用岩心滞弹性应变恢复法测非线性流变地层的原地应力

在石油钻采工程中越来越需要有关原地应力状态的数据, 比如钻井过程中井眼稳定(像盐层井眼缩径)问题的控制;地层破裂压力预测;压裂工程设计;高压注水中的地层玻裂压力; 断层滑动及复活;地下管柱的外载计算及抗挤寿命计算…。现有求地应力大小及方向的诸方法中,都有一定的局限性,因此各有利弊,一般难以同时准确地求出地应力的方向及大小。本文介绍一种测量地应力方向及大小的方法,即岩心弹性滞后应变恢复法,并着重针对已知地层蠕变模式较为复杂的(具有最一般意义的)非线性应力应变情况进行分析,利用岩石力学中求总蠕变的卷积原理和公式,推导出用取出岩心即刻测量其各方向应变随时间恢复变化过程来计算水平主应力及主方向的一般计算公式。由于本文针对大多数岩层为非线性流变体情况,所以导出的公式具有普遍意义。而现有的各种算式都可归结为本文公式的特的。本文方法及公式适用于各种复杂地层,特别是深部地层、高地应力地层的各种地应力状态测定。     

用岩心滞弹性应变恢复法测非线性流变地层的原地应力

在石油钻采工程中越来越需要有关原地应力状态的数据,比如钻井过程中井眼稳定(像盐层进眼缩径)问题的控制;地层破裂压力预测;压裂工程设计;高压注水中的地层破裂压力;断层滑动及复活;地下管柱的外载计算及抗挤寿命计算···。现有求地应力大小及方向的诸方法中,都有一定的局限性,因此各有利弊,一般难以同时准确地求出地应力的方向及大小。本文介绍一种测量地应力方向及大小的方法,即岩心弹性滞后应变恢复法,并着重针对已知地层蠕变模式较为复杂的(具有最一般意义的)非线性应力应变情况进行分析,利用岩石力学中求总蠕变的卷积原理和公式,推导出用取出岩心即刻测量其各方向应变随时间恢复变化过程来计算水平主应力及主方向的一般计算公式。由于本文针对大多数岩层为非线性流变体情况,所以导出的公式具有普遍意义。而现有的各种算式都可归结为本文公式的特例。本文方法及公式适用于各种复杂地层,特别是深部地层、高地应力地层的各种地应力状态测定。     

定向井套管应力随地应力条件的变化规律研究

基于坐标变换方法建立了适用于任意井眼轨迹的定向井套管应力三维有限元计算模型.以室内岩心试验结果和现场常用套管尺寸为基础,研究了三种不同地应力条件下软、硬地层内套管最大有效应力随井斜角、方位角的变化规律.地应力条件包括:上覆岩层压力为最大主应力且水平地应力均匀、上覆岩层压力为最大主应力且水平地应力非均匀,上覆岩层压力为中间主应力.计算结果表明,复杂的原地应力场、井眼轨迹及地层性质对定向井套管的受力状态有重要影响,各种组合条件下均存在井眼轨迹优选值.在油井设计时,应充分考虑这些特点,合理确定井眼轨迹.     

蠕变地层水泥环特性对套管应力的影响

蠕变地层套管应力计算是采取套损预防措施的依据,目前采用非均匀地应力作为套管水泥环力学模型边界条件的套管应力计算方法与实际情况不符。提出了蠕变地层套管应力计算应将均匀地应力作为其边界条件的有限元力学模型,并分析了水泥环椭圆度和弹性模量对套管应力的影响:当水泥环弹性模量小于等于地层弹性模量时,套管最大应力出现在最小水平地应力方向,反之则出现在最大水平地应力方向;套管峰值应力随着水泥环椭圆度的增大而增加,套管由缩颈损坏转变为挤扁损坏;蠕变地层水泥环弹性模量与地层弹性模量和井眼椭圆度之间存在合理的匹配关系,改变水泥环弹性模量是降低蠕变地层套管应力的最有效方法。该规律的得出有助于加深套损机理的认识和套损预防措施的实施。（）     

地层倾角测井解释地应力方法

地应力场的非平衡性使井眼产生崩落现象。地层倾角测井能够探测井眼崩落及其方位的变化。本文讨论了井眼崩落及其方位与地应力场的关系。提出地层倾角测井解释也应力的方法,用于确定四川气田地应力大小和方位,获得了令人满意的效果。文中讨论了地应力的应用,在油气井压裂之前,根据地应力大小可以预测地层破裂压力和诱导裂缝延伸方位。     

页岩气藏水平井井壁稳定性研究

页岩气藏开发采用的井型一般为水平井,在层理发育的页岩地层中钻井一般都存在严重的井壁失稳问题。为此,根据有效应力理论改进了层理地层水平地应力计算模型,并结合川南地区所取岩心进行室内强度实验,选取适当的破坏准则,对比2个地层水平地应力计算模型和水平井眼井周应力状态,得出了页岩气藏水平井坍塌压力随层理面产状的变化规律。研究结果发现：对于页岩地层而言,采用常规的均质地层水平地应力预测模型研究井壁稳定性,低估了水平井的地层坍塌压力;采用改进的水平地应力预测模型计算得出的坍塌压力与实际情况吻合较好;沿最小水平地应力方向钻进的水平井,地层坍塌压力在某一地层倾角处存在极大值,更高的倾角反而有利于井壁稳定。研究结论可以为页岩气井钻井设计提供参考。     

倾斜盐岩层段井眼蠕变缩径分析

文章用盐岩蠕变的非线性有限元法建立了具有倾斜盐岩夹层的地层有限元模型。研究了新疆某油气田钻遇的盐岩层段钻井液密度、地层倾角与井眼蠕变缩径的关系。研究表明，增大钻井液密度，可有效地减缓蠕变缩径。地层倾角对井眼蠕变缩径的影响较复杂，对于上覆岩层压力大于水平应力的情况下，井眼初始蠕变量随地层倾角增大而增大。地层倾角对井眼后期蠕变（稳态蠕变）缩径的影响不仅与倾角大小有关，还与蠕变应力差有关。当蠕变应力差较小时，即钻井液密度较大时，蠕变速率随地层倾角增大而减小。当蠕变应力差较大时，对于该井蠕变岩层段，地层倾角小于15°时，蠕变速率随地层倾角增大而增大，地层倾角大于15°时，蠕变速率随地层倾角增大而减小。该研究结果为盐岩段井眼稳定性分析和提供合理的钻井液密度具有指导意义。     

利用六臂地层倾角测井资料分析地应力

分析了地层中构造应力的不平衡性在钻井过程中对井眼造成的影响以及它们在地层倾角测井中的反映,说明了椭圆井眼与地层最大水平主应力和最小水平主应力之间的关系,介绍了利用四臂和八臂地层倾角测井资料计算椭圆井眼方位的一般方法.对在六臂地层倾角测井资料的情况下如何进行椭圆井眼方位的统计进行了分析,并采用最佳拟合椭圆轨迹算法推导出在六臂地层倾角测井资料的情况下计算椭圆井眼长短轴大小的公式,为进一步对地层水平地应力定量分析打下了基础.     

一种控制盐层段井眼闭合率的钻井液密度新公式

针对钻井过程中钻遇的盐层段井眼蠕变缩径问题,利用弹塑性力学理论,蠕变本构方程采用Heard蠕变方程,在平面应变和均匀地应力假设下,推导出控制井眼收缩的钻井液密度新公式,该公式与前人推导的公式不同。通过理论分析,指出产生差异的根本原因在于蠕变应力差(极坐标下表示的径向应力与切向应力之差)公式的推导上,用有限元法计算结果对理论公式进行检验,证明是可行的。对文中的力学模型采用有限元法建模、求解,利用求解结果对各应力差公式进行验证,得出:根据文中公式计算结果与有限元法计算结果完全一致,而据前人公式计算结果偏离有限元计算值较大,从而间接证明了该钻井液密度新公式的推导更严密,更准确。     

如何利用地层倾角测井资料估算地应力大小

本文介绍了利用四臂和八臂地层倾角测井资料计算椭圆井眼方位的一般方法。对在六臂地层倾角测井资料的情况下如何进行椭圆井眼方位的统计进行了分析并采用最佳拟合椭圆轨迹算法推导出在六臂地层倾角测井资料的情况下计算椭圆井眼长短轴大小的公式，为进一步对水平地应力的分析打下了基础。     

鄂尔多斯盆地Z区长8超低渗透率储层地应力特征研究

基于大量的文献调研分析,归纳总结了基于测井信息的地应力预测方法,结合研究区资料开展了鄂尔多斯盆地Z区长8储层地应力剖面的建立及地应力平面分布特征研究。地应力预测的关键在于地层孔隙压力、垂向应力及水平应力的估算。地层孔隙压力的估算方法包括等效深度法等3种方法;垂向应力的估算方法是基于瑞士地质学家Heim提出的方法;水平应力估算根据单轴应变模型等4种模型。研究区垂向应力估算采用了Heim法;最小水平应力估算采用了单轴应变模型中的Newberry模型;最大水平应力估算利用双井径测井资料的方法进行计算,最终建立该区长8超低渗透率储层地应力剖面。基于单井地应力数据统计分析,研究揭示了长8超低渗透率储层地应力平面特征;依据研究区地应力平面等值线特征,该区开发井的井排方向设计应选择西西北—东东南方向。由于目的层垂向应力平面分布呈现非均匀性特征,注水压力设计也应参考实际的地应力非均质性特点。     

基于XMAC资料的火山岩压裂储层应力分析技术

储层地应力大小和方位对指导压裂方案设计和施工工艺有着现实的意义.通过分析牛东构造的密度测井、声电成像及地层倾角和压裂曲线等资料,结合XMAC资料和岩心刻度测井研究了牛东火山岩储层的岩石力学特征、地应力大小和方位,建立了三维应力模型,绘制了单井应力剖面图、区域地应力分布图和区域地应力等值线图,用XMAC资料计算的地应力方位与由地层倾角得到的结果相一致,求取的压裂层段平均最小水平主应力值与压裂施工瞬时停泵时折算的压裂层段中点压力值基本吻合.     

页岩强度、地层压力及泥浆参数的测定

据R.P.Steiger等的专利说明书(US 5205164(1993年4月))称:开发了确定稳定井眼的钻井液密度的方法。从井眼取得页岩岩屑并测量它们的特性指数,其中包括表面面积。计算了井眼周围的平均有效应力(利用原地应力中的地静上覆岩层压力、地层孔隙压力及井眼周围的总应力)。利用表面面积、平均有效应力和页岩强度间的关系式求出了原地页岩强度。利用页岩强度确定了钻井液密度。论述了确定低渗透性岩石的页岩     

根据地应力分析井眼稳定性

利用正交偶极声波测井资料中的快、慢横波速度计算砂和泥岩地层的地应力，再由地应力等参数，根据莫尔-库伦准则，计算井壁岩石的坍塌压力及破裂压力，分析井眼稳定性。这种计算方法适用直井、而对于斜井，随着井斜角的增大井眼稳定性减小。     

利用声波研究盐岩地层地应力的现状综述

以盐岩为主的地层(包括盐膏岩地层)是出现井壁失稳的最主要的地层。我国大部分地区都存在着盐岩(或盐膏岩)地层,除了盐岩具有蠕变特性导致的井眼缩径,从而导致套管损坏、井眼报废等外,其主要原因是该段地层地应力存在各向异性。通过声波的方法研究盐岩地层的地应力是目前能够在试验室进行的简便方法,与其他各种地应力现场测量方法相比,声发射方法具有测量费用低,测量方法简便、快捷,不受现场条件限制等突出优点,因此特别适用于石油天然气开发以及矿山开采等大型工程的地应力测量。     

利用测井资料分析计算东海平湖油气田地应力

利用测井资料研究平湖油气田的地应力,对平湖油气田低渗透储层压裂、钻井和开发都有重要意义。文中利用密度、自然伽马、交叉偶极横波测井等资料,对平湖油气田地层的岩石力学参数(泊松比、弹性模量、体积模量、剪切模量、抗压强度、抗剪强度和抗张强度)进行了计算;为确定地层压力和构造应力系数,借鉴前人的研究成果,分别应用黄氏和葛氏地应力计算模型,建立平湖油气田地应力计算方法,并通过岩心差应变法地应力实验验证了该方法的准确性;采用基于XMAC-Ⅱ快横波方位法确定的平湖油气田的地应力方向,与岩心波速各向异性法及黏滞剩磁法地应力实验确定的地应力方向吻合较好。     

一种简化的差应变地应力测量技术

差应变分析法是一种理论基础可靠的常用地应力测量方法，然而受测试条件限制以及测试技术难度等因素的影响，目前该方法的实际应用受到了一定限制。针对这一现状，在差应变分析法的理论基础上，以古地磁岩心定向技术为基础，引入岩石波速各向异性分布特征与地应力方向的相关原理，提出了一套简易可行的室内地应力测量新方法，即:主方向差应变分析法。该方法根据岩石波速分布特征确定出水平主应力的方向，依据水平主应力方向来制备差应变实验岩样并进行实验。和常规差应变分析法测量结果相比，该方法测量所得地应力大小的相对误差一般小于3%，地应力方向的误差一般小于5°。实例研究表明，该方法降低了实验技术难度，测量精度满足工程技术要求，具有推广价值。     

过断层井段井壁稳定性分析

考虑断层周围地层非均质性和各向异性,根据弱面强度准则,分析了地层各向异性对地应力的影响,探讨了井壁坍塌压力随断层走向及倾角的变化规律,建立了过断层的坍塌压力计算模型,开展了不同性质断层构造坍塌压力分析,结果表明:随着Eh/Ev、vv/vh值的增大,水平最大应力、水平最小应力增加,过断层应考虑地层各向异性对地应力的影响;不同的断层类型、断层走向及倾角所对应的坍塌压力存在差异性,且不存在单调递增或递减的井斜方位,安全区域和危险区域交替出现;井眼轨迹设计应考虑断层类型及弱面结构,选择合理的钻入角钻穿断层。将本文预测模型用于渤海油田A井取得了良好工程效果,井眼扩大率基本小于10%。本文研究结果对过断层时钻井安全具有指导意义,可为井眼轨迹设计提供理论参考。     

玉北古近系膏泥层地应力分布规律探索

塔里木盆地玉北地区地质构造运动剧烈,古近系地层压力高、地应力异常,膏泥岩蠕变缩径导致套管挤毁变形。为了明确膏泥岩蠕变特性,从区域构造演化史入手,结合区域内断层发育情况,依据实钻资料和测井资料,针对古近系发育灰白色泥膏岩、石膏岩、含泥石膏夹薄层灰色含泥质白云岩以及非均质性较强的特点,选用黄氏"七五"地应力计算模型,求取了膏泥岩地层垂向应力和水平方向最大、最小主应力,并依据3个主应力间的大小关系,明确了断层、断裂带的类型及分布情况,分析了各井地应力特征,在此基础上得出了玉北地区古近系地应力分布规律和异常地应力梯度,能够指导后期井位布置、套管程序优化、钻井施工方案等设计。      

泥岩蠕变导致套管变形损坏机理分析

油田注水开发以后，泥岩吸水蠕变使非均匀地应力作用于水泥环和套管，通过对泥岩吸水蠕变以后，在远场地应力作用下，对水泥环与地层接触的第二界面和水泥环与套管接触的第一界面压力的数值仿真分析，提出了泥岩吸水蠕变诱发地应力在井眼周围产生应力集中，迫使水泥环和套管在最大水平地应力方向产生椭圆形缩径变形，是造成套管变形损坏的直接原因，而且水泥环与套管接触的第一界面的椭圆形外压力分布规律与水平地应力方向、套管变形趋势相反，说明水泥环在套管抵抗非均布外载中起到改变受力边界条件的作用。