2第一章 钻井工程地质条件.ppt

第一章 钻井的工程地质条件,地下压力特性岩石的工程力学性质,第一章 钻井的工程地质条件 第一节 地下压力特性,一、地下各种压力的概念（一）静液压力（hydrostatic pressure）静液压力是由液柱自身的重力所引起的压力 ph=0.00981ρH 式中：ph — 静液压力, MPa； ρ— 液体的密度,g/cm3； H — 液柱的垂直高度，m压力梯度，表示静液压力随高度或深度的变化 Gh＝ ph / H＝0.00981ρ淡水或淡盐水，Gh=0.00981 MPa/m；盐水， Gh= 0.0105 MPa/m第一章 钻井的工程地质条件 第一节 地下压力特性,（二）上覆岩层压力（Oveburden pressur） 地层某处的上覆岩层压力是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 p0 表示 式中：p0 — 上覆岩层压力，MPa； H — 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。

第一章 钻井的工程地质条件 第一节 地下压力特性,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 式中：G0 — 上覆岩层压力梯度，Mpa/m； poi — 第i层段的上覆岩层压力，MPa； Hi — 第i层段的厚度，m ρoi — 第i层段的平均密度，g/cm3 上式计算的是上覆岩层压力梯度的平均值第一章 钻井的工程地质条件 第一节 地下压力特性,（三）地层压力（formation pressue）地层压力是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 pressue），用pp 表示石钻 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(pp>ph)称为异常高压而低于正常地层静液压力的地层压力(pp

上覆岩层压力、地层压力和基岩应力之间的关系是：,,,第一章 钻井的工程地质条件,,Po 、 Pp 和σ之间的关系可用下图表示,第一章 钻井的工程地质条件 第一节 地下压力特性,（五）异常压力的成因 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9.81kPa／m（即正常地层压力梯度）的是异常低压产生异常低压的原因 （1） 生产多年而又没有压力补充的枯竭油气层 （2） 地下水位很低2．异常高压（abnormal high pressure）压力梯度大于10.5千帕／米的是异常高压异常高压的形成是多种因素综合作用的结果，这些因素与地质作用、构造作用和沉积速度有关目前人们公认的成因有：,第一章 钻井的工程地质条件 第一节 地下压力特性,异常高压的成因 （1）沉积物的快速沉降，压实不均匀 从沉降压实的原理来看，在正常压实的地层，随着深度的增加，岩石越致密，密度越大，孔隙度越小，强度越高。

欠压实地层的岩石密度低，孔隙度大2）水热增压3）渗透作用4）构造作用 异常高压必然是一个被圈闭的密封系统，即它的顶部是一个致密的盖层这个盖层阻碍了流体的散逸，导致欠压实和异常高压地层沉降压实的机理 地层的压缩过程是由上覆沉积层的重力引起的随着上覆沉积物不断地增加，下覆岩层就逐渐被压实如果沉积物沉积速度较慢，地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地层水自上而下形成连续的正常的静液压力系统地层压实能否保持平衡，主要取决于四个因素： （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第一章 钻井的工程地质条件 第一节 地下压力特性,地层欠压实现象的形成 如果沉积物沉积速度很快，地层中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压实程度，即形成地层欠压实现象，从而导致地层异常高压异常高压,,第一章 钻井的工程地质条件 第一节 地下压力特性,二、 地层压力评价地层压力评价的方法可分为两类：预测和监测用邻近井资料进行压力预测，建立地层压力剖面；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 （一）地层压力预测常用的地层压力预测的方法有地震法、声波时差法和页岩电阻率法等地震法一般是采用纵波勘探纵波的传播速度取决于传播介质的密度ρ，密度ρ越大，传播速度Vp越快，否则传播速度越慢第一章 钻井的工程地质条件 第一节 地下压力特性,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↗； 异常高压层：由于地层欠压实， ↗， ↘ →VP↘声波时差法：声波在地层中传播的快慢常以通过单位距离所用的时间来衡量即 （1-6）式中：T — 声波在单位距离内的传播时间； ρ— 岩石的密度； μ— 岩石的泊松比； E — 岩石的弹性模量。

第一章 钻井的工程地质条件 第一节 地下压力特性,声波在地层中传播的快慢与岩石的密度和弹性系数等有关，而岩石的密度和弹性系数又取决于岩石的性质、结构、孔隙度和埋藏深度根据声波时差的数据，可在半对数坐标纸上绘出曲线，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↗→ Δt ↘； 异常高压层：地层欠压实，↗，↘ →VP↘ →Δt↗第一章 钻井的工程地质条件 第一节 地下压力特性,（二）地层压力监测常用的地层压力监测的方法是dc指数法dc指数法实质上是在机械钻速法基础上发展起来的机械钻速法：利用泥页岩压实规律和井底的泥浆柱压力与地层压力之差，对机械钻速的影响的理论来检测地层压力的钻遇异常高压地层：岩石孔隙度突然增大，孔隙压力突然增加，压差减小，机械钻速突然加快 压持效应：在在钻进过程中，井内始终存在压差，在该压差作用下，井底岩屑难以离开井底，造成钻头重复破碎的现象第一章 钻井的工程地质条件 第一节 地下压力特性,d指数法是在宾汉钻速方程的基础上建立的宾汉在不考虑水力因素的影响下提出的钻速方程为： Vpc＝Kne(W/db)d (1―13)式中：Vpc — 机械钻速； K — 岩石可钻性系数； n — 转速； e — 转速指数，取e＝1； W — 钻压；db — 钻头直径；d — 钻压指数。

假设钻井条件和岩性不变，即K=1，e=1，则方程（1-13）被简化为： Vpc＝n(W/db)d (1―14)对上式两边取对数，并整理后得： (1—15),第一章 钻井的工程地质条件 第一节 地下压力特性,若采用常用公制单位，上式变为 (1-16)式中：Vpc — 机械钻速，m/h； n — 转速，r/min； W — 钻压，kN； db — 钻头直径,mm； d — 钻压指数,无因次第一章 钻井的工程地质条件 第一节 地下压力特性,d指数与机械钻速也成反比，所以d指数与压差的大小有关，因此d指数可用来检测异常高压在正常地层压力，机械钻速随井深增加而减小，d指数随井深增加而增大进入压力过渡带和异常高压地层后，实际的d指数较正常基线偏小d指数法的前提之一是保持泥浆密度不变，为消除钻井液密度的变化对d指数的影响，提出了修正的d指数法，即dc指数法。

dc指数法 （1-17）式中：dc — 修正的d指数； ρn — 正常地层压力当量密度（即地层水的密度），g/cm3； ρd — 实际钻井液密度， g/cm3 根据dc指数法计算地层压力的方法有两种：直接计算和等效深度法计算直接计算法：(1)在高压层顶部以上至少300米的纯泥页岩井段，按一定深度间隔取点 记录每点所对应的钻速、钻压、转速、钻头直径、地层水密度和实际泥浆密度等六项参数2)根据记录的数据计算d指数和dc指数3)在半对数坐标纸上一一作出dc指数和相应的井深所确定的点4)根据正常地层压力井段的数据引dc指数的正常趋势线，图1-55)计算地层压力根据dc指数的偏离值计算相应的地层压力的公式是 （1-18）ρp 、 ρn — 分别为所求井深处的地层压力当量密度和正常地层压力当量密度， g/cm3 ；dcn、 dca — 所求井深处的正常dc指数值和实测dc指数值第一章 钻井的工程地质条件 第一节 地下压力特性,等效深度法求地层压力：dc指数反映了泥页岩的压实程度，若地层具有相等的dc指数，则可视其骨架应力相等用等效深度法求地层压力的公式是 pp＝GoD-(Go-Gpm)De (1-19)pp — 所求深度处的地层压力， MPa； Go — 上覆岩层压力梯度，MPa/m； D— 所求地层压力点的深度，m； Gpn— 等效深度处的正常地层压力梯度，MPa/m； De — 等效深度，m。

图1-6 dc指数的等效深度,1,2,第一章 钻井的工程地质条件 第一节 地下压力特性,dc指数值的发散现象，其原因主要有以下几个方面(1)岩性变化：dc指数取决于基岩强度，岩性不同，骨架强度也不同在岩性发生变化的地层，dc指数的规律也将发生变化，例如砂、页岩交错的地层 (2)水力参数：水力参数发生大的变化时，射流对地层的破碎作用不同，dc指数的规律也将发生变化3)钻头类型：钻头类型不同，其破岩机理不同所以钻头类型的变化会引起正常趋势线的移动另外，在纠斜吊打、用刮刀钻头和取芯钻头钻进，钻头的跑合期和磨损的后期、井底不干净、钻遇断层裂缝等特殊钻进情况下都不宜取点计算dc指数值。