第一章钻井工程地质条件-新

1,第一章钻井工程地质条件,1-1地下压力特性1-2岩石的工程力学性质,2,第一节地下压力特性,一、地下各种压力的概念二、地层压力预监测方法三、地层破裂压力,3,一、地下各种压力的概念（一）静液压力（hydrostaticpressure）静液压力由液柱自身的重力所引起的压力,其大小与液体的密度和液柱的垂直高度或深度成正比。ph=0.00981hlMPa(11)式中：ph压力,MPa；密度,g/cm3；hl液柱垂直高度，m。静液压力梯度单位高度或单位深度（垂深）的液柱压力称为静液压力梯度，表示静液压力随高度或深度的变化。Ghph/hl0.00981MPa/m两类地层水：淡水：Gh=0.00981MPa/m；=1.0g/cm3盐水：Gh=0.0105MPa/m；=1.07g/cm3,（1-2）,4,（二）上覆岩层压力（Overburdenpressure）上覆岩层压力地层某处的上覆岩层压力是该处以上地层（包括岩石基质和岩石孔隙中流体）总重力所产生的压力。式中：p0上覆岩层压力，MPa；D地层垂直深度,m；岩石孔隙度，%；ma岩石骨架密度，g/cm3；孔隙中流体密度，g/cm3；0地层密度，g/cm3。,(1-3),(1-4),(1-5),5,上覆岩层压力梯度单位井深的上覆岩层压力.上覆岩层压力随深度增加而增大。沉积岩的平均密度大约为2.5g/cm3，上覆岩层压力梯度一般为0.0245MPa/m。在实际钻井过程中，以钻台作为上覆岩层压力的基准面。,（1-6）,6,（三）地层压力（formationpressure）地层压力指岩石孔隙中的流体所具有的压力，也称地层孔隙压力（formationporepressure），用pp表示。正常地层压力等于静液压力，pp=ph。异常地层压力地层压力大于或小于正常地层压力。超过正常地层压力的地层压力(ppph)称为异常高压。低于正常地层静液压力的地层压力(ppph)称为异常低压。,7,（四）基岩应力（matrixstress）上覆岩层压力由岩石的基质颗粒（骨架）和孔隙中的流体共同承担。由岩石颗粒间相互接触支撑的那一部分上覆岩层压力，称为基岩应力，亦称有效上覆岩层压力、骨架应力或颗粒间压力，用表示。(1-7),8,（五）地下各种压力的关系,上覆岩层压力由岩石骨架和孔隙中的流体共同承担，因此上覆岩层压力、地层压力和基岩应力之间存在以下关系：当po一定时，减小，pp增大，0，pppo。所以，地层的孔隙压力增大，基岩应力必然减小。,9,例题：一口气井，在3048m(10000ft)深度的砂岩完井。沉积体的流体环境为普通盐水，gs=0.010374MPa/m(0.465psi/ft)，上覆岩层压力梯度为0.0223MPa/m(1.0psi/ft)。原始条件下有效上覆岩层压力是多少？(psimeanspoundspersquareinch1psi=0.068atm)=0-Pp=3048(0.0223-0.010374)=36.35MPa（公制单位计算）10000(1-0.465)=5350psi（英制单位计算）经常看到的单位换算：1inch=2.5cm。1psi=6.79kPa1feet=0.3m1feet=12inch。,10,（六）异常地层压力的成因异常低压和异常高压统称为异常压力（abnormalpressure）。1异常低压（abnormallowpressure）压力梯度小于0.00981MPam或0.0105MPa/m（即正常地层压力梯度）的地层压力是异常低压。产生异常低压的原因（1）生产多年而又没有压力补充的枯竭油气层。（2）地下水位很低。（地面沉陷的原因之一）,11,2异常高压（abnormalhighpressure）压力梯度大于0.0105MPa/m的地层压力是异常高压。（1）形成异常高压的地质条件地层具有保存流体的孔隙；地层周围存在不渗透围栅，构成圈闭；具有一定的埋藏深度，形成足够大的上覆岩层压力。（2）异常高压的成因在地层的沉积过程中，随着上覆沉积物不断增多，地层逐渐被压实，孔隙度减小。如果地层是可渗透的、连通的，地层中流体的流动不受限制（称之为水力学开启系统），地层孔隙中的流体则随着地层的压实被排挤出去，建立起静液压力条件。,12,在地层被不渗透的围栅包围，流体被圈闭在地层的孔隙空间内不能自由流通（称之为水力学封闭系统）的条件下，随着地层的不断沉积，上覆岩层压力逐渐增大，而圈闭在地层孔隙内的流体排不出去，必然承受部分上覆岩层重力。结果是地层流体压力升高，地层得不到正常压实，孔隙度相对增大，岩石密度相对减小，基岩应力相对降低。这种作用称为欠压实作用。,13,如果沉积速度很快，岩石颗粒没有足够的时间去重新排列，孔隙内的流体的排出受到限制，基岩无法增加它的颗粒与颗粒之间的压力，即无法增加它对上覆岩层的支撑能力。由于上覆岩层继续沉积，负荷增加，而下面基岩的支撑能力没有增加，孔隙中的流体必然开始支撑部分上覆岩层压力。若周围被不渗透地层圈闭起来，使得高压流体无法流出，就会造成孔隙增大，地层不能被压实到正常地层应该压实的程度，即形成地层欠压实现象，就会导致异常高压。,14,其它原因：地质构造作用：造成地层上升、巨大地应力的挤压水热增压作用：温度升高，流体体积膨胀渗透作用：水由盐浓度低的一侧通过泥岩半透膜向高侧渗透。异常高压的大小异常高压一般不会超过上覆岩层压力。但也有超过上覆岩层压力的特高压地层，由覆盖在高压层以上岩层的内力帮助上覆岩层压力来平衡地层流体的巨大向上作用力。,15,二、地层压力预监测地层压力预测（钻前）：地震资料法、测井资料法地层压力监测（钻进中）：dc指数法、页岩密度法、标准化钻速法（一）地层压力预测地震法、声波时差法、页岩电阻率法。1.声波时差声波（纵波）在单位距离地层内的传播时间为波速（t）；声波到达井壁不同深度两点所用时间的差称为声波时差。式中：t声波时差；岩层密度，=f()；E岩石的弹性模量；岩石的泊松比。对于一定的岩性（泥页岩），tf()。,（1-8）,16,2.基本原理（1）声波时差与泥页岩孔隙度的关系（2）正常沉积条件下，泥页岩孔隙度与埋藏深度的关系泥页岩在地面的孔隙度可用声波时差表示：（3）正常沉积条件下，泥页岩声波时差与埋藏深度的关系,（1-9）,（1-10）,（1-11）,（1-12）,17,（4）基本原理在正常压力层段，随着地层埋藏深度的增加，岩石孔隙度减小，密度增大，声波速度逐渐增大，声波时差逐渐减小。在半对数坐标中，声波时差随井深呈直线变化关系，称之为正常趋势线。进入异常高压地层时，由于岩层欠压实，孔隙度相对增大，声波速度相对减小，声波时差相对增大，则必然偏离正常压力趋势线。据此可预测异常高压，并可根据偏离程度的大小定量计算地层压力。,18,利用泥页岩声波时差计算地层压力的步骤：(1)在标准声波时差测井资料选择纯泥页岩层，以5m左右为间隔点在测井曲线上读出井深和相应的声波时差值，并在半对数坐标纸上描点。(2)在已知的正常地层压力井段，根据尽可能多的数据点引出声波时差随井深变化的正常趋势线，并将其延伸至异常高压井段。(3)读出某深度的实测声波时差t和该深度所对应的正常趋势线上的声波时差tn，并计算ttn。（4）见p13,19,（二）地层压力监测（检测）dc指数法、页岩密度法、标准化钻速法1.dc指数的概念宾汉钻速模型（Bingham,1964)：VpcKne(W/db)d(113)d指数（泥页岩层）：采用常用工程单位：,（114）,（115）,在正常地层压力条件下，若岩性和钻井条件不变，机械钻速随井深增加而减小，则d指数随井深增加而增大。钻遇异常高压层，由于地层欠压实，机械钻速增大，d指数则相对减小。据此可评价地层压力。,简化:k=1e=1,20,dc指数Rehm&Meclendon(1971)研究了钻井液密度变化的影响（钻井液密度增大将导致机械钻速降低，d指数增大），提出了修正的d指数，称为dc指数。2.基本原理,在正常压力层段，若岩性和钻井条件不变，机械钻速随井深增加而减小，则dc指数随井深增加而增大。在半对数坐标中，dc指数与井深呈线性关系，称之为正常压力趋势线。当钻遇异常高压层，由于地层欠压实，机械钻速增大，dc指数则相对减小，偏离正常趋势线。根据偏离程度可计算出地层压力。,21,三、地层破裂压力（fracturepressure）1.井眼周围岩石的受力状态（1）上覆岩层压力po（2）地层孔隙压力pp（3）水平地应力（4）钻井液液柱压力ph有效地应力（岩石骨架应力）：有效垂直地应力（基岩应力）1=popp有效水平地应力2=H-Pp3=h-Pp,（1-19）,22,2.地层破裂压力某深度处地层破裂时所能承受的液体压力称为该处地层的破裂压力，用Pf表示。它取决于井眼周围岩石的应力状态和岩石强度。,ph,3,3,2,2,pp,pp,裂缝张开方向,23,3.预测方法（1）Hubbert&Willis（1957）认为：三维不均匀应力状态，123，且3=(1/31/2)1井内液压力必须克服地层孔隙压力和最小有效水平地应力时地层才能破裂。（2）Mathews&Kelly(1967)认为：水平均匀地应力状态，3=2=Ki(D)1井内液柱压力必须克服地层孔隙压力和最小有效水平地应力时地层才能破裂。,（1-21）,（1-20）,24,（3）Eaton(1969)认为：水平均匀地应力状态；井内液压必须克服地层孔隙压力和最小有效水平地应力时地层才能破裂。（4）黄荣樽（1985）认为：井壁岩石处于三维不均匀应力状态，123；水平地应力由上覆岩层压力和构造力两部分产生；当井内液压力超过井壁上某一点处的地层孔隙压力、切向（周向）有效应力和岩石的抗拉强度，地层开裂。,（1-22）,（1-23）,（1-24）,式中：，由现场压裂实验数据求得；St岩心抗拉试验求得。,25,（5）破裂压力实验也称漏失试验，步骤如下：(1)循环调节泥浆性能，保证泥浆性能稳定，上提钻头至套管鞋内，关闭防喷器。(2)用较小排量0.661.32L/s向井内注入泥浆，并记录各个时期的注入量及立管压力。(3)做立管压力与累计泵入量的关系曲线图。(4)从图上确定各个压力值，漏失压力为PL，即开始偏离直线点的压力，其后压力继续上升；即为开裂压力Pf，压力升到最大值；传播压力Pr，最大值过后压力下降并趋于平缓，（5）求地层破裂压力当量密度ffmpL/(0.00981H)(1-27)m试验用泥浆密度，g/cm3；H试验井深，m。,26,Pf,PL,Pa,Pi,Pr,PL漏失压力Pf破裂压力Pa重张压力Pi瞬时停泵压力Pr传播压力,井底压力,时间/排量,27,1-2岩石的工程力学性质,一、岩石的类型及结构特点二、岩石的机械性质（力学性质）三、影响岩石力学性质的因素四、岩石的可钻性和研磨性,28,一、岩石的类型及结构特点1.岩石的组成岩石是矿物颗粒的自然混合体。大多数岩石由两种以上的矿物成分组成。矿物是具有固定的化学成分和确定的物理性质的天然无机单质或化合物。除了硫、碳的矿物及少数金属外，绝大多数矿物是由两种以上元素组成的化合物。主要造岩矿物一览表（P22，表1-1）。2.岩石的类型岩石可分为三大类：火成岩、变质岩和沉积岩,29,火成岩（岩浆岩）由岩浆（硅酸盐）熔体冷凝而成。如花岗岩、玄武岩、橄榄岩、安山岩等。变质岩火成岩和沉积岩等由于高温高压作用或外来物质的加入，改变了原来的成分、结构，变成新的岩石。如花岗岩片麻岩，石灰岩大理岩，石英砂岩石英岩等。沉积岩母岩风化后的产物经过搬运、沉积和成岩作用而形成的岩石。如泥岩、砂岩、石灰岩、白云岩、石膏、岩盐。,30,沉积岩类型（1）碎屑岩母岩风化后的物质经机械沉积作用后形成的岩石。碎屑颗粒（岩石或矿物碎屑）由胶结物（泥质、铁质、钙质、硅质）胶结在一起。砾岩：颗粒大于2mm。主要是火成岩、变质岩碎屑，碎屑间由胶结物充填。巨砾：1m；粗砾：1001000mm；中砾：10100mm；细砾：210mm砂岩：颗粒0.12mm。石英、长石、辉石、角闪石、云母等矿物颗粒+胶结物粗砂：0.52mm；中砂：0.250.5mm；细砂：0.10.25mm粉砂岩：介于砂岩和泥岩之间的一类岩石，颗粒尺寸0.10.01mm。泥岩：颗粒小于0.01mm。主要成分为粘土矿物，并含有部分碎屑物质（石英、长石、云母等）。,31,（2）化学沉积岩母岩风化后的溶解物质经化学沉积作用后形成晶质岩石。碳酸盐岩石灰岩，主要成分为石灰石或方解石（CaCO3）白云岩，主要成分为白云石（MgCa(CO3)2）硫酸盐岩石膏（CaSO4）岩盐石盐（NaCl）在沉积岩中：泥岩60%，砂岩30%，碳酸盐岩居第三位。3.沉积岩的特点（1）结构特点结构指岩石的微观组织特征，包括矿物成分、颗粒大小、形状及排列方式、颗粒间的联结情况等。特点：矿物成分不确定、颗粒大小不等、颗粒形状多样、颗粒分布不均匀、胶结强度有强有弱。（2）构造特点构造指岩石的宏观组织特征，是指岩石组分的空间分布及其相互间的位置关系。如层理、页理、节理（裂隙）、孔隙度等。,32,层理岩石一层层迭起来的现象。倾斜的层状结构是沉积岩的主要构造特征。形成层理的原因：颗粒大小在纵向上的变化岩石成分在纵向剖面上的变化某些矿物颗粒的定向排列,颗粒大小变化,岩石成分变化,某些矿物颗粒定向排列,33,（3）各向异性和非均质性各向异性如果物体的某一性质随方向的不同而不同，则称物体的这种特性为各向异性。岩石一般具有各向异性的性质。如在垂直于和平行于层理面的方向上，岩石的力学性质（弹性、强度等）有较大的差异。岩石的各向异性性质是由岩石的构造特点所决定的。结晶矿物颗粒的定向排列、层理、片理、节理等使得岩石具有各向异性的特点。不均质性如果物体中的不同部分的物理、化学性质不同，称该物体是不均质的。岩石一般为非均质体。这是由岩石成分、颗粒大小、颗粒间的联结强度、孔隙度（密度）的不均匀性所造成的。测定岩石的力学性质时，不同部位的实验结果常存在很大的差异。因此，应采用统计学理论，取合适的均值作为代表。,34,二、岩石的机械性质（力学性质）1.概念岩石的力学性质岩石受力后表现出来的变形特性和强度特性。弹性岩石在外力作用下产生变形，外力撤除后变形随之消失，恢复到原来的形状和体积的性质称为弹性。相应的变形称为弹性变形。塑性岩石在外力作用下产生变形，外力撤除后变形不能完全恢复的性质。相应的残余变形称为塑性变形。脆性岩石在外力作用下变形量很小（小于3%）时就发生破坏的性质。相应的破坏称为脆性破坏。强度岩石在外力作用下发生破坏时的最大应力。抗拉强度岩石单纯受拉伸应力作用时的强度。抗压强度岩石单纯受压缩应力作用时的强度。抗剪强度岩石单纯受剪切应力作用时的强度。抗弯强度岩石单纯受弯曲应力作用时的强度。,35,2.简单应力条件下岩石的力学性质简单应力条件：岩石受单一外载（压、拉、剪、弯）作用。（1）试验方法,36,（2）一般规律：在简单应力条件下，大部分岩石都接近弹性脆性体，岩石的破坏表现为脆性破坏。岩石的弹性模量与所加载荷大小及应变种类有关。当载荷较小时，弹性模量接近常数，且各种应变情况下的弹性模量相差不大。当载荷较大时，在受压缩的情况下，弹性模量将随载荷的增大而增大；在受拉伸的情况，弹性模量则随载荷的增大而减小。在动外力（如声波）作用下，大多数岩石服从直线虎克定律。抗拉强度抗弯强度抗剪强度抗压强度。垂直于地层层面方向的岩石强度平行于地层层面方向的岩石强度。,37,3.复杂应力条件下岩石的力学性质(1)三轴岩石试验,常规三轴试验：,12=3,38,(2)一般规律岩石在三轴应力条件下的强度明显增加。随着围压的增大，岩石强度增大。随着围压的增大，岩石由脆性向塑性转变，且围压越大，岩石破坏前呈现的塑性也越大。岩石从脆性向塑性转变的压力（围压）称为临界压力。不同的岩石，临界压力不同。X代表脆性破坏！,39,4.岩石的硬度和塑性系数硬度的概念岩石抵抗其它物体表面压入或侵入的能力。石油工业中的岩石硬度是压入硬度，也称为史氏硬度，是由前苏联史立涅尔提出的。硬度与抗压强度区别：硬度是岩石表面的局部抵抗另一物体压入或侵入破碎时的能力，抗压强度则是岩石整体抗压碎能力。滑石石膏方解石萤石磷灰石正长石石英黄玉刚玉金刚石塑性系数表征岩石塑性和脆性大小的参数。压入硬度和塑性系数的测定方法压入试验,40,岩石硬度试验装置,7,7,1液缸缸体；2液缸柱塞；3-岩样；4压头5压力计；6千分表；7柱塞导向杆,6,41,岩石硬度和塑性系数的计算：,塑性系数Kp:,（1-31）,42,硬度Py:,MPa,对脆性和塑脆性岩石：,（1-32）,MPa,（1-33）,对塑性岩石：,43,三、影响岩石力学性质的因素分析1.岩石结构（1）对晶质岩石，由硬度较高的矿物组成的岩石，其硬度也较高。如玄武岩（斜长石、辉石