总结一下石油工程岩石力学可以给我们带来的帮助:
1.减少钻井成本和钻机时间
2.提高钻井安全性和可靠程度,同时减小勘探风险
3.通过岩石力学方法对天然裂缝的识别,对砂体的预测,提高油藏开发质量; 改进压裂设计,减小套管磨损和套管挤毁发生的概率,减小地层沉降或收缩带来的风险
4.在钻井施工前预测井筒的潜在不稳定性风险,减小卡钻,地层坍塌,失循环,侧钻,划眼,压开地层等风险
5.确定欠平衡钻井或其他传统钻井方法在某地区钻井施工中是否适用
我们为什么研究岩石中的应力?
在岩石力学性质的研究和岩石力学在石油工程的应用中,应力是最基础的概念。石油工程师必须理解岩石应力的特性:
1.地层中本身就存在着应力状态,通常被称为原始应力状态(in-situ stress); 我们需要学习并且认识原始应力状态,因为它是我们实现岩石力学应用和设计的根本
2.我们的工程施工,比如钻井,有可能会导致现有的应力状态发生巨大的突变。对于这样的变化我们需要有足够的了解,因为之前这些岩石中存有应力。而通过钻井这样的过程,我们移除了这些岩石,相应地,它承受的载荷需要其它的岩石结构承担
3.对于岩石的工程分析法则通常只与岩石的变形度或岩石强度相关。而这样的分析过程主要是针对岩石应力的,比如,几乎所有的岩石失效判定条件都是以岩石应力的大小为标准的
4.在实际钻井过程中,我们清楚井轨迹是三维的,所以这个过程中涉及的应力问题也不可以简单地用标量反映出来,因此应力是用二阶张量表征的
据Hudson, Harrison 在书中「Hudson, J.A., Harrison, J.P., 1997. Engineering rock mechanics, An Introduction to the Principles, 1st ed. Pergamon」 的描述,应力是一个复杂的概念,主要因为以下几点:
1.应力张量有九个分量,而其中的六个是相互独立的
2.分量的值具有点属性
3.分量值的大小与选取的参考坐标系(坐标轴方向)有关,即更换参考坐标系,分量值也会改变
4.在某一个特定方向上,九个分量中的六个分量会变为0
5.应力张量有三个主分量
所以,如果缺乏对基础概念的理解,你很难明白应力是什么。
为分析材料在某一特定应用中的适应性,我们要进行连续介质力学分析,上图展示了4步走的分析过程。在石油工程岩石力学中我们也会用相似的方法分析岩石在其原始应力状态发生改变时的动态特征。岩石力学工程师对于岩石特性越熟悉,他在基于已知条件做岩石力学工程敏感性分析时就会越有把握。岩石力学分析的核心是:岩石的属性、特征,岩石的结构-属性关系,岩石的应力-应变关系,岩石应力与岩石周围环境间的相互影响。
这样的分析通常分为两步:
- 油藏岩石处于原始应力状态
- 一旦岩石经历挖掘,压力作用,排液、泄油过程,岩石的力学性质就会发生改变
为实现这样的分析过程,我们需要考虑一系列的岩石或油藏因素,包括但不限于以下几点:
- 油藏温度和压力
- 地层封闭压力
- 近油藏地层流体和孔隙度
- 地层非均质性和各向异性
- 地层渗透率
- 地层收缩