岩石力学实验技术

,岩石力学实验技术,交流人：李世杰,一、简介二、实验类型及测试参数三、在石油工程领域中的应用,汇报提纲,一.简介,岩石力学发展现状,“岩石力学是研究岩石力学性能的理论和应用的科学”。它在石油工程领域中的应用起步较晚，国内外上世纪90年代后才得到较快发展。,岩石力学发展现状,目前国内外石油工程领域岩石力学的研究主要集中在以下几方面：,岩石物理力学性质的井下地球物理解释；地层岩石的力学性质及在开采中的变化规律；地下的岩石物性和声学响应特征；水力压裂力学研究；井眼稳定、储层出砂、优化射孔、稠油冷热采等井下工程研究；,一.简介,岩石力学发展现状,油气藏开采引起的地层错动、蠕变和地面沉降研究；石油开采中的流固耦合问题及孔隙结构的变形和坍塌；应力场、温度场和渗流场作用下的流固耦合分析；流固耦合油气藏数值模拟理论和方法研究；地应力测试技术；地应力场的演变及天然裂缝的形成与扩展的规律。,目前国内外石油工程领域岩石力学的研究主要集中在以下几方面：,一.简介,实验设备简介,轴向力:149吨围压:Pc138MPa孔隙压力:Pp103MPa模拟温度:T200,技术指标,一.简介,设备的工作原理,计算机自动控制,环境条件模拟,岩石静态、动态参数测试,力学参数,声学参数,渗透性参数,其它参数,实验设备简介,一.简介,一、简介二、实验类型及测试参数三、在石油工程领域中的应用,汇报提纲,汇报提纲,二.实验类型及测试参数,室内岩石力学研究方法,静态法,静态法：是通过对岩样进行静态加载，测试获得。,动态法：是通过测定声波在岩样中的传播速度而获得。,动态法,1.单轴压缩实验,实验方法：不加侧向约束力，对圆柱状岩样连续施加轴向载荷，直至破坏。,岩样组件示意图,二.实验类型及测试参数,1.单轴压缩实验,压密阶段,弹性变形阶段,塑性变形阶段,破坏后阶段,屈服点,残余强度,二.实验类型及测试参数,1.单轴压缩实验,计算公式：,二.实验类型及测试参数,测试参数：单轴抗压强度、杨氏模量、泊松比,2.三轴压缩实验,加孔压的三轴压缩实验,实验也可以模拟地层温度条件,实验方法：是在恒定围压（和恒定孔隙压力）条件下，对圆柱状岩样连续施加轴向载荷，直至岩样破坏。,二.实验类型及测试参数,2.三轴压缩实验,三轴压缩应力应变曲线,二.实验类型及测试参数,2.三轴压缩实验,加孔压的三轴压缩实验加载方式,二.实验类型及测试参数,A,C,D,B,O,F,E,2.三轴压缩实验,根据体积应变围压关系曲线计算压缩系数,加孔压的三轴压缩实验,二.实验类型及测试参数,2.三轴压缩实验,利用一个单轴压缩实验和三至五个三轴压缩实验，可以绘制莫尔圆及破裂包络线。,二.实验类型及测试参数,内聚力、内摩擦角,2.三轴压缩实验,库仑破裂包络线的表达式：,二.实验类型及测试参数,3.巴西劈拉实验,实验方法：利用Brazil实验间接测定岩样的抗拉强度。原理是在岩样的直径方向上，以恒定的加载速率，连续施加相对的线形荷载，使之沿直径方向破坏。,二.实验类型及测试参数,岩样尺寸：直径50.4mm厚度与直径之比为0.5:11:1,3.巴西劈拉实验,半球轴承，2上加载鄂，3螺孔，4导杆，5下加载鄂，6岩样,样品组件示意图,二.实验类型及测试参数,岩样,3.巴西劈拉实验,计算公式：,二.实验类型及测试参数,测试参数：抗拉强度,P,4.声波实验,实验方法：用一个矩形、瞬时、高压电脉冲激发P波或S波压电晶体，产生一沿着岩样传播的弹性超声波扰动，然后由装在岩样另一端端帽上的对应的压电晶体接收。根据脉冲通过岩样的时间计算P波、S波的速度。,二.实验类型及测试参数,4.声波实验,频率为1MHz,声波实验原理图,t1,二.实验类型及测试参数,4.声波实验,测量与计算,测量超声波在端帽中的延迟时间t0测量超声波传播的总时间t1计算样品中的传播时间t计算P波和S波的波速V计算动态弹性参数,二.实验类型及测试参数,5.断裂韧性实验,实验方法：在模拟围压和上覆压力条件下，对厚壁圆柱状岩样的内孔中连续施加流体压力，直至岩样沿预制缝破裂，测得岩样破裂时的最大流体压力。,二.实验类型及测试参数,5.断裂韧性实验,断裂韧性岩样尺寸,端帽,岩样装配示意图,二.实验类型及测试参数,5.断裂韧性实验,计算公式：,二.实验类型及测试参数,测试参数：断裂韧性,实验后的岩样照片,6.蠕变实验,实验方法：保持轴向应力、围压和孔隙压力恒定（完全伺服控制），测试岩样应变随时间的变化。,二.实验类型及测试参数,两种类型：趋于稳定的蠕变非趋于稳定的蠕变,6.蠕变实验,典型的蠕变曲线,0.瞬时变形阶段：常应力刚刚作用于岩石上就出现的瞬时弹性应变e；.初始蠕变阶段：应变的增长速率随时间逐渐降低。这个过程微裂隙以逐渐减小的速率慢慢扩展。.稳态蠕变阶段：应变随时间呈近于等速的增长。.加速蠕变阶段：应变速率加快，并迅速导致破坏。,二.实验类型及测试参数,6.蠕变实验,计算公式：,二.实验类型及测试参数,测试参数：蠕变,7.渗透率实验,实验方法：模拟地层条件，进行渗透率的测试。也可模拟油藏开发不同时期，进行渗透率同步检测。,二.实验类型及测试参数,测试参数：渗透率,7.渗透率实验,二.实验类型及测试参数,一、简介二、实验类型及测试参数三、在石油工程领域中的应用,汇报提纲,三.在石油工程领域的应用,井壁稳定,地震勘探,出砂预测,压裂设计,井壁稳定,从力学的角度来说，造成井壁不稳定的原因主要是地层原有的应力状态被打破，在井壁上产生应力集中，当井内液柱压力较低时，井壁周围岩石所受的周应力超过岩石本身的强度而产生压缩破坏。,三.在石油工程领域的应用,井壁稳定的力学分析流程,地震勘探,出砂预测,压裂设计,井壁稳定,井壁稳定,三.在石油工程领域的应用,地震勘探,出砂预测,压裂设计,井壁稳定,井壁稳定,地层,z,r,力学模型,z垂向应力r径向应力周向应力,原地应力分析,三.在石油工程领域的应用,井壁岩石的状态方程：,地震勘探,出砂预测,压裂设计,井壁稳定,井壁稳定,建立状态方程,式中：r为井眼周围所受径向应力；为井眼周围所受周向应力；r为井眼周围所受切应力；Pi为井内钻井液柱压力；为井眼周围某点径向与最大水平主应力方向的夹角；H为最大地应力；h为最小地应力；Pp为地层孔隙压力；为有效应力系数；,三.在石油工程领域的应用,地震勘探,出砂预测,压裂设计,井壁稳定,井壁稳定,室内测试分析,抗压强度、杨氏模量、泊松比、内聚力、内摩擦角等参数,三.在石油工程领域的应用,地震勘探,出砂预测,压裂设计,井壁稳定,井壁稳定,井壁上的最大周向应力:,确定钻井液密度,当最大周向压应力超过井壁岩石的抗压强度，井壁将会出现压缩破坏，引起井眼扩大、崩落、孔眼坍塌等问题。可根据实验室数据和应力分析确定安全生产的钻井液密度。,三.在石油工程领域的应用,出砂预测,地震勘探,出砂预测,压裂设计,井壁稳定,根据影响机理可以把出砂划分为两种类型：1.主要由流体力影响的出砂：可通过调整流速来控制。2.主要由高就地应力和低油井压力影响的出砂：可以通过调整生产压差、维持地层压力来控制。,三.在石油工程领域的应用,出砂预测,地震勘探,压裂设计,井壁稳定,出砂的力学分析流程,三.在石油工程领域的应用,地震勘探,出砂预测,压裂设计,井壁稳定,室内测试分析,巴西劈拉实验单轴压缩实验三轴压缩实验,杨氏模量、泊松比等,抗压强度、抗拉强度、内聚力、内摩擦角,莫尔破裂包络线,获得,三.在石油工程领域的应用,地震勘探,出砂预测,压裂设计,井壁稳定,判别准则,拉伸破坏准则,式中:3-为岩石所受的最小主应力T0-岩石的抗拉强度,三.在石油工程领域的应用,地震勘探,出砂预测,压裂设计,井壁稳定,随着井底流压的增大，井壁上的周向压应力逐渐减小，当最小周向压应力小于井壁岩石的抗拉强度时，井壁将会出现拉伸破坏。,井壁上的最小周向应力:,判别准则,三.在石油工程领域的应用,地震勘探,出砂预测,压裂设计,井壁稳定,d,r,d,破坏区,安全区,rd，稳定rd，出砂rd，即将出砂,库仑法判别准则：,剪切破坏准则,判别准则,三.在石油工程领域的应用,地震勘探,出砂预测,压裂设计,井壁稳定,确定安全生产压差,设r=d,并将实验结果代入状态方程，就可计算得到最小井底流压：Pwmin根据地层压力P0和最小井底流压，计算得到防止地层出砂的最大安全生产压差：Pmax=Po-Pwmin,三.在石油工程领域的应用,压裂设计,地震勘探,出砂预测,压裂设计,井壁稳定,三.在石油工程领域的应用,压裂过程,条件：井底压力大于岩石的抗拉强度（断裂韧性）,注入高压液体,裂缝起裂,扩展,注入携砂液（支撑剂）,人工裂缝,压裂液返排,裂缝闭合,地震勘探,出砂预测,压裂设计,井壁稳定,室内测试分析,巴西劈拉实验单轴压缩实验三轴压缩实验断裂韧性实验,杨氏模量、泊松比,抗拉强度、抗压强度、,断裂韧性,获得,地层压力系数,三.在石油工程领域的应用,地震勘探,出砂预测,压裂设计,井壁稳定,利用杨氏模量、泊松比预测裂缝尺寸,将,得到,代入公式：,利用抗拉强度判断裂缝起裂,三.在石油工程领域的应用,地震勘探,出砂预测,压裂设计,井壁稳定,利用断裂韧性判断裂缝的扩展,将分层地应力剖面（、）和分层岩石力学参数（、）输入压裂设计软件（目前采油院用的是GOHFER软件），利用GOHFER建立地质模型，通过数值模拟，进行压裂优化设计。,三.在石油工程领域的应用,压裂设计,地球物理,出砂预测,地球物理,井壁稳定,室内声波实验（Vp,Vs）,现场声波测试（Vp,Vs）,岩性、物性、流体,声学模型,反演,正演,地震、声波测井,原理,三.在石油工程领域的应用,地球物理,出砂预测,压裂设计,井壁稳定,流程框图,三.在石油工程领域的应用,地球物理,出砂预测,压裂设计,井壁稳定,室内测试分析,=31.0%,=35.1%,=36.1%,=37.7%,变化2.4%,变化7.3%,变化6.3%,变化3.0%,三.在石油工程领域的应用,应用实例,中石化“十条龙”项目“油藏综合地球物理技术研究”国家重大专项“中西部致密碎屑岩储层预测研究”国家973项目“长期注水冲刷储层物性参数变化规律研究”油田分公司课题“地层压力保持水平对低渗透油藏注水开发效果的影响研究”油田分公司课题“井间地震资料解释方法研究”“