岩石物理学5(岩石的变形)ppt

2020/1/1地球物理与石油资源学院1《岩石物理学》授课人：黄文新地球物理与石油资源学院长江大学联系方式：E-mail：[e-mail]@tom.comtel:8060418(o)137072191812020/1/1地球物理与石油资源学院2《岩石物理学》第1章岩石第2章岩石孔隙度和渗透率第3章岩石中波的传播与衰减第4章岩石的弹性第5章岩石的变形第6章岩石的断裂第7章岩石的强度第8章岩石的其它特性2020/1/1地球物理与石油资源学院3第5章岩石的变形5.1应力5.2岩石的本构关系5.3岩石的蠕变5.4岩石实验《岩石物理学》2020/1/1地球物理与石油资源学院4第5章岩石的变形在力的作用下，岩石原始的长度、体积和形状都会发生变化。受力后变形是岩石最常见的力学性质。本章重点介绍与岩石有关的变形特点，特别是在地球内部高温高压环境下岩石的变形特征。2020/1/1地球物理与石油资源学院55.1应力(stress)第5章岩石的变形5.1.1力和应力图5—1应力的概念作用在岩石内部O点的力可以这样来描述(图2.1):对于通过O点的任意方向OP(v),设想有一个与OP垂直且面积为δS的小切面，该切面所切开的两部分之间存在相互作用力δF(这里忽略力矩不计)，我们把:(5—1)定义为在O点相应于OP方向的应力。2020/1/1地球物理与石油资源学院6第二，应力不仅与岩石内部的受力情况有关，而且与切面方向ν的选择也有关。5.1应力(stress)定义中包括两个重要概念:第一，应力是单位面积上的作用力;岩石力学中规定压应力为正，拉应力为负。这与弹性理论中关于应力正负的习惯规定恰好相反。采用这样的规定，有两方面的原因:第一，在地球科学中，地球介质所受力多为压应力，而不是张应力;第二，在土力学、构造地质学等与岩石力学有密切联系的学科中，已经采用了压应力为正的规定。因此，岩石力学中尽管许多公式的形式与弹性力学一致，但要注意，应力正负的规定是与弹性力学相反的。2020/1/1地球物理与石油资源学院7如果在O点选择一组正交的坐标((x1,x2,x3)，用σi,j(i,j=1,2,3)表示法线为i方向切面上j方向的应力，将得到九个量。5.1应力(stress)(5—2)5.1.2主应力在岩石内部某一点，若某一法线为ν的切面上求得的应力矢量T与ν方向一致，则该切面上剪应力必定为零。这时称ν方向为该点的主方向,相应的切面为主平面，主平面上的正应力称为主应力。可以证明，在任何一点都存在着三个主方向，而且这三个主方向互相垂直。主平面主应力其余为剪切应力2020/1/1地球物理与石油资源学院85.1应力(stress)在岩石力学中，经常取三个主方向为坐标轴，在这种坐标系中，应力张量有非常简单的形式。若把主应力记为σ1σ2和σ3，则应力张量为：在岩石力学中，我们总是规定：即用σ1代表最大主应力，用σ2代表最小主应力，而σ3则表示中等主应力。2020/1/1地球物理与石油资源学院95.1.3地应力5.1应力(stress)处理地质间题时，常用的应力符号:σν垂直方向的主应力，σHmax水平方向最大主应力，σHmin水平方向最小主应力来。2020/1/1地球物理与石油资源学院105.1应力(stress)1、没有构造应力的地壳上部的应力场所谓没有构造应力，就是只考虑岩石自重引起的应力场，并且假定岩石在水平方向没有变形。显然，σv=ρ*g*h（5—3）（5—4）其中ρ是岩石的密度,g是重力加速度，h是深度,ν是岩石的泊松比。2020/1/1地球物理与石油资源学院115.1应力(stress)2、地应力的简单计算(英文板书）（1）Isotropicrocks(2)Anisotropicrocks3、地应力在石油工程中应用2020/1/1地球物理与石油资源学院12地层可以近似看作横向各向同性介质主要研究水平方向上最大地应力最小地应力弹性模量和应力关系应力与横波速度关系导出横向各向同性地层中地应力计算公式主要应用地层弹性参数的计算最大最小水平地应力的计算最大最小安全钻井泥浆密度的计算水力压裂裂缝高度预测各向异性参数的计算水力压裂裂缝高度预测2020/1/1地球物理与石油资源学院132020/1/1地球物理与石油资源学院141）各向同性地应力计算模型利用电缆地层测试或压力恢复测试资料，在不考虑构造应力影响情况下，各向同性模型计算水平应力公式为：ppbxPPP01ννν—泊松比Pob—上覆岩层压力Pp—孔隙流体压力α—Biot常量针对：声波全波测井偶极横波测井无横波资料一、应力与应变关系的地应力计算模式2020/1/1地球物理与石油资源学院152020/1/1地球物理与石油资源学院16根据图1泊松比和应力分布，沿x方向的泊松比yxxyv/zxxzv/类似有沿y方向和z方向的泊松比，杨氏模量为：xxxE/yyyE/zzzE/xzyyxzyzxzxvxyvyxvzyvyzvxzv图1各向异性岩石地应力模型2）各向异性地应力计算模型2020/1/1地球物理与石油资源学院17在x方向的应变:0xxyyxyzzxzxEEvEv在y方向的应变:0yyxxyxzzyzyEEvEv将地层看成横向各向同性，根据虎克定律有xzxyyxyzvvvvppzzxyxxyxyxyyxxPPEEvvvvv1ppzzyyxxyyxxyyxyPPEEvvvvv1其中α为Boit常量,Pp为孔隙流体压力。针对：正交偶极横波测井2020/1/1地球物理与石油资源学院182020/1/1地球物理与石油资源学院19石002井各向同性模型计算地应力图实测应力值：σx=74.1Mpaσy=81.8Mpa处理应力值：σx=72.2Mpaσy=81.6Mpa五、应用实例2020/1/1地球物理与石油资源学院20T85489井各向异性模型计算地应力图2020/1/1地球物理与石油资源学院21二、地层破裂压力计算井内泥浆密度过大使岩石所受的周向应力超过岩石的拉伸强度导致地层破裂压力MP（泥浆柱压力）增大减小变为负值岩石所受周向应力由压缩变为拉伸伸力大到足以克服岩石的抗拉强度地层产生破裂造成井漏破裂发生在最小处。或01802020/1/1地球物理与石油资源学院22PMyxyxaPP)(2)(σσσσpMyxaPPσσ3令=0，此时的值即为泥浆漏失,将代入求得地层破裂时井内液体压力即破裂压力MPtStPyxMtPMyxSaPPSaPPσσσσ33当钻井泥浆密度时，岩层破裂MMPP22020/1/1地球物理与石油资源学院23三、井壁坍塌压力计算井内液柱压力较低造成井壁周围岩层所受压力，超过岩石本身的强度如果超过岩石本身的强度井壁坍塌脆性地层产生坍塌掉块导致井径扩大塑性地层井眼内产生塑性变形导致缩径2020/1/1地球物理与石油资源学院24岩石剪切破坏与否主要受岩石所受到最大最小应力控制，从井壁受力状态中可以发现岩石的最大最小主应力分别为其周向应力和径向应力说明导致井眼失稳的关键原因是井壁岩石所受的周向应力和径向应力差值当0270090或12cos此时有最大值r在时最易产生失稳坍塌现象0027090和2020/1/1地球物理与石油资源学院25井壁坍塌压力)245()1()1(2)3(022ctgKKKaPCKSSPPyxm2020/1/1地球物理与石油资源学院26石002井井眼坍塌和稳定性预测图实测破裂压力值：Pf=96.9Mpa处理破裂压力值：Pf=97.5Mpa2020/1/1地球物理与石油资源学院27四、确定最大最小安全钻井泥浆密度地应力井内泥浆柱压力联合作用于井壁如果应力超过井壁强度剪切破坏或拉伸破坏井内浆柱压力过低脆性地层坍塌、掉块井径扩大塑性地层产生变形缩径过高脆性地层裂缝疏松地层渗漏2020/1/1地球物理与石油资源学院28最小最大安全钻井液密度计算表达式为：tPyxSaPPσσ3max)1()1(2)3(min22KKaPpCKPyxσσ)245(0ctgK砂岩中一般取3002020/1/1地球物理与石油资源学院29T85489井井眼坍塌和稳定性预测（各向异性）图2020/1/1地球物理与石油资源学院30在水力压裂过程中，当增加井眼压力时，在与最小主应力（σx或σy）方向相垂直的平面上出现破裂裂缝。诱导这一裂缝所需压力称为开裂或破裂压力，一旦裂缝已经压开，保持裂缝开口所需要的压力（在垂直裂缝的情形下）将等于最小总水平应力，这一应力就是通常所说的闭合应力，在构造缓冲区，最小主应力通常是水平的，因此裂缝将沿着垂直面出现。闭合应力取决于两组变量，生产层及围岩层的最小水平应力的分布和大小及压裂液的流动特性。这些变量确定如下参数：所产生裂缝的方向和几何形状（高度、长度和宽度）。是一次压裂多层，还是一次压裂一层，或者是分组压裂及同时压裂。水力压裂设计参数，例如功率、泵压以及支撑剂输送能力等。压裂液的流动特性和效率。水力压裂设计五、实际应用2020/1/1地球物理与石油资源学院31利用应力强度因子预测裂缝高度在压裂过程中，压裂液产生张力。在纵向压裂的情况下，它的压力与地球的水平压应力相抵消。如果地层的顶部或底部的应力强度因子K超过地层的断裂韧性因子KLC的话，则预计裂缝沿纵向延伸。因此预测裂缝是否纵向延伸取决于在裂缝纵向终至处的应力强度因子。应力强度因子的计算zhKtopKbot射孔层段θr=Pm(1-α)断裂韧性因子KLC=(θr+Tao)2/E*(z*h)1/26-10))1(0045.0008.0(26.0clclbVVcETao2020/1/1地球物理与石油资源学院32利用最小水平应力预测裂缝高度水力压裂后裂缝是否延伸主要取决生产层及围岩层的最小水平应力分布和大小以及压裂液的流动特性，从预测的角度考虑，压裂后裂缝是否延伸主要受最小水平应力的控制，一般地，临近层的最小主应力与目的层最小主应力之差是决定裂缝纵向延伸的主要因素，利用这个差来计算在每个压力步增量时的裂缝高度并定性地确定和输出每个压力水平上的诱导裂缝几何形状射孔层内最小水平应力值的选择对裂缝高度的预测起着重要作用，考虑到裂缝的上下延伸，射孔层内最小水平应力的变化，对射孔层内最小水平应力值分不同的情况进行选取。射孔层段从顶界面到底界面最小水平应力曲线变化不大选取射孔层内最小水平应力平均值，加上泵压步增量作为定值，预测裂缝高度的向上和向下延伸射孔层段平均最小水平应力2020/1/1地球物理与石油资源学院33A井资料处理及分析射孔层段：1769.8-1799.4米估计的层段最小水平应力为：22.6Mpa处理井段为：1700-1800米。高应力带障碍：1760米（上延伸）处理井段底部：1799.4米裂缝限制在：1760-1799.4米增加泵压或不增加裂缝高度不增加高应力带障碍处理井段底部裂缝高度射孔层段2020/1/1地球物理与石油资源学院34B井资料处理及分析射孔层段及估算的最小主应力大小分别为：1770-1776米11.24Mpa1778-1782米12.24Mpa射孔层段为：1778-1782米处理井段1760-1800米高应力障碍：1777.25米（向上）高应力障碍1782.5米（向下）泵压增量由150psi增加到750psi，裂缝高度不再增高。穿透地层的深度（翼长）会增大射孔层段为：1770-1776米，处理井段：1760-1800米高应力障碍：1769米（向上）高应力障碍1776.75米（向下）泵压增量由150psi增加到750psi，裂缝高度不再增高。穿透地层的深度（翼长）会增大高应力障碍带2020/1/1地球物理与石油资源学院3