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局部地质构造可对区域构造应力场发生较大的 感
发布时间:2019-11-04阅读次数:

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  地应力取压裂力学 从讲 邓燕 从讲 邓燕 电线E-mail:.cn 次要参考书目 次要参考书目 《油气藏现今地应力场评价方式及使用》,地质出书社,2007 《油气藏现今地应力场评价方式及使用》,地质出书社,2007 《地应力取油气勘察开辟》,石油工业出书社,1997 《地应力取油气勘察开辟》,石油工业出书社,1997 《采油工程》,石油工业出书社,2001 《采油工程》,石油工业出书社,2001 《油井减产手艺》(中文版),石油工业出书社,2003 《油井减产手艺》(中文版),石油工业出书社,2003 《岩石力学正在石油工程中的使用》,石油工业出书社,2006 《岩石力学正在石油工程中的使用》,石油工业出书社,2006 《油藏减产办法(第三版)》(中文版),澳博官网,石油工业出书社,2002 《油藏减产办法(第三版)》(中文版),石油工业出书社,2002 《水力压裂新进展》(中文版),石油工业出书社,1995 《水力压裂新进展》(中文版),石油工业出书社,1995 《油藏减产手艺》(中文版),石油大学出书社,1991 《油藏减产手艺》(中文版),石油大学出书社,1991 《水力压裂道理》,石油工业出书社,1987 《水力压裂道理》,石油工业出书社,1987 水力压裂概念 水力压裂概念 水力压裂:操纵地面压裂车组将必然粘度的液体以脚够高的压力和脚够大的排 水力压裂:操纵地面压裂车组将必然粘度的液体以脚够高的压力和脚够大的排 量沿井筒注入井中。因为注入速度远弘远于油气层的接收速度,所以多余的液 量沿井筒注入井中。因为注入速度远弘远于油气层的接收速度,所以多余的液 体正在井底憋起高压,当压力跨越岩石抗张强度后,油气层就会起头分裂构成裂 体正在井底憋起高压,当压力跨越岩石抗张强度后,油气层就会起头分裂构成裂 缝。当裂痕延长一段时间后,继续注入照顾有支持剂的混砂液扩展延长裂痕, 缝。当裂痕延长一段时间后,继续注入照顾有支持剂的混砂液扩展延长裂痕, 并使之充填支持剂。施工完成后,因为支持剂的支持感化,裂痕不致闭合或至多 并使之充填支持剂。施工完成后,因为支持剂的支持感化,裂痕不致闭合或至多 不完全闭合,因而即可正在油气层中构成一条具有脚够长度、宽度和高度的填砂 不完全闭合,因而即可正在油气层中构成一条具有脚够长度、宽度和高度的填砂 裂痕。此裂痕具有很高的渗滤能力,而且扩大了油气水的渗滤面积,故油气可 裂痕。此裂痕具有很高的渗滤能力,而且扩大了油气水的渗滤面积,故油气可 畅流入井,注入水可沿裂痕成功进入地层,从而达到减产增注的目标。 畅流入井,注入水可沿裂痕成功进入地层,从而达到减产增注的目标。 压裂第一步就是制缝 一 地应力研究 一 地应力研究 1. 地应力概述 1. 地应力概述 2. 地应力正在水力压裂施工中的使用 2. 地应力正在水力压裂施工中的使用 3. 地应力大小简直定 3. 地应力大小简直定 4. 地应力标的目的的研究方式 4. 地应力标的目的的研究方式 一 地应力研究 一 地应力研究 1 地应力概述 1 地应力概述 根基概念 根基概念 地应力分类 地应力分类 地应力来历 地应力来历 地应力计较模子 地应力计较模子 1 地应力概述 1 地应力概述 σ σ z z σ σx = x + + σ y σ y 地层岩石处于三维应力形态 压应力为正,拉张应力为负 根基概念 根基概念 无效应力取孔隙压力 无效应力取孔隙压力 无效应力:堆积岩石骨架所“承受”的地应力。 无效应力:堆积岩石骨架所“承受”的地应力。 孔隙压力:流体所“承受”的力,也称为地层压力。 孔隙压力:流体所“承受”的力,也称为地层压力。 Tetzaghi : S=σ+P Tetzaghi : S=σ+Pb b Handin :S=σ+αP Handin :S=σ+αPb b C α——孔隙弹性系数;反映地层孔隙压力对骨架应力的影响程 b α——孔隙弹性系数;反映地层孔隙压力对骨架应力的影响程α−1 C 度。 m 度。 C ——地层体积压缩系数;C ——骨架体积压缩系数 C ——地层体积压缩系数;C ——骨架体积压缩系数 b m b m 古地应力取现今地应力 古地应力取现今地应力 古地应力是地质汗青期间中某时间的应力形态。 古地应力是地质汗青期间中某时间的应力形态。 现今地应力是指目前的地应力形态,是岩层再地质汗青中颠末多 现今地应力是指目前的地应力形态,是岩层再地质汗青中颠末多 期变形、分裂后(应力集中、)到目前还“残剩”的应力。 期变形、分裂后(应力集中、)到目前还“残剩”的应力。 (工程研究次要使用现今应力) (工程研究次要使用现今应力) 根基概念 根基概念 垂曲应力取程度应力 垂曲应力取程度应力 垂曲地应力次要取埋深相关。实测垂曲应力分量 垂曲地应力次要取埋深相关。实测垂曲应力分量 随深度呈线性添加,其量值随分歧地域而有所差 随深度呈线性添加,其量值随分歧地域而有所差 异。 异。 按照H.K对世界上很多矿山和盆地的实测地应力 按照H.K对世界上很多矿山和盆地的实测地应力 成果阐发认为,正在25~2700m范畴内,垂曲应力取随 成果阐发认为,正在25~2700m范畴内,垂曲应力取随 深度线性添加,其添加率取一个地域岩层的平均密 深度线性添加,其添加率取一个地域岩层的平均密 度相当。 度相当。 堆积盆地的程度地应力分布具有如下特点 堆积盆地的程度地应力分布具有如下特点 (1)程度应力随埋深增大而增大;(2)两个程度方 (1)程度应力随埋深增大而增大;(2)两个程度方 向正在无沉力以外的其他来历时,两者不异。当添加了 向正在无沉力以外的其他来历时,两者不异。当添加了 构制应力后,两者存正在不同,并具无方向性;(3) 构制应力后,两者存正在不同,并具无方向性;(3) 构制勾当区及浅层,程度应力一般大于垂曲应力,而 构制勾当区及浅层,程度应力一般大于垂曲应力,而 不变地台区和深层,程度应力小于垂曲应力,每个地 不变地台区和深层,程度应力小于垂曲应力,每个地 区因构制、地质前提的分歧,变化也分歧。 区因构制、地质前提的分歧,变化也分歧。 根基概念 根基概念 沉力应力、构制应力取热应力 沉力应力、构制应力取热应力 沉力应力 (gravity stress ):指因为上覆岩层(overburden )的分量引 沉力应力(gravity stress ):指因为上覆岩层(overburden )的分量引 起的地应力分量,出格指因为上覆岩层的分量发生的程度应力(horizontal 起的地应力分量,出格指因为上覆岩层的分量发生的程度应力(horizontal stress )大小。 stress )大小。 构制应力 (structural stresses ):由构制活动正在岩体中惹起的应力叫构 构制应力(structural stresses ):由构制活动正在岩体中惹起的应力叫构 制应力。正在地质力学中常把构制应力叫做地应力,是指点致构制活动、构成 制应力。正在地质力学中常把构制应力叫做地应力,是指点致构制活动、构成 各类构制形迹的那部门应力。 各类构制形迹的那部门应力。 构制应力只要两个程度从应力,属于程度的平面应力状。 构制应力只要两个程度从应力,属于程度的平面应力状。 挤压构制力惹起挤压构制应力,张性构制力惹起拉张构制应力。 挤压构制力惹起挤压构制应力,张性构制力惹起拉张构制应力。 弹性模量高的地层有较高的构制应力。 弹性模量高的地层有较高的构制应力。 构制应力正在过程中逐步衰减。 构制应力正在过程中逐步衰减。 热应力 :热应力是指因为地层温度发生变化正在其内部惹起的内应力增量, 热应力:热应力是指因为地层温度发生变化正在其内部惹起的内应力增量, 热应力次要取温度的变化和岩石刚度和热学性质相关。 热应力次要取温度的变化和岩石刚度和热学性质相关。 根基概念 根基概念 分层地应力取地应力场形态 分层地应力取地应力场形态 分层地应力:是指按地层分层别离给出分歧层位的地应力值,很是沉 分层地应力:是指按地层分层别离给出分歧层位的地应力值,很是沉 要的是给出相邻地层的应力差。 要的是给出相邻地层的应力差。 地应力场:地应力正在空间的分布环境。 地应力场:地应力正在空间的分布环境。 应力 应力 应力指除去外力感化当前,尚正在岩石中的应力。这种应 应力指除去外力感化当前,尚正在岩石中的应力。这种应 力很小,往往只要零点几兆帕,所以常忽略不计。 力很小,往往只要零点几兆帕,所以常忽略不计。 地应力分类 地应力分类 1971年第七届岩石力学上,对地应力从矿山使用的角度进行了分类 地应力分类 地应力分类 表6-1 地应力分类(据李志明,张金珠) 分类 分 类 定 义 根据 泛指燕山活动以前的地应力,有时也特指某一地质期间以前的地 地质 古地应力 应力 年代 现今地应力 目前存正在或正正在变化的地应力 指因为上覆岩层的沉力惹起的地应力分量,出格指因为上覆岩层 沉力应力 的沉力所发生的应力 正在构制地质学研究中,构制应力是指点构制活动、发生构制变 形、构成各类构制行迹的那部门应力;正在油田应力场的研究中, 构制应力 构制应力常指因为构制活动惹起的地应力的增量。构制应力是导 成 原地 致程度标的目的两个从应力不相等的底子缘由 因 应力 因为地层温度发生变化正在其内部惹起的内应力增量,热应力次要 热应力 取温度的变化和岩石热学的性质相关 是指因为地表和地下加载或减载及开挖等,惹起原地应力发生改 扰动应力 变所发生的应力。正在油田应力场的研究中,是指钻井、油气开 采、注水、注气等正在地层中发生的地应力增量 垂向从应力 地壳中次要由沉力应力形成、根基上呈垂曲向的从应力 应力 次要由地壳中岩石侧向应力和程度向构制应力形成,根基上呈水 标的目的 程度从应力 平向的从应力 地应力来历 地应力来历 地应力来历复杂,一般认为次要由凡是认为上覆岩层沉力、孔隙压 力、构制勾当等多方面形成。 上覆岩层沉力应力 上覆岩层沉力应力 地应力上覆岩层沉力(垂向应力)次要取决于埋深和岩石的体积密度: 地应力上覆岩层沉力(垂向应力)次要取决于埋深和岩石的体积密度: H 10 σ ( ) −6 ρh gdh σ σ −αP z ∫ r z z s 0 因为遭到垂向 “挤压”感化,使得岩石要发生横向变形,正在地层中岩 因为遭到垂向 “挤压”感化,使得岩石要发生横向变形,正在地层中岩 石变形受限,垂向应力 “”出横向的程度应力: 石变形受限,垂向应力 “”出横向的程度应力: 1 σ σ y z ε σ ε ν =− , − ε ,ν 由广义虎克定律: x 1 x x 2 x 3 由广义虎克定律: E E E 1 ε ε ε + ε =+ σ ν σ− σ + [ ( )] x x x1 x2 3 x y z 总应变: 总应变: E 1 ε σ [ν σ− (σ + )] y E y x z 1 ε σ [ν σ− ( σ + )] z E z x y 地应力来历 地应力来历 上覆岩层沉力应力 上覆岩层沉力应力 ν 因为四周岩石的围限感化: ε ε0 σ σ σ x y x y z 1−ν ν [ ] =σ =σ σ −α +pα p 考虑孔隙流体压力后的地层程度应力: x y z S S −1ν 构制应力 多次复杂的地壳活动,使地下发生了极其复杂的分歧形态、分歧方位、不 同性质、不划一级以及分歧次序的构制形迹,就是说构制应力场本色上是随时 间演化的、非不变应力场。 按期间,构制应力场可划分为古构制应力场和现今构制应力场。 就其研究范畴而言,构制应力场又可分为局部构制应力场(某一构制单位 的应力分布纪律)、区域构制应力场(某一地域的应力分布纪律)及全球构制 应力场。 因为构制应力的感化,使得原地应力形态发生很大的变化,最大程度地应 力有可能跨越上覆岩层压力。 地应力来历 地应力来历 构制应力的感化结果 高构制应力 地应力来历 地应力来历 局部应力场取区域构制应力场的关系 局部应力场取区域构制应力场的关系 油田断块处于板块内部,其应力场遭到板块构制活动的控 油田断块处于板块内部,其应力场遭到板块构制活动的控 制,这种由区域构制活动发生和节制的应力场称之为区域构制 制,这种由区域构制活动发生和节制的应力场称之为区域构制 应力场。区域构制活动具有较强的标的目的性,并以发生程度附加 应力场。区域构制活动具有较强的标的目的性,并以发生程度附加 应力为从,它使大范畴的应力场的标的目的趋于分歧并增大两程度 应力为从,它使大范畴的应力场的标的目的趋于分歧并增大两程度 应力之间的差值。 应力之间的差值。 构制活动越强烈,平面应力场的分布纪律性越强,标的目的 构制活动越强烈,平面应力场的分布纪律性越强,标的目的 越不变。同时,局部地质构制可对区域构制应力场发生较大的 越不变。同时,局部地质构制可对区域构制应力场发生较大的 感化,局部地质构制的感化越强,局部应力场取区域应力 感化,局部地质构制的感化越强,局部应力场取区域应力 场之间的差别越大,标的目的变化也越大 场之间的差别越大,标的目的变化也越大 地应力来历 地应力来历 地层弯曲派生的应力 地层弯曲派生的应力 因为构制应力感化,岩层弯曲,正在中性面上派生拉张应力,中性面以下为挤 因为构制应力感化,岩层弯曲,正在中性面上派生拉张应力,中性面以下为挤 压应力,应力大小取岩层弯曲程度相关。评价岩层弯曲程度的目标为曲率。曲 压应力,应力大小取岩层弯曲程度相关。评价岩层弯曲程度的目标为曲率。曲 率取派生应力的关系: 率取派生应力的关系: σtectmax (Eh1 2 )⎛⎜⎜1 +μ ⎞⎟⎟ σtect min Eh1 2 ⎛⎜⎜ 1 +μ ⎞⎟⎟ 2 1 rμ r − 1 ⎝ 2 ⎠ 2 1( r μ ) r − 2 ⎝ 1 ⎠ -Oh 2 Z 构制从曲率取井所处 d z = 1 2 dx r 的相关。能够通过趋 性 T=1/2H 中 面 势面阐发法,操纵构制图 Oh 上的各点x,y坐标及高程 R2 数据,可成立正归方程来 R1 求取。 0 X 地应力来历 地应力来历 热应力 热应力 盆地中因侵入体的局部热感化、断裂带的热液影响及地层中矿物转 盆地中因侵入体的局部热感化、断裂带的热液影响及地层中矿物转 化过程中的热等,可以或许惹起局部应力的添加。 化过程中的热等,可以或许惹起局部应力的添加。 工程要素:钻井泥浆轮回、注水等也能够发生热应力使得井眼 工程要素:钻井泥浆轮回、注水等也能够发生热应力使得井眼 附近的应力发生变化。 附近的应力发生变化。 E T α Δ =Δ σ=Δ σ T x y 1−ν 其它应力 其它应力 塑性泥岩、盐岩、石膏的“流动”可能使地应力“软化”,形成地应力 塑性泥岩、盐岩、石膏的“流动”可能使地应力“软化”,形成地应力 形态“趋同”,并有可能达到取岩层静压力相当。 形态“趋同”,并有可能达到取岩层静压力相当。 岩石中的矿相变惹起的局部应力变化,如矿物体积的改变等。 岩石中的矿相变惹起的局部应力变化,如矿物体积的改变等。 地应力计较模子 地应力计较模子 对于构制平缓地域,其程度从地应力次要来自于上覆地层压力,另一部门 对于构制平缓地域,其程度从地应力次要来自于上覆地层压力,另一部门 来历于地质构制力,此时分层地应力计较模子为: 来历于地质构制力,此时分层地应力计较模子为: ⎛ μ ⎞ ⎛⎜ μ ⎞⎟ ( + ) ⎜ ⎟ ω σσ α α− P + P ω σ α α− P + P σ ( + ) h ⎜ v 2 ⎟ p p H ⎜⎝1−μ v 1 ⎠⎟ p p ⎝1−μ ⎠ 对于构制活动比力猛烈地域,程度从地应力的很大部门来历于地质构制运 对于构制活动比力猛烈地域,程度从地应力的很大部门来历于地质构制运 动发生的构制地应力,分歧性质的地层因为其抵当外力的变形特点分歧, 动发生的构制地应力,分歧性质的地层因为其抵当外力的变形特点分歧, 因此其承受的构制力也是分歧的,按照组合弹簧的构制活动模子推导出的 因此其承受的构制力也是分歧的,按照组合弹簧的构制活动模子推导出的 分层地应力计较模子为: 分层地应力计较模子为: μ ε E με E σ σ α( ) H h − + P + +αP H v p 2 2 p 1−μ 1 1−μ −μ μ εh E με E σ σ− α +( P ) + H +αP h v p 2 2 p 1−μ 1 1−μ −μ 地应力计较模子 地应力计较模子 对于大大都地层均为倾斜地层,其地层具有必然倾角和方位角。此 时,考虑地层倾角和上倾方位角的地应力计较模子为: μ [ ] ) σ( α ) cosϕ σ( α ) sinσϕ+Acos(( β −βP) α + − P − + P H 1−μ v p v p 0 p μ [ ] )σ( α ) cosϕ σ( α ) sinσϕ+Bsin(( β β−P) α + − P − + P h v p v p 0 p 1−μ ν ( σ σ=− α)α −p( β σ+ )α − p p 黄氏模子 H s v s v 1 s 1−ν ν ( σ σ=− α)α −p( β σ+ )α − p p H s v s v 1 s 1−ν 微分模子 ν Eα E ν T σ α ε d p d =−p − + dT + d + Edε σ α ( H ) s ( v ) s 2 H 2 h 1−ν 1−ν 1−ν 1−ν ν Eα E ν T σ α σ α ε d p d =−p − + dT + d + Edε ( h ) s ( v ) s 2 h 2 H 1−ν 1−ν 1−ν 1−ν 一 地应力研究 一 地应力研究 2 地应力正在压裂施工中的使用 2 地应力正在压裂施工中的使用 地应力取压裂施工设想 地应力取压裂施工设想 地应力剖面取射孔方案 地应力剖面取射孔方案 地应力取压裂减产结果及施工规模 地应力取压裂减产结果及施工规模 地应力场取全体压裂 地应力场取全体压裂 最小程度从应力剖面取压裂体例的选择 最小程度从应力剖面取压裂体例的选择 地应力取压裂施工设想 地应力取压裂施工设想 地应力的值取压裂施工压力和分裂压力 地应力的值取压裂施工压力和分裂压力 − σ+Pσ+3σ h P y F x t s 地应力取压裂液的选择 地应力取压裂液的选择 次要表示正在对压裂液的摩阻和压裂液的流变性要求上。 次要表示正在对压裂液的摩阻和压裂液的流变性要求上。 P P P P P + + p − P3σ −Pσ −P +σ + + − hbhtpstp h f H s pnwbt f pnwb h P P P P P + + − stp bhtp f pnwb h 地面施工泵压恒按时,最小从应力越大,要求摩阻压力越小。 地面施工泵压恒按时,最小从应力越大,要求摩阻压力越小。 降低施工摩阻,一是降低施工排量,二是进一步降低压裂液的粘度。 降低施工摩阻,一是降低施工排量,二是进一步降低压裂液的粘度。 施工摩阻的降低是有必然限度的:排量太低,添加脱砂风险;降低压 施工摩阻的降低是有必然限度的:排量太低,添加脱砂风险;降低压 裂液粘度,悬砂性会降低,闭合裂痕得不到很好支持,减产结果将变 裂液粘度,悬砂性会降低,闭合裂痕得不到很好支持,减产结果将变 差。 差。 压裂液的流变参数中,压裂液正在水力裂痕内流动时剪切速度 压裂液的流变参数中,压裂液正在水力裂痕内流动时剪切速度 γ及流动粘度μ的设想取地应力大小相关: γ及流动粘度μ的设想取地应力大小相关: 地应力取压裂施工设想 地应力取压裂施工设想 地应力取支持剂的选择 地应力取支持剂的选择 本地应力(特别是最小从应力值)较高、地层较硬(即岩石杨氏模量 本地应力(特别是最小从应力值)较高、地层较硬(即岩石杨氏模量 高、泊松比小)时,人工裂痕中的支持剂容易被压碎。 高、泊松比小)时,人工裂痕中的支持剂容易被压碎。 500 300 耽误常用石英砂导流能力测试 T-1 耽误常用石英砂导流能力测试 耽误常用陶粒导流能力测试 450 耽误常用陶粒导流能力测试 T-2 S-1 250 S-2 400 T-3 ) S-3 m c 200 S-4 ) 350 · S-5 m c 2m S-6 2· 300 μ S-7 m 150 μ 250 ( ( 力 力 能 200 能 100 流 流 导 150 导 50 100 50 0 0 0 10 20 30 40 50 0 10 20 30 40 50 60 70 80 闭合压力(MPa) 闭合压力(MPa) 本地应力较高,而地层较软(岩石杨氏模量小、泊松比大)时,人工 本地应力较高,而地层较软(岩石杨氏模量小、泊松比大)时,人工 支持剂嵌 裂痕中的支持剂容易被嵌入地层。 裂痕中的支持剂容易被嵌入地层。 入破裂 支持剂嵌入后显微镜成像 地应力取压裂施工设想 地应力取压裂施工设想 地应力取施工排量 地应力取施工排量

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