利用測(cè)井資料計(jì)算地應(yīng)力和地層壓力課件

利用測(cè)井資料計(jì)算地應(yīng)力和地層壓力劉之的西安科技大學(xué)資源勘查系內(nèi)容提要一、利用測(cè)井資料計(jì)算巖石力學(xué)二、地應(yīng)力測(cè)井評(píng)價(jià)方法三、三個(gè)壓力測(cè)井預(yù)測(cè)四、壓裂高度預(yù)測(cè)

巖石動(dòng)力學(xué)參數(shù)的計(jì)算巖石靜力學(xué)參數(shù)的實(shí)驗(yàn)測(cè)定巖石動(dòng)靜力學(xué)參數(shù)的關(guān)系實(shí)現(xiàn)用測(cè)井資料連續(xù)計(jì)算巖石靜力學(xué)參數(shù)一、巖石力學(xué)參數(shù)計(jì)算巖石各向異性計(jì)算巖石動(dòng)力學(xué)參數(shù)確定計(jì)

算

公

式泊松比縱向應(yīng)變與橫向應(yīng)變之比剪切模量施加應(yīng)力與切向應(yīng)變之比楊氏模量施加的單向應(yīng)力與法向應(yīng)變之比體積彈性模量流體靜壓力與體積應(yīng)變之比地層壓縮系數(shù)體積形變與流體靜壓力之比骨架壓縮系數(shù)骨架體積變化與流體靜壓力之比Biot彈性系數(shù)與孔隙壓力成比例動(dòng)態(tài)彈性參數(shù)一、巖石力學(xué)參數(shù)的測(cè)井計(jì)算方法

結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)確定

巖石抗張強(qiáng)度巖石抗剪強(qiáng)度單軸抗壓強(qiáng)度無(wú)天然裂縫時(shí)：有天然裂縫時(shí)：(R=0.803)

=1.330+26.704(R=0.694)

巖石泊松比的測(cè)井計(jì)算方法1.構(gòu)建橫波時(shí)差，進(jìn)而計(jì)算泊松比（5）（4）（3）（6）構(gòu)建的橫波時(shí)差與實(shí)測(cè)橫波時(shí)差比較

92.92687.51190.27489.36290.89392.01992.79894.12891.24493.29191.37995.47394.24390.87794.79692.92190.88491.57089.62093.65495.96292.69895.65494.84792.75289.46092.04091.42397.77194.47797.06796.72793.55990.33392.85592.34690.15490.71791.32292.75294.62791.57094.37993.65496.98894.21496.71596.44993.46792.02494.79594.13493.97190.41092.66492.42792.82690.61893.55892.647101.66292.27195.32494.39485.60987.77687.49589.642100.34493.47396.67695.666(R=0.48)

(R=0.71)

2.利用常規(guī)測(cè)井資料直接求取泊松比（8）（7）（9）多種方法計(jì)算的巖石泊松比對(duì)比表12345670.3270.2960.3130.3080.2960.2010.2430.2010.2630.2780.2650.2920.2990.2310.2290.1730.2790.2830.2700.2970.2990.2220.2370.1720.3100.2900.3060.3020.2960.2110.2540.2040.3070.2870.3030.3000.2960.2150.2590.2160.3030.2830.3010.2970.2950.2220.2610.2120.2920.2820.3000.2960.2950.2240.2510.2090.3000.2860.3050.2990.2950.2170.2430.2000.2800.2950.2930.3070.3000.2020.2690.2020.2740.2820.2870.2960.2970.2240.2850.2090.3060.2860.3100.2990.2940.2180.2460.1790.3010.2800.2990.2940.2950.2280.2450.195力學(xué)參數(shù)識(shí)別巖性泊松比-體積模量交會(huì)圖

泊松比-楊氏模量交會(huì)圖

室內(nèi)測(cè)試得到的巖石力學(xué)參數(shù)和測(cè)井計(jì)算得到的趨勢(shì)是一致的，但其值之間有一定的誤差。為此，需要建立動(dòng)靜態(tài)力學(xué)參數(shù)間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。白005井巖石動(dòng)靜態(tài)力學(xué)參數(shù)對(duì)比

巖石動(dòng)靜力學(xué)參數(shù)轉(zhuǎn)換系數(shù)K1.0-0.90.9-0.80.8-0.70.7-0.65<0.65D1.0-0.750.75-0.450.45-0.250.25-0.20.2-0.1K與D的關(guān)系式為：D=2.3717K-1.3949,其中K=V/Vma,D=Es/Ed單井巖石力學(xué)參數(shù)處理與裂縫發(fā)育程度評(píng)價(jià)評(píng)價(jià)裂縫發(fā)育程度的指標(biāo)完整性系數(shù)破裂系數(shù)裂縫發(fā)育程度指標(biāo)I

巖石穩(wěn)定系數(shù)裂縫識(shí)別X井巖石力學(xué)參數(shù)識(shí)別裂縫x井巖石力學(xué)參數(shù)識(shí)別裂縫1.地應(yīng)力方向的確定方法

A、井壁崩落法

B、壓裂縫法

C、應(yīng)力釋放裂縫法

D、橫波各向異性法二、地應(yīng)力測(cè)井評(píng)價(jià)方法井眼崩落A、井壁崩落法

1、地應(yīng)力方向的確定

A、井壁崩落法

溶蝕性垮塌沖刷性垮塌鍵槽性垮塌塑性變形地應(yīng)力性崩落B、壓裂縫法h

HC、應(yīng)力釋放裂縫法應(yīng)力釋放裂縫的走向指示最大水平主應(yīng)力的方向最大水平主應(yīng)力方向?yàn)榻鼥|西D、橫波各向異性法13井斜角時(shí)差(us/ft)SVSH入射橫波反射橫波法線利用地層各向異性確定地應(yīng)力的方向X井最大水平主應(yīng)力方向——東西向最大水平主應(yīng)力方向——東西向D、橫波各向異性法用測(cè)井資料計(jì)算現(xiàn)今構(gòu)造應(yīng)力的理論基礎(chǔ)靜地應(yīng)力:上覆巖層壓力動(dòng)地應(yīng)力:構(gòu)造應(yīng)力現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力泥漿柱壓力三軸向應(yīng)力孔隙流體壓力法向應(yīng)力剪切應(yīng)力有效井周應(yīng)力有效徑向應(yīng)力三軸向應(yīng)力

Sz

Sy

Sx大地應(yīng)力井下就地應(yīng)力古構(gòu)造應(yīng)力

井壁破裂測(cè)井響應(yīng)巖石力學(xué)性質(zhì)2.就地應(yīng)力大小的確定（1）就地應(yīng)力的直接測(cè)量法

*水力壓裂法*巖石聲發(fā)射測(cè)量法*井眼漏失測(cè)試法

（2）用常規(guī)測(cè)井資料計(jì)算地應(yīng)力的大小

*井眼崩落法

*壓裂分析法（3）用成像測(cè)井資料計(jì)算地應(yīng)力的大小左巴克教授(Zoback)推出的應(yīng)力與井壁崩落的關(guān)系式：定量判別式：只用崩落寬度計(jì)算地應(yīng)力的模型：

利用成像測(cè)井尋找井壁應(yīng)力誘導(dǎo)壓裂平衡點(diǎn)，進(jìn)而建立的地應(yīng)力計(jì)算模型為：(1)(2)

(1)用上覆巖層壓力值約束水平地應(yīng)力值

(2)用各向異性系數(shù)估算水平地應(yīng)力的比值

(3)以成像測(cè)井剖面為最終的約束條件

地應(yīng)力計(jì)算精度的提高與結(jié)果檢驗(yàn)三、三個(gè)壓力測(cè)井預(yù)測(cè)

（1）地層孔隙壓力預(yù)測(cè)方法概述鉆前評(píng)估

隨鉆評(píng)估

鉆后評(píng)估

1.地層孔隙壓力測(cè)井計(jì)算方法

由Terzaghi有效應(yīng)力定理知，地層孔隙壓力與巖石的有效應(yīng)力之間存在如下關(guān)系測(cè)井Vp/Vs：=624.06e(-1.4035Vp/Vs)(10)測(cè)井：=96.768e-2.4772

(11)實(shí)驗(yàn)：=104.58e-2.6793(12)

（2）有效應(yīng)力法由川東北部羅家寨構(gòu)造和紫水壩構(gòu)造的一些井的飛仙關(guān)組地層已知井段的地層壓力數(shù)據(jù)求得對(duì)應(yīng)的A、B系數(shù)為：A=0.001073，B=-12.0064。則采用此法預(yù)測(cè)飛仙關(guān)組地層壓力的公式為：G.L.Bowes有效應(yīng)力計(jì)算模型：X構(gòu)造地層孔隙壓力預(yù)測(cè)結(jié)果比較

井名深度(m)預(yù)測(cè)值（MPa）實(shí)測(cè)值（MPa）絕對(duì)誤差X井2964.528.96030.595-1.635X井2978.030.12030.5430.423X井3248.037.97240.454-2.482X井3488.038.29640.589-2.293X井3599.040.84242.008-1.166X井3938.040.42742.444-2.0172.地層坍塌壓力的測(cè)井預(yù)測(cè)方法基于摩爾－庫(kù)侖準(zhǔn)則建立的地層坍塌壓力計(jì)算模型為：

◆伊頓模型

◆安德森模型

◆馮啟寧模型

◆黃榮樽模型

◆譚廷棟模型

3.地層破裂壓力的測(cè)井預(yù)測(cè)方法

上述模型可概括為

以三向地應(yīng)力模型作為建立提取地層破裂壓力數(shù)學(xué)公式的理論依據(jù)，在對(duì)譚氏破裂壓力預(yù)測(cè)公式進(jìn)行修正與補(bǔ)充的基礎(chǔ)上，經(jīng)過一系列的推導(dǎo)之后建立的適合于碳酸鹽巖地層的破裂壓力預(yù)測(cè)模型為：

用該法預(yù)測(cè)LJ7井3096米的地層破裂壓力是76.876MPa，而實(shí)測(cè)的地層破裂壓力是76.914MPa，這說(shuō)明該法的預(yù)測(cè)精度完全能夠滿足于碳酸鹽巖地層安全泥漿密度上限設(shè)計(jì)的要求。地層破裂壓力的測(cè)井預(yù)測(cè)新方法

(1)鉆井液密度安全窗口的確定

★

鉆井液密度與井壁圍巖破壞的關(guān)系

井內(nèi)鉆井液柱壓力不能平衡地層孔隙壓力，就會(huì)發(fā)生井噴；如果井內(nèi)鉆井液柱壓力低于地層坍塌壓力，井壁巖石將產(chǎn)生剪切破壞,井壁坍塌；如果井內(nèi)鉆井液柱壓力超過地層破裂壓力，就會(huì)發(fā)生張性破裂，發(fā)生井漏或壓差卡鉆。

★科學(xué)合理地確定鉆井液密度

3.防止井壁失穩(wěn)對(duì)策研究(2)防止川東北部地區(qū)碳酸鹽巖地層井壁失穩(wěn)的對(duì)策

●地應(yīng)力引起井壁失穩(wěn)對(duì)策

★優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)、科學(xué)選擇中間套管層數(shù)和下深★根據(jù)油氣藏地質(zhì)構(gòu)造特征，科學(xué)選擇大位移井(定向井)

的井斜角和方位角★科學(xué)合理地選用鉆井液密度X井2020~2120米井段井壁穩(wěn)定性測(cè)井評(píng)價(jià)成果圖

X井2945~3045米井段井壁穩(wěn)定性測(cè)井評(píng)價(jià)成果圖

X井DSI和FMI處理成果圖

2020~2120米、2945~3045米井段，井眼發(fā)生崩落，井眼擴(kuò)大率超過10%，實(shí)際使用的泥漿密度是1.32、1.35g/cm3,這說(shuō)明實(shí)際使用的泥漿密度偏小，不足以維持井眼穩(wěn)定，而本研究預(yù)測(cè)的泥漿密度為(分別為1.343+0.062g/cm3、1.402+0.062g/cm3)能夠很好地在鉆井過程中維持井壁穩(wěn)定。崩落井段

(m)井眼擴(kuò)大率(%)PP(MPa)Pb(MPa)Pf(MPa)H(MPa)h(MPa)P0(MPa)Pbmd(g/cm3)Pfmd(g/cm3)2020~212013.94321.05426.25140.42151.19322.43548.3651.343+0.0621.9022945~304510.58133.01340.03560.64978.89134.17573.4211.402+0.0622.066x9井崩落井段測(cè)井處理成果表

X井3005~3035米井段井壁穩(wěn)定性測(cè)井評(píng)價(jià)成果圖

x2井統(tǒng)計(jì)的快橫波方位角圖統(tǒng)計(jì)的優(yōu)勢(shì)快橫波方位角為65度，表明最大水平主應(yīng)力為近東西向，F(xiàn)MI的井眼崩落方向?yàn)榻媳毕?，兩者結(jié)果一致。

3015~3030米井段，井眼明顯發(fā)生崩落，井眼擴(kuò)大率為21.27%，實(shí)際使用的泥漿密度是1.30g/cm3,這說(shuō)明實(shí)際使用的泥漿密度值偏小，不足以維持井眼穩(wěn)定，而本研究預(yù)測(cè)的泥漿密度為(1.337+0.043g/cm3)能夠很好地在鉆井過程中維持井壁穩(wěn)定。

崩落井段(m)井眼擴(kuò)大率(%)PP(MPa)Pb(MPa)Pf(MPa)H(MPa)h(MPa)P0(MPa)Pbmd(g/cm3)Pfmd(g/cm3)3015~303021.27021.27031.12439.60074.14936.15970.3131.337+0.0431.828x2井崩落井段測(cè)井處理成果表

在鉆井工程上的應(yīng)用安全泥漿密度范圍與井斜角的關(guān)系（上覆巖層壓力為最大主應(yīng)力時(shí)的情況）直井最安全，向較大水平主應(yīng)力方向鉆水平井最不安全！井壁崩落區(qū)井壁壓裂和井壁崩落同時(shí)發(fā)生區(qū)安全區(qū)鉆井液密度井斜角優(yōu)化井身軌跡

與地應(yīng)力方向的關(guān)系實(shí)例：X1井泥漿密度、井斜方位、井斜角與井眼穩(wěn)定性的關(guān)系X1井4300米處，條件：上覆巖層壓力為中間主應(yīng)力，南北向?yàn)樽钚∷街鲬?yīng)力方向UCS’=290Mpa,T=15Mpa,=45,=0.31,=0.3,v=113.3Mpa,H=163.3Mpa,h=98.8Mpa,Pp=47.2Mpa,向H鉆井壁應(yīng)力差為14.5mpa;向h鉆鉆井壁應(yīng)力差為50mpa結(jié)論：向H方向，打水平井，最安全！H在壓裂酸化工程中的應(yīng)用A1A2A3A4A5A6A7A8A9A10B1地應(yīng)力形成的橢圓井眼長(zhǎng)軸方向橢圓井眼的長(zhǎng)軸方向局部構(gòu)