地层破裂压力预测研究地层破裂压力预测研究二零零六年八月二零零六年八月汇报人：黄文新汇报人：黄文新长江大学地球物理与石油资源学院长江大学地球物理与石油资源学院2024/7/191地层破裂压力预测研究一、主要研究内容一、主要研究内容二、主要工作二、主要工作三、地层破裂压力预测基本原理三、地层破裂压力预测基本原理 四、四、ForwardForward平台下的软件设计模块平台下的软件设计模块 五、应用实例五、应用实例 汇报内容汇报内容2024/7/192地层破裂压力预测研究主要研究内容主要研究内容（1）地应力解释模型和计算方法研究）地应力解释模型和计算方法研究 各向同性模型各向同性模型 各向异性模型各向异性模型 地层应力地层应力 破裂压力破裂压力 井壁坍塌压力井壁坍塌压力 井眼稳定性井眼稳定性2024/7/193地层破裂压力预测研究（2）压裂造缝的横向预测技术研究；）压裂造缝的横向预测技术研究； 造缝高度造缝高度 造缝宽度造缝宽度 造缝径向长度造缝径向长度（3）Forward 平台下软件开发平台下软件开发 解释流程界面化解释流程界面化 地应力计算模块地应力计算模块 压裂造缝模块压裂造缝模块2024/7/194地层破裂压力预测研究二、完成的主要工作二、完成的主要工作1 1完成的主要工作完成的主要工作 地应力计算模型 各向同性和各向异性地应力计算模型 地层破裂压力计算井壁坍塌压力的计算 安全钻井泥浆密度确定 水力压裂二维裂缝扩展模型 ForwardForward平台下的软件设计模块平台下的软件设计模块 各向同性模型地应力计算模块 各向异性模型地应力计算模块 井眼坍塌和稳定性预测模块 水力压裂计算模块 处理了五口井的资料 2024/7/195地层破裂压力预测研究2024/7/196地层破裂压力预测研究三、地层破裂压力预测基本原理三、地层破裂压力预测基本原理1 地应力计算模型2 井壁上的应力分布 3 地层破裂压力计算 4 井壁坍塌压力的计算 5 安全钻井泥浆密度确定 6 水力压裂二维裂缝扩展模型 2024/7/197地层破裂压力预测研究1 1）各向同性地应力计算模型）各向同性地应力计算模型 （一）、地应力计算模型 利用电缆地层测试或压力恢复测试资料，在不考虑构造应力影响情况下，各向同性模型计算水平应力公式为：PR PR 泊松比泊松比P Pob ob 上覆岩层压力上覆岩层压力P Pp p 孔隙流体压力孔隙流体压力 Biot Biot 常量常量针对：针对： 声波全波测井声波全波测井 偶极横波测井偶极横波测井 无横波资料无横波资料2024/7/198地层破裂压力预测研究二、地层破裂压力预测基本原理二、地层破裂压力预测基本原理 地应力计算主要有以下几个方面的优势：（1） 可充分利用测井资料提供的大量信息，方便、迅速地得到沿深度连续分布的地应力剖面，对没有进行地应力实测的地层可计算得到较为准确的地应力数据。（2） 节省昂贵的地应力测试费用，具有很大的经济意义。（3） 对计算得到的连续地应力剖面可以进行数学分层处理。（4） 利用地应力计算可对油田开发过程中地应力场的变化规律分析。 1 地应力计算模型 2024/7/199地层破裂压力预测研究2 2）各向异性地应力计算模型）各向异性地应力计算模型 应力与泊松比的关系应力与泊松比的关系: : 2024/7/1910地层破裂压力预测研究考虑到孔隙流体压力的影响，考虑到孔隙流体压力的影响，x x和和y y方向的地应力表达方向的地应力表达式为：式为： E E 杨氏模量杨氏模量针对：针对： 正交偶极横波测井正交偶极横波测井 2024/7/1911地层破裂压力预测研究3) 3) 基于应力与应变关系的地应力计算模式基于应力与应变关系的地应力计算模式 Sx 、Sy 耦合系数 针对：针对： 正交偶极横波测井正交偶极横波测井 2024/7/1912地层破裂压力预测研究2 2 井壁上的应力分布井壁上的应力分布 井壁周围应力分布示意图 2024/7/1913地层破裂压力预测研究将板两端承受将板两端承受x x方向的压力，与井轴距离方向的压力，与井轴距离r r并与按反时针并与按反时针方向成方向成 角处的径向应力、周向应力、剪切应力分别表示角处的径向应力、周向应力、剪切应力分别表示为：为：2024/7/1914地层破裂压力预测研究 如果考虑井中泥浆柱及孔隙压力的影响如果考虑井中泥浆柱及孔隙压力的影响, ,井壁径向和井壁径向和周向应力分布关系表达式如下：周向应力分布关系表达式如下： P PM M泥浆柱压力泥浆柱压力MpaMpa2024/7/1915地层破裂压力预测研究3 3 地层破裂压力计算地层破裂压力计算 从力学上说，地层破裂压力是由于井内泥浆密度过大使岩石所受的周向应力超过岩石的拉伸强度所造成，即 为拉伸强度）。当钻井泥浆柱压力地层可能被钻裂。 地层破裂压力：地层破裂压力：2024/7/1916地层破裂压力预测研究4 4 井壁坍塌压力的计算井壁坍塌压力的计算 库仑库仑- -摩尔准则摩尔准则 2024/7/1917地层破裂压力预测研究（五）井壁坍塌压力的计算 岩石剪切破坏与否主要受岩石所受到的最大最小应力控岩石剪切破坏与否主要受岩石所受到的最大最小应力控制，制， 的差值越大，井壁越易坍塌，从井壁受力状态中的差值越大，井壁越易坍塌，从井壁受力状态中可以发现岩石的最大最小主应力分别为其周向应力和径向可以发现岩石的最大最小主应力分别为其周向应力和径向应力，这说明导致井眼失稳的关键原因是应力，这说明导致井眼失稳的关键原因是井壁岩石所受的井壁岩石所受的周向应力和径向应力差值周向应力和径向应力差值，即，即 大小大小: : 井壁坍塌压力井壁坍塌压力:C C岩石固有剪切强度岩石固有剪切强度 MpaMpa2024/7/1918地层破裂压力预测研究5 安全钻井泥浆密度确定 最小最大安全钻井液密度计算表达式为： 从力学的角度来说，造成井壁失稳的原因主要是由于地从力学的角度来说，造成井壁失稳的原因主要是由于地应力和井内泥浆柱压力联合作用于井壁上的应力超过岩石应力和井内泥浆柱压力联合作用于井壁上的应力超过岩石的强度而引起的剪切破坏或拉伸破坏，井内浆柱压力过低的强度而引起的剪切破坏或拉伸破坏，井内浆柱压力过低时，脆性地层会产生坍塌掉块而使井径扩大，塑性地层则时，脆性地层会产生坍塌掉块而使井径扩大，塑性地层则向井眼内产生塑性变形而造成缩径，井内泥桨柱压力过高向井眼内产生塑性变形而造成缩径，井内泥桨柱压力过高时，脆性地层易产生裂缝，疏松地层易渗漏时，脆性地层易产生裂缝，疏松地层易渗漏 安全钻井泥浆密度计算安全钻井泥浆密度计算 分别为最小、最大分别为最小、最大安全钻井泥浆密度个安全钻井泥浆密度个g/cm32024/7/1919地层破裂压力预测研究6 6 水力压裂二维裂缝扩展模型水力压裂二维裂缝扩展模型在两维压裂模型中，裂缝延伸过程中裂缝高度假设不变，可变在两维压裂模型中，裂缝延伸过程中裂缝高度假设不变，可变量为宽度和长度（或裂缝半径）量为宽度和长度（或裂缝半径） 1 1、PKNPKN模型模型 PKN裂缝扩展示意图 假设： 裂缝有一个固定高度，与缝长无关裂缝有一个固定高度，与缝长无关 与裂缝扩展方向垂直的横截面中的液体压力与裂缝扩展方向垂直的横截面中的液体压力P P为常数为常数 每一个垂直截面独立变形，不受邻近截面的妨碍每一个垂直截面独立变形，不受邻近截面的妨碍 在垂直于裂缝长轴的平面内，裂缝面一般保持为椭圆形 2024/7/1920地层破裂压力预测研究2 2、Gdk Gdk 模型模型 GdK裂缝扩展示意图假设： 缝高依然是固定的. 裂缝宽度与缝高无关 裂缝形状在平面上为椭圆形，在裂缝形状在平面上为椭圆形，在 垂直面上为矩形垂直面上为矩形 2024/7/1921地层破裂压力预测研究PKNPKN模型计算公式模型计算公式GdKGdK模型计算公式模型计算公式缝长缝长缝宽缝宽 缝长缝长缝宽缝宽 C1 C2 C4 C5 模型系数，模型系数，t时间（分）时间（分）2024/7/1922地层破裂压力预测研究四、四、 ForwardForward平台下的软件设计模块平台下的软件设计模块 1 1 各向同性模型地应力计算模块2 各向异性模型地应力计算模块3井眼坍塌和稳定性预测模块4 水力压裂计算模块 准噶尔盆地地层破裂压力预测操作手册准噶尔盆地地层破裂压力预测操作手册一、安装环境一、安装环境2二、 生成测井处理框架生成测井处理框架 2三、形成在三、形成在ForwardForward环境下的可执行程序环境下的可执行程序 6四、四、Forward Forward 下运行执行程序下运行执行程序6五、各模块的操作及说明五、各模块的操作及说明71 各向同性模型地应力计算模块72 各向异性模型地应力计算模块93 井眼坍塌和稳定性预测模块114 水力压裂计算模块13六、参数卡实例六、参数卡实例16软件操作参看操作手册2024/7/1923地层破裂压力预测研究 利用Forward提供的SDK开发软件包中的测井处理框架，编制了四个计算模块。所有方法均采用C语言在Visual C+6.0环境下编制。 测井处理框架是一种基于logFrame底层的多文档或单文档应用程序，logFrame底层定义了 应用类ClogFrameApp 主窗口类ClogMDIMainFrame 子窗口类ClogchildFrame 文档类ClogPrecessDoc 视图类ClogProcessWiew 及许多图形对象类，应用软件仅需要完成自己的处理方法对象类，通过底层函数，应用程序可以访问所有的图形对象，修改图形的显示方式，控制鼠标动作，加入自己的图形对象，形成一个应用程序。 2024/7/1924地层破裂压力预测研究1、各向同性模型地应力计算模块 该模块主要是针对测井提供的纵波、横波资料所设该模块主要是针对测井提供的纵波、横波资料所设计的计算模块，主要通过测井资料，计算各向同性弹性计的计算模块，主要通过测井资料，计算各向同性弹性参数及相关参数，利用各向同性模型计算地应力参数及相关参数，利用各向同性模型计算地应力。 2024/7/1925地层破裂压力预测研究2024/7/1926地层破裂压力预测研究2 各向异性模型地应力计算模块 该模块主要是针对测井提供的正交偶极横波资料该模块主要是针对测井提供的正交偶极横波资料所设计的计算模块所设计的计算模块, ,利用正交偶极横波资料的快横波和利用正交偶极横波资料的快横波和慢横波时差，结合其它资料，计算不同方向的弹性参慢横波时差，结合其它资料，计算不同方向的弹性参数及其它参数，采用两种模型计算地应力。当快慢横数及其它参数，采用两种模型计算地应力。当快慢横波相等时，计算的水平应力大小相同，否则它们大小波相等时，计算的水平应力大小相同，否则它们大小有差异，反映地层呈各向异性。有差异，反映地层呈各向异性。 2024/7/1927地层破裂压力预测研究2024/7/1928地层破裂压力预测研究3 3、井眼坍塌和稳定性预测模块、井眼坍塌和稳定性预测模块 该模块是在各向同性和各向异性模型地应力计该模块是在各向同性和各向异性模型地应力计算完成后，根据计算结果，计算井眼坍塌压力和最算完成后，根据计算结果，计算井眼坍塌压力和最大最小安全钻井泥浆密度，即井眼稳定性预测。大最小安全钻井泥浆密度，即井眼稳定性预测。 2024/7/1929地层破裂压力预测研究2024/7/1930地层破裂压力预测研究4 4、水力压裂计算模块、水力压裂计算模块 该该模模块块首首先先用用水水平平应应力力预预测测不不同同地地面面压压力力增增量量（如如150psi、300psi）下下，水水力力压压裂裂后后的的裂裂缝缝高高度度，根根据据PKN和和GdK二二维维裂裂缝缝模模型型计计算算高高度度一一定定的的情情况况下下，裂裂缝宽度和长度。缝宽度和长度。2024/7/1931地层破裂压力预测研究2024/7/1932地层破裂压力预测研究石石002002井各向同性模型计算地应力图井各向同性模型计算地应力图 实测应力值：实测应力值：x x=74.1Mpa =74.1Mpa y y=81.8Mpa=81.8Mpa处理应力值：处理应力值：x x=72.2Mpa =72.2Mpa y y=81.6Mpa=81.6Mpa五、应用实例五、应用实例 2024/7/1933地层破裂压力预测研究石002井井眼坍塌和稳定性预测图 实测破裂压实测破裂压力值：力值：Pf=96.9MpaPf=96.9Mpa处理破裂压处理破裂压力值：力值：Pf=97.5MpaPf=97.5Mpa2024/7/1934地层破裂压力预测研究 石002井水力压裂预测图 2024/7/1935地层破裂压力预测研究石石002002井破裂压力裂缝长宽高预测图井破裂压力裂缝长宽高预测图 2024/7/1936地层破裂压力预测研究石石002002井破裂压力裂缝长宽高预测饼状图井破裂压力裂缝长宽高预测饼状图 2024/7/1937地层破裂压力预测研究2024/7/1938地层破裂压力预测研究T85489井各向同性模型计算地应力图 2024/7/1939地层破裂压力预测研究 T85489T85489井各向异性模型计算地应力图井各向异性模型计算地应力图 2024/7/1940地层破裂压力预测研究 T85489井井眼坍塌和稳定性预测（各向异性）图 2024/7/1941地层破裂压力预测研究T85489T85489井井眼坍塌和稳定性预测（各向同性）图井井眼坍塌和稳定性预测（各向同性）图 2024/7/1942地层破裂压力预测研究T85489井水力压裂计算图 2024/7/1943地层破裂压力预测研究T85489井破裂压力裂缝长宽高度预测图 2024/7/1944地层破裂压力预测研究T85489井破裂压力裂缝长宽高度预测饼状图 2024/7/1945地层破裂压力预测研究