一、地应力在油气勘探开发中的作用及研究内容

油气勘探开发的工作对象是地层的岩石和流体。储层的岩石和流体所承受的地应力是研究有关地质和工程问题时的外载。因此，从某种意义上讲，油气勘探开发的许多问题都涉及到地应力范畴。现在，已经认识到地应力对油气勘探开发的影响和作用越来越多地从各个方面表现出来。如：地质构造形成与演化是构造应力作用及变化的结果；储层中油气运移和聚集与地应力有关，油气总是由强应力区向弱应力区运移；天然裂缝面和裂隙面与最大主应力方向平行；油田地应力场状态决定着断层的形态和分布；在渗透率各向异性低渗透率油田中，主渗透率方向与最大水平主应力方向趋于一致；在钻井过程中井壁的稳定性与地层岩石的力学性质、地层剖面的地应力状态有密切关系；油井采油过程中的砂与地层岩石的力学性质、油层的应力环境、出砂指数有关；在油层改造中地应力场状态、地层岩石的力学性质决定着水力压裂裂缝的形态、方位、高度和宽度，影响压裂的增产效果；油田的采油导致地层压力下降，注水是采油的相反过程，导致地层的压力增大，也会引起地应力场的变化，造成地层的蠕动和错动；而注水开发中井网的布置和调整由于对地应力场的研究不够而导致无水采油期缩短，驱油效率低，出现水窜和水淹；地应力的异常及地应力场的巨变导致套管的缩径与损坏、锗断；稠油热采过程中大量热蒸汽的注入使开发区的应力场发生巨大变化；传统的射孔方案中由于没有进行分层地应力剖面研究，把某一段泥岩作为隔挡层致使开发过程中造成剖面上的水窜和汽窜；地应力有关资料是水平井的设计和钻井中的科学依据；地应力资料又是井斜和钻井轨迹预测评价的重要因素之一；油藏中的张性裂缝发育区是探井井位选择的有利地带等等（有关具体应用将在后面的章节中讨论）。上述所言表明了地应力研究与油气勘探开发紧密相连，它是油田油气开发系统工程中的重要环节之一，是油气勘探开发的前期工程和基础工作之一。地应力的大小、方向、分布规律及其演化史是油气田勘探开发中地应力研究的主要内容，而岩石的力学性质、储层的孔隙压力、地层的温度、构造应力、重力及地层剥蚀等是影响油田应力场状态的主要因素等。古地应力场影响和控制着古代石油的运移和聚集，现今应力场影响和控制着油气田在开发过程中的油、气、水的运移（水窜、水淹等），因此，古地应力场和现今应力场的研究是油田应力场研究的基本内容。但是，在油田的勘探开发中，只有宏观的、区域的研究和一般规律的研究是不够的，还必须进行局部的、开发单元的、单井的、平面的、剖面的、分层的特殊微观应力分布及应力场的状态的研究。其中地层岩石的力学性质、地应力场状态、地应力场性质、地应力数值、地应力分布规律是油气勘探开发中地应力场研究的主要方面。同时，油田开发是一个动态过程，在油田开发中，对这个动态应力场的研究、分析也是非常重要的。在采油工程方案设计中应充分应用前期地应力研究成果。

二、地应力测量技术评述

（一）地应力测量技术分类

地应力测量技术从原理上可分为直接测量和间接测量两大类。前者通过测量岩石的破裂直接确定地应力；后者通过测量岩石的变形和物性变化来反演地应力。例如，根据岩石受力时的变形特征、弹性波速度变化、电阻变化、声传播特性和矿物颗粒的显微构造变化，确定介质的受力状态。地应力测量从内容上可以分为绝对值测量和相对值测量，前者测量岩石所承受地应力的实际数值及方向，后者测量固定点地应力状态随时间的变化。到目前为止，油田地应力的研究方法一般可以分四大类。一是矿场应力测量，如水力压裂应力测量、井壁崩落应力方向测量、长源距声波应力测量、地面电位法应力方向测量、井下微地震波法测地应力方向和套心应力解除等。这些方法可以给出比较准确的地应力测量结果，定量地描述应力场特点，尤其是井下微地震波法既可以测地应力方向，同时还可以测定人工裂缝的长度和高度。因此，该方法备受各国油田应力测量专家的推崇。大部分水力压裂的应力测量是结合油层水力压裂增产措施来进行的。二是利用地质和地震资料进行定性分析的方法，如火山颈、断层类型、油井井眼稳定情况、取心收获率、地形起伏、地质构造、震源机制等，这些资料可以定性地给出大范围应力场的分布情况与特点，很难进行精确的应力场研究。三是岩心测量。由于岩心测量可以在室内测定，不需要大量的现场设备和人员，也有广泛的应用。如差应变分析，波速各向异性测定，滞弹性应变分析，声发射（Kaiser 效应）测定等。但岩心的应力测量只能给出地应力相对于岩心的方位，如何给出岩心在地下原位的方法，则是该方法的一个技术关键。另外，岩心测量时，很难完全模拟井下条件，而且岩心采样深度也不太精确。四是地应力计算，如地应力场有限元数值模拟、地应力剖面解释、钻进参数反演和长源距声波测井自适应方法计算等。油田地应力测量技术可以归纳分类。

（二）油田应力测量、计算、模拟和解释方法简介及评价

目前，随着石油工业的发展，已形成了多种地应力测量方法。地应力测量方法虽多，但严格讲，真正能直接测量出地应力的方法还没有。相对而言，水力压裂方法可以测得比较可靠的最小地应力值。在一定精度范围内，可视为地应力的直接测量。其他方法一般均是基于形变或有关物理量来推算地应力状态，属间接测量，这与所采用的反演方法密切相关，因此不能期望有过高的精度。在进行油田地应力测量时，就需要根据具体地应力场的研究内容和范畴以及现场可能的实际情况和条件，选择较适应的方法。现将油田主要应力测量、计算、模拟及解释方法简介与评价如下。

表1－2－4　油田主要应力测量计算、模拟、解释方法的简介与评价

（三）地应力结果汇总

通过对地应力的研究进一步了解油藏，确定地应力的大小和地层主应力的方向，判断是否存在裂缝以及裂缝的类型、方位和闭合状况，其作用包括：为钻井工程中选用合理的钻进速度和钻井浓密度，防止压开地层，保证正常钻进和保护油层；正确地制定射孔方案；合理地布置井网，提高油藏的开发效果；确定注水压力界限，以选择既可防止压力过高引起水窜，又能提高注入井注入量的合理注入压力，为完井工程和油藏增产措施的优化设计提供依据。

（四）地应力研究在射孔方案设计中的应用

射孔完井是油井完井的基本方式之一。射孔方案是采油工程方案的重要内容之一。它包括射孔的密度、孔眼直径、穿透深度、弹型、射开油层的厚度、射孔孔眼的相位和方位、隔层及遮挡层的选择等。地应力剖面的研究对射孔方案中射孔井段、隔层、遮挡层的选择及孔眼方位的确定有重要指导意义。

1．地应力剖面与地质剖面相结合选择合理射孔井段，确定隔层、遮挡层。

在油田开发的注水、注汽、火烧油层和汽驱过程中，由于隔层、遮挡层没有能起到隔开、遮挡的作用出现了剖面上（纵向上）的水窜、汽窜、气窜（包括气顶的下窜、底水的上窜及压裂时垂直裂缝的上窜和下窜），造成了分层注水及采油的失败，破坏了层系的正常开发，导致了开发方案的失败，影响了油田采收率的提高。有的即使采取封窜工艺措施，也不能从根本上解决问题。这类情况的经济损失是巨大的。这说明合理射开油层厚度的选择以及如何确定隔层、遮挡层，已经是开发方案、射孔方案、注水、注汽、压裂方案中迫切需要解决的问题了。通常，人们使用自然电位（SP）和自然伽马（GR）曲线来区分砂岩、泥岩和页岩，并把泥岩和页岩作为遮挡层。上述情况说明了这种做法还是不够完善的，需要探索解决这一问题的新方法。而解决上述问题的根本途径是实现地质分层与地应力分层的结合，即地质剖面与地应力剖面的结合。

地质剖面与地应力剖面既有区别又有联系。地质分层主要以岩性变化为依据进行分层，而地应力分层则是地层岩石的地应力数值分层。地应力分层主要考虑三个主应力大小及方向的变化，它有可能跨越地质分层。在地质分层中，相邻的不同地质层的力学性质可能相似，它们应并入同一地应力层中，而在同一地质层内，由于各种原因地应力数值也可能发生突变，此时应划分为几个不同的地应力层。合理射孔井段的选择与隔层　遮挡层的确定是一个整体，它既要满足开发中对Kh 的要求，也要满足层系开发和有关采油工艺技术的要求。

应用地应力剖面选择射孔井段及确定隔层、遮挡层的原则和方法是：

（1）最小水平主应力分层剖面与地质分层剖面相结合。

（2）射开油层井段必须处于低应力段，隔层、遮挡层必须处于高应力段。

（3）隔层、遮挡层的应力必须大于射开层的应力。

（4）隔层应力必须满足开发方式及采油工艺技术措施的要求。

（5）计算采油、注水、火烧油层、汽驱和压裂等不同开发方式及采油工艺技术措施的不同工作压力，预测最高工作压力及隔层遮挡的承受能力，预测对隔层、遮挡层的可能伤害及程度。

（6）在射孔井段的上、下界对应地应力剖面上最小水平主应力曲线。

（7）隔层、遮挡层的最小水平主应力值的75％应大于最高工作压力。

目前，射孔方案中射开油层的厚度主要是综合考虑常规测井资料及其他地质资料所反映出的岩性特征来确定的，而隔层、遮挡层主要则是综合岩性和放射性测井资料来确定的。至今，大部分射孔完井均未考虑最小水平主应力的影响，射孔位置与油层段的确定均没有与最小水平主应力剖面结合。现在看来，这样的射孔方案就显得不完善了。因此，可以毫不过分地说，地应力剖面研究是射孔方案的基础和前提。

2．最大水平主应力方向是射孔孔眼的最佳方位。

井筒周围地应力集中是孔眼方位与最大水平主应力方向的函数，破裂压力射孔孔眼附近的节流表皮效应及流体流入的流动效率也是这两个变量的函数。

目前的研究表明，射孔孔眼方位的选择有下述三种情况：

（1）孔眼方位平行于射孔井段的最大水平主应力方位。

节流表皮效应小；

流体的流动效率高，油井产能高；

破裂压力低；

压裂时不易砂堵；

油井生产时，不易出砂；

套管不易变形。

（2）孔眼方位平行于射孔井段最小水平主应力方位。

套管易变形；

节流表皮效应大；

流体的流动效率低，油井产能低；

破裂压力高；

压裂时孔眼处的裂缝与主裂缝的连接缝呈S 型，S 为90°时易砂堵；

油井生产时，易出砂。

（3）孔眼方位与射孔井段最大水平主应力方向之间形成的角度。

节流表皮效应中等。

流体的流动效率中等，油井产能中等。

破裂压力中等。

孔眼与主裂缝的连接缝呈S 型，砂堵发生情况中等。

由上所述，我们可以得出这样一个结论：孔眼方位平行于最大水平主应力方向是最佳射孔孔眼方位。油田开发中，许多异常现象也符合上述结论。例如，有的新井射孔投产后，射开油层的产量不高。对比该井的录井、测井、岩心资料和相邻井的情况并没有其他异常，地层压力、渗透率、穿透深度等又不是该井该层的低产原因。这里是由于井壁附近最小主渗透率方向上的表皮效应及射孔方位与最大水平主应力方向近于垂直的节流表皮效应，造成了上述现象。

同样，该类型井在进行解堵等工艺措施中，往往发现注入压力高于正常注入压力，水力压裂的破裂压力峰值很高。在水平井压裂讨论中是以水平井井筒方位与最大水平主应力方向的夹角来讨论的。这一讨论同样适应于直井射孔孔眼方位与最大水平主应力方向的夹角问题。需要说明的是直井的每一个射孔孔眼可以看成是一个孔眼小、水平段短的水平井。这里需要指出的是最大水平主应力方向在油井的深度剖面上是变化的，因此，最大水平主应力剖面可以为不同深度射孔井段的射孔提供这种依据。

3．平行于最大水平主应力方向的定向射孔和深穿透。

（1）天然裂缝发育的低渗透储层射孔孔眼方位应平行于最大水平主应力方向。

对于天然裂缝较发育的低渗透地层（包括裂缝性地层），由于基质渗透率甚低，射孔完井产能的高低主要取决于射孔孔眼与天然裂缝系统的沟通程度。即，若孔眼能直接沟通天然裂缝，节流表皮效应小，油井产能就高；若孔眼不能直接沟通天然裂缝，节流表皮效应大，油井产能就不能高。而孔眼与天然裂缝系统的沟通程度则取决于射孔参数与裂缝类型、裂缝方位、裂缝密度的适应程度。天然裂缝多数是垂直裂缝或高倾角裂缝。当孔眼正交于裂缝面，即孔眼与裂缝面的夹角为90°时（孔眼方位平行于最大水平主应力方向），孔眼可以直接沟通天然裂缝，完井产能高。当孔眼平行于裂缝面，即孔眼与裂缝面的夹角为0°时（垂直于最大水平主应力方向），孔眼就不能沟通天然裂缝，完井产能最低。在相同孔深下，若孔眼与裂缝面的夹角为90°（正交于裂缝面），孔眼沟通的裂缝数量最多，完井产能最高。在相同孔深下，若孔眼与裂缝面的夹角越来越小，孔眼沟通的裂缝数量越来越少，完井产能就越来越低。当孔眼与裂缝面的夹角为0°时（孔眼与裂缝面平行），则一条裂缝也不可能沟通，完井产能最低。因此，垂直裂缝发育的地层，应采用使射孔弹发射方向与裂缝方位相互正交的定方位射孔技术。

（2）孔眼穿透深度，对完井产能有显著的影响。

在孔眼方位正交干裂缝面方位的状况下（即平行于最大水平主应力方向），在一定的裂缝密度下，孔眼穿透越深，能被孔眼沟通的裂缝数量越多，完井产能就越高。因此，对于垂直裂缝发育的地层，应采用定方位、深穿透的射孔方案。

（3）孔密对完井产能的影响不敏感。在孔眼方位正交于裂缝面方位即平行于最大水平主应力方向的状况下，孔密的高低几乎对完井产能没有影响。这表明，只要孔眼与裂缝正交，孔眼能够直接沟通天然裂缝，即使只有少量孔眼沟通了天然裂缝，就能使完井产能大幅度提高，增加孔密已失去增产意义。因此，垂直裂缝发育的地层，应采用定方位、深穿透的射孔方案，而不必强调高孔密（低孔窑可以降低完井成本，减少成本也是开发低渗透油田的一个原则）。

（4）平行于最大水平主应力方向的射孔孔眼方位有利于水力压裂的施工，有利于提高压裂后的油井产能。对于天然裂缝不发育的低渗透油田，如果不实施压裂改造建立人工裂缝，一般是很难经济有效地开发的。低渗透油田压裂井的射孔完井工艺，应该与水力压裂相匹配，这与一般中、高渗透地层的自然完井的射孔是有较大区别的。射孔孔眼方位与最小水平主应力方向夹角较小时水力裂缝的启裂情况由于井眼周围地应力分布的不均匀性，水力裂缝的走向总是垂直于最小水平地应力的方向，平行于最大水平主应力方向。如果射孔孔眼平行于最小水平主应力的方向，或者与最小水平主应力方向夹角较小，压裂液将会沿着套管外侧到达与最小水平地应力方向相垂直的方位处，使该处地层发生开裂并扩展成裂缝。在这种情况下，射孔孔眼并没有直接与人工裂缝相沟通。因此，压裂时，地层破裂压力相对较高，而且有可能出现早期脱砂的现象。这同样也会降低油井产能，因为油流向井筒时，还要附加一定的渗流阻力。如果孔眼方位平行于最大水平地应力的方位，那么就可以直接在孔眼处启裂并扩展成裂缝，也就是说射孔孔眼可以直接与人工裂缝相沟通。在这种情况下，压裂时地层破裂压力最低，也不会出现早期脱砂的现象。当然油井产能也最高。

由以上分析可知，开发低渗透地层，对射孔完井工艺提出了与开发中、高渗透地层不同的新的技术要求。那就是在弄清天然垂直裂缝方位或最大水平主应力方向的前提下，实施定方位射孔技术。

（五）地应力与油层改造方案

石油工业半个见纪的实践表明，水力压裂至今一直是低渗透油层改造和高中渗透油层解堵最有效的战略性进攻措施。

现在，人们提出了“压裂开发系统工程”的概念。这个压裂开发系统工程应当包括它的内涵和外延。它的内涵是指井层的鉴别、分析与诊断、选井选层、压裂设计与施工、压前压后作业、压裂液及其添加剂、支撑剂压前压后测试、室内试验与支持、压裂工艺、工具安装、压后排液及油井管理、压前效果预测、压后效果分析及经济评价等，而油田开发过程中的油藏地质研究、油藏工程研究、井网的布置与调整、射孔方案及地应力研究等则是这个系统工程的外延。这个系统工程的内涵和外延的诸方面、诸环节和诸因素影响着油层改造的效果。但是，从目前情况看，人们对压裂增产效果及经济评价还是把注意力投向单井的压裂设计和施工上，而没有完全转移到用系统工程的观点和方法，对影响油层改造效果的诸方面、诸环节和诸因素进行系统的综合分析研究及评价，这必将导致和出现决策及指导上的错误，造成整体区块改造的失误和失败。须知，油层改造的效果是诸方面、诸环节和诸因素的综合技术保证和质量控制的过程，是油田开发的前期、中期和后期综合工作的结果。

为了提高低渗透油田压裂开发的整体效益和效果，必须首先制定一个优化的油层改造技术方案。这个技术方案必须以油藏地质和油藏工程为基础，以开发方案为要求，达到经济优化及提高采收率的目的。但是，从目前情况来看，要制定一个优化的油层改造技术方案，并且使整个方案得到实施，有关技术支持和质量控制及保证还远远不够。例如，什么样的井层才可以进行压裂？怎样进行压裂？影响压裂增产效果的因素有哪些？如何围绕影响压裂增产效果、低渗透油田整体开发效益和效果的诸方面、诸环节和诸因素做好工作？如何从理论与实践的结合上真正解决上述问题？这里，其中之一就是对油藏地应力的研究。水力压裂的理论和实践都已证明，压裂形成的支撑缝已经改变了油藏的渗流状态，它也改变了原射孔方案、原井网的环境与条件。另外，它的大小和方向、几何形状、有无可能上下延伸到遮挡层以上或穿透下遮挡层、是否在需要的产层内、这条水力裂缝和注水井的位置关系将如何影响扫油效率以及压裂施工的排量、压力，压裂液的选择，裂缝的高度、宽度，压裂效果，压裂方式等方面都与油藏的地应力状态密切相关。

（六）疏松砂岩油藏中地应力研究的应用

疏松砂岩油藏的出砂是采油、采气过程中经常遇到的问题，其危害是严重的。有的油气井油层出砂使油层砂埋、油管砂堵、管汇砂堵及储油罐积砂等，造成油井停产作业。有的自喷井出砂，流体携带砂子磨蚀刺坏油管、油嘴和采油树闸门等地面设备；抽油井出砂将加速柱塞、泵阀、工作筒等部件的磨损，或造成卡泵断脱等事故；有的油井由于出砂严重，油层出现洞穴及坍塌，造成套管损坏，油井报废。此外，地层大量出砂，会对环境造成污染。因此，对油气层出砂伤害的预测和防治是采油工程技术的重要内容。疏松砂岩油藏的出砂伤害的预测和防治是一个系统工程。它包括：地层出砂的鉴别和诊断；防止砂岩的破坏；防止砂粒从岩石的基质上脱落下来；防止砂粒流入套管井筒；防止砂粒进入油管、抽油泵等方面内容、步骤和环节。目前，加强出砂地层的鉴别和诊断、防止砂岩的破坏及防止砂粒从岩石的基质上脱落下来的前期工作的研究，从而采取有针对性的防砂工艺措施是十分必要的。油气层出砂首先是由于井底附近地带的岩石结构破坏而引起的。一般来说，地层应力超过地层强度就可能出砂。地层强度取决于地层胶结物的胶结力、圈闭内流体的粘着力、地层岩石颗粒物之间的摩擦力以及岩石颗粒本身的重力。地层应力则包括构造应力、上覆压力、流体流动时对地层颗粒的推拽力，还有地层孔隙压力和生产压差形成的作用力。由此可见，地层出砂是由地层岩石强度、地应力状态和开采条件等综合因素决定的。

1．岩石力学参数对油层出砂的鉴别和预测。

岩石力学是研究岩石对应力反映的科学。岩石力学参数是反映岩石在不同应力状态下岩石强度的参数。目前，人们可以通过室内岩心的岩石力学实验和测井解释，得到反映岩石强度的有关参数。岩石的强度主要有三种。硅质胶结强度最大，碳酸盐胶结次之，粘土胶结最差。粘土胶结中的粘土矿物成分既影响岩石强度又影响水敏的程度。

砂岩的胶结方式可分为：

（1）基质胶结：胶结物数量大于岩石颗粒数量，颗粒完全浸没在胶结物中。这种胶结强度最高，不出砂。

（2）接触胶结：仅仅在颗粒接触的地方有数量不多的胶结物。这种砂岩的胶结强度较低，易出砂。

（3）充填胶结：胶结物充填于接触胶结处的颗粒空隙间。这种砂岩的强度大于接触胶结的强度，少量出砂。

（4）溶解胶结：胶结物深入颗粒深处，经溶解和置换后再进行胶结。这种砂岩的强度大，不易出砂。

岩石力学中的杨氏模量E、泊松比ν、体积弹性模量K、剪切模量G、体积压缩系数C0，以及出砂指数Bulk 是反映岩石强度的主要参数。上述不同砂岩的胶结种类和方式使砂岩有不同的岩石力学参数。目前，人们可以根据这些岩石力学参数鉴别、诊断和预测地层是否出砂。岩石力学参数中的出砂指数Bulk 是反映岩石强度的重要参数。不同砂岩有不同的出砂指数。出砂指数的大小可以反映岩石抗剪切、抗压缩的能力。

最初采用此指标来预测地层出砂。近年来采用声波在地层中的传播时间T 来进行预测，当面T＞295μs／m 时该地层应采取防砂措施。还可应用某经验公式来预告地层出砂。如某口油、气井的生产压降大于该井岩心的抗压强度1．7 倍时，就会造成地层出砂。

不同油田不同出砂油层的出砂指数是不尽相同的。同一油田同一出砂油层都存在着较为趋向的出砂指数。胜利油田根据测井资料解释、室内试验及现场统计资料，整理得出了砂岩的出砂指数与油层出砂的关系：

当Bulk＞2．0×104MPa 时，油层不出砂；

当2．0×104MPa＞Bulk＞1．4×104MPa 时，油层出少量砂；

当1．4×104MPa＞Bulk 时，油层出砂。

辽河油田利用出砂指数对有关区块和井段的油层是否出砂进行了预测和诊断。科尔沁地区交2 块的平均出砂指数大于2．0×104MPa，不出砂，预测情况和实际情况相吻合；包1 块6 口井油层段的出砂指数基本上都大于2．0×104MPa，不出砂；包29—33 井油层（696．5～700m）的平均出砂指数为1．728×104MPa，包31—25 井油层（930～950m）的平均出砂指数为1．9×104MPa，出少量砂。

2．地应力状态对油层出砂的诊断和预测。

地应力状态是诊断和预测油层出砂的重要方法之一。钻井以前，地层岩石处于应力平衡状态。钻井过程是对原地应力场的扰动，井壁的不稳定性就是井壁岩石应力状态失稳造成的。井壁岩石的应力集中使原始应力状态的平衡遭到破坏，在剪切应力和压应力的作用下，井壁岩石将首先遭到破坏，砂岩的砂颗粒将随着流体的流动流向井筒。

（1）在大多数情况下，砂岩的出砂与原地应力场的状态有以下关系：

当σv＞σH＞σh时，不易出砂；

当σH＞σv＞σh时，出少量砂；

当σH＞σh＞σv时，出砂。

其中，σH为最大水平应力；σh为最小水平应力；σv为垂向应力；

（2）射孔方位和两个水平主应力方向的夹角与砂岩的出砂有如下关系：

当孔眼方位平行于最大水平主应力方向时，不易出砂；

当孔眼方位与两个水平主应力方向成一定夹角时，出少量砂；

当孔眼方位平行于最小水平主应力方向时，易出砂。

上述的讨论是对油层出砂内在因素的分析。它从岩石的出砂指数和地应力场状态提供了油井生产之前是否会出砂的诊断预测和分析方法。当然这仅仅是初步的。必须结合其他各种因素进行综合分析。油层出砂的诊断和预测可用表1－2－6 来说明。

表1－2－6　油井生产前油层出砂诊断预测表

3．注水、采油条件下砂岩出砂的诊断和预防。

为了诊断和预防某砂岩油层在某一开采条件下是否出砂，我们再以通过室内的岩石三轴试验，来模拟不同孔隙压力下的地层岩石强度及采油注水过程中的油层孔隙压力变化的某些极限，从而确定采油、注水条件下是否会引起基岩发生剪切破坏和坍塌及出砂的条件和不稳定因素。通过这种三轴试验和模拟我们可以表征地层砂岩破坏、出砂时的岩石强度、地应力状态和注采条件。岩石的力学性质与不同的围压条件存在不同关系。岩石的破坏包络线能表征岩石的这一“特征”。为了取得某类岩石的“特征”包络线，应在不同的围压条件下进行一系列的三轴试验，实验要进行到样品发生破坏为止。于是用单位长度表示一定的应力值，每次试验都可用有效应力关系式σ′＝σ－pp（式中，σ′是控制岩石破坏的有效应力；σ是总外施应力，pp是孔隙压力）作出一个直径为（σ′1－σ′2）的极限莫尔图，这里σ′1指在围压σ′2下测定的样品最终强度。

这些莫尔图的包络线是划分稳定条件与不稳定条件的“界线”。该破坏包络线包含着确定岩石样品在任何方向上应力状态所必需的全部信息。

图中标有σ′的水平轴表示有效正应力，标有τ的垂直轴表示剪切应力。在一个特定试验加载过程中的任一时间、任一地点应力状态均可用莫尔图表示。莫尔图与水平轴的交点确定了物体中最大和最小正应力。莫尔图的顶点表示最大剪切应力。人们可以利用这种资料外推出在所研究的应力条件下的地层强度，并确定是否会出现不稳定性。岩石是在基质应力达到临界值时出现破坏的，因此破坏包络线表示的是各“有效”应力值之间的关系。这样，认识这种“特征”也可以用来估计在生产过程中允许油层孔隙压力变化的某些极限。实际上，孔隙压力的变化相当于有关莫尔图沿正应力轴的“位移”。疏松砂岩的破坏包络线可以绘成一个“封闭空间”。图中表明了发生剪切破坏时孔隙压力的最大增量及基岩坍塌前孔隙压力的最大减少量。

注水时，地层孔隙压力可以允许的最大增量；采油过程中，可以允许的最大生产压差；地层岩石在不同应力条件下的破坏强度。当我们已经知道了地层中三个主应力的值和孔隙压力值时，地层岩石在不同应力条件下的破坏强度也就可以求出了。因此，莫尔破坏包络线可以帮助我们对注水、采油条件下砂岩是否出砂进行诊断和预防。目前，在油田开发中油层出砂是严重的。造成这种状况的原因除了砂岩本身的性质之外，另外的原因就是：没有按系统工程要求强化和落实油层保护工作，特别是所有入井流体还没有都加入防膨剂，从而导致粘土的膨胀和运移；不合理的酸化作业等造成砂岩强度的降低和骨架的破坏；对砂岩出砂的先期诊断和预测不够，其中包括：岩石强度分析，地应力状态分析和开采条件的分析等。

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