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1、第一章 钻井的工程地质条件,定义：钻井工程地质条件是指与钻井工程有关的地质因素的综合。包括：岩石、土壤类型及其工程力学性质；地质结构；地层中流体情况；地层情况。了解岩石的力学性质 优选钻头类型和钻进参数等；了解地层岩性及压力分布 合理进行压力控制、井身结构设计等；所以对地层岩石力学性质、压力特性等的认识和把握是进行一口井设计的重要基础。,第一章 钻井的工程地质条件,第一节 地下压力特性一、地下各压力的定义二、地层压力的评价三、地层破裂压力第二节 岩石的工程力学特性一、岩石的机械性质二、井底压力条件下的岩石的机械性质三、岩石的研磨性四、岩石的可钻性,第一节 地下压力特性,地下各种压力的理论及其评
2、价技术对油气勘探和开发具有重要意义。在钻井工程中，地层压力和地层破裂压力是科学地进行钻井设计和施工的基本依据，因而必须对它们进行准确的评价。本节主要介绍地下各种压力概念和压力评价技术。,第一节 地下压力特性,一、地下各种压力的定义,1、压力的四种表示方法表示方法1压力值压力是指物体单位面积上所受 的垂直力。压力的单位是帕，符号是 Pa；1 Pa 是1m2面积上受到1N（牛顿）的力时形成的压力即1Pa=1N/m2。1 KPa=1103 Pa，1 MPa=1106 Pa。与原工程大气压关系为：1MPa=10.194kg/cm2即1兆帕约等于10个工程大气压。,一、地下各种压力的定义,1、压力的四种
3、表示方法表示方法1压力值那么液体任意深度处的静水压力为：p=gD 钻井行业中，如果取 密度 的单位为 g/cm3、井深的单位为m、重力常数g=0.00981，则压力 p 的单位就为MPa。以MPa表示的钻井行业中静水压力的计算公式为：p=0.00981D 式中：p地层压力，MPa；D深度，m；流体密度，g/cm3；,一、地下各种压力的定义,1、压力的四种表示方法表示方法2压力梯度每增加单位垂直深度压力的变化量。计算公式为:G=p/D=0.00981 D/D=0.00981 式中：G压力梯度，MPa/m；p压力，MPa；D深度，m；流体密度，g/cm3；,注意：工程上密度和压力梯度之间的关系！,
4、一、地下各种压力的定义,1、压力的四种表示方法表示方法3当量密度地层某点压力等同于相当密度的流体在该点深处所形成的静液柱压力。计算公式为:e=p/0.00981D式中：p地层某点压力，MPa；D地层某点深度，me 当量流体密度，g/cm3,一、地下各种压力的定义,1、压力的四种表示方法表示方法4压力系数指某点地层压力与该点深度处的静水柱压力之比，其大小在数值上等于其当量密度。计算公式为:k=p/p水=0.00981 e D/0.00981 水D=e/水（注意：水=1.0g/cm3）式中：k 压力系数,无单位；水水的密度，1.0 g/cm3；D深度，m;e 当量流体密度，g/cm3,一、地下各种
5、压力的定义,1、压力的四种表示方法表示方法4压力系数指某点地层压力与该点深度处的静水柱压力之比，其大小在数值上等于其当量密度。k=p/p水=e/水压力系数等于1时，属于正常地层压力；大于1时，称为高异常地层压力，或称为高压异常；小于1时，称为低异常地层压力，或称低压异常。主要是用它来判别地层压力是否异常的一个主要参数。但是有人说用1来做标准就笼统了，不同的区块有不同的常压值，一般油田都是是正常值，小于则是低压区，大于则是高压区。它对钻井、修井、射孔等工程有重要作用。,一、地下各种压力的定义,（1）用压力值表示。如:100 kPa，12MPa,（2）用压力梯度表示。如 0.012MPa/m,（3
6、）用流体当量密度表示。如：1.2g/cm3,（4）用压力系数表示。如：1.2,四种压力的表示法,一、地下各种压力的定义,2、静液压力（hydrostatic pressure）（ph）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成正比。ph=0.00981D 式中：ph静液压力，MPa；液体密度，g/cm3；D 液柱垂直高度，m。上式就是我们所熟知的一般液柱压力的计算公式。,一、地下各种压力的定义,2、静液压力（hydrostatic pressure）在现场的应用，有时直接使用ph不能很方便，在此，引入了压力梯度的概念：即用单位高度或深度的液柱压力，来表示压力随高
7、度或深度的变化。一般的，压力梯度用G表示，如Gh表示静液柱压力梯度。单位深度的液柱压力称为静液压力梯度，Gh ph/D0.00981（MPa/m）,一、地下各种压力的定义,2、静液压力（hydrostatic pressure）ph的大小与液体中所溶矿物或气体有关。在我们油气钻井作业中所遇到的地层液体有两类：一类是淡水或淡的盐水：平均Gh=0.00981 MPa/m（当量密度：=1.00g/cm3）一类是盐水：平均Gh=0.0105 MPa/m（当量密度：=1.07g/cm3）注意：需讲明“当量密度”的概念,一、地下各种压力的定义,3、地层压力（Formation pressue）(pp)指岩
8、石孔隙中的流体（油、气、水）所具有的压力，也称地层 孔隙压力pp（Pore Pressure）。正常地层压力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，ppph。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(pp ph)称为异常低压.,正常地层压力梯度,一、地下各种压力的定义,4、上覆岩层压力(Overburden pressure)(p0)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；岩石孔隙度，%；ma 岩石骨架
9、密度，g/cm3；孔隙中流体密度，g/cm3。,一、地下各种压力的定义,4、上覆岩层压力(Overburden pressure)(p0)虽然由于沉积作用，p0是随的深度增加而增大。但通常都假设p0是随D均匀增加的。设ma=2.5 g/cm3,=1.00g/cm3，平均=10%，则上覆岩层的压力梯度为：G0=0.00981(1-0.25)2.5+1.00.1=0.023 MPa/m沉积岩的上覆岩层压力梯度一般为0.023 MPa/m;在实际钻井过程中，以钻台作为上覆岩层压力的基准面。在海上钻井，实际上覆岩层的压力是远小于这个值的。G0的分层计算公式为（平均值）：,一、地下各种压力的定义,5、基
10、岩应力（matrix stress）（）基岩应力是指由岩石颗粒之间相互接触来支撑的那部分p0（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。这部分压力不是由孔隙内流体所承担的。其用来表示。po=+pp 由上式见，上覆岩层压力是一定的，不管什么原因，只要，那么 pp 就会。,一、地下各种压力的定义,6、地下各种压力的关系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：po=+pp 当po一定时，减小，pp增大，0，pp po。所以，地层的孔隙压力增大，基岩应力必然减小。,一、地下各种压力的定义,7、地层沉降压实的机理沉积物压缩过程
11、是由上覆沉积层的重力引起的。随着地层的沉降，上覆沉积物重复的增加，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，此情况下，地层水自上而下形成连续的正常的静液压力系统。,一、地下各种压力的定义,7、地层沉降压实的机理地层压实能否保持平衡，主要取决于四个因素：上覆岩层沉积速度的大小;地层渗透率的大小；孔隙减小的速度；排出孔隙流体的能力。,一、地下各种压力的定义,8、正常地层压力的形成在地层的沉积过程中
12、，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。对于正常压力的地层，地层压力pp等于地层流体静液柱压力ph：pp=ph,一、地下各种压力的定义,9、异常高压和异常低压（Abnormal formation pressure and Subnormal formation pressure）异常低压和异常高压统称为异常压力(Abnormal Pressure)。（1）异常低压（abnormal low pressure）压力梯度小于
13、0.00981MPam时，称为是异常低压。产生异常低压的原因:生产多年而又没有压力补充的枯竭油气层。地下水位很低。,一、地下各种压力的定义,9、异常高压和异常低压（Abnormal formation pressure and Subnormal formation pressure）（2）异常高压（abnormal high pressure）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。形成异常高压的地质条件 地层具有保存流体的空隙；地层周围存在不渗透围栅，构成圈闭；具有一定的埋藏深度；,一、地下各种压力的定义,10、异常高压成因如果沉
14、积速度很快，岩石颗粒没有足够的时间去重新排列，孔隙内的流体的排出受到限制，基岩无法增加它的颗粒与颗粒之间的压力，即无法增加它对上覆岩层的支撑能力。由于上覆岩层继续沉积，负荷增加，而下面基岩的支撑能力没有增加，孔隙中的流体必然开始支撑部分上覆岩层压力。若周围被不渗透地层圈闭起来，使得高压流体无法流出，就会造成孔隙增大，地层不能被压实到正常地层应该压实的程度，即形成地层欠压实现象，会导致异常高压。,这种超高压的存在理论可以用“压力桥”模型来解释。在大陆边缘，特别是三角洲地区，由于沉积速度很快，在这些地区易形成异常高压地层。,一、地下各种压力的定义,10、异常高压成因,盖层,一、地下各种压力的定义,
15、10、异常高压成因其它原因：高的供水源,一、地下各种压力的定义,10、异常高压成因 地质构造作用：造成地层上升、巨大地应力的挤压 水热增压作用：温度升高，流体体积膨胀 渗透作用：水由盐浓度低的一侧通过泥岩半透膜向高侧渗透。异常高压的大小 异常高压一般不会超过上覆岩层压力。但也有超过上覆岩层压力的特高压地层，由覆盖在高压层以上岩层的内力帮助上覆岩层压力来平衡地层流体的巨大向上作用力。,小结及思考题,内容：地层压力的四种表示方法；地层压力、上覆岩层压力、基岩应力、异常压力及其成因；思考题：简述压力的四种基本表示方法；简述地下各种压力的基本概念及上覆岩层压力、地层空隙压力和基岩应力三者之间的关系。简述地层沉积欠压实产生异常高压的机理。,
