中国石油大学钻井工程第一章地质条件张辉

1、 第一章第一章 钻井的工程地质条件钻井的工程地质条件第一节第一节 地下压力特性地下压力特性第二节第二节 岩石的工程力学性质岩石的工程力学性质 第一节第一节 地下压力特性地下压力特性一、各种压力的概念二、地层压力评价三、破裂压力地层压力预测地层压力监测 第一节第一节 地下压力特性地下压力特性 静液柱压力静液柱压力 上覆岩层压力上覆岩层压力 地层压力地层压力 基岩应力基岩应力 地层破裂压力地层破裂压力地下各种压力：地下各种压力：( (一一) )静液柱压力静液柱压力由液柱自身的重力所引起的压力。由液柱自身的重力所引起的压力。 一、地下各种压力的概念一、地下各种压力的概念式中：式中：p ph h 为静

2、液柱压力为静液柱压力, MPa, MPa；为液体的密度为液体的密度,g/cm,g/cm3 3； H H 为液柱的垂直高度，为液柱的垂直高度，m m。p ph h=0.00981H=0.00981H压力梯度：压力梯度：单位高度或单位深度的压力。单位高度或单位深度的压力。静液柱压力梯度：静液柱压力梯度：GhGhp ph h/H/H0.009810.00981单位：单位：MPa/mMPa/m； 面积流体重力基岩重力po（二）上覆岩层压力（二）上覆岩层压力（Oveburden pressureOveburden pressure） 地层某处的上覆岩层压力是指该处以上地地层某处的上覆岩层压力是指该处以上

3、地层层岩石基质岩石基质和和岩石孔隙中流体总重力岩石孔隙中流体总重力所产生的所产生的压力压力，用，用P PO O 表示。表示。)1(00981.0maoHp式中：式中：P PO O为上覆岩层压力，为上覆岩层压力，MPaMPa； H H 为地层垂直深度为地层垂直深度,m,m； 为岩石孔隙度，为岩石孔隙度，% %； mama为岩石骨架密度，为岩石骨架密度，g/cmg/cm3 3； 为孔隙中流体密度，为孔隙中流体密度，g/cmg/cm3 3； oioi 为第为第i i层段平均密度层段平均密度g/cm3g/cm3； 0.00981oioiPH（分段计算）（分段计算）0.00981ioioioiiHPGH

4、H上覆岩层压力梯度上覆岩层压力梯度G G0 0 为上覆岩层压力梯度为上覆岩层压力梯度Mpa/mMpa/m p poi oi 为为 第第i i层段上覆岩层压力层段上覆岩层压力MPaMPa H Hi i 为为 第第i i层段厚度层段厚度m m oioi 为第为第i i层段平均密度层段平均密度g/cmg/cm3 3上覆岩层压力随深度增加而增大上覆岩层压力随深度增加而增大沉积岩的上覆岩层压力梯度一般为沉积岩的上覆岩层压力梯度一般为0.02270.0227兆帕兆帕/ /米米（分段计算）（分段计算）（三）地层压力（三）地层压力（formation pressueformation pressue） 指岩石

5、指岩石孔隙中的流体孔隙中的流体所具有的压力，也称所具有的压力，也称地层孔隙压力地层孔隙压力（formation pore pressureformation pore pressure），用），用p pp p 表示。表示。地层压力当量密度：地层压力当量密度：指某一深度处地层压力用等高度的钻井指某一深度处地层压力用等高度的钻井液柱压力来等效时，所需钻井液的密度。液柱压力来等效时，所需钻井液的密度。 ( (淡、盐水：淡、盐水：1.01.0、1.07g/cm1.07g/cm3 3) )异常地层压力异常地层压力: : 地层压力大于或小于正常地层压力。地层压力大于或小于正常地层压力。l超过正常地层静液压

6、力的地层压力超过正常地层静液压力的地层压力(p(pp ppph h) )称为称为异常高压异常高压。l而低于正常地层静液压力的地层压力而低于正常地层静液压力的地层压力(p(pp p pph h) )称为称为异常低压异常低压。正常地层压力梯度正常地层压力梯度地层水为淡水，地层水为淡水，GP=0.00981 MPa/m地层水为盐水，地层水为盐水，GP= 0.0105 MPa/m上覆岩层压力由岩石的上覆岩层压力由岩石的基质颗粒基质颗粒和孔隙中的流体和孔隙中的流体共同承担。共同承担。基岩应力基岩应力是岩石颗粒间相互接触是岩石颗粒间相互接触支撑的那一部分上覆岩层压力支撑的那一部分上覆岩层压力，亦称亦称有效

7、上覆岩层压力有效上覆岩层压力、骨架应骨架应力力或或颗粒间压力颗粒间压力，用，用 表示。表示。上覆岩层压力、地层压力和基岩上覆岩层压力、地层压力和基岩应力之间的关系是：应力之间的关系是：poPPPoPp （四）基岩应力（四）基岩应力（matrix stressmatrix stress）P Po o、P Pp p和和之间的关系可用下图表示之间的关系可用下图表示正常地层压力的形成正常地层压力的形成: : 在地层的沉积过程中，随着上覆沉积物不断增多，地层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、逐渐被压实，孔隙度减小，如果地层是可渗透的、连通

8、的、地层中流体的流动不受限制（称之为地层中流体的流动不受限制（称之为水力学开启系统水力学开启系统），地），地层孔隙中流体则随着地层的压实层孔隙中流体则随着地层的压实被排挤出去被排挤出去，建立起静液压，建立起静液压力条件，形成正常压力地层。力条件，形成正常压力地层。异常地层压力的成因异常地层压力的成因 异常低压产生原因：异常低压产生原因： （1 1）生产多年而又没有压力补充的枯竭油气层。）生产多年而又没有压力补充的枯竭油气层。 （2 2）地下水位极低。）地下水位极低。l 异常高压产生原因异常高压产生原因： 特点特点 l异常高压地层与正常地层之间有异常高压地层与正常地层之间有一个封闭层一个封闭层（

9、阻止孔隙流体排出）。（阻止孔隙流体排出）。 原因原因 l 地层欠压实作用地层欠压实作用 l 地质构造作用地质构造作用 l 水热增压作用水热增压作用 l 流体运移作用流体运移作用 l 油田注水油田注水（1 1）地层欠压实作用）地层欠压实作用 随着地层的不断沉积，上覆岩层压力逐渐增大，假若该地层被不渗透的随着地层的不断沉积，上覆岩层压力逐渐增大，假若该地层被不渗透的围栅包围（围栅包围（盖层盖层），则该地层孔隙中流体），则该地层孔隙中流体不能被排挤出去不能被排挤出去，其必然承受部分，其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，孔隙度相上覆岩层重力。结果是地层流体压力升高，

10、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欠压实作用。 Pp DPp PO 海面海面/地面地面地层压实能否保持平衡，取决于四个因素：地层压实能否保持平衡，取决于四个因素：（1 1）上覆岩层沉积速度的大小，）上覆岩层沉积速度的大小，（2 2）地层渗透率的大小，）地层渗透率的大小，（3 3）孔隙减小的速度，）孔隙减小的速度，（4 4）排出孔隙流体的能力。）排出孔隙流体的能力。（2 2）地质构造作用）地质构造作用造成地层上升。如果在抬升过程中有某种因素限制了流造成地层上升。如果在抬升过程中有某

11、种因素限制了流体的运移，该地层就会由于深度因素而形成异常高压。体的运移，该地层就会由于深度因素而形成异常高压。（3 3）水热增压作用）水热增压作用温度升高、流体膨胀。温度升高、流体膨胀。（4 4）流体运移作用）流体运移作用流体运移效应包括流体运移效应包括钻开的岩层与超压层的联通钻开的岩层与超压层的联通以及以及地层流地层流体等势面的差异体等势面的差异造成的压力异常。造成的压力异常。二、地层压力评价二、地层压力评价 压力预测压力预测 用邻近井资料进行压力预测，建立地层压力剖面；用邻近井资料进行压力预测，建立地层压力剖面； 预测方法预测方法: : 地震法、声波时差法和页岩电阻率法地震法、声波时差法和

12、页岩电阻率法 压力监测压力监测 根据所钻井的实时数据进行压力监测，以掌握地层压根据所钻井的实时数据进行压力监测，以掌握地层压力的实际变化规律。力的实际变化规律。 声波在地层中的传播特性：声波在地层中的传播特性： 声波传播速度主要是声波传播速度主要是孔隙度和岩性孔隙度和岩性的函数。如果岩的函数。如果岩性为性为泥页岩泥页岩时，则声波测井主要反映时，则声波测井主要反映孔隙度孔隙度的变化。的变化。（一）地层压力预测（一）地层压力预测正常压力正常压力地层地层： H H ， VVP P 声波时差声波时差t t 异常高压层：异常高压层： 由于地层欠压实，由于地层欠压实， ， V VP P 声声波时差波时差t

13、 t o泥页岩地层泥页岩地层声波时差与孔隙度声波时差与孔隙度之间关系：之间关系： 式中：式中： 岩石孔隙度岩石孔隙度, , ； t t 地层的声波时差，微秒地层的声波时差，微秒/ /米；米； ttm m 基岩的声波时差基岩的声波时差, , 微秒微秒/ /米；米； ttf f 地层孔隙内流体的声波时差，微秒地层孔隙内流体的声波时差，微秒/ /米。米。tttmfmt声波时差法o正常沉积条件下，泥页岩的正常沉积条件下，泥页岩的孔隙度随深度孔隙度随深度的变化的变化规律为：规律为： 0 0e e-cH-cH式中：式中： 泥页岩的孔隙度，泥页岩的孔隙度， ； 0 0 泥页岩在泥页岩在地面地面的孔隙度，的孔

14、隙度， ； c c 常数常数; H ; H 井深，米。井深，米。声波时差法ttttmfm00o由前述声波时差与孔隙度的关系得：由前述声波时差与孔隙度的关系得：tt0 0 泥页岩在泥页岩在地面的地面的声波时差声波时差声波时差法o声波时差与井深关系：声波时差与井深关系：00000()mfmcHcHmmmmmfmfmfmcHtteteettttttttttttttttt 声波时差法在泥页岩的岩性一定的情况下，在泥页岩的岩性一定的情况下，ttm m也为一常数。也为一常数。 若若ttm m0 0，则：，则：00lnln*cHtt ettcHaHb 在正常压力地层中，在正常压力地层中，深度深度H H与声波

15、时差与声波时差tt的对数之间呈的对数之间呈一条正常趋势线。一条正常趋势线。l 根据声波时差进行地层压力评价根据声波时差进行地层压力评价l 依据是地层压实理论或依据是地层压实理论或地层欠压地层欠压实理论实理论l 正常压力地层：正常压力地层： H H ， VVP P tt ；l 异常高压层：地层欠压实，异常高压层：地层欠压实， ， V VP P t t 。 tnt声波时差法计算地层压力步骤如下：声波时差法计算地层压力步骤如下：(1)(1)在声波时差测井资料上选择纯泥页岩在声波时差测井资料上选择纯泥页岩层，以层，以5m5m左右为间隔点在测井曲线上读出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

16、，并在井深和相应的声波时差值，并在半对数坐半对数坐标标纸上描点。纸上描点。(2)(2)在已知的正常地层压力井段，根据尽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的正常趋势线，并将其延伸至异常高压井段。段。(3)(3)读出某深度的实测声波时差读出某深度的实测声波时差tt和该深和该深度所对应的正常趋势线上的声波时差度所对应的正常趋势线上的声波时差ttn n，并计算并计算ttttn n。(4) (4) 在在ttttn n和和GpGp关系曲线上读出关系曲线上读出ttttn n所对应的所对应的GpGp，用，

17、用GpGp乘以井深乘以井深H H，得，得其深度的地层压力。其深度的地层压力。tntP Pp p0.00981 Gp0.00981 GpH Httn和和Gp关系曲线关系曲线P41 1P41 1、3 3、5 5、6 6、7 7作业作业课代表指定；课代表指定；借还钥匙；借还钥匙；绪论：绪论： (1) “(1) “钻井钻井”的概念的概念 (2) (2) 钻井的种类钻井的种类 (3) (3) 钻井方法钻井方法 (4) (4) 一口井的基本钻井工艺过程一口井的基本钻井工艺过程第一节：地下压力特性第一节：地下压力特性 地下各种压力的概念；地下各种压力的概念； 地层压力评价；地层压力评价； 式中：式中：R R

18、为钻速，为钻速，ftftminmin； N N为转盘转速，为转盘转速，r rminmin； W W为钻压，为钻压，lbslbs； D D为钻头直径，为钻头直径，inin； a a为岩性常数，无量纲；为岩性常数，无量纲； d d为压实指数，无量纲。为压实指数，无量纲。 1 1dcdc指数法的概念指数法的概念宾汉钻速模型（宾汉钻速模型（BinghamBingham，19641964）: :dDWaNR)/(d d指数（泥页岩层）指数（泥页岩层）: :)/lg()/lg(DWNRd （二）地层压力监测（二）地层压力监测采用工程单位：采用工程单位：DWNRd0684.0lg0547.0lg式中：式中：

19、RR机械钻速，机械钻速，m/h;m/h; N N转速，转速，r/minr/min； W W 钻压钻压,kN,kN； DD钻头直径，钻头直径，mmmm； dcdc指数指数 Rehm & Meclendon(1971Rehm & Meclendon(1971年年) )研究了研究了钻井液密度对钻速钻井液密度对钻速的影响，提出了修的影响，提出了修正的正的d d指数，称为指数，称为dcdc指数指数。 dndncDWNRdd0684. 0lg0547. 0lgnd正常地层水密度：根据各地区水中含盐度不同而不同。正常地层水密度：根据各地区水中含盐度不同而不同。推荐值如下：推荐值如下：淡水：淡

20、水：1 11.0031.003；微咸水：微咸水：1.0041.0041.0281.028；盐水：盐水：1.0281.0281.1931.193DcDc指数计算指数计算公式公式式中：式中： 正常地层水密度，正常地层水密度， 所使用的钻井液密度；所使用的钻井液密度；2.2.基本原理基本原理 在在正常压实条件正常压实条件下，岩石下，岩石强度随井深增加而增强，若钻强度随井深增加而增强，若钻井参数不变，机械钻速随井深井参数不变，机械钻速随井深增加而降低，增加而降低，泥岩段泥岩段dcdc指数随指数随井深增加而增大井深增加而增大；在在异常压力异常压力段，由于岩石段，由于岩石中孔隙压力的影响，不再遵循中孔隙压

21、力的影响，不再遵循正常压实的规律，钻速随孔隙正常压实的规律，钻速随孔隙压力的增大而增大，压力的增大而增大，dcdc指数则指数则相应减小相应减小，偏离原来的正常趋，偏离原来的正常趋势线。势线。dcdc指数检（监）测地层指数检（监）测地层压力，就是在这一基本原理上压力，就是在这一基本原理上建立起来的。建立起来的。（1 1）数据采集与整理）数据采集与整理收集泥页岩地层的正常压力和异常压力的钻井资料：钻时（或钻速）、收集泥页岩地层的正常压力和异常压力的钻井资料：钻时（或钻速）、钻压、转速、钻头直径、钻井液密度、排量、泵压、地层岩性等数据，钻压、转速、钻头直径、钻井液密度、排量、泵压、地层岩性等数据，如

22、下表所示。如下表所示。3.dc3.dc指数法地层压力检测步骤指数法地层压力检测步骤 在资料采集和整理中，要注意在资料采集和整理中，要注意“七个不要七个不要”、“三个去三个去掉掉”：“七个不要七个不要”：一切不属于正常钻井的数据不要。：一切不属于正常钻井的数据不要。l非泥岩、页岩层，非泥岩、页岩层，l井底不干净，（井眼净化不充分）井底不干净，（井眼净化不充分）l纠斜吊打，纠斜吊打，l磨进，磨进，l取心，取心，l新旧钻头交界处的异常值（钻头使用后期磨损严重）新旧钻头交界处的异常值（钻头使用后期磨损严重）l地质不整合面（大的沉积间断、断层等）等。地质不整合面（大的沉积间断、断层等）等。“三个去掉三个

23、去掉”：l受地质条件、岩性变化影响的数据去掉；受地质条件、岩性变化影响的数据去掉；l局部井段受水力作用影响的数据去掉；局部井段受水力作用影响的数据去掉；l受钻头类型影响的数据去掉。受钻头类型影响的数据去掉。否则，数据点会出现发散现象。否则，数据点会出现发散现象。 （2 2）dcdc指数计算指数计算dndncDWNRdd0684. 0lg0547. 0lg （3 3）绘制曲线，回归处理）绘制曲线，回归处理在在半对数坐标中半对数坐标中绘制绘制HdcHdc关系曲线，关系曲线，求求dcdc指数正常趋势线。指数正常趋势线。 dcdc指数正常趋势线求解方法：指数正常趋势线求解方法： 选取选取正常压力井段内

24、的数据正常压力井段内的数据做回归处理做回归处理 根据压实规律，根据压实规律，dcdc与深度呈指数关系：与深度呈指数关系：dc=Bdc=B* *e eaHaH 取自然对数得，取自然对数得，lndc=lnB+aH=b+aHlndc=lnB+aH=b+aH 令令y=lndcy=lndc x=H x=H b=lnB b=lnB 则：上式相当于则：上式相当于y=b+axy=b+ax形式。形式。 数据点为（数据点为（x,yx,y）, ,数据点数为数据点数为n n，进行一元，进行一元线性回归。线性回归。压力过压力过渡带渡带正常趋势线正常趋势线112222111()1()1()()niiniixxyyxyxx

25、nyynlxxnlyynlxyxyn一元线性回归方法：一元线性回归方法：x yx xx yx xyylalbya xlrll回归系数和相关系数分别为：回归系数和相关系数分别为：根据相关系数的大小判断回根据相关系数的大小判断回归直线有无意义。归直线有无意义。 式中：式中：dcdc为泥岩正常压实井段为泥岩正常压实井段dcdc值；值；a a、b b为回归系数；为回归系数；H H为井深。为井深。Habdcln从而得到正常压实趋势线方程为：从而得到正常压实趋势线方程为：（4 4）地层压力计算）地层压力计算经验公式法、当量（等效）深度法等。经验公式法、当量（等效）深度法等。a.a.经验公式法（经验公式法（

26、反算法、反算法、ZAMORAZAMORA公式公式） cacnnpdd式中：式中： 地层压力当量密度；地层压力当量密度； 正常地层水密度；正常地层水密度； 所求井深处，正常趋势线上的所求井深处，正常趋势线上的dcdc 所求井深处，实际所求井深处，实际dcdcpncndcadcndcadln(dln(dcncn)=b+a)=b+a* *D DDDPpp00981. 0)(b.b.等效深度法等效深度法 cndcad等效深度等效深度: : 若深度为若深度为D D的的异常压力地层异常压力地层与正常与正常压力地层段的某一深度压力地层段的某一深度DeDe处的地层具处的地层具有相等有相等dcdc指数指数, ,

27、则则可以认为两处地层可以认为两处地层的压实程度相同的压实程度相同, ,基岩应力相等基岩应力相等, A, A点点的等效深度为的等效深度为B B点。点。 即即: :若若dc(A)=dc(B),dc(A)=dc(B),则则: :B B处处: :A A处处: :)()(DeD)()()(epeeoDPDDP)()()(DPDDPpoAB为基岩应力为地层孔隙压力为上覆岩石压力poPPcndcad井深井深D D处的地层压力为处的地层压力为: :epnooePeoopDGGDGDPDPDPDP)()()()()(G Gpnpn为等效深度为等效深度DeDe处的正常地层压力梯度，处的正常地层压力梯度，Mpa/m

28、Mpa/m；G G0 0为为上上覆地层压力梯度，覆地层压力梯度，MPa/mMPa/m；ABB B处处: :A A处处: :)()(DeD)()()(epeoeDPDPD)()()(DPDPDpo)()()()(0ePeopDPDPDPDP)1(00981.0/0maoHPGiioHHHPG00981.0/0（分段计算）（分段计算）G G0 0上覆地层压力梯度的计算方法：上覆地层压力梯度的计算方法：式中：式中：P PO O为上覆岩层压力，为上覆岩层压力，MPaMPa； H H 为地层垂直深度为地层垂直深度,m,m； 为岩石孔隙度，为岩石孔隙度，% %； mama为岩石骨架密度，为岩石骨架密度，g

29、/cmg/cm3 3； 为孔隙中流体密度，为孔隙中流体密度，g/cmg/cm3 3。 0 0为地层体积密度，为地层体积密度，g/cmg/cm3 3。c.c.伊顿法伊顿法 cndcad2 . 1)(cncapnoopddGGGGDGDPpp)(符号同前符号同前d.d.对数式对数式 (Rehm-McClendon(Rehm-McClendon公式公式) ) cndcad98. 1)(log92. 010cacnpddDDPpp00981. 0)(符号同前符号同前不足之处：不足之处：（1 1）水力参数水力参数、地层岩性地层岩性、钻头类型钻头类型、井底压差井底压差等因素的变等因素的变化都会引起机械钻速

30、的变化，从而导致化都会引起机械钻速的变化，从而导致dcdc指数的变化。因此，指数的变化。因此，dcdc指数法评价地层压力存在较大的误差。指数法评价地层压力存在较大的误差。（2 2）声波时差法和）声波时差法和dcdc指数法只适用于泥页岩地层（砂泥岩剖指数法只适用于泥页岩地层（砂泥岩剖面），对于面），对于碳酸盐岩碳酸盐岩地层，目前尚无合适的方法。地层，目前尚无合适的方法。三、地层破裂压力（三、地层破裂压力（formation fracture pressureformation fracture pressure） 在井下一定深度出露的地层，承受流体压力的能力是有限在井下一定深度出露的地层，承受流

31、体压力的能力是有限的，当液体压力达到一定数值时会使地层破裂，这个液体压力的，当液体压力达到一定数值时会使地层破裂，这个液体压力称为称为地层破裂压力地层破裂压力。即：使地层发生破裂的最小井内液柱压力。即：使地层发生破裂的最小井内液柱压力。 地层破裂压力的大小取决于许多因素，如上覆岩层压力、地层破裂压力的大小取决于许多因素，如上覆岩层压力、地层压力、岩性、地层年代、埋藏深度以及该处岩石的应力状地层压力、岩性、地层年代、埋藏深度以及该处岩石的应力状态。态。安德森法哈伯特威利斯法马修斯凯顿法伊顿法1132oppfppPGDDoppfippPGKDD1oppfppPGDD破裂压力的预测方法：破裂压力的预

32、测方法：21popfpp - pGDD新模式与前述三个模式相比有两个显著特点：新模式与前述三个模式相比有两个显著特点：o地应力一般是不均匀的，模式中包括了三个主应力地应力一般是不均匀的，模式中包括了三个主应力的影响。垂直应力可以认为是由上覆岩层重力引起的影响。垂直应力可以认为是由上覆岩层重力引起的。的。o地层的破裂是由井壁上的应力状态决定的地层的破裂是由井壁上的应力状态决定的。深部深部地层的水压致裂是由于井壁上的有效切向应力达到地层的水压致裂是由于井壁上的有效切向应力达到或超过了岩石的或超过了岩石的抗拉强度抗拉强度。SpppptpopfK)(12(K 构造应力系数，无因次；构造应力系数，无因次

33、；St 岩石的抗拉强度，兆帕。岩石的抗拉强度，兆帕。计算地层破裂压力的新方法黄荣樽法计算地层破裂压力的新方法黄荣樽法(1)(1)循环调节泥浆性能，保证泥浆性能稳定，上提钻头循环调节泥浆性能，保证泥浆性能稳定，上提钻头至套管鞋内，至套管鞋内，关闭防喷器关闭防喷器。(2)(2)用较小排量用较小排量0.660.661.32 L/s1.32 L/s向井内注入泥浆，并记向井内注入泥浆，并记录各个时期的录各个时期的注入量及立管压力注入量及立管压力。(3)(3)做立管压力与累计泵入量的关系曲线图。做立管压力与累计泵入量的关系曲线图。地层破裂压力确定的现场方法：液压实验法地层破裂压力确定的现场方法：液压实验法

34、 液压实验也称漏失试验，步骤如下：液压实验也称漏失试验，步骤如下：地层破裂压力实验地层破裂压力实验(4) (4) 从图上确定各个压力值从图上确定各个压力值漏失压力为漏失压力为P PL L即开始偏离直即开始偏离直线点的压力，其后压力继续线点的压力，其后压力继续上升；上升；压力升到最大值即为压力升到最大值即为开裂压开裂压力力P Pf f；最大值过后压力下降；最大值过后压力下降并趋于平缓并趋于平缓, ,称为称为传播压力传播压力PrPr；液压试验曲线液压试验曲线(5) (5) 求地层破裂压力当量密度求地层破裂压力当量密度f f f fm mp pL L/(0.00981D) /(0.00981D) m

35、 m 试验用泥浆密度，试验用泥浆密度，g/cmg/cm3 3； D D 试验井深，试验井深，m m。（1 1）计算地层破裂压力时，以漏）计算地层破裂压力时，以漏失压力为准；失压力为准；（2 2）计算深度）计算深度D D是指套管下入深是指套管下入深度，而不是井深；度，而不是井深；（3 3）破裂处地层的压力应该等于）破裂处地层的压力应该等于表现在立管上的压力与压力表表现在立管上的压力与压力表以下液柱形成的压力之和。以下液柱形成的压力之和。LfPP 液压试验曲线液压试验曲线注意事项：注意事项：第一节第一节 地下压力特性地下压力特性一、压力概念二、地层压力评价三、破裂压力静液柱压力上覆岩层压力地层压力

36、基岩应力压力异常地层压力预测地层压力监测第二节第二节 岩石的工程力学性质岩石的工程力学性质一、岩石的类型及特点一、岩石的类型及特点二、岩石的工程力学性质二、岩石的工程力学性质三、井底各种压力对岩石性质的影响三、井底各种压力对岩石性质的影响四、岩石可钻性与研磨性四、岩石可钻性与研磨性一、岩石的类型及特点一、岩石的类型及特点（1 1） 岩石的组成岩石的组成 岩石：岩石：是组成地壳的基本物质，它是由是组成地壳的基本物质，它是由矿物或岩屑矿物或岩屑在地质作在地质作用下按一定规律聚集而形成的自然体，具有一定的强度。用下按一定规律聚集而形成的自然体，具有一定的强度。 矿物：矿物：在地壳中有一定的化学成份和

37、物理性质的在地壳中有一定的化学成份和物理性质的自然元素或自然元素或化合物化合物称为矿物，是地壳中的各种化学元素在各种作用下形称为矿物，是地壳中的各种化学元素在各种作用下形成的产物。常见的造岩矿物如下表。成的产物。常见的造岩矿物如下表。化合化合 组合组合元素元素 矿物矿物 岩石岩石 常见的造岩矿物常见的造岩矿物序号序号名称名称化学成分化学成分1正长石正长石kAISI3O82斜长石斜长石NaAISI3O8或或CaAI2SI2O83石英石英SIO24白云母白云母KAI2(SI3AI)O10(OH)25黑云母黑云母K2(MgFe)6(SIAI)8O20(OH)46角闪石角闪石Na、Ca、Mg、Fe、A

38、I的硅酸盐的硅酸盐7辉石辉石Ca、Mg、Fe、AI的硅酸盐的硅酸盐8橄榄石橄榄石(MgFe)2SIO49方解石方解石CaCO310白云岩白云岩CaMg(CO3)211高岭土高岭土AI2SI2O5(OH)412氧化铁氧化铁2FeO33H2O或或Fe2O3花岗岩，是由石英、长石、和云母颗粒组成的。花岗岩，是由石英、长石、和云母颗粒组成的。(2) (2) 岩石的类型岩石的类型根据成因分为三类：岩浆岩、沉积岩、变质岩根据成因分为三类：岩浆岩、沉积岩、变质岩 成因成因举例举例特点特点岩浆岩岩浆岩（火成（火成岩）岩）岩浆在地下巨大的压力的作用下沿地壳岩浆在地下巨大的压力的作用下沿地壳薄弱地带侵入地壳上部或

39、喷出地表（火薄弱地带侵入地壳上部或喷出地表（火山活动），随着温度、压力的变化，冷山活动），随着温度、压力的变化，冷却凝固而形成。却凝固而形成。玄武岩玄武岩矿物结晶颗粒细小，矿物结晶颗粒细小，有的有流纹或气孔有的有流纹或气孔花岗岩花岗岩矿物结晶颗粒较大矿物结晶颗粒较大沉积岩沉积岩出露地表的岩石，在各种外力作用下，出露地表的岩石，在各种外力作用下，经过风化、侵蚀、搬运、沉积、固结而经过风化、侵蚀、搬运、沉积、固结而形成的岩石形成的岩石砾岩砾岩砂岩砂岩页岩等页岩等具有层理构造和含具有层理构造和含有化石有化石变质岩变质岩已形成岩石，在岩浆活动、地壳运动产已形成岩石，在岩浆活动、地壳运动产生的高温、高压

40、条件下，使原岩石成分、生的高温、高压条件下，使原岩石成分、性质发生改变而形成的新岩石性质发生改变而形成的新岩石大理岩大理岩板岩板岩具有片理构造具有片理构造钻井中常遇到的岩石随着地球随着地球上主要上主要地地质过程质过程的的演变，这演变，这三类岩石三类岩石之间可以之间可以互相转变。互相转变。 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组织微观组织特征，包括矿物成分、颗粒大小、形特征，包括矿物成分、颗粒大小、形状及排列方式、颗粒间的胶结情况等。状及排列方式、颗粒间的胶结情况等。 特点：矿物成分不确定，颗粒大小不等、颗粒形状多样、颗特点：矿物成分不确定，颗粒大

41、小不等、颗粒形状多样、颗粒分布不均匀、胶结强度有强有弱。粒分布不均匀、胶结强度有强有弱。 （2 2）构造特点）构造特点 构造指岩石的构造指岩石的宏观组织宏观组织特征，是指岩石组分的空间分布及其特征，是指岩石组分的空间分布及其相互间的位置。相互间的位置。如：层理、节理（裂隙）、孔隙度等。如：层理、节理（裂隙）、孔隙度等。 一般，沉积岩具有明显的层理特征。一般，沉积岩具有明显的层理特征。 层理：层理： 岩石一层一层叠起来的现象。岩石一层一层叠起来的现象。倾斜的层状结构是沉积岩的主要倾斜的层状结构是沉积岩的主要构造特征。构造特征。 形成层理的原因：形成层理的原因： 沉积岩常具有一层一层近似平行的层理

42、，为不同时期沉积环境沉积岩常具有一层一层近似平行的层理，为不同时期沉积环境变化所制。最初的层理近似水平，其后受到地壳变动影响可能变化所制。最初的层理近似水平，其后受到地壳变动影响可能倾斜、弯曲或断裂。倾斜、弯曲或断裂。 层理的分类：层理的分类： A A、成分相同时颗粒大小在垂直方向上的变化、成分相同时颗粒大小在垂直方向上的变化 B B、不同成分颗粒的交替沉积、不同成分颗粒的交替沉积 C C、某些矿物颗粒指向相同、某些矿物颗粒指向相同 D D、某种矿物颗粒呈规律性的分布、某种矿物颗粒呈规律性的分布在某些岩石中的化学沉积物，层理表现的很不明显。有时在某些岩石中的化学沉积物，层理表现的很不明显。有时

43、在砂岩和层状岩石中，只有在很大块岩石中才可以区别出在砂岩和层状岩石中，只有在很大块岩石中才可以区别出层理来。层理来。在钻井地质剖面上所表现的岩性变化、软硬夹层等就是层在钻井地质剖面上所表现的岩性变化、软硬夹层等就是层理变化的反映。理变化的反映。 (3)(3)各向异性和非均质性各向异性和非均质性 各向异性各向异性: :如果物体的某一性质随方向的不同而不同如果物体的某一性质随方向的不同而不同, ,则称则称物体具有各向异性。物体具有各向异性。 l 岩石一般具有各向异性的性质。如在垂直于或平行于层理岩石一般具有各向异性的性质。如在垂直于或平行于层理面的方向上，岩石的力学性质（弹性、强度等）有较大的面的

44、方向上，岩石的力学性质（弹性、强度等）有较大的差异。差异。l 岩石的各向异性性质是由岩石的构造特点所决定的。岩石的各向异性性质是由岩石的构造特点所决定的。l 结晶矿物的结晶矿物的定向排列、层理、片理、节理定向排列、层理、片理、节理等使得岩石具有等使得岩石具有各向异性的特点。各向异性的特点。片理（页理）是岩石沿平行的平面分裂为薄片的能力片理（页理）是岩石沿平行的平面分裂为薄片的能力。不均质性不均质性: : 如果物体中如果物体中不同部分不同部分的物理、化学性质不同，称的物理、化学性质不同，称该物体是不均质的。该物体是不均质的。l 岩石一般为非均质体。这是由岩石成分、颗粒大小、颗岩石一般为非均质体。

45、这是由岩石成分、颗粒大小、颗粒间的胶结强度粒间的胶结强度 、孔隙度（密度）等不均质性造成的。、孔隙度（密度）等不均质性造成的。l 测定岩石的力学性质时，不同部位的实验结果常存在很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，采用统计学理论，取合适的均值作为大的差异，因此，采用统计学理论，取合适的均值作为代表。代表。第二节第二节 岩石的工程力学性质岩石的工程力学性质一、岩石的类型及特点一、岩石的类型及特点二、岩石的工程力学性质二、岩石的工程力学性质三、井底各种压力对岩石性质的影响三、井底各种压力对岩石性质的影响四、岩石可钻性与研磨性四、岩石可钻性与研磨性o物理性质：物理性质：密

46、度，孔隙度，饱和度密度，孔隙度，饱和度o水理性质：水理性质：吸水性、透水性、软化性、抗冻性、可溶吸水性、透水性、软化性、抗冻性、可溶性、膨胀性及崩解性性、膨胀性及崩解性o工程力学性质：工程力学性质：岩石受力后表现出来的岩石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强度性质：强度性质：抗压强度、抗拉强度、抗剪强度等、硬度、塑性抗压强度、抗拉强度、抗剪强度等、硬度、塑性变形性质：变形性质：弹性模量及泊松比弹性模量及泊松比二、岩石的工程力学性质二、岩石的工程力学性质n 弹性：弹性：岩石在外力作用下产生变形，外力撤销后变岩石在外力作用下产生变形，外力撤销后变形随之消失，恢复到形随之消失，恢复

47、到原来的形状和体积原来的形状和体积的性质称为的性质称为弹性，相应的变形称为弹性变形。弹性，相应的变形称为弹性变形。n 塑性：塑性：岩石在外力作用下产生变形，外力撤销后变岩石在外力作用下产生变形，外力撤销后变形形不能完全恢复不能完全恢复的性质。相应的残余变形称为塑性的性质。相应的残余变形称为塑性变形。变形。n 脆性脆性：岩石在外力作用下：岩石在外力作用下变形很小变形很小（小于（小于3%3%）就）就发生破坏的性质。相应的破坏称为脆性破坏。发生破坏的性质。相应的破坏称为脆性破坏。几个概念：几个概念：o弹性模量弹性模量 ：岩石每增加单位应变所需增加的应力。岩石每增加单位应变所需增加的应力。 式中：式中

48、：E E弹性模量；弹性模量； 应力；应力； 应变。应变。o泊松比：泊松比：压缩应力作用下岩石横向应变与纵向应变之比。压缩应力作用下岩石横向应变与纵向应变之比。/E纵横( (一一) )、岩石的变形性质、岩石的变形性质弹性模量和泊松比弹性模量和泊松比 产生弹性变形的物体在变形阶段，应力与应变的关系服产生弹性变形的物体在变形阶段，应力与应变的关系服从虎克定律：从虎克定律：E常常见见岩岩石石的的弹弹性性模模量量与与泊泊松松比比 岩石名称岩石名称弹性模量弹性模量 (104MPa)泊松比泊松比岩石名岩石名称称弹性模量弹性模量 (104MPa)泊松比泊松比花岗岩花岗岩510O.10.3页页 岩岩O.280.

49、2O.4流纹岩流纹岩510O.10.25石灰岩石灰岩5100.20.35闪长岩闪长岩715O.1O.3白云岩白云岩59.40.150.35安山岩安山岩5120.2O.3板岩板岩28O.20.3辉长岩辉长岩7150.10.3片岩片岩19O.2O.4玄武岩玄武岩612010.35片麻岩片麻岩1100.10.35砂砂 岩岩0.510O.20.3石英岩石英岩6200.080.251. 1. 岩石强度的概念岩石强度的概念o岩石在外力作用下达到破坏时的应力称为岩石的强度，是岩石在一定条岩石在外力作用下达到破坏时的应力称为岩石的强度，是岩石在一定条件下抵抗外力破坏的能力。件下抵抗外力破坏的能力。o影响岩石强

50、度的因素：影响岩石强度的因素：n内因内因：岩石的矿物成分，胶结物的成分；矿物颗粒的尺寸；岩石的：岩石的矿物成分，胶结物的成分；矿物颗粒的尺寸；岩石的密度和孔隙度等。密度和孔隙度等。n外因外因：岩石的受载方式，岩石的应力状态等。：岩石的受载方式，岩石的应力状态等。( (二二) )、岩石的强度性质、岩石的强度性质岩石的强度一般情况下随着埋藏深度的增加而增加。岩石的强度一般情况下随着埋藏深度的增加而增加。2. 2. 简单应力条件下岩石的强度简单应力条件下岩石的强度o简单应力条件下岩石的强度指岩石在单一的外载作用下简单应力条件下岩石的强度指岩石在单一的外载作用下的强度，包括：的强度，包括： 抗压强度抗

51、压强度岩石单纯受岩石单纯受压缩应力压缩应力破坏时的强度破坏时的强度 抗拉强度抗拉强度岩石单纯受岩石单纯受拉伸应力拉伸应力破坏时的强度破坏时的强度 抗剪强度抗剪强度岩石单纯受岩石单纯受剪切应力剪切应力破坏时的强度破坏时的强度 抗弯强度抗弯强度岩石单纯受岩石单纯受弯曲应力弯曲应力破坏时的强度破坏时的强度( (二二) )、岩石的强度性质、岩石的强度性质 在岩样上施加轴向压缩载荷直在岩样上施加轴向压缩载荷直至破坏时至破坏时单位面积上的载荷单位面积上的载荷，通过，通过单轴抗压试验来获得。单轴抗压试验来获得。实验要求：实验要求：* *施加压力的方向应平行于岩心的轴线施加压力的方向应平行于岩心的轴线* *岩

52、样长度岩样长度L L应适当，应适当，L/DL/D很小时，试件中的很小时，试件中的应力分布趋于三轴应力状态，具有较高的强应力分布趋于三轴应力状态，具有较高的强度；度；L/DL/D很大时，将发生弹性不稳定破坏；很大时，将发生弹性不稳定破坏；L/DL/D应适中，一般以应适中，一般以L/D=2.53.0L/D=2.53.0较好。较好。* *尽量减小端面效应，设法降低试件端面与尽量减小端面效应，设法降低试件端面与加压板间的摩擦。加压板间的摩擦。* *试件尺寸取决于组成岩石的颗粒的尺寸，试件尺寸取决于组成岩石的颗粒的尺寸，试件直径与最大颗粒尺寸的比值至少为试件直径与最大颗粒尺寸的比值至少为1010：1 1

53、。因此，原则上应尽量采用较大直径的试。因此，原则上应尽量采用较大直径的试件。建议采用件。建议采用2.22.62.22.6厘米直径的试件。厘米直径的试件。按抗压强度对地层进行分类按抗压强度对地层进行分类地层地层极软极软软软中软中软中中硬硬极硬极硬抗压强度抗压强度（MPaMPa）25200200直接测量：直接测量： 把岩样加工成拉伸试样，置于材料把岩样加工成拉伸试样，置于材料拉伸试验机上进行简单应力状态下拉伸试验机上进行简单应力状态下( (或或称单轴抗拉伸状态称单轴抗拉伸状态) )的拉伸试验。岩样的拉伸试验。岩样拉断时拉断时的应力值即为岩石的抗拉伸强度。的应力值即为岩石的抗拉伸强度。 可通过可通过

54、直接和间接直接和间接抗拉伸强度试验来确定抗拉伸强度试验来确定实验要求：实验要求：* *设计恰当的夹紧机构；设计恰当的夹紧机构；* *制备一定形状的岩样；制备一定形状的岩样；* *确保加载方向严格平行于岩样轴线。确保加载方向严格平行于岩样轴线。巴西劈裂实验：巴西劈裂实验： 将一个薄圆盘试件（直径将一个薄圆盘试件（直径40mm40mm* *厚度厚度25mm25mm）沿其直径方向加）沿其直径方向加载，在沿着加载直径上分布着垂直于加载方向拉伸应力，如图载，在沿着加载直径上分布着垂直于加载方向拉伸应力，如图所示。所示。间接测量方法：间接测量方法：巴西劈裂实验巴西劈裂实验 圆盘的破裂从圆盘的破裂从圆中心圆

55、中心开始开始, ,当拉应力达到岩样的抗拉强度当拉应力达到岩样的抗拉强度时，试件在时，试件在加载点连线上加载点连线上呈现清晰的破裂。岩石的抗张强度呈现清晰的破裂。岩石的抗张强度可按下式计算可按下式计算(r(r半径，半径，t t厚度厚度) )：trPt0APs223bhPlb抗剪试验抗剪试验 抗弯试验抗弯试验 1 岩石 2 刀具破坏方式破坏方式岩石的抗压、抗拉、抗剪和抗弯强度岩石的抗压、抗拉、抗剪和抗弯强度岩石各种强度间的比例关系岩石各种强度间的比例关系一般规律一般规律： o在简单应力条件下，大部分岩石都接近弹性脆性体，岩在简单应力条件下，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。石的

56、破坏表现为脆性破坏。o一般情况下一般情况下 抗拉强度抗弯强度抗拉强度抗弯强度抗剪强度抗压强抗剪强度抗压强度度。 o垂直于地层层面方向的岩石强度平行于地层层面方向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。的岩石强度。 3. 3. 复杂应力条件下岩石的强度复杂应力条件下岩石的强度 首先用液压首先用液压p使其四周处于三向均匀压缩的应力状态，使其四周处于三向均匀压缩的应力状态，然后保持此压力（围压）不变，对岩样加载，直到使其然后保持此压力（围压）不变，对岩样加载，直到使其破坏。破坏。 可以进行三轴可以进行三轴压缩压缩试验，也可以进行三轴试验，也可以进行三轴拉伸拉伸试验。试验。 常规三轴

57、试验常规三轴试验(a)液压作用下的压（拉）试液压作用下的压（拉）试验（常规三轴试验）验（常规三轴试验）12 = 3(b)用三个液缸的柱塞进行的用三个液缸的柱塞进行的三面压缩试验（真三轴试验）三面压缩试验（真三轴试验）12 3v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。增大。 v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，岩石破坏前呈现的也塑性越大呈现的也塑性越大。岩石从脆性向塑性转变的压力（围压）称为临界。岩石从脆性向塑性转变的压力（围压）称为临

58、界压力。不同的岩石，临界压力不同。压力。不同的岩石，临界压力不同。 一般规律：一般规律：研究岩石从脆性到塑性的转变点（或称临界压力）对深井钻井具有重要意义：研究岩石从脆性到塑性的转变点（或称临界压力）对深井钻井具有重要意义： 脆性破坏和塑性破坏是两种具有本质差别的破坏形式，需分别用脆性破坏和塑性破坏是两种具有本质差别的破坏形式，需分别用不同的破碎工不同的破碎工具具（如不同结构的钻头类型），采用（如不同结构的钻头类型），采用不同的破碎方式不同的破碎方式（冲击、压碎、挤压、剪切或（冲击、压碎、挤压、剪切或切削、磨削等），以及切削、磨削等），以及不同的破碎参数不同的破碎参数（钻压、转速及水力参数等）

59、的组合。因此，（钻压、转速及水力参数等）的组合。因此，确定岩石的脆确定岩石的脆塑性转变的塑性转变的“临界压力临界压力”将为设计和合理选择使用钻头提供科学依将为设计和合理选择使用钻头提供科学依据。据。4.4.岩石的抗压入破碎强度（硬度）与塑性系数岩石的抗压入破碎强度（硬度）与塑性系数 岩石的硬度岩石的硬度是岩石抵抗其它物体表面压入或侵入的能力。是岩石抵抗其它物体表面压入或侵入的能力。硬度与抗压强度区别：硬度与抗压强度区别： 前者只是固体表面的前者只是固体表面的局部局部对另一物体压入或侵入时的阻力，而后者则是固体对另一物体压入或侵入时的阻力，而后者则是固体抵抗固体抵抗固体整体整体破坏时的阻力。破坏

60、时的阻力。前者反映岩石前者反映岩石颗粒的硬度颗粒的硬度，其对钻进过程中工具的磨损起重大影响；，其对钻进过程中工具的磨损起重大影响；后者反映岩石的后者反映岩石的组合硬度组合硬度，其对钻进时岩石破碎速度起重大影响。，其对钻进时岩石破碎速度起重大影响。测量岩石硬度的方法测量岩石硬度的方法 静压入法、冲击回弹法（摆球硬度）静压入法、冲击回弹法（摆球硬度）。 石油工业主要是利用石油工业主要是利用静压入静压入的方法测量岩石硬度（岩石的压入硬度是前苏联史立涅尔的方法测量岩石硬度（岩石的压入硬度是前苏联史立涅尔提出的，也称提出的，也称史氏硬度史氏硬度） 。石油钻井中，常用的硬度有两种：石油钻井中，常用的硬度有两种：史氏硬度和