【文章內(nèi)容簡介】 在求出后，結(jié)合式求出最小水平主應(yīng)力構(gòu)造方向的構(gòu)造應(yīng)力，再帶入，即可求出最大水平主應(yīng)力方向上的構(gòu)造應(yīng)力。（十一）成像測井資料在地應(yīng)力計算中的應(yīng)用（劉之的 夏宏泉 湯小燕 2005年8月）1 地應(yīng)力大小的計算模型井壁崩落段和的計算模型：利用雙井徑曲線和井壁成像測井圖像可求得井壁崩落段的崩落深度和寬度，根據(jù)所求得的崩落深度和寬度與巖石力學性質(zhì)和地應(yīng)力間的函數(shù)關(guān)系可求出水平最大和最小主應(yīng)力。一個圓形井眼位于厚的、均勻的和各向同性的彈性板塊之中，承受著如圖1所示的最大水平主應(yīng)力和最小水平主應(yīng)力?？山柚畲蟊缆渖疃群蛯挾扰c井壁交點的方位角將崩落形狀參數(shù)化。由此可建立水平主應(yīng)力和井眼崩落的關(guān)系式：式中：；為最大、最小水平主應(yīng)力；為泥漿柱壓力；為孔隙壓力；：巖石的粘聚力；為巖石的內(nèi)摩擦系數(shù)；為待定系數(shù)，它們是巖石內(nèi)摩擦角、最大井壁崩落深度和寬度的函數(shù)。其中，井壁崩落寬度可以通過成像測井圖上的黑色垂直條帶換算得到；最大井壁崩落深度可以通過雙井徑曲線計算得到，其具體公式如下：式中：為井眼半徑；為巖石的滑動摩擦系數(shù)；分別為1~3井徑和2~4井徑曲線。式是建立在井眼崩落已經(jīng)達到穩(wěn)定狀態(tài)的情況，但井壁實際上是否一次崩落后就達到穩(wěn)定狀態(tài)？何種條件才能達到穩(wěn)定狀態(tài)？測得的崩落深度、寬度是什么狀態(tài)下的結(jié)果？多次崩落對其崩落深度和寬度有何種影響？顯然，這些問題不解決，就很難對計算結(jié)果的可靠性做出確切的評價。為了解決以上問題，根據(jù)井壁應(yīng)力崩落的條件推導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半軸；、分別為流體壓力和自重；為巖石的抗剪強度。當上式成立時，則井壁繼續(xù)崩落，直到不成立為止。因此將測井得到的崩落深度和寬度及計算出的應(yīng)力值代入該判別式，就可判定崩落是否達到穩(wěn)定狀態(tài)。僅有當井壁達到穩(wěn)定狀態(tài)時，計算得地應(yīng)力值才是正確的，否則計算出的地應(yīng)力可信度極低。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。等人提出只用崩落寬度計算地應(yīng)力的方法。這樣在井壁上就存在一個較為確定的起始崩落邊界點，該點滿足井壁剪切破裂條件：式中：，可由成像測井圖讀得，為巖石的抗剪強度，可以用密度、聲波測井資料算出。如果再有水力壓裂求得的，代入上式九可計算出。井壁誘導壓裂段和的計算模型：只有崩落寬度計算地應(yīng)力的方法雖然避免了崩落深度的不確定性問題，但卻必須引入水力壓裂所求得最小水平主應(yīng)力，這些顯然給用測井資料計算地應(yīng)力帶來了諸多不便。為此，利用成像測井尋找井壁應(yīng)力誘導壓裂平衡點，進而建立的和的計算模型為：，則聯(lián)立就可求出較準確的最大、最小水平主應(yīng)力和。地應(yīng)力計算精度的提高與結(jié)果檢驗：由于井下條件十分復雜，影響因素諸多，因此目前無論用何種方法計算地應(yīng)力的大小都存在一定的誤差。實際處理測井資料時，需要利用某些信息對地應(yīng)力范圍進行約束限制。① 用上覆巖層壓力值約束水平地應(yīng)力值用密度測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。如果上覆巖層壓力為最大主應(yīng)力，則計算的水平地應(yīng)力決不能超過密度積分所求得的垂向應(yīng)力值；如果上覆巖層壓力為中間主應(yīng)力，則計算的水平地應(yīng)力必須滿足一個大于垂向應(yīng)力，另一個小于垂向應(yīng)力。② 用各向異性系數(shù)估算水平地應(yīng)力的比值利用DSI測井資料得到的地應(yīng)力非平衡性造成橫波各向異性系數(shù)特征來指示底層的各向異性，當?shù)貙又袩o裂縫時，則地層的各向異性是由應(yīng)力的不平衡性造成的，因此，其各向異性系數(shù)在很大程度上反映了兩個水平應(yīng)力的比值。③ 以成像測井剖面為最終的約束將所計算的巖石力學參數(shù)、上覆巖層壓力及最大、最小水平主應(yīng)力（和）的崩落、壓裂模型和限制條件輸入，連續(xù)計算井壁的破裂情況，并與成像測井比較。如果與成像測井顯示結(jié)果不吻合，則修改和，直到吻合為止，此時的地應(yīng)力值就是要求的、值。如果直接計算的水平應(yīng)力值與上述兩個約束相差太大，說明計算中出了問題，則最可能的問題是巖石力學參數(shù)不準確，尤其是動靜力學參數(shù)的轉(zhuǎn)換不當所致。故需重新調(diào)整參數(shù)，直到計算結(jié)果與地應(yīng)力限制條件基本符合為止。2 基于FMI、CBIL和DSI確定地應(yīng)力方向以往人們常常利用雙井徑曲線及其方位曲線來確定地應(yīng)力方向。由于井壁坍塌的種類較多，且有時不易識別，從而導致計算的地應(yīng)力方向有誤；對于井壁為發(fā)生坍塌的井段，無法確定其地應(yīng)力方向。全井眼底層微電阻率掃描成像測井（FMI）、井下聲波成像測井（CBIL）及偶極橫波（DSI）等成像測井很好地解決了這一問題。從FMI、CBIL成像測井圖上確定地應(yīng)力方向FMI、CBIL圖像不僅一方面可清楚地指示出應(yīng)力崩落井段的方位，而且很容易與其它井壁垮塌相鑒別，所以不可能發(fā)生錯判最小主應(yīng)力方向的問題；另一方面FMI圖像還可直觀地顯示出誘導壓裂縫，由井周切向應(yīng)力分析可知，在最大水平主應(yīng)力方向上有最小的井周切向應(yīng)力，當泥漿柱壓力大到一定程度時，該最小井周切向應(yīng)力將變成負值，即由壓性應(yīng)力變?yōu)閺埿詰?yīng)力，一旦該張性應(yīng)力超過巖石抗張強度，就在井壁產(chǎn)生張性的誘導壓裂縫，所以壓裂縫的走向就是最大主應(yīng)力的方向。如果同時把井壁應(yīng)力崩落和誘導壓裂縫結(jié)合起來觀察，就更可以準確無誤地判斷水平主應(yīng)力的方向。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。在FMI圖像上，在井壁崩落部分，由于井壁發(fā)生應(yīng)力崩落且井壁凹凸不平，F(xiàn)MI極板與井壁接觸不好，故出現(xiàn)呈108176。對稱的暗色或黑色條帶或斑塊，在暗色區(qū)域內(nèi)，地質(zhì)特征不清楚，邊界模糊；FMI的對稱井徑表現(xiàn)為一條井徑值與鉆頭直接接近，而另一條井徑值則大于鉆頭直徑；在井壁崩落段，F(xiàn)MI方位曲線較穩(wěn)定。在CBIL圖像上，在幅度和時間圖像上同時表示為呈180176。對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，時間圖像顯示在崩落方向有井徑擴大。② 井壁壓裂壓裂縫的一般特征是，平行于井軸縱向延伸，成對出現(xiàn)，且180176。對稱分布，該壓裂縫的走向就是最大水平主應(yīng)力的方向。在成像圖上呈對稱分布的兩條黑色的條帶，它們平行井軸，延伸較長，方位基本穩(wěn)定；寬窄有較小變化，但無天然裂縫的那種溶蝕擴大現(xiàn)象；壓裂縫可能表現(xiàn)出切割井壁上的任何地質(zhì)事件的特征，但不肯能出現(xiàn)它被切割的特征。③ 應(yīng)力釋放在鉆井過程中，致密地層常常會產(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。這種裂縫在圖像上表現(xiàn)為一組平行的、角度較高的單組系裂縫，裂縫面較平直，裂縫寬窄較均勻，無任何溶蝕擴大現(xiàn)象。在圖像上它可表現(xiàn)出切割井壁上任何原有地質(zhì)事件的特征，但不可能出現(xiàn)它被切割的特征。用DSI偶極橫波測井確定地應(yīng)力方向：偶極橫波測井的各向異性測井方式，可反映地層的各向異性特征。因為橫波在各向異性介質(zhì)中發(fā)生分裂，即分裂成快橫波和慢橫波?？鞕M波的方位指示了單組系高角度裂縫的走向或最大水平主應(yīng)力的方向。用DSI測井資料確定地應(yīng)力方向的方法可概括成四點：①從成像測井圖上識別各種地質(zhì)特征；②找出產(chǎn)生各向異性的各種因素，如地層的沉積結(jié)構(gòu)、層理、薄層、裂縫、地應(yīng)力等；③從DSI測井資料的BCR處理成果上確定快橫波的方位和各向異性值；④排除非地應(yīng)力因素影響后i，則可直接由快橫波方位確定最大水平主應(yīng)力的方向。（十二）低孔低滲油氣藏地應(yīng)力確定方法研究（申輝林 朱玉林 李萍 2007年8月）1 地應(yīng)力計算方法計算模型：對于垂向應(yīng)力的計算，一般把垂向應(yīng)力與上覆巖層壓力視為等同，因此垂向應(yīng)力可以由密度累加得到：式中：為目的層以上第段地層的平均密度，；為目的層以上第地層厚度，；為重力加速度，；為目的層以上的地層數(shù)，整數(shù)；為垂向應(yīng)力。計算水平應(yīng)力的經(jīng)驗?zāi)Ｐ洼^多，采用模型計算最小水平主應(yīng)力。在確定最小水平主應(yīng)力的基礎(chǔ)上，結(jié)合雙井徑模型可以計算最大水平主應(yīng)力。雙井徑模型引入了一個應(yīng)力不平衡系數(shù)來表征水平應(yīng)力的非均質(zhì)性，即因此，計算兩個水平主應(yīng)力的模型公式為：式中：為最大水平主應(yīng)力，；為最小水平主應(yīng)力，；為巖石泊松比，無量綱；、分別為巖石及巖石骨架的楊氏模量，；為有效應(yīng)力系數(shù)，小數(shù)；為地層孔隙壓力，；、分別為橢圓井眼長軸的最大值和短軸的最小值，；為系數(shù)，取值范圍為1~3。中間參數(shù)的確定：上面式子中的、、為地應(yīng)力計算過程中的中間參數(shù)，其中、可以通過成像測井系列中的偶極子聲波測井從地層中提取縱、橫波時差計算得到。由此得到的中間參數(shù)稱為動態(tài)彈性參數(shù)，是在高頻率、低載荷測量條件下獲得的；而地應(yīng)力計算需要用靜態(tài)彈性參數(shù)，是在低頻率、高載荷測量條件下獲得的，更能體現(xiàn)賦存在地層中的應(yīng)力。實際應(yīng)用時，靜態(tài)參數(shù)由動態(tài)參數(shù)轉(zhuǎn)換得到，遼河油田的實驗結(jié)果為：上式中：為靜態(tài)楊氏模量，；為靜態(tài)泊松比，無量綱；為動態(tài)楊氏模量，；為動態(tài)泊松比，無量綱。、可由以下方法確定：雙井徑模型需要2條代表橢圓井眼長、短軸的井徑曲線，通過模擬一個最佳逼近橢圓，利用微電阻率掃描成像測井提供的3條井徑（）和6條極板半徑（）曲線來確定橢圓井眼的長、短軸，解決了沒有四臂地層傾角測井資料無法用雙井徑模型計算地應(yīng)力的問題。具體做法是，根據(jù)儀器極板的排列方式和3條井徑的相對大小關(guān)系，建立如圖1所示的坐標系，由坐標系可得到6個極板的坐標和與之對應(yīng)的6點擬合橢圓軌跡的坐標，然后對極板坐標與橢圓軌跡坐標之差的平方和求偏導得到橢圓的長、短軸。圖 1 最佳逼近橢圓模擬示意圖（實線為擬合橢圓，虛線為實際井眼）當井徑最大時：最大時：最大時：式中：、分別為橢圓井眼的長、短軸?？捎梦墨I《聲波時差法預(yù)測地層壓力分析》（劉剛，王越之，李自俊 1994年）求得。（十三）地層坍塌壓力的測井預(yù)測研究（劉之的 夏宏泉等 2004年1月）地層坍塌壓力計算模型的建立井眼形成后井壁周圍的巖石將產(chǎn)生應(yīng)力集中，當井壁圍巖所受的切向應(yīng)力和徑向應(yīng)力的差達到一定數(shù)值后，將形成剪切破壞，造成井眼坍塌，此時的鉆井液液柱壓力即為地層坍塌壓力（）。建立地層坍塌壓力計算模型的關(guān)鍵是要選擇合適的強度屈服準則。關(guān)于巖石在壓縮情況下的屈服，人們提出了許多準則，和擴展的破裂判別準則應(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)合在一起進行了研究。目前表示主應(yīng)力最常用的是準則。根據(jù)理論分析結(jié)果，在小范圍的圍壓下，除去最脆弱的巖層外，采用線性屈服準則，則準則更為合適。用切向應(yīng)力、徑向應(yīng)力來表示的準則的表達式為：根據(jù)井眼圍巖應(yīng)力分布規(guī)律以及剪切破壞準則，考慮到地層巖石額是非線性彈性體的實際情況，可以建立如下式所示的地層坍塌壓力（）的計算模型。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)，無量綱；為地層的孔隙壓力，；為應(yīng)力非線性修正系數(shù)，無量綱。則對應(yīng)的地層坍塌壓力當量泥漿密度（）可由下式計算：式中：單位為；為深度。由式可以看出，計算地層坍塌壓力的關(guān)鍵是利用測井資料求準、、等參數(shù)。利用測井資料確定模型中的參數(shù)計算地層坍塌壓力是需要知道巖石的泊松比（）、彈性系數(shù)（）、粘聚力（）和內(nèi)摩擦角（）等多個參數(shù)，這些參數(shù)可在室內(nèi)通過實驗直接確定，但這一過程要耗費大量的人力和物力，并且實驗室所需的原始地層巖石很難完整地取得。由于測井資料具有高分辨率、連續(xù)性、方便性、可靠性、經(jīng)濟性等優(yōu)點，因此可通過測井信息來獲取這些巖石力學參數(shù)。地層的縱、橫波速度，密度和泥質(zhì)含量等是反映地層特性和提取鉆井地層環(huán)境特性的最基本地球物理測井信息。這些測井資料可較好地體現(xiàn)泥頁巖（或膏巖）地層的物理力學特性。地層的橫波時差反映了地層的剪切變形特性，縱波時差反映了地層的拉伸和壓縮變形特性及強度特性，而密度與電阻率測井響應(yīng)反映地層巖石的致密程度及裂縫、孔隙發(fā)育程度，自然伽瑪測井能夠很好地反映地層的泥質(zhì)含量多少，因此巖石的這些測井響應(yīng)必然能反映出泥頁巖、膏巖或致密的碳酸鹽巖地層坍塌壓力的特征。研究發(fā)現(xiàn)，巖石的縱橫波時差、密度和自然伽瑪及電阻率等測井響應(yīng)特性與上述巖石力學參數(shù)之間有很好的相關(guān)性，由此可利用測井數(shù)據(jù)來求取巖石力學參數(shù)，進而建立連續(xù)的地層坍塌壓力和當量泥漿密度剖面。1 泊松比的確定根據(jù)巖石彈性力學理論，利用縱橫波測井資料由下式可求得連續(xù)的動態(tài)泊松比值。式中：是地層的動態(tài)泊松比，無量綱；、分別為地層的縱、橫波時差。2 彈性參數(shù)的確定巖石的彈性參數(shù)（）是巖石井壁力學穩(wěn)定性研究中的一個重要參數(shù)。只有當巖石的孔隙度和滲透率足夠大時才可以近似取。取值可以由經(jīng)驗公式求得，也可根據(jù)室內(nèi)試驗和現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)獲得，本文利用聲波測井資料確定值。式中：、分別為地層和巖石骨架體積密度，；、分別為巖石骨架的縱波、橫波時差。3 水平最大、最小主地應(yīng)力和的確定計算水平應(yīng)力的方法較多，常用的有多孔彈性水平應(yīng)變模型法、雙軸應(yīng)變模型法、摩爾庫侖應(yīng)力模型法、一級雅士模型法等方法。一般認為最大、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)造運動所產(chǎn)生的構(gòu)造應(yīng)力引起的。利用測井資料計算地層應(yīng)力時，首先通過對巖石力學參數(shù)的動靜態(tài)同步測試及巖石抗壓和抗拉強度測試建立地區(qū)的動靜態(tài)彈性參數(shù)經(jīng)驗關(guān)系式，然后根據(jù)該地區(qū)地層應(yīng)力特征選擇上述模型之一，用密度和全波列測井資料由下式計算水平最大、最小主應(yīng)力。其中， 式中：、分別為研究井段以上的地層密度平均值、研究井段內(nèi)的地層密度，；、為頂界深度、目的點的深度，；、為地層構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)（），可通過室內(nèi)聲發(fā)射試驗或水力壓裂法實驗數(shù)據(jù)確定出某深度處的、值，并將其帶入以上兩式反算求得。4 巖石粘聚力和內(nèi)摩擦角的確定巖石的粘聚力和內(nèi)摩擦角都是巖石的強度參數(shù)，可利用聲波、密度、自然伽瑪測井資料采用以下式子計算，既可通過巖心三軸試驗確定，也可通過下式確定：其中, 。 式中：為巖石的泥質(zhì)含量，﹪，可由GR測井值求取。5 應(yīng)力非線性修正系數(shù)的確定其中，式中：、分別為均勻地應(yīng)力下切向應(yīng)力的線性彈性解和非彈性解，；為水平地應(yīng)力的平均應(yīng)力，；泥漿液柱壓力，；為泥漿的密度，；為待定系數(shù)。（十四）地層坍塌壓力的計算及應(yīng)用研究（樓一珊 黃立新 向東 1999年）地層坍塌壓力的計算模型根據(jù)巖石力學分析，井眼形成后井壁周圍的巖石將產(chǎn)生