第一章 钻井的工程地质条件chapter 1 engineering geology of drilling

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1、2010.04.291 第一章 钻井的工程地质条件 Chapter 1 Engineering geology of drilling 第一节 地下压力特性第一节 地下压力特性 第二节 岩石的工程力学性质 2010.04.292 第一节地下压力特性第一节地下压力特性 Section 1 Formation pressure characteristics 一、地下各种压力的概念一、地下各种压力的概念 二、地层压力评价方法二、地层压力评价方法 三、地层破裂压力及评价方法三、地层破裂压力及评价方法 在工程力学中，规定拉应力为正，压应力为负。在谈到压力时， 规定压应力为正，拉应力为负。 2010.0

2、4.293 （一）静液压力（一）静液压力（hydrostatic pressure） 一、地下各种压力的概念一、地下各种压力的概念 lh ghp= （1-1） 式中：式中：h p 静液压力，Pa;静液压力，Pa; 液体密度，淡水：1000kg/m液体密度，淡水：1000kg/m3 3；盐水：1050kg/m；盐水：1050kg/m3 3； 重力加速度，m/s重力加速度，m/s2 2 液柱的垂直液柱的垂直高度，m。高度，m。 l h 2.静液压力梯度2.静液压力梯度 gG= h （1-2） 式中：式中：静液压力梯度 ，Pa/m； 淡水：0.00981MPa/m；盐水：0.0105MPa/m。 静

3、液压力梯度 ，Pa/m； 淡水：0.00981MPa/m；盐水：0.0105MPa/m。 h G 1.静液压力1.静液压力 g 2010.04.294 （二）上覆岩层压力（Overburden pressure）（二）上覆岩层压力（Overburden pressure） )1( mao += DgP 面积 流体重力基岩重力+ = o P (1-3) (1-4) ioio Dgp= = D DgDp 0 oo d)( 为深度；为孔隙度；为岩石骨架的密度； 为孔隙内流体的密度；为混合体的密度；为段 序；为上覆岩层压力。 1.上覆岩层压力1.上覆岩层压力 o ma D o P i 2010.04.

4、295 注意：注意： （1）上覆岩层压力梯度随深度增加而增大。（1）上覆岩层压力梯度随深度增加而增大。 （2）沉积岩的平均密度大约为2300kg/m（2）沉积岩的平均密度大约为2300kg/m3 3，平均上覆岩层压力梯 度一般为0.0227兆帕/米。 ，平均上覆岩层压力梯 度一般为0.0227兆帕/米。 （3）在石油钻井中，以钻台作为上覆岩层压力的计算基准面。（3）在石油钻井中，以钻台作为上覆岩层压力的计算基准面。 2. 上覆岩层压力梯度2. 上覆岩层压力梯度 DpG/ oo = 如基东高尚堡构造：如基东高尚堡构造： D eD 4 10575.0 o 2000)( = 2010.04.296

5、（三）地层压力（formation pressure）（三）地层压力（formation pressure） 地层孔隙内的流体所具有的压力，亦称为地层孔隙压力，地层孔隙内的流体所具有的压力，亦称为地层孔隙压力，Pp。 正常地层压力正常地层压力pp=ph 异常地层压力异常地层压力p pp p p ph h，异常高压异常高压 p pp p 液压作用下 压、扭试验 液压作用下两 柱塞压缩试验 （1）三轴岩石试验（1）三轴岩石试验 2010.04.2945 P=2=3 P=2=3 11 压 缩 拉 伸 12=312=3 常规三轴试验：常规三轴试验： 2010.04.2946 三轴试验的应力应变曲线：三

6、轴试验的应力应变曲线： 3=0 3=23.5 3=500 3=850 3=1650 3=3260 X X X X 3=0 3=27.5 3=55.5 3=155 3=217.5 1-3，MPa 1-3，MPa 岩石强度随围压增大而增大岩石强度随围压增大而增大 2010.04.2947 （三）岩石的脆/塑性（三）岩石的脆/塑性 在单轴应力条件下，大多数岩石表现为脆性性质。在单轴应力条件下，大多数岩石表现为脆性性质。 在三轴应力条件下，随着围压的增大，岩石由脆性向塑性转化。 围压越大，岩石的塑性越大。岩石由脆性转化为塑性时的围压称为 临界压力。 在三轴应力条件下，随着围压的增大，岩石由脆性向塑性转

7、化。 围压越大，岩石的塑性越大。岩石由脆性转化为塑性时的围压称为 临界压力。 3=0 3=23.5 3=500 3=850 3=1650 3=3260 X X X X 3=0 3=27.5 3=55.5 3=155 3=217.5 1-3，MPa 1-3，MPa 2010.04.2948 1.概念1.概念 硬度硬度岩石抵抗其它物体表面压入或侵入的能力。 前苏联史立涅尔提出压入硬度（史氏硬度）表征岩石的抗压入性 能。 硬度与抗压强度区别： 硬度是岩石表面的局部抵抗另一物体压入或侵入破碎时的能力， 抗压强度则是岩石整体抗压碎能力。 塑性系数 岩石抵抗其它物体表面压入或侵入的能力。 前苏联史立涅尔提

8、出压入硬度（史氏硬度）表征岩石的抗压入性 能。 硬度与抗压强度区别： 硬度是岩石表面的局部抵抗另一物体压入或侵入破碎时的能力， 抗压强度则是岩石整体抗压碎能力。 塑性系数表征岩石塑性和脆性大小的参数。定义为岩石破碎 前耗费的总功A 表征岩石塑性和脆性大小的参数。定义为岩石破碎 前耗费的总功AF F与岩石破碎前弹性变形功A与岩石破碎前弹性变形功AE E的比值。的比值。 （四）岩石的硬度和塑性系数（四）岩石的硬度和塑性系数 2010.04.2949 岩石硬度试验装置 7 7 2. 硬度试验2. 硬度试验 2010.04.2950 3.岩石硬度和塑性系数的计算3.岩石硬度和塑性系数的计算 塑性系数塑

9、性系数Kp: 面积 面积 岩石破碎前弹性变形功 岩石破碎前耗费的总功 ODE OABC A A K= E F p （1-33） 脆性和塑脆性岩石：脆性和塑脆性岩石： S P P = y （1-34） S P P 0 y = （1-35） 塑性岩石：塑性岩石： 2010.04.2951 （一） 岩石结构的影响（一） 岩石结构的影响 1. 致密沉积岩的硬度与其造岩矿物的硬度有直接关系。一般地 讲，主要造岩矿物成分的硬度越高，岩石越硬，越难破碎。 1. 致密沉积岩的硬度与其造岩矿物的硬度有直接关系。一般地 讲，主要造岩矿物成分的硬度越高，岩石越硬，越难破碎。 如:玄武岩（斜长石、辉石, 6） 白云岩

10、（白云石, 4）石灰岩（石灰石, 3）。 如:玄武岩（斜长石、辉石, 6） 白云岩（白云石, 4）石灰岩（石灰石, 3）。 2. 砂岩和粉砂岩类碎屑岩的硬度主要取决于矿物成分和胶结物 结构。矿物成分相同时，硅质胶结碎屑岩硬度最高，钙质次之，铁 质再次之，泥质最低。泥质胶结大约比灰质胶结的同类岩石的硬度 小三倍。 2. 砂岩和粉砂岩类碎屑岩的硬度主要取决于矿物成分和胶结物 结构。矿物成分相同时，硅质胶结碎屑岩硬度最高，钙质次之，铁 质再次之，泥质最低。泥质胶结大约比灰质胶结的同类岩石的硬度 小三倍。 3. 泥质3. 泥质碳酸盐质岩石（泥岩、灰质泥岩、泥质灰岩、灰 岩），随着碳酸岩含量的增加，硬度

11、急剧增大。这是因为随着岩石 含碳酸岩质的增加，质点间结晶联结作用增强的缘故。 碳酸盐质岩石（泥岩、灰质泥岩、泥质灰岩、灰 岩），随着碳酸岩含量的增加，硬度急剧增大。这是因为随着岩石 含碳酸岩质的增加，质点间结晶联结作用增强的缘故。 4. 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。 4. 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。 三、影响岩石力学性质的因素三、影响岩石力学性质的因素 2010.04.2952 （二）井底各种压力的影响（二）井底各种压力的影响 1. 一般地讲，随着上覆岩层压力的增大，岩石强度增

12、大， 塑性也增大。 1. 一般地讲，随着上覆岩层压力的增大，岩石强度增大， 塑性也增大。 2. 井内液柱压力与孔隙压力之差越大，岩石强度越大，塑 性越大。 2. 井内液柱压力与孔隙压力之差越大，岩石强度越大，塑 性越大。 （三）液体介质的影响（三）液体介质的影响 液体，特别是加入表面活性剂的水，侵入孔隙时，吸附在固体 表面使固体表能降低，同时还产生楔裂作用和减小固体变形时的内 摩擦，结果导致强度降低。这种现象称为列宾捷尔效应。 液体，特别是加入表面活性剂的水，侵入孔隙时，吸附在固体 表面使固体表能降低，同时还产生楔裂作用和减小固体变形时的内 摩擦，结果导致强度降低。这种现象称为列宾捷尔效应。

13、岩石强度（硬度）减低剂如下：岩石强度（硬度）减低剂如下： 电解质类：烧碱（NaOH）、石灰（Ca(OH)电解质类：烧碱（NaOH）、石灰（Ca(OH)2 2）、氯化铝（AlCl）、氯化铝（AlCl3 3) 和氯化钠（NaCl）、碳酸钠（Na ) 和氯化钠（NaCl）、碳酸钠（Na 2 2COCO3 3）、水玻璃（Na ）、水玻璃（Na 2 2SiOSiO4 4） 有机化合物：皂类及一些合成润湿剂。有机化合物：皂类及一些合成润湿剂。 2010.04.2953 （四）载荷性质的影响（四）载荷性质的影响 1. 抗压 抗剪 抗弯 抗拉。1. 抗压 抗剪 抗弯 抗拉。 2. 岩石对动载的抗力要比静载大得

14、多。随着冲击速度增大， 硬度增大，塑性系数减小。但在冲击速度小于10米/秒时，岩石硬 度和塑性系数变化不大，接近于静载时的数值。 2. 岩石对动载的抗力要比静载大得多。随着冲击速度增大， 硬度增大，塑性系数减小。但在冲击速度小于10米/秒时，岩石硬 度和塑性系数变化不大，接近于静载时的数值。 在10000米深度范围内：在10000米深度范围内： 强度：岩盐泥页岩石灰岩石膏白云岩强度：岩盐泥页岩石灰岩石膏白云岩 砂岩强度取决于胶结物及胶结程度。砂岩强度取决于胶结物及胶结程度。 塑性：岩盐石灰岩泥页岩石膏白云岩石英岩塑性：岩盐石灰岩泥页岩石膏白云岩石英岩 2010.04.2954 （一）岩石的可钻

15、性（一）岩石的可钻性（Rock Drillability） 1.概念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钻 头钻进的能力。 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钻 头钻进的能力。 2.评价方法2.评价方法微钻法微钻法 试验装置：华石型岩石可钻性测定仪 微型钻头：直径31.75mm（1-1/4in） 试验条件：钻压889.7N（200磅）、转速55r/min 可钻性指标： （1）钻时：钻进2.4mm孔深所需要的时间t 试验装置：华石型岩石可钻性测定仪 微型钻头：直径31.75mm（1-1/4in） 试验条件：钻压889.7N（200磅）、转速55r/min 可钻性指标： （1）钻时：钻进2.4mm孔深所需要的时间td d（秒） （2）级值： K （秒） （2）级值： Kd d=Log=Log2 2t td d 四、岩石的可钻性与研磨性四、岩石的可钻性与研磨性 2010.04.2955 级别级别 td （秒）（秒） 4488 16 16 32 32 64 64 128 128 256 256 512 512 1024 1024 Kd 22 33 44 55 66 77 88 99 1010 分类分类极软软中软中中硬