国内外岩石力学参数求取方法现状
本文摘要：（由ai生成）
石油工程中的岩石力学研究面临高围压、高温和高地应力的挑战。实验室分析法和测井资料计算法是求取岩石力学参数的主要方法。实验室分析法通过不同条件下的实验测量岩石性质，但岩心获取困难。测井资料计算法则利用地层信息计算连续参数，克服了实验室分析的局限性。两种方法虽不同，但基于相似理论模型。综合运用这两种方法，可更准确地获取岩石力学参数，为石油工程提供可靠的技术支持。
石油工程中的岩石力学所涉及的地层深度大多在 1000-8000m 的深度，所研究的地层也处于高围压（可达200MPa）、高温（可达200℃）、高地应力（可达200MPa）。在深部地层中，由于构造应力及上覆岩层压力等的存在，岩石中的孔隙压力通常也较高（可达200MPa）。其研究性质已经完全不同于常规浅部地层岩石所具有的岩石力学性质，故需要能模拟地下实际情况的方法对岩石力学相关参数进行求取。
实验是研究岩石物理学的最基本的研究方法，其主要做法是：第一，采集各种有地质意义的岩石，在实验室中分别研究各种因素对其物理性质的影响，将所得到的大量实验结果统计归纳得到相关规律、经验关系式及所研究区域的关系特性。第二，在建立合理、简化的数学物理模型的基础上，将由实验得到的经验关系外推到实际的深部地层问题当中。需要建立适合地下实际情况的数学模型，若只是直接将实验室小尺度实验得到的结果外推到真实的深部地层中，会导致错误的结论。
国内外在针对石油工程的岩石力学参数求取上可以分为两种途径：第一是实验室分析法，第二是测井资料计算方法。在实际的钻井勘探开发过程当中，原地情况都会遭到破坏，如钻开井眼导致原地应力平衡破坏、钻井液渗入地层致使地层压力改变、地层流体大量进入井眼等都会改变原地平衡状态。实际上，当地层被钻开的那一刻就已经不在是原地状态了，所以近年来相关专业的专家和学者对石油勘探开发过程中，岩石力学参数求取的方法进行了系统研究，建立了许多相关的模型、经验公式以及岩石力学参数的计算规律，进一步提高了岩石力学参数求取的准确性，给现场提供了更可靠的技术理论支撑。
岩石力学实验是采用天然岩石所进行的实验，实验的外部条件有常温常压实验、常温高压实验、高温高压实验以及长期蠕变实验等。实验室分析方法主要分为以下7 种：（1）单轴压缩实验，主要测量的是岩石的单轴抗压强度及杨氏模量，当无侧向围压限制时，即岩心的两个主应力σ2 = σ3 = 0即没有围压的条件下，对岩样控制应变速率进行轴向加载压缩，直到变形发生破坏结束。测量并记录整个实验过程样品的轴向和径向变形，得到岩石的全应力-应变曲线；（2）三轴压缩实验，岩石三轴压缩实验是指在岩心的两个主应力σ2 = σ3 ≠ 0即有侧限条件下，对岩样进行轴向加载，岩样会经历初始加载压实、压实后慢慢出现细微裂缝、再慢慢到达样品的极限抗压强度、最后轴向压缩到峰值之后的破坏区、一直到达样品的残余强度几个过程。通过实验中记录系统自动记录测量并记录整个实验过程样品的轴向和径向变形，并取其对应的偏应力σ1 − σ3得到岩石的全应力-应变曲线。根据得到的应力应变曲线可以计算得到三轴条件下岩石的弹性模量、泊松比、内聚力和抗压强度等岩石力学参数。其中围压可根据实验条件发生改变，温度也可先期加热到一定温度，尽可能的还原地下环境，提高所求取岩石力学参数的精确性；（3）线性膨胀实验，其主要目的是在模拟井下工况高温高压条件下，测量求取岩样的膨胀与压缩变化。（4）X 衍射矿物组分测试，X 射线是波长很短的电磁波，能穿透一定厚度的物质，X 射线在晶体中能够产生衍射现象，根据晶体对X 射线的衍射特征（衍射线的位置、强度及数量）来鉴定样品所含矿物组分的含量情况；（5）连续强度测试；（6）SEM 扫描电镜实验，将岩石样本制作成薄片，运用扫描电镜技术对岩石的微细观结构进行分析与描述。对岩石微观裂缝的形成与扩展进行微米级别的研究，从而在微观尺度上对岩石的裂缝扩展进行深入分析；（7）巴西劈裂实验，岩石试件在单轴拉伸的条件下破坏所能达到的最大应力，也就是岩样的抗拉强度。该实验是测量岩石抗拉强度的一种简单有效的方式，对岩体的巴西劈裂抗拉强度特性，主要从实验和数值两方面展开了力学参数和破坏方式随层理方向变化规律的研究。岩石抗拉强度是影响压裂过程起裂的重要参数。
但是在实际情况中，岩心的获得需要根据现场实际情况而定，取芯工作是需要耗费工时的流程，所以有些井并没有相应研究层位的岩心可做实验所用。由于岩心的获得较为困难，因此利用实验室分析法求取所需岩石力学参数有一定的局限性。但每口井都有相应的测井资料，测井资料中蕴含着大量地层信息，将不同的测井方式所测得的信息进行综合分析，可以得到地层连续的信息。如用自然电位和伽马测井可以大致确定岩性，用声波时差测井可以求取岩石动态的弹性模量和泊松比。在用测井资料求取地下岩石力学参数的时常用到相应的岩石力学软件（GMI、Techlog），用于计算地下连续的岩石力学参数（单轴抗压强度、杨氏模量、泊松比），进而可以求取地层压力并计算三压力剖面。
可以看出实验室分析法和测井资料计算法是截然不同的两种求取岩石力学参数的方法，但实质上都是运用类似的理论模型进行计算求取。
