井壁稳定性研究-西南石油大学

西南石油学院油气藏地质及开发工程国家重点实验室井壁稳定性研究教师：范翔宇博士后/副教授西南石油学院石油工程学院2009/11/24西南石油学院油气藏地质及开发工程国家重点实验室第一章概论第二章井壁稳定性研究的基本原理第三章地应力及其测量技术第四章岩石强度第五章岩石弹性模量第六章钻井地质环境内容西南石油学院油气藏地质及开发工程国家重点实验室第一章概论井壁稳定研究的意义井壁失稳的表现形式影响井壁稳定的基本因素井壁稳定的研究现状井壁稳定研究的主要内容西南石油学院油气藏地质及开发工程国家重点实验室一、井壁稳定研究的意义1、提高钻井成功率2、确保井眼按设计要求，按时、保质地完成钻穿和钻达设计要求的所有目的层，钻达到设计井深和层位按时完成钻井完井任务井身质量好，满足各种测试要求钻井成本合理3、有助于取全、取准所要求的各种资料；4、减小和防止油层损害，以利于发现和评价油气层5、优化完井方案（完井方式、射孔方案）西南石油学院油气藏地质及开发工程国家重点实验室二、井壁失稳的表现形式泥岩水化膨胀盐岩蠕变剪切破坏张性破裂

井眼周围岩石所受载荷不平衡引起西南石油学院油气藏地质及开发工程国家重点实验室形成张性裂缝形成井眼垮塌二、井壁失稳的表现形式西南石油学院油气藏地质及开发工程国家重点实验室三、影响井壁稳定的基本因素西南石油学院油气藏地质及开发工程国家重点实验室四、井壁稳定的研究现状合理钻井液密度西南石油学院油气藏地质及开发工程国家重点实验室五、井壁稳定研究的主要内容西南石油学院油气藏地质及开发工程国家重点实验室第二章井壁稳定性原理基本概念钻井地质及力学环境井壁稳定研究一般思路

原地应力有效应力力学本构方程井周应力分布主应力井壁稳定性判别模型“安全”泥浆密度范围井壁稳定性分析的参数获取井壁稳定性分析软件介绍西南石油学院油气藏地质及开发工程国家重点实验室井眼周围地层的受力状态井眼周围地层能够承受的力井壁稳定强度判别准则原地应力状态力学本构方程岩石的强度一、基本概念井壁稳定一般思路西南石油学院油气藏地质及开发工程国家重点实验室原地应力力学本构关系井周有效应力强度判别准则岩石强度孔隙压力合理泥浆密度上、下限地层坍塌应力、破裂应力孔隙压力一、基本概念井壁稳定一般思路西南石油学院油气藏地质及开发工程国家重点实验室一、基本概念原地应力：地层钻开前，已经存在于岩层中的地应力。通常用垂向应力（

v）和水平方向两个主应力（

H1、

H2）描述。1

v

H1v2

H2西南石油学院油气藏地质及开发工程国家重点实验室有效应力：地层矿物颗粒对颗粒的作用力。在多孔的连续介质中，有效应力和孔隙压力一起，支撑着外部总的应力（

），即有效压力等于总应力与孔隙压力之差。地层岩石受力示意图Pp

e

一、基本概念西南石油学院油气藏地质及开发工程国家重点实验室孔隙压力一、基本概念有效应力西南石油学院油气藏地质及开发工程国家重点实验室二、力学本构方程力的平衡方程几何方程应力-应变关系西南石油学院油气藏地质及开发工程国家重点实验室柱坐标系下，力的平衡方程

r：径向应力

：周向应力

r

：剪切应力二、力学本构方程西南石油学院油气藏地质及开发工程国家重点实验室柱坐标系下，几何方程二、力学本构方程西南石油学院油气藏地质及开发工程国家重点实验室应力

应变关系二、力学本构方程西南石油学院油气藏地质及开发工程国家重点实验室三、井周应力分布假设：地层均质、各向同性和线－弹性远场孔隙压力恒定西南石油学院油气藏地质及开发工程国家重点实验室井眼围岩应力分布三、井周应力分布西南石油学院油气藏地质及开发工程国家重点实验室三、井周应力分布西南石油学院油气藏地质及开发工程国家重点实验室当r=rw时，得到井壁应力：其中：rw

：井半径

Pwf

：泥浆柱压力

r：径向距离三、井周应力分布西南石油学院油气藏地质及开发工程国家重点实验室原地应力坐标变换

y

yx

x

zx

zz

yz

xzyxz

xy

zyv

v

H112

H2

α：井斜角；β：井斜方位与水平最大主应力方位之间的夹角，即沿水平最大主应力方向钻井时，β=0

;沿水平最小主应力方向钻井时，β=90

。三、井周应力分布西南石油学院油气藏地质及开发工程国家重点实验室三、井周应力分布西南石油学院油气藏地质及开发工程国家重点实验室四、井壁主应力在过任一点所作任意方向的单元面积上都有正应力和剪应力。如果在某一方向剪应力为零，则此方向称为主方向，而这时在该面上的正应力称为主应力。

y

yx

x

zx

zz

yz

xzyxz

xy

zyv

v

H112

H2

西南石油学院油气藏地质及开发工程国家重点实验室四、井壁主应力西南石油学院油气藏地质及开发工程国家重点实验室在r=rw处三个主应力分量为：四、井壁主应力西南石油学院油气藏地质及开发工程国家重点实验室五、井壁稳定性判别模型Mohr-coulomb准则Druck-Prager准则非线性Pariseau准则Hoek－Brown准则西南石油学院油气藏地质及开发工程国家重点实验室Mohr-coulomb准则--剪切破坏判别准则其中，c、

分别为内聚力和内摩擦角，Co为岩石的单轴抗压强度。

坍塌压力极限（P坍）:保证井壁不发生剪切变形的钻井液柱压力极限。西南石油学院油气藏地质及开发工程国家重点实验室令则井壁稳定性系数：[

c]为岩石允许承载的能力，[

1]为岩石实际承受载荷。当K>1时，井眼发生塑性变形；当K＝1时，岩石处于极限平衡态;当K

1时，井壁稳定。Mohr-coulomb准则--剪切破坏判别准则西南石油学院油气藏地质及开发工程国家重点实验室由井壁3个主应力分量的有效应力表达式，可以得到以下3种可能的关系：对应的Mohr-Coulomb表达式：西南石油学院油气藏地质及开发工程国家重点实验室最大拉应力理论----张性破坏判别准则

张性破裂压力（P破）:保证井壁不发生张性破裂的泥浆柱压力极限

为岩石抗拉强度;

Min:井壁最大拉应力.西南石油学院油气藏地质及开发工程国家重点实验室六、钻井合理泥浆密度的确定1、裸眼井段的三个压力剖面P破——地层破裂压力P地——地层压力P坍——地层坍塌压力西南石油学院油气藏地质及开发工程国家重点实验室七、井壁稳定性分析的参数获取地应力及其测量技术岩石机械强度及其测量技术一、地应力二、地应力确定方法三、地应力方向确定四、地应力大小确定五、孔隙压力预测方法第三章地应力及其测量技术一、地应力

垂向应力（

v）水平方向两个主应力（

H1、

H2）地层孔隙压力（PP）原地应力：存在于地壳岩体中的内应力。由地壳内部垂直运动和水平运动的力及其它因素的力(重力应力、构造应力、孔隙压力、热应力等)引起的介质内部单位面积上的作用力。西南石油学院油气藏地质及开发工程国家重点实验室二、地应力的确定方法地应力确定方法非弹性应变恢复古地磁差应变凯塞效应波速各向异性岩芯钻孔诱导缝井壁崩落法井璧诱导缝微压裂地质资料分析岩芯测试技术测井资料分析技术井点地应力状态:主应力方向和大小地应力方向及大小西南石油学院油气藏地质及开发工程国家重点实验室地应力大小及方向研究方法对比室内岩心分析方法需要定向取心，难度大，具有随机性，成本高。井下测井资料连续、成本相对较低，因此，常用。尤其是利用成像测井资料来研究原地应力方向的方法更得到广泛应用。二、地应力的确定方法西南石油学院油气藏地质及开发工程国家重点实验室三、地应力方向确定

利用井下测井资料利用岩心实验分析西南石油学院油气藏地质及开发工程国家重点实验室利用井下测井资料开展地应力研究-理论基础井壁岩石发生垮塌/崩落、破裂的方向与原地应力延伸方向密切相关；井壁岩石发生垮塌/崩落、破裂的程度则与原地应力大小以及岩石的强度密切相关。

因此，根据井下测井资料所反映出来的岩石的垮塌/崩落和破裂特征可以就地应力的方向开展研究。三、地应力方向确定西南石油学院油气藏地质及开发工程国家重点实验室三、地应力方向确定溶蚀型椭圆井眼：常常发生在膏盐地层，因岩盐，石膏等岩层被钻井液溶蚀而形成，其形状基本为圆形；冲蚀型椭圆井眼：常发生于泥页岩等软岩层，这类地层受到钻井液浸泡，体积将发生膨胀，导致坍塌。由于岩石本身结构的各向异性，这种垮塌通常形成椭圆形井眼；键槽变形井眼：钻具偏心磨损井壁形成，多发生于井斜较大且岩石强度较低的地层段。非对称的椭圆井眼；应力型椭园井眼：由水平主应力不平衡性造成井壁在最小主应力方向上剪切掉块或井壁崩落。对称的椭圆井眼，其长轴方向指示最小主应力方向。利用井下测井资料开展地应力研究-井壁应力崩落/垮塌类型井壁崩落三、地应力方向确定利用井下测井资料开展地应力研究-井壁应力崩落/垮塌-成像资料西南石油学院油气藏地质及开发工程国家重点实验室三、地应力方向确定利用井下测井资料开展地应力研究-井壁应力崩落/垮塌-双井径资料溶蚀型椭圆井眼：形状基本为圆形，双井径曲线均大于钻头直径；冲蚀型椭圆井眼：椭圆形井眼，在双井径曲线上表现为井径不等，且都大于钻头直径。这种椭园井眼的长轴方位一般变化大。规则井眼形状及双井径曲线特征

冲(溶)蚀型椭圆井眼及双井径曲线特征

西南石油学院油气藏地质及开发工程国家重点实验室键槽变形井眼：非对称的椭圆井眼，在双井径曲线上常表现为一条井径大于钻头直径，一条井径小于钻头直径；

键槽变形井眼形状及双井径曲线特征应力型椭园井眼形状及双井径曲线特征

三、地应力方向确定利用井下测井资料开展地应力研究-井壁应力崩落/垮塌-双井径资料应力型椭园井眼：对称的椭圆井眼，其长轴方向指示最小主应力方向，双井径曲线一条大于钻头直径，一条近似等于钻头直径。西南石油学院油气藏地质及开发工程国家重点实验室三、地应力方向确定利用井下测井资料开展地应力研究-井壁应力崩落/垮塌-双井径资料西南石油学院油气藏地质及开发工程国家重点实验室三、地应力方向确定-钻井诱发裂缝钻井过程中诱发裂缝：钻具震动裂缝热差诱导缝重泥浆压裂缝应力释放缝

热差诱导缝是因为钻井液温度低于地层温度，使地层因收缩而产生的细微裂隙和裂纹。

钻具震动裂缝宽度十分微小，且径向延伸很短，在FMI图像上有高电导异常，但在方位电阻率成像（ARI）图像上却没有显示；西南石油学院油气藏地质及开发工程国家重点实验室三、地应力方向确定-钻井诱发裂缝应力释放缝：现今地应力相对集中的致密岩层段，当地层被钻穿，随着应力释放而产生的，其特征是一组接近平行的高角度裂缝；0102030405060708090010203040Dip(Degrees)Frequency(percent)诱导裂缝倾角大小分布0102030405060708090010203040Dip(Degrees)Frequency(percent)诱导裂缝倾角大小分布0102030405060708090010203040Dip(Degrees)Frequency(percent)诱导裂缝倾角大小分布

重泥浆压裂缝：由钻井液密度过大造成。当垂向应力为原地最大主应力或原地中间主应力时，重泥浆压裂缝一般以高角度张性缝为主，且张开度和延伸都可能很大。西南石油学院油气藏地质及开发工程国家重点实验室钻井诱导缝（压裂缝和应力释放裂缝）往往呈180°对称出现在两个极板上，而天然裂缝通常单个出现，或者成对出现，但不对称。对直井，通常诱导缝方位与现今最大水平主应力方位一致。斜切井眼的天然裂缝则切井眼而过，在图像上一般为完整的正弦线。三、地应力方向确定利用井下测井资料开展地应力研究-钻井诱发裂缝西南石油学院油气藏地质及开发工程国家重点实验室天然裂缝在各种成像图上的显示特征该井段的压裂缝呈180°对称分布，呈现出明显的钻井诱导裂缝特征。西南石油学院油气藏地质及开发工程国家重点实验室三、地应力方向确定重泥浆压裂缝利用井下测井资料开展地应力研究-钻井诱发裂缝西南石油学院油气藏地质及开发工程国家重点实验室三、地应力方向确定室内岩心分析方法-横波各向异性13SVSH入射横波反射横波法线在钻孔取心过程中，岩心发生应力卸载，岩心上将出现与卸载程度成比例的微裂隙，在最大水平主应力方向上卸载程度最大，这使沿原最大水平主应力方向有最小波速，原最小水平应力方向有最大波速。但该方法受到岩石各向异性的干扰。四、地应力大小确定

原地应力的直接测量方法小型水力压裂法岩石声发射测量法井眼漏失测试法利用井下测井资料优点：精度较高缺点：不能得到连续的地应力剖面

崩落法压裂法成像测井法优点：能连续计算地应力的大小可同时得到地应力的大小和方向缺点：间接结果，需实际测量资料的刻度。西南石油学院油气藏地质及开发工程国家重点实验室四、地应力大小确定声发射：材料在受外载荷作用时，其内部储存的应变能快速释放产生弹性波，发出声响。原地应力的直接测量方法-岩石声发射测量法凯塞效应：1950年德国人凯塞发现多晶金属的应力从其历史最高水平释放后，再重新加载，当应力未达到先前最大应力值时，很少有声发射发生，而当应力达到和超过历史最高水平后，则大量发生声发射的现象。凯塞点：从很少产生声发射到大量产生声发射的转折点，该点对应的应力即为材料先前受到的最大应力。四、地应力大小确定

根据岩石的地质组成和构造特点，按其凯塞效应特征将其分为四种类型：I型(群发型)：以侵入的、矿物结晶良好、中粗粒的结晶岩为主，以花岗岩为代表。组成这类岩石的矿物强度较高。II型(集发型)：以浅层侵入及喷发岩为主，矿物结晶差异性大的玢岩为代表。III型(突发型)：以喷发岩为主，隐晶质结构，以致密玄武岩为代表。IV型(散发型)：以沉积成因为主的砂岩、砾岩等中等强度岩石为代表。

由于声发射与弹性波传播有关，高强度的脆性岩石有较为明显的声发射凯塞效应出现，而多孔隙低强度及塑性岩体的凯塞效应不明显，所以不宜用声发射法测定比较软弱疏松岩石的应力。Zoback推导得到的应力与井壁崩落关系式为：

Sy=2[(a1+a2)(τi-fΔp)-(c1+c2)(τi-eΔp)]/[(d1+d2)(a1+a2)-(b1+b2)(c1+c2)]Sx=2[(d1+d2)(τi-eΔp)-(b1+b2)(τi-fΔp)]/[(d1+d2)(a1+a2)-(b1+b2)(c1+c2)]四、地应力大小确定利用井下测井资料-井壁崩落法Matthews&Kelly模型Ki为骨架应力系数，Pp为地层孔隙压力

Eaton模型

Anderson模型

Newberry模型四、地应力大小确定利用测井资料连续估算最小水平地应力

：应力不平衡系数

a、b：椭圆井眼长、短半轴sH2、sH1

：水平最小、大主应力E、Ema:地层及其骨架的扬氏模量K：系数利用井下测井资料-根据双井径测量值推导原地最大水平主应力四、地应力大小确定四、地应力大小确定崩落模型压裂模型约束条件成像、常规测井资料泥浆、孔隙压力资料计算水平地应力Sx、Sy求解井下原地应力S

、Sz多参数约束的方法五、孔隙压力预测方法西南石油学院油气藏地质及开发工程国家重点实验室五、孔隙压力预测方法电阻率测井资料声波时差测井资料地层密度测井资料中子孔隙度测井资料自然伽马测井资料自然伽马能谱自然电位测井资料地层温度测井资料重复电缆地层测试资料测井预测法西南石油学院油气藏地质及开发工程国家重点实验室五、孔隙压力预测方法(1)随着深度的增加，孔隙度按指数规律衰减(2)随着深度的增加，放射性强度增加(3)随着深度的增加，地层水矿化度按指数规律增加(4)随着深度的增加，地温按线性规律增加测井预测法-依据西南石油学院油气藏地质及开发工程国家重点实验室五、孔隙压力预测方法1－储层中的异常高压地层；2－页岩；3－灰岩；4－砂岩；5－页岩中的异常高压和异常低压地层

测井预测法-依据西南石油学院油气藏地质及开发工程国家重点实验室五、孔隙压力预测方法等效深度法估计地层孔隙压力西南石油学院油气藏地质及开发工程国家重点实验室五、孔隙压力预测方法等效深度法估计地层孔隙压力第四章岩石强度、应力与应变一、基本概念二、岩石强度及实验室测试方法三、岩石强度参数的矿场获取方法四、岩石弱胶结结构面对岩石强度的影响五、影响岩石力学性质的因素西南石油学院油气藏地质及开发工程国家重点实验室TensionCompressionShear岩石的受力和破坏形式一、基本概念西南石油学院油气藏地质及开发工程国家重点实验室一、基本概念岩石强度岩石强度：指岩石试件在载荷作用下开始破坏时的最大应力（强度极限）以及应力和破坏之间的关系，它反映了岩石承受各种载荷的特性，以及岩石抵抗破坏的能力和破坏的规律。岩石强度参数：岩石抗压强度岩石抗张强度岩石抗剪强度西南石油学院油气藏地质及开发工程国家重点实验室二、岩石强度及实验室测试方法岩石强度参数：岩石抗压强度岩石抗张强度岩石抗剪强度（一）抗压强度岩石的抗压强度：指岩石在单轴压力作用下达到破坏的极限强度，在数值上等于破坏时的最大压应力。根据实验条件不同分为单轴、三轴（真三轴和假三轴）抗压强度。岩石的单轴抗压强度一般是在压力机上进行，即将岩石样品(一般是圆柱体)置于压力机承压板之间轴向加荷，在岩样破坏时的应力值就是样品的抗压强度。岩石单轴抗压实验基本概念及测试方法岩石的抗拉强度：指岩石在单轴拉力作用下达到破坏的极限强度，在数值上等于破坏时的最大拉应力。实验室对岩石抗拉强度的获取比抗压强度的获取困难得多，分为直接法和间接法两种。直接法：是将岩石试样两端直接用夹子固定于拉力机上，然后对试件施加轴向拉力至岩石破坏。

（二）抗拉强度直接法测岩石抗拉强度基本概念及测试方法间接法：实验室常采用劈裂法（俗称巴西法）测定岩石抗拉强度，一般采用圆柱体及立方体试件。

基本概念及测试方法（二）抗拉强度沿着圆柱体直径方向施加集中载荷，试件受力后会沿着受力的直径方向裂开。根据弹性力学理论，沿着施加集中力P的直径方向产生近似均匀分布的水平拉应力σx；在水平方向直径平面内产生非均匀分布的竖向压应力，其在试件中轴线上的最大压应力为σy。

岩石劈裂试验示意图（二）抗拉强度基本概念及测试方法圆柱状试件的压应力σy为拉应力σx的3倍，但岩石抗压强度常常为抗拉强度的10倍，所以，在这种试验条件下试件总是表现为受拉破坏，因此，可以采用劈裂法试验结果求解岩石抗拉强度。此时，只需用试件破坏时的最大压力Pmax代替式中P即可得到岩石的抗拉强度(σt)，即：如果试件为立方体试件，则岩石抗拉强度(σt)为：基本概念及测试方法（二）抗拉强度采用劈裂法试验得到的岩石抗拉强度与直接拉伸试验求得的岩石的抗拉强度有一定的差别。西南石油学院油气藏地质及开发工程国家重点实验室基本概念及测试方法（二）抗拉强度（三）抗剪强度岩石抗剪强度：是岩石抵抗剪切破坏(滑动)的能力，是岩石力学需要研究的最重要的特性之一，往往比抗压强度和抗拉强度更有意义。岩石抗剪强度可用内聚力（C）和内摩擦角（φ）表示。内聚力在宏观上表现为没有正应力作用的剪切面上的抗剪强度，即该剪切面上不存在因内摩擦力而造成的抗剪强度。不同岩石的内聚力大小差别极大。基本概念及测试方法内摩擦角：岩石破坏时极限平衡剪切面上的正应力（σn）和内摩擦力（F）形成的合力（R），与该正应力之间形成的夹角。内摩擦角反映了该种岩石内摩擦力的大小。内摩擦角越大，内摩擦力越大。一般坚硬岩石的内摩擦角比软岩石大。岩石内摩擦角示意图（三）抗剪强度基本概念及测试方法岩石名称内聚力(MPa)内摩擦角φ（°）花岗岩玄武岩石灰岩砂岩页岩14～5020～6010～508～403～3045～6050～5535～5035～5020～35表3.1

几种常见岩石的内摩擦角、内聚力参考值（三）抗剪强度基本概念及测试方法岩石抗剪强度常采用直接剪切试验和三轴压缩试验测定。室内岩石直接剪切试验是在直接剪切仪上进行的。直接剪切试验仪器主要由上、下两个刚性匣子组成，对测定岩石本身抗剪强度的试件，没有明确规定尺寸，并规定结构面上下岩石的厚度分别约为断面尺寸的1/2左右。将制备好的岩样放入剪切仪的上、下匣之间，逐渐加大作用力，直至岩石发生剪切破坏。试验中，一般是上匣固定不动，下匣可以水平移动，上下匣的错动面就是岩石的剪切面。（三）抗剪强度基本概念及测试方法-直接剪切试验岩石抗剪强度是在垂直压力N作用下，并且在水平方向施加剪切力T，直到岩石被剪断为止。试验时，先在试样上施加垂直载荷N，然后在水平方向逐渐施加水平剪切力T，直到达到最大值Tmax。剪切面上的正应力（σn）和剪应力τ分别为：其中，A—试件剪切面积（m2）。（三）抗剪强度基本概念及测试方法-直接剪切试验抗剪强度τf和正应力σ关系曲线（三）抗剪强度岩石的抗剪强度随作用在破坏面上的正应力大小而变化，一般，岩石在低应力作用下的抗剪强度较小，而受高应力作用时抗剪强度较大。用相同的试件、不同的正应力(σn1、σn2、σn3…)进行多次试验，可得到对应于不同正应力的岩石的抗剪强度(τf1、τf2、τf3…)，进而可绘制出—关系曲线。基本概念及测试方法-直接剪切试验试验证明，抗剪强度与正应力之间在正应力不大时(σn<10MPa)可近似看作直线，其方程式为：

即库伦方程式。根据直线在τf轴上的截距可求得岩石的内聚力C，根据该线与水平方向的夹角，可以确定岩石的内摩擦角φ。（三）抗剪强度基本概念及测试方法-直接剪切试验三轴压缩试验采用三轴压力仪进行；实验方法：对试件施加不同的侧向压力σ3，可以得到不同σ3下、作用在试件上，使试件破坏的最大主应力σ1，根据σ1和σ3可以绘制多个应力圆；绘制所有应力圆的包络线，即可得到岩石的抗剪强度曲线；若岩石的抗剪强度曲线近似为一根直线，则该线在纵轴上的截距即为岩石的内聚力C，该线与水平线的夹角即为岩石的内摩擦角φ。基本概念及测试方法-三轴压缩试验（三）抗剪强度三、岩石强度参数的矿场获取方法（一）采用钻速方程预测岩石的抗压强度（二）利用测井资料预测岩石的抗压强度、抗剪强度（二）利用测井资料预测岩石强度Miller和Deere统计关系式：

Coats关系：三、岩石强度参数的矿场获取方法四、岩石弱胶结结构面对岩石强度的影响

岩石弱胶结结构面岩石弱胶结结构面受力分析岩石弱胶结结构面对岩石强度的影响五、影响岩石力学性质的因素

岩石的矿物组成岩石的结构特征岩石构造温度的作用水的作用风化作用西南石油学院油气藏地质及开发工程国家重点实验室第五章弹性和弹性模量一、线弹性和胡克定律二、岩石弹性模量的实验室测定技术杨氏弹性模量剪切模量体积模量泊松比三、利用测井资料获得岩石的弹性模量西南石油学院油气藏地质及开发工程国家重点实验室一、线弹性和胡克定律线弹性材料服从胡克定律(Hooke’sLaw):F=KXF：作用在弹簧上的力；K：常数，即所谓弹性模量，反映了弹簧的刚度；X：弹簧拉伸或压缩的长度。胡克定律适用于各种弹性体、各种不同类型的作用力:

=Eε

=G p=KεvF斜率=kFx西南石油学院油气藏地质及开发工程国家重点实验室根据岩心在施加载荷条件下的应力－应变关系得到的岩石的各弹性模量和泊松比，称为岩石的静态弹性模量和静态泊松比；利用弹性波的传播关系，由测量的弹性波速度和体积密度计算得到的岩石的弹性模量和泊松比称为动态弹性模量和动态泊松比

二、弹性模量西南石油学院油气藏地质及开发工程国家重点实验室二、弹性模量杨氏弹性模量是岩石张变弹性强弱的标志。设长为L，截面积为Ao的岩石，在纵向上受到力F作用时伸长或压缩

L，则纵向张应力（F/Ao）与张应变（

L/Lo）之比值即为静态杨氏弹性模量（E）。杨氏弹性模量（E）西南石油学院油气藏地质及开发工程国家重点实验室二、弹性模量应力与应变之间的比例常数。StressStrain

=Eε

E

==ε

strainstress杨氏弹性模量西南石油学院油气藏地质及开发工程国家重点实验室二、弹性模量MaterialsE(106psi)Shale0.1-4.3Sandstone0.1-12Limestone1-7Granite3.7-10Marble7Dolomite2.8-11.9AnhydriteConcrete0.25-3Steel30Plastic(Nylon)0.5Rubber0.01WaterCork岩石杨氏弹性模量代表值西南石油学院油气藏地质及开发工程国家重点实验室二、弹性模量受力前

=G

G

=t

LDx受力后

=DxL=tan

剪应变

=剪应力

==

FA剪切模量=G=

=Dx

FAL是岩石切变弹性强弱的标志，定义为剪应力与剪应变之比。剪切模量西南石油学院油气藏地质及开发工程国家重点实验室二、弹性模量体积模量的倒数称为压缩系数:1/Kb=体积模量岩石在各个方向都受到力F的作用时，应力F/A与体积相对变化的比值,可用于度量岩石的抗压能力：西南石油学院油气藏地质及开发工程国家重点实验室二、弹性模量泊松比（υ）又称横向压缩系数。泊松比表示为横向相对压缩与纵向相对伸长之比。设长为L，直径为d的圆柱形岩石，在受到压缩时，其长度缩短L，直径增加d，泊松比（υ）表示为：e1e2

s泊松比=e2/e1西南石油学院油气藏地质及开发工程国家重点实验室0

0.5各向同性介质：=0.25理想不可压缩物质(流体)：=0.5挤压或拉伸作用下不扩展或收缩的物质：=0Material

Shale0.1–0.5Sandstone0.13–0.35Limestone0.29–0.35Granite0.11–0.26Marble0.06–0.22Dolomite0.25–0.29Anhydrite0.24–0.29Concrete0–0.25Steel0.27–0.3Plastic(Nylon)0.4Rubber0.45–0.5Water0.5UnconsolidatedSand0.38-0.44常见岩石的泊松比值二、弹性模量西南石油学院油气藏地质及开发工程国家重点实验室三、利用测井资料计算弹性模量、泊松比泊松比：

杨氏模量：

剪切模量：体积模量：西南石油学院油气藏地质及开发工程国家重点实验室第六章钻井地质环境钻井地质剖面岩性及特征泥页岩的组成及其对钻井井壁稳定的影响疏松砂岩地层中的井壁稳定问题致密地层中的井壁稳定问题破碎性地层中的井壁稳定问题井壁稳定状况的直观显示西南石油学院油气藏地质及开发工程国家重点实验室井眼盐丘褶皱断层节理层面井筒内压

砂岩

泥页岩

碳酸盐岩

盐岩

其它岩性一、钻井地质剖面岩性及其岩性特征西南石油学院油气藏地质及开发工程国家重点实验室二、泥页岩的组成及其对钻井井壁稳定的影响

钻井过程中，钻井液与泥页岩地层之间的物理化学作用是导致泥页岩井壁不稳定的重要原因。地层与钻井泥浆及其滤液接触时水化膨胀和分散的程度与泥页岩地层的粘土矿物组成及含量、阳离子交换容量、地层水含量及矿化度密切相关。西南石油学院油气藏地质及开发工程国家重点实验室(一)泥页岩中常见的粘土矿物蒙脱石：遇水后极易水化膨胀；伊利石：遇水后水化膨胀能力相对较小；绿泥石：晶层间结合紧密，遇水后水化膨胀能力弱;高岭石：水化膨胀能力差西南石油学院油气藏地质及开发工程国家重点实验室粘土矿物对井壁稳定性的影响与其物理化学性质密切相关。不同粘土矿物的比表面积、阳离子交换等性质各不相同，遇水后水化的能力及程度不同，对井壁稳定的影响也不同。(二)粘土矿物类型及含量对井壁