地质力学是研究土壤和岩石如何变形的学科, 有时会失败, 以应对压力的变化, 压力, 温度和其他环境参数. 在石油工业中, 地质力学倾向于研究岩石, 但这种区别变得模糊了，因为未固结的岩石可以表现得像土壤. 地质力学是一门相对年轻的科学，在石油工业中的应用更是年轻. 然而, 它适用于石油开采的几乎所有方面，从勘探到生产到废弃，以及所有规模, 小到单个切削齿在聚晶金刚石(PDC)钻头上通过钻井和射孔的作用，大到模拟油田和盆地. 在过去的30年里, 地质力学在钻井中发挥着越来越重要的作用, 完井和生产作业. 随着作业者追求页岩油气开采，这一趋势仍在继续, 其中力学各向异性——力学性能随取向的变化——起着至关重要的作用.

在井筒尺度上, 地质力学是理解钻头如何移除岩石的核心, 表征井眼稳定性, 预测射孔隧道的稳定性，设计和监测水力压裂增产方案. 在油藏规模上, 地质力学有助于模拟流体运动，并预测流体移除或注入如何导致渗透率变化, 流体压力和原位岩石应力对储层性能有显著影响. 工程师们使用地质力学建模来预测和量化这些影响，从而做出油藏生命周期决策，比如下井和完井, 提高和维持生产, 将风险降到最低，进行新的投资.

选择正确的钻头类型和设计，以获得最佳的钻速和钻头寿命，对于钻出具有成本效益的井至关重要. 由于高应变率和高温，钻头下岩石破坏的地质力学是复杂的, 多种变形机制和钻头之间的相互作用, 钻井液和地层. 为了了解和提高钻头性能，已经采取了许多特别的方法, 自20世纪60年代以来，机械比能量(用于移除单位体积岩石的能量)等解释方法已被用于将钻井性能与岩石强度联系起来. 与地质力学相关的研究方法的最新进展开始更详细地揭示这些因素, 如粉碎之间的平衡, 崩解和脆裂或碎裂,控制刀具上的载荷, 其磨损行为和岩屑的性质(图1).

在钻井过程中，地质力学在了解井眼的稳定性和完整性方面也起着重要作用. 井筒的存在和钻井液的压力会引起应力状态或岩石中的变化. 结果是, 当重分布应力大于岩石强度时，钻孔周围岩石可能发生破坏. 如果泥浆压力过高，导致井壁处于张拉状态，就会发生张拉裂缝. 痘, 如果泥浆压力过低会发生什么, 扩大的区域是否在钻孔的两侧, 哪里发生了剪切开裂，破碎的岩石被钻头移走了, 稳定剂或泥浆流. 这些故障可能导致卡钻, 漏失和其他钻井问题，但也可以作为应力大小和方向的宝贵信息来源.

通过计算计划钻孔周围的应力变化，并将其与岩石的强度进行比较, 工程师可以为井生成泥浆比重程序. 通常, 泥浆比重必须足够高，以抑制剪切破坏和流体流入，同时也必须足够低，以避免拉伸破坏和漏失. 虽然计算应力和破坏准则的数学技术已经建立和常规, 岩石破坏和钻井问题之间的联系还没有得到很好的证实. 此外, 一些附加的失效模式, 如层理面失效, 还不能可靠地预测(图2). 因此, 有效的井筒稳定性控制, 特别是在具有挑战性的井眼轨迹上, 需要实时监测井筒状况，以及所需泥浆压力程序的钻前预测.

地质力学建模和预测的一个挑战是输入数据的可用性，主要是岩石强度和原位应力. 岩石强度很容易在实验室用岩心样品测量, 但这个过程既耗时又昂贵, 而且这些结果通常对未来的油井有帮助，而不是现在的油井. 因此, 从电缆中获得岩石强度值花费了相当大的努力, LWD和声波数据. 与岩心数据相比，这种方法的代价是精度较低，但沿井的空间覆盖率较高.

这些数据被内插或外推，以覆盖新井中感兴趣的部分，或用于改进对当前井的预测. 同样的数据也可以用在地质埋藏史模型中，用来构造地应力的垂直剖面, 然后将其与井中的离散应力测量进行比较和校准. 最近, 先进的声波工具可以估计岩石强度和一些地应力分量，并将其输入地质力学模型.

比如20世纪70年代在兰吉地诱发的地震活动, 科罗拉多州, 美国, 以及20世纪80年代Ekofisk油田的压实和沉降, 北海, 挪威近海, 帮助工程师认识到地质力学在油藏规模上的作用. 在这种规模上研究地质力学变化现在是常规的, 由于开发了针对地质结构和岩石力学行为进行了优化的有限元分析程序(图3). 用岩石数据填充这些模型可能是一个挑战, 但由于计算网格是粗糙的, 这可以用地震资料来完成. 一旦模型被填充, 油藏和上覆层的力学响应可以通过各种操作(包括生产)进行估计, 注入和压裂. 该模型可以通过重复校准或改进, 延时地震调查和新井钻探时的数据补充. 作业者可以利用这类信息来估计压裂增产所使用的注入压力，从而有可能破坏储层密封, 也可以预测一段时间后的裂缝梯度, 允许安全、有效地钻探填充井.

压裂增产储层, 地质力学方法在油田的第一个应用, 仍是主要发展区吗. 页岩储层的开发引起了人们对岩石力学各向异性的极大兴趣, 直到2000年才被广泛认可. 改进裂缝几何形状和生长预测, 应力和强度模型以及声波和电阻率测量的解释必须加以修改，以考虑各向异性. 声波测井工具和解释的进步使这成为可能.

所有这些领域的一个共同特征是地球力学模型(MEM)。, 对地下地质力学环境进行定量和定性预测所需的数据集合是什么. 这些数据包括地球上的应力, 孔隙压力, 岩石弹性性质, 强度和织物和非数值数据，如存在强烈的自然压裂. MEM可以是简单的也可以是复杂的, 是大是小，是一维的, 2D, 3D或4d -三维空间加上时间-根据领域的复杂性和感兴趣的现象. MEM最重要的定义特征是其数据与正在钻探的岩石有关, 断裂或受现场作业影响, 而不是某一口井或一组井. 第二个特性是，它被设计为在从正在进行的操作中获得新数据时进行更新. Data sources for an MEM include any that give information on stress and mechanical behavior; such sources include wireline and LWD logs, 核, 崩落和岩屑, 区域地质和所有类型的地震活动.

地质力学面临的挑战包括

• 预测地应力和岩石性质的数据来源
• 利用各向异性信息预测非常规资源开采过程中的变形
• 在数值模型中处理断层和裂缝位移.

除了, 帮助提高地质力学在行业各个领域的应用, 工程师必须更好地理解岩石破坏与井筒失稳和出砂的操作破坏之间的关系.

从早期作为声波测井的辅助工具，地质力学在油田的应用已经取得了长足的进步. 它被认为是石油开采几乎所有方面的重要组成部分，对提高效率和降低成本至关重要. 地质力学在新油藏和成熟油藏中的应用及其与作业者工作流程的整合, 随着新的测量和技术的引入, 能否确保其在行业中继续发挥作用. 从这里开始，它的运营影响只会越来越大. 地质力学在成熟油田开发中的应用势在必行，这将影响到诸如填充钻井等活动, 缓解压实和重复压裂.