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    中国石油大学钻井工程第一章地质条件张辉.ppt

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    中国石油大学钻井工程第一章地质条件张辉.ppt

    第一章 钻井的工程地质条件,第一节 地下压力特性 第二节 岩石的工程力学性质,第一节 地下压力特性,一、各种压力的概念 二、地层压力评价 三、破裂压力,地层压力预测,地层压力监测,第一节 地下压力特性,静液柱压力 上覆岩层压力 地层压力 基岩应力 地层破裂压力,地下各种压力:,(一)静液柱压力 由液柱自身的重力所引起的压力。,一、地下各种压力的概念,式中:ph 为静液柱压力, MPa; 为液体的密度,g/cm3; H 为液柱的垂直高度,m。,ph=0.00981H,压力梯度:单位高度或单位深度的压力。,静液柱压力梯度:Ghph/H0.00981,单位:MPa/m;,(二)上覆岩层压力(Oveburden pressure),地层某处的上覆岩层压力是指该处以上地层岩石基质和岩石孔隙中流体总重力所产生的压力,用PO 表示。,式中:PO为上覆岩层压力,MPa; H 为地层垂直深度,m; 为岩石孔隙度,%; ma为岩石骨架密度,g/cm3; 为孔隙中流体密度,g/cm3; oi 为第i层段平均密度g/cm3;,(分段计算),上覆岩层压力梯度,G0 为上覆岩层压力梯度Mpa/m poi 为 第i层段上覆岩层压力MPa Hi 为 第i层段厚度m oi 为第i层段平均密度g/cm3,上覆岩层压力随深度增加而增大,沉积岩的上覆岩层压力梯度一般为0.0227兆帕/米,(分段计算),(三)地层压力(formation pressue),指岩石孔隙中的流体所具有的压力,也称地层孔隙压力(formation pore pressure),用pp 表示。,地层压力当量密度:指某一深度处地层压力用等高度的钻井液柱压力来等效时,所需钻井液的密度。 (淡、盐水:1.0、1.07g/cm3),异常地层压力: 地层压力大于或小于正常地层压力。 超过正常地层静液压力的地层压力(ppph)称为异常高压。 而低于正常地层静液压力的地层压力(pp ph)称为异常低压。,上覆岩层压力由岩石的基质颗粒和孔隙中的流体共同承担。 基岩应力是岩石颗粒间相互接触支撑的那一部分上覆岩层压力,亦称有效上覆岩层压力、骨架应力或颗粒间压力,用表示。 上覆岩层压力、地层压力和基岩应力之间的关系是:,Po,Pp,(四)基岩应力(matrix stress),Po、Pp和之间的关系可用下图表示,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。,异常地层压力的成因,异常低压产生原因: (1)生产多年而又没有压力补充的枯竭油气层。 (2)地下水位极低。,异常高压产生原因: 特点 异常高压地层与正常地层之间有一个封闭层(阻止孔隙流体排出)。 原因 地层欠压实作用 地质构造作用 水热增压作用 流体运移作用 油田注水,(1)地层欠压实作用 随着地层的不断沉积,上覆岩层压力逐渐增大,假若该地层被不渗透的围栅包围(盖层),则该地层孔隙中流体不能被排挤出去,其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。,地层压实能否保持平衡,取决于四个因素: (1)上覆岩层沉积速度的大小, (2)地层渗透率的大小, (3)孔隙减小的速度, (4)排出孔隙流体的能力。,(2)地质构造作用 造成地层上升。如果在抬升过程中有某种因素限制了流体的运移,该地层就会由于深度因素而形成异常高压。,(3)水热增压作用 温度升高、流体膨胀。,(4)流体运移作用,流体运移效应包括钻开的岩层与超压层的联通以及地层流体等势面的差异造成的压力异常。,二、地层压力评价,压力预测 用邻近井资料进行压力预测,建立地层压力剖面; 预测方法: 地震法、声波时差法和页岩电阻率法 压力监测 根据所钻井的实时数据进行压力监测,以掌握地层压力的实际变化规律。,声波在地层中的传播特性: 声波传播速度主要是孔隙度和岩性的函数。如果岩性为泥页岩时,则声波测井主要反映孔隙度的变化。,(一)地层压力预测,正常压力地层: H, VP 声波时差t 异常高压层: 由于地层欠压实, , VP 声波时差t ,泥页岩地层声波时差与孔隙度之间关系: 式中: 岩石孔隙度, ; t 地层的声波时差,微秒/米; tm 基岩的声波时差, 微秒/米; tf 地层孔隙内流体的声波时差,微秒/米。,声波时差法,正常沉积条件下,泥页岩的孔隙度随深度的变化规律为: 0e-cH 式中: 泥页岩的孔隙度, ; 0 泥页岩在地面的孔隙度, ; c 常数; H 井深,米。,声波时差法,由前述声波时差与孔隙度的关系得:,t0 泥页岩在地面的声波时差,声波时差法,声波时差与井深关系:,声波时差法,在泥页岩的岩性一定的情况下,tm也为一常数。 若tm0,则:,在正常压力地层中,深度H与声波时差t的对数之间呈一条正常趋势线。,根据声波时差进行地层压力评价 依据是地层压实理论或地层欠压实理论 正常压力地层: H, VP t ; 异常高压层:地层欠压实, VP t。,声波时差法计算地层压力步骤如下: (1)在声波时差测井资料上选择纯泥页岩层,以5m左右为间隔点在测井曲线上读出井深和相应的声波时差值,并在半对数坐标纸上描点。 (2)在已知的正常地层压力井段,根据尽可能多的数据点引出声波时差随井深变化的正常趋势线,并将其延伸至异常高压井段。 (3)读出某深度的实测声波时差t和该深度所对应的正常趋势线上的声波时差tn,并计算ttn。 (4) 在ttn和Gp关系曲线上读出ttn所对应的Gp,用Gp乘以井深H,得其深度的地层压力。,Pp0.00981 GpH,ttn和Gp关系曲线,P41 1、3、5、6、7,作业,课代表指定; 借还钥匙;,课堂回顾,绪论: (1) “钻井”的概念 (2) 钻井的种类 (3) 钻井方法 (4) 一口井的基本钻井工艺过程 第一节:地下压力特性 地下各种压力的概念; 地层压力评价;,式中: R为钻速,ftmin; N为转盘转速,rmin; W为钻压,lbs; D为钻头直径,in; a为岩性常数,无量纲; d为压实指数,无量纲。,1dc指数法的概念,宾汉钻速模型(Bingham,1964):,d指数(泥页岩层):,(二)地层压力监测,采用工程单位:,式中:R机械钻速,m/h; N转速,r/min; W 钻压,kN; D钻头直径,mm;,dc指数 Rehm & Meclendon(1971年)研究了钻井液密度对钻速的影响,提出了修正的d指数,称为dc指数。,正常地层水密度:根据各地区水中含盐度不同而不同。 推荐值如下: 淡水:11.003; 微咸水:1.0041.028; 盐水:1.0281.193,Dc指数计算公式,式中: 正常地层水密度, 所使用的钻井液密度;,2.基本原理,在正常压实条件下,岩石强度随井深增加而增强,若钻井参数不变,机械钻速随井深增加而降低,泥岩段dc指数随井深增加而增大; 在异常压力段,由于岩石中孔隙压力的影响,不再遵循正常压实的规律,钻速随孔隙压力的增大而增大,dc指数则相应减小,偏离原来的正常趋势线。dc指数检(监)测地层压力,就是在这一基本原理上建立起来的。,(1)数据采集与整理,收集泥页岩地层的正常压力和异常压力的钻井资料:钻时(或钻速)、钻压、转速、钻头直径、钻井液密度、排量、泵压、地层岩性等数据,如下表所示。,3.dc指数法地层压力检测步骤,在资料采集和整理中,要注意“七个不要”、“三个去掉”: “七个不要”:一切不属于正常钻井的数据不要。 非泥岩、页岩层, 井底不干净,(井眼净化不充分) 纠斜吊打, 磨进, 取心, 新旧钻头交界处的异常值(钻头使用后期磨损严重) 地质不整合面(大的沉积间断、断层等)等。 “三个去掉”: 受地质条件、岩性变化影响的数据去掉; 局部井段受水力作用影响的数据去掉; 受钻头类型影响的数据去掉。,否则,数据点会出现发散现象。,(2)dc指数计算,(3)绘制曲线,回归处理,在半对数坐标中绘制Hdc关系曲线,求dc指数正常趋势线。,dc指数正常趋势线求解方法:,选取正常压力井段内的数据做回归处理 根据压实规律,dc与深度呈指数关系: dc=B*eaH 取自然对数得, lndc=lnB+aH=b+aH 令y=lndc x=H b=lnB 则:上式相当于y=b+ax形式。 数据点为(x,y),数据点数为n,进行一元线性回归。,压力过渡带,正常趋势线,一元线性回归方法:,回归系数和相关系数分别为:,根据相关系数的大小判断回归直线有无意义。,式中:dc为泥岩正常压实井段dc值; a、b为回归系数;H为井深。,从而得到正常压实趋势线方程为:,(4)地层压力计算,经验公式法、当量(等效)深度法等。,a.经验公式法(反算法、ZAMORA公式),式中: 地层压力当量密度; 正常地层水密度; 所求井深处,正常趋势线上的dc 所求井深处,实际dc,ln(dcn)=b+a*D,b.等效深度法,等效深度: 若深度为D的异常压力地层与正常压力地层段的某一深度De处的地层具有相等dc指数,则可以认为两处地层的压实程度相同,基岩应力相等, A点的等效深度为B点。 即:若dc(A)=dc(B),则:,B处:,A处:,A,B,井深D处的地层压力为:,Gpn为等效深度De处的正常地层压力梯度,Mpa/m; G0为上覆地层压力梯度,MPa/m;,A,B,B处:,A处:,(分段计算),G0上覆地层压力梯度的计算方法:,式中:PO为上覆岩层压力,MPa; H 为地层垂直深度,m; 为岩石孔隙度,%; ma为岩石骨架密度,g/cm3; 为孔隙中流体密度,g/cm3。 0为地层体积密度,g/cm3。,c.伊顿法,符号同前,d.对数式 (Rehm-McClendon公式),符号同前,不足之处: (1)水力参数、地层岩性、钻头类型、井底压差等因素的变化都会引起机械钻速的变化,从而导致dc指数的变化。因此,dc指数法评价地层压力存在较大的误差。 (2)声波时差法和dc指数法只适用于泥页岩地层(砂泥岩剖面),对于碳酸盐岩地层,目前尚无合适的方法。,三、地层破裂压力(formation fracture pressure),在井下一定深度出露的地层,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。即:使地层发生破裂的最小井内液柱压力。,地层破裂压力的大小取决于许多因素,如上覆岩层压力、地层压力、岩性、地层年代、埋藏深度以及该处岩石的应力状态。,安德森法,哈伯特威利斯法,马修斯凯顿法,伊顿法,破裂压力的预测方法:,新模式与前述三个模式相比有两个显著特点: 地应力一般是不均匀的,模式中包括了三个主应力的影响。垂直应力可以认为是由上覆岩层重力引起的。 地层的破裂是由井壁上的应力状态决定的。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石的抗拉强度。,K 构造应力系数,无因次;,St 岩石的抗拉强度,兆帕。,计算地层破裂压力的新方法黄荣樽法,(1)循环调节泥浆性能,保证泥浆性能稳定,上提钻头至套管鞋内,关闭防喷器。 (2)用较小排量0.661.32 L/s向井内注入泥浆,并记录各个时期的注入量及立管压力。 (3)做立管压力与累计泵入量的关系曲线图。,地层破裂压力确定的现场方法:液压实验法 液压实验也称漏失试验,步骤如下:,地层破裂压力实验,(4) 从图上确定各个压力值 漏失压力为PL即开始偏离直线点的压力,其后压力继续上升; 压力升到最大值即为开裂压力Pf;最大值过后压力下降并趋于平缓,称为传播压力Pr;,液压试验曲线,(5) 求地层破裂压力当量密度f fmpL/(0.00981D) m 试验用泥浆密度,g/cm3; D 试验井深,m。,(1)计算地层破裂压力时,以漏失压力为准; (2)计算深度D是指套管下入深度,而不是井深; (3)破裂处地层的压力应该等于表现在立管上的压力与压力表以下液柱形成的压力之和。,液压试验曲线,注意事项:,第一节 地下压力特性,一、压力概念 二、地层压力评价 三、破裂压力,静液柱压力,上覆岩层压力,地层压力,基岩应力,压力异常,地层压力预测,地层压力监测,第二节 岩石的工程力学性质,一、岩石的类型及特点 二、岩石的工程力学性质 三、井底各种压力对岩石性质的影响 四、岩石可钻性与研磨性,一、岩石的类型及特点,(1) 岩石的组成 岩石:是组成地壳的基本物质,它是由矿物或岩屑在地质作用下按一定规律聚集而形成的自然体,具有一定的强度。 矿物:在地壳中有一定的化学成份和物理性质的自然元素或化合物称为矿物,是地壳中的各种化学元素在各种作用下形成的产物。常见的造岩矿物如下表。,化合 组合 元素 矿物 岩石,常见的造岩矿物,花岗岩,是由石英、长石、和云母颗粒组成的。,(2) 岩石的类型 根据成因分为三类:岩浆岩、沉积岩、变质岩,钻井中常遇到的岩石,随着地球上主要地质过程的演变,这三类岩石之间可以互相转变。,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、颗粒间的胶结情况等。 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。如:层理、节理(裂隙)、孔隙度等。 一般,沉积岩具有明显的层理特征。,层理: 岩石一层一层叠起来的现象。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: 沉积岩常具有一层一层近似平行的层理,为不同时期沉积环境变化所制。最初的层理近似水平,其后受到地壳变动影响可能倾斜、弯曲或断裂。 层理的分类: A、成分相同时颗粒大小在垂直方向上的变化 B、不同成分颗粒的交替沉积 C、某些矿物颗粒指向相同 D、某种矿物颗粒呈规律性的分布,在某些岩石中的化学沉积物,层理表现的很不明显。有时在砂岩和层状岩石中,只有在很大块岩石中才可以区别出层理来。 在钻井地质剖面上所表现的岩性变化、软硬夹层等就是层理变化的反映。,(3)各向异性和非均质性 各向异性: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。如在垂直于或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。,片理(页理)是岩石沿平行的平面分裂为薄片的能力。,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、颗粒间的胶结强度 、孔隙度(密度)等不均质性造成的。 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,采用统计学理论,取合适的均值作为代表。,第二节 岩石的工程力学性质,一、岩石的类型及特点 二、岩石的工程力学性质 三、井底各种压力对岩石性质的影响 四、岩石可钻性与研磨性,物理性质:密度,孔隙度,饱和度 水理性质:吸水性、透水性、软化性、抗冻性、可溶性、膨胀性及崩解性 工程力学性质:岩石受力后表现出来的变形特性和强度特性,强度性质:抗压强度、抗拉强度、抗剪强度等、硬度、塑性 变形性质:弹性模量及泊松比,二、岩石的工程力学性质,弹性:岩石在外力作用下产生变形,外力撤销后变形随之消失,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,外力撤销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。 脆性:岩石在外力作用下变形很小(小于3%)就发生破坏的性质。相应的破坏称为脆性破坏。,几个概念:,弹性模量 :岩石每增加单位应变所需增加的应力。 式中:E弹性模量;应力;应变。 泊松比:压缩应力作用下岩石横向应变与纵向应变之比。,(一)、岩石的变形性质,弹性模量和泊松比,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:,常见岩石的弹性模量与泊松比,1. 岩石强度的概念 岩石在外力作用下达到破坏时的应力称为岩石的强度,是岩石在一定条件下抵抗外力破坏的能力。 影响岩石强度的因素: 内因:岩石的矿物成分,胶结物的成分;矿物颗粒的尺寸;岩石的密度和孔隙度等。 外因:岩石的受载方式,岩石的应力状态等。,(二)、岩石的强度性质,岩石的强度一般情况下随着埋藏深度的增加而增加。,2. 简单应力条件下岩石的强度 简单应力条件下岩石的强度指岩石在单一的外载作用下的强度,包括:,抗压强度岩石单纯受压缩应力破坏时的强度 抗拉强度岩石单纯受拉伸应力破坏时的强度 抗剪强度岩石单纯受剪切应力破坏时的强度 抗弯强度岩石单纯受弯曲应力破坏时的强度,(二)、岩石的强度性质,在岩样上施加轴向压缩载荷直至破坏时单位面积上的载荷,通过单轴抗压试验来获得。,岩石抗压强度:,实验要求: *施加压力的方向应平行于岩心的轴线 *岩样长度L应适当,L/D很小时,试件中的应力分布趋于三轴应力状态,具有较高的强度;L/D很大时,将发生弹性不稳定破坏;L/D应适中,一般以L/D=2.53.0较好。 *尽量减小端面效应,设法降低试件端面与加压板间的摩擦。 *试件尺寸取决于组成岩石的颗粒的尺寸,试件直径与最大颗粒尺寸的比值至少为10:1。因此,原则上应尽量采用较大直径的试件。建议采用2.22.6厘米直径的试件。,按抗压强度对地层进行分类,直接测量: 把岩样加工成拉伸试样,置于材料拉伸试验机上进行简单应力状态下(或称单轴抗拉伸状态)的拉伸试验。岩样拉断时的应力值即为岩石的抗拉伸强度。,岩石抗拉伸强度,可通过直接和间接抗拉伸强度试验来确定,实验要求: *设计恰当的夹紧机构; *制备一定形状的岩样; *确保加载方向严格平行于岩样轴线。,巴西劈裂实验: 将一个薄圆盘试件(直径40mm*厚度25mm)沿其直径方向加载,在沿着加载直径上分布着垂直于加载方向拉伸应力,如图所示。,间接测量方法:巴西劈裂实验,圆盘的破裂从圆中心开始,当拉应力达到岩样的抗拉强度时,试件在加载点连线上呈现清晰的破裂。岩石的抗张强度可按下式计算(r半径,t厚度):,抗剪试验,抗弯试验,1 岩石 2 刀具,破坏方式,岩石的抗压、抗拉、抗剪和抗弯强度,岩石各种强度间的比例关系,一般规律: 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。 一般情况下 抗拉强度抗弯强度抗剪强度抗压强度。 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。,3. 复杂应力条件下岩石的强度,首先用液压p使其四周处于三向均匀压缩的应力状态,然后保持此压力(围压)不变,对岩样加载,直到使其破坏。 可以进行三轴压缩试验,也可以进行三轴拉伸试验。,常规三轴试验,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,岩石破坏前呈现的也塑性越大。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。,一般规律:,4.岩石的抗压入破碎强度(硬度)与塑性系数,岩石的硬度是岩石抵抗其它物体表面压入或侵入的能力。 硬度与抗压强度区别: 前者只是固体表面的局部对另一物体压入或侵入时的阻力,而后者则是固体抵抗固体整体破坏时的阻力。 前者反映岩石颗粒的硬度,其对钻进过程中工具的磨损起重大影响; 后者反映岩石的组合硬度,其对钻进时岩石破碎速度起重大影响。 测量岩石硬度的方法 静压入法、冲击回弹法(摆球硬度)。 石油工业主要是利用静压入的方法测量岩石硬度(岩石的压入硬度是前苏联史立涅尔提出的,也称史氏硬度) 。 石油钻井中,常用的硬度有两种:史氏硬度和摩氏硬度。,摩氏硬度:表示材料的相对硬度。测量方法是用两种材料互相刻划,在表面留下擦痕者则硬度较低。 用10种矿物为代表,作为摩氏硬度的标准,依次为: 滑石(1度)、石膏(2度)、方解石(3度)、萤石(4度)、磷灰石(5度)、长石(6度)、石英(7度)、黄玉(8度)、刚玉(9度)、金刚石(10度)。 岩石矿物的硬度是选择破岩工具的重要参考依据,若在岩石中占一定比例的矿物的硬度达到或接近破岩工具工作部位材料的硬度,则工具磨损很快。 史氏硬度(压入硬度)的测量方法。,要求:岩样的长度为3050mm,直径4050mm,两端面光滑且相互平行;,试验仪器:岩石压入硬度测试仪。,岩石的脆性和塑性 三类:脆性岩石(brittle rock)、塑性岩石(plastic rock)和塑脆性岩石(brittle-plastic rock。 岩石在外力作用下,直至破碎而无明显的形状改变,这种情况称为脆性的;在外力作用下,岩石只改变其形状和大小而不破坏自身的连续性,这种情况称为塑性的;介乎于两者之间的是塑脆性岩石。,OA 弹性变形,AB 塑性变形,脆性和塑脆性岩石的硬度为: 式中:P产生脆性破碎时压头上的载荷(牛顿); S压头的底面积(毫米2); 对塑性岩石,取产生屈服(即从弹性变形开始向塑性变形转化)时的载荷P0代替P,即:,岩石级别及岩石硬度的关系,塑性系数:岩石破碎前耗费的总功AF与岩石破碎前弹性变形功AE的比值。 用岩石的塑性系数KP作为定量表征岩石塑性及脆性大小的参数。 对于塑脆性岩石: 脆性岩石K=1;塑性岩石,KP=。,第二节 岩石的工程力学性质,一、岩石的类型及特点 二、岩石的工程力学性质 三、井底各种压力对岩石性质的影响 四、岩石可钻性与研磨性,(一) 井眼周围地层岩石的受力,三、井底各种压力对岩石性质的影响,上覆岩层压力,上覆岩层压力3 岩石内孔隙流体的压力Pp 钻井液液柱压力Ph 水平地应力1 、2,来自:上覆岩层压力 地质构造力,某深处两个水平主地应力方向上的有效水平主地应力可以表示为: 、1和2两个水平主方向的构造应力系数,,1、2及3都是由于地下岩石之间的作用而产生的应力,所以统称地应力。,(二) 地应力对岩石性质的影响,某些试验表明,当地应力值太小,对钻进速度的影响不明显。 无论是垂直的上覆岩层压力或是水平的地应力(均匀的或非均匀的)都会影响井壁岩石的应力状态,从而影响到井壁的稳定。 地层坍塌、缩径、破裂,岩石有效应力:外压与内压之差 岩石的强度取决于有效应力 对干岩石,增大围压,岩石的强度、塑性都增大,称为“各向压缩效应”。 孔隙压力的作用降低了岩石的各向压缩效应,也就是说孔隙压力的存在会降低岩石的强度。 课本P36 表1-10,(三) 孔隙压力对岩石性质的影响,实验结果表明: 随着液柱压力增加,岩石硬度、抗压强度、塑性也增加,机械钻速降低。,(四) 液柱压力对岩石性质的影响,液柱压力ph对岩石硬度的影响,图1-18 液柱压力对钻井速度的影响 Rifle 页岩;Spraberry页岩 Wyoming红层;Pennsylvanian灰岩 Rush Spring砂岩;Ellenberger白云岩,第二节 岩石的工程力学性质,一、岩石的类型及特点 二、岩石的工程力学性质 三、井底各种压力对岩石性质的影响 四、岩石可钻性与研磨性,1、岩石可钻性(Rock Drillability) (1) 概念: 指岩石破碎的难易程度,可以理解为在一定的钻头规格、类型及钻井工艺条件下岩石抵抗钻头破碎的能力。 (2)评价方法:微钻头实验法 在钻压890(500)N、转速55 rpm的固定条件下,用直径31.75mm的微型钻头在岩心上钻孔,以钻进2.4mm(3mm)孔深所需的时间t作为岩石可钻性指标,由此把岩石分为易钻和难钻的。 为应用方便,常用 作为可钻性指标,称为可钻性级值。,可钻性级值越大,岩石越难破碎。,四、岩石可钻性与研磨性,实验时的各项技术指标如下: 微钻头直径:31.75mm。 钻压:牙轮钻头:890N20N,PDC钻头:500N20N。 转速:55r/min1r/min。 钻孔深度 牙轮钻头:2.6mm。预钻深度:0.2mm,计时钻孔深度:2.4mm。 PDC钻头:4mm。预钻深度:1.0mm,计时钻孔深度:3.0mm。 实验时,在每块岩心试样上钻三个孔,取其钻时平均值作为该岩石试样的钻时T,该岩石的可钻性级值,室内岩心微钻头实验求取可钻性,10级,2、岩石的研磨性 钻井过程中,钻井工具和岩石产生连续的或间歇的接触和摩擦,从而在破碎岩石的同时,这些工具本身也受到岩石的磨损而逐渐变钝甚至损坏。 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。,实验证明,金属环的单位摩擦路程的磨损不取决于圆盘的转速,而只与载W成正比,因而可用一个比例常数来表示:,摩擦磨损法,优点: 在相对较小的载荷作用下,可使圆环与岩石试件间的接触压力达到非常高的值; 圆环的转动使其接触表面不断改变,有利于冷却和清除磨损产物; 岩石试件的平移也保证了岩石的摩擦表面不断更新,并且使得接触压力在实验过程中保持不变。,岩石的研磨性不仅取决于岩石的结构和组织特点、组成岩石的矿物的性质和颗粒大小(对于碎屑岩还取决于胶结强度)等一系列岩石本身的性质,还取决于用于磨损的金属材料的性质。,变形性质:弹性模量及泊松比 强度性质:抗压强度、抗拉强度、抗剪强度、硬度、塑性系数,岩石力学性质,小结,井底压力对其影响:地应力、孔隙压力、液柱压力,岩石可钻性、研磨性,本章重点 1 地下各种压力的概念及关系 了解地层压力评价方法 岩石强度、硬度、塑性系数的概念与计算 了解井底压力对岩石性质的影响 岩石可钻性、研磨性的概念,作业,1、对某岩样进行单轴抗压强度实验,已知岩样破坏时轴向载荷为139kN,岩样直径为5cm,求岩样的抗压强度。 2、用平底圆柱形压头测定某岩样硬度,已知岩样产生脆性破碎时压头上的载荷为1.35kN,压头直径为0.8mm,求该岩样的硬度。 课本 P41 4 8 9 10 11 12 14 17,第一章 习题课,

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