第一章钻井的工程地质条件

本章主要内容：地下各种压力的概念异常高压的成因地层破裂压力岩石的力学特性第一章钻井的工程地质条件1一、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与液柱的垂直高度或深度。

ph=0.00981ρhl

(1-1)

式中：ph—静液压力，MPa；ρ—液体密度，g/cm3；

hl

—液柱垂直高度，m。静液压力梯度

—单位深度的液柱压力称为静液压力梯度。

Gh＝ph/hl＝0.00981ρ

（1-2）两类地层水：淡水：Gh=0.00981

MPa/m；ρ=1.0

g/cm3

盐水：Gh=0.0105

MPa/m；ρ=1.05

g/cm3

第一节地下压力特性2（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；

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；ρ0i—地层密度，g/cm3。（分段计算）3（二）上覆岩层压力（Overburdenpressure）地层密度的确定密度测井法声波测井法：

o=T

ma

-2.11*(T-T

ma)/(T

f+T)上覆岩层压力梯度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0.0227MPa/m。在实际钻井过程中，以钻台面作为上覆岩层压力的基准面。4（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—等于地层流体的静液压力，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(pp>ph)称为异常高压。低于正常地层静液压力的地层压力(pp<ph)称为异常低压。5（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σ表示。

6

（五）地下各种压力的关系7地层沉降压实的机理：

沉积物的压缩过程是由上覆沉积层的重力引起的。随着地层的沉降，上覆沉积物重复的增加，下覆岩层就逐渐被压实。如果沉积速度较慢，沉积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。8正常地层压力的形成：

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。形成正常压力地层。9（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）：地层压力梯度小于0.00981MPa／m（即正常地层压力梯度）。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。102．异常高压（abnormalhighpressure）：地层压力梯度大于地层流体的静液压力梯度（0.00981～0.0105MPa/m)。（1）形成异常高压的地质条件

①地层具有保存流体的空隙；

②地层周围存在不渗透围栅，构成圈闭；

③具有一定的埋藏深度。11（2）异常高压的成因

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。

12正常地层压力的形成异常高压的形成13（2）异常高压的成因

其它原因：①

高的供水源②地质构造作用：造成地层上升、巨大地应力的挤压③水热增压作用：温度升高，流体体积膨胀④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。14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、地层压力评价地层压力预测（钻前）：地震资料法：地震法（层速度）测井资料法：声波时差法；页岩电阻率法地层压力监测（钻进中）：dc指数法页岩密度法标准化钻速法16（一）地层压力预测1、声波时差法声波（纵波）在单位距离地层内的传播时间称为声波时差。

式中：Δt——声波时差；

ρ——岩层密度，ρ=f(φ)；

E——岩石的弹性模量；μ——岩石的泊松比。对于一定的岩性（泥页岩），Δt≈f(φ)。172、声波时差法检测地层压力的基本原理（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）18（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。正常沉积条件下，泥页岩的孔隙度随深度的变化规律为：

φ＝φ0e-kD

式中：φ—泥页岩的孔隙度，％；

φ0—泥页岩在地面的孔隙度％；

k—常数;D—井深，m。

进入异常高压地层时，由于岩层欠压实，孔隙度相对增大，声波时差相对增大，则必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。193、

地层压力的计算常用方法：经验图版法、当量深度法当量密度：某深度地层压力与等高液柱压力等效时相当的液体密度。当量密度g/cm3204、

地层压力预测步骤（1）收集声波时差测井资料，读取泥页岩点的声波时差数据；（2）绘制散点图，引出正常压力趋势线；（3）读出异常高压层段的实际△t和该深度D所对应的正常趋势线上的声波时差△tn，计算△t-△tn；（4）从经验图版上读出△t-△tn所对应的当量密度ρp;（5）计算地层压力：注意：声波时差不仅与地层孔隙度有关，而且受岩石弹性、地层流体性质、钻井液性能、测井误差等因素的影响，因此预测结果存在一定的误差。21（二）地层压力监测（检测）

dc指数法、SigmaLog

法（σ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)：Vpc＝Kne(W/db)d(1―13)d指数（泥页岩层）：

采用常用工程单位：（1－14）（1—15）式中：Vpc—机械钻速，m/h;

n—转速，r/min;

W—钻压，kN;db—钻头直径，mm22

1、dc指数的概念

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。（1—15）231、dc指数的概念dc指数

Rehm&Meclendon(1971)研究了钻井液密度变化对d指数的影响规律（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。（1—16）式中：ρn—地层水密度;ρd—钻井液密度

242、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。dc253、地层压力的计算方法

经验图版法、经验公式法、当量（等效）深度法（1）经验公式法

（1—17）式中：ρp—地层压力当量密度，g/cm3;

ρn—地层水密度，g/cm3;

dcn—所求井深处，正常趋势线上的dc

dca—所求井深处，实际的dc

26（2）等效深度法

等效深度：若深度为D的异常压力地层与正常压力段的某一深度De处的地层具有相等的dc指数，则可以认为两处地层的压实程度相同，基岩应力相等。即：若dc(D)=dc(De)，则σ(D)=σ(De)。

De处：po(De)=σ(De)+pp(De)

D处：po(D)=σ(De)+pp(D)井深D处的地层压力为：

pp(D)=po(D)－po(De)+pp(De)

=GOD－（GO－Gpn)DeDe式中：Gpn—等效深度De处的正常地层压力梯度，MPa/m。27

4、dc指数法评价地层压力的步骤（1）收集泥页岩地层的正常压力和异常压力层段的钻井资料：

钻速、钻压、转速、钻头直径、地层水密度、实际钻井液密度；（2）计算dc指数；（3）在半对数坐标中绘制散点图，求出正常dc趋势线；（4）计算地层压力De28

问题：

1）水力参数、地层岩性、钻头类型等因素的变化都会引起机械钻速的变化，从而导致dc指数的变化。因此，dc指数法评价地层压力存在较大误差。

2）声波法和dc指数法只适用于泥页岩地层（砂泥岩剖面）。对于碳酸岩地层，目前尚无合适的方法。29σ1σ1σ3σ3σ2σ2ph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）

σ1=po－pp有效水平地应力（1-19）30

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。phσ3σ3σ2σ2pppp裂缝张开方向地层开裂条件

Ph>pp+σ3σ3<σ2<σ131应力状态分析323、预测方法（1）Hubbert&Willis（1957）

认为：①三维不均匀应力状态，σ1＞σ2＞σ3，σ3=(1/3~1/2)σ1②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：①水平均匀地应力状态，σ3=σ2=Ki(D)σ1

②

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）33（3）Eaton(1969)

认为：①水平均匀地应力状态

②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。（1-23）（1-24）问题：以上方法均未考虑地层的抗拉强度和地质构造应力对破裂压力的影响。34（4）黄荣樽（1985）

认为：①井壁岩石处于三维不均匀应力状态，σ1

＞σ2＞σ3

；②

水平地应力由上覆岩层压力和构造力两部分产生；③

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。式中：α，β由现场压裂实验数据求得；St岩心抗拉试验求得。354.现场液压试验

步骤：下套管固井侯凝后，钻4-5m新井眼；上提钻头至套管鞋内；关闭防喷器（闸板）和节流阀；缓慢启动泵，小排量（0.66-1.32L/s)向井内注入钻井液；记录注入量和立管压力并随时绘制二者关系曲线；当立压开始下降并趋于平缓后，停泵；求出地层的破裂压力。3637一、地下各种压力的概念

1.静液压力：ph=0.00981ρhl

2.上覆岩层压力的概念；

3.基岩应力；

4.地层压力

正常地层压力：水力学开启系统

异常高压：水力学封闭系统

5、异常低压和异常高压的成因；二、地层压力评价方法

1.地层压力预测方法——声波时差法

2.地层压力监测（检测）方法——dc指数法本节小结:38思考题：1、在正常压力地层，声波时差和dc指数随井深变化的规律是什么？2、利用声波时差和dc指数为什么能够预测或监测异常高压地层？3、为什么现场一般在下套管固井后进行压裂实验？4、如何根据压裂试验曲线计算地层破裂压力pf和构造应力系数Kss？5、液压试验时，如果井口压力接近地面设备的承压能力时地层仍未压裂，此时该怎么办？39第二节岩石的工程力学性质一、岩石的类型及结构特点

1、岩石的组成

岩石

是矿物颗粒的集合体，颗粒之间或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）。

402、岩石的类型：三大类火成岩（岩浆岩）—由岩浆（硅酸盐）容体冷凝而成。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。

41沉积岩类型(1)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。碎屑颗粒（岩石碎屑、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1mm。主要是火成岩、变质岩碎屑，碎屑间由胶结物充填。砂岩：颗粒0.1~1mm。石英、长石、辉石、角闪石、云母等矿物颗粒+胶结物粉砂岩：介于砂岩和泥岩之间的一类岩石，颗粒尺寸0.1~0.01mm。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）。巨砾：＞1m；粗砾：100~1000mm；中砾：10~100mm；细砾：1~10mm粗砂：0.5~1mm；中砂：0.25~0.5mm；细砂：0.1~0.25mm42

(2)化学沉积岩（结晶沉积）

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（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3位。

433、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。44

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：

①颗粒大小在纵向上的变化

②岩石成分在纵向剖面上的变化

③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45(3）各向异性和非均质性如果物体的某一性质随方向的不同而不同，则称物体具有各向异性。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。46不均质性：如果物体中不同部分的物理、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。47二、岩石的机械性质（力学性质）

1、几个概念

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。48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。（P25）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。岩石强度的大小取决于岩石的内聚力和岩石颗粒间的内摩擦力。49

弹性模量和泊松比虎克定律：泊松比：弹性系数之间的关系：σ—应力；ε—应变；E—弹性模量τ—应力；γ—剪应变；G—剪切弹性模量（各向同性材料）50

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

抗压试验抗拉试验-巴西实验51抗剪试验抗弯试验52破坏方式53（2）一般规律（P26）：①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。②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。③在动外力（如声波）作用下，大多数岩石服从直线虎克定律。④一般情况下，抗拉强度＜抗弯强度≤抗剪强度＜抗压强度。⑤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。543、复杂应力条件下岩石的力学性质

(1)三轴岩石试验（P28）

σ1σ2=σ3σ1σ1σ1σ2σ3

σ2=σ3σ2σ3（a):常规三轴实验 （b)：三面压缩（三液缸、真三维）（c):液压作用下的压扭

（d)：液压作用下两面柱塞压缩55常规三轴试验：56（2）一般规律（P28-29）

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。在各向均匀压缩状态下，岩石永远不会破坏。σ3=0σ3=23.5σ3=50σ3=85σ3=165σ3=326XXXXσ3=0σ3=27.5σ3=55.5σ3=155σ3=217.5σ1－σ3，MPaσ1－σ3，MPa57

4、岩石的硬度和塑性系数（P33、P29）硬度的概念：岩石抵抗其它物体表面压入的能力。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外力压入的能力，抗压强度则是岩石整体抗压的能力。塑性系数：表征岩石塑性和脆性大小的参数。58

岩石硬度试验装置

771—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压入硬度和塑性系数的测定方法——压入试验59岩石硬度和塑性系数的计算（P31）：塑性系数:脆性塑脆性塑性60岩石按塑性系数分类（3类、6级）61硬度Py

（

P33）：MPa对脆性和塑脆性岩石：MPa对塑性岩石：岩石按硬度的分类（6类、12级）P——破坏载荷；P0——弹性变形载荷62三、影响岩石力学性质的因素分析1、岩石结构（P25)（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，6）＞白云岩（4）＞石灰岩（3）。（2）砂岩的强度随着石英（7）含量的增加而增大；

硅质胶结＞钙质＞铁质＞泥质。（3）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度的增加而增大。2、井底各种压力（P35-36）（1）有效应力（外压与内压之差）越大，岩石强度越大，塑性越大。