第一章钻井工程

1、钻井工程钻井工程熊青山：熊青山： 要求：要求：1 1）1/31/3作业以上未交者无资格参加考试；作业以上未交者无资格参加考试；2 2）旷课次数超）旷课次数超1/31/3上课次数者，无资格参加考试；上课次数者，无资格参加考试； 3 3）旷课）旷课1 1次扣总分次扣总分2 2分，迟到分，迟到1 1次扣总分次扣总分1 1分。分。4 4）作业要抄题，字迹工整，严禁抄袭，否则）作业要抄题，字迹工整，严禁抄袭，否则0 0分处分处理；理；5 5）上课不允许讲话，否则坐到前排或请出教室。）上课不允许讲话，否则坐到前排或请出教室。本课程主要要求本课程主要要求平时成缚：平时成缚： 20%20%，包括考勤、作业、实

2、验、纪律等；，包括考勤、作业、实验、纪律等；期末成绩：期末成绩： 80%80%。竞赛：竞赛：五月初左右进行。五月初左右进行。成绩成绩第一章第一章 钻井的工程地质条件钻井的工程地质条件地层力学特性和压力特性地层力学特性和压力特性 第二章第二章 钻进工具钻进工具钻头、钻柱钻头、钻柱 第三章第三章 钻井液钻井液组成、类型、性能、防塌和保护油气层组成、类型、性能、防塌和保护油气层 本课程主要内容本课程主要内容第四章第四章 钻进参数优选钻进参数优选钻压、转速、钻进方程、水力参数钻压、转速、钻进方程、水力参数 第五章第五章 井眼轨道设计及轨迹控制井眼轨道设计及轨迹控制轨道设计、防斜理论与技术、轨道设计、防

3、斜理论与技术、 定向钻定向钻井工艺与技术井工艺与技术 第六章第六章 油气井压力控制油气井压力控制地层压力的平衡与控制地层压力的平衡与控制 本课程主要内容本课程主要内容1.1.钻井工艺原理钻井工艺原理（上、中、下），石油工业出版社，刘（上、中、下），石油工业出版社，刘希圣主编。希圣主编。 2.2.钻井工艺技术基础钻井工艺技术基础，石油大学出版社，王瑞和编著。，石油大学出版社，王瑞和编著。 3.3.钻井手册钻井手册( (甲方甲方) ), ,石油工业出版社。石油工业出版社。 4.4.喷射钻井理论与计算喷射钻井理论与计算, ,石油工业出版社，张绍槐编著。石油工业出版社，张绍槐编著。 5.5.最优化钻井

4、理论基础与计算最优化钻井理论基础与计算, ,石油工业出版社，石油工业出版社， 郭学郭学增编著。增编著。绪绪 论论一、钻井的定义一、钻井的定义二、钻井的应用领域二、钻井的应用领域三、钻井的重要性三、钻井的重要性四、钻井技术发展阶段四、钻井技术发展阶段五、旋转钻井发展时期和方向五、旋转钻井发展时期和方向六、旋转钻井发展特点六、旋转钻井发展特点七、旋转钻井的分类七、旋转钻井的分类八、建井过程三个阶段八、建井过程三个阶段绪绪 论论一、钻井一、钻井(图见下页图见下页)利用一定的设备、工具、技术形成一条从地表到利用一定的设备、工具、技术形成一条从地表到地下某一深度处具有一定轨迹形状的孔道。地下某一深度处具

5、有一定轨迹形状的孔道。 1.普查找矿；普查找矿；2.矿产勘探钻探矿产勘探钻探3.水文地质及水井钻；水文地质及水井钻；4.工程地质勘察；工程地质勘察；5.工程施工钻；工程施工钻；6.地下管线铺设；地下管线铺设；7.油气勘探开发等油气勘探开发等二、钻井的应用二、钻井的应用三、石油钻井的重要性三、石油钻井的重要性 1.1.寻找和证实油气构造；寻找和证实油气构造； 2.2.探明油气面积及储量；探明油气面积及储量； 3.3.取得油田地质资料及开发数据；取得油田地质资料及开发数据； 4.4.将原油从地下取到地面上等。将原油从地下取到地面上等。四、钻井技术发展阶段四、钻井技术发展阶段 钻井技术发展可分为四个

6、阶段：钻井技术发展可分为四个阶段： 人工挖掘人工挖掘人力顿钻人力顿钻机械顿钻机械顿钻旋转钻旋转钻1.人工掘井人工掘井人工挖孔桩，挖水井。人工挖孔桩，挖水井。2.人力冲击顿钻人力冲击顿钻2000年前我国四川已钻凿了盐井并创造了冲击钻年前我国四川已钻凿了盐井并创造了冲击钻。北宋时代得到发展。北宋时代得到发展。3.近代机械顿钻近代机械顿钻(1859年年)现代石油钻井的开始。现代石油钻井的开始。顿钻钻机结构顿钻钻机结构1动力机；动力机； 2大皮带轮大皮带轮3游梁；游梁； 4天车；天车；5井架；井架； 6捞砂筒；捞砂筒；7滚筒；滚筒； 8拐柄与连杆；拐柄与连杆；9吊升滚筒；吊升滚筒；10钻头钻头4.旋转

7、钻旋转钻 转盘带动钻柱，钻头破碎岩，碎屑通过循环液排转盘带动钻柱，钻头破碎岩，碎屑通过循环液排出孔外。出孔外。4.旋转钻旋转钻转盘带动钻柱，钻头破碎岩，碎屑通过循转盘带动钻柱，钻头破碎岩，碎屑通过循环液排出孔外。环液排出孔外。五、旋转钻井发展时期和方向五、旋转钻井发展时期和方向1.1.四阶段四阶段 概念行成期即初创期概念行成期即初创期发展时期发展时期科学化钻科学化钻井时期井时期自动化钻井时期自动化钻井时期2.2.关于四阶段的说明关于四阶段的说明六、旋转钻井发展特点六、旋转钻井发展特点1.从经验钻井发展到科学化钻井；从经验钻井发展到科学化钻井；2.从浅井、中深井发展到深井、超深井；从浅井、中深井

8、发展到深井、超深井； 浅浅 井：井： pp+3 321计算公式：计算公式：13) 2 / 13 / 1 (ppfpppppp 01)(2/ 13 / 1 (0ppfpppp不足：钻井很少在正断层上进行。不足：钻井很少在正断层上进行。（2 2）马修斯与凯利法）马修斯与凯利法(Mathews & Kelly(1967)(Mathews & Kelly(1967)1）核心观点： 水平均匀地应力状态，水平均匀地应力状态，3 3=2 2=K=Ki i(D)(D)1 1, ,水平骨架应力的大小与地层压实有关，并非固定值，水平骨架应力的大小与地层压实有关，并非固定值，地层越密实，水平骨架应力

9、越大。地层越密实，水平骨架应力越大。)(0pipfppKpp预测方法预测方法 井内液柱压力必须克服地层孔隙压力和最小有效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时地层才能破裂。水平地应时地层才能破裂。 （3 3）Eaton(1969) Eaton(1969) 伊顿法伊顿法 认为：认为： 水平均匀地应力状态，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。平地应力时地层才能破裂。3211)(10ppfpppp认为：认为： 井壁岩石处于三维不均匀应力状态，井壁岩石处于三维不均匀应力状态， 1 1 2 23 3

10、水平地应力由水平地应力由上覆岩层压力上覆岩层压力和和构造力构造力两部分产生；两部分产生； 当当 井内液压力超过井壁上某一点处的地层孔隙压力、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。切向（周向）有效应力和岩石的抗拉强度，地层开裂。式中：式中：，由现场压裂实验数据求得；由现场压裂实验数据求得；S St t 岩心抗拉岩心抗拉强度，试验求得。强度，试验求得。tpOSSpfSppKpp)(12(3ssK构造应力系数构造应力系数（4）黄荣樽法）黄荣樽法 5 5 液压实验法液压实验法 也称漏失试验，在下完一层套管，注完水泥和也称漏失试验，在下完一层套管，

11、注完水泥和钻过水泥塞后进行。也可以在钻井过程中用封隔器钻过水泥塞后进行。也可以在钻井过程中用封隔器对地层进行对地层进行( (画图画图) )。 液压实验法的步骤：液压实验法的步骤： 1)调节钻井液性能，保证其稳定，上提钻头至调节钻井液性能，保证其稳定，上提钻头至套管鞋内，关闭防喷器；套管鞋内，关闭防喷器； 2)用较小排量用较小排量(0.661.32L/s)向井内注入钻井向井内注入钻井液，并记录各个时期的注入量及立管压力；液，并记录各个时期的注入量及立管压力； 3)作立管压力与累计泵入量的关系曲线图作立管压力与累计泵入量的关系曲线图(见见下图下图)； 4)从图上确定各个压力值从图上确定各个压力值(

12、漏失压力、开裂压漏失压力、开裂压力和传播压力力和传播压力)；5)求地层破裂压力当量密度求地层破裂压力当量密度 ： 式中：式中： 试验用钻井液密度，试验用钻井液密度，g/cmg/cm3 3； 漏失压力，漏失压力，MPaMPa； D D 试验井深，试验井深，m m。mLp说明：说明： 液压实验法适用于砂泥岩为主的地层。对石灰岩、液压实验法适用于砂泥岩为主的地层。对石灰岩、白云岩等硬地层的液压试验有待实验研究。白云岩等硬地层的液压试验有待实验研究。)00981.0/(DpLmf0.00981fmLpDp步骤：步骤： 1 1、下套管固井侯凝后，钻、下套管固井侯凝后，钻4-54-5米新井眼；米新井眼；

13、2 2、上提钻头至套管鞋内；、上提钻头至套管鞋内； 3 3、关闭防喷器（闸板）和、关闭防喷器（闸板）和节流阀；节流阀； 4 4、缓慢启动泵，小排量、缓慢启动泵，小排量 （0.66-1.32L/S)0.66-1.32L/S)向井内注向井内注入钻井液；入钻井液； 5 5、记录注入量和立管压力、记录注入量和立管压力并并 随时绘制二者关系曲线；随时绘制二者关系曲线； 6 6、当立压开始下降并趋与、当立压开始下降并趋与平平 缓后，停泵；缓后，停泵； 7 7、求出地层的破裂压力。、求出地层的破裂压力。现场液压实验现场液压实验一、地下各种压力的概念一、地下各种压力的概念 1. 1. 静液压力：静液压力： p

14、 ph h=0.00981h=0.00981hl l 2. 2. 上覆岩层压力上覆岩层压力的概念；的概念；3. 3. 基岩应力；基岩应力； 4. 4. 地层压力地层压力 正常地层压力：水力学开启系统正常地层压力：水力学开启系统 异常高压：水力学封闭系统异常高压：水力学封闭系统 5 5、异常低压和异常高压的成因；、异常低压和异常高压的成因；PPpo+=本节小结本节小结二、地层压力评价方法二、地层压力评价方法 1. 1. 地层压力预测方法地层压力预测方法 声波时差法（原理？）声波时差法（原理？） 2. 2. 地层压力监测（检测）方法地层压力监测（检测）方法 d dc c 指数法（原理？）指数法（原

15、理？） 思考题思考题1 1、在正常压力地层声波时差和、在正常压力地层声波时差和d dc c指数随井深变化的规指数随井深变化的规律是什么？律是什么？ 2 2、利用声波时差和、利用声波时差和d dc c指数为什么能够预测或监测异常指数为什么能够预测或监测异常高压地层？高压地层？ 3 3、为什么现场一般在下套管固井后进行压裂实验？、为什么现场一般在下套管固井后进行压裂实验？ 4 4、如何根据压裂试验曲线计算地层破裂压力、如何根据压裂试验曲线计算地层破裂压力p pf f和构造和构造应力系数应力系数K Kssss？ 5 5、液压试验时，如果井口压力接近地面设备的承压能、液压试验时，如果井口压力接近地面设

16、备的承压能力时地层仍未压裂，此时该怎么办？力时地层仍未压裂，此时该怎么办？第三大节完第三大节完第二节第二节 岩石的工程力学性质岩石的工程力学性质 意义：意义：在钻井过程中，一方面要提高岩石破碎效率，另一方面要保证井壁岩层稳定，这些都取决于对岩石的工程力学性质的认识和了解。本节内容本节内容结合钻井工程阐明岩石的工程力学性质以及影响这些性质的有关因素，为正确掌握钻井工程的主要理论与技术打下必要的基础。( (一一) )岩石的类型及结构特点岩石的类型及结构特点 1. 1. 岩石的组成岩石的组成 岩石岩石是造岩矿物颗粒的集合体，颗粒之间或是造岩矿物颗粒的集合体，颗粒之间或者靠直接接触面上的作用力联结，或

17、者由外来的者靠直接接触面上的作用力联结，或者由外来的胶结物胶结。大多数岩石由两种以上的矿物成分胶结物胶结。大多数岩石由两种以上的矿物成分组成。组成。 矿物矿物是具有固定的化学成分和确定的物理性是具有固定的化学成分和确定的物理性质的天然无机化合物。除了硫、碳的矿物及少数质的天然无机化合物。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如下：化合物。主要造岩矿物一览表如下： 一一 岩石的机械性质岩石的机械性质主要造岩矿物一览表主要造岩矿物一览表主要造岩矿物一览表主要造岩矿物一览表2.2.岩石的类型岩石的类型岩石可

18、分为三大类：岩石可分为三大类： 火成岩（岩浆岩）火成岩（岩浆岩）由岩浆（硅酸盐）溶体冷凝而成。由岩浆（硅酸盐）溶体冷凝而成。 如花岗岩、玄武岩、橄榄岩、安山岩等。如花岗岩、玄武岩、橄榄岩、安山岩等。 变质岩变质岩火成岩和沉积岩等由于高温高压作用或外来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，变成物质的加入，改变了原来的成分、结构，变成新的岩石。新的岩石。 如如: :花岗岩花岗岩片麻岩，石灰岩片麻岩，石灰岩大理岩，大理岩， 石英砂岩石英砂岩石英岩等。石英岩等。 岩石的结构：岩石的结构：是说明小块岩石的组织特征的，主要指是说明小块岩石的组织特征的，主要指岩石晶体的结

19、构和胶结物的结构。据此可分沉积岩为岩石晶体的结构和胶结物的结构。据此可分沉积岩为结晶沉积岩结晶沉积岩和和碎屑沉积岩碎屑沉积岩两大类。两大类。沉积岩沉积岩母岩风化后的产物经过搬运、沉积和成岩作用母岩风化后的产物经过搬运、沉积和成岩作用 而形成的岩石而形成的岩石, ,分分碎屑沉积岩碎屑沉积岩与与结晶沉积岩结晶沉积岩。 如泥岩、砂岩、石灰岩、石膏、盐岩等如泥岩、砂岩、石灰岩、石膏、盐岩等 。 沉积岩类型沉积岩类型(1) (1) 碎屑沉积岩碎屑沉积岩 母岩风化后的物质经机械沉积作用后形成的岩石。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（岩石碎屑、矿物碎屑）由胶结物（泥质、碎屑颗粒（岩石碎屑

20、、矿物碎屑）由胶结物（泥质、铁质、钙质、硅质）胶结在一起。铁质、钙质、硅质）胶结在一起。砾岩：砾岩：颗粒大于颗粒大于1mm1mm。主要是火成岩、变质岩碎屑，。主要是火成岩、变质岩碎屑，碎屑间由胶结物充填。碎屑间由胶结物充填。 巨砾：巨砾：1m1m； 粗砾：粗砾：100-1000mm100-1000mm；中砾：中砾：10-100mm10-100mm；细砾：；细砾：1-10mm1-10mm沉积岩类型沉积岩类型 砂砂 岩岩：颗粒：颗粒0.1-1mm0.1-1mm。石英、长石、辉石、角闪。石英、长石、辉石、角闪 石、云母等矿物颗粒石、云母等矿物颗粒+ +胶结物胶结物 粗粗 砂砂：0.5-1mm0.5-

21、1mm；中砂：；中砂：0.25-0.5mm0.25-0.5mm； 细细 砂砂：0.1-0.25mm0.1-0.25mm 粉砂岩粉砂岩：介于砂岩和泥岩之间的一类岩石，颗粒尺：介于砂岩和泥岩之间的一类岩石，颗粒尺 寸寸0.1-0.01mm0.1-0.01mm。 泥泥 岩岩：颗粒小于颗粒小于0.01mm。主要成分为粘土矿。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）。物，并含有部分碎屑物质（石英、长石、云母等）。沉积岩类型沉积岩类型（2 2）结晶沉积岩（化学沉积）结晶沉积岩（化学沉积） 盐类物质从水溶液中沉淀或在地壳中发生化学反盐类物质从水溶液中沉淀或在地壳中发生化学反应而形成。应而

22、形成。 碳酸盐岩碳酸盐岩石灰岩石灰岩, ,主要成分为石灰石（主要成分为石灰石（CaCOCaCO3 3） 白云岩白云岩, ,主要成分为白云石（主要成分为白云石（MgCa(COMgCa(CO3 3) )2 2） 硫酸盐岩硫酸盐岩石膏（石膏（CaSOCaSO4 4） 盐盐 岩岩食盐（食盐（NaClNaCl） 评价：评价：在沉积岩中：泥岩在沉积岩中：泥岩60%60%，砂岩，砂岩30%30%，碳酸，碳酸盐岩居第三位。盐岩居第三位。 3. 3. 沉积岩的特点沉积岩的特点 （1 1）结构特点）结构特点 结构指岩石的结构指岩石的微观微观组织特征，包括矿物成分、颗粒组织特征，包括矿物成分、颗粒大小、形状及排列方

23、式、颗粒间的联结情况等。大小、形状及排列方式、颗粒间的联结情况等。 特点：特点：矿物成分不确定、颗粒大小不等、颗粒形状矿物成分不确定、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。多样、颗粒分布不均匀、胶结强度有强有弱。 （2 2）构造特点）构造特点 构造构造指岩石的指岩石的宏观宏观组织特征，是指岩石组分的空间组织特征，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。隙）、孔隙度等。3. 3. 沉积岩的特点沉积岩的特点层理层理 沉积岩在垂直方向上沉积岩在垂直方向上岩石成分岩石成分和和结构结构的变化

24、，它的变化，它主要表现在不同成分的岩石颗粒在垂直方向上交替变主要表现在不同成分的岩石颗粒在垂直方向上交替变化沉积，岩石颗粒大小在垂直方向上有规律的变化，化沉积，岩石颗粒大小在垂直方向上有规律的变化，岩石颗粒按一定方向的定向排列等。岩石颗粒按一定方向的定向排列等。页理页理 岩石沿平行平面分裂为薄片的能力。岩石沿平行平面分裂为薄片的能力。层理与页理面通常不一致。层理与页理面通常不一致。钻井工程有关的岩石物理性质还有岩石的孔隙度及钻井工程有关的岩石物理性质还有岩石的孔隙度及密度等。密度等。二二 岩石的机械性质（力学性质）岩石的机械性质（力学性质） 岩石的力学性质岩石的力学性质岩岩石受力后表现出来的石

25、受力后表现出来的变形特性变形特性和和强度特性。强度特性。 ( (一一) )弹塑性弹塑性 弹性弹性岩石在外力作用下产生变形，外力撤除后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。性。相应的变形称为弹性变形。 塑性塑性岩石在外力作用下产生变形，外力撤除后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变形不能完全恢复的性质。相应的残余变形称为塑性变形。形。 弹性模量和泊松比弹性模量和泊松比虎克定律：虎克定律：EG泊松比：泊松比：zyzxzyyzxx

26、，弹性系数之间的关系：弹性系数之间的关系：)1(2EG: :应力；应力；: :应变；应变；E:E:弹性模量弹性模量: :剪剪应力；应力；: :剪应变；剪应变； G:G:剪切弹性模量剪切弹性模量（各向同性材料）（各向同性材料） 2.决定岩石强度大小因素决定岩石强度大小因素取决于岩石的取决于岩石的“内聚力内聚力”和岩石和岩石“颗粒间内摩擦颗粒间内摩擦力力”。(1)内聚力内聚力矿物晶体或碎屑间的相互作用力，或是矿物颗粒矿物晶体或碎屑间的相互作用力，或是矿物颗粒与胶结物之间的连接力。与胶结物之间的连接力。 (2)(2)内摩擦力是颗粒之间的原始接触状态即将被破内摩擦力是颗粒之间的原始接触状态即将被破坏而

27、要产生位移时的摩擦阻力。坏而要产生位移时的摩擦阻力。 (二二) 岩石强度岩石强度 1.岩石强度定义岩石强度定义岩石在一定条件下受外力作用发生破坏时的最大岩石在一定条件下受外力作用发生破坏时的最大应力。单位：应力。单位：MPa。 3. 3.不同岩石主要影响因素不同岩石主要影响因素(1)(1)坚固岩石和塑性岩石的强度主要取决于岩坚固岩石和塑性岩石的强度主要取决于岩石的内聚力和内摩擦力；石的内聚力和内摩擦力；(2)(2)松散岩石的强度主要取决于内摩擦力。松散岩石的强度主要取决于内摩擦力。4.4.影响岩石强度的因素：影响岩石强度的因素： 分为自然因素和工艺技术因素两类。(1)(1)自然因素自然因素 岩

28、石的矿物成分（对沉积岩而言还包括胶结物的成分和比例）、矿物颗粒的大小、岩石的密度、孔隙度、结构及缺陷。(2)工艺技术因素工艺技术因素 岩石的受载方式、外载作用的速度、液体介质性质不同，相同岩石的强度不同；岩石的应力状态不同，相同岩石的强度差别也很大。(三)简单应力条件下岩石的强度简单应力条件下岩石的强度1.定义定义简单应力：简单应力： 岩舞石受单一外载（压、拉、剪、弯）作用。岩舞石受单一外载（压、拉、剪、弯）作用。强度强度: 岩石在外力作用下发生破坏时的最大应力。岩石在外力作用下发生破坏时的最大应力。2.种类种类 简单应力强度条件下岩石强度分类简单应力强度条件下岩石强度分类 单轴抗拉强度单轴抗

29、拉强度岩石单纯受拉伸应力作用时的强度。岩石单纯受拉伸应力作用时的强度。 单轴抗压强度单轴抗压强度岩石单纯受压缩应力作用时的强度。岩石单纯受压缩应力作用时的强度。 单轴抗剪强度单轴抗剪强度岩石单纯受剪切应力作用时的强度。岩石单纯受剪切应力作用时的强度。单轴抗弯强度单轴抗弯强度岩石单纯受弯曲应力作用时的强度。岩石单纯受弯曲应力作用时的强度。脆性脆性岩石在外力作用下变形量很小（小于岩石在外力作用下变形量很小（小于3%3%）时就发生破坏的性质。相应的破坏称为脆性破坏。时就发生破坏的性质。相应的破坏称为脆性破坏。 2.2.简单应力条件下岩石的力学性质简单应力条件下岩石的力学性质（1 1）试验方法）试验方

30、法APctrpt0抗压试验抗压试验抗拉试验抗拉试验- -巴西实验巴西实验（1 1）试验方法）试验方法APs223bhPlb抗剪试验抗剪试验抗弯试验抗弯试验破坏方式破坏方式(2)(2)简单应力条件下岩石的强度规律：简单应力条件下岩石的强度规律：1)1)同一岩石，加载方式不同，岩石强度不同。同一岩石，加载方式不同，岩石强度不同。一般而言，有以下关系：一般而言，有以下关系：抗拉抗拉 抗弯抗弯抗剪抗剪 70( (七七) )井底压力条件下井底压力条件下岩石的机械性质及其影响因素岩石的机械性质及其影响因素1.1.井眼周围地层岩石的受力状况井眼周围地层岩石的受力状况包括以下几方面：包括以下几方面： (1)(

31、1)上覆岩层压力上覆岩层压力3 3。 (2)(2)岩石内孔隙流体的压力岩石内孔隙流体的压力p pp p 3 3p pp p= =( (有效上覆岩层压力有效上覆岩层压力) )3)3)水平地应力。水平地应力。地应力：由于地下岩石之间的作用而产生的应地应力：由于地下岩石之间的作用而产生的应力统称为地应力。力统称为地应力。水平地应力水平地应力: :1 1和和2 2产生：产生： a.a.有效上覆岩层压力有效上覆岩层压力( (3 3p pp p) ) b.b.地质构造力。地质构造力。关系：关系：1 12 2)(1()(1(3332pppp4)钻井液柱压力钻井液柱压力ph。2. 2. 井底各种压力对岩石性能

32、的影响井底各种压力对岩石性能的影响(1)(1) 地应力的影响地应力的影响1)1)地应力对钻速的影响：美国盐湖城的全尺寸钻地应力对钻速的影响：美国盐湖城的全尺寸钻头模拟钻井试验。施载方式如下图所示。头模拟钻井试验。施载方式如下图所示。模拟装置模拟装置 模拟参数模拟参数 试验各压力的梯度取为：试验各压力的梯度取为：G G0 0=0.023MPa/m=0.023MPa/m，G Gc c=0.016MPa/m=0.016MPa/m，G Gp p=0.0104MPa/m=0.0104MPa/m。 结果结果 a.a.由于所试验的压力较小由于所试验的压力较小(35MPa)(35MPa)，上覆，上覆岩层压力岩

33、层压力p p0 0和水平地应力和水平地应力p pc c都对钻进的速度没都对钻进的速度没有明显影响。有明显影响。 b. b.地应力对井壁稳定性的的影响：地应力对井壁稳定性的的影响： (a)p(a)po o、p pc c（均匀与非均匀）均有影响，地应力（均匀与非均匀）均有影响，地应力越不均匀，差值越大，影响越大。越不均匀，差值越大，影响越大。 (b)(b)如果如果m m太小，软弱岩层就会产生剪切破坏太小，软弱岩层就会产生剪切破坏而坍塌或者出现塑性流动而缩径。如果而坍塌或者出现塑性流动而缩径。如果m m过大，过大，又会使地层破裂。又会使地层破裂。 (c)(c)P Pf f与地应力的大小紧密相关。与地

34、应力的大小紧密相关。(2) (2) 孔隙压力对岩石性能的影响孔隙压力对岩石性能的影响1)1)孔隙压力的影响孔隙压力的影响 各向压缩效应：井底的岩石，如属干的或不渗透、各向压缩效应：井底的岩石，如属干的或不渗透、或孔隙度小且孔隙中不存在液气时，增大围压一方面或孔隙度小且孔隙中不存在液气时，增大围压一方面增大岩石的强度，另一方面也增大岩石的塑性，这两增大岩石的强度，另一方面也增大岩石的塑性，这两方面的作用统称为方面的作用统称为“各向压缩效应各向压缩效应”。 当孔隙液体是化学惰性的，岩石的渗透率足以保当孔隙液体是化学惰性的，岩石的渗透率足以保证液体在孔隙中流通形成一致的压力，且孔隙的形状证液体在孔隙

35、中流通形成一致的压力，且孔隙的形状能使孔隙压力全部传给岩石固体骨架时，能使孔隙压力全部传给岩石固体骨架时， “各向压各向压缩效应缩效应”取决于取决于外压外压与与内压内压之差（有效压力），外压之差（有效压力），外压指围压，内压指孔隙压力，也即孔隙压力降低了岩石指围压，内压指孔隙压力，也即孔隙压力降低了岩石的的“各向压缩效应各向压缩效应” 。表表1-10 1-10 有效应力的作用有效应力的作用(MPa)(MPa)围 压(1=p2)孔隙压力(pp)有效应力(3-pp)岩石的破碎应力（1-3）00059.834.534.5058.413.86.96.9106.020.7020.7171.034.513

36、.820.7169.144.824.120.7166.769.048.320.7167.134.5034.5211.048.313.834.5211.869.034.534.5212.755.2055.2253.869.013.855.2250.4 孔隙压力的影响意义：孔隙压力的影响意义：降低了岩石的各向压缩效降低了岩石的各向压缩效应。在考虑井壁的稳定时应对孔隙压力给予足够的重应。在考虑井壁的稳定时应对孔隙压力给予足够的重视。相反，在钻井中孔隙压力有助于岩石的破碎，从视。相反，在钻井中孔隙压力有助于岩石的破碎，从而提高钻井速度。而提高钻井速度。（3）液柱压力的影响）液柱压力的影响 井底的岩石，

37、如属不渗透、无孔隙液体时，增井底的岩石，如属不渗透、无孔隙液体时，增大钻井液的液柱压力大钻井液的液柱压力ph将增大对岩石的各向压缩效应。将增大对岩石的各向压缩效应。导致岩石从脆性破坏转为塑性破坏，该压力为脆塑导致岩石从脆性破坏转为塑性破坏，该压力为脆塑性转变压力。详见实验结果性转变压力。详见实验结果表表1-11 1-11 液压液压p ph h对岩石硬度的影响对岩石硬度的影响(MPa)(MPa)岩石泥灰岩大理岩白云岩液压 硬度 相对值 硬度 相对值 硬度 相对值0498100.0803100.0-20602121.0-3670100.035633127.2980122.04136112.7657

38、73155.41083135.04220115.085856172.01180147.04504124.0951301261.3-4626126.21001626306.01490185.54940134.7 1) 1)随着液柱压力的增加，岩石强度有明显的增随着液柱压力的增加，岩石强度有明显的增加。且岩石硬度越小，液柱压力对其硬度的影响越加。且岩石硬度越小，液柱压力对其硬度的影响越显著。显著。 2)液柱压力对岩石强度起增强作用外，同时也液柱压力对岩石强度起增强作用外，同时也增大了岩石的塑性系数，并在某个压力值时，其增大了岩石的塑性系数，并在某个压力值时，其破破碎特征从脆性转变为塑性。碎特征从脆

39、性转变为塑性。表表1-12 1-12 几种岩石的脆塑性转变压力几种岩石的脆塑性转变压力岩 石大气压力下的呈现Kp时的压力(ph)/MPa硬度/MPa塑性系数Kp白云岩36101.35060砂岩5141.652030粉砂岩8952.6815 此外，液柱压力对钻井速度有明显的影响，表此外，液柱压力对钻井速度有明显的影响，表现在随着钻井液液柱压力的增高，单位破岩能量所现在随着钻井液液柱压力的增高，单位破岩能量所破碎的岩石体积（破碎的岩石体积（V/WV/W）下降，且钻井液液柱压力对）下降，且钻井液液柱压力对于软而易钻的地层的影响更大；实验结果见表于软而易钻的地层的影响更大；实验结果见表1-131-13

40、及图及图1-181-18。表表1-13 1-13 一些岩石的脆一些岩石的脆塑性转变压力塑性转变压力液注压力从035MPa软硬岩 石V/W 减小/%软硬岩 石微型钻头钻速降低/%Indiana 灰岩93Riflr 页岩78Berra 砂岩91Spraberry 页岩76Virgina Greenston90Wyoming 红岩63Danby 大理岩83Pennsylvanian 灰岩50Carthage大理岩71Rusb Spring 砂岩33Hasmark 白云岩49Ellerberger 白云岩22（八）岩石的研磨性（八）岩石的研磨性1.定义：定义：岩石磨损钻头切削刃的能力称为岩石的研磨性。

41、岩石磨损钻头切削刃的能力称为岩石的研磨性。2.意义：意义：对于正确地设计和选择使用钻头，延长钻头寿对于正确地设计和选择使用钻头，延长钻头寿命，提高钻头进尺，提高钻井速度有重要的意义。命，提高钻头进尺，提高钻井速度有重要的意义。3.研磨性问题的特点和研究现状：研磨性问题的特点和研究现状：钻头刃部表面的研磨钻头刃部表面的研磨性磨损除了与摩擦付材料的性质有关外，还取决于摩擦性磨损除了与摩擦付材料的性质有关外，还取决于摩擦的类型和特点、摩擦表面的形状和尺寸、摩擦面的温度、的类型和特点、摩擦表面的形状和尺寸、摩擦面的温度、摩擦体的相对运动速度、摩擦体间的接触应力、磨损产摩擦体的相对运动速度、摩擦体间的接

42、触应力、磨损产物的性质及其清除情况、参与摩擦的介质等因素。是十物的性质及其清除情况、参与摩擦的介质等因素。是十分复杂和研究得很不够的领域。分复杂和研究得很不够的领域。( (九九) )岩石的可钻性岩石的可钻性1.概念：概念： 是岩石抵抗钻头破碎的能力，或为在一定钻头规格、是岩石抵抗钻头破碎的能力，或为在一定钻头规格、类型及钻井工艺条件下岩石抵抗钻头破碎的能力。通俗类型及钻井工艺条件下岩石抵抗钻头破碎的能力。通俗地说，是指岩石好不好钻。地说，是指岩石好不好钻。2.意义意义 可钻性的概念，已经把岩石性质由强度、硬度等比可钻性的概念，已经把岩石性质由强度、硬度等比较一般性的概念，引向了与钻孔有联系的概

43、念，在实际较一般性的概念，引向了与钻孔有联系的概念，在实际应用方面占有重要的地位。通常钻头的选型、确定钻头应用方面占有重要的地位。通常钻头的选型、确定钻头工作参数、预测钻头工作指标等都以岩石可钻性为基础工作参数、预测钻头工作指标等都以岩石可钻性为基础。 3. 3.岩石可钻性问题的特点和解决办法岩石可钻性问题的特点和解决办法 是岩石在钻进过程中显示出的综合性指标，取决于是岩石在钻进过程中显示出的综合性指标，取决于许多因素许多因素( (举例举例) )。要找出与其影响因素间的定量关。要找出与其影响因素间的定量关系是比较复杂和困难的，岩石可钻性只能在这种或那系是比较复杂和困难的，岩石可钻性只能在这种或

44、那种具体破碎方法和工艺规程下，通过试验来确定。种具体破碎方法和工艺规程下，通过试验来确定。 4.岩石可钻性测定和分级方法的现状：岩石可钻性测定和分级方法的现状：不统一不统一。我国石油系统岩石可钻性测定和分级方法：我国石油系统岩石可钻性测定和分级方法：(尹宏锦尹宏锦,1987) 在岩石可钻性测定仪上使用在岩石可钻性测定仪上使用31.75（11/4）mm直径钻头，钻压直径钻头，钻压889.66N，转速，转速55r/min的钻进参数，的钻进参数， 在标准岩样上钻三个孔，孔深在标准岩样上钻三个孔，孔深2.4mm2.4mm，取三个孔，取三个孔钻进时间的平均值为岩样的钻时（钻进时间的平均值为岩样的钻时（t

45、 td d），对），对t td d取以取以2 2为底的对数值作为该岩样的可钻性级值为底的对数值作为该岩样的可钻性级值K Kd d，一般，一般K Kd d取取整数值。整数值。 （1-381-38）ddtK2log 我国将地层可钻性按我国将地层可钻性按Kd的整数值分为的整数值分为10级。各级。各主要油田地层可钻性等级所占比例见表主要油田地层可钻性等级所占比例见表1-14。表表1-14 1-14 我国各油田地层可钻性等级所占比例我国各油田地层可钻性等级所占比例(%)(%)表表 等级油田大港6.416.829.227.914.84.240.1胜利8.011.918.922.118.912.0520.8

46、0.2苏北6.57.711.915.517.115.511.77.63.92.6西北0.010.34.515.347.526.05.80.40.1江汉2.15.111.418.421.719.512.76.22.2华北4.26.311.216.118.517.212.97.73.82.1大庆0.62.26.714.021.322.917.69.53.91.3四川0.070.433.914.228.229.917.16.00.90.01三、影响岩石力学性质的因素分析三、影响岩石力学性质的因素分析1.1.岩石结构岩石结构（1 1）对晶质岩石，由硬度较高的矿物组成的岩石，）对晶质岩石，由硬度较高的矿

47、物组成的岩石，其硬度也较高。其硬度也较高。 如玄武岩（斜长石、辉石，如玄武岩（斜长石、辉石，6 6）白云岩）白云岩（4 4）石灰岩（）石灰岩（3 3）。）。 （2 2）砂岩的强度随着石英（）砂岩的强度随着石英（7 7）含量的增加而增大；）含量的增加而增大； 硅质胶结钙质铁质泥质。硅质胶结钙质铁质泥质。 （3 3）同种岩石孔隙度增大，密度降低，强度降低。）同种岩石孔隙度增大，密度降低，强度降低。 因此，岩石的强度一般随埋藏深因此，岩石的强度一般随埋藏深 度的增加而增大。度的增加而增大。 2. 井底各种压力井底各种压力 （1）有效应力（外压与内压之差）越大，岩石强度）有效应力（外压与内压之差）越大

48、，岩石强度越大，塑性越大。越大，塑性越大。 （各向压（各向压 缩效应）。缩效应）。 （2）井内液柱压力与孔隙压力之差越大，岩石强度）井内液柱压力与孔隙压力之差越大，岩石强度越大，塑性越大。越大，塑性越大。3. 载荷性质的影响载荷性质的影响岩石对动载的抗力要比静载大得多。随着冲击速度增岩石对动载的抗力要比静载大得多。随着冲击速度增大，硬度增大，塑性系数减小。大，硬度增大，塑性系数减小。 但在冲击速度小于但在冲击速度小于10米米/秒时，岩石硬度和塑性秒时，岩石硬度和塑性系数变化不大，接近于静载时的数值。系数变化不大，接近于静载时的数值。 在在10000米深度范围内：米深度范围内： 强度：盐岩泥页岩石灰岩石膏白云岩；强度：盐岩泥页岩石灰岩石膏白云岩； 砂岩强度取决于胶结物及胶结程度。砂岩强度取决于胶结物及