第一章鉆井工程地質(zhì)條件

1、 第一章第一章 鉆井的工程地質(zhì)條件鉆井的工程地質(zhì)條件n地下壓力特性地下壓力特性n巖石的工程力學性質(zhì)巖石的工程力學性質(zhì)第一節(jié)第一節(jié) 地下壓力特性地下壓力特性一、地下各種壓力的概念一、地下各種壓力的概念（一）靜液壓力（一）靜液壓力（hydrostatic pressure） 靜液壓力是由液柱自身的重力所引起的壓力。靜液壓力是由液柱自身的重力所引起的壓力。 ph=0.00981H 式中：式中：ph 靜液壓力靜液壓力, MPa, MPa； 液體的密度液體的密度,g/cm,g/cm3 3； H H 液柱的垂直高度，液柱的垂直高度，m m。 壓力梯度，表示靜液壓力隨高度或深度的變化。壓力梯度，表示靜液壓力

2、隨高度或深度的變化。 G Gh h ph / H/ H0.009810.00981 淡水或淡鹽水，淡水或淡鹽水，Gh=0.00981981 MPa/m MPa/m； 鹽水，鹽水， Gh= 0.0 0.0105 MPa/m105 MPa/m。（二）上覆巖層壓力（二）上覆巖層壓力（Overburden pressureOverburden pressure） 地層某地層某處的上覆巖層壓力是該處以上地層巖石基質(zhì)和巖石處的上覆巖層壓力是該處以上地層巖石基質(zhì)和巖石孔隙中流體總重力所產(chǎn)生的壓力，用孔隙中流體總重力所產(chǎn)生的壓力，用 p p0 表示。表示。 式中：式中：p p0 上覆巖層壓力，上覆巖層壓力，M

3、paMpa； H H 地層垂直深度地層垂直深度,m,m； 巖石孔隙度，巖石孔隙度，% %； mama 巖石骨架密度，巖石骨架密度，g/cmg/cm3 3； 孔隙中流體密度，孔隙中流體密度，g/cmg/cm3 3。)1(00981.0maoDp面積流體重力基巖重力 po 上覆巖層壓力隨深度增加而增大。上覆巖層壓力隨深度增加而增大。 沉積巖的上覆巖層壓力梯度一般為沉積巖的上覆巖層壓力梯度一般為0.02270.0227兆帕兆帕/ /米。米。 式中：式中：G G0 0 上覆巖層壓力梯度，上覆巖層壓力梯度，Mpa/mMpa/m； p poi 第第i i層段的上覆巖層壓力，層段的上覆巖層壓力，MPaMPa

4、； H Hi i 第第i i層段的厚度，層段的厚度，m m。 oi 第第i i層段的平均密度，層段的平均密度，g/cmg/cm3 3。 上式計算的是上覆巖層壓力梯度的平均值。上式計算的是上覆巖層壓力梯度的平均值。 HHHPGiioiioio 00981.0（三）地層壓力（三）地層壓力（formation pressureformation pressure） 地層壓力是指巖石孔隙中的流體所具有的壓力，也稱地層孔地層壓力是指巖石孔隙中的流體所具有的壓力，也稱地層孔隙壓力（隙壓力（formation pore pressureformation pore pressure），用），用p pp 表示

5、。表示。 正常地層壓力等于從地表到地下某處的連續(xù)地層水的靜液壓正常地層壓力等于從地表到地下某處的連續(xù)地層水的靜液壓力。力。 異常地層壓力：地層壓力大于或小于正常地層壓力。異常地層壓力：地層壓力大于或小于正常地層壓力。 超過正常地層靜液壓力的地層壓力超過正常地層靜液壓力的地層壓力(p(ppp ph h) )稱為異常高壓。稱為異常高壓。 而低于正常地層靜液壓力的地層壓力而低于正常地層靜液壓力的地層壓力(p(pp pph h) )稱為異常低壓。稱為異常低壓。 （四）基巖應(yīng)力（四）基巖應(yīng)力（matrix stressmatrix stress） 基巖應(yīng)力是巖石顆粒間相互接觸支撐的那一部分上覆巖基巖應(yīng)力

6、是巖石顆粒間相互接觸支撐的那一部分上覆巖層壓力，層壓力，亦稱有效上覆巖層壓力、骨架應(yīng)力或顆粒間壓力亦稱有效上覆巖層壓力、骨架應(yīng)力或顆粒間壓力。 上覆巖層壓力、地層壓力和基巖應(yīng)力之間的關(guān)系是：上覆巖層壓力、地層壓力和基巖應(yīng)力之間的關(guān)系是： poPP地下各種壓力之間的關(guān)系地下各種壓力之間的關(guān)系 （ Po 、 Pp 和之間的關(guān)系） Po= （基巖重力 + 孔隙流體的重力）/ 面積 Pp Po = Pp +由上式可知 上覆巖層壓力由基巖和孔隙流體共同承擔。 Po 一定， 減小， Pp 增大。 當0時， Pp Po 。 不管任何原因使基巖應(yīng)力下降，都會導致孔隙壓力增大。n Po 、 Pp 和和之間的關(guān)系

7、可用下圖表示之間的關(guān)系可用下圖表示 （五）異常壓力的成因（五）異常壓力的成因 異常低壓和異常高壓統(tǒng)稱為異常壓力（異常低壓和異常高壓統(tǒng)稱為異常壓力（abnormal abnormal pressurepressure）。）。 1 異常低壓異常低壓（abnormal low pressureabnormal low pressure） 壓力梯度小于壓力梯度小于9.81kPa9.81kPam m（即正常地層壓力梯度）的是（即正常地層壓力梯度）的是異常低壓。異常低壓。 產(chǎn)生異常低壓的原因產(chǎn)生異常低壓的原因 （1） 生產(chǎn)多年而又沒有壓力補充的枯竭油氣層。生產(chǎn)多年而又沒有壓力補充的枯竭油氣層。 （2） 地

8、下水位很低。地下水位很低。 2異常高壓異常高壓（abnormal high pressureabnormal high pressure） 壓力梯度大于壓力梯度大于10.510.5千帕米的是異常高壓。千帕米的是異常高壓。 異常高壓的形成是多種因素綜合作用的結(jié)果，這些異常高壓的形成是多種因素綜合作用的結(jié)果，這些因素與地質(zhì)作用、構(gòu)造作用和沉積速度有關(guān)。目前人們因素與地質(zhì)作用、構(gòu)造作用和沉積速度有關(guān)。目前人們公認的成因有：公認的成因有： （1）沉積物的快速沉降，壓實不均勻。）沉積物的快速沉降，壓實不均勻。 從從沉降壓實的原理沉降壓實的原理來看，在正常壓實的地層，隨著來看，在正常壓實的地層，隨著深度的

9、增加，巖石越致密，密度越大，孔隙度越小，強深度的增加，巖石越致密，密度越大，孔隙度越小，強度越高。度越高。 欠壓實地層的巖石密度低，孔隙度大。欠壓實地層的巖石密度低，孔隙度大。 （2）水熱增壓。）水熱增壓。 （3）滲透作用。）滲透作用。 （4）構(gòu)造作用。）構(gòu)造作用。 地層沉降壓實的機理地層沉降壓實的機理 地層的壓縮過程是由上覆沉積層的重力引起的。隨著上地層的壓縮過程是由上覆沉積層的重力引起的。隨著上覆沉積物不斷地增加，下覆巖層就逐漸被壓實。如果沉積物沉積覆沉積物不斷地增加，下覆巖層就逐漸被壓實。如果沉積物沉積速度較慢，地層內(nèi)的巖石顆粒就有足夠的時間重新緊密地排列，速度較慢，地層內(nèi)的巖石顆粒就有

10、足夠的時間重新緊密地排列，并使孔隙度減小，孔隙中的過剩流體被擠出并使孔隙度減小，孔隙中的過剩流體被擠出. .如果是如果是“開放開放”的地的地質(zhì)質(zhì)環(huán)境，被擠出的流體就沿著阻力小的方向，或向著低壓高滲透的環(huán)境，被擠出的流體就沿著阻力小的方向，或向著低壓高滲透的方向流動，于是便建立了正常的靜液壓力環(huán)境。地層水自上而下方向流動，于是便建立了正常的靜液壓力環(huán)境。地層水自上而下形成連續(xù)的正常的靜液壓力系統(tǒng)。形成連續(xù)的正常的靜液壓力系統(tǒng)。 地層壓實能否保持平衡，主要取決于四個因素：地層壓實能否保持平衡，主要取決于四個因素： （1）上覆巖層沉積速度的大小，）上覆巖層沉積速度的大小， （2）地層滲透率的大小，）

11、地層滲透率的大小， （3）孔隙減小的速度，）孔隙減小的速度， （4）排出孔隙流體的能力。）排出孔隙流體的能力。 地層欠壓實現(xiàn)象的形成地層欠壓實現(xiàn)象的形成 如果沉積物沉積速度很快，地層中巖石顆粒沒有足夠的如果沉積物沉積速度很快，地層中巖石顆粒沒有足夠的時間去重新排列，孔隙內(nèi)的流體的排出受到限制，基巖無法時間去重新排列，孔隙內(nèi)的流體的排出受到限制，基巖無法增加它的顆粒與顆粒之間的壓力，即無法增加它對上覆巖層增加它的顆粒與顆粒之間的壓力，即無法增加它對上覆巖層的支撐能力。由于上覆巖層繼續(xù)沉積，負荷增加，而下面基的支撐能力。由于上覆巖層繼續(xù)沉積，負荷增加，而下面基巖的支撐能力沒有增加，孔隙中的流體必然

12、開始支撐部分上巖的支撐能力沒有增加，孔隙中的流體必然開始支撐部分上覆巖層壓力。若周圍被不滲透地層圈閉起來，使得高壓流體覆巖層壓力。若周圍被不滲透地層圈閉起來，使得高壓流體無法流出，就會造成孔隙增大，地層不能被壓實到正常壓實無法流出，就會造成孔隙增大，地層不能被壓實到正常壓實程度，即形成地層欠壓實現(xiàn)象，從而導致地層異常高壓。程度，即形成地層欠壓實現(xiàn)象，從而導致地層異常高壓。異常高壓異常高壓 二、二、 地層壓力評價地層壓力評價 地層壓力評價的方法可分為兩類：預(yù)測和監(jiān)測。地層壓力評價的方法可分為兩類：預(yù)測和監(jiān)測。 用鄰近井資料進行壓力預(yù)測，建立地層壓力剖面；用鄰近井資料進行壓力預(yù)測，建立地層壓力剖面

13、； 根據(jù)所鉆井的實時數(shù)據(jù)進行壓力監(jiān)測，以掌握地層壓力的根據(jù)所鉆井的實時數(shù)據(jù)進行壓力監(jiān)測，以掌握地層壓力的實際變化規(guī)律。實際變化規(guī)律。 （一）地層壓力預(yù)測（一）地層壓力預(yù)測 常用的地層壓力預(yù)測的常用的地層壓力預(yù)測的方法有地震法、聲波時差法和頁巖方法有地震法、聲波時差法和頁巖電阻率法等。電阻率法等。 地震法一般是采用縱波勘探?？v波的傳播速度取決于傳播地震法一般是采用縱波勘探?？v波的傳播速度取決于傳播介質(zhì)的密度介質(zhì)的密度，密度，密度越大，傳播速度越大，傳播速度VpVp越快，否則傳播速度越快，否則傳播速度越慢。越慢。依據(jù)是地層壓實理論或地層欠壓實理論依據(jù)是地層壓實理論或地層欠壓實理論正常壓力地層：正常

14、壓力地層：HH ， V VP P；異常高壓層：由于地層欠壓實，異常高壓層：由于地層欠壓實， ， V VP P。聲波時差法：聲波時差法：聲波在地層中傳播的快慢常以通過單位距離所用的時間來衡量。即聲波在地層中傳播的快慢常以通過單位距離所用的時間來衡量。即 （1-61-6）式中：式中：T T 聲波在單位距離內(nèi)的傳播時間；聲波在單位距離內(nèi)的傳播時間； 巖石的密度；巖石的密度； 巖石的泊松比；巖石的泊松比； E E 巖石的彈性模量。巖石的彈性模量。)1 (3)1 (ETn聲波在地層中傳播的快慢與巖石的密度和彈性系數(shù)等有關(guān)，聲波在地層中傳播的快慢與巖石的密度和彈性系數(shù)等有關(guān)，而巖石的密度和彈性系數(shù)又取決于

15、巖石的性質(zhì)、結(jié)構(gòu)、孔而巖石的密度和彈性系數(shù)又取決于巖石的性質(zhì)、結(jié)構(gòu)、孔隙度和埋藏深度。隙度和埋藏深度。n根據(jù)聲波時差的數(shù)據(jù)，可在半對數(shù)坐標紙上繪出曲線，依根據(jù)聲波時差的數(shù)據(jù)，可在半對數(shù)坐標紙上繪出曲線，依據(jù)是地層壓實理論或地層欠壓實理論據(jù)是地層壓實理論或地層欠壓實理論n正常壓力地層：正常壓力地層：HH ， V VP P tt ； 異常高壓層：地層欠壓實，異常高壓層：地層欠壓實， ， V VP P tt。（二）地層壓力監(jiān)測（二）地層壓力監(jiān)測 常用的地層壓力監(jiān)測的方法是常用的地層壓力監(jiān)測的方法是d dc c指數(shù)法。指數(shù)法。d dc c指數(shù)法實質(zhì)上指數(shù)法實質(zhì)上是在機械鉆速法基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。是在機械

16、鉆速法基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。 機械鉆速法：利用泥頁巖壓實規(guī)律和井底的泥漿柱壓力與機械鉆速法：利用泥頁巖壓實規(guī)律和井底的泥漿柱壓力與地層壓力之差，對機械鉆速的影響的理論來檢測地層壓力的。地層壓力之差，對機械鉆速的影響的理論來檢測地層壓力的。 鉆遇異常高壓地層：巖石孔隙度突然增大，孔隙壓力突然鉆遇異常高壓地層：巖石孔隙度突然增大，孔隙壓力突然增加，壓差減小，機械鉆速突然加快增加，壓差減小，機械鉆速突然加快 壓持效應(yīng)：在在鉆進過程中，井內(nèi)始終存在壓差，在該壓壓持效應(yīng)：在在鉆進過程中，井內(nèi)始終存在壓差，在該壓差作用下，井底巖屑難以離開井底，造成鉆頭重復(fù)破碎的現(xiàn)象。差作用下，井底巖屑難以離開井底，造成鉆頭重

17、復(fù)破碎的現(xiàn)象。nd d指數(shù)法指數(shù)法是在賓漢鉆速方程的基礎(chǔ)上建立的。是在賓漢鉆速方程的基礎(chǔ)上建立的。n賓漢在不考慮水力因素的影響下提出的鉆速方程為：賓漢在不考慮水力因素的影響下提出的鉆速方程為：n V VpcpcKnKne e(W/d(W/db b) )d d (113) (113)n式中：式中：V Vpcpc 機械鉆速；機械鉆速； K K 巖石可鉆性系數(shù)；巖石可鉆性系數(shù)； n n 轉(zhuǎn)速；轉(zhuǎn)速； e e 轉(zhuǎn)速指數(shù)，取轉(zhuǎn)速指數(shù)，取e e1 1； W W 鉆壓；鉆壓；d db b 鉆頭直徑；鉆頭直徑；d d 鉆壓指數(shù)。鉆壓指數(shù)。n假設(shè)鉆井條件和巖性不變，即假設(shè)鉆井條件和巖性不變，即K=1K=1，e=

18、1e=1，則方程（，則方程（1-131-13）被簡化）被簡化為：為：n V Vpcpcn(W/dn(W/db b) )d d (114) (114)n對上式兩邊取對數(shù)，并整理后得：對上式兩邊取對數(shù)，并整理后得： (115)(115)/log()/log(dVbpcWnd n若采用常用公制單位，上式變?yōu)槿舨捎贸Ｓ霉茊挝唬鲜阶優(yōu)閚 n (1-16)(1-16)n式中：式中：V Vpcpc 機械鉆速，機械鉆速，m/hm/h；n n n 轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速，r/minr/min；n W W 鉆壓，鉆壓，kNkN；n d db b 鉆頭直徑鉆頭直徑,mm,mm；n d d 鉆壓指數(shù)鉆壓指數(shù), ,無因次。無因

19、次。dVbpcWnd0684.0log0547.0log d d指數(shù)與機械鉆速也成反比，所以指數(shù)與機械鉆速也成反比，所以d d指數(shù)與壓差的大小有指數(shù)與壓差的大小有關(guān)，因此關(guān)，因此d d指數(shù)可用來檢測異常高壓。指數(shù)可用來檢測異常高壓。在正常地層壓力，機械在正常地層壓力，機械鉆速隨井深增加而減小，鉆速隨井深增加而減小，d d指數(shù)隨井深增加而增大。進入壓力指數(shù)隨井深增加而增大。進入壓力過渡帶和異常高壓地層后，實際的過渡帶和異常高壓地層后，實際的d d指數(shù)較正常基線偏小。指數(shù)較正常基線偏小。 d d指數(shù)法的前提之一是保持泥漿密度不變，為消除鉆井液指數(shù)法的前提之一是保持泥漿密度不變，為消除鉆井液密度的變

20、化對密度的變化對d d指數(shù)的影響，提出了修正的指數(shù)的影響，提出了修正的d d指數(shù)法，即指數(shù)法，即d dc c指指數(shù)法。數(shù)法。 d dc c指數(shù)法指數(shù)法 （1-171-17） 式中：式中：d dc c 修正的修正的d d指數(shù)；指數(shù)； n n 正常地層壓力當量密度（即地層水的密度），正常地層壓力當量密度（即地層水的密度），g/cmg/cm3 3； d d 實際鉆井液密度，實際鉆井液密度， g/cmg/cm3 3 。 根據(jù)根據(jù)d dc c指數(shù)法計算地層壓力的方法有兩種：直接計算和等效深度指數(shù)法計算地層壓力的方法有兩種：直接計算和等效深度法計算。法計算。dncdd 直接計算法：直接計算法： (1)(1

21、)在高壓層頂部以上至少在高壓層頂部以上至少300300米的純泥頁巖井段，按一米的純泥頁巖井段，按一定深度間隔取點定深度間隔取點 記錄每點所對應(yīng)的鉆速、鉆壓、轉(zhuǎn)速、鉆記錄每點所對應(yīng)的鉆速、鉆壓、轉(zhuǎn)速、鉆頭直徑、地層水密度和實際泥漿密度等六項參數(shù)。頭直徑、地層水密度和實際泥漿密度等六項參數(shù)。 (2)(2)根據(jù)記錄的數(shù)據(jù)計算根據(jù)記錄的數(shù)據(jù)計算d d指數(shù)和指數(shù)和d dc c指數(shù)。指數(shù)。 (3)(3)在半對數(shù)坐標紙上一一作出在半對數(shù)坐標紙上一一作出d dc c指數(shù)和相應(yīng)的井深所確指數(shù)和相應(yīng)的井深所確定的點。定的點。 (4)(4)根據(jù)正常地層壓力井段的數(shù)據(jù)引根據(jù)正常地層壓力井段的數(shù)據(jù)引d dc c指數(shù)的正

22、常趨勢線。指數(shù)的正常趨勢線。 (5)(5)計算地層壓力。計算地層壓力。根據(jù)根據(jù)d dc c指數(shù)的偏離值計算相應(yīng)的地層壓力的公式是：指數(shù)的偏離值計算相應(yīng)的地層壓力的公式是： （1-181-18）p p 、 n n 分別為所求井深處的地層壓力當量密度和正常分別為所求井深處的地層壓力當量密度和正常地層壓力當量密度，地層壓力當量密度， g/cmg/cm3 3 ；d dcncn、 d dcaca 所求井深處的正常所求井深處的正常d dc c指數(shù)值和實測指數(shù)值和實測d dc c指數(shù)值。指數(shù)值。ddcacnnpn等效深度法求地層壓力：等效深度法求地層壓力：d dc c指數(shù)反映指數(shù)反映了泥頁巖的壓實程度，若地

23、層具有了泥頁巖的壓實程度，若地層具有相等的相等的d dc c指數(shù)，則可視其骨架應(yīng)力相指數(shù)，則可視其骨架應(yīng)力相等等n用等效深度法求地層壓力的公式是用等效深度法求地層壓力的公式是 p pp pG Go oD-(GD-(Go o-G-Gpmpm)D)De e (1-19) (1-19)np pp p 所求深度處的地層壓力，所求深度處的地層壓力， MPaMPa； G Go o 上覆巖層壓力梯度，上覆巖層壓力梯度，MPa/mMPa/m； D D 所求地層壓力點的深度，所求地層壓力點的深度，m m； G Gpnpn 等效深度處的正常地層壓力梯等效深度處的正常地層壓力梯度，度，MPa/mMPa/m； D D

24、e e 等效深度，等效深度，m m。 圖1-6 dc指數(shù)的等效深度12nd dc c指數(shù)值的發(fā)散現(xiàn)象，其原因主要有以下幾個方面指數(shù)值的發(fā)散現(xiàn)象，其原因主要有以下幾個方面n(1)(1)巖性變化：巖性變化：d dc c指數(shù)取決于基巖強度，巖性不同，骨架強指數(shù)取決于基巖強度，巖性不同，骨架強度也不同。在巖性發(fā)生變化的地層，度也不同。在巖性發(fā)生變化的地層，d dc c指數(shù)的規(guī)律也將發(fā)生指數(shù)的規(guī)律也將發(fā)生變化，例如砂、頁巖交錯的地層。變化，例如砂、頁巖交錯的地層。 n(2)(2)水力參數(shù)：水力參數(shù)發(fā)生大的變化時，射流對地層的破水力參數(shù)：水力參數(shù)發(fā)生大的變化時，射流對地層的破碎作用不同，碎作用不同，d d

25、c c指數(shù)的規(guī)律也將發(fā)生變化。指數(shù)的規(guī)律也將發(fā)生變化。n(3)(3)鉆頭類型：鉆頭類型不同，其破巖機理不同。所以鉆頭鉆頭類型：鉆頭類型不同，其破巖機理不同。所以鉆頭類型的變化會引起正常趨勢線的移動。類型的變化會引起正常趨勢線的移動。n另外，在糾斜吊打、用刮刀鉆頭和取芯鉆頭鉆進，鉆頭的跑另外，在糾斜吊打、用刮刀鉆頭和取芯鉆頭鉆進，鉆頭的跑合期和磨損的后期、井底不干凈、鉆遇斷層裂縫等特殊鉆進合期和磨損的后期、井底不干凈、鉆遇斷層裂縫等特殊鉆進情況下都不宜取點計算情況下都不宜取點計算d dc c指數(shù)值。指數(shù)值。 三、三、 地層破裂壓力（地層破裂壓力（formation fracture pressu

26、reformation fracture pressure） 在井下一定深度處裸露的地層，承受流體壓力的能力是有限在井下一定深度處裸露的地層，承受流體壓力的能力是有限的，當液體壓力達到一定數(shù)值時會使地層破裂，這個液體壓力稱的，當液體壓力達到一定數(shù)值時會使地層破裂，這個液體壓力稱為地層破裂壓力為地層破裂壓力 （一）休伯特和威利斯（一）休伯特和威利斯(Hubbert & Willis)(Hubbert & Willis)法法 地下應(yīng)力狀態(tài)是以三維不均勻主應(yīng)力狀態(tài)為特征的，且三個地下應(yīng)力狀態(tài)是以三維不均勻主應(yīng)力狀態(tài)為特征的，且三個主應(yīng)力互相垂直。最大主應(yīng)力為垂直方向，大小等于基巖應(yīng)力，主應(yīng)力互相垂直

27、。最大主應(yīng)力為垂直方向，大小等于基巖應(yīng)力，最小主應(yīng)力和中間主應(yīng)力在水平方向上互相垂直。最小主應(yīng)力的最小主應(yīng)力和中間主應(yīng)力在水平方向上互相垂直。最小主應(yīng)力的大小等于最大主應(yīng)力的大小等于最大主應(yīng)力的1/31/31/21/2。 地層破裂條件：地層破裂條件： p pf fp pp p+3 3p pp p+ +（1/31/21/31/2）1 1 (1-20) (1-20) 而而 1 1p po o-p-pp p 故故 p pf fp pp p+ +（1/31/31/21/2）(p(po o-p-pp p) (1-21) (1-21) 根據(jù)式（根據(jù)式（1-201-20）可求得地層破裂壓力梯度：）可求得地層

28、破裂壓力梯度： (1-22)(1-22) 式中：式中：G Gf f 井深井深H H處的地層破裂壓力梯度，兆帕米；處的地層破裂壓力梯度，兆帕米； p pf f 井深井深H H處的地層破裂壓力，兆帕；處的地層破裂壓力，兆帕； p pp p 井深井深H H處的地層壓力，兆帕；處的地層壓力，兆帕； p po o 井深井深H H處的上覆巖層壓力，兆帕；處的上覆巖層壓力，兆帕； H H 井深，米。井深，米。HHpppGpopf)(2131( n（二）馬修斯和凱利（二）馬修斯和凱利（Mathews & Kelly）法）法n選擇最小破裂壓力等于地層壓力，最大破裂壓力等于上覆巖層選擇最小破裂壓力等于地層壓力，最

29、大破裂壓力等于上覆巖層壓力。如果實際破裂壓力大于地層壓力，則認為是由于克服骨壓力。如果實際破裂壓力大于地層壓力，則認為是由于克服骨架應(yīng)力所致。骨架應(yīng)力的大小與地層壓實程度有關(guān)架應(yīng)力所致。骨架應(yīng)力的大小與地層壓實程度有關(guān)n引入骨架應(yīng)力系數(shù)引入骨架應(yīng)力系數(shù)n根據(jù)地層破裂壓力與地層壓力和骨架應(yīng)力之間的關(guān)系，有根據(jù)地層破裂壓力與地層壓力和骨架應(yīng)力之間的關(guān)系，有n （1-231-23）n式中：式中：K Ki i 骨架應(yīng)力系數(shù)，無因次；骨架應(yīng)力系數(shù)，無因次； h h水平應(yīng)力，水平應(yīng)力，MPaMPa；n 骨架應(yīng)力（垂直應(yīng)力），骨架應(yīng)力（垂直應(yīng)力），MPaMPa。nK Ki i是井深的函數(shù)，與巖性有關(guān)是井深的

30、函數(shù)，與巖性有關(guān)，通常泥質(zhì)含量高的砂巖比一般，通常泥質(zhì)含量高的砂巖比一般砂巖的應(yīng)力系數(shù)要高。在正常地層壓力情況下，砂巖的應(yīng)力系數(shù)要高。在正常地層壓力情況下，K Ki i隨井深增加隨井深增加而增加。如遇異常高壓，地層的壓實程度降低，地層壓力增大，而增加。如遇異常高壓，地層的壓實程度降低，地層壓力增大，則則K Ki i減小。減小。hiK HHKpGipfn（三）伊頓（三）伊頓（EatonEaton）法）法n把上覆巖層壓力梯度作為一個變量來考慮，一般來說，把上覆巖層壓力梯度作為一個變量來考慮，一般來說，橫橫向應(yīng)變和縱向應(yīng)變之間的比值被定義為泊松比向應(yīng)變和縱向應(yīng)變之間的比值被定義為泊松比。然而。然而伊

31、頓伊頓的泊松比不是作為巖石本身特性的函數(shù)，而是作為的泊松比不是作為巖石本身特性的函數(shù)，而是作為區(qū)域應(yīng)區(qū)域應(yīng)力場力場的函數(shù)來考慮。伊頓的泊松比即為水平應(yīng)力與垂直應(yīng)的函數(shù)來考慮。伊頓的泊松比即為水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力之比值力之比值. .n水平應(yīng)力和垂直應(yīng)力之間的關(guān)系，即水平應(yīng)力和垂直應(yīng)力之間的關(guān)系，即n （1-241-24）n將上式引入地層破裂壓力梯度計算公式（將上式引入地層破裂壓力梯度計算公式（1-231-23），即），即n （1-251-25）n 巖石的泊松比。巖石的泊松比。1hHHpGpf1n（四）計算地層破裂壓力的新方法（四）計算地層破裂壓力的新方法n （1-261-26）n式中：式中：K K

32、 構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)，無因次；構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)，無因次； S St t 巖石的抗拉強度，兆帕。巖石的抗拉強度，兆帕。n新模式與前述三個模式相比有兩個顯著特點：新模式與前述三個模式相比有兩個顯著特點：n(1)(1)地應(yīng)力一般是不均勻的，模式中包括了三個主應(yīng)力地應(yīng)力一般是不均勻的，模式中包括了三個主應(yīng)力的影響。的影響。SpppptpopfK)(12(n(2)(2)地層的破裂是由井壁上的應(yīng)力狀態(tài)決定的地層的破裂是由井壁上的應(yīng)力狀態(tài)決定的。深部地層深部地層的水壓致裂是由于井壁上的有效切向應(yīng)力達到或超過了巖石的水壓致裂是由于井壁上的有效切向應(yīng)力達到或超過了巖石的抗拉強度。的抗拉強度。n巖石抗張強度巖石抗張強度S

33、St t是利用鉆取的地下巖心在室內(nèi)采用巴西實是利用鉆取的地下巖心在室內(nèi)采用巴西實驗求得的。驗求得的。n構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)K K對不同的地質(zhì)構(gòu)造是不同的，但它在同一構(gòu)對不同的地質(zhì)構(gòu)造是不同的，但它在同一構(gòu)造斷塊內(nèi)部是一個常數(shù)，且不隨深度變化。造斷塊內(nèi)部是一個常數(shù)，且不隨深度變化。n（五）破裂壓力的液壓實驗（五）破裂壓力的液壓實驗n液壓實驗法也稱漏失試驗，液壓實驗法也稱漏失試驗，液壓實驗法的步驟如下：液壓實驗法的步驟如下：n(1)循環(huán)調(diào)節(jié)泥漿性能，保證泥漿性能穩(wěn)定，上提鉆頭至套管循環(huán)調(diào)節(jié)泥漿性能，保證泥漿性能穩(wěn)定，上提鉆頭至套管鞋內(nèi)，關(guān)閉防噴器。鞋內(nèi)，關(guān)閉防噴器。n(2)用較小排量用較小排量

34、0.661.32 L/s向井內(nèi)注入泥漿，并記錄各個時向井內(nèi)注入泥漿，并記錄各個時期的注入量及立管壓力。期的注入量及立管壓力。n(3)做立管壓力與累計泵入量的關(guān)系曲線圖，如教材中圖做立管壓力與累計泵入量的關(guān)系曲線圖，如教材中圖1-8所所示。示。 (4)從圖上確定各個壓力值：漏失壓力為從圖上確定各個壓力值：漏失壓力為PL，即開始偏離直，即開始偏離直線點的壓力；其后壓力繼續(xù)上升，即為開裂壓力線點的壓力；其后壓力繼續(xù)上升，即為開裂壓力Pr ；壓力；壓力升到最大值，即為傳播壓力升到最大值，即為傳播壓力Prro，最大值過后壓力下降并趨最大值過后壓力下降并趨于平緩；于平緩；（5)求地層破裂壓力當量密度求地層

35、破裂壓力當量密度f f f fm mp pL L/(0.00981H) (1-27)/(0.00981H) (1-27) m m 試驗用泥漿密度，試驗用泥漿密度，g/cmg/cm3 3； H H 試驗井深，試驗井深，m m。注意：注意：（1 1）計算地層破裂壓力時，以）計算地層破裂壓力時，以漏失壓力為準；漏失壓力為準；（2 2）計算深度）計算深度H H是指套管下入深是指套管下入深度，而不是井深；度，而不是井深；（3 3）破裂處地層承受的壓力應(yīng)）破裂處地層承受的壓力應(yīng)該等于表現(xiàn)在立管上的壓力該等于表現(xiàn)在立管上的壓力與井內(nèi)液柱形成的壓力之和。與井內(nèi)液柱形成的壓力之和。PRro圖圖1-8 1-8 液

36、壓試驗曲線液壓試驗曲線 第二節(jié)第二節(jié) 巖石的工程力學性質(zhì)巖石的工程力學性質(zhì)一、巖石的機械性質(zhì)一、巖石的機械性質(zhì)（一）沉積巖（一）沉積巖（sedimentary rock） 沉積巖是地殼表層在常溫常壓下的破碎物經(jīng)搬運、沉積、壓實沉積巖是地殼表層在常溫常壓下的破碎物經(jīng)搬運、沉積、壓實形成的巖石。形成的巖石。 常見的沉積巖石有：石灰?guī)r、泥頁巖、砂巖等。常見的沉積巖石有：石灰?guī)r、泥頁巖、砂巖等。 組成巖石的主要元素有八種，氧（組成巖石的主要元素有八種，氧（46.7%）、硅（）、硅（27.7%）、鋁）、鋁（8.1%）、鐵（）、鐵（5.0%）、鈣（）、鈣（3.6%）、鈉（）、鈉（2.8%）、鉀（）、鉀（2

37、.6%）、鎂）、鎂（2.1%）、共占地殼成分的）、共占地殼成分的98.6%。 沉積巖可分為結(jié)晶沉積巖和碎屑沉積巖兩大類。沉積巖可分為結(jié)晶沉積巖和碎屑沉積巖兩大類。 結(jié)晶沉積巖是鹽類物質(zhì)從水溶液中沉淀或在地殼中發(fā)結(jié)晶沉積巖是鹽類物質(zhì)從水溶液中沉淀或在地殼中發(fā)生化學反應(yīng)而形成的，包括石灰?guī)r、白云巖、石膏等。生化學反應(yīng)而形成的，包括石灰?guī)r、白云巖、石膏等。 碎屑沉積巖則是由巖石碎屑經(jīng)沉積、壓縮及流經(jīng)沉積碎屑沉積巖則是由巖石碎屑經(jīng)沉積、壓縮及流經(jīng)沉積物的溶液中沉淀出的膠結(jié)物的膠結(jié)作用而形成的，包括砂物的溶液中沉淀出的膠結(jié)物的膠結(jié)作用而形成的，包括砂巖、泥巖、礫巖等，膠結(jié)物通常有硅質(zhì)、石灰質(zhì)、鐵質(zhì)和巖、

38、泥巖、礫巖等，膠結(jié)物通常有硅質(zhì)、石灰質(zhì)、鐵質(zhì)和泥質(zhì)幾種。泥質(zhì)幾種。 巖石的構(gòu)造是指巖石在大范圍內(nèi)的結(jié)構(gòu)特征巖石的構(gòu)造是指巖石在大范圍內(nèi)的結(jié)構(gòu)特征，沉積巖：層理，沉積巖：層理和片理。和片理。 層理是指沉積巖在垂直方向上巖石成分和結(jié)構(gòu)的變化層理是指沉積巖在垂直方向上巖石成分和結(jié)構(gòu)的變化。它主。它主要表現(xiàn)為不同成份的巖石顆粒在垂直方向上交替變化沉積，巖石要表現(xiàn)為不同成份的巖石顆粒在垂直方向上交替變化沉積，巖石顆粒大小在垂直方向上有規(guī)律的變化，某些巖石顆粒按一定方向顆粒大小在垂直方向上有規(guī)律的變化，某些巖石顆粒按一定方向的定向排列等。的定向排列等。 片理是指巖石沿平行平面分裂為薄片的能力片理是指巖石沿

39、平行平面分裂為薄片的能力，它與巖石的顯，它與巖石的顯微結(jié)構(gòu)有關(guān)。微結(jié)構(gòu)有關(guān)。( (二二) ) 巖石的彈性（巖石的彈性（elasticity of rock） 物體在外力作用下產(chǎn)生變形，外力撤除以后，變形隨之物體在外力作用下產(chǎn)生變形，外力撤除以后，變形隨之消失，物體恢復(fù)到原來的形狀和體積的性質(zhì)稱為彈性變形。消失，物體恢復(fù)到原來的形狀和體積的性質(zhì)稱為彈性變形。當外力撤除后，變形不能消失的稱為塑性變形。當外力撤除后，變形不能消失的稱為塑性變形。 產(chǎn)生彈性變形的物體在變形階段，應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系服產(chǎn)生彈性變形的物體在變形階段，應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系服從虎克定律：從虎克定律： =E=E (1-28) (1-28

40、) 式中：式中： 應(yīng)力；應(yīng)力； 應(yīng)變；應(yīng)變；EE彈性模量。彈性模量。如果材料是各向同性的，則有：如果材料是各向同性的，則有：物體在彈性變形階段，剪切變形同樣也服從虎克定律，即物體在彈性變形階段，剪切變形同樣也服從虎克定律，即 =G (1-30)=G (1-30)式中：式中： 剪應(yīng)力；剪應(yīng)力； 剪應(yīng)變；剪應(yīng)變； GG切變模量切變模量( (或剪切彈性模量或剪切彈性模量) )。對于同一材料，三個彈性常數(shù)對于同一材料，三個彈性常數(shù)E E、G G和和之間有如下的關(guān)系：之間有如下的關(guān)系：)281( zyzx)291(Ezyx)1(2EG ( (三三) ) 巖石的強度（巖石的強度（strength of r

41、ockstrength of rock）1. 1. 巖石強度的概念巖石強度的概念 是巖石在一定條件下抵抗外力破壞的能力。是巖石在一定條件下抵抗外力破壞的能力。 巖石強度的大小取決于巖石的內(nèi)聚力（礦物顆粒與膠結(jié)物巖石強度的大小取決于巖石的內(nèi)聚力（礦物顆粒與膠結(jié)物之間的連接力）和巖石顆粒間的內(nèi)摩擦力（顆粒之間的原始接之間的連接力）和巖石顆粒間的內(nèi)摩擦力（顆粒之間的原始接觸狀態(tài)即將破壞而要產(chǎn)生位移時的摩擦阻力）。觸狀態(tài)即將破壞而要產(chǎn)生位移時的摩擦阻力）。 堅固巖石和塑性巖石的強度主要取決于巖石的內(nèi)聚力和內(nèi)堅固巖石和塑性巖石的強度主要取決于巖石的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦力，松散巖石的強度主要取決于內(nèi)摩擦力。摩擦

42、力，松散巖石的強度主要取決于內(nèi)摩擦力。 影響巖石強度的因素：影響巖石強度的因素：巖石本身特性巖石本身特性（內(nèi)因）和破碎（內(nèi)因）和破碎時的時的工藝技術(shù)因素工藝技術(shù)因素（外因）。（外因）。 內(nèi)因：內(nèi)因：巖石的礦物成分，膠結(jié)物的成分和比例（沉積巖石的礦物成分，膠結(jié)物的成分和比例（沉積巖）；礦物顆粒的尺寸；巖石的密度和孔隙度。巖石的強巖）；礦物顆粒的尺寸；巖石的密度和孔隙度。巖石的強度一般情況下隨著埋藏深度的增加而增加。度一般情況下隨著埋藏深度的增加而增加。 外因：外因：巖石的受載方式；巖石的應(yīng)力狀態(tài)，外載作用巖石的受載方式；巖石的應(yīng)力狀態(tài)，外載作用的速度，液體介質(zhì)性質(zhì)等。的速度，液體介質(zhì)性質(zhì)等。 2

43、. 2. 簡單應(yīng)力條件下巖石的強度簡單應(yīng)力條件下巖石的強度 簡單應(yīng)力條件下巖石的強度指巖石在單一的外載作用下的強度，簡單應(yīng)力條件下巖石的強度指巖石在單一的外載作用下的強度，包括單軸抗壓強度、單軸抗拉強度、抗剪強度及抗彎強度。包括單軸抗壓強度、單軸抗拉強度、抗剪強度及抗彎強度。表表 1-4 巖石的抗壓、抗拉、抗剪和抗彎強度巖石的抗壓、抗拉、抗剪和抗彎強度巖石抗壓強度cMpa抗拉強度tMpa抗剪強度sMpa抗彎強度rMpa粗粒砂巖1425.1410.3中粒砂巖1515.213.1細粒砂巖1857.9524.9頁 巖14611.7836泥 巖183.23.5石 膏171.96含膏石灰?guī)r422.46.

44、5安山巖98.65.898白云巖1626.9118石灰?guī)r1389.1145花崗巖16612198正長巖215.214.3221輝長巖23013.5244石英巖30514.4316輝綠巖34313.4347 一般說來，巖石的強度有以下順序關(guān)系：一般說來，巖石的強度有以下順序關(guān)系： 抗拉抗拉 抗彎抗彎抗剪抗剪 70（五）巖石的脆性和塑性（五）巖石的脆性和塑性 可把巖石分為可把巖石分為脆性巖石（脆性巖石（brittle rockbrittle rock）、塑性巖石）、塑性巖石（plastic rockplastic rock）和塑脆性巖石（）和塑脆性巖石（brittle-plastic rockbr

45、ittle-plastic rock）三大三大類。類。 在外力作用下，巖石只改變其形狀和大小而不破壞自身的連在外力作用下，巖石只改變其形狀和大小而不破壞自身的連續(xù)性，這種情況稱為塑性的；巖石在外力作用下，直至破碎而無續(xù)性，這種情況稱為塑性的；巖石在外力作用下，直至破碎而無明顯的形狀改變，這種情況稱為脆性的；介乎于兩者之間的是脆明顯的形狀改變，這種情況稱為脆性的；介乎于兩者之間的是脆塑性巖石。塑性巖石。 用用巖石的塑性系數(shù)巖石的塑性系數(shù)K KP P作為定量表征巖石塑性及脆性大小的參數(shù)。作為定量表征巖石塑性及脆性大小的參數(shù)。塑性系數(shù)為巖石破碎前耗費的總功塑性系數(shù)為巖石破碎前耗費的總功A AF F與

46、巖石破碎前彈性變形功與巖石破碎前彈性變形功A AE E的比的比值。值。 對于塑脆性巖石：對于塑脆性巖石： 脆性系數(shù)脆性系數(shù)K=1K=1；塑性巖石，；塑性巖石，K KP P=。 表表1-7 巖石按塑性系數(shù)的分類巖石按塑性系數(shù)的分類的面積的面積ODEOABCAAKEFP類脆塑脆性塑別性低塑性高塑性性級 別123456塑性系數(shù) K1122334466 在三軸應(yīng)力條件下，巖石機械性質(zhì)的一個顯著變化的特點就是在三軸應(yīng)力條件下，巖石機械性質(zhì)的一個顯著變化的特點就是隨著圍壓的增大，巖石表現(xiàn)出從脆性向塑性的轉(zhuǎn)變隨著圍壓的增大，巖石表現(xiàn)出從脆性向塑性的轉(zhuǎn)變，并且圍壓越大，并且圍壓越大，巖石破壞前所呈現(xiàn)的塑性也越

47、大。巖石破壞前所呈現(xiàn)的塑性也越大。表表1-8 巖石在圍壓下的塑性變形巖石在圍壓下的塑性變形在下列圍壓下破壞前的應(yīng)變量， 巖 石P100 MPaP200 MPa Oil Creek 石英砂巖2.93.8 Hasmark 白云巖7.313.0 Blain 硬石膏7.022.3 Yule 大理巖22.028.8 Barns 砂巖25.825.9 Mirianna 石灰?guī)r29.127.2 Muddy 頁巖15.025.0巖鹽28.827.5 二、二、 井底壓力條件下井底壓力條件下 巖石的機械性質(zhì)及其影響因素巖石的機械性質(zhì)及其影響因素( (一一) ) 井眼周圍地層巖石的受力井眼周圍地層巖石的受力 井眼周

48、圍地層巖石受力包括上覆巖層壓力、巖石內(nèi)孔隙井眼周圍地層巖石受力包括上覆巖層壓力、巖石內(nèi)孔隙流體的壓力和水平地應(yīng)力和鉆井液液柱壓力。流體的壓力和水平地應(yīng)力和鉆井液液柱壓力。 水平地應(yīng)力一部分來源于上覆巖層壓力水平地應(yīng)力一部分來源于上覆巖層壓力,另一部分水平另一部分水平地應(yīng)力來源于地質(zhì)構(gòu)造力，它在水平的兩個主方向上一般是地應(yīng)力來源于地質(zhì)構(gòu)造力，它在水平的兩個主方向上一般是不相等的，但卻都隨埋藏深度而線性增大不相等的，但卻都隨埋藏深度而線性增大。井眼周圍地層巖石受力示意圖井眼周圍地層巖石受力示意圖 某深處兩個水平主地應(yīng)力方向上的有效水平向主地應(yīng)力可某深處兩個水平主地應(yīng)力方向上的有效水平向主地應(yīng)力可以

49、表示為：以表示為： 式中：式中：、分別為分別為1 1和和2 2兩個水平主方向的構(gòu)造力系兩個水平主方向的構(gòu)造力系數(shù)，數(shù)，且且。 1 1、2 2及及3 3都是由于地下巖石之間的作用而產(chǎn)生的應(yīng)都是由于地下巖石之間的作用而產(chǎn)生的應(yīng)力，所以統(tǒng)稱地應(yīng)力。力，所以統(tǒng)稱地應(yīng)力。 )351 (113231pppp( (二二) ) 井底各種壓力對巖石性能的影響井底各種壓力對巖石性能的影響 1. 地應(yīng)力的影響地應(yīng)力的影響 某些試驗表明，當?shù)貞?yīng)力值太小，對鉆進速度的影響某些試驗表明，當?shù)貞?yīng)力值太小，對鉆進速度的影響不明顯。不明顯。 理論分析表明，無論是垂直的上覆巖層壓力或是水平理論分析表明，無論是垂直的上覆巖層壓力或是水平的地應(yīng)力的地應(yīng)力( (均勻的或非均勻的均勻的或非均勻的) )都會影響井壁巖石的應(yīng)力狀都會影響井壁巖石的應(yīng)力狀態(tài)，從而影響到井壁的穩(wěn)定。態(tài)，從而影響到井壁的穩(wěn)定。 2. 2. 液柱壓力和孔隙壓力的影響液柱壓力和孔隙壓力的影響 (1) (1) 附加孔隙壓力的常規(guī)三軸試驗結(jié)果附加孔隙壓力的常規(guī)三軸試驗結(jié)果 孔隙壓力的作用降低了巖石的各向壓縮效應(yīng)，也就是說孔隙