钻井的工程地质条件

12第一章钻井的工程地质条件本章主要内容：¾地下各种压力的概念¾异常高压的成因¾地层破裂压力¾岩石的力学特性3第一节地下压力特性Ph一、地下各种压力的概念（一）静液压力（hydrostaticpressure）静液压力—由液柱自身的重力产生的压力,其大小与液体的密度与液柱的垂直高度或深度有关。ph=0.00981ρhl式中：ph—静液压力，MPa；ρ—液体密度，g/cm3；hl—液柱垂直垂直高度，m。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/hl＝0.00981ρ4（二）上覆岩层压力（Overburdenpressure）上覆岩层压力—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。式中：p0—上覆岩层压力，MPa；D—地层垂直深度，m；φ—岩石孔隙度，%；ρma—岩石骨架密度，g/cm3；ρ—孔隙中流体密度，g/cm3；ρ0—地层密度，g/cm3。])1[(00981.0φρφρ+−=maoDp面积流体重力基岩重力+=poioioDpΔ∑=ρ00981.0（分段计算）PPoo5∑∑∑∑ΔΔ=Δ=iioiioioDDDpGρ00981.0地层密度的确定：¾上覆岩层压力随深度增加而增大。¾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。¾在实际钻井过程中，以钻台作为上覆岩层压力的基准面。密度测井法：直接得到。声波测井法：ρo=ΔTma-2.11*(ΔT-ΔTma)/(ΔTf+ΔT)上覆岩层压力梯度—6（三）地层压力（formationpressure）地层压力—指岩石孔隙中的流体所具有的压力，也称地层孔隙压力（formationporepressure），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压力。异常地层压力分为：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(ppph)称为异常低压。7（四）基岩应力（matrixstress）σPPpo+=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。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σ表示。公式：公式：公式：PoPpσ8上覆岩层压力由岩石骨架和孔隙中的流体共同承担，因此上覆岩层压力、地层压力和基岩应力之间存在以下关系：当po一定时，σ减小，pp增大，σ→0，pp→po。所以，地层的孔隙压力增大，基岩应力必然减小。（五）地下各种压力的关系popp+=σ9（六）异常地层压力的成因异常低压和异常高压统称为异常压力（abnormalpressure）。1．异常低压（abnormallowpressure）压力梯度小于9.81kPa／m（即正常地层压力梯度）的是异常低压。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。102．异常高压（abnormalhighpressure）地层压力梯度大于地层流体的静液压力梯度（0.00981～0.0105MPa/m)时，称为是异常高压。（1）形成异常高压的地质条件①地层具有保存流体的空隙；②地层周围存在不渗透围栅，构成圈闭；③具有一定的埋藏深度。11地层沉降压实的机理：沉积物的压缩过程是由上覆沉积层的重力引起的。随着地层的沉降，上覆沉积物重复地增加，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。因此，地层水自上而下形成连续的正常的静液压力系统。12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，形成正常压力地层。13（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欠压实作用。14二、地层压力评价地层压力预测（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、声波时差法声波时差法、页岩电阻率法。1.声波时差法声波（纵波）在单位距离地层内的传播时间称为声波时差。式中：Δt——声波时差,μs/m；ρ——岩层密度，ρ=f(φ)；E——岩石的弹性模量；μ——岩石的泊松比。对于一定的岩性（泥页岩泥页岩），），Δt≈f(φ)。)1(3)1(μμρ−+=ΔEt152.声波时差法检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（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：（3）正常沉积条件下，泥页岩声波时差与埋藏深度的关系ttttmfmΔΔΔΔ=--φcDe−=0φφttttmfmΔ−ΔΔ−Δ=00φcDmmetttt−Δ−Δ=Δ−Δ)(016（4）基本原理在正常压力层段，随着地层埋藏深度的增加，岩石孔隙度减小，密度增大，声波时差逐渐减小。在半对数坐标中，声波时差随井深呈直线变化关系，称之为正常趋势线。正常沉积条件下，泥页岩的孔隙度随深度的变化规律为：φ＝φ0e-kD式中：φ—泥页岩的孔隙度，％；φ0—泥页岩在地面的孔隙度％；k—常数;D—井深，米。进入异常高压地层时，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。据此可预测异常高压，并可根据偏离程度的大小定量计算地层压力。17（二）地层压力监测（检测）dc指数法、SigmaLog法、页岩密度法、标准化钻速法1.dc指数的概念„宾汉钻速模型（Bingham,1964)：Vpc＝Kne(W/db)d„d指数（泥页岩层）：采用常用工程单位：dVbpcWnd0684.0log0547.0log=式中：Vpc—机械钻速，m/h;n—转速，rpm;W—钻压，kN;db—钻头直径，mm)/log()/log(dVbpcWnd=18dc指数分析在正常地层压力条件下，若岩性和钻井条件不变，机械钻速随井深增加而减小，则d指数随井深增加而增大。钻遇异常高压层，由于地层欠压实，机械钻速增大，d指数则相对减小。据此可评价地层压力。•dc指数Rehm&Meclendon(1971)研究了钻井液密度变化的影响（钻井液密度增大将导致机械钻速降低，d指数增大），提出了修正的d指数，称为dc指数。ρρdncdd=式中：ρn—地层水密度;ρd—钻井液密度192.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。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。20三、地层破裂压力（三、地层破裂压力（fracturepressurefracturepressure））1.井眼周围岩石的受力状态（1）上覆岩层压力po（2）地层孔隙压力pp（3）水平地应力（4）钻井液液柱压力ph有效地应力（岩石骨架应力）：•有效垂直地应力（基岩应力）σ1=po－pp•有效水平地应力⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧−+−=−+−=))(1())(1(1312ppppσβμμσσαμμσ212.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，力，用用PPff表示。它取决于井眼周围岩石的应力状态和岩石强度。表示。它取决于井眼周围岩石的应力状态和岩石强度。1)、认为地下岩层充满着层理、节理和裂缝。井内流体压力只是沿着这些薄弱面侵入，使其张开。因此，使裂缝张开的流体压力只需克服垂直于裂缝面的地应力。地层破裂的起因：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，地层便被压裂。222.地层破裂压力phσ3σ3σ2σ2pppp裂缝张开方向地层开裂条件phpp+σ3σ3σ2σ1233.3.预测方法预测方法（1）Hubbert&Willis（1957）（正断层）认为：①三维不均匀应力状态，σ1＞σ2＞σ3，σ3=(1/3~1/2)σ1②井内液压力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。（2）Mathews&Kelly(1967)（海湾地区）认为：①水平均匀地应力状态，σ3=σ2=Ki(D)σ1②井内液柱压力必须克服地层孔隙压力和最小有效水平地应时地层才能破裂。)(0pipfppKpp−+=))(2/1~3/1(0ppfpppp−+=24（3）Eaton(1969)（虎克定律）认为：①水平均匀地应力状态，②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。σμμσσ−==123)(10ppfpppp−−+=μμEEEzyxxσμσμσε−−=25（（44）黄荣樽法（）黄荣樽法（19851985））（国产）认为：①井壁岩石处于三维不均匀应力状态，σ1＞σ2＞σ3；②水平地应力由上覆岩层压力和构造力两部分产生；③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：α，β由现场压裂实验数据求得；St岩心抗拉试验求得。tpOSSpfSppKpp+−+−+=))(12(μμβα3−=ssK264.4.现场液压试验现场液压试验步骤：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并随时绘制二者关系曲线；6、当立压开始下降并趋与平缓后，停泵；7、求出地层的破裂压力。27第二节岩石的工程力学性质一、岩石的类型及结构特点1.岩石的组成岩石是矿物颗粒的集合体，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以上元素组成的化合物。主要造岩矿物一览表（P22，表1-1），8类20种。282.岩石的类型岩石可分为三大类：火成岩（岩浆岩）—由岩浆（硅酸盐）冷凝而成。如花岗岩、玄武岩、橄榄岩、安山岩等。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。29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。胶结物有硅质、铁质、石灰质、粘土质几种。矿物胶结物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2.1沉积岩类型302.1沉积岩类型(1)碎屑沉积岩母岩风化后的物质经机械沉积作用后形成的岩石。碎屑颗粒（岩石碎屑、矿物碎屑）由胶结物（泥质、铁质、钙质、硅质）胶结在一起。砾岩：颗粒大于1mm。主要是火成岩、变质岩碎屑，碎屑间由胶结物充填。巨砾：＞1m；粗砾：100~1000mm；中砾：10~100mm；细砾：1~10mm砂岩：颗粒0.1~1mm。石英、长石、辉石、角闪石、云母等矿物颗粒+胶结物粗砂：0.5~1mm；