钻井工程地质条件

1、岩石：岩石：主要内容主要内容: :第一节第一节 岩石分类与结构岩石分类与结构第二节第二节 岩石工程力学性质岩石工程力学性质第三节第三节 地下压力特性地下压力特性第四节第四节 井底压力条件下的力学性质及其影响因素井底压力条件下的力学性质及其影响因素 第一节第一节 岩石分类与结构岩石分类与结构第二节第二节 岩石工程力学性质岩石工程力学性质Rock engineering mechanics properties一、岩石的分类一、岩石的分类二、岩石的结构二、岩石的结构岩石类型岩石类型地球半径地球半径6371km6371km，分地壳、地幔、地核三个圈层；，分地壳、地幔、地核三个圈层；地壳厚度地壳厚度3

2、03040 km40 km，由岩石组成。，由岩石组成。 岩石岩石：岩石是各种矿物的组合体。：岩石是各种矿物的组合体。 Rock ：Rock is a combination of various minerals. 矿物矿物：具有一定的物理性质和确定化学成分的物质，地壳岩石中：具有一定的物理性质和确定化学成分的物质，地壳岩石中99%99%的岩石的岩石由由1212种常见物质组成。（正长石、斜长石、石英、白云母等。）种常见物质组成。（正长石、斜长石、石英、白云母等。） Minerals：spontaneous uniform solid. 组成岩石的化学元素主要有组成岩石的化学元素主要有8 8种（

3、氧、硅、铝等）。种（氧、硅、铝等）。 化合化合 组合组合 元素元素 矿物矿物 岩石岩石 compoundingcombinationelementmineralrock （一）（一） 沉积岩沉积岩 矿物矿物是是天然产出的均匀固体天然产出的均匀固体，是地表及上地幔的化学元素在一定，是地表及上地幔的化学元素在一定条件下经过各种地质作用所形成的相对稳定的产物，它条件下经过各种地质作用所形成的相对稳定的产物，它具有比较固定具有比较固定的化学成分和晶体结构，是矿石和岩石的基本组成单位的化学成分和晶体结构，是矿石和岩石的基本组成单位，是地壳演化过程中元素运动和存在的一种形式，各种矿物是地壳演化过程中元素运

4、动和存在的一种形式，各种矿物的研究在石油地质中有着重要的意义。的研究在石油地质中有着重要的意义。 序号序号矿物名称矿物名称密度密度摩氏硬度摩氏硬度晶形晶形 1. 1.铝硅酸盐铝硅酸盐( (长石族长石族) )1 12 23 34 45 56 67 7正长石正长石钾微斜长石钾微斜长石钠长石钠长石钠钙长石钠钙长石中长石中长石钙钠斜长石钙钠斜长石钙长石钙长石2.572.572.542.542.622.652.622.652.652.672.652.672.682.692.682.692.702.732.702.732.742.762.742.766 666.566.566.566.55.565.565

5、656565666.566.5单斜晶系单斜晶系三斜晶系三斜晶系三斜晶系三斜晶系三斜晶系三斜晶系三斜晶系三斜晶系三斜晶系三斜晶系三斜晶系三斜晶系 似似 长长 石石 类类 8 89 9霞石霞石白榴石白榴石2.552.652.552.652.452.502.452.505.5665.5665.5665.566六方晶系六方晶系等轴晶系等轴晶系 云母云母( (层状硅酸盐层状硅酸盐) )10101111白云母白云母黑云母黑云母2.7532.7532.703.12.703.122.522.52.532.53单斜晶系单斜晶系单斜晶系单斜晶系表表 1-1 1-1 主要造岩矿物主要造岩矿物 岩石岩石就是通常所指的

6、石头，是地壳中由地质作用所形成的固态物质，就是通常所指的石头，是地壳中由地质作用所形成的固态物质，是是由各种矿物或岩屑组成的天然集合体，并且有着一定的结构构造和变化由各种矿物或岩屑组成的天然集合体，并且有着一定的结构构造和变化规律规律。岩浆岩变质岩沉积岩岩石类型rock magmaticrock cmetamorphirocky sedimentar.typerock 1 1、火成岩（岩浆岩）、火成岩（岩浆岩） igneous rock 岩浆冷凝而成，如花岗岩、玄武岩。岩浆冷凝而成，如花岗岩、玄武岩。 特点：呈块状，致密、坚硬特点：呈块状，致密、坚硬 2 2、沉积岩、沉积岩sedimentar

7、y rock 各种原岩，如火成岩、变质岩，先前形成的沉积岩经风化、破碎各种原岩，如火成岩、变质岩，先前形成的沉积岩经风化、破碎后再沉积和压实而成的新岩石，是主要的石油生成和储集岩石。后再沉积和压实而成的新岩石，是主要的石油生成和储集岩石。 特点：有层理，有化石特点：有层理，有化石 3 3、变质岩、变质岩metamorphic rock 火成岩和沉积岩在高温高压的作用下，改变了原有结构而形成的火成岩和沉积岩在高温高压的作用下，改变了原有结构而形成的新岩石。石灰岩新岩石。石灰岩大理石，花岗岩大理石，花岗岩片麻岩。片麻岩。（一）沉积岩（一）沉积岩 1 1、黄土和粘土、黄土和粘土( (直径直径10 1

8、0 m m 的粘土矿物微粒组成）的粘土矿物微粒组成） 2 2、泥岩及页岩（孔隙少，渗透率低）、泥岩及页岩（孔隙少，渗透率低） 3 3、砂岩（孔隙大，渗透率较大，是主要的储层）、砂岩（孔隙大，渗透率较大，是主要的储层） 4 4、砾岩、砾岩 5 5、石灰岩：碳酸钙的化学沉积。碳酸钙被碳酸镁替代则成为白云岩，、石灰岩：碳酸钙的化学沉积。碳酸钙被碳酸镁替代则成为白云岩，主要为裂缝和溶洞型的储集层。主要为裂缝和溶洞型的储集层。 主要的沉积岩类型主要的沉积岩类型 （1 1） 碎屑岩碎屑岩 母岩风化后的物质母岩风化后的物质经经机械沉积作用机械沉积作用后形成的岩后形成的岩石。碎屑颗粒（岩石碎屑、石。碎屑颗粒（

9、岩石碎屑、矿物碎屑）由胶结物（泥矿物碎屑）由胶结物（泥质、铁质、钙质、硅质）质、铁质、钙质、硅质）胶结在一起。胶结在一起。 （2 2） 化学沉积岩化学沉积岩 母岩风化后的母岩风化后的溶解物溶解物质经化学沉积作用质经化学沉积作用后形成后形成晶质岩石。晶质岩石。砾岩(1-100mm)碎屑岩砂岩(0.1-1.0mm)粉砂岩(0.01-0.1mm)沉积岩泥岩粘土岩(0.01mm)页岩石灰岩碳酸盐岩(化学岩)白云岩conglomerate 1100mmsandstong 0.11.0mmclastic rockslit 0.010.1mmsedimentary rockmudstoneargilaceo

10、us 12 1223 23 34 34 46 46 6 6 表表1-7 1-7 岩石按塑性系数的分类岩石按塑性系数的分类 用岩石的用岩石的塑性系数塑性系数( (plastic coefficient) )作作为定量表征岩石塑性及脆性大小的参数。塑性系为定量表征岩石塑性及脆性大小的参数。塑性系数为岩石破碎前耗费的总功数为岩石破碎前耗费的总功A AF F与岩石破碎前弹变与岩石破碎前弹变形功形功A AE E的比值。的比值。 331的面积的面积ODEOABCAAKEFp 岩岩 石石 在下列围压下破坏前的应变量在下列围压下破坏前的应变量/%P=100MPa P=200MPa Oil Creek 石英砂岩

11、石英砂岩 2.9 3.8 Hasmark 白云岩白云岩 7.3 13.0 Blain 硬石膏硬石膏 7.0 22.3 Yule 大理岩大理岩 22.0 28.8 Barns 砂岩砂岩 25.8 25.9 Mirianna 石灰岩石灰岩 29.1 27.2 Muddy 页岩页岩 15.0 25.0 Rocksalt 盐岩盐岩 28.8 27.5表表1-8 1-8 岩石在围压下的塑性变形岩石在围压下的塑性变形 在三轴应力条件在三轴应力条件下，岩石机械性质下，岩石机械性质的一个的一个显著变化的显著变化的特点特点就是随着围压就是随着围压的增大，岩石表现的增大，岩石表现出从脆性向塑性的出从脆性向塑性的转

12、变，并且围压越转变，并且围压越大，岩石破坏前所大，岩石破坏前所呈现的塑性也越大呈现的塑性也越大。 对于深井钻井说来，研究岩石从脆性到塑性的转变点具有很重要对于深井钻井说来，研究岩石从脆性到塑性的转变点具有很重要的实际意义。因为脆性破坏和塑性破坏是两种从本质上不相同的破坏的实际意义。因为脆性破坏和塑性破坏是两种从本质上不相同的破坏，所以破碎这两种状态下的岩石需要分别应用不同的破碎工具（不同，所以破碎这两种状态下的岩石需要分别应用不同的破碎工具（不同结构的钻头类型），采用不同的破碎方式（冲击、压碎、挤压、剪切结构的钻头类型），采用不同的破碎方式（冲击、压碎、挤压、剪切或切削、磨削等）以及不同的破碎

13、合理组合（钻压、转数及水力参数或切削、磨削等）以及不同的破碎合理组合（钻压、转数及水力参数等）。即：等）。即：岩石从脆性向塑性转变的岩石从脆性向塑性转变的转变点（临界压力点）转变点（临界压力点）对设计、对设计、选择和科学使用钻头有很重要的意义。选择和科学使用钻头有很重要的意义。4、岩石的硬度、岩石的硬度(rock hardness) 岩石的硬度是岩石抵抗其他物体表面压入或侵入的能力。岩石的硬度是岩石抵抗其他物体表面压入或侵入的能力。 硬度与抗压强度有联系，但又有很大区别。硬度与抗压强度有联系，但又有很大区别。(Hardness and compressive resistance have c

14、ontact, but also have very big distinction) 1 1）摩氏硬度）摩氏硬度 用用1010种矿物为代表，作为摩氏硬度的标准依次是：滑石（种矿物为代表，作为摩氏硬度的标准依次是：滑石（1 1度）、石膏（度）、石膏（2 2度）度） 、方解石（、方解石（3 3度）度） 、萤石（、萤石（4 4度）度） 、磷灰、磷灰石（石（5 5度）度） 、长石（、长石（6 6度）度） 、石英（、石英（7 7度）度） 、黄玉（、黄玉（8 8度）度） 、刚玉（刚玉（9 9度）度） 、金刚石（、金刚石（1010度）度） 。4、岩石的硬度、岩石的硬度 2 2）岩石的）岩石的压入硬度（史氏

15、硬度）压入硬度（史氏硬度） 岩石的压入硬度是前苏联史立涅尔提出的，也称史氏硬度。史氏硬度的测岩石的压入硬度是前苏联史立涅尔提出的，也称史氏硬度。史氏硬度的测试装置见图试装置见图112112。图。图114114三类岩石压入硬度的计算方法如下。三类岩石压入硬度的计算方法如下。 对于脆性岩石和塑脆性岩石对于脆性岩石和塑脆性岩石，它们最终都产生了脆性破碎，岩石的硬度为，它们最终都产生了脆性破碎，岩石的硬度为 式中：式中：p pY Y-岩石的硬度，岩石的硬度，MpMpa a； p-p-产生脆性破碎时的压头上的载荷，产生脆性破碎时的压头上的载荷，N N； S-S-压头的底面积，压头的底面积，mmmm2 2

16、。 对塑性岩石对塑性岩石, ,取产生屈服取产生屈服( (即从弹性变形开始向塑性变形转化即从弹性变形开始向塑性变形转化) )时的载荷时的载荷P Poyoy代代替替P P，即：，即：)341(sppY)351 (SPpOYY类别类别 软软 中软中软 中硬中硬 硬硬坚硬坚硬极硬极硬级别级别1 12 23 34 45 56 67 78 89 9101011111212100MP100MPa a111251252.552.5551051010151015152015202030203030403040405040505060506060706070 70 70表表 1-9 1-9 岩石按硬度的分类岩石按

17、硬度的分类l定义：岩石磨损钻头切削刃材料的能力称为定义：岩石磨损钻头切削刃材料的能力称为岩石的研磨性岩石的研磨性。它是由。它是由钻头工作刃与岩石相互磨擦过程中产生微切削、刻划、擦痕等造成钻头工作刃与岩石相互磨擦过程中产生微切削、刻划、擦痕等造成的。的。 l组成岩石的矿物硬度越大，该岩石的研磨性越大组成岩石的矿物硬度越大，该岩石的研磨性越大，研磨性由小到大，研磨性由小到大的顺序为：硫酸盐类岩石（石膏、重晶石）、碳酸盐岩石（石灰岩的顺序为：硫酸盐类岩石（石膏、重晶石）、碳酸盐岩石（石灰岩和白云岩）、硅质岩石（燧石）、铁镁长石岩、石英岩。和白云岩）、硅质岩石（燧石）、铁镁长石岩、石英岩。l影响研磨性

18、磨损的因素影响研磨性磨损的因素：除与磨擦付材料的性质有关外，还取决于：除与磨擦付材料的性质有关外，还取决于摩擦面的温度磨擦体的相对运动速度、磨擦体间的接触应力、磨损摩擦面的温度磨擦体的相对运动速度、磨擦体间的接触应力、磨损产物的性质及其清除情况参与磨擦的介质等。产物的性质及其清除情况参与磨擦的介质等。三、岩石的研磨性三、岩石的研磨性 在用机械方法破碎岩石的过程中，钻头和岩石产生连在用机械方法破碎岩石的过程中，钻头和岩石产生连续的或间断的接触和摩擦，在破碎岩石的同时，工具本身续的或间断的接触和摩擦，在破碎岩石的同时，工具本身也受到岩石的磨损而逐渐变钝，直至损坏。也受到岩石的磨损而逐渐变钝，直至损

19、坏。钻头接触岩石钻头接触岩石部分的材料一般为钢、硬质合金或金刚石，岩石磨损这些部分的材料一般为钢、硬质合金或金刚石，岩石磨损这些材料的能力称为岩石的研磨性。材料的能力称为岩石的研磨性。 研究岩石的研磨性对于正确地设计和选择使用钻头，研究岩石的研磨性对于正确地设计和选择使用钻头，延长钻头寿命，提高钻头进尺，提高钻井速度有重要的意延长钻头寿命，提高钻头进尺，提高钻井速度有重要的意义。义。研磨性的表示研磨性的表示通常是用切削具磨损的体积与所消耗的摩擦功之比来表示通常是用切削具磨损的体积与所消耗的摩擦功之比来表示研磨性的大小，其衡量单位是研磨性的大小，其衡量单位是m3/J 2.影响岩石研磨性的因素影响

20、岩石研磨性的因素 影响岩石研磨性的因素有两个方面，即影响岩石研磨性的因素有两个方面，即自然因素和技术因素。自然因素和技术因素。 1)自然因素自然因素 影响岩石研磨性的自然因素主要是岩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。以及岩石的裂隙和孔隙度等。 岩石破碎时，首先是在矿物颗粒交界面岩石破碎时，首先是在矿物颗粒交界面处产生破碎，多数情况下颗粒本身不破碎。处产生破碎，多数情况下颗粒本身不破碎。因此，岩石上的矿物颗粒与破碎下来的矿物因此，岩石上的矿物颗粒与破碎下来的矿物颗粒都直接磨损工具，矿物颗粒的硬度越

21、颗粒都直接磨损工具，矿物颗粒的硬度越大，则磨损作用越大。一般随岩石石英含量大，则磨损作用越大。一般随岩石石英含量的增大研磨性增大。如石英岩、砂岩的研磨的增大研磨性增大。如石英岩、砂岩的研磨l2)技术因素技术因素l影响岩石研磨性的技术因素也就是影响动摩擦系数的各种技术因影响岩石研磨性的技术因素也就是影响动摩擦系数的各种技术因素。素。(1)压力。压力。(2)相对运动速度。相对运动速度。 (3)介质。介质。 (4)温度。温度。3.岩石研磨性的侧定方法岩石研磨性的侧定方法 岩石研磨性的测定没有统一的方法，往往只能间接岩石研磨性的测定没有统一的方法，往往只能间接表达或不定量表达，其测定方法可归纳为三类表

22、达或不定量表达，其测定方法可归纳为三类: (1)直接测定法直接测定法:可用于测定切削工具的磨损高度、可用于测定切削工具的磨损高度、切削工具磨损接触面积或测量磨损重量、体积等。切削工具磨损接触面积或测量磨损重量、体积等。 (2)间接测定法间接测定法(相对磨损相对磨损):可用于测量钻头完全磨损可用于测量钻头完全磨损前的进尺，考察单位进尺研磨材料的消耗或测量机械钻速前的进尺，考察单位进尺研磨材料的消耗或测量机械钻速的曲线变化。的曲线变化。 (3)室内测定法室内测定法:可用于测量岩石硬度及摩擦系数的乘可用于测量岩石硬度及摩擦系数的乘积，测定标准材料积，测定标准材料(如合金、截杆、圆盘等如合金、截杆、圆

23、盘等)的磨损，或作的磨损，或作冲击磨损试验等。冲击磨损试验等。直接测定法和间接测定法已用于硬合金和金刚石钻直接测定法和间接测定法已用于硬合金和金刚石钻进中。测量钻头完全磨损前的进尺是用硬合金钻头，取进进中。测量钻头完全磨损前的进尺是用硬合金钻头，取进尺前、后钻头质量差与进尺之比作为研磨性指标尺前、后钻头质量差与进尺之比作为研磨性指标(g/m).1 1、定义：岩石被破碎的难易程度；岩石抗破碎的能力。、定义：岩石被破碎的难易程度；岩石抗破碎的能力。 2 2、特点：、特点：多变量函数多变量函数，受天然的、工艺的技术性因素的影响。，受天然的、工艺的技术性因素的影响。 3 3、测量方法：、测量方法： 微

24、钻头试验法：微钻头试验法：1 1/ /4 4 “(31.75mm) “(31.75mm)，钻压，钻压889.66N889.66N，转速，转速55rpm55rpm，在岩样上钻三个孔，孔深，在岩样上钻三个孔，孔深2.4mm2.4mm，取三个孔钻进时间的平，取三个孔钻进时间的平均值为岩样的钻时（均值为岩样的钻时（ ），对取以），对取以2 2为底的对数值作为该岩样的可为底的对数值作为该岩样的可钻性级值钻性级值 ，一般，一般 取整数值。取整数值。 可钻性级值分为可钻性级值分为1010级。级。 4 4、意义：（、意义：（1 1）钻头选型及钻头磨损预测）钻头选型及钻头磨损预测 （2 2）确定最优的钻井参数）

25、确定最优的钻井参数 （3 3）机械钻速预测）机械钻速预测 （4 4）确定钻井工作定额）确定钻井工作定额2logddKtdtdKdK在勘探钻进工作中可以用以下方法来划分岩石的可钻性级别。在勘探钻进工作中可以用以下方法来划分岩石的可钻性级别。1.刻划对比法刻划对比法刻划对比法比较粗略，但操作简单易行，具体指标如下刻划对比法比较粗略，但操作简单易行，具体指标如下:(1)大拇指指甲大拇指指甲:刻划刻划1一一3级的岩石矿物级的岩石矿物;(2)铁刀铁刀:刻划刻划3一一4级的岩石矿物级的岩石矿物;(3)普通钢刀普通钢刀:刻划刻划4一一5级的岩石矿物级的岩石矿物;(4)锉刀锉刀:刻划刻划5一一6级的岩石矿物级

26、的岩石矿物;(5)合金刀合金刀:刻划刻划7一一8级的岩石矿物。级的岩石矿物。 2.按岩石力学性质进行分级按岩石力学性质进行分级 按岩石力学性质进行分级是采用单一的岩石力学性质来划分岩石按岩石力学性质进行分级是采用单一的岩石力学性质来划分岩石可钻性级别，如按压人可钻性级别，如按压人硬度值把岩石分成硬度值把岩石分成6类类12级。级。 3.按机械钻速分级按机械钻速分级 按机械钻速分级的方法是在规定的设备、工具和技术规范条件下按机械钻速分级的方法是在规定的设备、工具和技术规范条件下进行现场实际钻进，以所得的纯钻进速度作为岩石可钻性的分级指标。进行现场实际钻进，以所得的纯钻进速度作为岩石可钻性的分级指标

27、。l4.微钻法微钻法 5.破碎比功法破碎比功法 用圆柱形压头做压人试验时，可通过压力与吃入深度用圆柱形压头做压人试验时，可通过压力与吃入深度曲线图求出破碎功，然后计算出单位曲线图求出破碎功，然后计算出单位接触面积破碎比功接触面积破碎比功A，根据破碎比功对岩石进行可钻，根据破碎比功对岩石进行可钻性分级性分级. 大港大港6.46.416.816.829.229.227.927.914.814.84.244.240.10.1胜利胜利8.08.011.911.918.918.922.122.118.918.912.012.05 52 20.80.80.20.2苏北苏北6.56.57.77.711.91

28、1.915.515.517.117.115.515.511.711.77.67.63.93.92.62.6西北西北0.010.010.30.34.54.515.315.34705470526.026.05.85.80.40.40.10.1江汉江汉2.12.15.15.111.411.418.418.421.721.719.519.512.712.76.26.22.22.2华北华北4.24.26.36.311.211.216.116.118.518.517.217.212.912.97.77.73.83.82.12.1大庆大庆0.60.62.22.26.76.714.014.021.321.32

29、2.922.917.617.69.59.53.93.91.31.3四川四川0.070.070.430.433.93.914.214.228.228.229.929.917.117.16.06.00.90.90.010.01表表1-14 1-14 我国各油田地层可钻性等级所占比例（我国各油田地层可钻性等级所占比例（% %）表）表第三节第三节 地下压力特性地下压力特性（ Underground pressure characteristics ）（一）静液压力（一）静液压力（ hydrostatic pressure ）（二）上覆岩层压力（二）上覆岩层压力（ overburden pressure

30、 ）（三）地层压力（三）地层压力（ formation pressure ）（四）基岩应力（四）基岩应力（ matrix stress ）（五）异常压力（五）异常压力（ abnormal pressure ）一、地下各种压力的概念（一、地下各种压力的概念（ The concept of various pressure underground ）（一）静液压力（一）静液压力（hydrostatic pressurehydrostatic pressure） 静液压力静液压力是由液柱自身的重力所引起的压力是由液柱自身的重力所引起的压力, ,它的大小与液体的密度、它的大小与液体的密度、液柱的垂直高

31、度或深度有关，即液柱的垂直高度或深度有关，即从地表到地下某一深度连续地层水的重从地表到地下某一深度连续地层水的重（压）力（压）力：（：（Hydrostatic pressure is caused by the gravity of liquid column.） 式中：式中：p ph h-静液压力，静液压力，MpMpa a； hydrostatic column pressure - -液体的密度，液体的密度，g/cmg/cm3 3； fluid desity h h1 1-液柱的垂直高度，液柱的垂直高度，m m。 fluid column vertical depth100981. 0hp

32、h(1-1)一、地下各种压力的概念一、地下各种压力的概念压力梯度：压力梯度：单位高度或单位深度的液柱压力。单位高度或单位深度的液柱压力。pressure gradient：Unit of the height or unit of the depth of fluid column pressure静液压力梯度静液压力梯度： gradient of hydrostatic pressure 00981. 01hpGhh两类地层水：两类地层水： （Two kinds of formation water） 淡水（淡水（ fresh water ）：）： G Gh h=0.00981 MPa/m=

33、0.00981 MPa/m；=1.0 g/cm=1.0 g/cm3 3盐水：（盐水：（ saline water ）G Gh h= 0.0105 MPa/m= 0.0105 MPa/m；=1.05 g/cm=1.05 g/cm3 3静液压力梯度静液压力梯度的大小与液体的大小与液体中所溶解的矿中所溶解的矿物及气体浓度物及气体浓度有关。有关。(1-2)一、地下各种压力的概念一、地下各种压力的概念（二）上覆岩层压力（二）上覆岩层压力（Overburden pressureOverburden pressure） 地层某处的地层某处的上覆岩层压力上覆岩层压力是指该处以上是指该处以上地层岩石基质地层岩石

34、基质和和孔隙流体孔隙流体的总的总重力所产生的压力，即重力所产生的压力，即面积流体重力基岩重力0p一、地下各种压力的概念一、地下各种压力的概念00.009811(1 3)mapD 式中：式中：p p0 0-上覆岩层压力，上覆岩层压力，MPaMPa； D-D-地层垂直深度，地层垂直深度，m m； -岩石孔隙度，岩石孔隙度，% %； mama-岩石骨架密度，岩石骨架密度，g/cmg/cm3 3； -孔隙中流体密度，孔隙中流体密度，g/cmg/cm3 3。公式推导：公式推导： DgpVgmmDpSgmmDDpSGGpp)()()(00000流体基岩流体基岩流体基岩流体基岩面积流体重力基岩重力一、地下各

35、种压力的概念一、地下各种压力的概念00.009811(1 3)mapD DoodDDp0)(00981. 0ioioDp00981. 0岩层连续岩层不连续 上覆岩层压力梯度一般分层段计算上覆岩层压力梯度一般分层段计算, ,密度和岩性接近的层段作为密度和岩性接近的层段作为一个沉积层一个沉积层, ,即即式中：式中：G G0 0-上覆岩层压力梯度，上覆岩层压力梯度，MPa/mMPa/m； p p0 0-第第i i层段上的上覆岩层压力，层段上的上覆岩层压力，MPaMPa； D Di i-第第i i层段的厚度，层段的厚度，m m； oioi-第第I I层段的平均密度，层段的平均密度，g/cmg/cm3

36、3。4100981. 00iioiioiDDDPG一、地下各种压力的概念一、地下各种压力的概念上覆岩层压力梯度（上覆岩层压力梯度（gradient of Overburden pressure）l上覆岩层压力随深度增加而增大。上覆岩层压力随深度增加而增大。l沉积岩的平均密度大约为沉积岩的平均密度大约为2.52.5克克/ /厘米厘米3 3，上覆岩层压力梯度一般为，上覆岩层压力梯度一般为0.02270.0227兆帕兆帕/ /米。米。l在实际钻井过程中，以钻台作为上覆岩层压力的基准面。在实际钻井过程中，以钻台作为上覆岩层压力的基准面。一、地下各种压力的概念一、地下各种压力的概念（三）地层压力（三）地

37、层压力（formation formation pressurepressure）地地 层层 压压 力：力：指岩石孔隙中的流体所具有的压力，也称地层孔隙指岩石孔隙中的流体所具有的压力，也称地层孔隙压力（压力（formation pore pressureformation pore pressure），用），用Pp Pp 表示。表示。正常地层压力：正常地层压力：等于静液压力，等于静液压力，p pp p=p=ph h。一、地下各种压力的概念一、地下各种压力的概念 formation pressure：Rock porosity of the fluid pressure， Also called

38、 formation pore pressure， Representation by Pp. Normal formation pressure: equal to Hydrostatic pressure.10.00981phpph（三）地层压力（三）地层压力（formation pressureformation pressure）异常地层压力：异常地层压力：地层压力大于或小于正常地层压力。地层压力大于或小于正常地层压力。异异 常常 高高 压：压：超过正常地层压力的地层压力超过正常地层压力的地层压力( (P Pp pPPh h) ) 。异异 常常 低低 压：压：低于正常地层静液压力的地层

39、压力低于正常地层静液压力的地层压力(p(pp pppp+ 3321地层破裂压力的计算：地层破裂压力的计算： （一）（一） 休伯特和威利斯休伯特和威利斯(Hubbert&Willis)(Hubbert&Willis)法法 而而 故故 201213113ppfpppppp 01)211 (21310ppfpppp221)2131 (0DPPDpGPpf根据式根据式(1-20)(1-20)求地层破裂压力梯度求地层破裂压力梯度式中：式中：G Gf f-井深井深D D处的地层破裂压力梯度，处的地层破裂压力梯度，MPa/mMPa/m； p pf f-井深井深D D处的地层破裂压力处的地层破

40、裂压力, MPa, MPa； p pp p-井深井深D D处的地层压力处的地层压力, MPa, MPa； p p0 0-井深井深D D处的上覆岩层压力处的上覆岩层压力, MPa, MPa； D-D-井深，井深，m m。221)2131 (0DPPDpGPpf（二）（二） 马修斯和凯利马修斯和凯利(Mathews&Kelly)(Mathews&Kelly)法法式中：式中：Ki-Ki-骨架应力系数，无因次；骨架应力系数，无因次； -骨架应力，骨架应力，MpaMpa。231DKDpGipffpippK201213113ppfppp（三）（三） 伊顿伊顿(Eaton)(Eaton)法法

41、 横向应变和纵向应变之间的比值被定义为横向应变和纵向应变之间的比值被定义为泊松比泊松比.(.(The ratio between lateral strain and longitudinal strain, be defined Poisson ratio) ) 水平应力与垂直应力之比值水平应力与垂直应力之比值. . 式中：式中：h-h-水平应力，水平应力，MpaMpa； -垂直应力垂直应力, Mpa, Mpa； -岩石的泊松比。岩石的泊松比。 将上式引入地层破裂压力梯度计算公式将上式引入地层破裂压力梯度计算公式(1-23),(1-23),从而扩充了马修斯和凯利的从而扩充了马修斯和凯利的理论

42、理论, ,即即2411h231DKDpGipf2511DDpGpf （四）（四） 计算地层破裂压力的新方法计算地层破裂压力的新方法the new method for calculate formation fracture resistance 式中：式中：Kss-Kss-构造应力系数，无因次；构造应力系数，无因次； Srt-Srt-岩石的抗拉强度，岩石的抗拉强度，MPaMPa。21261fpssvprtppKppSwhere：Kss -tectonic stress factor，dimension Srt -resistance to tension of rock，MPa。新模式的前述

43、三个模式相比有新模式的前述三个模式相比有两个显著特点两个显著特点: : (1)(1)地应力一般不是均匀的，模式中包括了三个主应力的影响。地应力一般不是均匀的，模式中包括了三个主应力的影响。垂直应力可认为是由上覆岩层重力引起的。水平地应力由两部分组垂直应力可认为是由上覆岩层重力引起的。水平地应力由两部分组成成，一部分是由上覆岩层的重力作用引起的，它是岩石泊松比的函，一部分是由上覆岩层的重力作用引起的，它是岩石泊松比的函数；另一部分是数；另一部分是地质构造应力地质构造应力，与岩石的泊松比无关，且在两个方，与岩石的泊松比无关，且在两个方向上一般是不相等的。向上一般是不相等的。 (2)(2)地层的破裂

44、是由井壁上的应力状态决定的。深部地层的水压地层的破裂是由井壁上的应力状态决定的。深部地层的水压致裂是由于井壁上的有效切向应力达到或超过了岩石的致裂是由于井壁上的有效切向应力达到或超过了岩石的抗拉强度抗拉强度。（五）（五） 液压实验（液压实验（漏失实验漏失实验）法）法 液压实验法的步骤如下：液压实验法的步骤如下： (1)(1)循环调节钻井液性能，保证循环调节钻井液性能，保证钻井液性能稳定，上提钻头至钻井液性能稳定，上提钻头至套管套管鞋鞋内，关闭防喷器。内，关闭防喷器。 (2)(2)较小排量（较小排量（0.66-1.32L/s)0.66-1.32L/s)向向井内注入钻井液，并记录各个时期井内注入钻

45、井液，并记录各个时期的注入量及立管压力。的注入量及立管压力。 (3)(3)作立管压力与泵入量（累计）作立管压力与泵入量（累计）的关系曲线图，如的关系曲线图，如1-81-8所示。所示。Hydraulic experimental method (4) (4)从图上确定各个压从图上确定各个压力值，力值，漏失压力漏失压力为为P PL L, ,即开即开始偏离直线点的压力，其始偏离直线点的压力，其后压力继续上升；压力升后压力继续上升；压力升到最大值，即为到最大值，即为开裂压力开裂压力p pf f；最大值过后压力下降；最大值过后压力下降并趋于平缓并趋于平缓, ,平缓的压力称平缓的压力称为为传播压力传播压力

46、, ,即图中的即图中的p pr r. . 漏失压力漏失压力开裂压力开裂压力传播压力传播压力Leakage pressure cracking pressurePropagation pressure(5)(5)求地层破裂压力当量密度求地层破裂压力当量密度式中式中:m m-试验用钻井液密度试验用钻井液密度,g/cm,g/cm3 3; ; P PL L-漏失压力漏失压力,MPa;,MPa; D- D-实验井深实验井深,m.,m. 27100981. 0DPLmfl相关概念：相关概念： 地应力的概念地应力的概念 井壁坍塌压力的概念井壁坍塌压力的概念 地层破裂压力的概念地层破裂压力的概念l地层破裂压力

47、计算地层破裂压力计算第四节第四节 井底压力条件下岩石的力学性质及其影响因素井底压力条件下岩石的力学性质及其影响因素 under bottom-hole pressure condition, mechanical properties of rocks and its influencing factors一、一、井眼周围岩石的受力状态井眼周围岩石的受力状态the strained condition of rock around the hole （1 1）上覆岩层压力）上覆岩层压力3 （2 2）地层孔隙压力）地层孔隙压力p pp p （3 3）水平地应力）水平地应力1、 2 （4 4）钻井

48、液液柱压力）钻井液液柱压力p ph h pp3一、一、井眼周围岩石的受力状态井眼周围岩石的受力状态 （3 3）水平地应力）水平地应力1 由垂直方向上的由垂直方向上的上覆岩层压力上覆岩层压力3产生的水平地应力，是各向同性的。产生的水平地应力，是各向同性的。 由由地质构造力地质构造力产生的水平地应力，它产生的水平地应力，它在水平的两个主方向上一般是不相等的。在水平的两个主方向上一般是不相等的。但都随埋藏深度的增加而线性增大。但都随埋藏深度的增加而线性增大。)(1(321pp)(1()(1(3231pppp1.1.地应力的影响地应力的影响(formation stress influence)l地应

49、力对井壁稳定性影响地应力对井壁稳定性影响linfluence on wall stability 坍塌、缩径坍塌、缩径 collapse、hole shrinkage 地层破裂地层破裂formation fracture二、井底各种压力对岩石性能的影响二、井底各种压力对岩石性能的影响二、井底各种压力对岩石性能的影响二、井底各种压力对岩石性能的影响 2.2.液柱压力和孔隙压力对岩石性能的影响液柱压力和孔隙压力对岩石性能的影响( (fluid column pressure and pore pressure influence on rock properties) ) 1 1）孔隙压力）孔隙压

50、力 对岩石性能的影响对岩石性能的影响 由三轴实验可见：由三轴实验可见： 有效应力有效应力（有效应力（有效应力= =围压围压- -孔隙压力）孔隙压力） 各向压缩效应各向压缩效应（围压围压 岩石强度塑性岩石强度塑性） 岩石强度岩石强度 岩石塑性岩石塑性 外压（围压外压（围压 ）与内压（孔隙压力）与内压（孔隙压力 ）之差，称为）之差，称为有效应力有效应力（ ）。）。33pp 3pp3pp围围 压压(1 1=p=p2 2)/MP)/MPa a 孔隙压力孔隙压力 (p(pp p) /MP) /MPa a 有效应力有效应力 (3 3-p-pp p) /MP) /MPa a岩石的破碎应力岩石的破碎应力( (

51、强度极限强度极限) ) ( (1 1- - 3 3) /MP) /MPa a 0 0 0 0 0 0 59.8 59.8 34.5 34.5 34.5 34.5 0 0 58.4 58.4 13.8 13.8 6.9 6.9 6.9 6.9 106.0 106.0 20.7 20.7 0 0 20.7 20.7 171.0 171.0 34.5 34.5 13.8 13.8 20.7 20.7 169.1 169.1 44.8 44.8 24.1 24.1 20.7 20.7 166.7 166.7 69.0 69.0 48.3 48.3 20.7 20.7 167.1 167.1 34.5

52、34.5 0 0 34.5 34.5 211.0 211.0 48.3 48.3 13.8 13.8 34.5 34.5 211.8 211.8 69.0 69.0 34.5 34.5 34.5 34.5 212.7 212.7 55.2 55.2 0 0 55.2 55.2 253.8 253.8 69.0 69.0 13.8 13.8 55.2 55.2 250.4 250.4表表1-10 1-10 有效应力的作用有效应力的作用 岩石的强度岩石的强度只决定于只决定于“有有效应力效应力”的大的大小。小。Rock strength only depends on the size of the effectiv