pf-Pr最小水平地應力：h=Ps最大水平地應力：H=3 h-Pf+ t-Pp136九、地層孔隙壓力預測、檢測技術理論基礎監測方法預測方法137異常孔隙壓力孔隙壓力通過有效應力影響巖石的變形和破壞。在沉積過程中一般地層中的孔隙水能夠自由運移，形成常壓地層。偏離正常壓力的地層稱為異常壓力地層，分異常高壓和異常低壓兩種。異常壓力特點：地層比較年輕；伴隨高孔隙度；起始于較大埋深；砂泥巖交互層較厚。138異常壓力產生的原因：欠壓實迅速沉積盆地斷

34、層運動封閉地層高位水源頭，如高山附近。其它原因，如熱膨脹等。1399.1 地層孔隙壓力預測理論基礎在陸地和海上烴類資源普查中，均發現了異常壓力。可以存在于砂泥巖剖面，也可以存在于蒸發巖剖面。在地質時代上，形成范圍從新生代到古生代。成因有：沉積壓實不均、水熱增壓、滲透作用和構造運動。140地層沉積過程：沉積物壓縮過程是由上覆沉積層重力引起的。隨著上覆巖層的增加，下面的地層逐漸被壓實。若沉積速度較慢，沉積層內巖石顆粒有足夠的時間進行重新緊密排列，使孔隙度減小，孔隙中過剩流體被擠出。如果是“開放”地質環境，被擠出流體就沿阻力小的方向或向低壓高滲方向流動，于是便建立了正常壓力環境。影響地層壓實的主要因

35、素有：上覆沉積速度；地層滲透率大小；孔隙度減小速度；排出流體能力。1419.2 地層孔隙壓力監測方法dc指數法（1）1965賓漢通過室內模擬實驗，提出了鉆速方程：V=KaNe(P/D)d由鉆速方程可以得到d指數，進一步修正得到dc指數。dc=n/ m=log(3.282e/N)/log(0.0684P/D)(2)繪制dc指數隨深度變化圖（3）建立正常趨勢線AMCO認為不同地區正常趨勢線變化不大。142dchdc指數示意圖143(4)運用dc指數計算孔隙壓力有四種方法：a.反算法 p=(dcn/dc) hb.等效應力法 dc指數反映了泥頁巖壓實程度，相等dc指數其基巖應力也相等。而上覆巖層壓力總

36、是等于地層壓力和基巖應力之和，正常壓力下基巖應力可以求得，這樣，應用dc值相同和值相同原理，可得計算公式：Gp=Gp0+(Go-Gp0)(dcn-dc)/(a*h)a為正常趨勢線的斜率144dcndcheh145c 伊頓法1976年伊頓通過大量實踐，得出：Gp=Go-(Go-Gn)(dc/dc)1.2d 對數法1967年統計分析得：p=0.91log(dcn-dc)+1.98146C指數法1982年P.L. Moore提出的新方法，原理：孔隙壓力增加機械鉆速增高，增加泥漿密度可使鉆速降低。若增加泥漿密度使機械鉆速恢復到原來的值，泥漿密度的增量即為孔隙壓力的增量。2= 1log(3.2808vh

37、1)/log(3.2808vh21/cc值由鄰井資料計算。1479.3 孔隙壓力預測方法地震層速度法1。公式法先建立正常壓實地層層速度與井深的關系線。然后建立計算公式。a等效深度法層速度相同的地層具有相同的有效應力。Pp=GnHe+(H-He)Gob比值法正常壓力地層層速度與地層壓力之積等于異常壓力地層層速度與孔隙壓力之積。148Pp=Gn(vn/v)2.圖版法3.直接預測法=B(v-vmin)/(vmax-A(v-vmin)Pp=Go-(Go-Gn)(v/vn)3Pp=Go(vmax-v)/(vmax-vmin)1493聲波時差法等效深度法Gp=Go-(Go-Gn)ln( t0)-ln(tn

38、)/Ch伊頓法Gp=Go-(Go-Gn)(tn/ t)3.6150十、井壁穩定的基本原理地層三個壓力的概念孔隙壓力地層孔隙壓力是指地層中孔隙流體的壓力。坍塌壓力地層坍塌壓力是指井壁產生剪切破壞時的臨界井眼壓力。破裂壓力地層破裂壓力是指地層產生拉伸破壞時的臨界井眼壓力。15110.1 井眼圍巖應力分布規律應力 強度直井線彈性模型斜井線彈性模型蠕變模型152 直井線彈性井眼圍巖應力分布規律假設：地層為線性、均質、各向同性彈性體。Hh153hHhhH- h154則，井眼圍巖有效應力分布規律為：155井壁上一點的應力狀態：156斜井井眼應力分布規律Hhvzr157158井壁上一點的應力狀態：15910

39、.2 坍塌壓力的計算Mohr-Coulumb 準則直井井壁應力表達式：160井壁應力與圓周角的關系：161當=90，井壁應力分量為：pmz rP1 p2162令1= ， 3= r，則帶入庫倫準則，得：163令1= z， 3= r，則帶入庫倫準則，得：令1= z， 3= ，則帶入庫倫準則，得：16410.3 破裂壓力的計算拉伸破壞準則：破裂壓力表達式：16510.4 計算示例 某油田井深為2600米的砂巖地層，強度符合Mohr-Coulumb準則，其內聚力為6MPa,內摩擦角為43.8度，泊松比為0.2，單軸抗拉強度為0。地層的上覆巖層壓力梯度為22.6KPa/m,地層孔隙壓力梯度為12.2KP

40、a/m,假設水平地應力均勻，且其應力梯度為17KPa/m.試求打開該砂巖層的合理鉆井液密度范圍。166解：（1）原地應力狀態上覆巖層壓力v=22.6x2600=58.76MPa;水平地應力h=H=17x2600=44.2MPa；（2）孔隙壓力Pp=12.2x2600=31.7MPa;（3）地層破裂壓力Pf=3h-H+t-Pp=3x44.2-44.2+0-31.72=56.68當量鉆井液密度為100 x56.68/2600=2.18g/cm3（4）地層坍塌壓力井壁上的應力分量r=Pm167= 2h-Pm=88.4-Pmz= v=58.76若： 1= ，3= r,則根據Mohr-Coulumb定律，有：40.66-0.922Pm=6+(0.6922Pm-18.11)x0.959Pc=36.79當量鉆井液密度為：1.42g/cm3該層位合理鉆井液密度范圍是1.42-2.18168解：（1）原地應力狀態上覆巖層壓力v=22.6x2600=58.76MPa;水平地應力h=44.2MPa,H=50MPa；（2）孔隙壓力Pp=12.2x2600=31.7MPa;（3）地層破裂壓力Pf=3h-H+t-Pp=3x44.2-50+0-