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1、钻井复习资料 1209 白璐钻井工程绪论钻井：利用一定的工具和技术在地层中钻出一个较大孔眼（井眼）的过程。钻井方法：为了在地下岩层中钻出所要求的孔眼而采用的钻孔方法。第一章 钻井的工程地质条件第一节 地下压力特性一、地下各种压力的概念（一）静液柱压力（ph）1.概念：由液柱自身的重力所引起的压力。2.公式：ph=0.00981H式中：ph，静液柱压力，MPa；，液体的密度，gcm3；H液柱的垂直高度，m。3.压力梯度：单位高度或单位深度的压力，单位MPam。4.静液柱压力梯度：Gh=phH=0.00981。（二）上覆岩层压力（po）1.概念：地层某处的上覆岩层压力是指该处以上地层岩石基质和岩石
2、孔隙中流体总重力所产生的压力。2.公式：po=基岩重力+流体重力面积po=0.00981H1-ma+po=0.00981oiHi （分段计算）式中：po，上覆岩层压力，MPa；H，地层垂直深度，m；，岩石孔隙度，%；ma，岩石骨架密度，gcm3；，孔隙中流体的密度，gcm3；Hi，第i层段厚度，m；oi，第i层段平均密度，gcm3。3.上覆岩层压力梯度：G0=poiHi=0.00981oiHiHi式中：G0，上覆岩层压力梯度，MPam；poi，第i段上覆岩层压力，MPa；Hi，第i层段厚度，m；oi，第i层段平均密度，gcm3。（三）地层压力（pp）1.概念：指岩石孔隙中的流体所具有的压力，也
3、称地层孔隙压力。2.正常地层压力：等于从地表到地下某处的连续地层水的静夜压力。（用Gp表示正常地层压力梯度：淡水，Gp=0.00981MPam；盐水，Gp=0.0105MPam）3.异常地层压力：地层压力大于或小于正常地层压力。（1）异常高压：超过正常地层静液压力的地层压力(ppph)称为异常高压。（2）异常低压：低于正常地层静液压力的地层压力(ppph)称为异常低压。4.地层压力当量密度：指某一深度处地层压力用等高度的钻井液柱压力来等效时，所需钻井液的密度。（四）基岩应力（）1.概念：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。2.上覆
4、岩层压力、地层压力和基岩应力之间的关系是：po=pp+（五）异常地层压力的成因1.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。2.异常地层压力的成因（1）异常低压产生原因：生产多年而又没有压力补充的枯竭油气层。地下水位极低。（2）异常高压产生原因：地层欠压实作用:随着地层的不断沉积，上覆岩层压力逐渐增大，假若该地层被不渗透的围栅包围（盖层），则该地层孔隙中流体不能被排挤出去，其必然承受部分上
5、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。地质构造作用:造成地层上升。如果在抬升过程中有某种因素限制了流体的运移，该地层就会由于深度因素而形成异常高压。水热增压作用:温度升高、流体膨胀。流体运移作用:流体运移效应包括钻开的岩层与超压层的联通以及地层流体等势面的差异造成的压力异常。油田注水二、地层压力评价（一）压力预测1.概念：用邻近井资料进行压力预测，建立地层压力剖面。2.压力预测的方法：地震法、声波时差法和页岩电阻率法。3.声波时差法（1）声波在地层中的传播特性：声波传播速度主要是孔隙度和岩性的函数。如
6、果岩性为泥页岩时，则声波测井主要反映孔隙度的变化。正常压实地层中：随着井深的增加，岩石密度增大，孔隙度减小，声波的速度增大，声波时差减小。异常高压地层：由于前压实作用，随着井深的增加，岩石密度减小，孔隙度增加，声波速度减小，声波时差增大。（2）声波时差与井深的关系式：lnt=lnt0-cH=aH+b推导过程（不用背）：泥页岩地层声波时差与孔隙度之间关系：=t-tmtf-tm 1式中：，岩石孔隙度，%；t，地层的声波时差，sm；tm，基岩的声波时差，sm；tf，地层孔隙内流体的声波时差，sm。正常沉积条件下，泥页岩的孔隙度随深度的变化规律为：=0e-cH 2式中：，泥页岩的孔隙度，%；0，泥页岩
7、在地面的孔隙度，%；c，常熟；H，井深，m。由式（1）得，在地面的孔隙度为：0=t0-tmtf-tm 3式中：t0，泥页岩在地面的声波时差。联立（1）、（2）、（3）式得：t-tmtf-tm=t0-tmtf-tme-cH整理得：t-tm=t0-tme-cH在泥页岩的岩性一定的情况下，tm也为一常熟，若tm=0，则：t=t0e-cH即：lnt=lnt0-cH=aH+b（4）声波时差法计算地层压力的步骤：在声波时差测井资料上选择纯泥页岩层，以5m左右为间隔点在测井曲线上读出井深和相应的声波时差值，并在半对数坐标纸上描点。在已知的正常地层压力井段，根据尽可能多的数据点引出声波时差随井深变化的正常趋势
8、线，并将其延伸至异常高压井段。读出某深度的实测声波时差t和该深度所对应的正常趋势线上的声波时差tn，并计算t-tn。在t-tn和Gp关系曲线上读出t-tn所对应的Gp，用Gp乘以井深H，得其深度的地层压力。（二）压力检测1.概念：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。2.dc指数法（1）宾汉钻速模型：RN=aWDd式中：R，钻速，ftmin；N，转盘转速，rmin；W，钻压，lbs；D，钻头直井，in；a，岩性常数，无量纲；d，压实指数，无量纲。（2）d指数（泥页岩岩层）：d=logRNlogWD采用工程单位：d=log0.0547RNlog0.0684WD式中：R，
9、钻速，mh；N，转盘转速，rmin；W，钻压，kN；D，钻头直井，mm。（3）dc指数：dc=dnd式中：n，正常地层水密度；d，所使用的钻井液的密度。（4）基本原理：在正常压实条件下，岩石强度随井深增加而增强，若钻井参数不变，机械钻速随井深增加而降低，泥岩段dc指数随井深增加而增大；在异常压力段，由于岩石中孔隙压力的影响，不再遵循正常压实的规律，钻速随孔隙压力的增大而增大，dc指数则相应减小，偏离原来的正常趋势线。3.dc指数法地层压力检测步骤（1）数据采集与整理；（2）dc指数的计算；（3）绘制曲线，回归处理；（4）地层压力计算4.声波时差法和dc指数法的不足（1）水力参数、地层岩性、钻头
10、类型、井底压差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的误差。（2）声波时差法和dc指数法只适用于泥页岩地层（砂泥岩剖面），对于碳酸盐岩地层，目前尚无合适的方法。三、地层破裂压力（一）概念在井下一定深度出露的地层，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。即：使地层发生破裂的最小井内液柱压力。（二）影响地层破裂压力大小的因素地层破裂压力的大小取决于许多因素，如上覆岩层压力、地层压力、岩性、地层年代、埋藏深度以及该处岩石的应力状态。（三）地层破裂压力的预测方法伊顿法Gf=ppD+1-po
11、-ppD=ppD+1-D（四）地层破裂压力确定的现场方法：液压实验法实验步骤如下：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0.661.32 L/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。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；压力升到最大值即为开裂压力pf；最大值过后压力下降并趋于平缓，称为传播压力pr；5.求地层破裂压力当量密度ff=m+pL0.00981D式中：m，实验用泥浆密度，gcm3；D，实验井深，指套管下入深度，m。第二节 岩石的工程力学性质一、岩
12、石的类型及特点（一）岩石的类型：岩浆岩、沉积岩、变质岩（二）各向异性：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。（三）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。二、岩石的工程力学性质（一）几个概念1.弹性：岩石在外力作用下产生变形，外力撤销后变形随之消失，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。2塑性：岩石在外力作用下产生变形，外力撤销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。3脆性：岩石在外力作用下变形很小（小于3%）就发生破坏的性质。相应的破坏称为脆性破坏。（二）岩石的强度1.概念：岩石在外力作用下达到破坏时的应
13、力称为岩石的强度，是岩石在一定条件下抵抗外力破坏的能力。2.一般规律（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）一般情况下：抗拉强度抗弯强度抗剪强度抗压强度。 （3）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。（三）复杂应力条件下岩石的强度1. 常规三轴试验：将岩样放在一个高压容器中，首先用液压p使其四周处于三向均匀压缩的应力状态，然后保持此压力（围压）不变，对岩样进行纵向加载，直到使其破坏。2.一般规律：（1）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。 （2）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
14、坏前呈现的也塑性越大。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。（四）岩石的硬度1. 概念：岩石的硬度是岩石抵抗其它物体表面压入或侵入的能力。2. 硬度与抗压强度区别：（1）前者只是固体表面的局部对另一物体压入或侵入时的阻力，而后者则是固体抵抗固体整体破坏时的阻力。（2）前者反映岩石颗粒的硬度，其对钻进过程中工具的磨损起重大影响；（3）后者反映岩石的组合硬度，其对钻进时岩石破碎速度起重大影响。（五）岩石的脆性和塑性 1.按脆性和塑性将岩石分为三类：脆性岩石、塑性岩石和塑脆性岩石。 2.分类的标准：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；
15、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；介乎于两者之间的是塑脆性岩石。3.塑性系数：岩石破碎前耗费的总功与岩石破碎前弹性变形功的比值。三、井底各种压力对岩石性质的影响（一）井眼周围地层岩石的受力：上覆岩层压力、岩石内孔隙流体的压力、钻井液液柱压力、水平地应力。（二）岩石有效应力：=-pp（三）各向压缩效应：对干岩石，增大围压，岩石的强度、塑性都增大，称为“各向压缩效应”。四、岩石可钻性与研磨性（一）岩石可钻性1.概念：指岩石破碎的难易程度，可以理解为在一定的钻头规格、类型及钻井工艺条件下岩石抵抗钻头破碎的能力。2.评价方法：微钻头实验法为应用方便，常用Kd=log2t作为可钻性指标，称为可钻性级值。可钻性级值越大，岩石越难破碎。（二）
