岩石力学实验技术

岩石力学实验技术交流人：李世杰一、简介二、实验类型及测试参数三、在石油工程领域中的应用汇报提纲一.简介岩石力学发展现状“岩石力学是研究岩石力学性能的理论和应用的科学”。它在石油工程领域中的应用起步较晚，国内外上世纪90年代后才得到较快发展。岩石力学发展现状目前国内外石油工程领域岩石力学的研究主要集中在以下几方面：•岩石物理力学性质的井下地球物理解释；•地层岩石的力学性质及在开采中的变化规律；•地下的岩石物性和声学响应特征；•水力压裂力学研究；•井眼稳定、储层出砂、优化射孔、稠油冷热采等井下工程研究；一.简介岩石力学发展现状•油气藏开采引起的地层错动、蠕变和地面沉降研究；•石油开采中的流固耦合问题及孔隙结构的变形和坍塌；•应力场、温度场和渗流场作用下的流固耦合分析；•流固耦合油气藏数值模拟理论和方法研究；•地应力测试技术；•地应力场的演变及天然裂缝的形成与扩展的规律。目前国内外石油工程领域岩石力学的研究主要集中在以下几方面：一.简介实验设备简介•轴向力:σ≤149吨•围压:Pc≤138MPa•孔隙压力:Pp≤103MPa•模拟温度:T≤200℃技术指标一.简介设备的工作原理计算机自动控制环境条件模拟岩石静态、动态参数测试力学参数声学参数渗透性参数其它参数实验设备简介一.简介一、简介二、实验类型及测试参数三、在石油工程领域中的应用汇报提纲汇报提纲二.实验类型及测试参数室内岩石力学研究方法静态法静态法：是通过对岩样进行静态加载，测试获得。动态法：是通过测定声波在岩样中的传播速度而获得。单轴压缩实验三轴压缩实验巴西劈拉实验断裂韧性实验蠕变实验•••室内声波实验声发射实验动态法бб1.单轴压缩实验实验方法：不加侧向约束力，对圆柱状岩样连续施加轴向载荷，直至破坏。上端帽下端帽热缩套应变传感器岩样岩样组件示意图二.实验类型及测试参数1.单轴压缩实验maxaUUCSC或05101520-0.016-0.012-0.008-0.0040.0000.0040.0080.012(径向)应变，mm/mm(轴向)轴向应力，MPaACaaEarBDC0OB'maxa0C压密阶段弹性变形阶段塑性变形阶段破坏后阶段屈服点残余强度二.实验类型及测试参数1.单轴压缩实验计算公式：aaEarmax0aC二.实验类型及测试参数测试参数：单轴抗压强度、杨氏模量、泊松比2.三轴压缩实验加孔压的三轴压缩实验实验也可以模拟地层温度条件实验方法：是在恒定围压（和恒定孔隙压力）条件下，对圆柱状岩样连续施加轴向载荷，直至岩样破坏。二.实验类型及测试参数不加孔压的三轴压缩实验岩样pccPPP''cP'cPбdбd2.三轴压缩实验010203040506070-0.012-0.0060.0000.0060.012(径向)应变，mm/mm(轴向)轴向应力差，MPa轴向应变径向应变1径向应变2maxd三轴压缩应力应变曲线二.实验类型及测试参数'max)'(cdcPPC)21(3)1(2EKEGEaraa2.三轴压缩实验加孔压的三轴压缩实验加载方式二.实验类型及测试参数ACDBOFE2.三轴压缩实验围压（MPa）体积应变根据体积应变——围压关系曲线计算压缩系数ⅢⅡⅠbgCC10)(1133PPPPbbgPdPVVVVC013pbbbdPVVC加孔压的三轴压缩实验二.实验类型及测试参数2.三轴压缩实验利用一个单轴压缩实验和三至五个三轴压缩实验，可以绘制莫尔圆及破裂包络线。0二.实验类型及测试参数内聚力、内摩擦角2.三轴压缩实验库仑破裂包络线的表达式：tan0二.实验类型及测试参数3.巴西劈拉实验实验方法：利用Brazil实验间接测定岩样的抗拉强度。原理是在岩样的直径方向上，以恒定的加载速率，连续施加相对的线形荷载，使之沿直径方向破坏。二.实验类型及测试参数岩样尺寸：直径50.4mm厚度与直径之比为0.5:1~1:13.巴西劈拉实验1.半球轴承，2—上加载鄂，3—螺孔，4—导杆，5—下加载鄂，6—岩样样品组件示意图二.实验类型及测试参数岩样PP破坏后示意图3.巴西劈拉实验计算公式：二.实验类型及测试参数测试参数：抗拉强度DhPT2P4.声波实验实验方法：用一个矩形、瞬时、高压电脉冲激发P波或S波压电晶体，产生一沿着岩样传播的弹性超声波扰动，然后由装在岩样另一端端帽上的对应的压电晶体接收。根据脉冲通过岩样的时间计算P波、S波的速度。二.实验类型及测试参数4.声波实验岩样发射端帽接收端帽P、S波转换开关示波器收、发波器频率为1MHz声波实验原理图t1二.实验类型及测试参数4.声波实验测量与计算•测量超声波在端帽中的延迟时间t0•测量超声波传播的总时间t1•计算样品中的传播时间t•计算P波和S波的波速V•计算动态弹性参数)21(3)1(2)(21)43()1(22222222201DDDDDDspspDspspsDaEKEGVVVVVVVVVEtLVttt二.实验类型及测试参数5.断裂韧性实验实验方法：在模拟围压和上覆压力条件下，对厚壁圆柱状岩样的内孔中连续施加流体压力，直至岩样沿预制缝破裂，测得岩样破裂时的最大流体压力。二.实验类型及测试参数5.断裂韧性实验φ75mm75mm17mmφ10mm断裂韧性岩样尺寸端帽岩样装配示意图高压孔隙压力管线聚乙烯管岩样聚四氟乙烯套密封圈端帽二.实验类型及测试参数内孔压力与时间关系曲线051015202500.10.20.30.4时间，h内孔压力，MPaPmax=22.5MPa5.断裂韧性实验计算公式：)(max*aPKKJIIC二.实验类型及测试参数测试参数：断裂韧性实验后的岩样照片砂岩泥岩6.蠕变实验实验方法：保持轴向应力、围压和孔隙压力恒定（完全伺服控制），测试岩样应变随时间的变化。二.实验类型及测试参数两种类型：•趋于稳定的蠕变•非趋于稳定的蠕变6.蠕变实验典型的蠕变曲线0.瞬时变形阶段：常应力刚刚作用于岩石上就出现的瞬时弹性应变εe；Ⅰ.初始蠕变阶段：应变的增长速率随时间逐渐降低。这个过程微裂隙以逐渐减小的速率慢慢扩展。Ⅱ.稳态蠕变阶段：应变随时间呈近于等速的增长。Ⅲ.加速蠕变阶段：应变速率加快，并迅速导致破坏。二.实验类型及测试参数6.蠕变实验计算公式：二.实验类型及测试参数测试参数：蠕变7.渗透率实验实验方法：模拟地层条件，进行渗透率的测试。也可模拟油藏开发不同时期，进行渗透率同步检测。二.实验类型及测试参数测试参数：渗透率弱胶结砂岩（地面k气=1004×10-3μ㎡）0369121518-0.0350.0000.0350.070（径向)应变，mm/mm（轴向）轴向应力差，MPa0306090120150180液测渗透率，10-3μ㎡轴向应变径向应变1径向应变2液测渗透率7.渗透率实验二.实验类型及测试参数胶结砂岩（地面k气=7.85×10-3μ㎡）0918273645-0.010-0.0050.0000.0050.010（径向）应变，mm/mm(轴向）轴向应力差，MPa0.00.51.01.52.0液测渗透率10-3μ㎡轴向应变径向应变1径向应变2液测渗透率胶结砂岩（地面k气=0.67×10-3μ㎡）0102030405060-0.04-0.020.000.020.04（径向)应变，mm/mm（轴向）轴向应力差，MPa0123液测渗透率，10-3μ㎡轴向应变径向应变1径向应变2液测渗透率峰值点屈服点一、简介二、实验类型及测试参数三、在石油工程领域中的应用汇报提纲三.在石油工程领域的应用应用范围井壁稳定性出砂预测套管损坏机理压裂优化设计地球物理解释地应力测量产能预测、压实井壁稳定地震勘探出砂预测压裂设计井壁稳定从力学的角度来说，造成井壁不稳定的原因主要是地层原有的应力状态被打破，在井壁上产生应力集中，当井内液柱压力较低时，井壁周围岩石所受的周应力超过岩石本身的强度而产生压缩破坏。三.在石油工程领域的应用井壁稳定的力学分析流程原地应力力学本构关系“安全”钻井液密度岩石强度井筒周向应力强度判断准则地层坍塌应力、破裂压力孔隙压力地震勘探出砂预测压裂设计井壁稳定井壁稳定三.在石油工程领域的应用地震勘探出砂预测压裂设计井壁稳定井壁稳定地层zr力学模型z——垂向应力r——径向应力——周向应力原地应力分析三.在石油工程领域的应用井壁岩石的状态方程：地震勘探出砂预测压裂设计井壁稳定井壁稳定建立状态方程式中：σr为井眼周围所受径向应力；σθ为井眼周围所受周向应力；τθr为井眼周围所受切应力；Pi为井内钻井液柱压力；θ为井眼周围某点径向与最大水平主应力方向的夹角；σH为最大地应力；σh为最小地应力；Pp为地层孔隙压力；α为有效应力系数；三.在石油工程领域的应用地震勘探出砂预测压裂设计井壁稳定井壁稳定室内测试分析抗压强度、杨氏模量、泊松比、内聚力、内摩擦角等参数三.在石油工程领域的应用地震勘探出砂预测压裂设计井壁稳定井壁稳定井壁上的最大周向应力:PihH3确定钻井液密度ohHBCPi3当最大周向压应力超过井壁岩石的抗压强度，井壁将会出现压缩破坏，引起井眼扩大、崩落、孔眼坍塌等问题。可根据实验室数据和应力分析确定安全生产的钻井液密度。三.在石油工程领域的应用出砂预测地震勘探出砂预测压裂设计井壁稳定根据影响机理可以把出砂划分为两种类型：1.主要由流体力影响的出砂：可通过调整流速来控制。2.主要由高就地应力和低油井压力影响的出砂：可以通过调整生产压差、维持地层压力来控制。三.在石油工程领域的应用出砂预测地震勘探压裂设计井壁稳定出砂的力学分析流程原地应力力学本构关系“安全”生产压差岩石强度井筒周应力强度判断准则井底流压三.在石油工程领域的应用地震勘探出砂预测压裂设计井壁稳定室内测试分析巴西劈拉实验单轴压缩实验三轴压缩实验杨氏模量、泊松比等抗压强度、抗拉强度、内聚力、内摩擦角莫尔破裂包络线获得三.在石油工程领域的应用地震勘探出砂预测压裂设计井壁稳定判别准则拉伸破坏准则03T式中:3--为岩石所受的最小主应力T0--岩石的抗拉强度三.在石油工程领域的应用地震勘探出砂预测压裂设计井壁稳定PiHh3随着井底流压的增大，井壁上的周向压应力逐渐减小，当最小周向压应力小于井壁岩石的抗拉强度时，井壁将会出现拉伸破坏。井壁上的最小周向应力:oHhTPi3判别准则三.在石油工程领域的应用地震勘探出砂预测压裂设计井壁稳定0drd破坏区安全区r＜d，稳定r＞d，出砂r＝d，即将出砂库仑法判别准则：剪切破坏准则判别准则三.在石油工程领域的应用地震勘探出砂预测压裂设计井壁稳定确定安全生产压差设r=d,并将实验结果代入状态方程，就可计算得到最小井底流压：Pwmin根据地层压力P0和最小井底流压，计算得到防止地层出砂的最大安全生产压差：ΔPmax=Po-Pwmin三.在石油工程领域的应用压裂设计地震勘探出砂预测压裂设计井壁稳定三.在石油工程领域的应用压裂过程条件：井底压力大于岩石的抗拉强度（断裂韧性）注入高压液体裂缝起裂扩展注入携砂液（支撑剂）人工裂缝压裂液返排裂缝闭合地震勘探出砂预测压裂设计井壁稳定室内测试分析巴西劈拉实验单轴压缩实验三轴压缩实验断裂韧性实验杨氏模量、泊松比抗拉强度、抗压强度、断裂韧性获得地层压力系数三.在石油工程领域的应用地震勘探出砂预测压裂设计井壁稳定•利用杨氏模量、泊松比预测裂缝尺寸PiPpHh30T03TPPpHhf将得到代入公式：•利用抗拉强度判断裂缝起裂51512)1(89.1tGHQW515143)1(45.0tHEQL三.在石油工程领域的应用地震勘探出砂预测压裂设计井壁稳定•利用断裂韧性判断裂缝的扩展)(cos)(212)(11121hHphPKffIC