石油工程巖石力學(xué)大作業(yè)2015

1、巖石力學(xué)大作業(yè)專 業(yè)：油氣井工程專業(yè) 班 級(jí)：研油氣井班姓 名： 學(xué) 號(hào)： 2015.05.25目錄題目：2014-2015石油工程巖石力學(xué)大作業(yè)1已知條件1要求1第一章 前言31.1 井壁穩(wěn)定研究的意義31.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)31.3 本題的研究方法5第二章 基于測(cè)井資料分析過(guò)程62.1 地層巖性分析62.1.1 泥質(zhì)含量62.1.2 井徑測(cè)井分析72.1.3 巖性分析72.1.4 求取Biot系數(shù)82.2 求取彈性模量和泊松比92.2.1 聲波測(cè)井解釋原理92.2.2 彈性模量和泊松比92.3 求取內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角與地層抗拉強(qiáng)度連續(xù)剖面112.3.1 計(jì)算單點(diǎn)的粘聚力和內(nèi)摩擦角1

2、12.3.2粘聚力、內(nèi)摩擦角與地層抗拉強(qiáng)度的連續(xù)剖面122.4 孔隙壓力分析132.4.1 求上覆巖層壓力132.4.2 求地層孔隙壓力6132.5水平最大和最小主應(yīng)力剖面5162.6 坍塌壓力、破裂壓力和鉆井液密度窗口5192.6.1 坍塌壓力192.6.2 破裂壓力192.6.3 繪制鉆井液密度窗口202.6.4防止井壁坍塌合理建議212.7 分析出砂可能性5212.7.1 出砂指數(shù)法分析出砂可能性212.7.2 合理完井方式推薦222.8 水平井起裂壓力計(jì)算222.8.1 水平井起裂壓力計(jì)算模型222.8.2 計(jì)算起裂壓力23參考文獻(xiàn)25附錄：Matlab源程序26題目題目：2014-2

3、015石油工程巖石力學(xué)大作業(yè)結(jié)合所學(xué)的石油工程巖石力學(xué)課程內(nèi)容及相關(guān)知識(shí)，利用給出的測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)，對(duì)地層力學(xué)參數(shù)、孔隙壓力、地應(yīng)力、地層坍塌壓力與破裂壓力進(jìn)行分析計(jì)算，得出地層力學(xué)參數(shù)、地層主應(yīng)力、地層坍塌、破裂壓力剖面；分析儲(chǔ)層出砂可能性，提出完井方式建議；分析水平井裸眼壓裂的起裂壓力。最終形成結(jié)課作業(yè)報(bào)告。已知條件(1) A井為一口預(yù)探井、直井，位于受正斷層控制的某凹陷構(gòu)造，鉆遇地層為第三系、第四系地層，主要為砂巖、泥巖地層，部分層位有薄層煤巖夾層。儲(chǔ)層為3600-4100m砂巖地層。(2) 已知A井縱波時(shí)差、密度、自然伽馬和井徑測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)，見(jiàn)附件一。(3) 已知A井鉆井過(guò)程中實(shí)際使用的鉆井液密

4、度，見(jiàn)附件一。(4) A井鉆井中的主要復(fù)雜問(wèn)題是起下鉆阻卡，一般通過(guò)劃眼、倒劃眼方法解決，一定程度上影響鉆井時(shí)效。鉆井中進(jìn)行過(guò)兩次地漏試驗(yàn)，分別位于井深1605m和3832m，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)附件一。(5) 利用A井鉆井取得的巖心進(jìn)行了室內(nèi)巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)，數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。表1 A井巖心室內(nèi)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)井深(m)巖心編號(hào)圍壓(MPa)破壞強(qiáng)度(MPa)備注37971-1039.52-120146.43-140215.438874-1050.65-120155.26-140201.439758-1052.59-120148.210-140187.739758-2018.4浸泡鉆井液2天9-22097.510-24

5、0128.5要求1） 編寫程序讀取、計(jì)算、輸出數(shù)據(jù)。2） 利用自然伽馬測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)簡(jiǎn)單分析地層巖性，合理設(shè)定或求取有效應(yīng)力系數(shù)。3） 利用測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)計(jì)算分析地層的彈性模量、泊松比。4）根據(jù)抗壓實(shí)驗(yàn)結(jié)果，依據(jù)線性莫爾-庫(kù)侖準(zhǔn)則計(jì)算粘聚力和內(nèi)摩擦角，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果調(diào)整合理的系數(shù)，利用測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)計(jì)算粘聚力、內(nèi)摩擦角與地層抗拉強(qiáng)度的連續(xù)剖面。5） 采用地層密度積分方法計(jì)算上覆主應(yīng)力，利用聲波時(shí)差測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)分析地層孔隙壓力，得出孔隙壓力隨井深變化的連續(xù)剖面。6）根據(jù)地漏試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析水平地應(yīng)力大小，選取水平構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)，采用適當(dāng)模型計(jì)算水平主應(yīng)力大小，得出水平最大和最小主應(yīng)力剖面。7）采用直井均質(zhì)各向同性模型計(jì)算地層

6、坍塌、破裂壓力，分析鉆井液密度使用是否合理。8） 分析儲(chǔ)層出砂可能性，推薦合理的完井方式。9）如果后期開(kāi)發(fā)中在該井區(qū)垂深3980-4000m地層鉆進(jìn)水平井且進(jìn)行壓裂，分別計(jì)算向水平最大主應(yīng)力和水平最小主應(yīng)力方向鉆進(jìn)的水平井裸眼起裂壓力大小。10）輸出結(jié)果中單位的使用：地層強(qiáng)度參數(shù)采用MPa為單位，地應(yīng)力、坍塌壓力、破裂壓力采用當(dāng)量泥漿密度為單位。11） 編寫結(jié)課作業(yè)報(bào)告。12）課程結(jié)課作業(yè)報(bào)告提交截止時(shí)間：2015年5月25日。28第一章 前言第一章 前言1.1 井壁穩(wěn)定研究的意義井壁穩(wěn)定一般是指鉆井過(guò)程中井壁的張性破壞(井漏)和剪切破壞(井塌)問(wèn)題，是鉆井工程中經(jīng)常遇到的井下復(fù)雜情況之一，具

7、體包括井眼縮徑、坍塌、井漏、卡鉆等，尤其是井漏、井噴對(duì)儲(chǔ)層的傷害很大。井壁失穩(wěn)問(wèn)題是世界許多油田都普遍存在的一大難題，一直困擾著石油工業(yè)界。據(jù)有關(guān)資料介紹，世界范圍內(nèi)平均每年用于處理井眼失穩(wěn)的費(fèi)用達(dá)810億美元，消耗的時(shí)間約占鉆井總時(shí)間的5一6%。國(guó)內(nèi)各油田由于井壁失穩(wěn)造成的損失在鉆井事故損失中所占比例依然很大。因此，鉆井過(guò)程中井壁穩(wěn)定與否，關(guān)系到能否實(shí)現(xiàn)安全、快速的鉆進(jìn)，同時(shí).又能夠盡可能的減少對(duì)儲(chǔ)集層段的污染，減少鉆井費(fèi)用。所以對(duì)井壁穩(wěn)定性的研究越來(lái)越受到重視，已經(jīng)成為當(dāng)今乃至將來(lái)研究重點(diǎn)。通過(guò)相關(guān)資料的研究和計(jì)算可以得出井壁巖石地層處的破裂壓力及坍塌壓力，從而建立相應(yīng)的井壁穩(wěn)定模型，可以

8、有效的控制鉆井過(guò)程中的井壁失穩(wěn)，以便采取相應(yīng)的措施，達(dá)到減少井下事故的發(fā)生，縮短鉆井周期的目的，是實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、安全、高效和低成本鉆井的關(guān)鍵。1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)由于鉆井過(guò)程中的井壁失穩(wěn)是一個(gè)世界性難題，因此受到各國(guó)科研人員的高度重視。但是，由于受石油鉆井工程發(fā)展歷史的影響，長(zhǎng)期以來(lái)，研究的重點(diǎn)多集中于化學(xué)防塌方面。在這方面，泥漿工作者進(jìn)行了大量行之有效的工作，從化學(xué)的角度出發(fā)研制抑制泥頁(yè)巖水化、膨脹和實(shí)現(xiàn)離子活度平衡的新型泥漿處理劑和配方，使井壁失穩(wěn)現(xiàn)象大為減少，井壁穩(wěn)定技術(shù)取得很大進(jìn)展，但是，仍然解決不了水化程度弱、強(qiáng)度低的泥頁(yè)巖、砂泥巖地層，強(qiáng)地應(yīng)力條件的山前構(gòu)造、弱面地層和井斜

9、及井斜引起的井壁失穩(wěn)問(wèn)題，可見(jiàn)，解決井壁失穩(wěn)僅通過(guò)使用優(yōu)質(zhì)泥漿是不夠的，有必要從巖石力學(xué)的角度出發(fā)，進(jìn)行井壁穩(wěn)定力學(xué)研究。自本一世紀(jì)40年代以來(lái)，國(guó)外眾多的研究者就己為解決與井壁穩(wěn)定有關(guān)的巖石力學(xué)問(wèn)題做出了大量的努力。這些研究最初是將力學(xué)和化學(xué)兩方面的問(wèn)題分開(kāi)進(jìn)行的，并著重于純理論上的定性分析。隨后，一些研究人員又從現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的角度提出了利用測(cè)井資料來(lái)研究井壁穩(wěn)定的方法，比如斯倫貝謝測(cè)井公司從70年代起開(kāi)始利用測(cè)井資料解釋地層的力學(xué)問(wèn)題，先后提供了巖石力學(xué)性質(zhì)測(cè)井(MECHPRO)，力學(xué)穩(wěn)定性測(cè)井(MSL)和井眼力學(xué)問(wèn)題系統(tǒng)(IMPACT)等技術(shù)。80年代以來(lái)，特別是近年來(lái)隨著水平井和大位移井的

10、發(fā)展，這方面的研究更為受到重視，己達(dá)到定量化階段，并開(kāi)始在現(xiàn)場(chǎng)試用。國(guó)內(nèi)學(xué)者將巖石力學(xué)理論用于鉆井井壁穩(wěn)定方面的研究起步相對(duì)較晚。80年代初期，巖石力學(xué)的研究主要是用于描述地層蠕變對(duì)套管產(chǎn)生的破壞作用，到90年代，在井壁穩(wěn)定方面的研究有了很大的發(fā)展，黃榮蹲等人還對(duì)大斜度井和水平井井壁力學(xué)穩(wěn)定性問(wèn)題作了深入的研究，其井壁穩(wěn)定性模型在Aadnoy模型的基礎(chǔ)上又附加了井壁滲透性因素和考慮了兩個(gè)水平地應(yīng)力不相等的情況，并指出井壁滲透性對(duì)坍塌壓力的計(jì)算影響大不，但對(duì)計(jì)算破裂壓力有較大的影響。隨后，石油大學(xué)巖石力學(xué)研究組又集中力量開(kāi)展了對(duì)泥頁(yè)巖井壁坍塌的力學(xué)、化學(xué)藕合方面的研究。此外，國(guó)內(nèi)學(xué)者還應(yīng)用損傷力

11、學(xué)理論，從巖體節(jié)理的變形能出發(fā)，建立了硬脆性泥頁(yè)巖(含節(jié)理裂隙)的本構(gòu)方程，又以實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，用固體力學(xué)方法建立了膨脹性泥頁(yè)巖水化的本構(gòu)方程，根據(jù)損傷和水化膨脹的特性，建立了有限元計(jì)算模型和相應(yīng)的計(jì)算程序，結(jié)合莫爾庫(kù)倫準(zhǔn)則，給出了確定井壁穩(wěn)定所需鉆井液密度值的新方法。總之，井壁穩(wěn)定問(wèn)題的理論研究已發(fā)展到了一定的水平，而且正不斷加大鉆前井壁穩(wěn)定的預(yù)測(cè)力度。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)井壁穩(wěn)定的實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)研究主要從兩個(gè)方面來(lái)展開(kāi):第一是借助先進(jìn)的隨鉆測(cè)量工具(UWD、MWD等)來(lái)獲得井壁的實(shí)時(shí)信息，進(jìn)而利用原有的相對(duì)成熟的巖石力學(xué)參數(shù)與測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)相關(guān)公式，來(lái)分析井壁的力學(xué)穩(wěn)定性:第二是利用對(duì)巖屑的測(cè)量獲得擬聲波測(cè)井

12、結(jié)果和巖石強(qiáng)度參數(shù)，來(lái)分析井壁的力學(xué)穩(wěn)定性。而實(shí)時(shí)地對(duì)當(dāng)前鉆頭處地層的井壁穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)，及對(duì)鉆頭底下地層的井壁穩(wěn)定性進(jìn)行預(yù)測(cè)，是當(dāng)前鉆井急需解決的理論和工程難題?？偟膩?lái)講，井壁穩(wěn)定力學(xué)研究應(yīng)從3個(gè)方面入手:巖石力學(xué)參數(shù)、原地應(yīng)力場(chǎng)和井壁穩(wěn)定力學(xué)模型研究。巖石力學(xué)參數(shù)是基礎(chǔ)，地應(yīng)力是井壁失穩(wěn)的根本誘因，合理的井壁穩(wěn)定力學(xué)模型是解決井壁穩(wěn)定問(wèn)題的有效途徑。結(jié)合3個(gè)方面的研究，掌握地應(yīng)力狀態(tài)和地層力學(xué)參數(shù)，采用合理的力學(xué)模型，得出能控制井壁失穩(wěn)的泥漿密度范圍，再配合使用優(yōu)質(zhì)泥漿，才能使得井壁失穩(wěn)問(wèn)題得到最大限度的降低。1.3 本題的研究方法主要利用給出的測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)，對(duì)地層力學(xué)參數(shù)、孔隙壓力、地應(yīng)力、

13、地層坍塌壓力與破裂壓力進(jìn)行分析計(jì)算，得出地層力學(xué)參數(shù)、地層主應(yīng)力、地層坍塌、破裂壓力剖面；分析儲(chǔ)層出砂可能性，提出完井方式建議；分析水平井裸眼壓裂的起裂壓力。第二章 基于測(cè)井資料分析過(guò)程第二章 基于測(cè)井資料分析過(guò)程2.1 地層巖性分析2.1.1 泥質(zhì)含量地層中的泥質(zhì)含量與自然讀數(shù)GR的關(guān)系往往是通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定的。德萊賽測(cè)井公司在墨西哥灣采用式（2.1.1）求泥質(zhì)的體積含量Vs1。 （2.1.1） （2.1.2）式中，Vsh泥質(zhì)的體積含量；GCUR希爾奇指數(shù)，對(duì)于第三系地層取值3.7，老地層取值2，題目中有說(shuō)明鉆遇的是第三系和第四系，故其值取3.7；IGR泥質(zhì)含量指數(shù)；GR、GRmax 、GRmi

14、n目的層的、純泥頁(yè)巖的和純砂巖層的自然伽馬值。根據(jù)GR測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)，獲得最大值134.92和最小值35.213。取GRmin=30(API)，GRmax=140(API)。在Matlab中編程并繪制泥質(zhì)含量隨井身變化剖面圖：圖2-1 泥質(zhì)含量隨井深剖面變化圖2.1.2 井徑測(cè)井分析將鉆頭直徑數(shù)據(jù)與井徑測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)繪制與一張圖中：圖 2-2 井眼直徑在鉆井過(guò)程的變化2.1.3 巖性分析自然伽馬測(cè)井劃分巖性原理是利用自然伽馬測(cè)井曲線劃分巖性，主要是根據(jù)巖層中泥質(zhì)含量不同進(jìn)行的。在砂泥巖剖面中，砂巖顯示出最低值，粘土（泥巖、頁(yè)巖）顯示最高值，而粉砂巖、泥質(zhì)砂巖介于中間，并隨著巖層中泥質(zhì)含量增加曲線幅度增大。

15、通常規(guī)定Vsh>0.7的層段是純泥巖段，Vsh<0.2的層段是純砂巖段。井徑測(cè)井中擴(kuò)徑主要發(fā)生在疏松砂巖段和泥質(zhì)含量較高的井段，縮頸主要發(fā)生于砂巖段。結(jié)合泥質(zhì)含量曲線和井徑測(cè)井曲線分析地層巖性：1600m-1800m深度處，泥質(zhì)含量較低（Vsh<0.2），但是卻出現(xiàn)了擴(kuò)徑現(xiàn)象，所以此段應(yīng)為疏松的砂巖層段；1800m-2700m泥質(zhì)含量相對(duì)較低且無(wú)井壁縮、擴(kuò)徑現(xiàn)象，故判定為泥質(zhì)砂巖層段；在2700m-3400m出現(xiàn)分層擴(kuò)徑現(xiàn)象，而且泥質(zhì)含量曲線發(fā)生跳變，故判斷為薄泥層和砂層互層段；3400m-3800m泥質(zhì)含量呈現(xiàn)低值，故為砂巖段；3800m-4100m段擴(kuò)徑嚴(yán)重，泥質(zhì)含量較高

16、且跳變，故為砂泥巖互層段。2.1.4 求取Biot系數(shù)Biot系數(shù)又稱有效應(yīng)力系數(shù)，是巖石力學(xué)中一個(gè)重要參數(shù)?？梢酝ㄟ^(guò)聲波測(cè)井和密度測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行求取2: （2.1.3）式中，、分別為致密砂巖的密度和縱、橫波速度，取，。運(yùn)用Matlab編程繪制Biot系數(shù)隨深度變化剖面：圖 2-3 Biot系數(shù)隨深度變化曲線2.2 求取彈性模量和泊松比2.2.1 聲波測(cè)井解釋原理在聲波測(cè)井中，縱、橫波速度通過(guò)測(cè)井解釋后可以直接從測(cè)井解釋曲線中得到。測(cè)井曲線記錄的為各類波傳播的時(shí)間，單位為微米/米或微米/英尺。經(jīng)過(guò)換算即可得到縱、橫波速度，由于本題給定的聲波時(shí)差單位為，所以換算公式為： （2.2.1） （2.2.

17、2）在大部分的油田測(cè)井作業(yè)中，并不做全波列測(cè)井，即缺失橫波測(cè)井資料，因此，針對(duì)某一地層，就要借助經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)估計(jì)橫波速度。對(duì)于大多數(shù)地層，常用的基于回歸的經(jīng)驗(yàn)公式3為： （2.2.3） （2.2.4） （2.2.5） （2.2.6）式中：、：縱橫波速度，；：泥質(zhì)含量，；：有效圍壓，。本題中選取式（2.2.5）求取橫波速度。2.2.2 彈性模量和泊松比根據(jù)彈性力學(xué)理論，利用聲波測(cè)井的縱、橫波速度以及密度資料，可求取巖石的彈性模量和泊松比4： （2.2.7） （2.2.8）式中，為動(dòng)態(tài)楊氏模量，；為動(dòng)態(tài)泊松比；為縱波速度，；為橫波速度，；為密度，。說(shuō)明：式（2.2.7）、（2.2.8）所求巖石彈性參

18、數(shù)是動(dòng)態(tài)的，反映的是地層在瞬間加載時(shí)的力學(xué)性質(zhì)，與真實(shí)地層所受的長(zhǎng)時(shí)間靜載荷是由差別的，在實(shí)際應(yīng)用中需要利用相關(guān)的模式進(jìn)行動(dòng)靜參數(shù)的轉(zhuǎn)換。其轉(zhuǎn)換主要參照樓一珊（1992）通過(guò)對(duì)華北油田30多塊巖心在三軸下進(jìn)行靜態(tài)同步測(cè)試出： （2.2.9） （2.2.10） （2.2.11） （2.2.12）式中，、為回歸系數(shù)。根據(jù)華北油田砂巖實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得到了相關(guān)系數(shù)的試驗(yàn)值為： （2.2.13） （2.2.14）由此，就可以得到靜動(dòng)態(tài)彈性參數(shù)的轉(zhuǎn)換關(guān)系。由于A井位于正斷層凹陷構(gòu)造上，所以可以判定其最大主應(yīng)力為垂直主應(yīng)力，而最小主應(yīng)力為最小水平主應(yīng)力。即： （2.2.15） （2.2.16）最終?。?（2.2

19、.17） （2.2.18）在Matlab中繪制靜態(tài)彈性模量和泊松比隨井身剖面的變化曲線：圖 2-4 靜態(tài)彈性系數(shù)隨深度變化曲線2.3 求取內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角與地層抗拉強(qiáng)度連續(xù)剖面2.3.1 計(jì)算單點(diǎn)的粘聚力和內(nèi)摩擦角表2.3.1 A井巖心室內(nèi)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)井深(m)巖心編號(hào)圍壓(MPa)破壞強(qiáng)度(MPa)備注37971-1039.52-120146.43-140215.438874-1050.65-120155.26-140201.439758-1052.59-120148.210-140187.739758-2018.4浸泡鉆井液2天9-22097.510-240128.5根據(jù)以上3797、3887

20、和3975米處的巖石的室內(nèi)抗壓實(shí)驗(yàn)結(jié)果，依據(jù)莫爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則： （2.3.1）井深3797米處：令，則可通過(guò)不同圍壓條件下破壞強(qiáng)度求解t。例如： 即： 可以得到，t=2.312，1.857和2.097，因此可以得到破裂面夾角分別是：23.39040681，28.29721841，25.49492393，取均值為：27.7275度。把內(nèi)摩擦角代入式（2.3.1）可以得到其內(nèi)聚力C=12.932MPa。同理。可以獲取3887和3975米處的內(nèi)摩擦角和內(nèi)聚力分別為33.86度，19.983 MPa；30.97度，21.651MPa。2.3.2粘聚力、內(nèi)摩擦角與地層抗拉強(qiáng)度的連續(xù)剖面利用密度測(cè)井和計(jì)算得

21、到的動(dòng)態(tài)彈性模量、泊松比和泥質(zhì)含量等數(shù)據(jù)就可以計(jì)算粘聚力C、內(nèi)摩擦角與地層抗拉強(qiáng)度St的連續(xù)剖面。計(jì)算方法如下5： （2.3.2） （2.3.3） （2.3.4）式中，； A為與巖石性質(zhì)有關(guān)的常數(shù)，這里可根據(jù)室內(nèi)抗壓試驗(yàn)得出的粘聚力求取A值。經(jīng)過(guò)計(jì)算，A=7.927*10-15。在Matlab中繪制三者的連續(xù)剖面：圖2-5 粘聚力、內(nèi)摩擦角與地層抗拉強(qiáng)度的連續(xù)剖面2.4 孔隙壓力分析2.4.1 求上覆巖層壓力首先應(yīng)用密度測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)運(yùn)用密度積分方法計(jì)算出上覆巖層壓力當(dāng)量鉆井液密度為： （2.4.1）2.4.2 求地層孔隙壓力6聲波在地層中傳播速度與巖石的密度、結(jié)構(gòu)、孔隙度及埋藏深度密切有關(guān)。不同的

22、地層,不同的巖性,存在不同的聲波速度。當(dāng)巖性一定時(shí),聲波的速度隨巖石孔隙度的增大而減少。1965年,Hottman和Johnson提出利用聲波測(cè)井資料來(lái)評(píng)價(jià)地層孔隙壓力。對(duì)于沉積壓實(shí)作用形成的泥頁(yè)巖,聲波時(shí)差與孔隙度之間的關(guān)系滿足Wyllie時(shí)間平均公式,即: （2.4.2） （2.4.3）式中，巖石孔隙度；地面孔隙度；地層聲波時(shí)差；地面聲波時(shí)差；巖石骨架聲波時(shí)差；地層流體聲波時(shí)差。與之間存在關(guān)系： （2.4.4）經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化后可以寫為： （2.4.5）由公式(2.4.5)可以做出深度-聲波時(shí)差對(duì)數(shù)的交會(huì)圖(H-lnt)。在正常地層壓力井段,隨著井深增加,巖石孔隙度減少,聲波速度增大,聲波時(shí)差減少

23、。利用這些井段的測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)建立正常壓實(shí)趨勢(shì)線。當(dāng)進(jìn)入壓力過(guò)渡帶和異常高壓帶地層后,巖石孔隙度增大,聲波速度減少,聲波時(shí)差增大,偏離正常壓力趨勢(shì)線。因此利用這一點(diǎn)可以達(dá)到預(yù)測(cè)地層壓力的目的。 在建立正常壓實(shí)趨勢(shì)線時(shí)泥巖層段聲波時(shí)差數(shù)據(jù)的選取十分重要。正常壓實(shí)泥巖層段數(shù)據(jù)的讀取應(yīng)注意以下幾點(diǎn):(1)盡量選取較純的泥巖段,其測(cè)井曲線特征應(yīng)該是自然電位基線無(wú)異常,自然伽馬為高值,電阻率為低值。(2)泥巖段應(yīng)該有一定的厚度,薄泥巖層測(cè)井值受圍巖影響較大而不可靠。 (3)不能選擇有井壁坍塌或縮徑的地層段,井徑過(guò)大或過(guò)小都會(huì)使時(shí)差曲線不能真實(shí)反映地層的真實(shí)情況。(4)在每一層段都應(yīng)多讀取幾個(gè)聲波時(shí)差值,取其平

24、均值。(5)選泥巖層時(shí)注意不要把煤層誤作泥巖層處理。通過(guò)選取API值較高且沒(méi)有擴(kuò)縮徑的井段擬合出正常壓實(shí)曲線，本題選取1800-1890m和3500-3550m處作為擬合段，其GR測(cè)井曲線如下圖所示,API值相對(duì)較高：圖2-6 正常壓實(shí)曲線所選泥巖段GR測(cè)井曲線擬合之后的正常壓實(shí)曲線如下圖所示：圖2-7 H-lnt關(guān)系曲線擬合公式為：H=-11.362t+6222.1 （2.4.6）式中，H深度，m；t地層聲波時(shí)差，us/ft。利用測(cè)井資料,定量評(píng)價(jià)地層孔隙壓力應(yīng)用最為廣泛的方法是等效深度法。所謂“等效深度法”,就是指在不同深度具有相同巖石物理性質(zhì)(如孔隙度)的泥巖的骨架所受的有效應(yīng)力相等。基

25、于聲波測(cè)井的等效深度法,指在不考慮溫度影響的情況下,如果正常趨勢(shì)線上某一點(diǎn)的t值與超壓帶上的某一點(diǎn)的t值相同,則反映這兩點(diǎn)孔隙結(jié)構(gòu)和壓實(shí)程度相同,兩點(diǎn)地層骨架應(yīng)力具有等效性,與超壓點(diǎn)測(cè)值相等的正常趨勢(shì)線上某點(diǎn)的深度即等效深度。利用等效深度發(fā)求解地層孔隙壓力的一般公式表示為: （2.4.6）在Matlab中繪制地層孔隙壓力井深剖面：圖2-8 地層孔隙壓力剖面2.5水平最大和最小主應(yīng)力剖面5水平最大主應(yīng)力和水平最小主應(yīng)力可選用“分層地應(yīng)力計(jì)算模式”計(jì)算得到5： （2.5.1） （2.5.2）式中，H和h是地層構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)，可根據(jù)地漏實(shí)驗(yàn)進(jìn)行求取，求解過(guò)程如下：圖2-9 1605m處地漏實(shí)驗(yàn)由地漏試

26、驗(yàn)1可以得到，1605m處，地層破裂壓力為：=26.684（MPa）；重張壓力為：=25.805（MPa）；瞬時(shí)停泵壓力：=24.254（MPa）。抗拉強(qiáng)度:=0.88(MPa);最小水平主應(yīng)力：=24.254(MPa)；最大水平主應(yīng)力：=28.22(MPa).圖2-10 3832m處地漏實(shí)驗(yàn)同理，可以得到3832m處地漏實(shí)驗(yàn)2的相關(guān)數(shù)據(jù)：=70.12（MPa）；=67.47（MPa）；=61.01（MPa）；=2.65(MPa);=61.01(MPa);=87.29 (MPa)。將之前獲取的對(duì)應(yīng)1605米和3832米的相關(guān)參數(shù)代入到式（2.5.1）和（2.5.2）可以得到：H9.3901e-

27、4，h=5.1362e-4。在Matlab中編程繪制最大最小水平主應(yīng)力剖面：圖2-11 三主應(yīng)力剖面2.6 坍塌壓力、破裂壓力和鉆井液密度窗口52.6.1 坍塌壓力假設(shè)泥頁(yè)巖的滲透率很小，而且鉆井液的性能優(yōu)良，基本上與泥頁(yè)巖地層見(jiàn)不發(fā)生滲透流動(dòng)，可知井壁坍塌失穩(wěn)在90°和270°處，該處的有效差應(yīng)力為最大值，由摩爾庫(kù)倫強(qiáng)度準(zhǔn)則可得到保持井壁穩(wěn)定的坍塌壓力公式： （2.6.1）式中,井深，m；巖石粘聚力，MPa；非線性修正系數(shù)，這里取0.95。2.6.2 破裂壓力從力學(xué)上說(shuō)，地層破裂壓力是由于井內(nèi)鉆井液密度過(guò)大，使井壁巖石所受的周向應(yīng)力超過(guò)巖石的拉伸強(qiáng)度而造成的，即（St為抗

28、拉強(qiáng)度）。當(dāng)此拉伸力大到足以克服巖石的抗拉強(qiáng)度時(shí)，地層即產(chǎn)生破裂，造成井漏。破裂發(fā)生在最小處，即=0°或=180°處。破裂壓力公式： （2.6.2）2.6.3 繪制鉆井液密度窗口根據(jù)地層各深度處破裂壓力和坍塌壓力計(jì)算，得到地層坍塌、破裂壓力當(dāng)量鉆井液密度以及鉆井液密度井深剖面圖：圖2-12 鉆井液密度窗口2.6.4防止井壁坍塌合理建議由圖2-10可知，1600米至3300米鉆井液密度相對(duì)合理，3300米至4100米，鉆井液密度小于坍塌壓力當(dāng)量密度，可能造成剝落掉塊現(xiàn)象。所以應(yīng)該適當(dāng)提高鉆井液密度，使其介于圖2-10的窗口之內(nèi)。2.7 分析出砂可能性52.7.1 出砂指數(shù)法分

29、析出砂可能性出砂指數(shù)法公式： （2.7.1）通常情況下，時(shí)，油層不出砂；時(shí)，生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)大量出砂，需早期防砂。圖2-13 出砂指數(shù)剖面由上圖分析可知，儲(chǔ)層段出砂指數(shù)大于20000MPa,易于出砂，應(yīng)采取相應(yīng)的防砂完井措施。2.7.2 合理完井方式推薦常見(jiàn)的防砂完井方式有裸眼礫石充填完井、套管內(nèi)礫石充填完井和人工井壁防砂完井等。裸眼礫石充填完井是在鉆開(kāi)產(chǎn)層以前下套管封固，再鉆開(kāi)產(chǎn)層，在產(chǎn)層段擴(kuò)大井眼，下入篩管，在井眼與環(huán)空中充填礫石。礫石和篩管對(duì)地層出砂起阻擋作用。在下入套管并射孔的井中如有出砂，可在出沙井段下篩管，在篩管和油層套管之間的環(huán)空中充填礫石的防砂工藝，是管內(nèi)礫石充填完井。在這種完井屬

30、于二次完井。這是利用滲透性的可凝固材料注入到出砂層，形成阻擋沙粒的人工井壁，用以防砂的完井技術(shù)。從以上壓力剖面的分析中可以看出，本井力學(xué)性質(zhì)較穩(wěn)定，同時(shí)從提高產(chǎn)量的角度來(lái)說(shuō)，選擇裸眼礫石充填完井能夠滿足要求；若已經(jīng)下入套管固井，則可考慮套管內(nèi)礫石充填完井；人工井壁防砂完井則比較適用于裂縫比較發(fā)育的地層，對(duì)本井不適用。2.8 水平井起裂壓力計(jì)算2.8.1 水平井起裂壓力計(jì)算模型斜井井壁上井周應(yīng)力分布如下所示： 式中，式中，井斜角(與垂向的夾角)；相對(duì)于最大水平地應(yīng)力的井斜方位；井周角(相對(duì)于x軸)；當(dāng)井壁為不可滲透時(shí)為0、井壁滲透時(shí)為1；孔隙度；有效應(yīng)力系數(shù)；滲流效應(yīng)系數(shù)；對(duì)于水平井為90度，向

31、水平最大主應(yīng)力方向鉆進(jìn)時(shí)，為0度；向水平最小主應(yīng)力方向鉆進(jìn)時(shí)，為90度。無(wú)論何種情況，上述公式中，G、H、J均為0，為井壁上3個(gè)主應(yīng)力。2.8.2 計(jì)算起裂壓力由于是在3980m-4000m鉆進(jìn)，故選取3990m處的相關(guān)數(shù)據(jù)：，=0.5791，。（1）時(shí)，即向水平最大主應(yīng)力方向鉆進(jìn)，即裂縫延環(huán)向起裂，并且裂縫起裂方向垂直于水平最小地應(yīng)力方向，即=0或者180度。破裂時(shí)，此時(shí)，破裂壓力為（2）時(shí)，即向水平最小主應(yīng)力方向鉆進(jìn)垂直井筒方向不存在大量微裂縫的情況下，此時(shí)，裂縫沿環(huán)向起裂，=90或者270度。破裂時(shí)，參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn)1 戴家才，王向公等. 測(cè)井方法原理與資料解釋. 石油工業(yè)出版社. 20

32、062 樓一珊,黃立新,向東. 地層坍塌壓力的計(jì)算及應(yīng)用研究J. 河南石油,1999,06:28-29.3 林耀民,劉衛(wèi)東. 測(cè)井中四個(gè)縱橫波轉(zhuǎn)換經(jīng)驗(yàn)公式分析J. 鉆采工藝,1996,01:15-16.4路保平,鮑洪志. 巖石力學(xué)參數(shù)求取方法進(jìn)展J. 石油鉆探技術(shù),2005,05:47-50.5 陳勉，金衍，張廣清.石油工程巖石力學(xué).科學(xué)出版社.20086劉厚彬,孟英峰,王先起,顏海. 利用測(cè)井資料預(yù)測(cè)地層孔隙壓力方法研究綜述J. 西部探礦工程,2006,06:91-93.附錄：Matlab源程序附錄：Matlab源程序>> %導(dǎo)入測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)（已存為loggingdata.mat）。

33、load('C:UserswdyDesktoploggingdata.mat');L=loggingdata;l,r=size(L);DEPT=L(:,1);BIT=L(:,2);CAL=L(:,3);GR=L(:,4);DT=L(:,5);DEN=L(:,6);%繪制鉆頭尺寸和井眼直徑測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)曲線。subplot(1,2,2);plot(BIT,DEPT,'r',CAL,DEPT,'c');set(gca,'YDir','reverse');xlabel('in');ylabel('深度/

34、m'); title('鉆頭尺寸與實(shí)際井眼尺寸對(duì)比'); legend('BIT','CAL'); grid on;%用GR（自然伽馬測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)）計(jì)算泥質(zhì)含量。plot(GR,DEPT,'m');set(gca,'YDir','reverse');xlabel('API');ylabel('深度/m'); title('自然伽馬測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)隨深度的變化'); grid on;%繪制自然伽馬測(cè)井曲線，以便選取GRmin和GRmax。M=max(GR);

35、m=min(GR);%得到M=134.9200，m=35.2130。GRmin=30;GRmax=140;IGR=(GR-GRmin*ones(l,1)./(GRmax-GRmin);GCUR=3.7;%鉆遇第三系和第四系地層，希爾奇指數(shù)取3.7。Vsh=(2.(GCUR*IGR-ones(l,1)./(2.GCUR-ones(l,1);plot(Vsh,DEPT,'b');set(gca,'YDir','reverse');xlabel('泥質(zhì)含量');ylabel('深度/m'); title('泥質(zhì)含

36、量隨深度的變化關(guān)系'); grid on;%利用密度測(cè)井和聲波測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)計(jì)算Biot彈性系數(shù)。DT=100/30.48*10-6*DT;%將聲波測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)單位轉(zhuǎn)換為國(guó)際單位。Vp=ones(l,1)./DT*10-3;%求取縱波速度，單位是Km/s。Vs=(11.44*Vp+18.03*ones(l,1).0.5-5.686*ones(l,1);%利用經(jīng)驗(yàn)公式求取橫波速度。B=1-(DEN.*(3*Vp.2-4*Vs.2)./(2.65*ones(l,1).*(3*5.952*ones(l,1)-4*32*ones(l,1);plot(B,DEPT,'b');set(gca

37、,'YDir','reverse');xlabel('有效應(yīng)力系數(shù)');ylabel('深度/m'); title('有效應(yīng)力系數(shù)'); grid on;%用聲波測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)和密度測(cè)井資料求取彈性模量和泊松比。Ed=1000*DEN.*Vs.2.*(3*Vp.2-4*Vs.2)./(Vp.2-2*Vs.2);%求動(dòng)態(tài)彈性模量。Es=0.6042*Ed-0.1989;%求靜態(tài)彈性模量。plot(Es,DEPT,'r');set(gca,'YDir','reverse');x

38、label('靜態(tài)態(tài)彈性模量/MPa');ylabel('深度/m'); title('地層各深度處對(duì)應(yīng)的靜態(tài)彈性模量'); grid on;%繪制彈性模量曲線。miud=(0.5*Vp.2-Vs.2)./(Vp.2-Vs.2); %求動(dòng)態(tài)泊松比。mius=0.18+0.3*miud;%求靜態(tài)泊松比。plot(mius,DEPT,'b');set(gca,'YDir','reverse');xlabel('靜態(tài)泊松比');ylabel('深度/m'); title(&

39、#39;地層各深度處對(duì)應(yīng)的靜態(tài)泊松比'); grid on;%繪制泊松比曲線。%求取內(nèi)聚力，內(nèi)摩擦角和抗拉強(qiáng)度。C1=(ones(l,1)-2*mius).*(ones(l,1)+mius)./(ones(l,1)-mius).*DEN.2.*(Vp*1000).4.*(ones(l,1)+0.78*Vsh);%不帶系數(shù)的內(nèi)聚力。a=C1(2198);b=C1(2288);c=C1(2376);C=7.927e-15*C1;%通過(guò)室內(nèi)巖心實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定求內(nèi)聚力的系數(shù)。St=10-1*(0.0045*Es.*(ones(l,1)-Vsh)+0.008*Vsh.*Es)/12;%計(jì)算抗拉強(qiáng)度

40、。KL=58.93-1.785*C;phi=2.6541*log10(KL+KL.2+1).0.5)+20;%計(jì)算內(nèi)摩擦角。subplot(1,3,1);plot(C,DEPT,'b');set(gca,'YDir','reverse');xlabel('內(nèi)聚力');ylabel('深度/m'); title('地層各深度處對(duì)應(yīng)的內(nèi)聚力'); grid on;%繪制內(nèi)聚力曲線。subplot(1,3,2);plot(phi,DEPT,'c');set(gca,'YDir

41、9;,'reverse');xlabel('內(nèi)摩擦角/度');ylabel('深度/m'); title('地層各深度處對(duì)應(yīng)的內(nèi)摩擦角'); grid on;%繪制內(nèi)摩擦角曲線。subplot(1,3,3);plot(St,DEPT,'r');set(gca,'YDir','reverse');xlabel('抗拉強(qiáng)度/MPa');ylabel('深度/m'); title('地層各深度處對(duì)應(yīng)的抗拉強(qiáng)度'); grid on;%繪制抗拉

42、強(qiáng)度曲線。>> %利用積分法計(jì)算垂直主應(yīng)力，計(jì)算孔隙壓力。>> Sigv=ones(l,1);for i=1:lSigv(i)= 0.00981*1600*2.1918+sum(0.00981*DEN(1:i);%求垂直應(yīng)力。end%導(dǎo)入正常壓實(shí)聲波時(shí)差數(shù)據(jù)（已存為P.mat）。load('C:UserswdyDesktopP.mat');Gv=Sigv./DEPT/0.00981;Pp=Gv+(Gv-ones(l,1).* (37.276*DT*30.48/100*1e6-6222.1*ones(l,1)./DEPT;plot(Pp,DEPT,'

43、;c');set(gca,'YDir','reverse');xlabel('地層壓力梯度');ylabel('深度/m'); title('地層孔隙壓力剖面');plot(Gv,DEPT,'m');set(gca,'YDir','reverse');xlabel('上覆巖層壓力');ylabel('深度/m'); title('上覆巖層壓力當(dāng)量鉆井液密度井深剖面');%求最大最小水平主應(yīng)力ep1 =9.3901e-4;ep2=5.1362e-4;Sigmah=mius./(1-