QK-对上覆岩层压力计算公式的思考

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q∥乏 f对上覆岩层压力计算公式的思考周大晨中国石油天然气集团公司石油勘探开发科学研究院

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引

言

力)其量纲为 ML T。s单位为 P,, -,1 a是强度量 ( tni uni )在一定条件下不具有可加和性。 i es eqaty, n v t 例如，水平面上的大气压约为 1 a1m2 1 0P,0水平面上的大气压仍为 1 a 0P,而决不是 1 a分担 ) 0P (或l a加和) 0P (。

近年来，内外学者从力学和物理化学两种因素国相互作用的观点出发研究井壁失稳问题，得较好效取石 M

果。笔者在为研究生讲授“井壁稳定”一章时，对计算上覆岩层压力的一个公式P o:口+P 。 () 1

上覆岩层压力、颗粒压力、地层压力都是单位面积上的力。是力。不不适用于力的平衡 _。在上覆岩层压 3 J力定义的水平面内，各点的上覆岩层压力相等，有分没担的问题，因此上覆岩层压力被固体颗粒和孔晾流体所分担 l2的说法是错误的。重力是力， 1 . J它与固体骨架应力 (即颗粒压力 )和孔隙内流体压力 (即地层压力 )之间根本不能有等式 S= P该等式的参数中，文献 (据

及其解释产生异议，不揣冒昧，出来就教于方家。提

在樊世忠、鄢捷年和笔者编著的《钻井液完井液及保护油气层技术》一书…中，第八章第三节(这部分内容是笔者负责统稿的，文也是对自己过去认识的反本思)有这样一段话：

[] 4中所注， s为上覆地层的重量，其意实为重力；为固体骨架应力； P为孔隙内流体压力 )所示关系 J。 地下岩石是多孔材料[ (所以要强调这一基本 6之 2概念，因为有人在提出定义和推导公式时往往会忘记多孔材料的特点，者在“或需要”记住，时而在“不需要” 时忘记 )是包含互相连通的和不连通的孔隙的固体， 其骨架和孔隙都有一定可压缩性。无论是相互连通孔隙中流体质点的应力状态，是岩石

骨架质点的应力还状态，都可用应力张量描述【 。

“积物压实固结的过程中，沉出现隙间水，固体颗粒问的接触也愈益紧密。因此，整个上覆岩层压力 P n被固体颗粒和孔隙流体所分担。P o十 pn

式中

一h 口——固体颗粒间应力；——

孔隙流体柱所形成的压力，为地层压称,、 j●●●/

力或孔隙压力。”

在其它一些有关钻井、裂、发地质、地分析压开盆

考虑到本文所讨论的力和应力的方向大都是垂直方向，以后文中出现的这两项参数的符号仅代表其所

及地震技术的著作中也有类似的公式。其解释有完全相同 i[, f 2也有稍有不同 f1, 0: 03还有的【则根本未作 5 解释。笔者认为，述公式及解释存在一些基本概念上上的错误。

数量，除特别标明者外，向上、向下以分别“、一表+”“”示。此外，因本文讨论的是理论问题，所以公式中的变量说明不注其单位。 2上覆岩层压力 (vrudnpe ue oebre rs r) s上覆岩层压力的表达式为：p:。

公式所涉及的一些基本概念1力 (oc】应力 (t s. r sr】压力 (r- fre和 sr s pe ue、 e s peSl ) Sr l t e

J[ )r+(P )d 1 (] ) g{一 P ) Iz ( (() 2

力是物体问的相互作用，据牛顿第二定律，的根力量纲为 MI J T~, I单位为 N,广度量 (xes e s是 et i nvq a ty, u ni )在一定条件下有可加和性，覆岩层的重力 t上就是骨架颗粒重力和隙流体重力之和。当力除以作 L用面面积后 .就变为单位面积上的力——应力 (它压

式中 p——上覆岩层压力； (——孔隙度； 0 z) P(——岩石骨架密度；。 )孔隙流体密度； ) P (——g——重力加速度；——垂直坐标，所研究地层质 z以

点为原点，以其所在水平面为 xy平面， o以垂直向上的

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石油勘探与开发 -讨论

方向为 z轴正向；若愿点深度为 H,则在此三维直角坐标系中地平面垂直坐标=H。 ( )中的 (、 z和 P ( ) 2式 ) P (

) ￡都是￡的函数。

式中

岩石泊松比。

垂直应力等于颗粒压力，则/ 1一 ) ( 0 0 0

此外，同构造的沉积条件 (括沉积物的种类和多不包少、子环境、度、力、积速度等 )离温压沉及压实过程和成岩作用不同，上覆岩层压力也就不同；同一构造不同部位的上覆岩层压力同样有差异/1一 ) ( 0

() 5

上覆岩层压力原定义为：埋藏在一定深度的沉积“物，位面积所承受的上部全部沉积物的重力，向竖单方直向下。在此定义中，”问题在于定义的面既包含岩石

颗粒压力 (d)又称基岩应力 ( ar t s) m t x s es。文 i r

献[] 8中对颗粒压力的定义是：地下某一深度处的颗“粒压力，指该点以上至地面岩石固体颗粒的重力施加于该点的压力。按照这一定义，”有r a二

骨架截面，又包含孔隙流体截面，者的上覆岩层压力二是否相等？ 上覆岩层压力也有这样定义 -:地下某一深度的“的上覆岩层压力，该点以上至地面岩石颗粒的重力指

J1甲 )r)￡ 一 (]( g [ zPz d

( 6 )

若按照( ) ( 1式变形后 )则，=

和岩石孔隙中所含流体的重力之总和施加于该点的压力。在此定义中，”问题也在于所定义的点既可能在岩石骨架上，也可能在孔隙流体中，这两种点的上覆岩层压力是否相等？

I{一￡] () () ()gz [ () 2P }d 1 P ()d: g

这两个定义是等价的，个问题实质是一个问题：两 孔隙流体上和岩石骨架上的上覆岩层压力是否相等？ 按照压力的性质应该相等，按照这两种定义也应该相等，上覆岩层压力和孔隙流体压力实际上相差颇大，但问题出在哪里？

( ) 一P (]g z ( )￡¨P( ) ){ d 7显然，7式计算出的颗粒压力比( ) () 6式计算出的要小得多。由此可得出结论：1式是错误的。 ()上述定义中的问题是：粒压力是作用于颗粒上颗

3颗粒压力(ri- -ri r sr) gant ganpe ue o s岩石骨架 (粒 )点所受应力包括上覆岩层压颗质力、伏岩层支撑应力、下地质构造力 (应力，

应力，张切 扭转应力 )和静水压力等。此外，果岩石发生变形，如

的，那么，定义点邻域微面元上孔隙截面应该剔除。若将( ) 7式改为[: ]= P( ) d :g: () 8

还会因其分子间的相互作用力变化而出现内应力。因此，出岩石骨架质点的应力分量值是困难的如果给将问题简化为所研究的岩石均质而厚度均匀，在水平方向无限伸展，处于静止状态 (不发生破坏和变形 )这，时岩石中的质点仅受三向压应力作用，应力张量为：故0=

求出的是实心岩石柱的颗粒压力，当于将孔隙流体相都换成岩石后求得的颗粒压力，也不正确。因为 ( ) 8式将岩石中的孔隙及孔隙流体全剔除并压实了。试将定义式改为 (文将证明这也不对 )后：

0]

0L0 0

0I

() 3

( )P( ) d/1 0 ( ) z]￡ g z (一 ) 9 式中 。一定义点所在平面孔隙截面面积分数。一

所对应的有心曲面方程为：2+ dxx w

4地层压力 (om t npe ue fr ai rs r) o sc

2+ d￡2=

地层压力又称孔隙压力 (oepesr)其定义 pr rsue,为l:地下岩石孔隙内流体的压力正常条件下， 7“ J地下某一深度的地层压力，于地层流体作用于该处的等静液压力。”

该椭球面表达的应力状态在油层深度最常见。

若再假设岩石在水平方向各向同性，侧应力与则垂直应力之间的关系为

d=d=

/ 1 ) (一

() 4 …… 此处隐藏：10121字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……