井控技术基础理论

1、 井控技术基础理论井控技术基础理论 u岩石力学 u地层三压力 u井壁稳定性 西南石油大学西南石油大学 袁骐骥袁骐骥 一、岩石的物理机械性质一、岩石的物理机械性质 密度、孔隙度、吸水率、渗透性、膨胀性、崩解性、软化密度、孔隙度、吸水率、渗透性、膨胀性、崩解性、软化 性、热导率、弹性、塑性等。性、热导率、弹性、塑性等。 1 1、弹性、塑性、弹性模量与泊松比的概念、弹性、塑性、弹性模量与泊松比的概念 弹性体在外力的作用下，其应力与应变的关系服从虎克定弹性体在外力的作用下，其应力与应变的关系服从虎克定 律，即律，即 式中式中 物体的应力，为单位面积上的内力，兆帕；物体的应力，为单位面积上的内力，兆帕；

2、 单位长度的变形，无量纲；单位长度的变形，无量纲； E弹性模量，也叫弹性系数或杨氏系数，量弹性模量，也叫弹性系数或杨氏系数，量 纲与应力同。纲与应力同。 E 岩石力学岩石力学 由式可以看出，外力引起弹性体的内力，内由式可以看出，外力引起弹性体的内力，内 力随外力而变化。外力使弹性体变形，而内力则力随外力而变化。外力使弹性体变形，而内力则 抵抗变形，且企图消除弹性体已得的变形。弹性抵抗变形，且企图消除弹性体已得的变形。弹性 模量模量E则不随上述条件变化，只与弹性体本身的则不随上述条件变化，只与弹性体本身的 特性有关。这里特性有关。这里E代表了物体对弹性变形的抵抗代表了物体对弹性变形的抵抗 能力。

3、能力。 当弹性体在纵向受外力后，引起纵向的应力当弹性体在纵向受外力后，引起纵向的应力 z， 并在纵向产生变形，以应变并在纵向产生变形，以应变 z表示之。与此同时，表示之。与此同时， 在横向也会引起变形，以在横向也会引起变形，以 x、 y表示之。如果材料表示之。如果材料 是各向同性的，便有以下关系式：是各向同性的，便有以下关系式： 式中式中 泊松比。泊松比。 式中式中 xy，便是各向异性的。便是各向异性的。 zyzx / 矿物的弹性模量矿物的弹性模量 矿矿 物物 弹性模量弹性模量E 104兆帕兆帕 刚刚 玉玉 52 黄黄 玉玉 30 石石 英英 7.8510 长长 石石 8.0 方解石方解石 5

4、.89.0 石石 膏膏 1.21.5 岩岩 盐盐 4.0 2 2、岩石的弹性模量与泊松比、岩石的弹性模量与泊松比 上述几个概念，也适用于岩石。但是岩石一般上述几个概念，也适用于岩石。但是岩石一般 不是理想的材料，岩石的弹性模量也不会是一个不是理想的材料，岩石的弹性模量也不会是一个 固定的数值，而在一个范围内变化。固定的数值，而在一个范围内变化。 岩石的弹性模量泊松比岩石的弹性模量泊松比 岩石岩石 E 104兆帕兆帕 泊松比泊松比 粘土粘土 0.03 0.380.45 致密泥致密泥 0.250.35 页岩页岩 1.52.5 0.100.20 砂岩砂岩 3.37.8 0.300.35 石灰岩石灰岩

5、 1.38.5 0.280.33 大理岩大理岩 3.99.2 白云岩白云岩 2.116.5 花岗岩花岗岩 66.0 0.260.29 玄武岩玄武岩 610 0.25 石英岩石英岩 7.510 正长岩正长岩 6.8 0.25 闪长岩闪长岩 710 0.25 辉绿岩辉绿岩 711 0.25 岩盐岩盐 0.44 岩石的弹性模量还与应变岩石的弹性模量还与应变 种类和加载大小有很大的种类和加载大小有很大的 关系。当载荷小时，各种关系。当载荷小时，各种 应变情况下的弹性模量差应变情况下的弹性模量差 别不大。当载荷大时，这别不大。当载荷大时，这 种差别就显著起来。当岩种差别就显著起来。当岩 石被拉伸时，其弹

6、性模量石被拉伸时，其弹性模量 随载荷的增加而减小。与随载荷的增加而减小。与 此相反，当岩石被压缩时，此相反，当岩石被压缩时， 其弹性模量随载荷的增加其弹性模量随载荷的增加 而增加。如图而增加。如图岩石在弹性范围内的应力应变简 略曲线 1-拉伸情况；2-压缩情况 2 1 应力 应变 沉积岩的主要特征是层理。层理对弹性模量及泊松比有沉积岩的主要特征是层理。层理对弹性模量及泊松比有 明显的影响。几种沉积岩因层理所表现的数据上的差异，即明显的影响。几种沉积岩因层理所表现的数据上的差异，即 岩石的各向异性。岩石的各向异性。 几种沉积岩的各向异性几种沉积岩的各向异性 岩石名称岩石名称 E 104兆帕兆帕

7、泊松比泊松比 粗砂岩粗砂岩 0.934.191.734.540.100.450.120.36 中砂岩中砂岩 2.874.192.683.370.12 0.100.22 细砂岩细砂岩 2.834.952.904.600.100.220.150.36 粉砂岩粉砂岩 1.013.230.843.050.150.500.280.47 二、岩石的强度二、岩石的强度 1 1、强度的概念、强度的概念 物体受外力作用而达到破坏时的应力，称为物物体受外力作用而达到破坏时的应力，称为物 体的强度。按破坏前物体残余变形的大小，可分为体的强度。按破坏前物体残余变形的大小，可分为 塑性和脆性的两种。岩石的强度概念也是这

8、样。通塑性和脆性的两种。岩石的强度概念也是这样。通 常用四种强度描述岩石的强度性质。常用四种强度描述岩石的强度性质。 （1）单轴抗压强度）单轴抗压强度 简称抗压强度。通常在常温常压下用抗压强度试验机测简称抗压强度。通常在常温常压下用抗压强度试验机测 定，取压坏岩样时的外力除以岩样横截面积，即得岩样的单定，取压坏岩样时的外力除以岩样横截面积，即得岩样的单 轴抗压强度。单位为兆帕。轴抗压强度。单位为兆帕。 （2）抗拉强度）抗拉强度 岩石的单轴抗拉强度也可用与金属拉伸试验相同的方法测岩石的单轴抗拉强度也可用与金属拉伸试验相同的方法测 定。岩样拉断时的应力即为岩石的抗拉强度，单位兆帕。这定。岩样拉断时

9、的应力即为岩石的抗拉强度，单位兆帕。这 种求岩石抗拉强度的方法较为直观。种求岩石抗拉强度的方法较为直观。 （3）抗剪强度）抗剪强度 为在剪切力的作用下岩石破坏时的应力。较为直观的测定为在剪切力的作用下岩石破坏时的应力。较为直观的测定 方法是将方块长条岩样固定在支架上，支架在岩样下方形成方法是将方块长条岩样固定在支架上，支架在岩样下方形成 一个支点，与岩样上方的切刀合在一起构成一对剪切力，当一个支点，与岩样上方的切刀合在一起构成一对剪切力，当 剪切力足够大时，岩样被剪断。此时岩样单位面积上的剪应剪切力足够大时，岩样被剪断。此时岩样单位面积上的剪应 力即岩石的抗剪强度。力即岩石的抗剪强度。 （4）

10、抗弯强度）抗弯强度 为在弯曲力矩作用下岩石发生破坏时的应力。为在弯曲力矩作用下岩石发生破坏时的应力。 可用简支梁法测定，将长方条形岩样下方支在两可用简支梁法测定，将长方条形岩样下方支在两 支点上，在上方位于两下支点中央处通过支点向支点上，在上方位于两下支点中央处通过支点向 下加压力。岩样受弯曲力矩。当岩样被压到折断下加压力。岩样受弯曲力矩。当岩样被压到折断 时的应力即岩石的抗弯强度。时的应力即岩石的抗弯强度。 2 2、岩石的四种强度、岩石的四种强度 一些岩石的单轴抗压强度一些岩石的单轴抗压强度 c、抗拉强度抗拉强度 t和抗剪强度和抗剪强度 s的的 数值列于下表中数值列于下表中 岩石岩石 c兆帕

11、兆帕 t兆帕兆帕 s兆帕兆帕 粗粒砂岩粗粒砂岩 142 51 中粒砂岩中粒砂岩 151 520 细粒砂岩细粒砂岩 185 795 页岩页岩 1461 178 泥岩泥岩 18 32 石膏石膏 17 19 含膏灰岩含膏灰岩 42 24 安山岩安山岩 986 58 96 白云岩白云岩 162 69 118 石灰岩石灰岩 138 91 145 花岗岩花岗岩 166 12 198 正长岩正长岩 2152 143 221 辉长岩辉长岩 230 135 244 石英岩石英岩 305 144 316 辉绿岩辉绿岩 343 134 347 如以抗压强度如以抗压强度 c为为1，则其余应变形式的强度与，则其余应变形

12、式的强度与 抗压强度的粗略关系如表所列。抗压强度的粗略关系如表所列。 岩石各种强度间的比例关系岩石各种强度间的比例关系 岩石岩石 抗压强度抗压强度 抗拉强度抗拉强度 抗剪强度抗剪强度 抗弯强度抗弯强度 花岗石花岗石 1 0.020.04 0.09 0.03 砂岩砂岩 1 0.020.05 0.100.12 0.060.20 石灰岩石灰岩 1 0.040.10 0.15 0.060.10 一般来说一般来说 抗压强度抗压强度 抗剪强度抗剪强度抗弯强度抗弯强度 抗拉强度抗拉强度 沉积岩的层理对强度的影响甚大。沉积岩的层理对强度的影响甚大。 几种沉积岩的各向异性（不同方向的强度）几种沉积岩的各向异性（

13、不同方向的强度） *10-1兆帕兆帕 岩石岩石 抗压强度抗压强度 抗压强度抗压强度 抗压强抗压强 抗压强度抗压强度 粗砂岩粗砂岩11851575 14231760 44.3 51.452.5 483 470 111172 103 中砂岩中砂岩11702160 14702060 77.0 52.0 336594 482618 162226 131194 细砂岩细砂岩13782410 13352205 80.7118 6079.5 432595 524649 208.5265.3 177.5 粉砂岩粉砂岩3441045 5541147 48113 129198 22.7166 43.0 3 3、压

14、力条件下岩石强度的特点、压力条件下岩石强度的特点 岩石在地层深处处于各方受压的状态，通过模岩石在地层深处处于各方受压的状态，通过模 拟这种压力条件的三轴试验，可以了解到岩石在压拟这种压力条件的三轴试验，可以了解到岩石在压 力条件下的强度特点。主要表现在两个方面：力条件下的强度特点。主要表现在两个方面： （1）岩石强度增加。）岩石强度增加。 （2）岩石的塑性变形增大，脆性破坏转变为塑性）岩石的塑性变形增大，脆性破坏转变为塑性 变形或塑性破坏。变形或塑性破坏。 一般认为岩石的总变形量达到一般认为岩石的总变形量达到35%，就开始，就开始 具有塑性性质，或已实现了从脆性到塑性的转变。具有塑性性质，或已

15、实现了从脆性到塑性的转变。 岩性不同，岩石从脆性转变为塑性的围压也不同。岩性不同，岩石从脆性转变为塑性的围压也不同。 岩石的围压下的塑性变形岩石的围压下的塑性变形 岩石岩石 在下列围压下破坏的变形量在下列围压下破坏的变形量% 围压围压100兆帕兆帕 围压围压200兆帕兆帕 OIL CREEK 石英砂岩石英砂岩 2.9 3.8 HASMARK 白云岩白云岩 7.3 13.0 BLAIN 硬石膏硬石膏 7.0 22.3 YULE 大理岩大理岩 22.0 28.8 BARUS 砂岩砂岩 25.8 25.9 MARIANNA 石灰岩石灰岩 29.1 27.2 MUDDY 页岩页岩 15.0 25.0

16、岩盐岩盐 28.8 27.5 三、岩石的硬度和塑性系数三、岩石的硬度和塑性系数 硬度可理解为岩石抵抗其它物体压入其内的能力，即岩硬度可理解为岩石抵抗其它物体压入其内的能力，即岩 石的抗压入强度。石的抗压入强度。 常用压模和压头压入法测定岩石硬度。作用在压模上的常用压模和压头压入法测定岩石硬度。作用在压模上的 载荷与压入深度关系曲线载荷与压入深度关系曲线见图。见图。 载荷P，N 吃入深度h，mm 载荷P，N 吃入深度h，mm 载荷P，N 吃入深度h，mm 0 E 0 EC 0 P D P0 P A DB P0 脆性岩石（石英岩） 塑脆性岩石（大理石） 塑性岩石 （多孔砂岩） SPP y / 其中

17、其中a图是脆性岩石，其特点是载荷图是脆性岩石，其特点是载荷P和吃深和吃深h 成线性关系。硬度成线性关系。硬度PY用下式计算。用下式计算。 式中式中 P产生脆性破碎时压模上的载荷，牛顿；产生脆性破碎时压模上的载荷，牛顿； S压模的底面积，毫米压模的底面积，毫米2。 塑性系数塑性系数K为岩石破碎前耗费的总功为岩石破碎前耗费的总功AF与弹性与弹性 变形功变形功AE的比值。的比值。 岩石硬度和塑性系数分类情况见表。岩石硬度和塑性系数分类情况见表。 岩石硬度分类表岩石硬度分类表 类别类别 软软 中中 硬硬 级别级别 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 硬度硬度 N/mm2 6860 表

18、表4-9 塑性系数分类表塑性系数分类表 类别类别 1 2 3 4 5 6 塑性系数塑性系数 1 1-22-3 3-4 4-6 6- 岩石属性岩石属性脆性脆性 塑脆性塑脆性 塑性塑性 低塑性低塑性-高塑性高塑性 四、岩石的研磨性四、岩石的研磨性 岩石磨损破碎工具的能力称为岩石研磨性（岩石磨损破碎工具的能力称为岩石研磨性（Rock-abrasiveness） 研究岩石的研磨性对于正确地设计和选择使用钻头，提高钻头的进尺，延研究岩石的研磨性对于正确地设计和选择使用钻头，提高钻头的进尺，延 长其工作面的寿命，对于提高钻井速度是极重要的问题。长其工作面的寿命，对于提高钻井速度是极重要的问题。 由于岩石的

19、研磨性取决于各种因素，因此有必要根据某一个量作为标准由于岩石的研磨性取决于各种因素，因此有必要根据某一个量作为标准 对岩石的研磨性进行分类，以便在实际应用时建立岩石相对研磨性的比较，对岩石的研磨性进行分类，以便在实际应用时建立岩石相对研磨性的比较， 从而能对设计钻井工具、从而能对设计钻井工具、钻头及选择使用参数并预计应用效果和对实际矿钻头及选择使用参数并预计应用效果和对实际矿 场使用效果的分析等提供参考依据。场使用效果的分析等提供参考依据。 现有的岩石研磨性研究方法：现有的岩石研磨性研究方法： 钻磨法：钻磨法：用金属棒在加压旋转的条件下与岩石相摩擦用金属棒在加压旋转的条件下与岩石相摩擦 ，在给

20、定的载荷、转速和时间内，按金属棒被磨损掉，在给定的载荷、转速和时间内，按金属棒被磨损掉 的质量来衡量岩石的研磨性大小。的质量来衡量岩石的研磨性大小。 磨削法：磨削法：用硬质材料做成的刀具与岩石试件相对旋转用硬质材料做成的刀具与岩石试件相对旋转 磨削。在给定的接触压力、转速下测量固定时间或旋磨削。在给定的接触压力、转速下测量固定时间或旋 转路程内刀具的磨损量来估计岩石的研磨性大小。转路程内刀具的磨损量来估计岩石的研磨性大小。 微钻头钻进法：微钻头钻进法：用与全尺寸钻头形状相似的微型模拟用与全尺寸钻头形状相似的微型模拟 钻头在一定的钻进参数下与岩石相摩擦，测量给定时钻头在一定的钻进参数下与岩石相摩

21、擦，测量给定时 间内钻头切削刃的外形磨损，以比较各类岩石的研磨间内钻头切削刃的外形磨损，以比较各类岩石的研磨 性。性。 摩擦磨损法：摩擦磨损法：确定一个转动的金属圆环在岩石表面上确定一个转动的金属圆环在岩石表面上 在岩石相互摩擦时的磨损量，并以此作为度量岩石研在岩石相互摩擦时的磨损量，并以此作为度量岩石研 磨性的指标。磨性的指标。 各种岩石按单位磨擦路磨损的研磨性分类表各种岩石按单位磨擦路磨损的研磨性分类表 研磨性级别研磨性级别岩岩 石石 淬火钢淬火钢 硬质合金硬质合金 研磨性系数研磨性系数,10,10-9 -9 相对研磨性相对研磨性研磨性系数研磨性系数,10,10-9 -9 相对研磨性相对研

22、磨性 1 1 泥岩和碳酸盐岩泥岩和碳酸盐岩 3.5-12 1-3 0.1-0.3 1-3 3.5-12 1-3 0.1-0.3 1-3 2 2 石灰岩石灰岩 22 6.5 0.6 6 22 6.5 0.6 6 3 3 白云岩白云岩 20 6.0 1.2 12 20 6.0 1.2 12 4 4 硅质结晶岩石硅质结晶岩石 31 9 2.0 20 31 9 2.0 20 5 5 含铁含铁- -镁岩石及含镁岩石及含5%5%石英的石英的 35 10 2.5 25 35 10 2.5 25 低研磨性岩石低研磨性岩石 6 6 长石岩长石岩 40 12 3.0 30 40 12 3.0 30 7 7 含石英

23、多于含石英多于15%15%的长石岩及含石的长石岩及含石 45 13 4.0 40 45 13 4.0 40 英颗粒英颗粒10%10%的较低研磨性岩石的较低研磨性岩石 8 8 石英晶质岩石石英晶质岩石 57 16 4.5 45 57 16 4.5 45 9 9 石英碎屑岩，硬度石英碎屑岩，硬度Py35Py35千巴千巴 57-90 16-25 57-90 16-25 10 10 石英碎屑岩，硬度石英碎屑岩，硬度Py=20Py=203535千千 90-120 25-35 90-120 25-35 巴及含石英颗粒巴及含石英颗粒101020%20%的岩石的岩石 11 11 石英碎屑岩，硬度石英碎屑岩，硬

24、度Py=10Py=102020千千 120 -200 35-60 5.0 50 120 -200 35-60 5.0 50 巴及含石英颗粒达巴及含石英颗粒达30%30%的岩石的岩石 12 12 石英碎屑岩，硬度石英碎屑岩，硬度Py 10Py 10千巴千巴 200 -300 60-95 200 -300 60-95 史立涅尔等根据研究的结果提出了这样的分类。它是根据研磨系数史立涅尔等根据研究的结果提出了这样的分类。它是根据研磨系数值值 大小作出的分类，把各种岩石（包括晶质岩石和碎屑岩）按研磨性的大小大小作出的分类，把各种岩石（包括晶质岩石和碎屑岩）按研磨性的大小 共分为共分为12级。级。 对于大

25、多数岩石来说，硬度越高，其研磨性越强。但砂岩对于大多数岩石来说，硬度越高，其研磨性越强。但砂岩 相反。主要是由于其胶结强度降低，其颗粒越容易从岩石剥离相反。主要是由于其胶结强度降低，其颗粒越容易从岩石剥离 出来而形成新的摩擦表面，并导致表面粗糙程度增高，随着砂出来而形成新的摩擦表面，并导致表面粗糙程度增高，随着砂 岩硬度的增大，摩擦表面也越来越变成研磨的表面，粗糙度便岩硬度的增大，摩擦表面也越来越变成研磨的表面，粗糙度便 降低了，这就是砂岩的研磨性随着硬度的增大而降低的主要原降低了，这就是砂岩的研磨性随着硬度的增大而降低的主要原 因。因。 五、岩石的可钻性五、岩石的可钻性 可钻性一般理解为岩石

26、破碎的难易性，由此把岩石分为可钻性一般理解为岩石破碎的难易性，由此把岩石分为 难钻的和易钻的。难钻的和易钻的。 评价用牙轮钻头钻井时岩石可钻性的研究以罗劳评价用牙轮钻头钻井时岩石可钻性的研究以罗劳(Rollow A.G.)在在1962 年提出的微型钻头钻进法较为完善。年提出的微型钻头钻进法较为完善。 按微钻头钻时（秒）取以按微钻头钻时（秒）取以2为底的对数，即为底的对数，即Log2Y为指为指 标（标（1 “钻头、钻头、 200磅钻压磅钻压 、55rpm）。）。可将各地层按可钻可将各地层按可钻 性分为性分为10级（注：级（注：Log2Y的整数值即为可钻性级别）。的整数值即为可钻性级别）。 地层可

27、钻性分类表地层可钻性分类表 测定值（秒）测定值（秒） 1024 1024 级别级别 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 2 3 4 5 6 7 8 91010 性质性质易钻易钻-难钻难钻 目前，我国各主要油田的地层可钻性已先后进行了目前，我国各主要油田的地层可钻性已先后进行了 测定。这些数据对于选择钻头类型，预测钻速、估计各测定。这些数据对于选择钻头类型，预测钻速、估计各 类钻头的需用量，加强技术经济的管理工作建立了比较类钻头的需用量，加强技术经济的管理工作建立了比较 科学的依据。科学的依据。 五点钻速法：五点钻速法： u 确定试验中所采用的最高钻压确定试验中所采用的最高钻压Wmax和最低

28、钻压和最低钻压Wmin、最高转速、最高转速nmax 和最低转速和最低转速nmin，同时选取一平均钻压，同时选取一平均钻压W0和一平均转速和一平均转速n0 u 按（按（W0、n0）、（）、（ Wmin 、 nmin ）、（）、（ Wmin 、 nmax ）、（）、（ Wmax 、 nmax ）、（）、（ Wmax 、 nmin ）的顺序每钻进）的顺序每钻进1米或米或0.5米，纪录下各点的钻米，纪录下各点的钻 时，完成试验。时，完成试验。 u将钻时转换为对应的钻速，试验相对误差将钻时转换为对应的钻速，试验相对误差 为合格。为合格。 u由由2点和点和5点以及点以及3点和点和4点分别计算最低转速和最高

29、转速对应的门限钻压点分别计算最低转速和最高转速对应的门限钻压 M1好和好和M2，然后取其平均值得到该地层的门限钻压值，然后取其平均值得到该地层的门限钻压值M=(M1+M2)/2 u将将2、3两点和两点和4、5两点的试验数据分别代入钻速方程，可获得两个钻压两点的试验数据分别代入钻速方程，可获得两个钻压 下的钻速指数，取其平均值，即为地层的钻速指数。下的钻速指数，取其平均值，即为地层的钻速指数。 这种方法适合于钻速较快的地层。这种方法适合于钻速较快的地层。 %15 1 61 v vv 3 n WmaxWminW nmax nmin 2 4 5 1,6 三条压力剖面之地层压力三条压力剖面之地层压力

30、地层压力预测方法都是基于压实理论、均衡理论及有效应力理论。预地层压力预测方法都是基于压实理论、均衡理论及有效应力理论。预 测方法有钻速法、地球物理方法（地震波）、测井（声波时差等）。目测方法有钻速法、地球物理方法（地震波）、测井（声波时差等）。目 前应用某一种方法是很难准确评价一个地区或区块的地层压力，往往需前应用某一种方法是很难准确评价一个地区或区块的地层压力，往往需 要采用多种方法进行综合分析和解释。地层压力评价方法可分为两类，要采用多种方法进行综合分析和解释。地层压力评价方法可分为两类， 一类是利用地震资料或已钻井资料进行预测，建立单井或区块地层压力一类是利用地震资料或已钻井资料进行预测

31、，建立单井或区块地层压力 剖面，用于钻井工程设计、施工；另一类是钻井过程中的地层压力监测，剖面，用于钻井工程设计、施工；另一类是钻井过程中的地层压力监测， 掌握地层压力的实际变化、确定现行钻井措施及溢流监控。主要讲述：掌握地层压力的实际变化、确定现行钻井措施及溢流监控。主要讲述： dcdc指数法、指数法、声波时差法、地震层速度法。声波时差法、地震层速度法。 dcdc指数法指数法是利用泥页岩压实规律和压差理论对机械钻速的影响规律来是利用泥页岩压实规律和压差理论对机械钻速的影响规律来 检测地层压力的一种方法。检测地层压力的一种方法。dcdc指数检测指数检测原理原理: 机械钻速是钻压、转速、钻头类型

32、及尺寸、水力参数、钻井液性能、地层机械钻速是钻压、转速、钻头类型及尺寸、水力参数、钻井液性能、地层 岩性等因素的函数。当其它因素一定时，只考虑压差对钻速的影响，则机械岩性等因素的函数。当其它因素一定时，只考虑压差对钻速的影响，则机械 钻速随压差减小而增加。在正常地层压力情况下，如岩性和钻井条件不变，钻速随压差减小而增加。在正常地层压力情况下，如岩性和钻井条件不变， 机械钻速随井深的增加而下降。当钻入压力过渡带之后，由于压差减小，岩机械钻速随井深的增加而下降。当钻入压力过渡带之后，由于压差减小，岩 石孔隙度增大，机械钻速转而加快。石孔隙度增大，机械钻速转而加快。d d指数则正是利用这种差异预报指

33、数则正是利用这种差异预报异常高异常高 压。压。d d指数正是基于宾汉方程建立的。宾汉在不考虑水力因素的影响下建立指数正是基于宾汉方程建立的。宾汉在不考虑水力因素的影响下建立 了钻速方程了钻速方程;根据室内及油田钻井试验根据室内及油田钻井试验 ,再进行合理的假设，采用统一的单位再进行合理的假设，采用统一的单位 可得可得d指数表达式：指数表达式： V V机械钻速机械钻速,m/h ； K K岩石可钻性系数；岩石可钻性系数；N N转速转速,rpm ；E E转速指数；转速指数；P P 钻压钻压,kN ；D Db b钻头尺寸钻头尺寸mm；D D钻压指数。钻压指数。 d b e D P KNV b D P

34、N V d 0684.0 log 0547.0 log d d指数与机械钻速指数与机械钻速V V也成反也成反 比。进而比。进而d d指数与压差大小指数与压差大小 有关，即正常压力情况下，有关，即正常压力情况下， 机械钻速随井深增加而减机械钻速随井深增加而减 小，小，d d指数随井深增加而增指数随井深增加而增 加。当进入压力过渡带和加。当进入压力过渡带和 异常高压带地层，实际异常高压带地层，实际d d指指 数较正常值偏小，数较正常值偏小，d d指数正指数正 是基于这一原则来检测地是基于这一原则来检测地 层压力。层压力。 d指数 H 过渡带顶部 正常趋势线 由于当钻入压力过渡带时，一般情况要提高钻

35、井液密由于当钻入压力过渡带时，一般情况要提高钻井液密 度，因而引起钻井液密度变化，进而影响度，因而引起钻井液密度变化，进而影响d d指数的正常指数的正常 变化规律，为了消除钻井液密度变化影响，变化规律，为了消除钻井液密度变化影响，RehmRehm和和 MeclendonMeclendon在在19711971年提出了修正的年提出了修正的d d指数法，即指数法，即dcdc指数指数 法。法。 mR mN c dd 式中：式中：dc修正的修正的d指数；指数； mN正常地层压力当量密度，正常地层压力当量密度，g/cm3； mR实际钻井液密度，实际钻井液密度，g/cm3。 dcdc指数检测地层压力步骤指数

36、检测地层压力步骤 （1 1）按一定深度取点，一般）按一定深度取点，一般1.531.53m m取一取一 点，如果钻速高可点，如果钻速高可510510m m，重点井段重点井段 1 1m m取一点。同时记录每对应点的钻速、取一点。同时记录每对应点的钻速、 钻压、转速、地层水和钻井液密度。钻压、转速、地层水和钻井液密度。 （2 2）计算）计算d d和和dcdc指数指数 （3 3）在半对数坐标上作出）在半对数坐标上作出dcdc指数和相应指数和相应 井深所确定的点（纵坐标为井深井深所确定的点（纵坐标为井深H H、 对数坐标为对数坐标为dcdc指数）指数） （4 4）作正常压力趋势线，如右图。）作正常压力趋

37、势线，如右图。 （5 5）计算地层压力）计算地层压力P PP P 作出作出dc-Hdc-H图和正常趋势线后，可直接图和正常趋势线后，可直接 观察到异常高压出现的层位和该层段观察到异常高压出现的层位和该层段 由由dcdc指数的偏离值。指数的偏离值。dcdc指数偏离正常指数偏离正常 势线越远，说明地层压力越高。目前势线越远，说明地层压力越高。目前 根据根据dcdc指数偏离值计算地层压力的方指数偏离值计算地层压力的方 法有法有. .M M诺玛纳公式诺玛纳公式、等效深度法等效深度法、 伊顿法、康布法等。伊顿法、康布法等。 正常趋势线正常趋势线 过渡带顶部过渡带顶部 dc . .M M诺玛法诺玛法 式中

38、：式中： P P所求井深地层压力当量密度，所求井深地层压力当量密度，g/cmg/cm3 3； n n所所 求井深正常地层压力当量密度，求井深正常地层压力当量密度，g/cmg/cm3 3； d dCN CN所求井深的正常 所求井深的正常dcdc指数；指数；d dca ca所求井深实际 所求井深实际dcdc指数。指数。 n ca CN P d d 由于由于dc指数反映了泥页岩的压实程度，若地层具有相等的指数反映了泥页岩的压实程度，若地层具有相等的dc指指 数，则可视其骨架应力相等。由于上覆地层压力总是等于骨架数，则可视其骨架应力相等。由于上覆地层压力总是等于骨架 应力应力 和地层压力和地层压力PP

39、之和，所以利用之和，所以利用dc指数相等，骨架应力相等指数相等，骨架应力相等 原理，通过找出异常地层压力下井深原理，通过找出异常地层压力下井深H的的dc指数值与正常地层指数值与正常地层 压力下压力下dc指数值相等的井深指数值相等的井深HE，求出异常高压地层的地层压力。求出异常高压地层的地层压力。 式中：式中：PP所求深度的地层压力，所求深度的地层压力，MPa；H所求地层压力点的所求地层压力点的 深度，深度，m；G0上覆地层压力梯度，上覆地层压力梯度，MPa/m,；Gn等效深度处等效深度处 的正常地层压力梯度，的正常地层压力梯度，MPa/m；HE等效深度，等效深度，m。 )( 00NE GGHH

40、GPp 声波时差法声波时差法 声波时差法及其原理声波时差法及其原理 利用声波测井曲线检测地层压力的方法，也是对已钻井地区进行利用声波测井曲线检测地层压力的方法，也是对已钻井地区进行 单井或区域进行地层压力预测，建立单井或区域地层压力剖面的单井或区域进行地层压力预测，建立单井或区域地层压力剖面的 一种常用而有效的方法。一种常用而有效的方法。 声波在地层中传播速度与岩石的密度、结构、孔隙度及埋藏深声波在地层中传播速度与岩石的密度、结构、孔隙度及埋藏深 度有关。不同的地层，不同的岩性，有不同的声波速度。当岩性度有关。不同的地层，不同的岩性，有不同的声波速度。当岩性 一定时，声波的速度随岩石孔隙度的增

41、大而减小。由试验和理论一定时，声波的速度随岩石孔隙度的增大而减小。由试验和理论 研究可得：研究可得： 在半对数坐标系中（在半对数坐标系中（H H为纵坐标，为纵坐标， t t为对数坐标），即声波时为对数坐标），即声波时 差的对数与井深呈线性关系。在正常地层压力井段，随着井深增差的对数与井深呈线性关系。在正常地层压力井段，随着井深增 加，岩石孔隙度减小，声波速度增大，声波时差减小。当进入压加，岩石孔隙度减小，声波速度增大，声波时差减小。当进入压 力过渡带和异常高压带地层后，岩石孔隙度增大，声波速度减小，力过渡带和异常高压带地层后，岩石孔隙度增大，声波速度减小， 声波时差增大，偏离正常压力趋势线。因

42、此可利用这一特点检测声波时差增大，偏离正常压力趋势线。因此可利用这一特点检测 地层压力。地层压力。 CH ett 0 地震波法地震波法 地震反射波法是地球物理中最为广泛应用的一种方法。地震反射波法是地球物理中最为广泛应用的一种方法。 地震波法预测地层压力是根据在不同岩性，不同压实程度地震波法预测地层压力是根据在不同岩性，不同压实程度 情况下，地震波速度传播的差异来预测地层压力的方法。情况下，地震波速度传播的差异来预测地层压力的方法。 即正常压实条件下，随着深度的增加，地震波速逐渐增大；即正常压实条件下，随着深度的增加，地震波速逐渐增大； 在异常压力层则随着井深增加，地震波速反而减小在异常压力层

43、则随着井深增加，地震波速反而减小的原理的原理 来预测压力异常。地震波法预测地层压力计算方法主要有来预测压力异常。地震波法预测地层压力计算方法主要有 等效深度法，等效深度法，FilliponeFillipone法、法、R R比值法。其中比值法。其中FilliponeFillipone法法 不需要建立正常压力趋势线而可直接计算地层压力。当然不需要建立正常压力趋势线而可直接计算地层压力。当然 无论采用哪种方法，预测值的精度主要取决于层速度采集无论采用哪种方法，预测值的精度主要取决于层速度采集 的精度。的精度。 破裂压力破裂压力在井下一定深度出露的地层，承受液体压力的能力是有限的。在井下一定深度出露的

44、地层，承受液体压力的能力是有限的。 当液体压力达到某一数值时会使地层破裂，这个液体压力称为地层破裂当液体压力达到某一数值时会使地层破裂，这个液体压力称为地层破裂 压力。压力。 地层破裂是由井壁所受应力状态确定，深部地层水力压裂主要形成垂直地层破裂是由井壁所受应力状态确定，深部地层水力压裂主要形成垂直 裂缝，其起裂是由于井壁上的有效切向应力裂缝，其起裂是由于井壁上的有效切向应力 大于岩石的抗张强度大于岩石的抗张强度S St t ， 因此如何确定井壁的有效切向应力是预测井眼破裂关键问题。因此如何确定井壁的有效切向应力是预测井眼破裂关键问题。地应力一地应力一 般是不均匀的，地层破裂压力由三个主地应力

45、控制，垂直主应力般是不均匀的，地层破裂压力由三个主地应力控制，垂直主应力 E E由上由上 覆地层压力覆地层压力P P0 0确定；水平主地应力确定；水平主地应力 H H、 h h由两部分组成，一部分来自上由两部分组成，一部分来自上 覆地层压力覆地层压力P P0 0，其大小是岩石泊松比的函数，另一部分是地质构造应力。其大小是岩石泊松比的函数，另一部分是地质构造应力。 三条压力剖面之地层破裂压力三条压力剖面之地层破裂压力 1 哈伯特一威利斯法（哈伯特一威利斯法（The Hubbert & Willis approach） 0 1111 ()()() 3232 hp PP 代入正常地层压力梯度代入正常

46、地层压力梯度10.5千帕千帕/米和上覆岩层压力梯度米和上覆岩层压力梯度22.7千帕千帕/米，米， 可求得地层破裂压力梯度的范围为：可求得地层破裂压力梯度的范围为： 0 min 12 ()14.5 3 f PP G HH 0 max 12 ()16.6 2 f PP G HH 千帕千帕/米米 千帕千帕/米米 2 2马修斯一凯利法马修斯一凯利法(Method of Matthews & Kelly)(Method of Matthews & Kelly) i K h i k 马修斯一凯利法与哈伯特一威利斯法的不同点在于引入了变数基岩应马修斯一凯利法与哈伯特一威利斯法的不同点在于引入了变数基岩应 力

47、系数力系数 (即可变的水平与垂直应力）即可变的水平与垂直应力） 0 () fi P GK HH 式中：式中： Gf-井深井深H米处的地层破裂压力梯度，米处的地层破裂压力梯度，KPa/m P0-井深井深H米处的地层压力，米处的地层压力，KPa H-井深，井深，m -井深井深H处的基岩应力处的基岩应力 Ki-值为正常基岩应力的井深值为正常基岩应力的井深Hi米处的基岩应力系数，无因次。米处的基岩应力系数，无因次。 对于正常地层压力，对于正常地层压力，Gf的计算，将的计算，将Gp=10.5KPa/m和和 =22.7-10.5KPa/m代入上式得到代入上式得到 10.5 12.2 fi GK 3 伊顿法

48、（伊顿法（Method of Eaton） 伊顿假设地层是弹性体，用虎克定律里的泊松比伊顿假设地层是弹性体，用虎克定律里的泊松比将水平应力将水平应力h与垂与垂 直应力直应力 联系起来：联系起来： 1 h u u 0 1 f P G HH 伊顿法的地层破裂压力梯度预报方法适用于连续沉积盆地，是比较伊顿法的地层破裂压力梯度预报方法适用于连续沉积盆地，是比较 准确的。但伊顿法没有考虑井壁应力集中和地质构造应力的影响，准确的。但伊顿法没有考虑井壁应力集中和地质构造应力的影响， 其预测这类地层具有一定的误差，对这类地层可采用黄荣樽法。其预测这类地层具有一定的误差，对这类地层可采用黄荣樽法。 4. 液压试

49、验液压试验 液压试验也称漏失试验是在下完液压试验也称漏失试验是在下完 一层套管并注完水泥后，再钻一层套管并注完水泥后，再钻 穿水泥塞，打开套管鞋下面第穿水泥塞，打开套管鞋下面第 一个砂岩层之后进行的。美国一个砂岩层之后进行的。美国 已形成法令，规定每口井每下已形成法令，规定每口井每下 一层套管必须进行液压试验，一层套管必须进行液压试验， 以准确获得地层破裂压力梯度以准确获得地层破裂压力梯度 的原始资料，作为钻井设计的的原始资料，作为钻井设计的 依据。液压试验的目的通常是依据。液压试验的目的通常是 检查注水泥作业和实测地层破检查注水泥作业和实测地层破 裂压力。液压试验时地层的破裂压力。液压试验时

50、地层的破 裂易发生在套管鞋处，因套管裂易发生在套管鞋处，因套管 鞋处地层压实程度比其下部地鞋处地层压实程度比其下部地 层的压实程度差。层的压实程度差。 P PF=P+Ph Ph 液压试验法的步骤如下：液压试验法的步骤如下： （1 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）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。防喷器。 （2 2）用较小排量（）用较小排量（0.661.320.661.32l/l/s s）向井内注入泥浆，并记录各个时间的注向井内注入泥浆，并记录各个时间的注 入量及立管压力。入量及立管压力。 （3 3）作立管压力与泵入量（累计）

51、的）作立管压力与泵入量（累计）的关系曲线图关系曲线图。 （4 4）从图上确定各个压力值，漏失压力从图上确定各个压力值，漏失压力P Pl l，即开始偏离直线点的压力，其即开始偏离直线点的压力，其 后压力继续上升；压力上升到最大值，即为断裂压力后压力继续上升；压力上升到最大值，即为断裂压力P Pf f；最大值过后压最大值过后压 力下降并趋于平缓，平缓的压力称为传播压力力下降并趋于平缓，平缓的压力称为传播压力P Ppro pro。 。 （5 5）求破裂压力当量泥浆密度）求破裂压力当量泥浆密度： 式中：式中： m m试验用泥浆密度，试验用泥浆密度，g/cmg/cm3 3；P P1 1漏失压力，漏失压力

52、，MPaMPa；H H裸眼段裸眼段 中点井深，中点井深，m m。 （6 6）求破裂压力梯度）求破裂压力梯度G Gf f（MPa/mMPa/m）：）： HP m /8 .101 1max H P G mf 1 00981. 0 压力，MPa 泵入量，升 Pl Pf Ppro 世界范围内每年用于处理井眼系统失稳的费用高达世界范围内每年用于处理井眼系统失稳的费用高达5 5亿美元，亿美元， 损失钻井总时间损失钻井总时间56%56%。造成井眼系统失稳的原因是钻井形成。造成井眼系统失稳的原因是钻井形成 井眼后，打破了原有的地下力学系统平衡，造成井壁周围岩井眼后，打破了原有的地下力学系统平衡，造成井壁周围岩

53、 石的应力集中。当井筒内有效液柱压力小于井壁应力时，对石的应力集中。当井筒内有效液柱压力小于井壁应力时，对 于脆性岩层将出现坍塌；塑性岩层出现缩径。当井筒有效液于脆性岩层将出现坍塌；塑性岩层出现缩径。当井筒有效液 柱压力过高，又将压裂岩层出现漏失，导至井下复杂和事故。柱压力过高，又将压裂岩层出现漏失，导至井下复杂和事故。 另一方面由于钻井液进入岩层，也将导至岩石力学特性参数另一方面由于钻井液进入岩层，也将导至岩石力学特性参数 的改变，改变井壁岩石力学状态至使井眼系统的不稳定性。的改变，改变井壁岩石力学状态至使井眼系统的不稳定性。 三条压力剖面之井眼坍塌应力三条压力剖面之井眼坍塌应力 地下岩体在

54、原地应力作用下，一般处于三向压力状态。钻井地下岩体在原地应力作用下，一般处于三向压力状态。钻井 形成井眼后，井壁应力状态发生变化。在外力作用下岩体将形成井眼后，井壁应力状态发生变化。在外力作用下岩体将 出现弹性，弹塑性，塑性变形屈服和脆性破坏。岩石的力学出现弹性，弹塑性，塑性变形屈服和脆性破坏。岩石的力学 行为大体遵循线弹性力学规律。行为大体遵循线弹性力学规律。 由于井眼几何形状和钻遇岩体力学特征的不同，井眼所处应由于井眼几何形状和钻遇岩体力学特征的不同，井眼所处应 力状态就不一样，其破坏形式也不一样。对软而塑性大的泥力状态就不一样，其破坏形式也不一样。对软而塑性大的泥 岩表现为塑性变形而缩径

55、，硬脆性泥页岩为坍塌缩径。岩表现为塑性变形而缩径，硬脆性泥页岩为坍塌缩径。 常见的岩石强度破坏准则有：常见的岩石强度破坏准则有： 最大正应力强度理论最大正应力强度理论 最大正应变强度理论最大正应变强度理论 最大剪应力强度理论最大剪应力强度理论 最大剪应变强度理论最大剪应变强度理论 Mohr-CoulombMohr-Coulomb准则准则 Hoere-BrownHoere-Brown准则准则 GriffithGriffith准则准则 石油工程对脆性泥页岩一般采用摩尔石油工程对脆性泥页岩一般采用摩尔库尔（库尔（MohrMohrCoulombCoulomb） 强度准则强度准则。 最大正应力强度理论也

56、称为郎肯（最大正应力强度理论也称为郎肯（RankineRankine）理论。）理论。 因此，作用于岩石的三个主应力（因此，作用于岩石的三个主应力（1 1、2 2、3 3）中，）中， 只要有一个主应力达到岩石的单轴抗压强度（只要有一个主应力达到岩石的单轴抗压强度（c c）或岩）或岩 石的单轴抗拉强度（石的单轴抗拉强度（t t）, ,岩石便破坏。按此理论，岩岩石便破坏。按此理论，岩 石的破坏准则是：石的破坏准则是： 或写成解析式：或写成解析式： 式中：式中：R-R-泛指岩石单轴抗压强度及单轴抗拉强度泛指岩石单轴抗压强度及单轴抗拉强度 这个理论只适用于岩石单向受力及脆性岩石在二维应这个理论只适用于岩

57、石单向受力及脆性岩石在二维应 力条件下的受拉状态。力条件下的受拉状态。 t c 3 1 0 22 3 22 2 22 1 RRR 岩石受压时沿着平行于受力方向产生张性破裂。因岩石受压时沿着平行于受力方向产生张性破裂。因 此人们认为岩石的破坏取决于最大正应变，岩石发生张此人们认为岩石的破坏取决于最大正应变，岩石发生张 性破裂的原因是由于其最大正应变达到或超过一定的极性破裂的原因是由于其最大正应变达到或超过一定的极 限应变所致。按此理论，只要岩石内任意方向上的正应限应变所致。按此理论，只要岩石内任意方向上的正应 变达到单轴压缩破坏或单轴拉伸破坏时的应变值，岩石变达到单轴压缩破坏或单轴拉伸破坏时的应

58、变值，岩石 便被破坏，准则是：便被破坏，准则是： 最大正应变强度理论的解析式最大正应变强度理论的解析式 式中：式中：-岩石泊松比岩石泊松比 这个理论只适用于脆性岩石，不适应于塑形岩石这个理论只适用于脆性岩石，不适应于塑形岩石 变值，由实验求得验时岩石破坏的极限应单向压缩或单向拉伸试- 律求出值，可用广义的胡克定岩石内发生的最大应变-式中： max max m m 0 2 2 213 2 2 312 2 2 321 RRR 也称为屈瑞斯卡强度准则是研究塑形材料破坏过程也称为屈瑞斯卡强度准则是研究塑形材料破坏过程 中获得的强度理论。试验表明，当材料发生屈服时，试中获得的强度理论。试验表明，当材料发

59、生屈服时，试 件表面将出现大致与轴线呈件表面将出现大致与轴线呈4545夹角的斜坡面。由于最夹角的斜坡面。由于最 大剪应力出现在与试件呈大剪应力出现在与试件呈4545夹角的斜面上，所以，这夹角的斜面上，所以，这 些破裂面即为材料沿着该斜面发生剪切滑移的结果。一些破裂面即为材料沿着该斜面发生剪切滑移的结果。一 般认为这种剪切滑移是材料塑形变形的根本原因。因此般认为这种剪切滑移是材料塑形变形的根本原因。因此 ，最大剪应力强度理论认为材料的破坏取决于最大剪应，最大剪应力强度理论认为材料的破坏取决于最大剪应 力。当岩石承受的最大剪应力力。当岩石承受的最大剪应力max max达到其单轴压缩或单 达到其单轴

60、压缩或单 轴拉伸极限剪应力轴拉伸极限剪应力m m时，岩石便被剪切破坏。表示为：时，岩石便被剪切破坏。表示为： max max m m 在复杂应力状态下，最大剪应力为在复杂应力状态下，最大剪应力为max max = =（ （1-1-3 3 ）/2/2；在单轴压缩或单轴拉伸条件下，极限剪应力为；在单轴压缩或单轴拉伸条件下，极限剪应力为 m m=R/2=R/2。代入。代入 R 31 或可以写成或可以写成: 0 2 2 12 2 2 23 2 2 31 RRR 塑形岩石采用最大剪应力强度理论能获得满意的塑形岩石采用最大剪应力强度理论能获得满意的 结果，但不适合于脆性岩石。此外该理论未考虑结果，但不适合