钻井工程地质条件PPT学习教案

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1、会计学1)1(00981.0maoDp面积流体重力基岩重力 po第1页/共64页 HHHPGiioiioio 00981.0第2页/共64页第3页/共64页poPP第4页/共64页地下各种压力之间的关系地下各种压力之间的关系 （ Po 、 Pp 和之间的关系） Po= （基岩重力 + 孔隙流体的重力）/ 面积 Pp Po = Pp +由上式可知 上覆岩层压力由基岩和孔隙流体共同承担。 Po 一定， 减小， Pp 增大。 当0时， Pp Po 。 不管任何原因使基岩应力下降，都会导致孔隙压力增大。第5页/共64页Po 、 Pp 和和之间的关系可用下图表示之间的关系可用下图表示第6页/共64页第7

2、页/共64页第8页/共64页第9页/共64页第10页/共64页第11页/共64页第12页/共64页)1 (3)1 (ET第13页/共64页第14页/共64页第15页/共64页)/log()/log(dVbpcWnd 第16页/共64页dVbpcWnd0684.0log0547.0log第17页/共64页 d d指数与机械钻速也成反比，所以指数与机械钻速也成反比，所以d d指数与压差的大小有指数与压差的大小有关，因此关，因此d d指数可用来检测异常高压。指数可用来检测异常高压。在正常地层压力，机在正常地层压力，机械钻速随井深增加而减小，械钻速随井深增加而减小，d d指数随井深增加而增大。进入指数

3、随井深增加而增大。进入压力过渡带和异常高压地层后，实际的压力过渡带和异常高压地层后，实际的d d指数较正常基线偏指数较正常基线偏小。小。 d d指数法的前提之一是保持泥浆密度不变，为消除钻井指数法的前提之一是保持泥浆密度不变，为消除钻井液密度的变化对液密度的变化对d d指数的影响，提出了修正的指数的影响，提出了修正的d d指数法，即指数法，即d dc c指数法。指数法。第18页/共64页dncdd第19页/共64页 直接计算法：直接计算法： (1)(1)在高压层顶部以上至少在高压层顶部以上至少300300米的纯泥页岩井段，按一米的纯泥页岩井段，按一定深度间隔取点定深度间隔取点 记录每点所对应的

4、钻速、钻压、转速、钻记录每点所对应的钻速、钻压、转速、钻头直径、地层水密度和实际泥浆密度等六项参数。头直径、地层水密度和实际泥浆密度等六项参数。 (2)(2)根据记录的数据计算根据记录的数据计算d d指数和指数和d dc c指数。指数。 (3)(3)在半对数坐标纸上一一作出在半对数坐标纸上一一作出d dc c指数和相应的井深所确指数和相应的井深所确定的点。定的点。 (4)(4)根据正常地层压力井段的数据引根据正常地层压力井段的数据引d dc c指数的正常趋势线指数的正常趋势线。 (5)(5)计算地层压力。计算地层压力。第20页/共64页ddcacnnp第21页/共64页图1-6 dc指数的等效

5、深度12第22页/共64页第23页/共64页第24页/共64页HHpppGpopf)(2131(第25页/共64页hiK HHKpGipf第26页/共64页1hHHpGpf1第27页/共64页SpppptpopfK)(12(第28页/共64页n(2)(2)地层的破裂是由井壁上的应力状态决定的地层的破裂是由井壁上的应力状态决定的。深部地层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抗拉强度。石的抗拉强度。n岩石抗张强度岩石抗张强度S St t是利用钻取的地下岩心在室内采用巴西实是利用钻取的地下岩心在室内采用巴西实验求得的。验求得

6、的。n构造应力系数构造应力系数K K对不同的地质构造是不同的，但它在同一对不同的地质构造是不同的，但它在同一构造断块内部是一个常数，且不随深度变化。构造断块内部是一个常数，且不随深度变化。第29页/共64页第30页/共64页 (4)从图上确定各个压力值：漏失压力为从图上确定各个压力值：漏失压力为PL，即开始偏离，即开始偏离直线点的压力；其后压力继续上升，即为开裂压力直线点的压力；其后压力继续上升，即为开裂压力Pr ；压；压力升到最大值，即为传播压力力升到最大值，即为传播压力Prro，最大值过后压力下降并最大值过后压力下降并趋于平缓；趋于平缓；（5)求地层破裂压力当量密度求地层破裂压力当量密度f

7、 f f fm mp pL L/(0.00981H) (1-27)/(0.00981H) (1-27) m m 试验用泥浆密度，试验用泥浆密度，g/cmg/cm3 3； H H 试验井深，试验井深，m m。第31页/共64页PRro图图1-8 1-8 液压试验曲液压试验曲线线第32页/共64页第33页/共64页 沉积岩可分为结晶沉积岩和碎屑沉积岩两大类。沉积岩可分为结晶沉积岩和碎屑沉积岩两大类。 结晶沉积岩是盐类物质从水溶液中沉淀或在地壳中结晶沉积岩是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，包括石灰岩、白云岩、石膏等。发生化学反应而形成的，包括石灰岩、白云岩、石膏等。 碎屑沉积岩

8、则是由岩石碎屑经沉积、压缩及流经沉碎屑沉积岩则是由岩石碎屑经沉积、压缩及流经沉积物的溶液中沉淀出的胶结物的胶结作用而形成的，包括积物的溶液中沉淀出的胶结物的胶结作用而形成的，包括砂岩、泥岩、砾岩等，胶结物通常有硅质、石灰质、铁质砂岩、泥岩、砾岩等，胶结物通常有硅质、石灰质、铁质和泥质几种。和泥质几种。第34页/共64页第35页/共64页( (二二) ) 岩石的弹性（岩石的弹性（elasticity of rock） 物体在外力作用下产生变形，外力撤除以后，变形随物体在外力作用下产生变形，外力撤除以后，变形随之消失，物体恢复到原来的形状和体积的性质称为弹性变之消失，物体恢复到原来的形状和体积的性

9、质称为弹性变形。形。当外力撤除后，变形不能消失的称为塑性变形。当外力撤除后，变形不能消失的称为塑性变形。 产生弹性变形的物体在变形阶段，应力与应变的关系产生弹性变形的物体在变形阶段，应力与应变的关系服从虎克定律：服从虎克定律： =E=E (1-28) (1-28) 式中：式中： 应力；应力； 应变；应变；EE弹性模量弹性模量。第36页/共64页)281( zyzx)291(Ezyx)1(2EG第37页/共64页第38页/共64页 影响岩石强度的因素：影响岩石强度的因素：岩石本身特性岩石本身特性（内因）和破（内因）和破碎时的碎时的工艺技术因素工艺技术因素（外因）。（外因）。 内因：内因：岩石的矿

10、物成分，胶结物的成分和比例（沉岩石的矿物成分，胶结物的成分和比例（沉积岩）；矿物颗粒的尺寸；岩石的密度和孔隙度。岩石积岩）；矿物颗粒的尺寸；岩石的密度和孔隙度。岩石的强度一般情况下随着埋藏深度的增加而增加。的强度一般情况下随着埋藏深度的增加而增加。 外因：外因：岩石的受载方式；岩石的应力状态，外载作岩石的受载方式；岩石的应力状态，外载作用的速度，液体介质性质等。用的速度，液体介质性质等。第39页/共64页岩石抗压强度cMpa抗拉强度tMpa抗剪强度sMpa抗弯强度rMpa粗粒砂岩1425.1410.3中粒砂岩1515.213.1细粒砂岩1857.9524.9页 岩14611.7836泥 岩18

11、3.23.5石 膏171.96含膏石灰岩422.46.5安山岩98.65.898白云岩1626.9118石灰岩1389.1145花岗岩16612198正长岩215.214.3221辉长岩23013.5244石英岩30514.4316辉绿岩34313.4347第40页/共64页岩石抗压强度抗拉强度抗弯强度抗剪强度花岗岩10.020.040.030.09砂岩10.020.050.060.200.100.12石灰岩10.040.100.080.100.15第41页/共64页3. 复杂应力条件下岩石的强度复杂应力条件下岩石的强度(1) (1) 三轴岩石试验方法三轴岩石试验方法 三轴应力试验是在复杂应力

12、状态下定量测试岩石机三轴应力试验是在复杂应力状态下定量测试岩石机械性质的可靠方法。是在岩石样品的三个方向上分别施械性质的可靠方法。是在岩石样品的三个方向上分别施加应力进行测试。加应力进行测试。 图图1-9A1-9A表示了四种三轴试验的方案，其中表示了四种三轴试验的方案，其中a a是最常是最常见的一种，称为常规三轴实验。见的一种，称为常规三轴实验。施力方案是施力方案是 12= 3=p第42页/共64页图图1-9B 常规三轴实验常规三轴实验第43页/共64页第44页/共64页Oil CreakOil Creak石英砂岩，石英砂岩，HasmarkHasmark白云岩白云岩BlainBlain硬石膏，

13、硬石膏，YuleYule大理岩大理岩BarnsBarns砂岩及砂岩及MariannaMarianna石灰岩石灰岩（曲线重合）（曲线重合）MuddyMuddy页岩，页岩， 盐岩盐岩第45页/共64页第46页/共64页1. 1. 莫氏硬度莫氏硬度 岩石或其它材料的相对硬度。岩石或其它材料的相对硬度。2. 岩石的压入硬度岩石的压入硬度 岩石的压入硬度是苏联的史立涅尔提出的，也称史氏硬岩石的压入硬度是苏联的史立涅尔提出的，也称史氏硬度。度。 要求：（要求：（1）岩样的长度为）岩样的长度为3050mm，直径，直径4050mm，两端面光滑且相互平行；，两端面光滑且相互平行；第47页/共64页 （2）压头用

14、高强度钢或硬质合金制成。）压头用高强度钢或硬质合金制成。 压头有平底圆柱形和截锥形两种。压头有平底圆柱形和截锥形两种。 对于致密均质岩石，采用对于致密均质岩石，采用12mm2的压头；颗粒大于的压头；颗粒大于0.5mm且硬度不高的岩石宜使用且硬度不高的岩石宜使用3mm2的压头；多孔低强度岩石的压头；多孔低强度岩石用用5mm2的压头。的压头。 硬度小于硬度小于25千巴的岩石，多采用平底圆柱形高强度钢压头千巴的岩石，多采用平底圆柱形高强度钢压头； 硬度大于硬度大于2530千巴的岩石，多采用平底圆柱形硬质合金千巴的岩石，多采用平底圆柱形硬质合金钢压头；钢压头； 硬度大于硬度大于4050千巴的岩石，多采

15、用截锥形硬质合金钢压千巴的岩石，多采用截锥形硬质合金钢压头；头；第48页/共64页图图1-12 1-12 岩石硬度实验装置岩石硬度实验装置 6777第49页/共64页)331 ( MPaSPPY)341 (0MPaSPPY类别软中软中硬硬坚硬极硬级别123456789101112MPa112.5 2.55 510 101515202030304040505060607070第50页/共64页第51页/共64页的面积的面积ODEOABCAAKEFP类脆塑脆性塑别性低塑性高塑性性级 别123456塑性系数 K1122334466第52页/共64页在下列围压下破坏前的应变量， 岩 石P100 MPa

16、P200 MPa Oil Creek 石英砂岩2.93.8 Hasmark 白云岩7.313.0 Blain 硬石膏7.022.3 Yule 大理岩22.028.8 Barns 砂岩25.825.9 Mirianna 石灰岩29.127.2 Muddy 页岩15.025.0岩盐28.827.5第53页/共64页第54页/共64页井眼周围地层岩石受力示意图井眼周围地层岩石受力示意图第55页/共64页)351 (113231pppp第56页/共64页( (二二) ) 井底各种压力对岩石性能的影响井底各种压力对岩石性能的影响 1. 地应力的影响地应力的影响 某些试验表明，当地应力值太小，对钻进速度的

17、影响某些试验表明，当地应力值太小，对钻进速度的影响不明显。不明显。 理论分析表明，无论是垂直的上覆岩层压力或是水平理论分析表明，无论是垂直的上覆岩层压力或是水平的地应力的地应力( (均匀的或非均匀的均匀的或非均匀的) )都会影响井壁岩石的应力状都会影响井壁岩石的应力状态，从而影响到井壁的稳定。态，从而影响到井壁的稳定。第57页/共64页围压孔隙压力有效应力岩石的破碎应力(强度极限)1=P2 MPaPP Mpa(3-PP) Mpa(1-3) Mpa00059.834.534.5058.413.86.96.9106.020.7020.7171.034.513.820.7169.144.824.12

18、0.7166.769.048.320.7167.134.5034.5211.048.313.834.5211.869.034.534.5212.755.2055.2253.869.013.855.2250.4第58页/共64页岩 石泥 灰岩 大 理岩 白 云岩液压 Mpa硬度 MPa相对值硬度 MPa相对值硬度 Mpa相对值0498100.0803100.020602121.03670100.035633127.2980122.04136112.765773155.41083135.04220115.085856172.01180147.04504124.0951301261.34626126

19、.21001626306.01490185.54940134.7第59页/共64页图图1-18 1-18 液柱压力对钻井速度的影响液柱压力对钻井速度的影响Rifle Rifle 页岩；页岩；SpraberrySpraberry页岩页岩 WyomingWyoming红层；红层；PennsylvanianPennsylvanian灰岩灰岩 Rush Spring砂岩；砂岩；Ellenberger白云白云岩岩第60页/共64页第61页/共64页四、岩石的可钻性（四、岩石的可钻性（rock drillability） 岩石可钻性是岩石抵抗破碎的能力。也是钻井时岩石岩石可钻性是岩石抵抗破碎的能力。也是钻井时岩石破碎难易程度的具体表现。破碎难易程度的具体表现。 岩石可钻性是岩石在钻进过程中显示出的综合性指标岩石可钻性是岩石在钻进过程中显示出的综合性指标，它取决于岩石自身的物理力学性质以及破碎岩石的工艺，它取决于岩石自身的物理力学性质以及破碎岩石的工艺技术措施。技术措施。 微钻头在岩样上钻孔，通过实钻钻时微钻头在岩样上钻孔，通过实钻钻时(即钻速即钻速)确定岩样确定岩样可钻性。我国将地层可钻性按可钻性。我国将地层可钻性按Kd的整数值分为的整数值分为10级。级。第62页/共64页本章结束！本章结束！第63页/共64页