地应力测量及应用

中国石化江汉石油管理局测录井工程公司WellLoggingEngineeringCompanyJianghanPetroleumAdministrationSINOPEC地应力测量及应用中国石化江汉石油管理局测录井工程公司WellLoggingEngineeringCompanyJianghanPetroleumAdministrationSINOPEC主要内容一、概述二、原地应力分布的基本规律三、原地应力的测量及计算四、地应力研究在油田开发中的应用中国石化江汉石油管理局测录井工程公司WellLoggingEngineeringCompanyJianghanPetroleumAdministrationSINOPEC基本概念天然应力：在天然状态下，岩体内部存在的应力，又称初始地应力、原地应力。次生应力：人类进行工程建设将会在一定范围内引起岩体初始应力的改变，工程建设扰动后的岩体应力称为次生应力、二次分布应力。古地应力：指某一地质时期或某一重要地质事件之前的地应力。现今地应力：指目前存着的、正在活动的地应力。分析构造形态形成机理主要涉及古地应力。石油工程主要关心现今地应力。中国石化江汉石油管理局测录井工程公司WellLoggingEngineeringCompanyJianghanPetroleumAdministrationSINOPEC总分类依据分类定义地质年代古地应力泛指燕山运动前，或某一地质时期以前的地应力现地应力目前变化或正在变化的应力成因原地应力重力上覆岩层重力引起的地应力分量（或产生）的应力构造应力由构造运动产生的变形形成的各种构造行迹等热应力由温度变化在岩体内部引起的内应力增量扰动应力由于地表地下开采引起原地应力改变所产生的应力应力方向垂向主应力由重力应力构成、基本上呈垂直向的主应力水平主应力由地壳中岩石侧向应力和水平构造应力构成、基本上呈水平向的主应力地应力分类中国石化江汉石油管理局测录井工程公司WellLoggingEngineeringCompanyJianghanPetroleumAdministrationSINOPEC地应力分类中国石化江汉石油管理局测录井工程公司WellLoggingEngineeringCompanyJianghanPetroleumAdministrationSINOPEC原地应力的来源•上覆岩体的自重压力•地层构造运动产生的构造应力•地层中的孔隙流体压力•地温梯度引起的地温应力中国石化江汉石油管理局测录井工程公司WellLoggingEngineeringCompanyJianghanPetroleumAdministrationSINOPEC一般情况下，深度H处的地层所受到的地应力，可以用三个方向上的地应力表示。一个是垂直方向上的应力，两个水平方向上互相垂直的应力。中国石化江汉石油管理局测录井工程公司WellLoggingEngineeringCompanyJianghanPetroleumAdministrationSINOPEC主要内容一、概述二、原地应力分布的基本规律三、原地应力的测量及计算四、地应力研究在油田开发中的应用中国石化江汉石油管理局测录井工程公司WellLoggingEngineeringCompanyJianghanPetroleumAdministrationSINOPEC原地应力的分布基本规律原地应力在时间、空间上是一个相对稳定的非稳定场。在浅层地层，最大水平主应力σH普遍大于垂直应力σv。即，侧压力系数λ=σH/σv＞1原地应力的三个方向的主应力σv、σH、σh均随深度的增加而增大。1、侧压力系数λ随深度增加而减小。100/H＋0.3≤λ≤1500/H+0.52、两个水平主应力差异较大。σh/σH=0.2-0.8中国石化江汉石油管理局测录井工程公司WellLoggingEngineeringCompanyJianghanPetroleumAdministrationSINOPEC中国原地应力的分区性西南面受印度洋板块向NNE挤压东面受太平洋板块向W俯冲南面受菲律宾板块向N俯冲北面受西伯利亚板块阻挡中国石化江汉石油管理局测录井工程公司WellLoggingEngineeringCompanyJianghanPetroleumAdministrationSINOPEC以东经100-105°为界，分东西两区原地应力强度：西强东弱最大水平主应力方向：西区以NNE－SSW为主东区以E－W为主中国石化江汉石油管理局测录井工程公司WellLoggingEngineeringCompanyJianghanPetroleumAdministrationSINOPEC主要内容一、概述二、原地应力分布的基本规律三、原地应力的测量及计算四、地应力研究在油田开发中的应用中国石化江汉石油管理局测录井工程公司WellLoggingEngineeringCompanyJianghanPetroleumAdministrationSINOPEC原地应力的测量及计算中国石化江汉石油管理局测录井工程公司WellLoggingEngineeringCompanyJianghanPetroleumAdministrationSINOPEC原地应力的确定室内岩芯分析法，需要定向取芯，难度大、成本高。水力压裂法，优点是设备简单、操作方便、测值直观，缺点是只能单层测量，地应力方向测不准测井资料评价法，连续测量，成本低，可分析地应力大小和方向。中国石化江汉石油管理局测录井工程公司WellLoggingEngineeringCompanyJianghanPetroleumAdministrationSINOPEC水力压裂法shprpstpfhHpppSpp33rftppS中国石化江汉石油管理局测录井工程公司WellLoggingEngineeringCompanyJianghanPetroleumAdministrationSINOPEC地应力方向的测井研究1.利用地层倾角双井径测井资料2.利用成像测井资料3.利用偶极声波测井资料中国石化江汉石油管理局测录井工程公司WellLoggingEngineeringCompanyJianghanPetroleumAdministrationSINOPEC井壁崩落法在不同地质时期形成的各种岩石，都具有一定的强度，根据脆性破裂理论，当作用应力差超过该处岩石的破裂强度时，就会产生井壁崩落现象，形成井壁崩落椭圆，其长轴方向与最小水平主应力平行。确定井壁崩落的基本准则：a）井眼崩落井段必须超过一定长度；b）两条井径中，其中较小的井径数值必须接近钻井的钻头尺寸；C）当井斜时，扩径的长轴方向不能与井眼的高边方位一致。中国石化江汉石油管理局测录井工程公司WellLoggingEngineeringCompanyJianghanPetroleumAdministrationSINOPEC面14-12-斜35地层倾角资料地应力分析井段788-806米，椭圆井眼长轴方向170-350°，最小水平主应力方向170-350°。井段826-839米，椭圆井眼长轴方向15-195°，最小水平主应力方向15-195°。中国石化江汉石油管理局测录井工程公司WellLoggingEngineeringCompanyJianghanPetroleumAdministrationSINOPEC利用成像测井资料地应力分析中国石化江汉石油管理局测录井工程公司WellLoggingEngineeringCompanyJianghanPetroleumAdministrationSINOPEC钻井井壁诱导缝法（应力释放缝）钻井诱导缝系钻井过程中地层应力释放而产生的裂缝。诱导缝的最大特点是沿井壁的对称方向出现，呈羽状或雁列状。钻井诱导缝在成像图上为一组平行且呈180对称的高角度裂缝。这组裂缝的走向即为现今最大水平主应力的方向。中国石化江汉石油管理局测录井工程公司WellLoggingEngineeringCompanyJianghanPetroleumAdministrationSINOPEC面古3井钻井诱导缝发育特征图（2544-2550m）井段2544-2550m：钻井诱导缝主要倾向5°，走向为95°-275°。最大水平主应力方向95°-275°。中国石化江汉石油管理局测录井工程公司WellLoggingEngineeringCompanyJianghanPetroleumAdministrationSINOPEC面古3井钻井诱导缝发育特征图（2630-2633m）井段2630-2633m：钻井诱导缝主要倾向345°，走向为75°-255°。最大水平主应力方向75°-255°。中国石化江汉石油管理局测录井工程公司WellLoggingEngineeringCompanyJianghanPetroleumAdministrationSINOPECXXX井钻井诱导缝发育特征图中国石化江汉石油管理局测录井工程公司WellLoggingEngineeringCompanyJianghanPetroleumAdministrationSINOPEC利用偶极声波测井资料的各向异性判断地应力地层构造应力的不均衡使横波发生分离现象，从而产生较强的各向异性。在成像测井图上出现明显的诱导裂缝或井壁崩落现象。这时，横波在传播过程中通常会分离成快横波、慢横波。质点平行于裂缝走向振动的速度较快为快横波，质点垂直于裂缝走向振动的速度较慢为慢横波。因此，可以用快横波的方向确定最大水平主应力的方向。中国石化江汉石油管理局测录井工程公司WellLoggingEngineeringCompanyJianghanPetroleumAdministrationSINOPEC中国石化江汉石油管理局测录井工程公司WellLoggingEngineeringCompanyJianghanPetroleumAdministrationSINOPEC地应力大小的测井研究地应力计算数学模型：ppvHHppvhhHvPPEKPPEKgdhh1111)(0式中：σv、σh、σH－垂直应力、最小水平应力、最大水平应力，MPa；ρ－地层岩石密度，g/cm3；g－重力加速度，m/s2；h－深度变量，m；μ－地层岩石的泊松比；E－地层岩石的杨氏模量，Mpa；α－地层孔隙压力贡献系数；Pp－计算深度处的地层孔隙压力，Mpa；Kh－最小水平应力方向的构造应力系数；KH－最大水平应力方向的构造应力系数；中国石化江汉石油管理局测录井工程公司WellLoggingEngineeringCompanyJianghanPetroleumAdministrationSINOPEC地应力大小的测井研究岩石力学参数计算：DTCDTSa/)143(222aaDTSE134002DTCBULK横纵比：泊松比：岩石横向相对压缩与纵向相对伸长之比杨氏模量：)21(3EK)1(2)2(22aa岩石的拉伸应力与拉伸应变之比，代表岩石的抗拉伸能力，MPa体积模量：压力与体积相对变化之比，代表岩石的抗压能力，MPa剪切模量：)1(2EG剪切应力与剪切位移相对变化量之比，代表岩石的抗剪切能力，MPa出砂指数：GKR代表岩石的强度，值越大，岩石越稳定，越不易出砂。砂泥岩地层，BULK3,正常压力下生产不会出砂，2BULK3，少量出砂，BULK2，出砂较多。斯伦贝尔比：1FI代表岩石的强度，值越大，岩石越稳定，越不易出砂。裂缝指数：代表岩石的裂缝发育程度，值越大，岩石裂缝越发育，越容易压裂。式中：ρ－地层岩石密度，g/cm3；DTC、DTS－地层纵、横波时差，μs/ft中国石化江汉石油管理局测录井工程公司WellLoggingEngineeringCompanyJianghanPetrol