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1、2020/7/6,地球物理与石油资源学院,1,岩石物理学,授课人：黄文新 地球物理与石油资源学院 长江大学,联系方式： E-mail： tel: 8060418(o) 13707219181,2020/7/6,地球物理与石油资源学院,2,岩石物理学,第1章 岩石 第2章 岩石孔隙度和渗透率 第3章 岩石中波的传播与衰减 第4章 岩石的弹性 第5章 岩石的变形 第6章 岩石的断裂 第7章 岩石的强度,2020/7/6,地球物理与石油资源学院,3,第 5章 岩石的变形 5.1 应力 5.2 应变 5.3 岩石的本构关系 5.4 岩石的绷变 5.5 岩石实验,岩石物理学,2020/7/6,地球物理与
2、石油资源学院,4,第5章 岩石的变形,在力的作用下，岩石原始的长度、体积和形状都会发生变化。受力后变形是岩石最常见的力学性质。,本章重点介绍与岩石有关的变形特点，特别是在地球内部高温高压环境下岩石的变形特征。,2020/7/6,地球物理与石油资源学院,5,5.1 应力(stress),第5章 岩石的变形,5.1.1 力和应力,图51 应力的概念,作用在岩石内部O点的力可以这样来描述(图2. 1):对于通过O点的任意方向OP(v),设想有一个与 OP垂直且面积为 S的小切面，该切面所切开的两部分之间存在相互作用力F(这里忽略力矩不计)，我们把:,(51),定义为在O点相应于OP方向的应力。,20
3、20/7/6,地球物理与石油资源学院,6,第二，应力不仅与岩石内部的受力情况有关， 而且与切面方向的选择也有关。,5.1 应力(stress),定义中包括两个重要概念:,第一，应力是单位面积上的作用力;,岩石力学中规定压应力为正，拉应力为负。这与弹性理论中关于应力正负的习惯规定恰好相反。采用这样的规定，有两方面的原因:第一，在地球科学中，地球介质所受力多为压应力，而不是张应力;第二，在土力学、构造地质学等与岩石力学有密切联系的学科中，已经采用了压应力为正的规定。因此，岩石力学中尽管许多公式的形式与弹性力学一致，但要注意，应力正负的规定是与弹性力学相反的。,2020/7/6,地球物理与石油资源学
4、院,7,如果在O点选择一组正交的坐标(x1,x2,x3)，用i,j (i,j= 1,2,3) 表示法线为i方向切面上j方向的应力，将得到九个量 。,5.1 应力(stress),(52),5.1.2 主应力,在岩石内部某一点，若某一法线为的切面上求得的应力矢量T与方向一致，则该切面上剪应力必定为零。这时称方向为该点的主方向,相应的切面为主平面，主平面上的正应力称为主应力。可以证明，在任何一点都存在着三个主方向，而且这三个主方向互相垂直。,主平面主应力,其余为剪切应力,2020/7/6,地球物理与石油资源学院,8,5.1 应力(stress),在岩石力学中，经常取三个主方向为坐标轴，在这种坐标系
5、中，应力张量有非常简单的形式。若把主应力记为1 2 和 3 ，则应力张量为：,在岩石力学中，我们总是规定：,即用 1代表最大主应力，用 2代表最小主应力，而 3则表示中等主应力。,2020/7/6,地球物理与石油资源学院,9,5.1.3 地应力,5.1 应力(stress),处理地质间题时，常用的应力符号:垂直方向的主应力，Hmax水平方向最大主应力，Hmin水平方向最小主应力来。,2020/7/6,地球物理与石油资源学院,10,5.1 应力(stress),1、没有构造应力的地壳上部的应力场,所谓没有构造应力，就是只考虑岩石自重引起的应力场，并且假定岩石在水平方向没有变形 。显然 ，,v =
6、*g*h （53）,（54）,其中是岩石的密度, g是重力加速度，h是深度, 是岩石的泊松比。,2020/7/6,地球物理与石油资源学院,11,5.1 应力(stress),2、地应力的简单计算(英文板书）,（1） Isotropic rocks,(2) Anisotropic rocks,3、地应力在石油工程中应用,2020/7/6,地球物理与石油资源学院,12,横向各向同性介质,主要研究水平方向上,导出,横向各向同性地层中地应力计算公式,地层弹性 参数的计算,最大最小水 平地应力 的计算,最大最小安 全钻井泥浆 密度的计算,水力压裂 裂缝高度 预测,各向异性 参数的计算,水力压裂裂缝高度预
7、测,2020/7/6,地球物理与石油资源学院,13,2020/7/6,地球物理与石油资源学院,14,1）各向同性地应力计算模型,利用电缆地层测试或压力恢复测试资料，在不考虑构造应力影响情况下，各向同性模型计算水平应力公式为：, 泊松比 Pob 上覆岩层压力 Pp 孔隙流体压力 Biot 常量,针对： 声波全波测井 偶极横波测井 无横波资料,一、应力与应变关系的地应力计算模式,2020/7/6,地球物理与石油资源学院,15,图1 各向异性岩石地应力模型,2）各向异性地应力计算模型,2020/7/6,地球物理与石油资源学院,16,在x方向的应变 :,在y方向的应变 :,将地层看成横向各向同性，根据
8、虎克定律有,其中为Boit常量, Pp为孔隙流体压力。,针对： 正交偶极横波测井,2020/7/6,地球物理与石油资源学院,17,二、地层破裂压力计算,井内泥浆密度过大使岩石所受的周向应力超过岩石的拉伸强度,减小,伸力大到足 以克服岩石 的抗拉强度,地层 产生 破裂 造成 井漏,破裂发生在 最小处。 或,2020/7/6,地球物理与石油资源学院,18,令 =0，此时的 值即为泥浆漏失,将 代入求得地层破裂时井内液体压力即破裂压力,当钻井泥浆密度 时，岩层破裂,2020/7/6,地球物理与石油资源学院,19,三、井壁坍塌压力计算,井壁周围岩层所受压力，超过岩石本身的强度,井壁坍塌,导 致,井径扩
9、大,井眼内产生塑性变形,2020/7/6,地球物理与石油资源学院,20,岩石剪切破坏与否主要受岩石所受到最大最小应力控制，从井壁受力状态中可以发现岩石的最大最小主应力分别为其周向应力和径向应力,在 时最易产生失稳坍塌现象,2020/7/6,地球物理与石油资源学院,21,井壁坍塌压力,2020/7/6,地球物理与石油资源学院,22,四、确定最大最小安全钻井泥浆密度,如果应力超 过井壁强度,2020/7/6,地球物理与石油资源学院,23,最小最大安全钻井液密度计算表达式为：,砂岩中一般取30,2020/7/6,地球物理与石油资源学院,24,在水力压裂过程中，当增加井眼压力时，在与最小主应力（x或y
10、）方向相垂直的平面上出现破裂裂缝。诱导这一裂缝所需压力称为开裂或破裂压力，一旦裂缝已经压开，保持裂缝开口所需要的压力（在垂直裂缝的情形下）将等于最小总水平应力，这一应力就是通常所说的闭合应力，在构造缓冲区，最小主应力通常是水平的，因此裂缝将沿着垂直面出现。,闭合应力,取决于两组变量，生产层及围岩层的最小水平应力的分布和大小及压裂液的流动特性。这些变量确定如下参数： 所产生裂缝的方向和几何形状（高度、长度和宽度）。 是一次压裂多层，还是一次压裂一层，或者是分组压裂及同时压裂。 水力压裂设计参数，例如功率、泵压以及支撑剂输送能力等。 压裂液的流动特性和效率。,水力压裂设计,五、实际应用,2020/
11、7/6,地球物理与石油资源学院,25,利用应力强度因子预测裂缝高度,在压裂过程中，压裂液产生张力。在纵向压裂的情况下，它的压力与地球的水平压应力相抵消。如果地层的顶部或底部的应力强度因子K超过地层的断裂韧性因子KLC的话，则预计裂缝沿纵向延伸。因此预测裂缝是否纵向延伸取决于在裂缝纵向终至处的应力强度因子。,应力强度因子的计算,z,h,射孔层段,r=Pm(1-) 断裂韧性因子 KLC=(r+Tao)2/E*(z*h)1/2,2020/7/6,地球物理与石油资源学院,26,利用最小水平应力预测裂缝高度,水力压裂后裂缝是否延伸主要取决生产层及围岩层的最小水平应力分布和大小以及压裂液的流动特性，从预测
12、的角度考虑，压裂后裂缝是否延伸主要受最小水平应力的控制，一般地，临近层的最小主应力与目的层最小主应力之差是决定裂缝纵向延伸的主要因素，利用这个差来计算在每个压力步增量时的裂缝高度并定性地确定和输出每个压力水平上的诱导裂缝几何形状,射孔层内最小水平应力值的选择对裂缝高度的预测起着重要作用，考虑到裂缝的上下延伸，射孔层内最小水平应力的变化，对射孔层内最小水平应力值分不同的情况进行选取。,射孔层段从顶界面到底界面最小水平应力曲线变化不大 选取射孔层内最小水平应力平均值，加上泵压步增量作为定值，预测裂缝高度的向上和向下延伸,射孔层段,平均最小水平应力,2020/7/6,地球物理与石油资源学院,27,A
13、井资料处理及分析,射孔层段：1769.8-1799.4米 估计的层段最小 水平应力为：22.6Mpa 处理井段为：1700-1800米。 高应力带障碍：1760米（上延伸） 处理井段底部：1799.4米 裂缝限制在：1760-1799.4米 增加泵压或不增加 裂缝高度不增加,高应力带障碍,处理井段底部,裂缝高度,射孔层段,2020/7/6,地球物理与石油资源学院,28,B井资料处理及分析 射孔层段及估算的最小主应力大小分别为： 1770-1776米 11.24Mpa 1778-1782米 12.24Mpa,射孔层段为：1778-1782米 处理井段1760-1800米 高应力障碍： 1777.
14、25米（向上） 高应力障碍 1782.5米（向下）泵压增量由150psi增加到750psi，裂缝高度不再增高。穿透地层的深度（翼长）会增大,射孔层段为：1770-1776米， 处理井段： 1760-1800米 高应力障碍： 1769米（向上） 高应力障碍 1776.75米（向下） 泵压增量由150psi增加到750psi，裂缝高度不再增高。穿透地层的深度（翼长）会增大,高应力障碍带,2020/7/6,地球物理与石油资源学院,29,C井资料处理及分析 射孔层段为1773-1799米， 估计的最小水平应力为23.26Mpa, 处理井段为1750-1850米。,裂缝向上延伸井段：1773-1757.
15、750米 裂缝向上延伸井段：1799-1846.125米 不再增加泵压增量或泵压增加到450psi 裂缝高度不再增加 泵压增量达到600psi,处理井段将会全部压开,向上高应力障碍带,向下高应力障碍带,射孔层段,裂缝高度,2020/7/6,地球物理与石油资源学院,30,D井资料处理及分析 射孔层段为5983-6002米 处理井段5950-6020米 估计的应力读数为75Mpa,裂缝向上延伸到 5976.375米 裂缝向下延伸到 6009.125米,向上高应力带障碍,向下高应力带障碍,射孔层段,裂缝高度,2020/7/6,地球物理与石油资源学院,31,E井资料处理及分析 射孔层段有三个分别为:
16、4853.54889.5米 64.7Mpa 5111.55189.0米 68.0Mpa 5305.05339.0米 68.0Mpa,射孔层段为4853.5-4889.5米 处理井段为4800.0-4940.0米， 泵压增量为150psi:裂缝向上延伸到4848.375米受阻，向下延伸到4890米 泵压增量增到300psi:裂缝向上没有延伸，向下延伸到4922米， 继续增加泵压增量，裂缝向上延伸到4809.375米受阻而终止延伸，向下延伸到4930.375米遇阻 泵压增量达到600psi时，向下延伸到5048.375米,泵压增量增大于300psi，裂缝向上延伸的终止段,2020/7/6,地球物理与石油资源学院,32,射孔层段5111.5-5189米 处理井段5100.0-5210米 泵压增量为150psi时，裂缝 向上延伸到5108.375米，向下延伸到5197.375米。 泵
