地应力研究的理论基础-2

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1、二．地应力研究的理论基础井眼不稳定性是全球范围内油田勘探、开发普遍存在的问题。在钻井工程作业中，受各种因素的影响，井眼多发生垮塌、崩落、缩径、压裂、变形，甚至发生井涌、渗漏、卡钻等事故，这些问题在今天都被包含在井眼稳定的内容中。因此，研究解决此类问题的办法对安全生产、提高作业效率、节约成本等具有非常重要的现实意义。造成井眼不稳定的原因很多，包括自然的和人为的两个方面。①在自然因素方面有：地质构造类型和原地应力、地层的岩性和产状、含粘土矿物的类型方面原因；同时，地层倾角、层面的胶结，以及地层强度、裂隙节理的发育情况、孔隙度、渗透性及孔隙中的流体压力等也会导致井壁不稳定。②在人为方面有：钻井液的性

2、能（失水、黏度、流变性、密度）、钻井液的成分与井壁岩石矿物的化学作用的强弱（水化、膨胀作用）、井周钻井液侵入带的深度和范围、井眼裸露的时间、钻井液的环空上返速度、对井壁的冲蚀作用、循环动压力和起下钻的波动压力、井眼轨迹的形状、钻柱对井壁的摩擦和碰撞等因素。井眼的不稳定性问题，从广义上讲应包括脆性泥页岩井壁的坍塌剥落、塑性泥页岩井壁的缩径和井眼的粘弹塑性变形及地层在钻井液压力作用下的水力压破裂（多发生在砂岩层段）。由于问题的复杂性，不可能对上述影响因素一一作出定量分析。解决井眼不稳定壁问题主要从钻井液化学和岩石力学两个方面入手，抓住主要影响因素进行分析，才能获得较好的结果。长期以来，由于种种原因

3、，研究的焦点多集中于化学防塌机理方面（主要是研制钻井液体系），使得井眼不稳定现象大为减少，井眼不稳定技术研究取得了较大的进展。但是，至今仍未能很好地解决水化程度弱的脆性泥页岩井壁的坍塌问题。井眼岩石失稳坍塌，一般都可归结为井壁岩石所受的应力超过它在井眼状态下所能承受强度的结果，钻井液的侵蚀作用会减弱泥页岩的强度，同时产生的水化作用会改变泥页岩中的应力状态。岩石的力学性质主要是指岩石的变形特征及岩石的强度。为了研究井眼稳定性问题，有必要研究岩石的力学性质及其在物理环境下应力场中的反映。岩石变形，包括单向和三向条件下的变形曲线特性、弹性和塑性变形、流变（应力-应变-时间关系）和扩容。岩石流变主要包

4、括蠕变和松弛。在应力不等时岩石的变形随时间不断增长的现象称为蠕变。在应变不变时岩石中的应力随时间减少的现象称为松弛。岩石扩容是指在偏应力作用下，当应力达到某一定值时岩石的体积随偏应力的增大而增大的现象。研究岩石变形在室内常用单轴或三轴压缩方法、流变试验和动力试验等，多数试验往往结合强度研究进行。作为弹性介质的岩石，其应力与应变关系和应力-应变-时间关系以及相应的变形参数，可用杨氏模量、切变模量、泊松比、体积形变弹性模量、弹性系数等来表示。1、岩石的机械特性杨氏模量(Young'smodulus)是表征在弹性限度内物质材料抗拉或抗压的物理量，它是沿纵向的弹性模量。1807年因英国医生兼物理学家托

5、马斯·杨(ThomasYoung,1773-1829)所得到的结果而命名。根据胡克定律，在物体的弹性限度内，应力与应变成正比，比值被称为材料的杨氏模量，它是表征材料性质的一个物理量，仅取决于材料本身的物理性质。杨氏模量的大小标志了材料的刚性，杨氏模量越大，越不容易发生形变。（YME）剪切模量是剪切应力与应变的比值。又称切变模量或刚性模量。是材料在剪切应力作用下，在弹性变形比例极限范围内，切应力与切应变的比值。它表征材料抵抗切应变的能力。模量大，则表示材料的刚性强。剪切模量的倒数称为剪切柔量，是单位剪切力作用下发生切应变的量度，可表示材料剪切变形的难易程度。（SMG）体积形变弹性模量是指在外力作

6、用下，物体的应力与体积应变的比值。体积形变弹性模量的倒数叫体积压缩系数。（BMK）泊松比是在材料的比例极限内，由均匀分布的纵向应力所引起的横向应变与相应的纵向应变之比的绝对值。材料的泊松比一般通过试验方法测定。泊松比只是表示物体的几何形变的系数，对于一切物质，其值都介于0到0.5之间（PR）1）动态模量岩石可看作弹性体，故可用弹性波在介质中传播的规律来研究、测定岩石力学参数。声波在弹性介质中的传播速度主要取决于介质的弹性模量和密度。在均匀各向同性介质中，介质受外力声源作用下发生弹性形变，其纵波速度、横波速度与杨氏模量、泊松比、岩石密度之间存在如下关系：Vp==1/dtcoVs==1/dtsmV

7、p/Vs==dtsm/dtco其中：ν=(0.5(dtsm)2–(dtco)2)/((dtsm)2-(dtco)2)：Εd=(ρb/(dtsm)2)(3(dtsm)2–4(dtco)2))/((dtsm)2-(dtco)2)K=ρb(3(dtsm)2–4(dtco)2))/3(dtsm)2(dtco)2G=ρb/(dtsm)2当Dtco、Dtsm的单位为英制µs/ft、Ε的单位为106psi时，在