【正文】 勘探技術(shù)的發(fā)展, 井孔應(yīng)力測(cè)量和裂縫探測(cè)技術(shù)也有了長(zhǎng)足的進(jìn)步。石油大學(xué)黃榮樽教授提出了用構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)計(jì)算最大和最小水平應(yīng)力剖面的方法,但在實(shí)際應(yīng)用中構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)不易得到。(5) 高角度裂縫崩落變形井眼,一些與井壁相交的高角度裂縫,造成井壁鄰近地層巖塊強(qiáng)度降低,經(jīng)過(guò)泥漿浸泡、沖刷及鉆具反復(fù)碰撞振動(dòng),可能造成沿裂縫走向的井壁巖塊崩落,形成橢圓井眼,在雙井徑曲線上表現(xiàn)為一條井徑讀數(shù)大于鉆頭直徑,另一條等于鉆頭直徑。(2) 浸蝕崩落變形井眼,井壁周邊巖石在經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間鉆井液浸泡后,一些較軟的巖石因吸收水份而使內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生膨脹,強(qiáng)度降低,以致引起崩落。當(dāng)巖石為應(yīng)力各向異性時(shí)2 條頻散曲線交叉。3 測(cè)井確定地層應(yīng)力方向的方法（1）DSI（XMAC）各向異性處理結(jié)果估算地層應(yīng)力方向在成巖期和成巖后,如果水平應(yīng)力存在著較大的各向異性,巖石會(huì)表現(xiàn)出側(cè)向差異壓實(shí)現(xiàn)象。（7） 葛氏地層應(yīng)力經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式葛洪魁提出了一組地層應(yīng)力經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式,分別適用于水力壓裂垂直縫和水平縫:水力壓裂裂縫為垂直裂縫(最小地層應(yīng)力在水平方向) 的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式為式中，：熱膨脹系數(shù)；：最小、最大水平地層應(yīng)力方向的構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)，在同一斷塊內(nèi)可視為常數(shù)；：分別為考慮地層剝蝕的最小和最大水平地層應(yīng)力附加量，在同一斷塊內(nèi)可視為常數(shù)。此經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式把受力的地層比喻為2個(gè)平行板之間的一組彈簧,具有不同剛度的彈簧代表具有不同彈性參數(shù)的地層。為構(gòu)造應(yīng)力作用的附加項(xiàng)，通過(guò)地層應(yīng)力實(shí)測(cè)值與按上式計(jì)算得出的差來(lái)校正，且認(rèn)為在一個(gè)斷塊內(nèi)基本上為一常數(shù)，不隨深度的不同而變化。（4） 一級(jí)壓實(shí)模型一級(jí)壓實(shí)模型通常用于表層地層,預(yù)測(cè)地層在一級(jí)壓實(shí)過(guò)程中所產(chǎn)生的水平應(yīng)力的關(guān)系（5） 單軸應(yīng)變經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式這一類經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式發(fā)展最早,該經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式假設(shè)由于水平方向無(wú)限大,地層在沉積過(guò)程中只發(fā)生垂向變形,水平方向的變形受到限制,應(yīng)變?yōu)? ,水平方向的應(yīng)力是由上覆巖層重量產(chǎn)生的。在假設(shè)地層處于剪切破壞臨界狀態(tài)的基礎(chǔ)上，給出了地層應(yīng)力經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式式中，；為三軸應(yīng)力系數(shù)；為巖石內(nèi)摩擦角；、為最大和最小主應(yīng)力；為巖石單軸抗壓強(qiáng)度。：最小水平主應(yīng)力；：最大水平主應(yīng)力；：總垂直應(yīng)力；：垂直方向的有效應(yīng)力系數(shù)（Biot系數(shù)）；：水平方向的有效應(yīng)力系數(shù)（Biot系數(shù)）；：靜態(tài)泊松比；：孔隙壓力；：靜態(tài)楊氏模量；：最小主應(yīng)力方向的應(yīng)變；：最大主應(yīng)力方向的應(yīng)變。計(jì)算的基本方法是首先應(yīng)用密度測(cè)井積分估算出垂直應(yīng)力,然后根據(jù)地層特點(diǎn)選擇適當(dāng)?shù)哪Ｐ陀?jì)算水平地層應(yīng)力。當(dāng)巖石承受的總地應(yīng)力較弱時(shí),巖石保持較高孔隙,電阻率對(duì)地應(yīng)力響應(yīng)不靈敏(圖3) ,但聲波時(shí)差能有效地反映地應(yīng)力,因此只能采用聲波時(shí)差建立地應(yīng)力模型。圖1中A點(diǎn)的孔隙度值明顯偏離正常趨勢(shì)線,A點(diǎn)在趨勢(shì)線上的水平、垂直交點(diǎn)分別為B、C兩點(diǎn)。注意: 這里的條件是正常壓實(shí)條件, 受均勻的隨深度呈線性增大的重力作用。 為泥巖初始孔隙度(單位: % ) 。（二）、一種基于測(cè)井信息的山前擠壓構(gòu)造區(qū)地應(yīng)力分析新方法（趙軍 2005年4月）基于彈性力學(xué)的測(cè)井地應(yīng)力分析以彈性力學(xué)理論為基礎(chǔ),經(jīng)過(guò)一定的假設(shè)條件和邊界條件可以推演出用于計(jì)算地下原地應(yīng)力的數(shù)學(xué)模型,用地球物理測(cè)井信息(包括聲波全波列和密度等)確定模型參數(shù),對(duì)地應(yīng)力進(jìn)行連續(xù)計(jì)算與分析。其它參數(shù)不同地區(qū)巖石抗壓強(qiáng)度參數(shù)是參照巖石抗拉強(qiáng)度數(shù)值確定,一般是8～12倍,也可以通過(guò)巖心測(cè)試獲得。地應(yīng)力計(jì)算公式（一）、井中應(yīng)力場(chǎng)的計(jì)算及其應(yīng)用研究（秦緒英，陳有明，陸黃生 2003年6月）主應(yīng)力計(jì)算根據(jù)泊松比、地層孔隙壓力貢獻(xiàn)系數(shù)、孔隙壓力及密度測(cè)井值可以計(jì)算三個(gè)主應(yīng)力值：相關(guān)系數(shù)計(jì)算：應(yīng)用密度聲波全波測(cè)井資料的縱波、橫波時(shí)差（、）及測(cè)井的泥質(zhì)含量可以計(jì)算泊松比、地層孔隙壓力貢獻(xiàn)系數(shù)、巖石彈性模量及巖石抗拉強(qiáng)度。巖石內(nèi)摩擦系數(shù)及巖石內(nèi)聚力是巖石本身固有特性參數(shù),可以通過(guò)測(cè)試分析獲得。不同的研究者根據(jù)不同的條件提出了眾多的地應(yīng)力模型,如在油田得到較廣泛應(yīng)用的黃氏模型(黃榮樽等, 1995) 。 為埋藏深度(單位: m ) 。當(dāng)巖石受到額外的側(cè)向構(gòu)造擠壓應(yīng)力的作用時(shí), 泥巖的孔隙度會(huì)進(jìn)一步減小,使得泥巖孔隙度偏離正常壓實(shí)趨勢(shì)線(圖1) 。利用B、C兩點(diǎn)與縱坐標(biāo)的交點(diǎn)E、D之差(即△ED)可以估算附加構(gòu)造應(yīng)力大小(即深度差與巖石平均密度之積) 。在巖石受到強(qiáng)地應(yīng)力作用下,巖石致密,時(shí)波時(shí)差對(duì)地應(yīng)力反映不靈敏,而電阻率能靈敏地反映地應(yīng)力存在(圖3) ,此時(shí),應(yīng)當(dāng)采用電阻率建立地應(yīng)力模型。1 應(yīng)用密度測(cè)井估算垂直應(yīng)力用密度測(cè)井資料計(jì)算垂直應(yīng)力的公式為式中：：總垂直壓力；：真垂直深度；：重力加速度；：偏移值；：體積密度，測(cè)量井段以上可用人工插值法獲得連續(xù)的密度曲線，或借助垂直應(yīng)力梯度反推。（2） 雙軸應(yīng)變模型法雙軸應(yīng)變模型法是多孔彈性水平模型的一個(gè)特例，該特例以構(gòu)造因子作輸入?yún)?shù)，取代最大水平主應(yīng)力方向的應(yīng)變（）式中，為非平衡構(gòu)造因子，反映的是構(gòu)造力作用下最大水平應(yīng)力和最小水平應(yīng)力的地區(qū)經(jīng)驗(yàn)關(guān)系。當(dāng)忽略地層強(qiáng)度時(shí)（認(rèn)為破裂首先沿原有裂縫或斷層發(fā)生），且垂向應(yīng)力為最大主應(yīng)力時(shí)，式為 進(jìn)而有式中，；為巖石的內(nèi)摩擦角。主要有尼克經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式、Mattews amp。但實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)看，不同深度處是不同的。當(dāng)兩板受到力的作用時(shí),只發(fā)生橫向位移不發(fā)生偏轉(zhuǎn),從而使各彈簧的水平位移相等,剛度大的彈簧將受到較大的應(yīng)力,即楊氏模量大的地層承受較高的應(yīng)力。其中，水平應(yīng)力的重力分量為，熱應(yīng)力分量為，構(gòu)造應(yīng)力分量為和,孔隙壓力分量為，底層剝蝕的附加壓力為和。此時(shí),最大水平主應(yīng)力方向上側(cè)向壓實(shí)程度較高,而在最小水平應(yīng)力方向上側(cè)向壓實(shí)程度較低,從而造成了應(yīng)力引起的巖石物理各向異性。另外,巖石內(nèi)在各向異性也可由地層微電阻率掃描成像、聲波反射成像等直接識(shí)別。由于巖石本身具有各向異性,這種崩落在井眼周邊是不均勻的,也往往造成橢圓形井眼,在雙井徑曲線上表現(xiàn)為兩井徑讀數(shù)不等,但都大于鉆頭直徑。容易與地應(yīng)力造成的橢圓井眼相混。本文利用測(cè)井資料建立了計(jì)算最小和最大水平應(yīng)力剖面的新方法,基于成像測(cè)井資料對(duì)井壁破壞形式的準(zhǔn)確判別來(lái)約束反演地層應(yīng)力大小,不僅可以得到最小水平應(yīng)力剖面而且可以得到最大水平應(yīng)力剖面,可以計(jì)算出地層破裂壓力和坍塌壓力剖面,有助于井眼穩(wěn)定性分析和壓裂設(shè)計(jì)。能有效反映地應(yīng)力相對(duì)大小與方向的測(cè)井技術(shù)有下列幾種。碳酸鹽巖層的雙側(cè)向測(cè)井突然出現(xiàn)降低的“大幅度差雙軌”現(xiàn)象反映鉆井誘導(dǎo)裂縫, 它與鉆井、地層力學(xué)性質(zhì)及非均勻分布的地應(yīng)力有關(guān)。測(cè)井計(jì)算的巖石力學(xué)性質(zhì)的各種參數(shù)可用于應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值計(jì)算。局部構(gòu)造區(qū)應(yīng)力性質(zhì)和局部構(gòu)造運(yùn)動(dòng)性質(zhì)，決定于遠(yuǎn)場(chǎng)應(yīng)力方位和構(gòu)造幾何及產(chǎn)狀之間的組合關(guān)系，這一點(diǎn)是至關(guān)重要的結(jié)論。1 動(dòng)態(tài)彈性參數(shù)的計(jì)算《地應(yīng)力與油氣勘探開(kāi)發(fā)》，李志明，石油工業(yè)出版社。2 地層孔隙壓力的計(jì)算地層孔隙壓力是指地層孔隙中所含流體的壓力。3 地層破裂壓力的計(jì)算地層破裂壓力就是地層中現(xiàn)今的最小主應(yīng)力與巖石強(qiáng)度之和，具體計(jì)算式為： 當(dāng)時(shí)，即為自然破裂壓力。巖石力學(xué)參數(shù)包括泊松比、楊氏模量、剪切模量、體積模量等。計(jì)算公式（垂向應(yīng)力考慮了上覆巖石壓力以及孔隙壓力，水平應(yīng)力考慮了構(gòu)造殘余應(yīng)力的作用）如下：其中：，符號(hào)說(shuō)明：：泥頁(yè)巖實(shí)際、最小、最大密度，；，：橫波和縱波時(shí)差，；：巖石楊氏、剪切、體積模量，；:單位換算系數(shù)；：密度測(cè)井資料得到的地層密度，；為方向水平有效應(yīng)力，；為垂向有效應(yīng)力，；：泊松比，無(wú)因次；：上覆巖層壓力，；：孔隙壓力，；：巖石骨架壓縮系數(shù)；：巖石體積壓縮系數(shù)；：井深，；：孔隙壓力梯度，；：測(cè)井刻度系數(shù)，可取1；：用雙井徑測(cè)量的井眼直徑的最大最小值；：地層和骨架楊氏模量，在計(jì)算中去砂巖段密度最大的楊氏模量值。水平地應(yīng)力：水平地應(yīng)力分為最小水平地應(yīng)力和最大水平地應(yīng)力，對(duì)于天然裂縫比較發(fā)育的地層，得出了如下計(jì)算地應(yīng)力模型式中：：孔隙壓力，；：泊松比；：系數(shù)，通過(guò)測(cè)井資料確定。因?yàn)?，故及點(diǎn)處的切向應(yīng)力增大，當(dāng)超過(guò)井壁巖石破裂強(qiáng)度時(shí)，便產(chǎn)生微裂縫，隨著裂縫的擴(kuò)展和連通，導(dǎo)致宏觀破裂發(fā)生，即在方向上發(fā)生井徑擴(kuò)大。巖石動(dòng)態(tài)力學(xué)參數(shù)的確定：根據(jù)所收集的測(cè)井資料，應(yīng)用彈性波理論，均勻的各向同性的理想介質(zhì)動(dòng)態(tài)彈性參數(shù)有下列關(guān)系 ：分別為縱波時(shí)差、橫波時(shí)差，；：巖石的體積密度，；：泊松比，無(wú)因次；：巖石的彈性模量。巖石靜、動(dòng)態(tài)彈性模量相關(guān)性： ：巖石靜態(tài)彈性模量；：巖石動(dòng)態(tài)彈性模量。壓縮屈服準(zhǔn)則：關(guān)于巖石在壓縮情況下的屈服，人們提出了許多準(zhǔn)則，本文采用了主應(yīng)力表示的準(zhǔn)則式中：：巖石的內(nèi)聚強(qiáng)度，；：巖石的內(nèi)摩擦角。（2） 地應(yīng)力大小計(jì)算垂向應(yīng)力計(jì)算：用密度測(cè)井資料計(jì)算垂向應(yīng)力（即上覆巖層壓力）公式為：水平地應(yīng)力計(jì)算：巖石力學(xué)參數(shù)計(jì)算為基礎(chǔ)，結(jié)合密度測(cè)井資料可以得到地層的最大及最小水平主應(yīng)力。安全泥漿密度窗：根據(jù)地層破裂壓力和坍塌壓力，可以求出保持井壁穩(wěn)定的合理泥漿密度范圍。1 巖石力學(xué)參數(shù)的計(jì)算橫波速度的計(jì)算：在巖石的泊松比及其它的巖石力學(xué)參數(shù)計(jì)算中，需要地層的橫波速度，但在常規(guī)測(cè)井中并沒(méi)有直接的橫波測(cè)量結(jié)果，因此只能通過(guò)聲波縱波測(cè)井資料和地層巖性資料轉(zhuǎn)換而得到。單就抗壓強(qiáng)度與波阻抗關(guān)系而言，數(shù)據(jù)點(diǎn)比較散，向相關(guān)性差，其擬合結(jié)果為： 而在加進(jìn)了一個(gè)反應(yīng)泥質(zhì)影響的項(xiàng)后，效果得到明顯改善，數(shù)據(jù)點(diǎn)相關(guān)性明顯好轉(zhuǎn)，其擬合結(jié)果為： 式中，為抗壓強(qiáng)度（）；為地層巖石密度（）；為聲波縱波速度（）。2 計(jì)算模式的選擇在計(jì)算地應(yīng)力和眾多模式中，比較適合油氣儲(chǔ)層的計(jì)算模式是發(fā)展較早的，且較為成熟的單軸應(yīng)變模式。以上五種單軸應(yīng)變模式均被認(rèn)為，在水平方向上二個(gè)應(yīng)力相等，且都小于垂直方向應(yīng)力。井壁有效應(yīng)力：對(duì)于直井，鉆開(kāi)地層后，井壁徑向、周向和軸向的有效應(yīng)力可表示為：其中，為徑向有效應(yīng)力；為周向有效應(yīng)力；為垂向有效應(yīng)力；為最大水平主應(yīng)力方向逆時(shí)針測(cè)量的方位角。根據(jù)水力壓裂施工資料可知，最小水平主應(yīng)力為（垂直縫）其中為井筒液柱壓力；為地層孔隙壓力?？山柚畲蟊缆渖疃群蛯挾扰c井壁交點(diǎn)的方位角將崩落形狀參數(shù)化。為了解決以上問(wèn)題，根據(jù)井壁應(yīng)力崩落的條件推導(dǎo)出的判斷井壁是否發(fā)生崩落的定量判別式為：式中：、分別為橢圓井眼的短半軸和長(zhǎng)半軸；、分別為流體壓力和自重；為巖石的抗剪強(qiáng)度。研究表明，崩落深度受多次崩落的影響很大，但崩落寬度卻基本不變。井壁誘導(dǎo)壓裂段和的計(jì)算模型：只有崩落寬度計(jì)算地應(yīng)力的方法雖然避免了崩落深度的不確定性問(wèn)題，但卻必須引入水力壓裂所求得最小水平主應(yīng)力，這些顯然給用測(cè)井資料計(jì)算地應(yīng)力帶來(lái)了諸多不便。① 用上覆巖層壓力值約束水平地應(yīng)力值用密度測(cè)井曲線積分求得上覆巖層壓力值，在根據(jù)井壁壓裂縫形狀特征判斷三軸向應(yīng)力的大小關(guān)系，以確定水平地應(yīng)力值得范圍。如果與成像測(cè)井顯示結(jié)果不吻合，則修改和，直到吻合為止，此時(shí)的地應(yīng)力值就是要求的、值。由于井壁坍塌的種類較多，且有時(shí)不易識(shí)別，從而導(dǎo)致計(jì)算的地應(yīng)力方向有誤；對(duì)于井壁為發(fā)生坍塌的井段，無(wú)法確定其地應(yīng)力方向。① 井壁崩落井壁崩落的方向總是指示最小水平主應(yīng)力的方向。對(duì)稱的暗色或黑色條帶或斑塊，即幅度圖像顯示聲波幅度衰減，時(shí)間圖像顯示在崩落方向有井徑擴(kuò)大。③ 應(yīng)力釋放在鉆井過(guò)程中，致密地層常常會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力釋放裂縫，應(yīng)力釋放裂縫的走向指示最大水平主應(yīng)力的方向。因?yàn)闄M波在各向異性介質(zhì)中發(fā)生分裂，即分裂成快橫波和慢橫波。計(jì)算水平應(yīng)力的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ洼^多，采用模型計(jì)算最小水平主應(yīng)力。由此得到的中間參數(shù)稱為動(dòng)態(tài)彈性參數(shù)，是在高頻率、低載荷測(cè)量條件下獲得的；而地應(yīng)力計(jì)算需要用靜態(tài)彈性參數(shù)，是在低頻率、高載荷測(cè)量條件下獲得的，更能體現(xiàn)賦存在地層中的應(yīng)力。圖 1 最佳逼近橢圓模擬示意圖（實(shí)線為擬合橢圓，虛線為實(shí)際井眼）當(dāng)井徑最大時(shí)：最大時(shí)：最大時(shí)：式中：、分別為橢圓井眼的長(zhǎng)、短軸。關(guān)于巖石在壓縮情況下的屈服，人們提出了許多準(zhǔn)則，和擴(kuò)展的破裂判別準(zhǔn)則應(yīng)用最廣泛，等人在地層坍塌中把張性破裂與剪切滑移結(jié)合在一起進(jìn)行了研究。式中：為地層坍塌壓力，；、分別為水平最大、最小主地應(yīng)力，；，為內(nèi)摩擦角，一般??；為巖石粘聚力，；為彈性系數(shù)，無(wú)量綱；為地層的孔隙壓力，；為應(yīng)力非線性修正系數(shù)，無(wú)量綱。由于測(cè)井資料具有高分辨率、連續(xù)性、方便性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性等優(yōu)點(diǎn)，因此可通過(guò)測(cè)井信息來(lái)獲取這些巖石力學(xué)參數(shù)。研究發(fā)現(xiàn)，巖石的縱橫波時(shí)差、密度和自然伽瑪及電阻率等測(cè)井響應(yīng)特性與上述巖石力學(xué)參數(shù)之間有很好的相關(guān)性，由此可利用測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)來(lái)求取巖石力學(xué)參數(shù)，進(jìn)而建立連續(xù)的地層坍塌壓力和當(dāng)量泥漿密度剖面。只有當(dāng)巖石的孔隙度和滲透率足夠大時(shí)才可以近似取。一般認(rèn)為最大、最小水平地應(yīng)力分量和一是由上覆巖層壓力的泊松效應(yīng)引起的，二是由構(gòu)造運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的構(gòu)造應(yīng)力引起的。 式中：為巖石的泥質(zhì)含量，﹪，可由GR測(cè)井值求取。2 巖石粘聚力的確定根據(jù)和的研究結(jié)果推出了粘聚力的計(jì)算公式：式中：為巖石密度，；為巖石的縱波速度，；為地層的泥質(zhì)含量。該理論認(rèn)為：同性材料抵抗破壞的剪切力等于眼前在破壞面滑動(dòng)時(shí)的摩擦阻力與內(nèi)聚力之和。2 利用測(cè)井資料確定巖石力學(xué)參數(shù)關(guān)系式（1）巖石泊松比：（2） 彈性模量：（3） 巖石剪切模量：（4） 體積模量：（5） 體積壓縮系數(shù)：（6） 內(nèi)聚強(qiáng)度：式中：為巖石的泥質(zhì)含量，（7） 單軸壓縮強(qiáng)度:（8） 抗張強(qiáng)度:符號(hào)說(shuō)明：、分別為巖石動(dòng)、靜態(tài)泊松比；、分別為巖石動(dòng)、靜態(tài)彈性模量；、分別為橫波時(shí)差、縱波時(shí)差；為巖石密度；為巖石剪切模量；為巖石體積模量；為巖石體積壓縮系數(shù)；為內(nèi)聚強(qiáng)度；為巖石中的泥質(zhì)含量；、分別為巖石單軸壓縮強(qiáng)度、巖石的抗張強(qiáng)度；為巖石內(nèi)摩擦角。內(nèi)摩擦角 單軸抗壓強(qiáng)度 固有剪切強(qiáng)度 巖石抗張強(qiáng)度 出砂指數(shù) 巖石動(dòng)、靜態(tài)彈性參數(shù)轉(zhuǎn)換符號(hào)說(shuō)明：：出砂指數(shù)，；：巖石剪切強(qiáng)度，；：地層體積壓縮系數(shù)，；：骨架體積