一钻井工程地质条件

第一章钻井的工程地质条件

第一节地下压力特性（二）上覆岩层压力（Oveburdenpressur）地层某处的上覆岩层压力是该处以上地层岩石基质和岩石孔隙中流体总重力所产生的压力，用p0表示。

式中：p0—

上覆岩层压力，MPa；

H—

地层垂直深度,m；

φ—

岩石孔隙度，%；

ρma—

岩石骨架密度，g/cm3；

ρ—

孔隙中流体密度，g/cm3。第1页/共52页第一页，共53页。第一章钻井的工程地质条件

第一节地下压力特性

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0.0227兆帕/米。

式中：G0—

上覆岩层压力梯度，Mpa/m；

poi—

第i层段的上覆岩层压力，MPa；

Hi

—

第i层段的厚度，m。

ρoi—

第i层段的平均密度，g/cm3。上式计算的是上覆岩层压力梯度的平均值。第2页/共52页第二页，共53页。第一章钻井的工程地质条件

第一节地下压力特性（三）地层压力（formationpressue）地层压力是指岩石孔隙中的流体所具有的压力，也称地层孔隙压力（formationporepressue），用pp表示。石钻

异常地层压力地层压力大于或小于正常地层压力。超过正常地层静液压力的地层压力(pp>ph)称为异常高压。而低于正常地层静液压力的地层压力(pp<ph)称为异常低压。第3页/共52页第三页，共53页。第一章钻井的工程地质条件

第一节地下压力特性（四）基岩应力（matrixstress）基岩应力是岩石颗粒间相互接触支撑的那一部分上覆岩层压力，亦称有效上覆岩层压力、骨架应力或颗粒间压力。上覆岩层压力、地层压力和基岩应力之间的关系是：

第4页/共52页第四页，共53页。第5页/共52页第五页，共53页。第一章钻井的工程地质条件

Po

、Pp

和σ之间的关系可用下图表示第6页/共52页第六页，共53页。第一章钻井的工程地质条件

第一节地下压力特性（五）异常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9.81kPa／m（即正常地层压力梯度）的是异常低压。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。2．异常高压（abnormalhighpressure）压力梯度大于10.5千帕／米的是异常高压。异常高压的形成是多种因素综合作用的结果，这些因素与地质作用、构造作用和沉积速度有关。目前人们公认的成因有：第7页/共52页第七页，共53页。第一章钻井的工程地质条件

第一节地下压力特性异常高压的成因

（1）沉积物的快速沉降，压实不均匀。从沉降压实的原理来看，在正常压实的地层，随着深度的增加，岩石越致密，密度越大，孔隙度越小，强度越高。欠压实地层的岩石密度低，孔隙度大。（2）水热增压。（3）渗透作用。（4）构造作用。异常高压必然是一个被圈闭的密封系统，即它的顶部是一个致密的盖层。这个盖层阻碍了流体的散逸，导致欠压实和异常高压。第8页/共52页第八页，共53页。地层沉降压实的机理

地层的压缩过程是由上覆沉积层的重力引起的。随着上覆沉积物不断地增加，下覆岩层就逐渐被压实。如果沉积物沉积速度较慢，地层内的岩石颗粒就有足够的时间重新紧密地排列，并使孔隙度减小，孔隙中的过剩流体被挤出.如果是“开放”的地质环境，被挤出的流体就沿着阻力小的方向，或向着低压高渗透的方向流动，于是便建立了正常的静液压力环境。地层水自上而下形成连续的正常的静液压力系统。地层压实能否保持平衡，主要取决于四个因素：（1）上覆岩层沉积速度的大小，（2）地层渗透率的大小，（3）孔隙减小的速度，（4）排出孔隙流体的能力。第9页/共52页第九页，共53页。第一章钻井的工程地质条件

第一节地下压力特性地层欠压实现象的形成

如果沉积物沉积速度很快，地层中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压实程度，即形成地层欠压实现象，从而导致地层异常高压。第10页/共52页第十页，共53页。异常高压第11页/共52页第十一页，共53页。第一章钻井的工程地质条件

第一节地下压力特性二、地层压力评价地层压力评价的方法可分为两类：预测和监测。用邻近井资料进行压力预测，建立地层压力剖面；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。

（一）地层压力预测常用的地层压力预测的方法有地震法、声波时差法和页岩电阻率法等。地震法一般是采用纵波勘探。纵波的传播速度取决于传播介质的密度ρ，密度ρ越大，传播速度Vp越快，否则传播速度越慢。第12页/共52页第十二页，共53页。第一章钻井的工程地质条件

第一节地下压力特性依据是地层压实理论或地层欠压实理论正常压力地层： H↗→↗，↘→VP↗；异常高压层：由于地层欠压实，↗，↘→VP↘。声波时差法：声波在地层中传播的快慢常以通过单位距离所用的时间来衡量。即（1-6）式中：T—

声波在单位距离内的传播时间；

ρ—

岩石的密度；

μ—

岩石的泊松比；

E—

岩石的弹性模量。第13页/共52页第十三页，共53页。第一章钻井的工程地质条件

第一节地下压力特性声波在地层中传播的快慢与岩石的密度和弹性系数等有关，而岩石的密度和弹性系数又取决于岩石的性质、结构、孔隙度和埋藏深度。根据声波时差的数据，可在半对数坐标纸上绘出曲线，依据是地层压实理论或地层欠压实理论正常压力地层： H↗→↗，↘→VP↗→Δt↘；异常高压层：地层欠压实，↗，↘→VP↘→Δt↗。第14页/共52页第十四页，共53页。第一章钻井的工程地质条件

第一节地下压力特性（二）地层压力监测常用的地层压力监测的方法是dc指数法。dc指数法实质上是在机械钻速法基础上发展起来的。机械钻速法：利用泥页岩压实规律和井底的泥浆柱压力与地层压力之差，对机械钻速的影响的理论来检测地层压力的。钻遇异常高压地层：岩石孔隙度突然增大，孔隙压力突然增加，压差减小，机械钻速突然加快

压持效应：在在钻进过程中，井内始终存在压差，在该压差作用下，井底岩屑难以离开井底，造成钻头重复破碎的现象。第15页/共52页第十五页，共53页。第一章钻井的工程地质条件

第一节地下压力特性d指数法是在宾汉钻速方程的基础上建立的。宾汉在不考虑水力因素的影响下提出的钻速方程为：

Vpc＝Kne(W/db)d(1―13)式中：Vpc

—

机械钻速；K—

岩石可钻性系数；

n—

转速；e—

转速指数，取e＝1；

W—

钻压；db

—

钻头直径；d—

钻压指数。假设钻井条件和岩性不变，即K=1，e=1，则方程（1-13）被简化为：

Vpc＝n(W/db)d(1―14)对上式两边取对数，并整理后得：

(1—15)第16页/共52页第十六页，共53页。第一章钻井的工程地质条件

第一节地下压力特性若采用常用公制单位，上式变为

(1-16)式中：Vpc

—

机械钻速，m/h；

n—

转速，r/min；

W—

钻压，kN；

db

—

钻头直径,mm；

d—

钻压指数,无因次。第17页/共52页第十七页，共53页。第一章钻井的工程地质条件

第一节地下压力特性d指数与机械钻速也成反比，所以d指数与压差的大小有关，因此d指数可用来检测异常高压。在正常地层压力，机械钻速随井深增加而减小，d指数随井深增加而增大。进入压力过渡带和异常高压地层后，实际的d指数较正常基线偏小。d指数法的前提之一是保持泥浆密度不变，为消除钻井液密度的变化对d指数的影响，提出了修正的d指数法，即dc指数法。dc指数法

（1-17）式中：dc

—

修正的d指数；

ρn—

正常地层压力当量密度（即地层水的密度），g/cm3；

ρd

—

实际钻井液密度，g/cm3

。根据dc指数法计算地层压力的方法有两种：直接计算和等效深度法计算。第18页/共52页第十八页，共53页。直接计算法：(1)在高压层顶部以上至少300米的纯泥页岩井段，按一定深度间隔取点记录每点所对应的钻速、钻压、转速、钻头直径、地层水密度和实际泥浆密度等六项参数。(2)根据记录的数据计算d指数和dc指数。(3)在半对数坐标纸上一一作出dc指数和相应的井深所确定的点。(4)根据正常地层压力井段的数据引dc指数的正常趋势线，图1-5。(5)计算地层压力。根据dc指数的偏离值计算相应的地层压力的公式是（1-18）ρp

、ρn

—

分别为所求井深处的地层压力当量密度和正常地层压力当量密度，g/cm3

；dcn、dca

—

所求井深处的正常dc指数值和实测dc指数值。第19页/共52页第十九页，共53页。第一章钻井的工程地质条件

第一节地下压力特性等效深度法求地层压力：dc指数反映了泥页岩的压实程度，若地层具有相等的dc指数，则可视其骨架应力相等用等效深度法求地层压力的公式是

pp＝GoD-(Go-Gpm)De(1-19)pp

—

所求深度处的地层压力，MPa；

Go

—

上覆岩层压力梯度，MPa/m；

D—

所求地层压力点的深度，m；

Gpn—

等效深度处的正常地层压力梯度，MPa/m；

De

—

等效深度，m。

图1-6dc指数的等效深度12第20页/共52页第二十页，共53页。第一章钻井的工程地质条件

第一节地下压力特性dc指数值的发散现象，其原因主要有以下几个方面(1)岩性变化：dc指数取决于基岩强度，岩性不同，骨架强度也不同。在岩性发生变化的地层，dc指数的规律也将发生变化，例如砂、页岩交错的地层。

(2)水力参数：水力参数发生大的变化时，射流对地层的破碎作用不同，dc指数的规律也将发生变化。(3)钻头类型：钻头类型不同，其破岩机理不同。所以钻头类型的变化会引起正常趋势线的移动。另外，在纠斜吊打、用刮刀钻头和取芯钻头钻进，钻头的跑合期和磨损的后期、井底不干净、钻遇断层裂缝等特殊钻进情况下都不宜取点计算dc指数值。第21页/共52页第二十一页，共53页。第一章钻井的工程地质条件

第一节地下压力特性三、地层破裂压力（formationfracturepressure）在井下一定深度处裸露的地层，承受流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，这个液体压力称为地层破裂压力（一）休伯特和威利斯(Hubbert&Willis)法地下应力状态是以三维不均匀主应力状态为特征的，且三个主应力互相垂直。最大主应力为垂直方向，大小等于基岩应力，最小主应力和中间主应力在水平方向上互相垂直。最小主应力的大小等于最大主应力的1/3～1/2。地层破裂条件：

pf＝pp+σ3＝pp+（1/3—1/2）σ1(1-20)第22页/共52页第二十二页，共53页。第一章钻井的工程地质条件

第一节地下压力特性而σ1＝po-pp

故pf＝pp+（1/3～1/2）(po-pp)(1-21)

根据式（1-20）可求得地层破裂压力梯度：

(1-22)式中：Gf

—

井深H处的地层破裂压力梯度，兆帕／米；

pf

—

井深H处的地层破裂压力，兆帕；

pp

—

井深H处的地层压力，兆帕；

po

—

井深H处的上覆岩层压力，兆帕；

H—

井深，米。第23页/共52页第二十三页，共53页。

（二）马修斯和凯利（Mathews&Kelly）法选择最小破裂压力等于地层压力，最大破裂压力等于上覆岩层压力。如果实际破裂压力大于地层压力，则认为是由于克服骨架应力所致。骨架应力的大小与地层压实程度有关引入骨架应力系数根据地层破裂压力与地层压力和骨架应力之间的关系，有（1-23）式中：Ki

—

骨架应力系数，无因次；σh—水平应力，MPa；

σ—

骨架应力（垂直应力），MPa。Ki是井深的函数，与岩性有关，通常泥质含量高的砂岩比一般砂岩的应力系数要高。在正常地层压力情况下，Ki随井深增加而增加。如遇异常高压，地层的压实程度降低，地层压力增大，则Ki减小。第24页/共52页第二十四页，共53页。第一章钻井的工程地质条件

第一节地下压力特性（三）伊顿（Eaton）法把上覆岩层压力梯度作为一个变量来考虑，一般来说，横向应变和纵向应变之间的比值被定义为泊松比。然而伊顿的泊松比不是作为岩石本身特性的函数，而是作为区域应力场的函数来考虑。伊顿的泊松比即为水平应力与垂直应力之比值.水平应力和垂直应力之间的关系，即（1-24）将上式引入地层破裂压力梯度计算公式（1-23），即（1-25）μ—

岩石的泊松比。第25页/共52页第二十五页，共53页。第一章钻井的工程地质条件

第一节地下压力特性（四）计算地层破裂压力的新方法（1-26）式中：K—

构造应力系数，无因次；

St—

岩石的抗拉强度，兆帕。新模式与前述三个模式相比有两个显著特点：(1)地应力一般是不均匀的，模式中包括了三个主应力的影响。(2)地层的破裂是由井壁上的应力状态决定的。深部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抗拉强度。岩石抗张强度St是利用钻取的地下岩心在室内采用巴西实验求得的。构造应力系数K对不同的地质构造是不同的，但它在同一构造断块内部是一个常数，且不随深度变化。第26页/共52页第二十六页，共53页。第一章钻井的工程地质条件

第一节地下压力特性（五）破裂压力的液压实验液压实验法也称漏失试验，液压实验法的步骤如下：(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0.66～1.32L/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，如教材中图1-8所示。(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Pr，压力升到最大值；传播压力Prro，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ρfρf＝ρm＋pL/(0.00981H)(1-27)ρm—

试验用泥浆密度，g/cm3；H—

试验井深，m。第27页/共52页第二十七页，共53页。第一章钻井的工程地质条件

第一节地下压力特性注意：（1）计算地层破裂压力时，以漏失压力为准；（2）计算深度H是指套管下入深度，而不是井深；（3）破裂处地层承受的压力应该等于表现在立管上的压力与井内液柱形成的压力之和。PRro图1-8液压试验曲线第28页/共52页第二十八页，共53页。第一章钻井的工程地质条件

第二节岩石的工程力学性质一、岩石的机械性质（一）沉积岩（sedimentaryrock）沉积岩是地壳表层在常温常压下的破碎物经搬运、沉积、压实形成的岩石。常见的沉积岩石有：石灰岩、泥页岩、砂岩等。组成岩石的主要元素有八种，氧（46.7%）、硅（27.7%）、铝（8.1%）、铁（5.0%）、钙（3.6%）、钠（2.8%）、钾（2.6%）、镁（2.1%）、共占地壳成分的98.6%。沉积岩可分为结晶沉积岩和碎屑沉积岩两大类。结晶沉积岩是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的，包括石灰岩、白云岩、石膏等。碎屑沉积岩则是由岩石碎屑经沉积、压缩及流经沉积物的溶液中沉淀出的胶结物的胶结作用而形成的，包括砂岩、泥岩、砾岩等，胶结物通常有硅质、石灰质、铁质和泥质几种。第29页/共52页第二十九页，共53页。第一章钻井的工程地质条件

第二节岩石的工程力学性质岩石的构造是指岩石在大范围内的结构特征，沉积岩：层理和片理。层理是指沉积岩在垂直方向上岩石成分和结构的变化。它主要表现为不同成份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，某些岩石颗粒按一定方向的定向排列等。片理是指岩石沿平行平面分裂为薄片的能力，它与岩石的显微结构有关。(二)岩石的弹性（elasticityofrock）物体在外力作用下产生变形，外力撤除以后，变形随之消失，物体恢复到原来的形状和体积的性质称为弹性变形。当外力撤除后，变形不能消失的称为塑性变形。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：

σ=E(1-28)式中：σ——应力；

——应变；E——弹性模量。第30页/共52页第三十页，共53页。第一章钻井的工程地质条件

第二节岩石的工程力学性质如果材料是各向同性的，则有：物体在弹性变形阶段，剪切变形同样也服从虎克定律，即

τ=Gγ(1-30)式中：τ——剪应力；

γ——剪应变；

G——切变模量(或剪切弹性模量)。对于同一材料，三个弹性常数E、G和μ之间有如下的关系：第31页/共52页第三十一页，共53页。

(三)岩石的强度（strengthofrock）1.岩石强度的概念是岩石在一定条件下抵抗外力破坏的能力。岩石强度的大小取决于岩石的内聚力（矿物颗粒与胶结物之间的连接力）和岩石颗粒间的内摩擦力（颗粒之间的原始接触状态即将破坏而要产生位移时的摩擦阻力）。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，松散岩石的强度主要取决于内摩擦力。影响岩石强度的因素：岩石本身特性（内因）和破碎时的工艺技术因素（外因）。内因：岩石的矿物成分，胶结物的成分和比例（沉积岩）；矿物颗粒的尺寸；岩石的密度和孔隙度。岩石的强度一般情况下随着埋藏深度的增加而增加。外因：岩石的受载方式；岩石的应力状态，外载作用的速度，液体介质性质等。第32页/共52页第三十二页，共53页。

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指岩石在单一的外载作用下的强度，包括单轴抗压强度、单轴抗拉强度、抗剪强度及抗弯强度。表1-4岩石的抗压、抗拉、抗剪和抗弯强度第33页/共52页第三十三页，共53页。第一章钻井的工程地质条件

第二节岩石的工程力学性质一般说来，岩石的强度有以下顺序关系：

抗拉<抗弯≤抗剪<抗压表1－5岩石各种强度间的比例关系3.复杂应力条件下岩石的强度(1)三轴岩石试验方法三轴应力试验是在复杂应力状态下定量测试岩石机械性质的可靠方法。是在岩石样品的三个方向上分别施加应力进行测试。图1-9A表示了四种三轴试验的方案，其中a是最常见的一种，称为常规三轴实验。施力方案是12=3=p第34页/共52页第三十四页，共53页。

图1-9A三轴岩石实验方法通常在岩石样品的一个方向上施加一个最大应力，是最大主应力，在与之垂直的两个方向上用液压施加应力，称谓围压（见图1-9B）图1-9B常规三轴实验第35页/共52页第三十五页，共53页。第一章钻井的工程地质条件

第二节岩石的工程力学性质(2)三轴应力条件下岩石的强度变化特点岩石在三轴应力条件下的强度明显增加。不同岩石，随着围压增加幅度不同；同一种岩石，围压对强度的影响程度并不是在所有压力范围内都是一样的，开始时，岩石的强度增加比较明显，再继续增加围压时，相应的强度增量就变得越来越小，最后当压力很高时，有些岩石(例如石灰岩)的强度便趋于常量。第36页/共52页第三十六页，共53页。第一章钻井的工程地质条件

第二节岩石的工程力学性质其原因：岩石不同于钢铁材料，其内部存在着大量的微裂纹、裂隙，在围压的作用下，裂纹、裂隙闭和，岩石变得致密，强度增加。裂纹、裂隙全部闭和后，岩石强度基本稳定；另外，围压会限制岩石的横向变形。Ⅰ—OilCreak石英砂岩，Ⅱ—Hasmark白云岩

Ⅲ—Blain硬石膏，Ⅳ—Yule大理岩

Ⅴ—Barns砂岩及Marianna石灰岩（曲线重合）

Ⅵ—Muddy页岩，Ⅶ—盐岩第37页/共52页第三十七页，共53页。

(四)岩石的硬度（formationhardness）岩石的硬度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：硬度只是固体表面的局部对另一物体压入或侵入时的阻力，抗压强度则是固体抵抗固体整体破坏时的阻力。岩石硬度的测量：莫氏硬度和岩石的压入硬度1.莫氏硬度（Mohsscale）岩石或其它材料的相对硬度。2.岩石的压入硬度岩石的压入硬度是苏联的史立涅尔提出的，也称史氏硬度。要求：（1）岩样的长度为30～50mm，直径40～50mm，两端面光滑且相互平行；第38页/共52页第三十八页，共53页。

（2）压头用高强度钢或硬质合金制成。压头有平底圆柱形和截锥形两种。对于致密均质岩石，采用1～2mm2的压头；颗粒大于0.5mm且硬度不高的岩石宜使用3mm2的压头；多孔低强度岩石用5mm2的压头。硬度小于25千巴的岩石，多采用平底圆柱形高强度钢压头；硬度大于25～30千巴的岩石，多采用平底圆柱形硬质合金钢压头；硬度大于40～50千巴的岩石，多采用截锥形硬质合金钢压头；第39页/共52页第三十九页，共53页。

1—液缸缸体；2—液缸柱塞；3--岩样；4—压头5—压力机上压板；6—千分表；7—柱塞导向杆图1-12岩石硬度实验装置

6777第40页/共52页第四十页，共53页。第一章钻井的工程地质条件

第二节岩石的工程力学性质脆性和脆塑性岩石的硬度为：式中：P——产生脆性破碎时压头上的载荷(牛顿)；

S——压头的底面积(毫米2)；对塑性岩石，取产生屈服(即从弹性变形开始向塑性变形转化)时的载荷P0代替P，即：表1-9岩石按硬度的分类第41页/共52页第四十一页，共53页。第一章钻井的工程地质条件

第二节岩石的工程力学性质（五）岩石的脆性和塑性

可把岩石分为脆性岩石（brittlerock）、塑性岩石（plasticrock）和塑脆性岩石（brittle-plasticrock）三大类。

在外力作用下，岩石只改变其形状和大小而不破坏自身的连续性，这种情况称为塑性的；岩石在外力作用下，直至破碎而无明显的形状改变，这种情况称为脆性的；介乎于两者之间的是脆塑性岩石。第42页/共52页第四十二页，共53页。第一章钻井的工程地质条件

第二节岩石的工程力学性质用岩石的塑性系数KP作为定量表征岩石塑性及脆性大小的参数。塑性系数为岩石破碎前耗费的总功AF与岩石破碎前弹性变形功AE的比值。对于塑脆性岩石：（1-33）脆性系数K=1；塑性岩石，KP=∞。表1-7岩石按塑性系数的分类第43页/共52页第四十三页，共53页。

在三轴应力条件下，岩石机械性质的一个显著变化的特点就是随着围压的增大，岩石表现出从脆性向塑性的转变，并且围压越大，岩石破坏前所呈现的塑性也越大。表1-8岩石在围压下的塑性变形第一章钻井的工程地质条件

第二节岩石的工程力学性质第44页/共52页第四十四页，共53页。

二、井底压力条件下岩石的机械性质及其影响因素(一)井眼周围地层岩石的受力井眼周围地层岩石受力包括上覆岩层压力、岩石内孔隙流体的压力和水平地应力和钻井液液柱压力。水平地应力一部分来源于上覆岩层压力另一部分水平地应力来源于地质构造力，它在水平的两个主方向上一般是不相等的，但却都随埋藏深度而线性增大。第45页/共52页第四十五页，共53页。

某深处两个水平主地应力方向上的有效水平向主地应力可以表示为式中：α、β——分别为1和2两个水平主方向的构造力系数，且α>β。

σ1、σ