6-油田新技术-地质力学分析新方法.pdf

地质力学分析新方法应力与压力对任何油藏、 井筒及完井装置都会产生影响 钻井、 开采及注入过程都会使应力和压力发生变化， 有时会给作业者带来 不利影响随着地质力学测量、模拟和监测技术的不断发展，在油 气田从评价到废弃的整个生命期内， 勘探与生产公司都能够预测应 力及压力的变化情况，并降低这些变化所造成的不利影响John Cook 英国剑桥René A. Frederiksen Klaus Hasbo Hess丹麦公司 丹麦哥本哈根Sidney Green Arnis Judzis J. Wesley Martin Roberto Suarez-Rivera 美国犹他州盐湖城Jorg Herwanger Patrick Hooyman Don Lee Sheila Noeth Colin Sayers 美国得克萨斯州休斯敦Nick Koutsabeloulis Robert Marsden 英国BracknellMorten G. Stage DONG能源公司 丹麦HørsholmChee Phuat Tan 马来西亚吉隆坡在编写本文过程中得到以下人员的帮助， 谨表谢 意：达拉斯的Ben Elbel；得克萨斯州Rosharon的Ian Walton，以及法国Clamart 的 Smaine Zeroug。

还要 感谢Hess丹麦公司、 DONG勘探与生产公司、 Noreco 公司和 Danoil 提供了北海实例研究的相关资料ECLIPSE， Petrel， TerraTek， UBI （超声波井眼成像测 井仪）和VISAGE 等是斯伦贝谢公司的商标36油田新技术若改变岩石应力，岩石就会变形， 岩石的体积、 几何形状以及流体流经岩 石内部的路径均会发生改变 地层应力 状态受多种因素的影响，包括岩石类 型、沉积环境、区域地质构造、侵蚀或 隆起阶段以及局部地震扰动， 甚至还包 括潮汐变化 岩石组构的不同使得这些 应力源的影响变得更为复杂 地层对应力变化的反应方式越来越 成为勘探与生产公司关注的焦点 在较 长地质时期内已经达到平衡状态的油藏 地应力在钻井、 开采和注入过程中都会 发生改变 如果没有预先采取措施应对 钻井或开采引起的应力变化， 那么， 管 理某一勘探区所遇到的困难及所需要的 费用会远远超出作业者最初的预期 为 了描述油藏的应力、应变以及形变特 征， 勘探与生产公司一般都采用地质力 学这一学科 该学科涉及广泛领域， 运 用固体力学、流体力学、工程学、地质 学以及物理学来确定岩石及其包含的流 体是如何对力产生反应的，或确定钻 井、 完井与开采是如何引起应力、 压力 和温度变化的。

过去， 大多数钻井与生产部门没有 特别关注地层应力和地质力学分析 ； 许多油藏在技术上被认为是简单的， 并且 仅实施部分衰竭开采 但是油气资源量 的不断递减以及油价的不断上升促使作 业者越钻越深，油井轨迹越来越复杂， 同时， 新技术的应用延长了老油田的寿 命因此，在评估钻井与开采困难时， 作业者越来越关注地质力学分析， 尤其 是那些在高温高压构造活跃探区或超深 水探区安装了昂贵的完井装置， 并想竭 尽全力保护其投资的作业者 不重视地质力学分析的重要性可能 会带来非常严重的后果过量泥浆漏 失、井筒失稳、套管挤压或剪切、油藏 压实、地表下沉、出砂、断层复活、油 藏盖岩失去密封性等可能都是地层内应 力发生变化的表现 在钻井和生产过程中， 一些作业者 被动地对应力或岩石组构的变化做出反 应，而另外一些作业者则主动采取措 施 通过岩心测试以及对岩石强度、 变 形和应力特性进行地质力学模拟， 采取 主动的作业者能够对油气井和油气田进 行更科学的设计 最近， 这些努力得到 了在英国 Bracknell 和美国休斯敦以及 犹他州盐湖城新建的地质力学研究中心 的支持372007年秋季刊??? ?? σ1????????? σ3??????本文介绍了地质力学实验室测试 技术、 应力相关的油藏模拟以及监测技 术等方面的新进展。

斯伦贝谢地质力学 卓越实验室中心和斯伦贝谢油藏地质力 学卓越中心所进行的现场研究， 说明了 此门学科是如何帮助勘探与生产公司优化开采难度日益加大的油气藏的钻井 与生产活动的地下应力 作用于地层的各种应力在起源、 大小和方向上各有不同天然垂直地应力主要来源于上覆岩层重量水平应 力也有引力分量，区域地质构造、热效 应和地质构造可能会使这一引力分量增 强而其他因素（如岩性、孔隙压力和 温度）则影响应力大小和方向，以及岩 石对应力的反应程度38油田新技术> 原地应力与主应力 用符号σV 、 σH和σh表示地下立方体物质的应力， 其 中，V表示垂直，H表示较大水平应力的方向，h则表示较小水平应力的方 向为简便起见，常假设它们为主应力方向，但应力的主方向可围绕这三 个轴大幅度旋转主应力一般用σ1 、σ2和σ3表示，按照应力大小降序排 列如果主应力方向与垂直和水平方向不一致，沿立方体表面所示方向也 会存在剪切应力σVσVσHσHσh????????????????> 应力-应变图岩石体积变化时，经历弹性变形的岩石储存应变能量撤 掉外加的边界应力后，岩石会恢复到初始变形状态，应变能量则恢复到其 初始值。

施加更大的应力后，岩石变形为非弹性且是不可恢复的，内部结 构发生了变化（从屈服点开始） ，如微裂隙、颗粒破碎或颗粒边界滑移等 这些变化导致永久性的体积变化，常常被称作塑性变形更高的应力最终 会引起岩石破裂 （破裂点） ， 组成颗粒与胶结物的破碎或破裂以及矿物溶解 等就属于这一情形应力是作用于某一给定区域上力的 量度， 由法向分量与剪切分量组成 法 向应力（σ）垂直于平面或岩石表面， 剪切应力（τ）则沿着平面表面从数 学角度上看， 有一个正交轴方向， 可确 定剪切应力为零时的应力方向 这个方 向可确定应力的主轴， 而主轴上的外加 应力则是严格意义上的法向应力 在天然岩层中， 常常假设这些正交 主轴是垂直或水平的（左图） ；但实际 情况往往并非如此 地层内应力大小与 方向随着地层构造倾角的变化而变化， 当存在断层、 盐刺穿、 山脉以及其他复 杂构造时， 可使主应力的垂直和水平方 向发生旋转[1] 地下地层的变形受到限制， 因为有 三个应力分量相互关联， 某一方向上的 任何应力变化都会伴随着应力在正交轴 上的变化 例如， 当连续沉积加深埋藏 深度时， 从地层在水平方向上伸展的程 度可知， 上覆岩层垂直应力的增强使水 平应力发生了变化。

此反应一般会受到 限制岩石变形的围岩的影响 地层性质 的不同也会增强相邻岩性的应力差 此 外， 地层各向异性也可引起侧向应力在 某一方向上比另外方向上要大 岩体通过不同的应变或变形方式回 应外加应力，会造成体积和形状的变 化， 并常常伴随着岩石性质的变化 （左 图） 在岩石最终破裂之前，其变形程 度从可逆或弹性变形到永久或塑性变 形 压力、 张力或剪切力引起的变形会 造成岩石压实、拉伸、平移或旋转，并 最终由于剪切、压裂或断裂作用而破 裂 除了外加应力大小之外， 岩石对应 力的反应很大程度上取决于岩石类型、 胶结程度、 孔隙度和埋藏深度 在砂岩 中， 岩石颗粒间接触点的大小、 形状与 面积影响变形程度 在石灰岩中， 基岩 骨架的形状与强度影响变形程度[2] 应力的小幅度增加一般会引起小的 应变， 岩石可从这种小应变中恢复 超 过某一点，岩石会发生塑性变形或破 裂 最大应力与最小应力之间的关系决> 变形与破裂不同形式的变形与破裂可以绘成剪切应力（Q）与平均有效应 力(P’)的关系图P’相对较低、Q相对较高的情况下，在与主应力轴成一定角 度的平面方向上有局部应力时， 一般会发生岩石破裂 P’相对较高、 Q相对较 低的情况下， 岩石可能会被压实或者孔隙会坍塌。

（根据Scott的资料修改， 参 考文献3）392007年秋季刊1. Addis MA： “The Stress-Depletion Response of Reservoirs” ， SPE 38720， 发表在SPE技术年会暨 展览会上，得克萨斯州San Antonio，1997年10 月5-8日2. Geertsma J： “Land Subsidence Above Compacting Oil and Gas Reservoir” ，SPE 3730，发表在 SPE- AIME欧洲春季会议上，阿姆斯特丹，1972年5 月16-18日3. 有关应力路径更多的信息，请参见：Crawford B和Yale DP： “Constitutive Modeling of Deformation and Permeability ：Relationships between Critical State and Micromechanics” ，SPE/ISRM 78189，发 表在SPE/ISRM岩石力学会议上，得克萨斯州 Irving，2002 年10月20-23日Rhett DW和Teufel LW： “Effect of Reservoir Stress Path on Compressibility and Permeability of Sandstones” ，SPE 24756，发表在SPE 技术年会暨展览会上， 华盛顿特区， 1992年10月4-7日。

Scott TE： “The Effects of Stress Paths on Acoustic Velocities and 4D Seismic Imaging” ，The Leading Edge，26卷，第5 期（2007年5 月） ：602-608Teufel LW，Rhett DW 和 Farrell HE： “Effect of Reservoir Depletion and Pore Pressure Drawdown on In-Situ Stress and Deformation in the Ekofisk Field， North Sea” ，第32届美国岩石力学专题研讨会 论文集荷兰鹿特丹：A.A. Balkema（1991 年） ：63-724. 在应力路径、剪切应力与平均应力之间存在 着一种关系应力路径（K）可以表示为K=Δ σ3 /Δσ1，剪切应力（Q）可表示为 Q= σ1 －σ3，有效平均应力（P'）可表示为P' = (σ1 + σ2 +σ3 ) /3在实验室单轴应力试验中，最小 主应力与中间主应力被视为相等（σ2＝σ3） ； 根据Crawford和Yale的论述（参考文献3） ，P'- Q平面中与应力路径K相对应的斜率η可由如 下公式计算而得：5. Doornhof D，Kristiansen TG，Nagel NB，Pattillo PD 和 Sayers C： “压实和沉降作用” ， 《油田新技 术》 ，18卷，第 3期（2006年夏季刊） ：50-68。

6. Addis，参考文献 17. Choi SK和 Tan CP： “Modeling of Effects of Drilling Fluid Temperature on Wellbore Stability” ， SPE/ISRM 石油工程岩石力学研讨会论文集，挪威特隆 赫姆（1998 年 7 月 8-10日） ：471-477Li X，Cui L 和 Roegiers J： “Thermoporoelastic Analysis for Inclined Borehole Stability” ， SPE/ISRM 石油工程岩石力学研讨会论文集，挪威特隆 赫姆（1998 年 7 月 8-10日） ：443-452 ??????????? (P'): (σ1 + σ2 + σ3) / 3???? (Q): σ1 – σ3??? ????????????????。