（石油与天然气工程专业论文）油田地应力确定方法在井壁稳定性分析中的应用.pdf

油田地应力确定方法在井壁稳定性分析中的应用 郭宝民( 石油与天然气工程) 指导教师：王瑞争教授 陈维荣高工 摘要 油田地应力在油气勘探开发和油气生产中都有重要的应用。进行地 应力研究对于钻井过程中的井壁稳定性分析具有重要的指导意义。针对 油田地应力进行了大量深入细致的研究，在研究中采用声发射凯塞尔效 应法和现场水力压裂试验法测定地应力大小；应用井壁崩落法确定地应 力的方向；分析分层地应力的预测模式的适用条件，确定分层地应力剖 面。 通过对油田地应力的研究，指导直井和定向井的井壁稳定性分析和 计算地层破裂压力和坍塌压力，确定安全泥浆密度范围。对现场实际应 用具有重要的指导意义。 关键词：地应力，确定方法，井壁稳定性，应用 a p p l i c a t i o no fs c e r t a i n i n gm e t h o d o ft h ef o r m a t i o ns t r e s s i nt h eo i i f i e l dt ot h ea n a l y s i so fw e l l b o r es t a b i l i z a t i o n g u o b a o - m i n ( o i l & g a se n g i n e e r i n 9 1 d i r e c t e db yp r o f e s s o rw a n gr n i - h e , s e n i o re n g i n e e rc h e nw e i - r o n g a b s t r a e t f o r m a t i o ns t r e s si nt h eo i l f i e l di su s e f u lf o rt h eo i la n dg a se x p l o r a t i o n a n dd e v e l o p m e n t i tw o l l l db eb e n e f i tt os t u d yt h ef o r m a t i o ns t r e s sf o rt h e a n a l y s i so f w e l l b o r es t a b i l i t yd u r i n gt h ed r i l l i n go p e r a t i o n m u c ho f r e s e a r c h w o r kh a sb e e nd o n et ot h ef o r m a t i o ns t r e s s ，t oc a l c u l a t et h ef o r m a t i o ns i m s s v a l u eb yk a i s e rs o n i cm e t h o da n dh y d r o l e a k i n gt e s tm e t h o dr e s p e c t i v e l y ； t oi d e n t i f yt h ef o r m a t i o ns t r e s sd i r e c t i o nb yw e l l b o r ec a v i n gm e t h o d ；t o a n a l y z e t h e a p p l i c a b l ec o n d i t i o n o ft h em a t h m a t i c sm o d ef o r t h e d e l a m i n a t i o ns i 蛋e s s a n dt oe s t a b l i s ht h ed e l a m i n a t i o ns 舡e s sp r o f i l e a f t e rh a v i n gs t u d yt h ef o r m a t i o ns t r e s s ，i t sb e n e f i ti nt h ea p p l i c a t i o n f o r t h ev e r t i c a la n dd i r e c t i o n a lw e l lt oi n s t r u c tt h ew e l l b o r es t a b i l i t ya n a l y s i s a n dc a l c u l a t et h ef o r m a t i o nf i a c m r ep r e s s u r ea n dc a v i n gp r e s s u r e ，t ob es u r e o f t h es a f e t yr a n g eo f t h em u d d e n s i t y k e yw o r d s ：f o m m t i o ns t r e s s , a s c e r t a i n i n gm e t h o d , w e l l b o r es t a b i l i t y , a p p l i c a t i o n i i i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中 国石油大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表 示了谢意。 、 签名： 西1 年r 月弓9 e t 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 一、 学生签名： 导师签名： 凇6 年f 月? p 日 沁否年j 。月；。e t 中国石油大学( 华东) 工程硕士论文 第1 章前言 第1 章前言 1 1 地应力的定义及影响因素 岩石是地球表层的物质，在漫长的地质年代里，由于地质构造运动 等原因，使地壳物质产生了内应力效应，这种应力称为地应力。它也可 理解为地下某深度处岩石受到的周围岩体对它的挤压力。地应力主要来 源于上覆岩体的自重；板块边界的挤压、地幔热对流：新老地质构造运 动；地球旋转：岩浆侵入；地温梯度的不均匀性和地层中的水压梯度等。 地球处于不断运动发展中，板块构造运动在板内引起构造应力场变 化，油田断块位于板块内部，其应力场受到板块构造运动的控制，这种 由区域构造运动产生和控制的应力场称之为区域构造应力场。区域构造 应力场具有较强的方向性，同时由于岩层性质、地质构造存在着较大差 别，使内部岩层具有较强的非均质性，并使局部应力场与区域应力场之 间产生较大差异。构造运动越强烈，平面应力场的分布规律越强，主向 越稳定，而局部地质构造的作用或岩层的非均质性越强，局部应力场与 区域应力场之间的差异越大，方向变化也越大。 油田地应力与地层的埋藏深度也有一定的关系。在地层倾角不大的 情况下，岩体中一个主应力基本上是垂直的，另外两个主应力是水平的。 在倾斜地层中，垂直主应力与垂直方向呈一夹角，但夹角一般不超过 3 0 。，在沉积岩中垂直应力与上覆岩层重量近似相等。 岩浆岩中水平应力一般比较高，水平差应力大；在沉积岩中水平应 力与深度之间具有良好的线性关系。且水平差应力较小：变质岩中地应 力分布的最大特点是最大和最小水平应力离散性较强。 从流变学的角度来看，所有岩性的岩石都存在程度不同的流变特 性，由于地应力形成交化的过程很长，因此流变特性会对地应力分布产 l 中国石油大学( 华东) 工程硕士论文 第1 章前言 生影响，并使三向应力趋于减小w a r p h 幽建立了地应力计算的时间一 历史方法，在考虑了地层的粘弹性特性后，计算得到在粘性较强的地层 中三向应力近似相等。 不同深度处岩层的岩性、产状和力学性质可存在较大差别，并使得 在同一区域应力场作用下具有不同的应力值。地应力沿深度的分布不是 线性的，不同地层的地应力可能相差很大，因此仅了解地应力沿深度的 总体变化趋势是不够的，应充分认识地应力沿深度分布的非均匀性，建 立分层地应力剖面。 地壳岩石在构造应力作用下，地壳发生变形或断裂，产生褶皱和断 层；同时地质构造将对地应力场产生较大影响。局部地质构造对地应力 场的这种改造作用，使得地应力场呈现较强的非均质性。断层的形成是 地层在地应力作用下发生破裂和滑动的结果，在一定的应力场作用下， 所形成的断层类型是基本固定的，可以由断层类型来推断三向地应力的 相对大小。 在统一的构造应力场作用下，引起平面上地应力方位变化的主要原 因是地层力学性质的非均匀性，其中断层的存在影响最大。断层的交叉、 分枝及转弯部位，多产生应力集中现象，这些部位应力值明显高于邻区， 应力变化较大。地形差异可以引起地下可观的附加应力。一般情况下， 最大水平地应力在背斜轴部较低，向翼部逐渐升高，最大水平应力的变 化是在背斜轴部较快，在翼部较为平缓，而向斜的轴部( 低点部位) 则 常常有较高的应力。 油田开发中，注水、注汽或气、火烧油层、大型压裂等会引起地层 孔隙压力和地层温度的显著改变，并影响其应力状态。 可形成地应力的因素极为复杂，它是随时间和空间变化的。对于石 油工程所涉及的研究范围，属于区域性的地应力，其主要来源可归结为： 2 中国石油大学( 华东) 工程硕士论文第1 章前言 岩体的自重和地质构造运动产生的构造应力。它们主要以两种形式存在 于岩石中，一部分是弹性能形式，其余则由于种种原因在地层中处于自 我平衡而以冻结形式保存着。 通常地应力大小可用三个主地应力来表示：一个是上覆地层压力， 另二个为最大、最小水平主地应力，见图卜l 。 - 二也一z ， 圈卜l 地应力状态 由于地质构造运动的方向性，两个水平向的地应力是不同的。三个 主应力是由岩体自重、构造应力、温度升高产生的附加应力、总原地应 力构成的1 1 1 。 ( 1 ) 岩体自重 在油层深度内，温度一般不超过2 0 0 ( 2 ，主要表现为弹性，岩体自 重形成的应力可表示为： o r ，= p g - 。：2 亡愿h 形2 南硝 ( 1 - 1 ) 3 中国石油大学( 华东) 工程硕士论文 式中p 一地层密度； 1 一地层的泊松比； 日一井深： 以一上覆压力； 仃：一上覆压力产生的水平x 方向的地应力： 一一上覆压力产生的水平y 方向的地应力。 ( 2 ) 构造应力 由于地质构造、板块运动、地震活动等地壳动力学方面的原因所附 加的应力分量称为构造应力。构造应力存在明显的各向异性，因此实际 原地应力的也是各向异性的，其最大水平主地应力方向通常与构造应力 的合矢量方向致。构造运动所附加的应力是构造应力的主要组成部 分。 若用上覆压力来表示水平构造应力的大小，则有： 仃；o d x o ， = o j y o v ( i - 2 ) 式中吐一水平x 方向的构造应力系数； 吼一水平y 方向的构造应力系数； 盯：一构造运动在水平x 方向引起的构造应力； 一构造运动在水平y 方向引起的构造应力。 ( 3 ) 温度升高产生的附加应力 由于各种原因，油层温度升高，多数岩石随温度的升高而膨胀，受 围岩的限制，膨胀应变将变为应力： 4 中国石油大学( 华东) 工程硕士论文第1 章前言 仃：= 2 g f l + 万p 盯仃一瓦) = 2 g 等口仃一l ) ( 1 - 3 ) 式中g 一剪切模量。 口一温度引起的膨胀系数； t o 一初始地层温度； r 一当前地层温度： 盯：一温度升降在水平x 方向引起的附加应力； ：一温度升降在水平y 方向引起的附加应力。 ( 4 ) 总原地应力 假设处于三轴应力作用的地层，其三个主方向的主应力为最大水平 主应力仃。，最小水平地应力吒和垂向应力仃：，则可表示为： o h = o ：+ a ：+ o ： o k 二彰+ 盯；+ 口； 盯：= 盯， ( 1 - 4 ) 产生区域性地质构造运动的原因也是很复杂的，而且其作用的大小 及方向也会随时间和地点的不同而异。历史上造山运动所形成并遗留下 来的各种类型的断层、褶皱可供我们判断当时地质的构造力的大小及方 向。油田地应力研究的任务就是通过简单的方法，确定地应力的大小和 方向及其分布规律，为油气勘探开发提供技术参数。 1 2 地应力的测定方法 到目前为止，检测地应力的方法很多，但是每种方法都有其局限性。 5 中国石油大学( 华东) 工程硕士论文 第1 章前言 比较常用的方法有： ( 1 ) 差应变分析法( d s r ) ：对岩心加压，主应变的方向即为开搬 的方向，根据应变值可估计主应力的大小。该方法一般只用于确定主应 力的方向，一般不用于计算主应力的大小，但可用于估计主应力的比值； ( 2 ) 滞弹性应变分析法( a s r ) ：滞弹性恢复阶段主应变的方向即为 盯。所簖的方向，根据应变值可估计主应力的大小。该方法一般只用于 确定主应力的方向，一般不用于计算主应力的大小，但可用于估计主应 力的比值； ( 3 ) 差温分析法：岩心应变作为温度的函数，由于温度有升高导致 岩心膨胀，最大应变的方向即为口。开掰的方向。该方法用于确定主应 力的方向； ( 4 ) 超声波各向异性分析法：岩心应国松弛产生微裂缝平行于 盯。m a x 的方向，该方向超声波通过时速最大。该方法用于确定主应力 的方向； ( 5 ) 微压裂法：对岩心或裸眼井进行，裂缝方向为o 。m 甜的方向， r a i n - - - - l s i p ，乃司盯m i n - a m a x + e t - p ，该方法可用于确定主应力 的大小和方向： ( 6 ) 地层倾角测井技术：用井径倾角仪测井径变形及方位，扩径方 向为盯。r a i n 的方向。该方法可用于确定主应力的方向； ( 7 ) 有源声波测井：声波变密度测井可以确定地应力的大小； ( 8 ) 无源地震测井：水力压裂作为震源，在观察点接收到纵、横波 信号，确定裂缝方向即为m a x 方向。该方法可用于确定主应力的方 向； ( 9 ) 压裂井井下电视法：确定最小水平地应力方向； 6 中国石油大学( 华东) 工程硕士论文第1 章前言 ( 1 0 ) 岩心分析技术；对岩心进行古地磁分析、薄片分析、渗透率各 向异性分析，可以确定主应力的方向； ( 1 1 ) 声发射凯塞尔效应法：利用岩石的声发射特性来测定地应力的 大小。目前利用岩石的凯塞尔效应测定地应力多采用单轴压缩试验所获 得的岩石声发射特征点应力值，但由单轴压缩条件下测定的岩石声发射 特征点应力值并不代表岩石实际所受的地应力，这种误差随深度的增加 而增大； ( 1 2 ) 井壁崩落法：应用该方法可用于确定地应力的方向； ( 1 3 ) 磁组构法；这是一种比较新的确定地应力方向的方法。古地磁 确定岩心方位技术主要就是利用岩石中的原生天然剩磁。在实验室中可 以通过交变退磁或热退磁，去除次生剩磁，而保留原生剩磁。这样只要 确定岩石中剩磁方向相对地理北极的方向，就可确定岩心的方位；而剩 磁方向可以从同地质年代的露头中测得。在油田内或油田外围区找到所 取岩心层位的露头，要求露头的产状与岩心的产状一致，在露头岩样上 做出与地理北极一致的标志线；然后在实验室中经退磁后测得岩样的剩 磁的偏角，该偏角即为剩磁与地理北极的夹角。同样，在井下岩心上做 出一条任意标志线后测剩磁方向与该标志线的磁偏角。露头和岩心的原 生剩磁或天然剩磁方向一致，据此可将岩心定位，并可确定岩心标志线 相对于地理北极的方向。由于地层产状、岩样制备、试验操作等多种因 素的影响，并非每个岩样的原生剩磁方向都是一致的，因而测得的数据 具有统计性质，需要做一定数量的样品，然后求其平均值， 近年来发展的应力剖面测井技术，应用变密度及声波测井资料，较 好地解决了分层地应力剖面的连续测定问题。在实际应用中，需要综合 应用这些测定方法互相完善，互相补充，互相验证。 7 中国石油大学( 华东) 工程硕士论文 第1 章前言 1 3 油田地应力的应用 油田地应力是油气勘探开发的重要参数，无论是在勘探领域，还是 在钻井问题中，或是在油气生产中都有重要的应用。 在钻井中，地应力是井壁稳定性分析的重要参数。钻井井眼的形成 破坏了原有的地层应力平衡状态，导致地应力在井壁处产生应力集中， 可能出现井壁不稳定现象。 井壁不稳定的原因足复杂的，一般认为有两个因素，即：地层力学 因素、物理化学因素。不论是什么失稳因素，最终可归结为井壁受力不 稳定所致。 井壁失稳问题，从广义上讲包括脆性泥页岩、低强度砂岩的井壁坍 塌、塑性泥页岩井壁的缩径和粘弹性变形以及一些岩层在钻井液压力作 用下的破裂。井壁失稳一般表现为坍塌( 扩径) ，缩径、破裂。 井眼的稳定性与原地应力状态、岩石力学性质、岩石胶结程度、岩 石孔隙流体压力、岩石的化学组成、钻井液的物理与化学性质、钻井液 的流动等都有一定的关系。井壁失稳往往和区域高地应力密切相关，如 山前构造带，地层受水平推挤作用，形成推覆体，地层所受构造应力巨 大，钻井过程中必须应用较高的泥浆密度来平衡地应力，使得在山前构 造带钻井异常困难。又如，海洋平台钻进定向井过程中，井壁稳定性随 井眼方位和井斜的不同而不同，虽然是在同一构造上钻井，但由于受地 应力的影响，安全泥浆密度窗口范围不同，因此，依据地应力情况，系 统分析不同方位与井斜角的井壁稳定特征，能为油气藏开发工程及其它 工程设计提供指导，从而可以优化设计钻井液密度，定向井的井斜和方 位，优化丛式井平台位置，这对减少钻井事故，降低钻井成本具有重要 的实际意义。 8 中国石油大学( 华东) 工程硕士论文第l 章前言 在油气开采过程中，地应力和油气生产中最受关注的油气采收率及 剩余油分布规律密切相关，调整井井位设计也受地应力的影响。这主要 是地下岩体在不同方向上受到的压缩力不同，导致地层渗透率各向异性 造成的。 地应力的方向直接控制着人工压裂裂缝方向。压裂裂缝的延伸方向 与区域构造最大水平主应力方向一致。明确二者的关系，在油田开发时 就能合理地部署注水开发井网，防止油井过早地水淹，获得较高的原油 采收率。当地层中天然裂缝的方向与地层最小水平主应力方向趋于平行 时，天然裂缝受压力挤压将会失去或降低其导流能力；当地层中天然裂 缝的方向与地层最小水平主应力方向趋于垂直时，可以适当减小压裂规 模，尽量不使天然裂缝开启与邻井连通。 注水开发的低渗透油田一般采用五点法注采井网。通过低渗油田大 量的地应力分布和天然裂缝方向的测试资料表明，地层中天然裂缝的方 向与最大水平主地应力方向绝大多数情况下是相交或正交的，而水力压 裂裂缝的方向与最大水平主应力方向是一致的。为避免油水井改造后油 井早期见水，使注入水形成水线沿最大水平主地应力方向均匀推进到油 井，扩大平亟上的水驱面积和纵向上的波及面积，提高水驱效率和最终 采收率，按油水井排与最大水平主地应力方向一致布井。这样布井即使 到了油田开发后期，不论注水井上还是调整井上堵水，改变的只是井眼 周围液流的方向，油水井之间的液流方向仍垂直于最大水平主应力方 向，不会沿最大水平主应力平行方向窜流，从而提高了注入水的驱油效 率。 老区的调整也要考虑地应力对井网适用性的影响。对于开发较早的 一些油田，在开发初期布置注采井网没有考虑地应力的影响，有时会出 现采井排方向与最大水平主应力方向垂直的情况，从而导致油田含水上 9 中国石油大学( 华东) 工程硕士论文 第l 章前言 升过快，因而需要认真研究地应力的分布状态，采用适宜的采井网。 油层压裂改造技术与地应力是分不开的。地应力的分布状态不仅决 定水力压裂裂缝的延伸方向，同时影响裂缝几何形状的发展。地应力大 小是支撑剂强度及压裂方式选择的重要依据。 当利用水平井对低渗透油田进行开采时，为了使井筒与天然裂缝相 交，一般情况下水平井的井身轨迹方向与最小水平主应力方向一致。当 需要采取压裂改造时，通过与射孔方式相结合，可产生多条与井筒垂直 的人工裂缝，大大提高产能。 油气井裸眼完井可行性分析、油气井出砂可能性分析、生产压差设 计都要用到地应力参数。 综上所述，地应力在石油勘探、开发领域有重要的应用，进行深入 的研究具有重要意义。掌握地应力的分布规律，包括其作用的方向和数 值的大小是极其重要的。 1 4 研究内容 本文的研究内容主要包括： ( 1 ) 地应力确定方法研究： 。( a ) 地应力大小的确定方法及地应力大小的测定； ( b ) 地应力方向的确定方法及地应力方向的确定； ( c ) 地应力走向分布剖面的确定。 ( 2 ) 地应力研究在井壁稳定性分析中的应用： ( a ) 直井安全泥浆密度窗口的建立方法及安全泥浆密度窗口的建 立： ( b ) 定向井安全泥浆密度范围的确定及风险分析。 1 0 中国石油大学( 华东) 工稃硕士论文第2 章地应力的确定方法研究 第2 章地应力的确定方法研究 油气生储盖地层是地壳上部的组成部分。在漫长的地质年代里，它 经历了无数次沉积轮回和升沉运动的各个历史阶段，地壳物质内产生了 一系列的内应力效应。这些内应力来源于板块周围的挤压、地幔对流、 岩浆活动、地球的转动、新老地质构造运动以及地层重力、地层温度的 不均匀、地层中的水压梯度等等，使地下岩层处于十分复杂的自然受力 状态。这种应力统称为地壳应力或地应力，它是随时间和空间变化的。 它主要以两种形式存在于地层中：一部分是以弹性能形式；其余则由于 种种原因在地层中处于自我平衡而以冻结形式保存着。 油田地应力研究主要有两个方面，即确定地应力的大小和方向。研 究地应力的方法很多，比较常用的有效方法为： ( 1 ) 确定地应力大小的方法： ( a ) 利用凯塞尔( k a i s 神效应法确定单点地应力大小； ( ”利用微压裂法或油田地漏试验数据确定单点水平地应力的大 小。 。 ( 2 ) 确定地应力方向的方法： ( a ) 利用井壁崩落椭圆法确定最小水平地应力方位； ( ”应用压裂井井下电视法确定最小水平地应力方位。 油田地应力研究的实践表明，油田地应力研究应采用多种方法 ( m u l t ia p r o a e hm e t h o d ) 进行相互校正，应用地质力学方法对油田局 部构造地应力相对大小及大致方位研究是上述研究的必要补充l 习。 2 1 声发射凯塞尔效应法测定地应力大小 目前测量地应力的方法较多，采用岩石的声发射特征来测定地应力 有很大的优越性：简单、方便和重复性好。在实际地应力测定时，一般 1 1 中国石油大学( 华东) 工程硕士论文第2 章地应垄丝堕室查望塑壅 不考虑温度的影响，本研究采用岩石的声发射特征来测定地应力。 2 1 1 声发射活动与凯塞尔效应 岩石受载，微裂隙的破坏和扩展，其部分能量以声波的形式释放出 来，用声波接收仪器可以接收到声波的形态和能量，岩石的这种性质称 为岩石的声发射活动。 岩石的声发射活动能够“记忆”岩石所受过的最大应力，这种效应 为凯塞尔效应。凯塞尔效应表明，声发射活动的频度或振幅与应力有一 定的关系即l 。 2 1 2 凯塞尔效应测地应力的原理 在单调增加应力作用下，当应力达到过去已施加过的最大应力时， 声发射明显增加。凯塞尔( k a i s e r ) 效应的物理机制可认为岩石受力后发 生微破裂。微破裂发生的频度随应力增加而增加。破裂过程是不逆的， 但由于已有破裂面上摩擦滑动也能产生声发射信号，这种摩擦滑动是可 逆的。因而加载时应力低于已加过的最大应力也有声发射出现，它们就 是那些可逆的摩擦滑动引起的声发射事件。当应力超过原来加过的最大 应力时，又会有新的破裂产生，以致声发射活动频度突然提高。声发射 凯塞尔( k s i s e r ) 效应实验可以测量岩样曾经承受过的最大压应力。该类 实验一般要在压机上进行，测定单向应力。在轴加载过程中声发射率突 然增大点对应着的轴向应力是沿该岩样钻取方向曾经受过的最大压应 力，称此为凯塞尔( k a i s e r ) 点应力。 如果测得同一岩芯与岩芯轴线正交水平面内彼此相隔4 5 度三个方 向凯塞尔( k a i s e r ) 点应力和岩芯轴线向凯塞尔( k a i s e r ) 点应力，若是垂直 井的岩芯，根据弹性力学理论就可确定地应力的三个主应力大小水 平最大、最小地应力和垂向地应力。 1 2 中国石油大学( 华东) 工程硕士论文 第2 章地应力的确定方法研究 2 1 3 围压下声发射实验 皿 蚴璺z 弦 p 爿 斟 压力r 一 恙 j 、 娟册1 1 广一1 蚍s 控斜_ 眶 i 吲 引 声发射墨安 图2 1围压下声发射法测量地应力大小示意图 当所取岩芯的井深大于3 0 0 0 米时，若按照常规声发射实验方法对 岩样进行单轴压缩实验，岩样常常在凯塞尔( r a i s e r ) 点出现之前就发生 破坏，采集到的信号是岩样的破裂信号，而不是凯塞尔( k a i s e r ) 效应信 号，因此就无法用声发射凯塞尔( k a i s e r ) 效应来测定岩芯所处地层的原 地应力大小。为此，提出了围压下的声发射凯塞尔( k a i s e r ) 效应实验， 旨在提高岩样的抗压强度，希望凯塞尔( r a i s e r ) 点出现在岩样破坏点之 前，能清晰地辨别出。围压下声发射凯塞尔效应法测定地应力的方法， 实验装置如图2 1 所示，在m t s ( m a t e r i a lt e s ts y s t e m ) 电液伺服系统 以某一加载速率均匀地给在高压井筒内的岩样施加轴向载荷( 岩样同时 承受围压) ，声发射探头牢固地贴在柱塞上，柱塞与岩芯端面密切接触， 用它来接收受载过程中岩石的声发射信号，岩样所受的载荷及声信号同 时输入l o c a na t - 1 4 c h 声发射仪进行处理、记录。给出岩样的声发射信 1 3 中国石油大学( 华东) 工程硕士论文第2 章地应力的确定方法砸塞 号随载荷变化和关系曲线图。由上述的凯塞尔效应原理，在声发射信号 曲线图上找出突然明显增加处的声发射信号，记录下此处载荷大小，即 为岩石在地下该方向上所受的地应力。 目前的实验方法一般采用与钻井岩芯轴线垂直的水平面内增量为 4 5 4 的方向钻取三块岩样，测出三个方向的正应力，而后求出水平最大、 最小主应力，沿钻井岩芯轴线方向钻取一块岩样，若为直井，则可确定 垂向地应力。取样示意图见图2 - 2 。对岩样进行声发射实验，测得了各 岩样凯塞尔( 蹦s 砷点应力梯度。 一国 、 入 尹。声童瓠， 图2 - 2声发射试验岩心取样示意图 2 1 4 地应力解释 ， 一般说来，围压下的声发射实验可由下式解释得到原地应力大小脚： 盯r = 仃i + a 名一 乏 旷- - ”7 盯- - 十竽( ，+ 辔声+ 呜一弛 = ! 监2 一孚( ，+ 2 d + 碑一弛) 1 4 中国石油大学( 华东l 工稃硕士论文第2 章地应力的确定方法研究 式中盯。一上覆地层应力； 襞大水平主地应力； 一最小水平主地应力； 只一地层孔隙压力： a 一有效应力系数，0 8 ； 盯一围压下垂直方向岩芯凯塞尔点应力： o o ，盯，0 9 0 一分别表示0 0 ，4 5 0 ，9 0 0 三个水平向岩芯围压下 的凯塞尔点应力r 一高压井筒内岩芯所承受的围压； 肛围压修正系数。 将声发射实验所测得的凯塞尔( r a i s e r ) 点应力( 三个水平向和一个 垂直向) 代入地应力解释公式，+ 可解释三个主地应力的测试结果 图2 - 3k a i s e r 效应试验结果0 9 岩心 中国石油大学( 华东) 工程硕士论文：第2 章地应力的确定方法研究 图2 - 4k a i s e r 效应试验结果4 5 “岩心 图2 - 5k a i s e r 效应试验结果9 0 。岩心 表2 1a 1 井地应力k a i s e r 效应法测量结果 中国石油大学( 华东) 稗硕十论文第2 章地应力的确定方法研究 较为准确的最小地应力数据，并根据裂缝扩展方位确定最大水平地应力 方向。目前存在的主要问题是地应力测试成本高，代价昂贵。并非所有 地层均可用水力压裂法进行地应力实测。例如对太薄的地层，特别是产 层以上的薄盖层，油井生产常常不允许将其击穿。而井较深时，可能受 到设备和管路的耐压等条件限制，也不易采用i 幺测试方法。绝大多数情 况下，井跟条件为套管井射孔而非裸眼，套管和水泥环的存在以及射孔 方位对施工压力有较大影响，现有的水力压裂最大水平地应力计算公式 是建立在裸眼井基础上的，因此不能用套管井水力压裂数据计算最大水 平主应力。 现场水力压裂试验法测定地应力是根据试验澳4 得的地层破裂压力、 瞬时停泵压力及裂缝重张压力反算地应力。为了能较准确地求得地应 力，现场水力压裂试验应遵守以下步骤进行： ( 1 ) 下套管固井后，钻开几米裸眼井段。 ( 2 ) 用水泥车以恒定的低速度泵入泥浆，记录下井口压力随泵入时 间的变化曲线，直至地层产生破裂。 ( 3 ) 地层破裂后，继续向井内泵入流体至裂缝延伸到离开井壁应力 集中区，即6 倍井眼半径以远时( 估计从破裂点起约历时3 5 m i n 左右， 约合3 0 0 4 0 0 l 流体) ，进行瞬时停泵，记录下瞬时停泵压力。 ( 4 ) 停泵压力平稳后，重新开泵，记录下裂缝重张压力。典型的水 力压裂试验曲线见图2 - 6 所示。 从图中可以确定以下压力值： ( a ) 地层破裂压力：为井眼所能承受的最大内压力，是地层破裂造 成泥浆漏失时的井内液体压力。 ( b ) 瞬时停泵压力：瞬时停泵，裂缝不再向前扩展，但仍保持开启， 此时应与垂直裂缝的最小地应力值相平衡。 1 r 中国石油大学( 华东) 工程硕十论文第2 章地应力的确定方法研究 井深 当蹙密度 井号岩芯方向围压( m p a )凯塞尔点读数 ( m )( 咖m j ) 水平0 。方向 1 0o 2 51 6 5 a i 井 2 0 3 1 4 6 水平4 5 。方向 1 0 0 ，2 8 1 7 6 水平9 0 。方向 1 0o 3 22 0 0 水平0 。方向 1 0 o 3 2 2 0 8 a 1 井2 0 4 7 4 4水平4 5 。方向l oo 2 8 1 8 6 水平9 0 。方向 1 0o 2 4 1 6 5 表2 - 2a i 井地应力解释结果 井深最大水平主地应力当量密度 最小水平主地应力当量密度 并号 ( m ) ( g e r a 3 ) ( g e m 3 ) a 1 井 2 0 3 1 4 6 2 0 21 6 4 a l 井 2 0 4 7 。4 4 2 0 31 6 5 利用k a i s e r 效应法对取自某油田a l 井的岩心进行了地应力测试， 试验曲线分别见图2 3 ，图2 - 4 ，图2 - 5 ，试验结果见表2 一l 和表2 2 。 地应力测量结果表明，本油田地应力不大，上覆应力唧最大，水 平方向的地应力盯。和吒较小。 2 2 现场水力压裂试验法确定地应力的大小 水力压裂法是目前深层地应力测试中最准确的方法( 主要是指最小 水平主应力和地应力方向) ，测试结果往往作为检验其他测试精度的标 准：在利用油层压裂数据进行地应力分析时，可以用裂缝闭合压力给出 1 7 中国石油大学( 华东) 工程硕士论文第2 章地应力的确定方法研究 ( c ) 裂缝重张压力：瞬时停泵后启动注入泵，从而使闭合的裂缝重 新张开。由于张开闭合裂缝所需的压力与破裂压力相比，不需要克服岩 石的拉伸强度，因此可以近似地认为破裂层的拉伸强度等于这两个压力 的差值。 典型的地层破裂压力试验曲线见图2 - 6 所示： 井 口 压 力 泵入时问 图2 6 典型地层破裂压力试验曲线 根据现场水力压裂试验得到的最小水平主地应力对声发射凯塞尔 效应法测得的三个主地应力值进行修正，可以得到比较精确的地应力测 量值。 ， 现场水力压裂试验法是根据多孔弹性介质力学理论，从井壁受力姿 态出发，通过测出地层破裂压力( 动，裂隙重张压力( p ，) ，裂隙闭合压 力( p f c p ) 。用下式可求出最大、最小水平主地应力1 6 l ： o h 2 p k p f 7 1 4 - 23 0 一心p p f s l 墨= 一只( 2 2 ) 1 9 中国石油大学( 华东) 工程硕士论文第2 章地应力的确定方法研究 式中一水平最大主地应力； n 一水平最小主地应力； 墨一抗拉强度； a 一有效应力； 兄一地层孔隙压力。 用水力压裂试验法可以较精确地测定最小水平主地应力，测量最大 水平主地应力的精度受地层孔隙度、渗透率、孔隙连通性影响较大。 裂隙闭合压力( p f 凹) 的确定是水力压裂试验法测定地应力的关键 和难点，对于渗透性地层，确定闭合压力应采用对时间坐标微分求出裂 隙闭合前后压力变化速率的交点作为闭合点。 2 3 应用井壁崩落法确定地应力的方向的原理 2 3 1 井壁崩落的理论依据 地层总是处于三轴应力作用的，可用三个方向的主应力来表示，即 最大水平主应力，最小水平地应力和垂向正应力仃：。无限大地层 平面内井眼周围的应力分布1 ： 矿，= 丑 = p + 盯 ) 一2 0 h - - 盯 ) c o s 2 0 一只 c r z = i e 招 ( 2 3 ) 式中只井内压力； 只一地层破裂压力； g ，一上覆压力梯度。 井壁上的差应力( 以一仃，) 值决定了井壁是否发生剪切破坏当 中国石油大学( 华东) 工程硕士论文第2 章地应力的确定方法研究 口= 要或荨时，( t t e o r ) 值达到最大值，即在b 、d 两点处达到最大 z 的( 乃一c r r ) 。在不同地质时期形成的各种岩石，都具有其固有的抗拉、 抗剪强度。由于井眼的形成打破了地层的原始应力分布状态，在井眼周 围地层重新形成新的应力分布状态。在地应力的作用下，并壁附近岩石 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 杌一c r r ) 达到或超过该处岩石的剪切强度时，就发生并壁崩落现象，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，如图2 7 所示。 图2 7 井壁崩落椭圆 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。 2 1 中国石油大学( 华东) 工程硕士论文第2 章地应力的确定方法研究 2 - 3 2 井壁崩落椭圆的测量及其识别标志 目前常用的井壁椭圆测量仪器有：超声波井下电视测定仪和四臂地 层倾角测井仪。 国内外普遍采用四臂地层倾角测井来测定地应力的方向。我国的许 多油田大多使用斯仑贝谢公司提供的测量装置。 斯仑贝谢公司提供了h d t 地层倾角测井仪和s h d t 地层倾角测井 仪。h d t 地层倾角仪适用于井斜角小于3 6 。，而s h d t 用于井斜角小 于7 2 。 下面介绍s h d t 地层倾角仪测量记录的曲线i s - g ： ( 1 ) 四组( 每组2 条) 微聚焦电阻率曲线。 通过曲线的对比可确定岩层层面上的4 个点m l ，m 2 ，m ，m 沿 井轴方向的高度z t ，z 2 ，z ，z 。 ( 2 ) 两条井径曲线。 分别由i 、极板和，极板组成两套井径测量装置，记录正交 的l 、3 臂与2 、4 臂方向的井径，d 1 3 和屯。 ( 3 ) 井斜角6 ，i 号极板的相对于井斜方位的方位角r b 和井斜方 位角a z i m 。 对于h d t 地层倾角仪，其余都相同，除了测井斜方位角a z i m , 改 测i 号极板方位角_ 。 对于i 号极板方位角的确定； ( a ) 对于h d t 地层倾角仪，i 号极板的方位角p i a z ： p i a z = ( ”对于s h d t 地层倾角仪 设i 为单位矢，在仪器坐标系 0 , d ，f ，a 中它的坐标为i = ( o ，1 ，o ) ， 中国石油大学( 华东) 工稃硕七论文第2 章地应力的确定方法研究 瓶i 在坐标系和，f , b ，矿j 中的坐标为，。( ，f ，l i 矗) ；! 妒苦= 厕s i n r b = 蔫崭。1 则i 号极板的方位角p i a z ； 删z = 4 删+ 叫端 若对于井斜角d e v i 吒时，若考虑到地层的剥蚀情况，在水平应力项右端 中国石油大学( 华东江程硕士论文 第3 章分层地应力剖面的确定方法 加上一剥蚀项。利用该模式的优点在于： ( a ) 在倾角不太大的地区，垂向应力与上覆地层产生的压力基本相 等； ( ”在同一地层，岩性基本相同对，三向应力均随深度线性增加； ( c ) 地层泊松比增大，其水平应力的垂向应力分量增大； 一 ( d ) 构造应力随弹性模量的增大而增大，随泊松比的增大而降低， 在同样的构造载荷作用下，在软地层中产生的构造应力分量小，在硬地 层中产生的应力分量大。 该模式与黄氏七五模式在形式上没有多大的差别，缺少理论基础， 带有较多的经验色彩。此外，所添加的温度项在工程中一般不作考虑， 仅在热采、注水所引起的应力场变化时才考虑。 3 1 2 分层地应力模式的适用性 ( 1 ) 构造应力松弛盆地 盆地地层构造运动弱，考虑平面应变条件，水平应力主要为垂向应 力的分量，构造项基本可忽略，可选取单轴模式来预测分层地应力，尤 以a n d e r s o n 模型为佳。 ( 2 ) 构造运动不剧烈地区 地质沉积过程中，地层平缓，变形率小，且基本上为整体变形，即 地层的变形是连续的，此时可选取黄氏七五模式或葛洪魁模式来预测分 层地应力。 若地层倾角大，在地质历史存在明显的剧烈的构造运动，地层所受 的加载路径和变形复杂而难以准确估计，此时可选取六五模式来估算分 层地应力。由于三个主地应力与常规假设不一致，决定了预测误差不可 中国石油大学( 华东) 1 = 程硕士论文第3 章分层她应力剖面的确定方法 避免。 ( 3 ) 构造运动剧烈地区 活跃的地震区、断层区的地应力主要以构造应力为主，不能用上述 的任一模式来预测地应力，应用相应的地层破坏准则来预测【1 2 1 。 3 2 1 井所在油田地应力纵向剖面的建立 由a l 井地应力k a i s e r 效应法测量结果可知，本油田地应力不大， 上覆应力以最大，水平地应力a _ 和较小，这说明地应力主要受上覆 地层压力控制，构造应力的影响不大，因此选用“六五”模型，结合测 井资料对本井所在油田区块地应力纵向分布规律进行预测。 模型中的构造应力系数通过实测地应力舨演确定，本油田的构造 应力系数为： q = 0 5 7 5 a ，2 = 0 2 7 5 图3 一ia i 井地应力纵向剖面 中国石油大学( 华东) 工稃硕士论文第3 章分层地应力剖面的确定方法 图3 喝a l 井地应力纵向剖面 利用本研究确定的a l 井所在油田地应力构造系数，结合测井资料 对本油田地应力纵向分布规律进行了计算，结果见图3 1 和图3 2 。由计 算结果可知，本油田水平地应力不大，对井壁稳定性有力。 中国石油大学( 华东) 工稃硕士论文第4 章地麻力