第一章 钻井的工程地质条件.ppt

1、第一章钻探的工程地质条件，牙齿章节的主要内容是：地下各种压力的概念异常高压的原因地层破裂压力岩石的力学特性，第一节地下压力特性，第一节地下压力的各种概念(1)静压力(hydrostatic pressure)静压力是液体柱本身重力产生的压力。(1-1)格式中：静压；液体密度，液体柱的垂直高度，m；静压力梯度单位深度的液体柱压力称为静压力梯度(1-2)，(2)上覆岩层压力(Overburden pressure)，上覆岩层压力地层某处的上覆岩层压力是该地层(包括岩石基质和岩石孔中的流体)的总重力d地层垂直深度，m；地层的空隙度，%；岩石骨架密度、孔缝的流体密度、地层密度、地层密度的确定：密度测井

2、方法声波测井方法：上复岩层压力梯度中的复岩层压力随深度的增加，沉积岩平均密度约为2.5，上复岩层压力梯度一般为0.0227兆帕/米。在实际钻探过程中，以钻头为上覆岩层压力的基准。(c)“地层压力”(Formation pressure)，“地层压力”是指岩石缝隙中流体所具有的压力，也称为“地层孔压力”(Formation pore pressure)，用表示。正常地层压力等于地层流体的静水压。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称为异常高压。低于正常地层静态压力的地层压力称为异常低压。(4)岩床应力(Matrix stress)，上覆岩层压力由岩层中的基质颗粒

3、(骨架)和孔隙中的流体共同承担。岩石粒子徐璐接触并支撑的部分的复岩层压力称为岩应力。也称为有效的上覆岩层压力、骨架应力或粒子间压力，用表示。(5)地下各种压力关系，上覆岩层压力由岩层基质颗粒(骨架)和孔隙中的流体共同承担。因此，上覆岩层压力、地层压力、基岩应力有随着一定时间的推移变小和增加的关系。0，因此地层孔隙压力增加，基岩应力必然减少。地层沉降压实机：沉积物的压实过程是由上层重力引起的。随着地层的沉降，上覆沉积物反复增加，下伏岩层逐渐压缩。沉积速度慢的话，沉积层内的岩石颗粒有足够的时间重新紧密排列，孔隙减少，孔内多余的流体挤出。如果是“开放”的地质环境，突出的流体会沿着阻力小的方向或低压艰

4、苦奋斗的方向流动，从而形成正常的静压环境。David aser，Northern Exposure(美国电视电视剧)，open round)所以地层水从下往上爬，形成连续的正常静压系统。正常地层压力的形成在地层沉积过程中，随着上覆沉积物的增加，地层逐渐压缩，缝隙减少。如果地层可以渗透，连接，且地层内流体的流动不受限制(称为水力学开放系统)，则地层孔中流体将根据地层的压缩进行挤出，形成固定压力条件，形成正常压力地层。(6)异常地层压力的原因，异常低压和异常高压系统异常压力1，异常低压压力梯度小于0.00981(即正常地层压力梯度)异常低压的原因：(1)生产了很多年，但朋友们没有应激补充的枯竭的油

5、气层。(2)地下水水位很低。2，异常高压地层压力梯度大于地层流体静态压力梯度(0.009810.0105)时，称为异常高压。(1)异常高压形成的地质条件地层，在保存流体的孔地层周围有非渗透围栏，形成圆形。具有一定的卖场深度。(2)异常高压的原因是被地层不渗透的围栏包围，在流体被地层的孔隙空间包围不能自由流通的条件下(称为水力学封闭系统)，地层继续沉积，上覆岩层压力逐渐增大，被地层缝隙包围的流体无法逸出，必须承受一些上覆岩层重力。结果地层流体压力增大，地层未正常压缩，裂缝相对增大，岩石密度相对减小，基岩应力相对降低，称为不充分压缩作用。地质结构作用：地层上升，巨大应力挤压水热蒸压作用：温度上升，

6、流体膨胀渗透作用：盐浓度低的一侧向泥岩半透膜高侧渗透异常高压的大小异常高压一般不超过上覆岩层压力。但是也有超过上覆岩层压力的高压地层，复盖在高压层上的岩层的来历有助于上覆岩层压力，平衡地层流体巨大的向上作用力。第二，地层压力评价地层压力预测(钻孔前):地震资料法、测井资料法地层压力监测(钻孔中):指数法、页岩密度法、标准化钻孔速度法(1)地层压力预测地震法、声波时差法、页岩电阻率法1、声波时差法声波法格式中：岩石密度、电子岩石杨氏模量、岩石泊松比；对于一定岩石(泥页岩)，2、声波时差法可用于地层压力的基本原理(1)声波时差与页岩洞的关系(1-9) (2)正常沉积条件下页岩孔隙度与埋深的关系(1

7、-10)泥页岩可用于地面间隙，反之亦然正常沉积条件下页岩孔隙度与埋深的关系：页岩孔隙度，%；页岩的地面多孔，%；c是常数。d是井的深度。进入异常高压地层时，岩层不坚硬，孔间隙相对较大，声波时差相对较大，可以偏离正常压力趋势线。据此，可以预测异常高压，并根据偏差度大小量定量计算地层压力。3，地层压力计算常用方法：经验板，等效密度法，等效密度：深度地层压力等于轮廓柱压力的液体密度，4，地层压力预测阶段(1)声波时差测井数据采集，读取页岩点的声波时差数据，(2)绘制散点图正常压力趋势线(3)(4)在经验板中，读取相应的等效密度(5)计算地层压力。声波时差不仅与地层间隙有关，还受岩石弹性、地层流体特性

8、、钻井液性能、测井误差等因素的影响。，(b)地层压力监测(探测)指数法，西格玛格法，页岩密度法，标准化钻孔速度法1，指数法的概念宾汉姆钻孔速度模型(Bingham，1964) (1-13) d金志洙(泥页岩层)w钻头压力KN钻头直径，mm；在正常地层压力条件下，岩石和钻井条件不变，机器钻速随井深增加而下降，D指数随井深增加而增加。通过异常高压，地层未满，机器钻速增加，D指数相对减少，可以评价地层压力。直流金志洙Rehm砂岩：粒子0.11mm；石英长石角闪石辉石云母等矿物颗粒粘合剂。粗砂：0.51mm；中士：0 . 250 . 5mm；纺纱：0 . 10 . 25mm；粉砂岩：砂岩和泥岩之间的岩

9、石，粒子尺寸0 . 10 . 01毫米；泥岩：颗粒小于0.01毫米，主要成分为粘土矿物，含有部分碎屑物质(石英长石云母等)。(2)化学沉积岩母岩风化后的溶解物质经过化学沉积作用，形成结晶岩。碳酸盐岩石灰岩，主要成分是石灰石。白云岩，主要成分是白云石。硫酸盐岩软膏。岩盐石盐(NaCl)。沉积岩为60%，砂岩为30%，碳酸盐岩为第三位。3，沉积岩的结构特性(1)构造特性结构表示岩石的微观组织特性，包括矿物成分、粒子大小、形状和排列方法、粒子间连接等。特征：矿物成分不确定，粒子大小不等，粒子形状多样，粒子分布不均，连接强度强，弱。(2)结构特征结构指岩石的宏观组织特征，指岩石群的空间分布及其相互之间

10、的位置。层、页面、接头(裂缝)、多孔等。层状岩层堆积的现象。倾斜层状结构是沉积岩的主要结构特征。形成分层的原因：垂直变化的岩石成分纵向剖面上的粒子大小变化部分矿物颗粒的方向排列，(3)各向异性和非均匀各向异性物体的特性随方向的不同而不同，据说物体具有各向异性。岩石一般具有各向异性性质。岩石的力学特性(弹性、强度等)在垂直或平行于层内部的方向上有很大差异。岩石的各向异性性质由岩石的结构特征决定。结晶矿物的方向排列、分层、方便、节理等以岩石为各向异性特征。异质性如果物体中不同部分的物理，化学性质牙齿不同，那物体就称为不均匀。岩石一般是异质体。这是由于岩石成分、粒子大小、粒子之间的连接强度、孔间隙(

11、密度)等不均衡性造成的。测量岩石的力学性质时，各部位的实验结果总是有很大的差异，因此采用统计学理论以适当的平均值为代表。第二，岩石的力学特性(力学特性)1，几个茄子概念岩石的力学特性岩石受力后出现的变形特性和强度特性。弹性岩石是外力引起的变形，外力取消后变形消失，恢复原始形状和体积的特性称为弹性，其变形称为弹性变形。塑料岩石在外力作用下产生的变形，是外力收回后变形不能完全恢复的性质。其残余变形称为塑性变形。脆性岩石在外力作用下变形小(小于3%)，产生破坏性质。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。抗拉强度岩石简单地在抗拉应力破坏时，强度抗压强度岩石简单地在压缩应力破

12、坏时，强度剪切强度岩石简单地在剪切应力破坏时，强度弯曲强度岩石简单地在弯曲应力破坏时，强度、杨氏模量和泊松比钩定律应力、应变率；e杨氏模量剪应力，剪切变形；g剪切模量；泊松比，杨氏模量之间的关系，2，简单应力条件下的岩石力学特性简单应力条件：岩石受单个外部载荷(压力、拉力、剪切、弯曲)作用时。(1)实验方法，(2)一般规律在简单应力条件下，大部分岩石接近弹性脆性体，岩石的破坏表现为脆性破坏表现。与岩石的杨氏模量和承载的大小和应变类型有关，载荷小时弹性系数接近常数，各种应变条件下的杨氏模量差异不大。负载较大时，杨氏模量大小会随压缩时负载的增加而增加。拉伸时载荷增加时，杨氏模量大小减小。像声波一样

13、移动外力的作用，大部分岩石服从直钩的规律。一般来说，抗拉强度弯曲强度剪切强度是指垂直于地层方向的岩石强度与地层方向平行的岩石强度，3，复杂应力条件下的岩石力学特性，(1)三轴岩石实验，(2)一般规则，岩石在三轴应力条件下强度大幅度增加，岩石的强度随包围度的增加而增加。随着限制压力的增加，岩石从脆性转变为塑性，限制压力越大，岩石破坏前出现的塑性也越大。岩石从脆性变为塑性的压力(限制压力)称为临界压力。不同的岩石有不同的临界压力。在各向同性均匀压缩状态下岩石没有破坏。4，岩石的硬度和塑性系数硬度概念岩石抵抗压在其他物体表面的能力，石油工业的岩石硬度是按硬度的，也称为史氏硬度，是前苏联施里内尔提出的。硬度和抗压强度差异硬度是岩石表面局部抵抗外力的能力，抗压强度是整个岩石的抗压力能力。塑性系数是岩石塑性和脆性大小参数。硬度Py对脆性和塑料脆性岩石Mpa对塑料岩石Mpa p是破坏载荷Po弹性塑料载荷。3、影响岩石力学性质的因素分析1、岩石结构(1)大结晶岩、由高硬度矿物组成的岩石、玄武岩(倾斜长石、辉石、6)白云岩(4)石灰岩(5)等硬度也很高。(2)砂岩的强度随石英(7)含量的增加而增加。硅酸盐水泥钙铁泥。(3)同类岩缝增大，密度降低，强度降低。因此，岩石的强度通常随