钻井的工程地质条件.ppt

1,本章主要内容地下各种压力的概念异常高压的成因地层破裂压力岩石的力学特性,第一章钻井的工程地质条件,2,一、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所引起的压力,其大小与液体的密度与液柱的垂直高度或深度。ph0.00981ρhl1-1式中ph静液压力，MPa；ρ液体密度，g/cm3；hl液柱垂直高度，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＝0.00981ρ（1-2）两类地层水淡水Gh0.00981MPa/m；ρ1.0g/cm3盐水Gh0.0105MPa/m；ρ1.05g/cm3,第一节地下压力特性,3,（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；ρ0i地层密度，g/cm3。,（分段计算）,4,（二）上覆岩层压力（Overburdenpressure）地层密度的确定密度测井法声波测井法oTma-2.11*T-Tma/TfT上覆岩层压力梯度上覆岩层压力随深度增加而增大。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。在实际钻井过程中，以钻台面作为上覆岩层压力的基准面。,5,（三）地层压力（ationpressure）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（ationporepressure），用pp表示。正常地层压力等于地层流体的静液压力，ppph。异常地层压力地层压力大于或小于正常地层压力。超过正常地层压力的地层压力ppph称为异常高压。低于正常地层静液压力的地层压力ppppσ3σ3σ2σ1,32,应力状态分析,33,3、预测方法（1）HubbertWillis（1957）认为①三维不均匀应力状态，σ1＞σ2＞σ3，σ31/31/2σ1②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）MathewsKelly1967认为①水平均匀地应力状态，σ3σ2KiDσ1②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力时地层才能破裂。,（1-21）,34,（3）Eaton1969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。,（1-23）,（1-24）,问题以上方法均未考虑地层的抗拉强度和地质构造应力对破裂压力的影响。,35,（4）黄荣樽（1985）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。,36,4.现场液压试验步骤下套管固井侯凝后，钻4-5m新井眼；上提钻头至套管鞋内；关闭防喷器（闸板）和节流阀；缓慢启动泵，小排量（0.66-1.32L/s向井内注入钻井液；记录注入量和立管压力并随时绘制二者关系曲线；当立压开始下降并趋于平缓后，停泵；求出地层的破裂压力。,37,38,一、地下各种压力的概念1.静液压力ph0.00981ρhl2.上覆岩层压力的概念；3.基岩应力；4.地层压力正常地层压力水力学开启系统异常高压水力学封闭系统5、异常低压和异常高压的成因；二、地层压力评价方法1.地层压力预测方法声波时差法2.地层压力监测（检测）方法dc指数法,本节小结,39,思考题1、在正常压力地层，声波时差和dc指数随井深变化的规律是什么2、利用声波时差和dc指数为什么能够预测或监测异常高压地层3、为什么现场一般在下套管固井后进行压裂实验4、如何根据压裂试验曲线计算地层破裂压力pf和构造应力系数Kss5、液压试验时，如果井口压力接近地面设备的承压能力时地层仍未压裂，此时该怎么办,40,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）。,41,2、岩石的类型三大类火成岩（岩浆岩）由岩浆（硅酸盐）容体冷凝而成。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、岩盐。,42,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。,,43,2化学沉积岩（结晶沉积）母岩风化后的溶解物质经化学沉积作用后形成晶质岩石。碳酸盐岩石灰岩，主要成分为石灰石（CaCO3）白云岩，主要成分为白云石（MgCaCO32）硫酸盐岩石膏（CaSO4）岩盐石盐（NaCl）在沉积岩中泥岩60，砂岩30，碳酸盐岩居第3位。,44,3、沉积岩的特点（1）结构特点结构指岩石的微观组织特征，包括矿物成分、颗粒大小、形状及排列方式、颗粒间的联结情况等。特点矿物成分不确定、颗粒大小不等、颗粒形状多样、颗粒分布不均匀、胶结强度有强有弱。（2）构造特点构造指岩石的宏观组织特征，是指岩石组分的空间分布及其相互间的位置关系。如层理、页理、节理（裂隙）、孔隙度等。,45,,层理岩石一层层迭起来的现象。倾斜的层状结构是沉积岩的主要构造特征。形成层理的原因①颗粒大小在纵向上的变化②岩石成分在纵向剖面上的变化③某些矿物颗粒的定向排列,颗粒大小变化,岩石成分变化,某些矿物颗粒定向排列,46,3）各向异性和非均质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。岩石一般具有各向异性的性质。如在垂直于和平行于层理面的方向上，岩石的力学性质（弹性、强度等）有较大的差异。岩石的各向异性性质是由岩石的构造特点所决定的。结晶矿物颗粒的定向排列、层理、片理、节理等使得岩石具有各向异性的特点。,47,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。岩石一般为非均质体。这是由岩石成分、颗粒大小、颗粒间的联结强度、孔隙度（密度）的不均匀性所造成的。测定岩石的力学性质时，不同部位的实验结果常存在很大的差异。因此，应采用统计学理论，取合适的均值作为代表。,48,二、岩石的机械性质（力学性质）1、几个概念岩石的力学性质岩石受力后表现出来的变形特性和强度特性。弹性岩石在外力作用下产生变形，外力撤除后变形随之消失，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。塑性岩石在外力作用下产生变形，外力撤除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。,49,脆性岩石在外力作用下变形量很小（小于3）时就发生破坏的性质。相应的破坏称为脆性破坏。强度岩石在外力作用下发生破坏时的最大应力。（P25）抗拉强度岩石单纯受拉伸应力作用时的强度。抗压强度岩石单纯受压缩应力力作用时的强度。抗剪强度岩石单纯受剪切应力作用时的强度抗弯强度岩石单纯受弯曲应力作用时的强度。,岩石强度的大小取决于岩石的内聚力和岩石颗粒间的内摩擦力。,50,弹性模量和泊松比,虎克定律,泊松比,弹性系数之间的关系,σ应力；ε应变；E弹性模量,τ应力；γ剪应变；G剪切弹性模量,（各向同性材料）,51,2、简单应力条件下岩石的力学性质简单应力条件岩石受单一外载（压、拉、剪、弯）作用。（1）试验方法,,,抗压试验,抗拉试验-巴西实验,52,抗剪试验,抗弯试验,53,破坏方式,54,（2）一般规律（P26）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岩石的弹性模量与所加载荷大小及应变种类有关。当载荷较小时，弹性模量接近常数，且各种应变情况下的弹性模量相差不大。当载荷较大时，在受压缩的情况下，弹性模量将随载荷的增大而增大；在受拉伸的情况，弹性模量则随载荷的增大而减小。③在动外力（如声波）作用下，大多数岩石服从直线虎克定律。④一般情况下，抗拉强度＜抗弯强度≤抗剪强度＜抗压强度。⑤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。,55,3、复杂应力条件下岩石的力学性质1三轴岩石试验（P28）,（a常规三轴实验（b三面压缩（三液缸、真三维）（c液压作用下的压扭（d液压作用下两面柱塞压缩,56,常规三轴试验,57,（2）一般规律（P28-29）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。随着围压的增大，岩石由脆性向塑性转变，且围压越大，岩石破坏前呈现的塑性也越大。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。在各向均匀压缩状态下，岩石永远不会破坏。,58,,4、岩石的硬度和塑性系数（P33、P29）硬度的概念岩石抵抗其它物体表面压入的能力。石油工业中的岩石硬度是压入硬度，也称为史氏硬度，是由前苏联史立涅尔提出的。硬度与抗压强度区别硬度是岩石表面的局部抵抗外力压入的能力，抗压强度则是岩石整体抗压的能力。塑性系数表征岩石塑性和脆性大小的参数。,59,,岩石硬度试验装置,7,7,1液缸缸体；2液缸柱塞；3--岩样；4压头5压力计；6千分表；7柱塞导向杆,,6,压入硬度和塑性系数的测定方法压入试验,60,岩石硬度和塑性系数的计算（P31）,塑性系数,脆性,塑脆性,塑性,61,岩石按塑性系数分类（3类、6级）,62,硬度Py（P33）,MPa,对脆性和塑脆性岩石,MPa,对塑性岩石,岩石按硬度的分类（6类、12级）,P破坏载荷；P0弹性变形载荷,63,三、影响岩石力学性质的因素分析1、岩石结构（P25（1）对晶质岩石，由硬度较高的矿物组成的岩石，其硬度也较高。如玄武岩（斜长石、辉石，6）＞白云岩（4）＞石灰岩（3）。（2）砂岩的强度随着石英（7）含量的增加而增大；硅质胶结＞钙质＞铁质＞泥质。（3）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。2、井底各种压力（P35-36）（1）有效应力（外压与内压之差）越大，岩石强度越大，塑性越大。（各向压缩效应P35）。（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。,64,3、载荷性质的影响（补充）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10m/s时，岩石硬度和塑性系数变化不大，接近于静载时的数值。在10000m深度范围内强度岩盐＜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。塑性岩盐＞石灰岩＞泥页岩＞石膏＞白云岩＞石英岩,65,四、岩石的可钻性和研磨性（P39）1、岩石可钻性RockDrillability）（1）概念可理解为岩石破碎的难易性，反映岩石抵抗钻头破碎的能力。（2）评价方法在钻压889.7N（200磅）、转速55r/min的固定条件下，用直径31.75mm（1-1/4in）的微型钻头在岩心上钻孔，以钻进2.4mm孔深所需要的时间td作为岩石可钻性指标，由此把岩石分为易钻的和难钻的。常用KdLog2td作为可钻性指标，称为可钻性级值。,66,（3）可钻性分级,67,2、岩石研磨性（RockAbrasiveness）岩石磨损钻头切削刃材料的能力称为岩石的研磨性。至今尚没有统一的测定岩石研磨性的方法和分级标准。,68,本节重点1.岩石的组成（矿物颗粒与胶结物）2.岩石三大类（火成岩、变质岩、沉积岩）3、沉积岩类型（碎屑沉积岩、化学沉积岩）4.沉积岩的特点（结构特点、构造特点）5、岩石各向异性的概念6、岩石的力学性质（受力表现出来的变形特性和强度特性）。7、岩石的强度（抗拉强度＜抗弯强度≤抗剪强度＜抗压强度）8、岩石在三轴应力条件下的强度与变形特性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。随着围压的增大，岩石由脆性向塑性转变，且围压越大，岩石破坏前呈现的塑性也越大。9、有效应力与各向压缩效应的概念；10、岩石硬度和塑性系数的概念、计算方法11、岩石硬度和塑性分级（硬度6类，12级，塑性3类，6级）12、岩石的可钻性和研磨性,