复杂泥页岩地层地应力的确定方法研究

1引言
地层原始地应力状态是控制钻井过程中井壁失
稳的关键因素之一。掌握地层原始地应力状态有利 于正确认识和有效评价地下复杂围岩环境，从而达 到优质、安全、高效和低成本钻井的目的。
目前深层地应力的测试方法主要有水压致裂法
收稿日期：2005–11–28；修回日期：2006–01–09 基金项目：国家自然科学基金资助项目(50304010，90510005)；中石油“井壁稳定随钻预测理论与方法研究”创新基金项目(05E7015) 作者简介：金 衍(1972–)，男，博士，1994 年毕业于石油大学(华东)钻井工程专业，现任副教授，主要从事石油工程方面的教学与研究工作。E-mail： Jiny@
摘要：掌握地层原始地应力状态是有效控制钻井过程中泥页岩地层井壁失稳的前提。在分析水压致裂法、Kaiser
效应法、差应变法和多极子测井方法测量地应力的技术现状的基础上，发现利用单一方法获取复杂泥页岩地层的
地应力比较困难，将多种方法组合在一起才能较好地解决问题。如果地层破裂试验层段有钻井岩芯，可通过差应
(4)
式中：ε H 为水平最大地应力方向应变量，ε h 为水平 最小地应力方向应变量，ε v 为竖向地应力方向应变 量， μ 为泊松比。
确定野外状态应变值的试验方法如下：(1) 在
加工差应变试验试样后余下的柱状钻井岩芯上钻取
直径为 25 mm、长度为 50 mm 的柱状体，作为波速
试验试样，将试样按三轴强度试验的要求放入三轴
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岩石力学与工程学报
2006 年
(包括小型压裂)、围压下 Kaiser 效应法、差应变法 和多极子测井方法等。每一种具体的方法都有或多 或少的局限性[1～8]：
水压致裂法一般在油层压裂时进行，其解释数 据受地层的滤失及油、套管孔眼摩阻及完井方式的 影响，并且结果与所研究的泥页岩相关性相差较远， 而钻井的地层破裂试验一般只能得到地层的破裂压 力，而无从获得地应力。
直至平面光滑平整为止，然后使用丙酮去除平面上
的砂粒，使用 502 瞬间强力胶分别在这 3 个平面的
交点相对贴上 3 个电阻应变花。试件上数据线采用
St )
(7)
再结合式(4)，即可确定垂向应力σ v 。 2.4 试验方法
将岩芯加工成 40 mm 左右的 2 个端面平整的圆
柱体，使用金刚石切片机沿平行于圆柱体轴向方向
切出 2 个垂直的平面，形成 3 个互相垂直的平面；
对端面不平的部分使用砂轮机磨平，再使用刚玉砂
布把端面磨平，要求依次使用 60～400 目刚玉砂布，
变方法获得主地应力的比值；如果地层破裂试验层段没有钻井岩芯，可通过多极子测井方法得到两个水平主地应
力的差值。将两个水平主地应力的相对值代入地层破裂试验的破裂压力计算模型，可分别确定出两个水平主地应
力的大小。利用地层破裂试验与差应变试验组合测地应力方法和地层破裂试验与多极子测井组合测得应力的方法，
分别较为成功地测试地应力。
围压下 Kaiser 效应法可较好地测试深部地层的 地应力，但受钻井取芯工艺或岩芯本身的局限，常 常达不到 15 cm 连续完整的要求，所以试验测试有 所限制。该方法结合波速各向异性测试地应力，降 低了岩芯连续完整性的要求，但仍需达到 10 cm 的 要求，同时泥页岩的各向异性常常导致波速各向异 性而使测试结果具有不可靠性。
JIN Yan，CHEN Mian，GUO Kaijun，WANG Huaiying
(Faculty of Petroleum Engineering，China University of Petroleum，Beijing 102249，China)
Abstract：In-situ stress is critical to well instability in silt formations during drilling. Based on the analysis of in-situ stress measurement methods such as hydraulic fracturing method，Kaiser effect method，differential strain analysis(DSA) method and multi-pole logging method，it is difficult to acquire in-situ stress of complex silt formations through any method mentioned above. The best way is the combination of the advantages of these methods. Two methods to determine the in-situ stress are presented in this paper. The in-situ stress ratio can be measured by DSA method if there are drilling cores in the fracturing test，while the in-situ stress difference can be measured by multi-pole logging method if there is no drilling core in the fracturing test. Combined the acquired in-situ stress relative value with the fracture pressure mode for fracturing test，the horizontal in-situ stress can be determined. These two combined methods，in which one is the combination of formation fracturing test with DSA method and the other is the combination of formation fracturing test with multi-pole logging method，are feasible in field application. Key words：rock mechanics；in-situ stress；formation fracturing test；differential strain analysis(DSA)；multi-pole logging
试验机，等压测试加围压过程的岩石弹性波速，找
出测量波速接近野外波速时的围压 pc ；(2) 差应力 试验中，围压线性加压至主应力比基本不变，采用
最小二乘法分别回归出各个通道的应变值和围压的
函数关系，将围压值 pc 代入回归的关系式，确定出 野外状态应变值。
野外波速是试样所处地层的岩石弹性波速，可
由石油声波速度测井资料获得。声速测井是对油井
把岩芯密封后，放入围压仓中。每个围压下的 应变测试都可以给出 9 个应变值，这 9 个应变值足 以描述该时刻的应变状态，构成一个应变张量[ε ] ：
[ε ] =
⎡
ε1
⎢⎢ε 2 − (ε1 + ε 2 ) / 2
⎢⎣ε8 − (ε 7 + ε9 ) / 2
ε 2 − (ε1 + ε 2 ) / 2 ε3
关键词：岩石力学；地应力；地层破裂试验；差应变分析；多极子测井
中图分类号：TU 45
文献标识码：A
文章编号：1000–6915(2006)11–2287–05
STUDY ON DETERMINATION METHOD OF IN-SITU STRESS FOR COMPLEX SILT FORMATIONS
深度剖面自下而上连续测量岩石的弹性波速。
2.3 地应力的确定方法
由式(4)可得
σH∶σh = m∶n
(5)
其中，
m = μ(εh + εv) + (1− μ)εH
n = μ(εv + εH) + (1− μ)εh
结合式(2)得
σH
=
m(Pf 
σh
=
n(Pf
+αPp − 3n − m
由上可知，利用单一的方法获得地层的地应力 比较困难，将多种方法结合在一起才能较好地解决 问题。对于复杂泥页岩地层，针对有无取芯的情况， 本文采用 2 种方法来确定地应力：(1) 地层破裂试 验与差应变分析试验相结合的方法；(2) 地层破裂 试验与多极子测井相结合的方法。
2 地层破裂试验与差应变分析试验 结合确定地应力的方法
2.1 地层破裂试验 钻井过程中，固井结束后，一般在套管鞋附近
进行地层破裂试验。当井内的钻井液柱所产生的压 力升高足以压裂地层，使其原有的裂隙张开、延伸 或形成新的裂隙时的井内流体压力称为地层的破裂 压力。地层破裂压力的大小和地应力的大小密切相 关。根据多孔介质弹性理论，可得岩石产生拉伸破 坏时井内泥浆柱压力(即地层破裂压力)为
差应变法通过室内岩芯试验确定野外三维应力 方向及应力值，该方法理论上严格可靠，但要求同 时测量 9 道以上的应变，应变仪不同道之间要有较 好的一致性，试验技术难度大，大大降低了岩芯连 续完整性的要求，测得的应力方向需与古地磁测试 结合才能确定，且测得的应力值为相对大小的地应 力。
多极子测井方法是利用交叉偶极子声波仪器测 得的横波各向异性计算最大、最小主应力的大小和 方向，但是解释模型受弹性波动力学本构模型及材 料常数限制，测定难度较大。
如果地层破裂试验层段有岩芯，那么结合差应 变分析试验，可较好地确定地应力的大小。将式(1) 变换为
3σ h − σ H = M
(2)
其中，
M = Pf + αPp − St