岩石力学的发展历史与现状

1、石油大学（北京）石油大学（北京） 陈勉陈勉什么是什么是“岩石力学岩石力学” n岩石力学是力学的一个分支。n在中国大百科全书力学卷中对岩石力学的定义为：“岩石力学是运用力学和物理学的原理研究岩石的力学和物理性质的一门科学，目的在于充分掌握和利用岩石的固有性质，解决和解释生产建设中的实际问题”。n美国科学院岩石力学委员会1966年曾给岩石力学下过定义，认为：“岩石力学是研究岩石力学性能的理论和应用的科学，是探讨岩石对其周围物理环境中力场的反应的力学分支”。n应该指出，第二个定义更加强调岩石材料全部赋存于地质环境中，这些材料的自然特征决定于其形成的方式和后来作用于其上的地质作用。岩石是“连续介质”吗

2、？n岩石属于固体，但岩石力学不但研究岩石骨架物质，还研究岩石孔隙、裂隙中的流体的力学性质，及岩石骨架物质与孔隙、裂隙中的流体相互耦合作用问题。一般从宏观的意义上，岩石可以作为连续介质，但是如果考虑到岩体不但有微观的裂隙，而且有层理、片理、节理以及断层等不连续面，也常常有人把岩体作为非连续介质处理。 岩石力学的理论基础n岩石力学的理论基础相当广泛，涉及弹塑性力学、流体力学、计算数学、断裂力学、工程地质等众多学科。岩石力学也涉及许多生产领域，如石油工程、水利水电工程、煤炭开采工程、铁道交通工程等。土木建筑、矿山建设、国防工程、地震预报等也都应用到岩石力学的理论和方法。 组成矿物决定岩石性质吗？n大

3、多数岩石是由几种矿物组成的，如玄武岩、花岗岩、大多数岩石是由几种矿物组成的，如玄武岩、花岗岩、页岩、砂岩、石灰岩等；也有由单一矿物组成的岩石，页岩、砂岩、石灰岩等；也有由单一矿物组成的岩石，如石英岩、大理岩等。但是应该指出，矿物的力学性如石英岩、大理岩等。但是应该指出，矿物的力学性质，并不等同于该种矿物所组成的岩石的力学性质，质，并不等同于该种矿物所组成的岩石的力学性质，即使是由单一矿物组成的岩石也是如此。例如，由石即使是由单一矿物组成的岩石也是如此。例如，由石英组成的石英岩和由方解石组成的大理岩，但是石英英组成的石英岩和由方解石组成的大理岩，但是石英与石英岩，方解石与大理岩，两者的性质并不相

4、同。与石英岩，方解石与大理岩，两者的性质并不相同。这表明：一方面，由矿物组成的集合体的结构与构造，这表明：一方面，由矿物组成的集合体的结构与构造，在力学上起着主要作用，因此，研究岩石的组织和结在力学上起着主要作用，因此，研究岩石的组织和结构的力学效应是十分必要的。另一方面，这并不等于构的力学效应是十分必要的。另一方面，这并不等于说岩石的力学性质与其组成的矿物的性质没有关系。说岩石的力学性质与其组成的矿物的性质没有关系。事实上，岩石中的矿物成分，也会对岩石的力学性质事实上，岩石中的矿物成分，也会对岩石的力学性质产生十分重要的影响，甚至在某些条件下会产生决定产生十分重要的影响，甚至在某些条件下会产

5、生决定性的影响。例如，粘土矿物会使其组成的岩石产生膨性的影响。例如，粘土矿物会使其组成的岩石产生膨胀、溶蚀和软化等物理和化学的变化，使岩石的性质胀、溶蚀和软化等物理和化学的变化，使岩石的性质复杂起来。复杂起来。 岩石、岩体和岩块n岩石是一种自然历史的产物，是构成地壳岩石圈的物质基础。因此，岩石这一术语，是岩石力学和工程地质学的一般用语。岩石是一个泛指的名词，即作为地壳岩石的统称，包括岩块和岩体。所谓岩块是指脱离天然状态母岩的块体，如钻取的岩芯、人工凿取的石料等；而岩体是指一定范围的天然岩石（地壳岩石圈的自然状态）。岩石力学与工程n岩石力学的发展是与人类的生产活动紧密联系的。在原始社会，人类就利

6、用岩石制作工具和武器。后来逐渐学会在岩石中开采矿石，利用岩石作建筑材料。但是，作为一门学科，岩石力学是近四十年才发展起来的。在水电建设中，大型电站的坝高可达三百米，石油地质钻井深度已达10000米以上，而研究地壳变形时，涉及到的深度达五、六十公里、温度在1000以上，必需考虑的时间效应为几百万年。而且更巨大和复杂的岩石工程还在日益增加，从而有力地促进了岩石力学的发展。 国际岩石力学组织n1951年在奥地利成立了国际上第一个地区性的地质力学学会年在奥地利成立了国际上第一个地区性的地质力学学会-奥地利地质力学学奥地利地质力学学会。会。n1957年出版了法国的年出版了法国的J.Talobre的的岩石

7、力学岩石力学专著以来，有关岩石力学的著作专著以来，有关岩石力学的著作如雨后春笋，不断涌现。如雨后春笋，不断涌现。n1962年，由奥地利地质力学学会发起，建立了国际岩石力学学会年，由奥地利地质力学学会发起，建立了国际岩石力学学会（International Society for Rock Mechanics, 简称简称ISRM）。）。n1965年，由美国地球物理联合会年，由美国地球物理联合会(AGU)、矿冶研究所、矿冶研究所(AIMMP)、土木学会、土木学会(ASCE)、材料学会、材料学会(ASTM)、地质学会、地质学会(GSA)、矿业学会、矿业学会(AIME)等单位联合组等单位联合组成岩石力

8、学学会委员会成岩石力学学会委员会(Intersociety Committee for Rock Mechanics, 简称简称ICRM)，后改称联邦岩石力学委员会，后改称联邦岩石力学委员会(U. S. National Committee for Rock Mechanics, 简称简称USNC/RM)，把岩石力学在各个领域中取得的成果进行交流推，把岩石力学在各个领域中取得的成果进行交流推广，之后又成立了美国岩石力学协会，进一步推动了岩石力学的发展，并从广，之后又成立了美国岩石力学协会，进一步推动了岩石力学的发展，并从1965年起每年举行一次全国岩石力学学术大会，至今没有间断过。年起每年举行

9、一次全国岩石力学学术大会，至今没有间断过。n1966年国际岩石力学学会在里斯本召开了第一届国际岩石力学学术大会。在这年国际岩石力学学会在里斯本召开了第一届国际岩石力学学术大会。在这个时期岩石力学作为一个独立的学科开始进入了新的阶段。个时期岩石力学作为一个独立的学科开始进入了新的阶段。n国际岩石力学学会出版了国际岩石力学学会出版了岩石力学岩石力学（季刊）和（季刊）和国际岩石力学及矿业科学学国际岩石力学及矿业科学学报报并附有岩土力学文摘（并附有岩土力学文摘（International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences Geomechanic

10、s Abstract）。）。中国岩石力学组织n在我国，五十年代开始，随着国民经济建设的发展，在我国，五十年代开始，随着国民经济建设的发展，陆续建立了一些岩石力学的研究机构，如中国科学院陆续建立了一些岩石力学的研究机构，如中国科学院岩土力学研究所等。岩土力学研究所等。n1979年起，中国以团体会员国名义参加了国际岩石力年起，中国以团体会员国名义参加了国际岩石力学学会并成立了国际岩石力学学会中国小组。学学会并成立了国际岩石力学学会中国小组。n1985年成立了中国岩石力学与工程学会，由中国科学年成立了中国岩石力学与工程学会，由中国科学院学部委员陈宗基教授任第一任理事长。院学部委员陈宗基教授任第一任理

11、事长。n1995年国际岩石力学第八次会议在日本千叶召开，中年国际岩石力学第八次会议在日本千叶召开，中国岩石力学与工程学会理事长孙均院士当选为国际岩国岩石力学与工程学会理事长孙均院士当选为国际岩石力学学会副主席，我国在世界岩石力学界的地位逐石力学学会副主席，我国在世界岩石力学界的地位逐步提高。步提高。石油工程岩石力学组织n1997年中国岩石力学与工程学会成立了以石油工程为主要研究对象的深层岩石力学专业委员会，黄荣樽教授任首届主任委员。n2000年石油大学陈勉开始担任深层岩石力学专业委员会主任，并作为中国岩石力学与工程学会石油工程界的唯一常务理事。岩石与人工材料不同n岩石力学的研究对象是岩石。岩石

12、力学研究是与岩石本身的固有性质不可分的。岩石形成的时期，最早可在几十亿年前，在漫长的地质年代中，先后经历了多次构造运动。因此，岩石与人工材料有很大的不同。在成岩过程中，组成岩石的矿物颗粒在大小、物理力学性质和热导率等方面都各不相同，因此在岩浆冷却时，颗粒的内部和边界会产生微裂纹；另一方面，由于晶体之间有摩擦阻力，变形受阻，引起应力积累，而形成封闭应力。在此后地质构造的长期作用之下，岩石中又形成了各种断裂，如裂隙和断层。裂纹、断裂等在外力作用下都具有随时间而变化的力学性能，即流变性。 岩石与地质运动n地壳本身在动力作用下也按一定的速率不断变化。此外，在构造运动，如板块构造、板块碰撞、火山运动、造

13、山运动等的影响下，岩石内部还赋存有地应力，并包含许多晶体间的滑动面、裂纹、节理、裂隙、层面、弱面、夹层和断层等。因此，岩石是一种非均质、各向异性、非连续、而且内部存在应力的复合地质结构。在岩石内部又包括许多力学性质不同的岩石单元，而每个单元本身也往往是非均质、各向异性和非连续的。由此可见，岩石的力学性质远较其他材料复杂，任何岩石力学科学实验、理论分析和计算都必须考虑这些特点。这也是岩石力学研究的基本出发点。 石油工程所涉及的岩石n在与石油工程有关的岩石力学研究中，所涉及的地层深度大多在2000-8000米范围内，研究对象以沉积岩层为主体，岩石处于较高的围压（可达200MPa）、较高的温度（可达

14、200）和较高的孔隙压力（可达200MPa）作用下。这与水电沾的坎基设计、高边坡稳定、隧道和巷道的开挖及支护、建筑的桩基工程、地下洞室城市地铁建造等不超过1000米深度的地表或浅层问题不同，也不同于以火成岩和变质岩的研究主体，深度超过万米的下地壳、上地幔岩石物理力学问题。 岩石的围压n石油工程岩石力学所涉及的围压可达200MPa。事实上，地层的围压来源于非均匀的原地应力场，若垂向应力源于地层自重，那么应力梯度平均为0.023MPa/m，多数地区最大水平应力往往大于垂向应力，且两个水平地应力梯度的比值常达到1.41.5以上。在山前构造带地区，不但地应力梯度高，水平最大最小地应力的比值也很大。因此

15、在研究地应力分布规律（包括数值大小及主方向）时，主要依靠水压致裂、岩石声发射试验、岩石剩磁分析、差应变分析、地震和构造资料反演，测井资料解释等间接方法。 岩石的温度n石油工程岩石力学所涉及的温度可达200。一般的地温梯度是3/100m，高的可超过4/100m，具体的地温梯度往往需要实际测定。当温度超过150后对岩石性质的影响是十分显著的。 岩石的孔隙压力n石油工程岩石力学所涉及的沉积岩层的孔隙和裂隙中的高压流体（包括各种液体和气体）的孔隙压力可达200MPa。常规的静水孔隙压力梯度为0.01MPa/m，而异常高压可超过0.02MPa/m。 岩石的脆塑性转变n石油工程岩石力学所研究的地层力学是在

16、高围压、高温度和高孔隙压力状态下，其性质已完全不同于浅部地层，它可能经过脆塑性转变变成塑性，也可能由于高孔隙压力的作用呈现脆性破坏。 主要研究范围n二十世纪六十年代以来，岩石力学在石油工程中日益显示了其重要性。主要研究范围包括：n深部地层工程地质特征研究n深层地应力测量技术；n深部地层环境下的岩石力学性质；n岩石应力、渗透性的声学响应特性及岩石物理力学性质的地球物理解释；n构造应力场的数值模拟及其在油气勘探与开发中的应用；n深层岩石中天然裂缝的形态、分布和预测理论；主要研究范围n固液耦合理论及在油藏工程中的应用；n井壁围岩稳定性研究n岩石破碎机理研究n人工裂缝的起裂、扩展及水力压裂工程设计；n

17、弱固结地层的固相产出问题；n地层错动、蠕变与套管损坏问题n数值方法在石油工程岩石力学中的应用研究n石油工程岩石力学的物理模拟技术研究 岩石力学的研究方法n岩石力学的研究方法主要是:科学实验和理论分析。科学实验包括室内试验、现场试验和实地观测。室内试验一般分为岩石材料试验和模型试验（如地质力学模型试验和大工程模拟试验）。现场试验和实地试验是在天然条件下进行的，研究包括不连续面的岩体的性质，是岩石力学研究的重要手段，也是理论研究的主要依据。岩石力学的研究方法n理论分析是对岩石的变形、强度、破坏准则及其在工程中的应用等课题进行探讨。在这方面，长期以来沿用弹性理论、塑性理论和松散连续介质力学理论进行研

18、究。由于岩石力学性质十分复杂，所以这些理论的适用范围总是有限的。近年来，虽然发展了一些新的理论（如非连续介质理论），但都不够成熟。岩石力学的研究方法n60年代以来，数值分析方法和计算机的应用给岩石力学的发展创造了有利条件。用这种方法和计算技术可以考虑岩石的非均质性，各向异性，应力应变关系的非线性和流变性，粘、弹、塑性，等等。但是由于岩石力学的试验方法比较落后，还无法为计算提供准确的参数及合适的边界条件，使计算技术的应用受到限制。岩石力学参数的室内实验测定岩石力学参数的室内实验测定 岩石的力学特性参数包括强度参数和弹性参数。涉及的参数主要为抗压强度、内摩擦力、内摩擦角、波松比和杨氏模量。目前岩石

19、力学特性参数的测定主要有两种方法：静态法和动态法。静态法是通过对岩样进行加载试验测得其变形而得，所得参数为岩石静态力学特性参数。动态法是通过测定超声波穿过岩样的速度得到，所得参数为岩石动态力学特性参数。根据实际受载情况，岩石的静态力学特性参数更适合工程需要。岩石力学参数的室内实验测定岩石力学参数的室内实验测定 迄今为止，岩石的静态力学特性参数的测定方法已比较成熟，有了一套规范的实验程序和数据处理程序，但静态法需从地下取出待研究井段的岩芯，在室内做单轴或三轴应力实验，其缺点是成本高，时效性差，资料的代表性较差，而动态法利用声波测井资料，可把原地应力下的动态力学特性参数直接求出，可获得岩层沿深度的

20、连续的力学特性资料。岩石力学参数的室内实验测定岩石力学参数的室内实验测定 一般采用常规三轴压缩试验方法。试验机包括两种，柔性试验机和刚性试验机，柔性试验机适用于金属材料。由于柔性试验机在试验过程中要储存大量的弹性能量，要得到岩石材料的全应力应变曲线必须使用刚性试验机。一般刚性试验机性能精密，造价昂贵，目前国内引进的美国MTS815、MTS816和Terra Tek岩石力学试验测试系统，具备全面准确的行为控制、测试、数据后处理功能。温度、压力指标可满足深层岩石力学基础实验的要求。 静态和动态岩石力学参数关系静态和动态岩石力学参数关系n 岩石力学特性参数的静态值和动态值存在着一定的差异，静态弹性模

21、量普遍小于动态弹性模量，而静态泊松比有的大于动态泊松比，有的小于动态泊松比。根据实际受载情况，岩石的静态力学特性参数更适合工程需要，利用声波法得到的岩石力学参数不能直接用于工程分析中。因此利用现场提供的纵波测井、密度测井、地层压力、部分岩芯等资料，寻找动、静力学特性参数之间的关系以及静态参数之间的关系有着积极的意义。静态和动态岩石力学参数关系静态和动态岩石力学参数关系n黄荣樽等学者通过我国各主要油田砂泥岩的三轴试验研究发现，静态泊松比随围压增大而增大，岩石的泊松比、弹性模量同所处的深度有关，并提出了岩石泊松比、弹性模量和强度与地层深度、声波速度的变化规律。 分层地应力分层地应力n由于地层间或层

22、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面的差别造成了层间或层内地应力分布的非均匀性。某些地层特别强烈的地应力各向异性对井壁稳定有着非常显著的影响，而层间应力差对水力压裂裂缝的扩展也起着重要的约束作用，同时对定向钻井和防斜打直方面也有着重要的影响。分层地应力分层地应力n目前，对于分层地应力主要采用以下几类预测模型：n 单轴应变模式：假设地层在沉积过程中水平向的变形受到限制，则水平方向的地应力是由上覆压力产生，主要包括如下模型: Mattens & Kelly模型，Terzaghi模型，Anderson模型，Newberry模型。单轴应变模式没有包括构造应力项,适用于弱

23、构造运动地层。n 分层地应力分层地应力n石油大学六五模式：假设地下岩层的地应力主要由上覆岩层压力与水平方向的构造应力产生，且水平方向的构造应力与上覆压力成正比，该模式老虑了构造应力的影响，但没有刚性地层和岩性对地应力的影响。n 分层地应力分层地应力n石油大学七五模式：在石油大学六五模式的基础上，假设地层为匀质各向同性的线弹性体，并假定在沉积后期地质构造运动过程中，地层与地层之间不发生相对位移，所有地层两水平方向的应变均为常数。这种模式意味着地应力不但与泊松比有关，与地层的弹性模量，地应力与地层弹性模量成正比，此模式可解释砂岩地层比相邻页岩地层有更高的地应力现象。 地层断裂韧性的测量与预测地层断

24、裂韧性的测量与预测n断裂韧性又称临界应力强度因子，是裂纹体分析中的关键参量，表征了线弹性裂缝尖端场（应力和应变）的奇异性强度，其数值与裂纹体的几何形状和所受载荷一般无关，因而是物质材料的一个基本属性。陈治喜等人根据试件加工的严格要求以及可能存在的问题，专门设计岩石断裂韧性测试岩芯制作加工装置和断裂韧性实验仪。张广清、陈治喜、袁长友等人深入地研究了断裂韧性与其它物理力学参数间的关系。地层断裂韧性的测量与预测地层断裂韧性的测量与预测n因为由测井资料可以得到地层密度，声波时差或声波速度以及泥质含量，再根据上述的试验资料统计关系，岩石的断裂韧性就可以通过声波测井资料、密度测井资料以及伽马测井资料计算得

25、到。全尺寸钻井模拟试验装置 n研究井底岩石在各种压力作用下的物理机械性能，分析不同钻井参数对钻进过程中水力、机械破岩过程、射流场规律及钻进效果，不断提高钻井技术水平，降低钻井或成本，一直是世界各国石油行业追求的目标。全尺寸钻井模拟试验装置 n自五十年代以来，对上述的技术和基础理论各大石油公司主要采用现场实际钻进试验，对其进行研究和认识。但由于钻进过程的隐蔽性和复杂性，通常钻井现场试验只能测得多种工艺参数的综合效果，而且，目前对井下地层参数还不能随钻直接测定和控制。因此，现场试验并不是完全理想的、经济的和科学的试验方法。为此，国外从六十年代开始研制能模拟井底岩不自然环境和全尺寸钻头钻进过程的高温

26、高压模拟井筒试验装置。 全尺寸钻井模拟试验装置 n美国泰瑞泰克公司（Terra Tek , Inc）的钻井模拟试验装置是世界上第一个全尺寸钻井模拟试验装置。它由钻钻机、井眼模拟器、泥浆循环系统、岩样采集加工、井下工具试验容器及井眼稳定试验装置等组成。该装置模拟井下压力分别为上覆压力207MPa，围压138MPa，孔隙压力27.6MPa，液柱压力103MPa，使用钻头直径为：156-311mm。全尺寸钻井模拟试验装置 n英国斯伦贝谢剑桥研究中心（Schlumberger Cambridge Research）的全尺寸钻井模拟试验装置1992年基本完成，可模拟5000m井深条件钻井试验。另外日本通

27、产省资源环境技术综合研究所（National Institute for Resources and Environment）、俄罗斯原全苏钻井技术研究院别尔姆分院、日本石油公司石油开发技术研究所（Japan National Oil Corporation Technology Research Center）等也分别研制了全尺寸钻井模拟装置。全尺寸钻井模拟试验装置n二十世纪九十年代，由中国石油天然气集团公司组织，大庆油田钻井研究院等多家单位联合攻关，成功地研制了我国第一台模拟6000米井底压力环境的全尺寸钻井模拟试验装置，这为我国石油钻井，特别是深井钻井提供了强有力的中间试验和模拟试验的手

28、段。该装置可模拟井底压力环境，在不同岩石矿物组份及应力状态下，选用不同的钻井参数、水力参数，开展优选参数钻井、喷射钻井、水力机械联合破岩、破岩工具、钻柱振动试验、井下工具模拟试验和检测评价。全尺寸钻井模拟试验装置nPhoto!井壁稳定力学机理与应用研究井壁稳定力学机理与应用研究n井壁失稳是指钻井过程中井眼喷、漏、塌、卡，其主要失稳机理是井壁的张性破裂和剪切破坏，井壁稳定问题是钻井过程中经常遇到的复杂问题。根据哈里伯顿公司的最新统计，全球每年花在井壁稳定问题上的开支不低于60亿美圆。因此，确保控制井壁失稳是石油工业界的迫切需要。井壁稳定力学研究井壁稳定力学研究n由于钻井过程中的井壁失稳是一个世界

29、性难题，因此受到各国科研人员的高度重视。但是，由于受石油钻井工程发展历史的影响，长期以来，研究的重点多集中于化学防塌方面。在这方面泥浆工作者进行了大量行之有效的工作，从化学的角度出发研制抑制泥页岩水化、膨胀和实现离子活度平衡的新型泥浆处理剂和配方，使井壁失稳现象大为减少，井壁稳定技术取得很大进展，但是仍然解决不了水化程度弱、强度低的泥页岩、砂泥岩地层、强地应力条件的山前构造、弱面地层和井斜及井斜方位引起的井壁稳定问题，可见解决井壁失稳仅通过使用优质泥浆是不够的，有必要从岩石力学的角度出发，进行井壁稳定力学研究。井壁稳定力学研究井壁稳定力学研究n我国学者将岩石力学理论用于井壁稳定方面的研究起步相

30、对较晚。80年代初期，岩石力学的研究主要是用于描述地层蠕变对套管产生的破坏作用；到了90年代，以黄荣樽教授为代表的国内学者，在吸收国外先进经验的基础上，逐步形成了一整套适合我国油田实际的井壁稳定力学分析的理论和方法。为岩石力学在井壁稳定分析中的进一步深入应用打下了基础。井壁稳定力学研究井壁稳定力学研究n陈勉等人在深入分析Yew、Chenevert、Mody模型和大量室内试验的基础上，利用力学与化学耦和的研究方法，提出了新的、更为合理的水化应力模型；首次提出了井壁垮塌周期的定量计算方法。井壁稳定力学研究井壁稳定力学研究n对大斜度井和水平井的井壁力学稳定性问题作了深入研究，其井壁稳定性模型在Aad

31、noy模型的基础上又附加了井壁渗透性因素和考虑了两个水平地应力不相等的情况，并指出井壁渗透性对坍塌压力的计算影响不大，但对计算破裂压力有较大的影响；针对我国西部油田山前构造大倾角地层的特点，金衍等人建立了井壁稳定的弱面模型，并在塔北地区得到了成功的应用；并将快速Lagrange元分析方法应用于软泥岩盐膏地层的缩径预测中，其预测结果与现场实测结果十分吻合。井壁稳定力学研究井壁稳定力学研究n由于钻井过程中的井壁失稳是一个世界性难题，因此受到各国科研人员的高度重视。但是，由于受石油刘向君等人对煤层井壁不稳定的机理进行了研究，认为煤层失稳是由物理因素、化学因素、力学因素和机械因素综合影响造成的。此外，

32、刘玉石等人还应用损伤力学理论，从岩体节理的变形能出发，建立了硬脆性泥页岩（含节理裂隙）的本构方程；又以实验数据为基础，用固体力学方法建立了膨胀性泥页岩水化的本构方程，根据损伤和水化膨胀的特性，建立了有限元计算模型和相应的计算程序。井壁稳定力学研究井壁稳定力学研究n总的来讲，井壁稳定力学研究应从三个方面入手：岩石力学参数、原地应力场和井壁稳定力学模型研究。岩石力学参数是基础，地应力是井壁失稳的根本诱因，合理的井壁稳定力学模型是解决井壁稳定的有效途径。结合三个方面的研究，掌握地应力状态和地层力学参数，采用合理的力学模型，得出能控制井壁失稳的泥浆密度范围，再配合使用优质泥浆，才能使得井壁稳定问题得到

33、最大限度的降低。测井资料在井壁稳定力学分析测井资料在井壁稳定力学分析中的应用中的应用n从事岩石力学研究需要取得有关的岩石力学参数，如弹性模量、泊松比、强度等。过去这些岩石的物理力学参数的测定都是建立在静力学的基础之上，依靠室内力学实验来完成的。这种方法虽然直观，理论也简单，但耗费大量人力、物力，更为重要的是现场取芯困难，不可能取得整个井身剖面内的岩石力学参数。因此，长期以来，国内外专家都在寻找一种更简便的方法来确定地层的强度参数。地层声波测井反映声波在岩石中的传播速度，与岩石的密度、孔隙度、结构强度等密切相关，它作为衡量岩石强度参数的一个重要指标，长期以来一直为众多学者所关注。测井资料在井壁稳

34、定力学分析测井资料在井壁稳定力学分析中的应用中的应用n目前，利用声波（结合密度、自然伽玛等）测井资料确定岩石的弹性模量、泊松比、单轴抗压强度、粘聚力、内摩擦角等参数，已经有了一些相对成熟的公式，应用较广泛。国内学者根据地质力学、多孔弹性介质力学、岩石力学及声学理论，对井壁围岩的受力状态、地应力的测量技术、岩石强度的方法，以及泥页岩水化应力的计算方法等进行了系统的研究和分析：测井资料在井壁稳定力学分析测井资料在井壁稳定力学分析中的应用中的应用n(1) 形成了一套完善的室内声发射Kaiser实验与现场水力压裂试验相结合的地应力测试技术。并针对不同构造区域的地质运动特点，建立了分层地应力计算模型，结

35、合测井资料的解释及处理，可求出全井段各地层的三个主应力。测井资料在井壁稳定力学分析测井资料在井壁稳定力学分析中的应用中的应用n(2) 形成了一套岩石强度参数测定技术。建立了利用人造泥页岩岩心或露头岩心，通过强度对比试验及测井资料解释来确定泥页岩强度参数的新方法。测井资料在井壁稳定力学分析测井资料在井壁稳定力学分析中的应用中的应用n(3) 通过大量室内岩石动、静弹性参数及强度参数的同步测试，建立了泥页岩动、静态参数间的相互关系，以及泥页岩强度参数与其声波速度、泥质含量及密度之间的相对关系。形成了一套利用测井资料求算泥页岩弹性参数及强度参数的新技术。测井资料在井壁稳定力学分析测井资料在井壁稳定力学

36、分析中的应用中的应用n(4) 利用多孔介质力学理论，对井壁围岩的受力状态进行了分析计算，并结合岩石破坏准则，推导了地层坍塌压力与破裂压力的计算模型。在模型中综合考虑了地层渗透性、岩石非线性变形性质、井斜角、方位角对井壁受力状态的影响。测井资料在井壁稳定力学分析测井资料在井壁稳定力学分析中的应用中的应用n(5) 研究了盐层和含盐软泥岩的塑性变形与温度、井深、封闭压力、压差、地应力、时间、盐岩层厚度及盐岩组分等因素之间的关系，建立了盐岩和含盐软泥岩粘弹性流变的本构方程，绘制了控制盐岩收缩率的钻井液密度图版，为顺利钻进盐岩和含盐软泥岩提供科学依据。井壁稳定性钻前分析井壁稳定性钻前分析n传统的井壁稳定

37、性研究往往集中在钻后，对施工过程中所碰到的复杂情况从力学、化学上进行分析，找出失稳原因，提出相应的改进措施，指导后续钻井。但是由于钻井过程中的井壁稳定问题具有极强的时效性，加之其后果的严重性，从工程实际的角度看，要求对井壁稳定问题尽可能做到提前预知，及早发现，尽快处理，而国内外对井壁稳定的钻前预测研究的很少，几乎是空白。井壁稳定性钻前分析井壁稳定性钻前分析n二十世纪九十年代末期，陈勉、金衍等人首次建立了井壁稳定的钻前预测问题相关预测模型。在相似构造井壁稳定分析理论基础上，研究了利用测井数据分层的方法，建立了地震层速度偏差的修正模型，利用趋势面理论建立了地震层速度单因素钻前预测井壁稳定性模型，利

38、用神经网络理论建立了地震层速度智能钻前预测井壁稳定性模型，这两个模型较为成功解决了塔里木油田、大港油田等数十口深井、超深井的钻前泥浆密度确定难题，为成功钻进打下了基础。井壁稳定性钻前分析井壁稳定性钻前分析n由于层速度分辨率低与地震速度与地层受力特性、岩性和岩石物理参数之间关系的不确定性，导致层速度模型不能预测薄夹层的井壁稳定性，且井壁稳定预测的精度低等缺陷。为了克服上述缺陷，金衍等人提出了地震记录钻前预测井壁稳定的理论与方法。根据地震动力学的理论，为地震和测井之间的非线性关系建立合理的映射关系，建立了自回归系数、分形维数、最大Lyapunov指数和突变参数为输入层的神经元的利用地震记录创建测井

39、曲线神经网络模型，获得了声波速度一地层密度数据，解决了地层弹性参数、强度参数的获取方法，提出了有效流体压力的新概念，简化了计算；井壁稳定性钻前分析井壁稳定性钻前分析n金衍等人还建立了利用常规井壁稳定力学方法预测钻前井壁稳定的模型和利用非线性函数曲线拟合预测钻前井壁稳定模型，其中提出了地应力测井数据反演、薄层地应力测试、根据工程情况简易确定安全泥浆密度等新方法。模型适合于第一口探井二开有测井数据的前提预测二开下部待钻地层的井壁稳定性，并随着完井数量的增多，模型的预测准确性就越好。井壁稳定性钻前分析井壁稳定性钻前分析n总体来看，国内学者对井壁稳定的力学研究近十几年来发展的很快，也取得了一定的成绩，

40、但要从根本上解决井壁失稳问题还要做进一步的深入探索。一方面要加强坍塌机理和流固耦合力学模型的研究，尽可能对井壁失稳问题作出更为精确的数学描述。井壁稳定性钻前分析井壁稳定性钻前分析n另一方面，从工程实际的角度看，应加强井壁稳定的钻前预测和实时监测研究，把钻前预测、钻中监测和钻后分析作为一个有机整体来对待。另外，利用测井评价井壁稳定性不能仅停留在为力学分析提供必要的地应力参数和岩石强度参数,而应与地震、层速度、力学物理化学耦合研究井壁稳定性原理相结合,建立一个更广泛意义上的井壁稳定性综合评价系统。水力压裂物理模拟水力压裂物理模拟n水力压裂物理模拟试验是研究水力裂缝扩展机理的重要方法。由于对水力压裂

41、机理认识的局限性，在分析裂缝扩展规律时往往采用理想化的假设条件，在预测水力裂缝几何形态时大多采用了过于简化的二维模型或三维模型来模拟水力压裂过程。由于这些简化的模型不能正确地反映深部地层水力裂缝的扩展规律，因此常常导致压裂作业的结果与实际情况有很大差异。同时现场水力裂缝的实际形态不可能直接观察到，目前尚无有效的测试方法，这就使单纯性的理论研究得不到有效论证。因此室内模拟实验对理论的研究和论证起着不可忽略的作用。水力压裂数值模拟水力压裂数值模拟 水力压裂数值模拟主要是关于水力裂缝的延伸模型的建立和求解。由于裂缝延伸模型对水力压裂设计有着重要的意义，因此自50年代中 期以来，有许多学者进行了大量研究，发展了各种模型来描述水压裂缝的几何形态和延伸规律。50年代后期至70年代中期发展了各种二维模型，此后又出现了各种拟三维模型和全三维模型，其途径是通过更全面地考虑真实地层的复杂性来达到裂缝几何形态预测的准确性。水力压裂数值模拟水力压裂数值模拟n由于实际地层和井眼条件的复杂性，要全面考虑所有的影响因素是十分困难的，而且在数值分析方法上也存在一定障碍。因此研究人员大多