1-钻井的工程地质条件

1、0,第一章 钻井工程地质条件,1,知识回顾,钻井定义、目的,油气井类型,钻井技术发展,钻井总体过程,2,知识回顾,3,本章主要内容,岩石分类与结构 岩石工程力学性质 地下压力特性 井底压力条件下岩石的力学性质及其影响,4,1、岩石的组成 2、岩石的分类及结构 3、沉积岩的特点,第一节 岩石分类及结构,本节主要内容：,5,第一节 岩石分类及结构,1、岩石的组成 岩石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

2、以上元素组成的化合物。,6,主要造岩矿物一览表,7,主要造岩矿物一览表,9,2、岩石的分类及结构,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、橄榄岩等。,岩石可分为三大类：,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、盐岩、页岩。,第一节 岩石分类及结构,第一节 岩石分类及结构,2、岩石的分类及结构,岩石的结构是指岩石中矿物（及岩屑）颗粒相互之间的关系，包括颗粒的大小

3、、形状、排列、结构联结特点及岩石中的微结构面（即内部缺陷）。,微结构面：又称缺陷，是指存在于矿物颗粒内部或矿物颗粒及矿物集合体 之间微小的弱面及空隙。,结构联结及微结构面对岩石工程性质影响最大。,11,(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）。,(3)、同种岩石孔隙度增大，密度降低，强度降低。 岩石的强度一般随埋藏深度的增加而增大。,(2)、砂岩的强度随着石英（7）含量的增加而增大； 硅质胶结铁质胶结石灰质胶结粘土质胶结。,第一节 岩石分类及结构,2、岩石的分类及结构,12,由岩石碎屑经沉积、压缩及流经沉积物的溶液中沉

4、淀出的胶结物的胶结作用而形成。胶结物有硅质、铁质、石灰质、粘土质几种。,在矿物相同的情况下，胶结物的强度越高岩石强度越高。通常，硅质胶结铁质胶结石灰质胶结粘土质胶结。,(1)、碎屑沉积岩,第一节 岩石分类及结构,3、沉积岩的特点,13,粉砂岩：介于砂岩和泥岩之间的一类岩石，颗粒尺寸0.10.01mm。,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）。,砂岩：颗粒0.11mm。石英、长石、辉石、角闪石、云母等矿物颗粒+胶结物,粗砂：0.51mm；中砂：0.250.5mm；细砂：0.10.25mm,(1)、碎屑沉积岩,3、沉积岩的特点,14,硫酸盐岩石膏

5、（CaSO4） 盐 岩食盐（NaCl）,(2)、结晶沉积岩,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）,在沉积岩中：泥岩-60%，砂岩-30%，碳酸盐岩居第三位。,3、沉积岩的特点,15,3、沉积岩的特点,（1）结构特点 （2）构造特点 （3）各向异性和非均质性,16,3、沉积岩的特点,（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。,（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

6、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。,17, 某些矿物颗粒的定向排列,3、沉积岩的特点,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： 成分相同时颗粒大小在纵向上的变化, 岩石成分在纵向剖面上的变化,为不同时期沉积环境变化所制。,18,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。,19,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。,(3）各向异性和非均质性,各向异性：,如果物体的某

7、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。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。,3、沉积岩的特点,20,非均质性：,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。,如果物体中不同部分的物理、化学性质不同，称该物体是非均质的。,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。,(3）各向异性和非均质性,3、沉积岩的特点,21,第二节 岩石工程力学性质,22,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

8、复的性质。相应的残余变形称为塑性变形。,一、岩石的机械性质（力学性质）,1、岩石变形特征,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。,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。,23,虎克定律：,弹性系数之间的关系：,应力；应变；E弹性模量,应力； 剪应变；G剪切弹性模量,弹性模量和泊松比:,（各向异性材料）,24,强度：岩石在外力作用下发生破坏时的最大应力。,2、岩石强度特征,岩石强度的大小取决于岩石的内聚力和岩

9、石颗粒间的内摩擦力。 坚固岩石和塑性岩石的强度取决于岩石的内聚力和内摩擦力； 松散岩石的强度取决于内摩擦力。 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。,1）岩石强度的概念,25,2、岩石强度特征,26,抗压试验,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,2） 简单应力条件下岩石的力学性质,岩石单、三轴试验机,28,抗剪试验,抗弯试验,2） 简单应力条件下岩石的力学性质,29,破坏方式:,2） 简单应力条件下岩

10、石的力学性质,30, 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。 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。 在动外力（如声波）作用下，大多数岩石服从直线虎克定律。 一般情况下 抗拉强度抗弯强度抗剪强度抗压强度。 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。,2） 简单应力条件下岩石的力学性质,31,(1) 三轴岩石试验,3）复杂应力条件下岩石的力学性质,32,常规三轴试验,

11、1,1,压 缩,拉 伸,33,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。,3）复杂应力条件下岩石的力学性质一般规律,34,3、岩石的硬度和塑性系数,塑性系数:表征岩石塑性和脆性大小的参数。,硬度的概念(抗压入破碎强度) 岩石抵抗其它物体表面压入或侵入的能力。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

12、外力压入的能力； 抗压强度则是岩石整体抗压的能力。,35,压入硬度和塑性系数的测定方法压入试验,岩石硬度试验装置,7,7,1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,平底圆柱压头,36,岩石硬度和塑性系数的计算,塑性系数:,塑性系数:表征岩石塑性和脆性大小的参数。,37,岩石按塑性系数分类（3类、6级）,38,硬度Py:,选择钻头的主要依据之一,岩石按硬度的分类（6类、12级）,39,4、岩石的研磨性和可钻性,岩石磨损钻头切削刃材料的能力称为岩石的研磨性。,1）岩石研磨性（ Rock Abrasiveness）,通常是用切削具磨损的体积与所消耗的摩

13、擦功之比来表示研磨性的大小， 其衡量的单位是,摩擦功可表示为：,其中： W产生磨损的摩擦功，J； 两个物体相对移动的距离，m。 动摩擦系数； P 岩石的局部抗压人强度，Pa； S 岩石接触的摩擦面积， 。,4、岩石的研磨性和可钻性,影响岩石研磨性的因素,1）自然因素 影响岩石研磨性的自然因素主要是岩石的硬度、组成岩石矿物颗粒的大小和形状， 以及岩石的裂隙和孔隙度等。,2）技术因素,也就是影响动摩擦系数的各种技术因素: 压力、相对运动速度、介质、温度。,研磨性详细分级,41,2）岩石可钻性(Rock Drillability）,(1)、概念 岩石可钻性可理解为岩石破碎的难易性，它反映了是岩石抵抗

14、钻头破碎的能力。,(2)、评价方法 在钻压889.7N（200磅）、转速55r/min的固定条件下，用直径31.75mm(11/4in)的微型钻头在岩心上钻孔，以钻进2.4mm孔深所需要的时间td作为岩石可钻性指标，由此把岩石分为易钻的和难钻的。 为应用方便，常用 Kd=Log2td 作为可钻性指标，称为可钻性级值。,2、岩石可钻性(Rock Drillability）,全自动岩石可钻性测试仪,43,(3)、可钻性分级,可钻性级值对照表,破碎比功法对可钻性分级,第三节 地下压力特性,45,本节主要内容:,地下各种压力的概念 异常高压的成因 地层压力评价方法,目的与要求：,掌握地下各种压力的概念

15、； 熟练掌握异常高压的成因； 深入理解地层压力的评价方法并熟练掌握。,重 点：,压力的概念及异常高压的成因； 地层压力的评价方法。,46,一、地下各种压力的基本概念,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 / hl0.00981,ph=0.00981hl 式中：ph静液压力，MPa； 液体密度,g/cm3； hl液柱垂直高度，m。,（一）静液压力（hydrostatic pressure）,静液压力-由液柱自身的重力所引起的压力。,当量密度：某深度压力值与等高液柱压力等效时相当的液体密度。,h1,47,（二）上覆岩层压力（Overburden pressure）,定义：

16、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。,p0 上覆岩层压力，MPa；D地层垂直深度,m； 岩石孔隙度，%；ma岩石骨架密度，g/cm3； 孔隙中流体密度，g/cm3；0地层密度，g/cm3。,（分段计算）,48,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，以钻台作为上覆岩层压力的基准面。,49,地层压力岩石孔隙中的流体所具有的压力，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

17、压力。 超过正常地层静液压力的地层压力(ppph)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。,（三）地层压力（formation pressure）,50,（四）基岩应力（ matrix stress ）,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，用表示。 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。,51,（五）地下各种压力的关系,po一定 减小，pp增大； 0，pp po； 地层孔隙压力增大，基岩应力必然减小。,MPa,m,52,地层沉降压实的机理：,沉积物的压缩过程是由上覆沉积

18、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。,53,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

19、力地层。,54,（六）异常地层压力的成因,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。,异常低压和异常高压统称为异常压力（abnormal pressure）。,1)、异常低压（abnormal low pressure）,压力梯度小于0.00981MPam（即正常地层压力梯度）的是异常低压。,55,地层压力梯度大于地层流体的静液压力梯度（0.009810.0105Mpa/m)时，称为是异常高压。,2)、异常高压（abnormal high pressure）,、地层具有保存流体的孔隙； 、地层周围存在不渗透围栅，构成圈闭； 、具有一定的埋藏深度

20、；,（1）形成异常高压的地质条件：,56,（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。,57,异常高压形成的其它原因：, 高的供水源,58, 地质构造作用：造成地层上升、巨大地应力的挤压； 水热增压作用：温度升高，流体体积膨胀； 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。,异常高压形成的

21、其它原因：,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。,59,二、地层压力评价,A、声波时差定义； B、声波时差法预测地层压力的基本原理； C、地层压力的计算方法； D、地层压力预测步骤。,地层压力预测(钻前)： 地震资料法、测井资料法 地层压力监测(钻进中)：dc指数法、页岩密度法、标准化钻速法,(一)、地层压力预测 地震法、声波时差法、页岩电阻率法。,60,二、地层压力评价,1.声波时差 声波（纵波）在地层中传播的快慢用通过单位距离所用的时间来衡量。,声波在地层中传播的快

22、慢可用声波到达井壁上不同深度的两点所用的时间之差，即声波时差t（us/m）来表示。对于一定的岩性， ，t 。,61,2、声波时差法预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:,(3)正常沉积条件下，泥页岩声波时差与埋藏深度的关系:,(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：,2、声波时差法预测地层压力的基本原理,63,（4）基本原理,正常压力层段：H : ， ，t 。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。,异常高压层段：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

23、常高压，并可根据偏离程度的大小定量计算地层压力。,2、声波时差法预测地层压力的基本原理,64,3、地层压力的计算,常用方法：经验图版法,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。,65,4. 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p; (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

24、预测结果存在一定的误差。,3、地层压力的计算, 伊顿（Eaton）法,由Eaton根据墨西哥湾等地区经验及理论分析建立起来的地层压力与测井参数间的关系式：, 技术思路：, 确定声波时差正常趋势线(选泥岩)，建立正常趋势线 方程，定性判断异常高压； 根据密度测井确定上覆岩层压力； 根据实测地层压力反算伊顿指数n； 定量计算地层压力。,声波时差法预测地层孔隙压力技术路线,地球物理测井资料 (声波时差),建立正常趋势线,定性判断异常压力,定量计算地层压力,经验图版法、 伊顿法,求取泥岩声波时差,使用范围： 1、适用于为砂泥页岩岩性地层。 2、适用于异常高压机制为“不平衡压实造成地层欠压实并产生异常高

25、压”。,3、地层压力的计算,例：某井的声波测井曲线如下图所示，请根据曲线趋势分析说明地层压力的变化情况。,石东10井声波,从三叠系开始，声波偏离正常趋势，说明从三叠系开始地层压力系统开始有异常表现。,3、地层压力的计算,四.现场实际应用,渤海湾盆地渤中26-3-1井,70,（二）地层压力监测（检测）,1.dc指数的概念 宾汉钻速模型（Bingham,1965)：VpcKne(W/db)d,、SigmaLog 法、页岩密度法、标准化钻速法；,理论：泥、页岩压实规律和压差对机械钻速的影响理论。,dc指数法,d指数（泥页岩层）：,71,dc指数 Rehm d 钻井液密度,1.dc指数的概念,72,2

26、、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。,dc,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。,dcn,dc,73,3、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。,74,4、地层压力的计算方法,（1）经

27、验公式法：,式中：p 地层压力当量密度， g/cm3; n 地层水密度，g/cm3; dcn 所求井深处，正常趋势线上的dc值； dca 所求井深处，实际的dc值。,经验图版法、经验公式法、当量（等效）深度法,75,(2)、等效深度法,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(D)= (De)。 De处： po(De)=(De)+pp(De) D处： po(D)= (De)+pp(D) 井深D处的地层压力为： pp(D)= po(D) po(De)+ pp(De) =GOD （G

28、O Gpn)De,De,式中：Gpn 等效深度De处的正常地层压力梯度， Mpa/m;,4、地层压力的计算方法,76,De,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一定的误差。 2）声波法和dc指数法只适用于泥页岩地层（砂泥岩剖面）。,77,3、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。,三、地层破裂压力（ fracture pressure）,2)、认为地层的破裂取决于井壁上的应力集中现象。增大井内的流体压力会改变井壁上的应力状态，此应力超过井壁岩石强度时，

29、地层便被压裂。,78,三、地层破裂压力（ fracture pressure）,3、地层破裂压力预测方法,79,(3)、Eaton(1969), 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平地应力时地层才能破裂。,三、地层破裂压力（ fracture pressure）,3、地层破裂压力预测方法,80,(4)、黄荣樽法（1985）, 井壁岩石处于三维不均匀应力状态， 1 23 ； 水平地应力由上覆岩层压力和构造力 两部分产生； 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：，由现场压裂实验数据求得；St 岩心抗拉试验求得。,三、地层破裂压力（ fracture pressure）,3、地层破裂压力预测方法,81,4、现场液压试验法,1、下套管固井侯凝后，钻4-5米新井眼； 2、上提钻头至套管鞋内； 3、关闭防喷器（闸板）和节流阀； 4、缓慢启动泵，小排量（0.66-1.32L/S) 向井内注入钻井液； 5、记录注入量和立管压力