钻井工程--课件

石英
2.60~2.66
石髓(玉髓)
-
蛋白石
1.9~2.3
磁铁矿等
-
5~6 5~6 5~6 6.5~7
7 7 5.5~6.5 -
V. 碳酸盐矿物
方解石 2.71~2.72
文石(霰石) 2.93~2.95
白云石
2.8~2.9
3 3.5~4 3.5~4
VI. 硫酸盐矿物
无水石膏 2.9~2.99
石膏
2.37~2.33
地层压力(异常高压)检测原理：
3 地层破裂压力检测 检测方法现状：提出了数种检测
方法，但都有一定的局限性。 3.1 休伯特和威利斯法 重力场下地下岩石的应力状态：
三维不均匀主应力状态，三个主
应力互相垂直。最大主应力σ1为
垂直方向，大小等于有效上覆岩层 压力(即骨架应力)，最小主应力
摩氏硬度
似长石类
霞石 白榴石
2.55~2.65 2.45~2.50
5.5~6 5.5~6
II．云母（层状硅酸盐）
白云母 黑云母
2.76~3 2.70~3.1
2~2.5 2.5~3
III 铁镁硅酸盐
辉石
3.3
普通辉石 3.26~3.43
普通角闪石 3.05~3.47
橄榄石
3.27~3.37
IV. 氧化物类
1.3.1 岩石强度的概念 1)定义：岩石在一定条件下受外力
的作用达到破坏时的应力，单位是 Pa,一般用MPa。
2)决定岩石强度大小的内因：
取决于岩石的“内聚力”和岩石颗 粒间的“内摩擦力”。内聚力为矿物晶 体或碎屑间的相互作用力，或是矿物颗 粒与胶结物之间的连接力。内摩擦力是 颗粒之间的原始接触状态即将被破坏而 要产生位移时的摩擦阻力。坚固岩石和 塑性岩石的强度主要取决于岩石的内聚 力和内摩擦力；松散岩石的强度主要取 决于内摩擦力。
4 地层坍塌压力检测
4.1理论计算方法
4.2经验法确定地层坍塌压力
第二节 岩石的工程力学性质
意义：在钻井过程中，我们不仅要 提高破碎岩石的效率和控制好井眼 轨迹，还要保证井壁岩层的稳定， 这些都取决于我们对地层的相关压 力和岩石的工程力学性质的认识和 了解。
问题讨论：
1)你知道的材料机械性质有哪些？
矿物名称
密度
摩氏硬度
Ⅰ．铝硅酸盐（长石族）
正长石 钾微斜长石
钠长石 钠钙长石 中长石 钙钠斜长石 钙长石
2.57 2.54 2.62~2.65 2.65~2.67 2.67~2.69 2.70~2.73 2.74~2.76
6 6~6.5 6~6.5 5.5~6 5~6 5~6 6~6.5
矿物名称
密度
3~3.5 1.5~2
VII. 卤化物
岩盐
2.13
2~2.5
VIII. 粘土矿物(层状硅酸盐)
高岭石 2.6~2.63 1~2.5
微晶高岭石
-
氧化物(石英)>铁镁硅酸盐(辉石、 角闪石、橄榄石)>铝硅酸盐即长石 族>碳酸盐矿物(方解石、白云石)> 硫酸盐矿物(石膏)>云母>卤化物 (岩盐)>粘土矿物
热应力：主要在热异常地区有较大 的值，一般地区很小。
1 地下各种压力的概念 1.1 静液压力 定义和计算：由液柱自身的重力所
产生的压力，一般用ph表示，即：
ph=0.00981ρhl
式中 ρp—h—液静体液的压密力度，，Mg/Pcam；3； hl—液柱的垂直高度，m。
静液压力举例：
计算方法一：假设上覆岩层的密 度相同，设ρ0为沉积岩包括基质 和孔隙流体的平均密度，则：
p0=0.00981ρ0 D
计算方法二：假设上覆岩层的密 度相同，但分别考虑基质和其中 的孔隙流体，则：
p0=0.00981D〔﹙1-φ﹚ρma+φρ〕
计算方法三：由于上覆岩层的岩 性和密度不同，p0可以分段计算 再迭加，这样更准确。
补充：获取岩石机械性质的途径
1）实钻 2）录井（钻时、岩芯、岩屑） 3）测井（密度、孔隙度） 4）经验
1 岩石的机械性质
1.1 沉积岩及其基本特性
1)岩石的矿物组成：岩石是造岩 矿物颗粒的结合体，最主要的造 岩矿物分为八类，有20余种，见 表1-1。
表1-1 主要造岩矿物
第一节 地下压力特性
问题讨论： 1)从地下取一岩石单元体，该单元
体是否受有力的作用？ 2)如果受力作用，力从何而来？有
何特点？
补充：地应力和地应力场
自重应力和自重应力场：垂直方向 为主，广泛存在，是主要地应力源。
构造应力和构造应力场：水平方向 为主，仅在有构造挤压作用的地区 存在。
1)地层的知识对钻井工程师重要吗？ 2)钻井工程师需要了解地层哪些方
面的知识或信息？
了解地层的重要性：
如果对地层不了解或了解不多， 钻井就如瞎子走路，盲人摸象。军 事上有“知己知彼，百战不殆”。 钻井工程师要想顺利钻井，也必须 知己知彼。这个“己”是指设备、 钻具、人员和管理，这个“彼”就 是指钻井的客观对象—地层。
压力梯度概念及意义：
单位高度或深度增加的压力。若用Gh 表示静液压力梯度(MPa/m)，则
Gh= ph / hl= 0.00981ρ 当量密度概念及意义：
ρ=ph/0.00981hl
1.2 上覆岩层压力
定义和性质：地层某处的上覆岩 层压力是指该处以上地层岩石基 质和孔隙中流体的总重力所产生 的压力，一般用p0表示。
在井下一定深度裸露的地层，承受 流体压力的能力是有限的，当液体 压力达到一定数值时会使地层破裂， 这个液体压力称为地层破裂压力，
一般用pf表示。
1.9 地层坍塌压力
在井下一定深度裸露的地层，其力 学稳定性可能是有限的，当井内钻 井液柱压力低于某一值时，地层会 出现明显的缩径或垮塌，我们就称 这个钻井液压力为地层坍塌压力。
3)影响岩石强度的因素：分为自然 因素和工艺技术因素两类。
σ3 和介于σ1 与σ3 之间的主应力 σ2 在水平方向上互相垂直。最小 主应力σ3 的大小等于(1/3～ 1/2)σ1(画图)。
检测原理：
pf = pp+σ3= pp+(1/3-1/2)σ1
σ1=p0-pp
pf = pp+(1/3-1/2)(p0-pp)
理论预测方法的局限性：
3.2 液压实验法
式中： po—上覆岩层压力，MPa； pp—地层压力，MPa； σ—基岩应力，即垂直自重基岩应力， MPa。
1.6 异常低压
异常低压的范围和成因：低的只 有静液压力梯度的一半。成因：
1)多年开采的油气藏而又没有足够 的压力补充；
2)地下水位很低的地区(画图)；
3)石灰岩地区的裂缝和溶洞地层。
2)从总体规律看，随井眼垂深增加， 机械钻速减小，为什么？
3)在随垂深减小的总体规律中，一些 井段会出现机械钻速相对增大，为什 么？
4)钻井工程师可以通过哪些途径认识 和了解待钻地层岩石的工程力学性质？
本节内容：结合钻井工程阐明岩 石的机械性质以及影响这些性质 的有关因素，为正确掌握钻井工 程的主要理论与技术打下必要的 基础。
2)岩石的结构：是说明小块岩石的组 织特征的，主要指岩石晶体的结构和 胶结物的结构。据此可分沉积岩为结 晶沉积岩和碎屑沉积岩两大类。
3)岩石的构造：是指岩石在大范围内 的结构特征，对沉积岩主要包括层理 和页理。
4)岩石的其它物理性质：密度、孔隙 度等。
1.2 岩石的弹性
1.3 岩石的强度
上作随覆深岩度层线压性力增梯大度。G0 工：程可上把常p0用进G似0的看平 均值0.0227MPa/m来做进似计算，但G0
的实际变化范围为0.0170～ 0.0294MPa/m之间。
海上钻井特殊情况：
1.3 地层压力
定义：指地层孔隙流体所具有的 压力，也称地层孔隙压力，一般
用pp 表示。
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—沉积岩包括基质和孔隙流体的
平均密度，g/cm3 。
上覆岩层压力随深度变化特点：由于 沉积压实作用，上覆岩层压力随深度 增加不象静液压力那样线性增大，而 是增大越快且不均匀。
2 地层压力(异常高压)检测
地层压力检测的重要性：
地层压力检测特点：有多种检测 方法，但都有一定的局限性。因 为异常高压地层的成因多种多样， 且地下情况复杂多变。应针对具 体情况，用几种方法进综合检测。
地层压力检测方法分类：
分为两类，一类是用邻井资料 或地球物理资料进行压力预测， 以便新井设计；另一类是根据所 钻井的实时数据进行压力监测， 以便调整钻井措施。
异常高压的范围：通常认为其上限 为上覆岩层压力。但也曾遇到比上 覆岩层压力高的超高压地层(超过 40%)，因为地层有强度。
异常高压的成因：普遍公认的成 因主要有沉积压实不均、渗透作 用、构造作用、水热增压、同一 水动力系统的露头高等，且常常 是多种因素综合作用的结果。
1.8 地层破裂压力
钻井工程
孙展利 2014
问题讨论：
《钻井工程》的学习内容应有哪 些？
第一章 钻井的工程地质条件
概述
本章内容及与相关学科的关系：
本章讲钻井的客观对象—地层。地 层的知识涉及多门学科，如地质学、 沉积学、地质构造学、岩石力学等等， 本章主要讲与钻井直接相关的地层知 识。
问题讨论：
3)作立管压力与累计泵入量的关系 曲线图(图1-8)；