【文章內(nèi)容簡(jiǎn)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(cè)井資料在地應(yīng)力計(jì)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(jì)算模型井壁崩落段和的計(jì)算模型：利用雙井徑曲線和井壁成像測(cè)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(xué)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(gè)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(diǎn)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(cè)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(jì)算得到，其具體公式如下：式中：為井眼半徑；為巖石的滑動(dòng)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(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的情況，但井壁實(shí)際上是否一次崩落后就達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)？何種條件才能達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)？測(cè)得的崩落深度、寬度是什么狀態(tài)下的結(jié)果？多次崩落對(duì)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(duì)計(jì)算結(jié)果的可靠性做出確切的評(píng)價(jià)。為了解決以上問題，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。當(dāng)上式成立時(shí)，則井壁繼續(xù)崩落，直到不成立為止。因此將測(cè)井得到的崩落深度和寬度及計(jì)算出的應(yīng)力值代入該判別式，就可判定崩落是否達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。僅有當(dāng)井壁達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，計(jì)算得地應(yīng)力值才是正確的，否則計(jì)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(jì)算地應(yīng)力的方法。這樣在井壁上就存在一個(gè)較為確定的起始崩落邊界點(diǎn)，該點(diǎn)滿足井壁剪切破裂條件：式中：，可由成像測(cè)井圖讀得，為巖石的抗剪強(qiáng)度，可以用密度、聲波測(cè)井資料算出。如果再有水力壓裂求得的，代入上式九可計(jì)算出。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)力帶來了諸多不便。為此，利用成像測(cè)井尋找井壁應(yīng)力誘導(dǎo)壓裂平衡點(diǎn)，進(jìn)而建立的和的計(jì)算模型為：，則聯(lián)立就可求出較準(zhǔn)確的最大、最小水平主應(yīng)力和。地應(yīng)力計(jì)算精度的提高與結(jié)果檢驗(yàn)：由于井下條件十分復(fù)雜，影響因素諸多，因此目前無論用何種方法計(jì)算地應(yīng)力的大小都存在一定的誤差。實(shí)際處理測(cè)井資料時(shí)，需要利用某些信息對(duì)地應(yīng)力范圍進(jìn)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(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。如果上覆巖層壓力為最大主應(yīng)力，則計(jì)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(jì)算的水平地應(yīng)力必須滿足一個(gè)大于垂向應(yīng)力，另一個(gè)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(cè)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(dāng)?shù)貙又袩o裂縫時(shí)，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(gè)水平應(yīng)力的比值。③ 以成像測(cè)井剖面為最終的約束將所計(jì)算的巖石力學(xué)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(jì)算井壁的破裂情況，并與成像測(cè)井比較。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。如果直接計(jì)算的水平應(yīng)力值與上述兩個(gè)約束相差太大，說明計(jì)算中出了問題，則最可能的問題是巖石力學(xué)參數(shù)不準(zhǔn)確，尤其是動(dòng)靜力學(xué)參數(shù)的轉(zhuǎn)換不當(dāng)所致。故需重新調(diào)整參數(shù)，直到計(jì)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(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，無法確定其地應(yīng)力方向。全井眼底層微電阻率掃描成像測(cè)井（FMI）、井下聲波成像測(cè)井（CBIL）及偶極橫波（DSI）等成像測(cè)井很好地解決了這一問題。從FMI、CBIL成像測(cè)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(cuò)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(dǎo)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(dāng)泥漿柱壓力大到一定程度時(shí)，該最小井周切向應(yīng)力將變成負(fù)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(qiáng)度，就在井壁產(chǎn)生張性的誘導(dǎo)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(shí)把井壁應(yīng)力崩落和誘導(dǎo)壓裂縫結(jié)合起來觀察，就更可以準(zhǔn)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(duì)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(duì)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(shí)間圖像上同時(shí)表示為呈180176。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。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(duì)出現(xiàn)，且180176。對(duì)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(duì)稱分布的兩條黑色的條帶，它們平行井軸，延伸較長(zhǎng)，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(kuò)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(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。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(kuò)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(cè)井確定地應(yīng)力方向：偶極橫波測(cè)井的各向異性測(cè)井方式，可反映地層的各向異性特征。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?？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(cè)井資料確定地應(yīng)力方向的方法可概括成四點(diǎn)：①?gòu)某上駵y(cè)井圖上識(shí)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(cè)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(jì)算方法計(jì)算模型：對(duì)于垂向應(yīng)力的計(jì)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(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。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(jì)算最大水平主應(yīng)力。雙井徑模型引入了一個(gè)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(jì)算兩個(gè)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(zhǎng)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(jì)算過程中的中間參數(shù)，其中、可以通過成像測(cè)井系列中的偶極子聲波測(cè)井從地層中提取縱、橫波時(shí)差計(jì)算得到。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。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，靜態(tài)參數(shù)由動(dòng)態(tài)參數(shù)轉(zhuǎn)換得到，遼河油田的實(shí)驗(yàn)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(dòng)態(tài)楊氏模量，；為動(dòng)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(zhǎng)、短軸的井徑曲線，通過模擬一個(gè)最佳逼近橢圓，利用微電阻率掃描成像測(cè)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(zhǎng)、短軸，解決了沒有四臂地層傾角測(cè)井資料無法用雙井徑模型計(jì)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(duì)大小關(guān)系，建立如圖1所示的坐標(biāo)系，由坐標(biāo)系可得到6個(gè)極板的坐標(biāo)和與之對(duì)應(yīng)的6點(diǎn)擬合橢圓軌跡的坐標(biāo)，然后對(duì)極板坐標(biāo)與橢圓軌跡坐標(biāo)之差的平方和求偏導(dǎo)得到橢圓的長(zhǎng)、短軸。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?？捎梦墨I(xiàn)《聲波時(shí)差法預(yù)測(cè)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(cè)井預(yù)測(cè)研究（劉之的 夏宏泉等 2004年1月）地層坍塌壓力計(jì)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(dāng)井壁圍巖所受的切向應(yīng)力和徑向應(yīng)力的差達(dá)到一定數(shù)值后，將形成剪切破壞，造成井眼坍塌，此時(shí)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(jì)算模型的關(guān)鍵是要選擇合適的強(qiáng)度屈服準(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，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。目前表示主應(yīng)力最常用的是準(zhǔn)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(zhǔn)則，則準(zhǔn)則更為合適。用切向應(yīng)力、徑向應(yīng)力來表示的準(zhǔn)則的表達(dá)式為：根據(jù)井眼圍巖應(yīng)力分布規(guī)律以及剪切破壞準(zhǔn)則，考慮到地層巖石額是非線性彈性體的實(shí)際情況，可以建立如下式所示的地層坍塌壓力（）的計(jì)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(duì)應(yīng)的地層坍塌壓力當(dāng)量泥漿密度（）可由下式計(jì)算：式中：?jiǎn)挝粸?；為深度。由式可以看出，?jì)算地層坍塌壓力的關(guān)鍵是利用測(cè)井資料求準(zhǔn)、、等參數(shù)。利用測(cè)井資料確定模型中的參數(shù)計(jì)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(gè)參數(shù)，這些參數(shù)可在室內(nèi)通過實(shí)驗(yàn)直接確定，但這一過程要耗費(fèi)大量的人力和物力，并且實(shí)驗(yàn)室所需的原始地層巖石很難完整地取得。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)，因此可通過測(cè)井信息來獲取這些巖石力學(xué)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(cè)井信息。這些測(cè)井資料可較好地體現(xiàn)泥頁巖（或膏巖）地層的物理力學(xué)特性。地層的橫波時(shí)差反映了地層的剪切變形特性，縱波時(shí)差反映了地層的拉伸和壓縮變形特性及強(qiáng)度特性，而密度與電阻率測(cè)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(cè)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(cè)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(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。1 泊松比的確定根據(jù)巖石彈性力學(xué)理論，利用縱橫波測(cè)井資料由下式可求得連續(xù)的動(dòng)態(tài)泊松比值。式中：是地層的動(dòng)態(tài)泊松比，無量綱；、分別為地層的縱、橫波時(shí)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(xué)穩(wěn)定性研究中的一個(gè)重要參數(shù)。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。取值可以由經(jīng)驗(yàn)公式求得，也可根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)獲得，本文利用聲波測(cè)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(shí)差。3 水平最大、最小主地應(yīng)力和的確定計(jì)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(jí)雅士模型法等方法。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。利用測(cè)井資料計(jì)算地層應(yīng)力時(shí)，首先通過對(duì)巖石力學(xué)參數(shù)的動(dòng)靜態(tài)同步測(cè)試及巖石抗壓和抗拉強(qiáng)度測(cè)試建立地區(qū)的動(dòng)靜態(tài)彈性參數(shù)經(jīng)驗(yàn)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(cè)井資料由下式計(jì)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(diǎn)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(yàn)或水力壓裂法實(shí)驗(yàn)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(qiáng)度參數(shù)，可利用聲波、密度、自然伽瑪測(cè)井資料采用以下式子計(jì)算，既可通過巖心三軸試驗(yàn)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(cè)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(jì)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(jì)算模型根據(jù)巖石力學(xué)分析，井眼形成后井壁周圍的巖石將產(chǎn)生