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绪论 1

第1章 岩石的基本性质和变形特征 4

1．1 岩石力学性质室内试验 5

1．1．1 岩石单轴压缩试验 7

1．1．2 岩石三轴抗压试验 12

1．1．3 岩石的拉伸破坏试验 14

1．1．4 岩石蠕变及其机理 16

1．2 岩石的变形与强度 19

1．2．1 Mohr-Coulomb准则 21

1．2．2 Drucker-Prager准则 27

1．2．3 Griffith准则 28

1．2．4 Griffith准则的Murrel推广 30

第2章 岩石力学的孔隙弹性理论 31

2．1 孔隙度和渗透率 31

2．1．1 孔隙度 31

2．1．2 渗透率 32

2．2 静态孔隙弹性理论 34

2．3 多重孔隙介质的有效应力定律 40

2．4 各向异性裂隙介质的应力相关渗透率张量和本构方程 44

2．4．1 应力无关渗透率张量 44

2．4．2 应力相关渗透率张量 45

2．5 油藏压实与地面变形 50

2．5．1 油藏压实与地面变形的机理 51

2．5．2 油藏开采引起的地面变形预测模型 52

第3章 井壁围岩的应力状态 56

3．1 垂直井井壁围岩应力分布 56

3．2 大斜度井、水平井的井壁围岩应力分布 58

3．3 化学作用对井壁的应力状态的影响 61

3．3．1 水化地层本构方程 62

3．3．2 井壁围岩吸水规律 63

3．3．3 泥页岩的水化膨胀应变 64

3．3．4 泥页岩材料的力学参数E、V 64

3．4 套管对井壁的应力状态的影响 65

第4章 油田地应力及确定方法 67

4．1 地应力的概念 67

4．1．1 岩体自重产生的地应力 67

4．1．2 构造应力 68

4．1．3 温度变化产生的附加应力 68

4．1．4 总原地应力 68

4．2 地应力的确定方法 69

4．2．1 油田地应力测量方法概述 69

4．2．2 水力压裂法测地应力 70

4．2．3 井壁崩落法确定地应力的方向 72

4．2．4 岩石声发射Kaiser效应测定地应力 76

4．2．5 复合地应力测量方法 83

4．2．6 地破试验与差应变结合确定地应力的方法 86

4．2．7 地破试验与多极子测井相结合的方法 87

4．3 分层地应力解释方法 91

4．4 动态地应力理论 93

4．4．1 流动模型 93

4．4．2 考虑有效应力的应力平衡方程 94

4．4．3 耦合算法 96

4．4．4 计算实例 97

第5章 钻井过程中的井壁稳定问题 99

5．1 井壁力学失稳的形式与原因 99

5．2 井壁坍塌剥落 100

5．2．1 岩石破坏的强度准则 100

5．2．2 井壁坍塌处的应力 102

5．2．3 井壁应力的非线性修正 103

5．2．4 井壁坍塌压力的计算 105

5．3 井壁破裂 105

5．4 安全钻井液密度窗口 107

5．5 大斜度井和水平井的井壁稳定 108

5．5．1 安全钻井液密度窗口的确定方法 109

5．5．2 大位移井井壁稳定性影响因素分析 110

5．6 地层各向异性对岩石强度和井壁稳定的影响 114

5．6．1 弱面对强度的影响 115

5．6．2 直井稳定的弱面问题 115

5．6．3 斜井稳定的弱面问题 117

5．7 塑性地层的井眼缩径 118

5．7．1 理想弹塑性模型 118

5．7．2 硬化模型 121

5．7．3 软化模型 122

5．7．4 基于拉格朗日元法的膏盐岩地层的缩径变形分析 125

5．8 黏弹性地层的井眼变形 129

5．8．1 试验技术和方法 130

5．8．2 岩石蠕变微观机制的研究 131

5．8．3 岩石蠕变模型和本构方程 132

5．8．4 盐岩蠕变的本构关系 133

5．8．5 维持不同缩径率所需的安全钻井液密度下限（饱和盐水或油基钻井液） 135

5．8．6 维持不同缩径率所需的安全钻井液密度下限（欠饱和盐水钻井液）的要求 137

5．9 水敏性泥页岩地层临界坍塌时间的确定方法 141

5．9．1 泥页岩水化应力的本构关系 141

5．9．2 泥页岩水化应力的求解 142

5．9．3 地层临界坍塌时间的确定 144

5．9．4 现场应用 144

5．10 维持井壁稳定的充气钻井液密度确定方法 145

5．10．1 井筒温度场控制方程 146

5．10．2 一维两相流条件下井筒压力场 147

5．10．3 维持气井井壁稳定的有效安全钻井液密度的确定方法 148

5．10．4 应用实例 149

5．11 油田开发中后期调整井钻井液密度的确定方法 150

5．11．1 储层坍塌压力、破裂压力的变化 150

5．11．2 椭圆状井眼的抗失稳能力 152

5．11．3 现场应用 154

5．12 气体钻井井壁稳定性分析 154

5．12．1 以往气体钻井井壁稳定模型的评价 155

5．12．2 气体钻井井壁稳定力学模型 156

5．12．3 现场验证 160

第6章 水力压裂 162

6．1 水力裂缝的起裂 163

6．1．1 水力裂缝起裂模型 164

6．1．2 斜井中裂缝起裂 167

6．1．3 射孔对破裂压力的影响 174

6．2 三维压裂模型 178

6．2．1 水力压裂的力学模型概述 178

6．2．2 水力压裂三维模型 181

6．3 岩石断裂韧性 196

6．3．1 断裂韧性测试研究现状 196

6．3．2 断裂力学理论 197

6．3．3 SNBD试件断裂韧性的计算 201

6．3．4 断裂韧性试验研究 203

6．3．5 测井资料预测岩石断裂韧性 211

6．4 水力压裂大型物理模拟试验理论与方法 213

6．4．1 水力压裂模拟试验中的相似准则 213

6．4．2 室内试验装置及检测技术 220

6．5 裂缝干扰 224

6．5．1 水力裂缝相互干扰的机理 224

6．5．2 天然裂缝对水力裂缝的影响 233

6．6 非均质地层压裂 243

6．6．1 分层介质压裂模拟 243

6．6．2 地层中阻流带对水力裂缝的影响 253

6．7 水力裂缝转向 258

6．7．1 井筒附近裂缝转向 259

6．7．2 新井转向压裂 262

6．7．3 水平井压裂 267

6．8 重复压裂 274

6．8．1 重复压裂裂缝重定向机理 275

6．8．2 重复压裂数学模型及有限元数值解 276

6．8．3 重复压裂裂缝因素影响分析 282

第7章 出砂问题 286

7．1 油气井出砂概述 286

7．1．1 出砂的危害 286

7．1．2 油气井出砂的影响因素 286286

7．1．3 油气井出砂的机理 289

7．1．4 出砂地层的类型及出砂特征 290

7．2 砂拱数学模型 290

7．2．1 砂拱稳定的数学模型 291

7．2．2 相关的数值模型 292

7．3 常见的出砂工程预测方法 293

7．4 防砂方法简介 295

第8章 岩石动力学与应用 298

8．1 弹性介质中的纵、横波 298

8．2 利用声波测井确定岩石的弹性和强度参数 299

8．2．1 相关测井简介 300

8．2．2 动静态弹性参数 303

8．2．3 强度参数 304

8．3 声波测井在石油工程中的应用 305

8．3．1 孔隙压力检测 305

8．3．2 利用声波测井资料预测地层破裂压力 307

8．3．3 利用测井资料确定井壁的坍塌压力 309

8．4 地震资料的工程预测理论 309

8．4．1 层速度预测地层孔隙压力 309

8．4．2 层速度钻前预测井壁稳定性 311

8．4．3 层速度单因素钻前井壁稳定预测模型与应用 318

8．4．4 层速度钻前井壁稳定预测神经网络模型与应用 322

8．5 地震记录钻前预测井壁稳定性 330

8．5．1 利用地震记录构建测井曲线 330

8．5．2 声波速度与泥质含量、孔隙度的关系 337

8．5．3 流体有效压力 338

8．5．4 利用常规井壁稳定力学方法预测钻前井壁稳定 338

8．5．5 利用非线性函数曲线拟合预测钻前井壁稳定 344

8．5．6 应用实例 347

第9章 复杂地应力条件下的套管损坏问题 350

9．1 引言 350

9．1．1 套管损坏机理 350

9．1．2 套管外挤载荷分析与强度设计 351

9．1．3 复杂地应力条件下定向井套管受力及损坏研究 356

9．2 套管、水泥环及井壁围岩组合体弹塑性分析 356

9．2．1 套管、水泥环及井壁围岩组合体线弹性分析 356

9．2．2 套管、水泥环及井壁围岩组合体弹塑性分析 364

9．2．3 非均匀地应力条件下套管、水泥环及井壁围岩组合体有限元分析 373

9．3 复杂地应力条件下定向井套管受力有限元分析 384

9．3．1 定向井井壁稳定三维有限元分析模型 384

9．3．2 定向井套管受力有限元分析 386

9．4 岩石力学性质正交各向异性对套管受力的影响 391

9．4．1 工程背景 391

9．4．2 各向异性与各向同性条件下井壁围岩应力及套管受力对比 392

参考文献 396