1、四、分層地應力剖面分析技術四、分層地應力剖面分析技術 五、分層地應力剖面分析軟件（五、分層地應力剖面分析軟件（MLSPMLSP）介紹）介紹 二、巖石的力學特性二、巖石的力學特性 前前 言言一、地應力理論研究進展一、地應力理論研究進展三、地應力計算模式三、地應力計算模式 低滲透油田開發始終是關系我國石油、天然氣低滲透油田開發始終是關系我國石油、天然氣工業發展水平的重要組成部分。在美國有近工業發展水平的重要組成部分。在美國有近30%的的原油產量是通過壓裂獲得的，國內低滲油氣田的產原油產量是通過壓裂獲得的，國內低滲油氣田的產量和通過水力壓裂改造獲得的產量都在逐年迅速增量和通過水力壓裂改造獲得的產量都

2、在逐年迅速增加。但是經過水力壓裂后的油氣水井，由于受當時加。但是經過水力壓裂后的油氣水井，由于受當時壓裂工藝、材料、設備工具的限制，規模欠小，材壓裂工藝、材料、設備工具的限制，規模欠小，材料選用不當，設備功率有限等原因會導致水力裂縫料選用不當，設備功率有限等原因會導致水力裂縫導流能力大幅降低而逐漸失去作用；有些井由于井導流能力大幅降低而逐漸失去作用；有些井由于井層選擇不當或作業方面原因也未能有效，對這類油層選擇不當或作業方面原因也未能有效，對這類油氣井，為了獲得高產和經濟的開采效益，必須要進氣井，為了獲得高產和經濟的開采效益，必須要進行重復壓裂。行重復壓裂。 地應力是油氣藏工程、油氣勘探與鉆井

3、、采油地應力是油氣藏工程、油氣勘探與鉆井、采油氣工程方案設計的基礎數據，在注采井網的布置、氣工程方案設計的基礎數據，在注采井網的布置、鉆井過程井壁的穩定性、地層破裂壓力的預測、定鉆井過程井壁的穩定性、地層破裂壓力的預測、定向井及水平井井身軌跡的設計與控制、油層改造措向井及水平井井身軌跡的設計與控制、油層改造措施中裂縫的方位與幾何尺寸的預測、油氣水井套管施中裂縫的方位與幾何尺寸的預測、油氣水井套管損壞的預測及預防、油氣井防砂預測等都離不開地損壞的預測及預防、油氣井防砂預測等都離不開地應力數據。應力數據。 開展壓裂技術理論的研究，尤其是進行地應力開展壓裂技術理論的研究，尤其是進行地應力的研究和巖石

4、力學的研究，加強壓裂新裂縫造縫機的研究和巖石力學的研究，加強壓裂新裂縫造縫機理、延伸規律的研究，對于指導大量的重復壓裂施理、延伸規律的研究，對于指導大量的重復壓裂施工，提高其工藝可行性和經濟可行性，進一步提高工，提高其工藝可行性和經濟可行性，進一步提高低滲透油氣藏開發水平，具有重要的現實意義和長低滲透油氣藏開發水平，具有重要的現實意義和長遠意義。遠意義。 地應力研究主要應用于如下方面：地應力研究主要應用于如下方面：1、研究地應力分量之間的關系確定水力壓裂裂縫的形態。、研究地應力分量之間的關系確定水力壓裂裂縫的形態。2、研究區域構造應力的變化更好的了解構造在不同地質時期、研究區域構造應力的變化更

5、好的了解構造在不同地質時期形成條件。形成條件。3、通過地應力方向測量，明確地應力與天然裂縫的關系、通過地應力方向測量，明確地應力與天然裂縫的關系,或或者說是天然裂縫與水力裂縫的關系者說是天然裂縫與水力裂縫的關系,為壓裂方案優化設計提供為壓裂方案優化設計提供了依據了依據.4、為壓裂開發井網的優化布置提供依據、為壓裂開發井網的優化布置提供依據.5、地應力數值為壓裂施工參數的優選、裂縫參數的預測、壓、地應力數值為壓裂施工參數的優選、裂縫參數的預測、壓裂材料的選擇提供了依據。裂材料的選擇提供了依據。6、分層地應力剖面的研究為壓裂裂縫縫高的預測及控制提供、分層地應力剖面的研究為壓裂裂縫縫高的預測及控制提

6、供了基礎。了基礎。7、地應力測量也為鉆井和氣井的生產管理提供了依據。、地應力測量也為鉆井和氣井的生產管理提供了依據。 本課題研究內容：本課題研究內容：（1）研究由測井資料進行地應力計算的方法。）研究由測井資料進行地應力計算的方法。（2）研究巖石力學參數的計算方法。）研究巖石力學參數的計算方法。（3）建立巖石力學參數計算模型。）建立巖石力學參數計算模型。（4）建立分層地應力剖面分析數學模型。）建立分層地應力剖面分析數學模型。（5）提供地應力剖面分析和計算方法。）提供地應力剖面分析和計算方法。四、分層地應力剖面分析技術四、分層地應力剖面分析技術 五、分層地應力剖面分析軟件（五、分層地應力剖面分析軟

7、件（MLSPMLSP）介紹）介紹 二、巖石的力學特性二、巖石的力學特性 前前 言言一、地應力理論研究進展一、地應力理論研究進展 三、地應力計算模式三、地應力計算模式 地應力是由上覆巖層壓力和地質運動等因素產生地應力是由上覆巖層壓力和地質運動等因素產生的，地應力數據可以通過測量或計算的方式獲取。到目的，地應力數據可以通過測量或計算的方式獲取。到目前為止，已發展了多種地應力測量技術，分前為止，已發展了多種地應力測量技術，分巖心測試巖心測試和和礦場測試礦場測試兩類。但地應力測量需要專用設備，一般需要兩類。但地應力測量需要專用設備，一般需要油井停產，費用高，難度大，不能大面積推廣，而且不油井停產，費用

8、高，難度大，不能大面積推廣，而且不能獲得沿深度連續的剖面。地應力與巖石的彈性特性密能獲得沿深度連續的剖面。地應力與巖石的彈性特性密切相關，可以利用聲波測井資料等計算巖石彈性參數，切相關，可以利用聲波測井資料等計算巖石彈性參數，這就為地應力剖面的連續計算創造了條件。這就為地應力剖面的連續計算創造了條件。 國外從八十年代初期便在低滲透油氣田的開發國外從八十年代初期便在低滲透油氣田的開發中加強地應力研究和應用，尤其是美國能源部在八中加強地應力研究和應用，尤其是美國能源部在八十年代進行的現場試驗項目十年代進行的現場試驗項目“對井試驗場對井試驗場MWXMWX”“階段試驗場階段試驗場SFESFE”，對地應

9、力的測量和應用，對地應力的測量和應用技術進行了系統的研究和應用；技術進行了系統的研究和應用； 國內從九十年代初期中國石油天然氣總公司組國內從九十年代初期中國石油天然氣總公司組織國內主要的研究應用單位開展了織國內主要的研究應用單位開展了“地應力測量及地應力測量及其在油氣田開發中的應用其在油氣田開發中的應用”攻關，推動了地應力測攻關，推動了地應力測量及應用技術在我國油氣田開發中的應用。量及應用技術在我國油氣田開發中的應用。 地應力模式為能反映地應力物理本質和實際規律的地應力模式為能反映地應力物理本質和實際規律的計算公式，大家習慣上稱之為地應力模式或計算模型。計算公式，大家習慣上稱之為地應力模式或計

10、算模型。到目前為止，人們已提出了一些地應力模式，取得了顯到目前為止，人們已提出了一些地應力模式，取得了顯著的進展。著的進展。 普遍采用以垂向應力為主應力且等干上覆巖層重量普遍采用以垂向應力為主應力且等干上覆巖層重量的假設，發展了多種計算模式。例如，莫爾庫侖以莫的假設，發展了多種計算模式。例如，莫爾庫侖以莫爾庫侖破壞準則建立了爾庫侖破壞準則建立了莫爾庫侖地層破壞模式莫爾庫侖地層破壞模式，即，即假設地層最大原地剪應力是由地層的抗剪強度決定的。假設地層最大原地剪應力是由地層的抗剪強度決定的。此模式適合于比較疏松的砂巖地層，但由于其假設條件，此模式適合于比較疏松的砂巖地層，但由于其假設條件，沒有普遍的

11、意義。沒有普遍的意義。發展最早的比較成熟的計算模式為發展最早的比較成熟的計算模式為單軸應變模式單軸應變模式，此模，此模式包含了金尼克模式、式包含了金尼克模式、MattewsMattews和和KeilyKeily模式、模式、AndersonAnderson模式。這類計算模式已經具備很大的實用性。模式。這類計算模式已經具備很大的實用性。19831983年石年石油大學黃榮樽教授在迸行地層破裂壓力預測新方法的研油大學黃榮樽教授在迸行地層破裂壓力預測新方法的研究中，提出了一個新的地應力計算模式，即究中，提出了一個新的地應力計算模式，即黃氏模式黃氏模式，可以解釋我國常見的三向應力不等的現象，但該模式未可以

12、解釋我國常見的三向應力不等的現象，但該模式未考慮巖石剛性對水平應力的影響。考慮巖石剛性對水平應力的影響。19881988年石油大學分析年石油大學分析了黃氏模式的不足提出了了黃氏模式的不足提出了組合彈簧模式組合彈簧模式，但此模式忽略，但此模式忽略巖石非線性特征，也未考慮熱應力影響。巖石非線性特征，也未考慮熱應力影響。 四、分層地應力剖面分析技術四、分層地應力剖面分析技術 五、分層地應力剖面分析軟件（五、分層地應力剖面分析軟件（MLSPMLSP）介紹）介紹 二、巖石的力學特性二、巖石的力學特性 前前 言言一、地應力理論研究進展一、地應力理論研究進展 三、地應力計算模式三、地應力計算模式 115 .

13、 02222pspstttt)1 (2 GEGtrocks2CKbulk12241()3rockpsKtt測得巖石的縱橫波速度與巖石密度，計算巖石的相關力學特性參數。測得巖石的縱橫波速度與巖石密度，計算巖石的相關力學特性參數。 剪切波速度與壓縮波速度之比剪切波速度與壓縮波速度之比: :這里這里 DTC DTC 和和 DTS DTS 分別指的是縱波傳播時間和橫波傳播時間，分別指的是縱波傳播時間和橫波傳播時間，單位是微秒單位是微秒/ /英尺。英尺。波松比波松比 (n) (n) 定義為定義為: :22DTCDTSR 222RR可直接計算楊氏模量可直接計算楊氏模量 (E),(E),單位是單位是1010

14、6 6psi:psi:2122R143134472RRDTCREb至少需要體積密度測井值至少需要體積密度測井值 (r(rb b) ) 及縱波傳播時間值。及縱波傳播時間值。 剪切模量剪切模量: G拉梅系數拉梅系數: l l綜合模量綜合模量: EsGE2 1lE11 2EGsl2剪切模量剪切模量拉梅系數拉梅系數楊氏模量楊氏模量泊松比泊松比體積模量體積模量已知參數特性已知參數特性計算參數特性計算參數特性 利用測井資料計算巖石力學參數是目前壓裂利用測井資料計算巖石力學參數是目前壓裂設計中巖石力學及應力剖面獲取的通常做法，準設計中巖石力學及應力剖面獲取的通常做法，準確計算需要三條曲線：確計算需要三條曲線

15、：ts, tc, b ， 而一般情況而一般情況具備橫波資料的井有限，為了利用縱波資料計算具備橫波資料的井有限，為了利用縱波資料計算分層應力剖面，需要建立縱波與波松比、楊氏模分層應力剖面，需要建立縱波與波松比、楊氏模量與縱波、巖石密度的相關關系，用于計算分層量與縱波、巖石密度的相關關系，用于計算分層巖石力學參數。巖石力學參數。四、分層地應力剖面分析技術四、分層地應力剖面分析技術 五、分層地應力剖面分析軟件（五、分層地應力剖面分析軟件（MLSPMLSP）介紹）介紹 二、巖石的力學特性二、巖石的力學特性 前前 言言一、地應力理論研究進展一、地應力理論研究進展三、地應力計算模式三、地應力計算模式 分層

16、應力是人工裂縫擴展的最關鍵的影響因素，它決定了裂縫在分層應力是人工裂縫擴展的最關鍵的影響因素，它決定了裂縫在縱向上的擴展。縱向上的擴展。11POBvHPP單軸應變模型單軸應變模型yyyxxxEExPOBHPP1構造應力構造應力/ /應變邊界模型應變邊界模型yxpOBHEPP211平面應變模型等平面應變模型等在理論分析和資料調研的基礎上，提出了一新的在理論分析和資料調研的基礎上，提出了一新的地應力模式。地應力模式。適用于水力壓裂裂縫為垂直裂縫（最小地應力在水平適用于水力壓裂裂縫為垂直裂縫（最小地應力在水平方向）的模式：方向）的模式：PTpvHPVHPTpvhPVhHVPTEPEKPPTEPEKP

17、gdhh11)()(111)()(1)(0適用于水力壓裂裂縫為水平裂縫適用于水力壓裂裂縫為水平裂縫( (最小地應力在垂直方最小地應力在垂直方向上向上) )的模式的模式 ：HPTpvHPVHhPTpvhPVhHVPTEPEKPPTEPEKPgdhh11)()(111)()(1)(0四、分層地應力剖面分析技術四、分層地應力剖面分析技術 五、分層地應力剖面分析軟件（五、分層地應力剖面分析軟件（MLSPMLSP）介紹）介紹 二、巖石的力學特性二、巖石的力學特性 前前 言言一、地應力理論研究進展一、地應力理論研究進展三、地應力計算模式三、地應力計算模式 許多低孔、低滲砂巖、砂礫巖、火成巖、變質許多低孔、

18、低滲砂巖、砂礫巖、火成巖、變質巖油氣藏等，均需要靠水力或酸化壓裂來提高油氣巖油氣藏等，均需要靠水力或酸化壓裂來提高油氣產量，但由于儲層的復雜性，無法直接提供準確的產量，但由于儲層的復雜性，無法直接提供準確的地層應力數據。特別是在全三維壓裂設計軟件廣泛地層應力數據。特別是在全三維壓裂設計軟件廣泛應用的今天，壓裂設計往往是定性分析，缺乏準確應用的今天，壓裂設計往往是定性分析，缺乏準確可靠的地應力分析結果，僅依靠現場判斷，先進的可靠的地應力分析結果，僅依靠現場判斷，先進的全三維壓裂設計軟件難以發揮其優勢。全三維壓裂設計軟件難以發揮其優勢。 地應力數據可以通過測量或計算的方式獲取。地應力數據可以通過測

19、量或計算的方式獲取。到目前為止，已發展了多種地應力測量技術，分巖到目前為止，已發展了多種地應力測量技術，分巖心測試和礦場測試兩類。但地應力測量需要專用設心測試和礦場測試兩類。但地應力測量需要專用設備，一般需要油井停產，費用高、難度大，不能大備，一般需要油井停產，費用高、難度大，不能大面積推廣，而且不能獲得沿深度連續的剖面。地應面積推廣，而且不能獲得沿深度連續的剖面。地應力與巖石的彈性特性密切相關，可以利用聲波測井力與巖石的彈性特性密切相關，可以利用聲波測井資料等計算巖石彈性參數，這就為地應力剖面的連資料等計算巖石彈性參數，這就為地應力剖面的連續計算創造了條件。續計算創造了條件。 四、分層地應力

20、剖面分析技術四、分層地應力剖面分析技術 五、分層地應力剖面分析軟件（五、分層地應力剖面分析軟件（MLSPMLSP）介紹）介紹 二、巖石的力學特性二、巖石的力學特性 前前 言言一、地應力理論研究進展一、地應力理論研究進展三、地應力計算模式三、地應力計算模式 根據油水井工程設計的需要，在理論研究的基礎上根據油水井工程設計的需要，在理論研究的基礎上開發出的分層地應力分析計算軟件。使用該軟件，可以開發出的分層地應力分析計算軟件。使用該軟件，可以直接提供準確可靠的地應力分析結果，為壓裂設計、注直接提供準確可靠的地應力分析結果，為壓裂設計、注水設計工程師提供巖石力學、裂縫延伸預測、極限注水水設計工程師提供

21、巖石力學、裂縫延伸預測、極限注水壓力預測等決策依據。壓力預測等決策依據。通過大量的試驗測試和調研分析我們建立或篩選了通過大量的試驗測試和調研分析我們建立或篩選了一些巖石力學與工程參數經驗關系式，利用測井解釋給一些巖石力學與工程參數經驗關系式，利用測井解釋給出的巖石彈性波速、孔隙度、泥質含量等參數可計算獲出的巖石彈性波速、孔隙度、泥質含量等參數可計算獲得地層巖石的力學與工程參數，如楊氏模量、泊松比、得地層巖石的力學與工程參數，如楊氏模量、泊松比、單軸抗壓強度、抗拉強度、內聚力、內摩擦角、可鉆性、單軸抗壓強度、抗拉強度、內聚力、內摩擦角、可鉆性、硬度等，在此基礎上，進行地應力分析和井壁穩定性分硬度

22、等，在此基礎上，進行地應力分析和井壁穩定性分析等工作。析等工作。 分層地應力分析計算軟件集成了多年來巖石力學分層地應力分析計算軟件集成了多年來巖石力學參數和地應力計算方面的研究成果，是適合油田開發參數和地應力計算方面的研究成果，是適合油田開發實際的一套實用性很強的軟件。使用該軟件，用戶可實際的一套實用性很強的軟件。使用該軟件，用戶可根據提供的測井數據文件繪制測井曲線圖，從而確定根據提供的測井數據文件繪制測井曲線圖，從而確定地應力及并壁穩定分析的井段范圍，然后根據需要計地應力及并壁穩定分析的井段范圍，然后根據需要計算巖石力學參數、工程參數以及破裂壓力和坍塌壓力算巖石力學參數、工程參數以及破裂壓力

23、和坍塌壓力等，最終繪制出地應力分析連續剖面圖。等，最終繪制出地應力分析連續剖面圖。該模塊主要進行油氣井數據的管理和該模塊主要進行油氣井數據的管理和測井曲線數據導入，軟件支持各種測井文件。油氣井數測井曲線數據導入，軟件支持各種測井文件。油氣井數據包括油氣井基本數據、井位數據、巖性數據、井眼軌據包括油氣井基本數據、井位數據、巖性數據、井眼軌跡數據等。跡數據等。該模塊進行測井數據的預處理該模塊進行測井數據的預處理和解釋，主要包括深度和井徑擴大校正、孔隙度、泥質和解釋，主要包括深度和井徑擴大校正、孔隙度、泥質含量和密度的計算等，并生成測井解釋圖，如下圖含量和密度的計算等，并生成測井解釋圖，如下圖1中中

24、所示。所示。 該模塊主要進行計算地該模塊主要進行計算地層巖石的力學與工程參數，如楊氏模量、泊松比、層巖石的力學與工程參數，如楊氏模量、泊松比、Biot系數、單軸抗壓強度、抗拉強度、內聚力、內摩擦角、系數、單軸抗壓強度、抗拉強度、內聚力、內摩擦角、可鉆性、出砂指數等。可鉆性、出砂指數等。 該模塊進行分層地應力剖面分析計算，并繪制生成該模塊進行分層地應力剖面分析計算，并繪制生成地應力剖面圖。在分析評價之前，需要先選擇合適的地地應力剖面圖。在分析評價之前，需要先選擇合適的地應力計算模式和破裂壓力計算方法。在地應力計算模式應力計算模式和破裂壓力計算方法。在地應力計算模式中，包含平面應變模型、構造應變模型、單軸應變模型中，包含平面應變模型、構造應變模型、單軸應變模型等。計算完成后，詳細計算數據將輸出到文本編輯軟件等。計算完成后，詳細計算數據將輸出到文本編輯軟件中，