体积模量 ×104MPa 2.95 3.34 3.5 3
煤 层 顶 底 板 岩 石 力 学 参 数 表
11#煤顶板
11#煤底板 3 煤顶板 3#煤底板 澄试4井 5#煤顶板 5#煤底板 11#煤顶板 11 煤底板 3#煤顶板 3#煤底板 韩4-17向2井 5#煤顶板
# #
0.30-0.31
0.31-0.32 0.33 0.32 0.34 0.30-0.40 0.32 0.37 0.3 0.3 0.26
20
（10）破裂压力：
岩层被成功压裂开的井柱压力。 已知岩层抗压强度大于抗张强度，当井柱压力增大，使周向 法应力为岩层最大抗张强度时，储层被成功压裂开。这时的井 柱压力为破裂压力，并由此计算破裂压力梯度。 其中τmax=τS
P2
2 1 3 PO PP max 1 1
FI 1
19
（9）坍塌压力：
岩层自然破裂时的井柱压力。 当井柱压力增大时，周向压性应力变为周向张性应力，对于脆性砂 岩、微裂隙岩层就有可能发生自然破裂，钻井时泥浆会发生漏失现象 。由此，还可以计算泥浆比重极限值（ρm1=P1H/10）。
2 1 3 P1 PO PP 1 1
15
（4）单轴抗压强度：
u 0.0045EMOD(1 VSH ) 0.008(1 VSH )
（5）岩层固有抗切强度：
s 0.025 u / CB
16
（6）出砂指数： B 大说明岩石强度大，稳定性好。经验表明当含油砂岩 的B≥3 （即 3×106 磅 / 英寸）时，则在正常压力下采油时 ，不会出砂；当 2≤B＜ 3时，油层会出少量砂子；当 B＜ 2 时，油层会出较多砂子。
G
ρ Δts
2
1.34 1010
R=ρ﹡（1/∆tp2-2/∆ts2）
12
（二）压裂相关参数的基本确定
（1）径向应力（ESRA）：
指岩石受到径向张应力的大小。
Tre P P m p
式中： Pm为泥浆柱压力，Pm=ρmH/10 （ρm为泥浆比重，H为储层中部深度） Pp为孔隙流体压力Pm=GH+C， （G、C为孔隙流体压力梯度和常数，地区经验参数）
砂岩 泥岩
灰岩
煤
煤
26
煤层及顶底板岩石力学分析技术
泊松比、杨氏模量、体积模量、剪切模量、抗剪强 度低，破裂压力梯度小，坍塌压力梯度大，即易张 性破裂又易压性破裂，井眼易坍塌。 泊松比值大，杨氏模量、体积模量、剪切模量、 抗剪强度较低，破裂压力梯度较大，坍塌压力梯 度较低，岩石可塑性强。 泊松比较低，杨氏模量、体积模量、剪切模量、抗 剪强度较大，破裂压力梯度较大，坍塌压力梯度较 小，岩石弹性强。 泊松比较低，杨氏模量、体积模量、剪切模量、抗 剪强度大，破裂压力梯度大，坍塌压力梯度小，岩 石弹性最强，不易形变。
24.31
25.38 26.82
3.11
3.13 5.51
1.2
1.17 2.22
2.52
3.09 3.59
25
煤层及顶底板岩石力学分析技术
泊松比-杨氏模量交会图
泥岩 煤 砂岩
剪切模量与体积模量交会图
灰岩 灰岩
砂岩
泥岩 煤
破裂压力梯度-抗剪强度交会图 破裂压力梯度与坍塌压力梯度交会图
砂岩 泥岩 灰岩
4 B 2 K 3
17
（7）斯仑贝谢比： 当R大时，说明岩石强度大，稳定性好，不易变形和出 砂。比出砂指数能更好地估计岩石的强度和稳定性。
R K
18
（8）裂缝指示：
由于σ越大表示岩石弹性越小或塑性越大，岩石容易断裂或 压裂。σ越大，FI越大。在碳酸盐岩裂缝段，FI很大；但在泥岩 段FI也很大，这时因为泥岩塑性大，不是因为裂缝发育。
剪切应变——剪切模量 对一块弹性体施加一个侧向的力f（通常是摩擦力），弹性体会由方形变成 菱形，这个形变的角度θ称为“剪切应变”，相应的力f除以受力面积S称为 “剪切应力”。剪切应力除以剪切应变就等于剪切模量G=( f/A)/θ


t s
2
6
切变模量
所加剪切应力与切变角之 比 ，它度量岩石的抗剪 强度
泊松比 剪切模量 杨氏模量 体积模量
多种方法计算岩石力学参数
2
阵列声波处理---岩石力学参数成果图
3
（一）弹性模量的基本确定
（1）泊松比： 弹性体只受法向应力作用时，横向缩短和纵向伸长的比值（又 称横向压缩系数），表示材料力学的一个重要参数。无量纲，对任 何材料在0-0.5之间。泊松比越大，表示弹性越小，塑性越大，岩石 容易断裂或压裂。而泥岩泊松比大，表示塑性大，易变形。
3号煤顶板易裂 5号煤底板易裂， 11号煤顶板易裂 5号煤顶板易裂
29
汇报结束 请领导指正 谢谢！
30
1.41-2.27
1.40-1.53 1.13 1.42 1.1 0.84 1.92 1.1 1.33 1.04 1.98
3.14-5.66
3.46-4.68 2.79 3.35 3.32 2.79 4.27 4.16 2.82 3.63 3.47
5#煤底板
11 煤顶板 11#煤底板
#
0.35
0.3 0.33
F l E= / A l
9
（4）体积模量： 弹性体受均匀静压力时，所加静压力和体应变的比值。用它 来度量岩石的抗压应力。
体积应变——体积模量: 对弹性体施加一个整体的压强p，这个压强称为“体积应力”， 弹性体的体积减少量(-dV)除以原来的体积V称为“体积应变”，体 积应力除以体积应变就等于体积模量: K=P/(-dV/V)
14
（3）抗剪强度： 指岩石能承受周向压应力的大小。 对于脆性储层分析其张性破裂要确定抗张强度；而对于岩 性疏松的储层，要考察其切变破裂采油出砂，先要确定岩层 抗切强度。一般根据目的层岩性和弹性模量给出经验值。
（4）抗张强度： 指岩石能承受径向张应力的大小。 抗张强度τT处在（0-τS），岩层最大抗张强度，可看作岩 层固有抗切强度。
13
（2）周向应力（ESTA）： 指岩石受到周向压应力的大小。
Te
2 POIS 1 3POIS P PP Pm O 1 POIS 1 POIS
式中： PO为上覆压力PO=ρ(H)H/10， （ρ(H)为H深时的上覆岩层平均密度，由密度测井曲线得到） α为孔隙流体压力对各应力的贡献，与岩层体积压缩系数、骨架压 缩系数有关，α=B/Bm。
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煤层及顶底板岩石力学分析技术 阵列声波解释-岩石力学参数计算
井号 煤号
3#煤顶板 3 煤底板 澄试3井 5#煤顶板 5#煤底板
#
泊松比
0.3 0.33 0.26 0.3
破裂压力 MPa 26.9பைடு நூலகம் 30.57 23.47 29
杨氏模量 ×104MPa 3.52 3.35 5.02 3.21
剪切模量 ×104MPa 1.36 1.26 1.99 1.23
27
煤层特征
泥岩特征
砂岩特征
灰岩特征
煤层及顶底板岩石力学分析技术
杨氏模量与体积密度交会图 体积模量与体积密度交会图
剪切模量-体积密度交会图
晋城地区
煤质越好，基本模量越低
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煤层及顶底板岩石力学分析技术 阵列声波解释-岩石力学参数计算
压裂施工方案提示 井号 顶底压裂情况
澄试3井
澄试4井
韩4-17向2井
27.61-28.92
28.39-31.73 29.4-33.2 28.0-33.0 31.2-34.1 37.0-41.9 30.33 37.9-39.4 17.23 24.2 16.23
3.67-5.92
3.80-3.98 3.18-3.07 3.52 2.92 2.34 4.97 3.14 3.45 2.85 4.99
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煤层及顶底板岩石力学分析技术 阵列声波解释-岩石力学参数计算
弹性模量 与压裂相关参数
煤层的弹性模量（泊松比、杨氏模量、剪切模量、体积模量）值都较低， 抗剪强度、破裂压力也较低，说明煤层的机械强度弱，地层脆而软，既易 压性破裂，又易张性破损，井眼极易坍落，易引起钻井作业中的煤层破碎、 掉块、井壁垮塌。
K
3t s 4t c 3t s t c
2 2
2
2
10
体积模量
岩石受均匀静压力时，所 加应力与体积应变比值， 它度量岩石的抗压能力
F
F V K= / A V
F F
Volumetric Deformation
11
动态弹性模量的计算方法
假定岩石为均匀、各向同性的弹性体
泊松比 体积模量 杨氏模量 切变模量 拉梅系数
F
F/A G=
l l
F
Shear Deformation
7
（3）杨氏模量：
拉伸应力（法向应力）和同方向上的相对伸长（沿法向应力方向的应 变）的比值。其意义为弹性体发生单位线应变时，弹性体产生的应力大小 。它是度量岩石的抗张应力大小的，是岩石张变弹性强弱的标志。该值大 小表示弹性体或弹性材料在外力作用下变形的难易程度，是材料弹性力学 性质的一个重要参数，其量纲和应力相同。
岩石力学参数及其物理意义
1
岩石力学参数计算技术
利用阵列声波测井等资料能够提供杨氏模量、弹性模量、泊松比等较为准确的 岩石力学参数。预测岩石强度，岩石破裂压力，进行井眼稳定性分析，为钻井工程 、压裂施工、油气层开采等方面提供有用参数。
岩石力学参数 弹性模量 压裂相关参数 径向应力 周向应力 抗剪强度 抗张强度 抗压强度 裂缝指示 斯仑贝谢比 出砂指数 岩层固有抗 切强度 坍塌压力 破裂压力
30 25
3煤破裂压力化验数据 岩心破裂压力与测井解释数据的比较