《钻井工程地质条》课件.ppt
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- 钻井工程地质条 钻井 工程地质 课件
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1、 第一章第一章 钻井的工程地质条件钻井的工程地质条件n地下压力特性地下压力特性n岩石的工程力学性质岩石的工程力学性质第一节第一节 地下压力特性地下压力特性一、地下各种压力的概念一、地下各种压力的概念(一)静液压力(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。静液压力是由液柱自身的重力所引起的压力。ph=0.00981H 式中:式中:ph 静液压力静液压力,MPaMPa;液体的密度液体的密度,g/cmg/cm3 3;H H 液柱的垂直高度,液柱的垂直高度,m m。压力梯度,表示静液压力随高度或深度的变化。压力梯度,表示静液压力随高度或深度的变化
2、。G Gh h ph/H/H0.009810.00981 淡水或淡盐水,淡水或淡盐水,Gh=0.00981981 MPa MPa/m/m;盐水,盐水,Gh=0.0 0.0105 MPa105 MPa/m/m。(二)上覆岩层压力(二)上覆岩层压力(Overburden pressureOverburden pressure)地层某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,用孔隙中流体总重力所产生的压力,用 p p0 表示。表示。式中:式中:p p0 上覆岩层压力,上覆岩层压力,MpaMpa;H H 地层垂直深度地层
3、垂直深度,m m;岩石孔隙度,岩石孔隙度,%;mama 岩石骨架密度,岩石骨架密度,g/cmg/cm3 3;孔隙中流体密度,孔隙中流体密度,g/cmg/cm3 3。)1(00981.0maoDp面积流体重力基岩重力 po 上覆岩层压力随深度增加而增大。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沉积岩的上覆岩层压力梯度一般为0.02270.0227兆帕兆帕/米。米。式中:式中:G G0 0 上覆岩层压力梯度,上覆岩层压力梯度,Mpa/mMpa/m;p poi 第第i i层段的上覆岩层压力,层段的上覆岩层压力,MPaMPa;H Hi i 第第i i层段的厚度,层段的厚度,m m。
4、oi 第第i i层段的平均密度,层段的平均密度,g/cmg/cm3 3。上式计算的是上覆岩层压力梯度的平均值。上式计算的是上覆岩层压力梯度的平均值。HHHPGiioiioio 00981.0(三)地层压力(三)地层压力(formation pressureformation pressure)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(隙压力(formation pore pressureformation pore pressure),用),用p pp 表示。表示。正常地层压力等于从地表到地下某处的连续地层水的静液压正常地层
5、压力等于从地表到地下某处的连续地层水的静液压力。力。异常地层压力:地层压力大于或小于正常地层压力。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超过正常地层静液压力的地层压力(p ppp ph h)称为异常高压。称为异常高压。而低于正常地层静液压力的地层压力而低于正常地层静液压力的地层压力(p pp pph h)称为异常低压。称为异常低压。(四)基岩应力(四)基岩应力(matrix stressmatrix stress)基岩应力是岩石颗粒间相互接触支撑的那一部分上覆岩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,层压力,亦称有效上覆岩层压力、骨架应力或
6、颗粒间压力亦称有效上覆岩层压力、骨架应力或颗粒间压力。上覆岩层压力、地层压力和基岩应力之间的关系是:上覆岩层压力、地层压力和基岩应力之间的关系是:poPP地下各种压力之间的关系地下各种压力之间的关系 (Po 、Pp 和之间的关系)Po=(基岩重力+孔隙流体的重力)/面积 Pp Po =Pp +由上式可知 上覆岩层压力由基岩和孔隙流体共同承担。Po 一定,减小,Pp 增大。当0时,Pp Po。不管任何原因使基岩应力下降,都会导致孔隙压力增大。n Po 、Pp 和和之间的关系可用下图表示之间的关系可用下图表示 (五)异常压力的成因(五)异常压力的成因 异常低压和异常高压统称为异常压力(异常低压和异
7、常高压统称为异常压力(abnormal abnormal pressurepressure)。)。1 异常低压异常低压(abnormal low pressureabnormal low pressure)压力梯度小于压力梯度小于9.819.81kPakPam m(即正常地层压力梯度)的是(即正常地层压力梯度)的是异常低压。异常低压。产生异常低压的原因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。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。地下水位很低。2异常高压异常高压(abnormal high pressureabnormal high pressure)
8、压力梯度大于压力梯度大于10.510.5千帕米的是异常高压。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:公认的成因有:(1)沉积物的快速沉降,压实不均匀。)沉积物的快速沉降,压实不均匀。从从沉降压实的原理沉降压实的原理来看,在正常压实的地层,随着来看,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,强深度的增加,岩石越致密,密度越大,孔隙度越小,强度越高。度越高。欠压实地层的岩石密度低,孔隙度大。欠压实
9、地层的岩石密度低,孔隙度大。(2)水热增压。)水热增压。(3)渗透作用。)渗透作用。(4)构造作用。)构造作用。地层沉降压实的机理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,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并使孔隙度减小,孔隙中的过剩流体被挤出.如果是如果是“开放开放”的地的地质质环境,被挤出的流
10、体就沿着阻力小的方向,或向着低压高渗透的环境,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。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: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,)上覆岩层沉积速度的大小,(2)地层渗透率的大小,)地层渗透率的大小,(3)孔隙减小的速度,)孔隙减小的速度,(4)排出孔隙流体的能力。)排出孔隙流体的能力。地层欠压实现象的形成地层欠压实现象的形成 如果沉积物沉积速度
11、很快,地层中岩石颗粒没有足够的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
12、法流出,就会造成孔隙增大,地层不能被压实到正常压实无法流出,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。程度,即形成地层欠压实现象,从而导致地层异常高压。异常高压异常高压 二、二、地层压力评价地层压力评价 地层压力评价的方法可分为两类:预测和监测。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;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。实际变化规律。(一)地层压力预测(一)地层压力预测 常用的地
13、层压力预测的常用的地层压力预测的方法有地震法、声波时差法和页岩方法有地震法、声波时差法和页岩电阻率法等。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介质的密度,密度,密度越大,传播速度越大,传播速度VpVp越快,否则传播速度越快,否则传播速度越慢。越慢。依据是地层压实理论或地层欠压实理论依据是地层压实理论或地层欠压实理论正常压力地层:正常压力地层:HH,V VP P;异常高压层:由于地层欠压实,异常高压层:由于地层欠压实,V VP P。声波时差法: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
14、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 (1-61-6)式中:式中:T T 声波在单位距离内的传播时间;声波在单位距离内的传播时间;岩石的密度;岩石的密度;岩石的泊松比;岩石的泊松比;E E 岩石的弹性模量。岩石的弹性模量。)1(3)1(ETn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,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。隙度和埋藏深度。n根据声波时差的数据,可在半对数坐标纸上绘出曲线,依根据声波时差的数据,可在半对数坐标纸上绘出曲线,
15、依据是地层压实理论或地层欠压实理论据是地层压实理论或地层欠压实理论n正常压力地层:正常压力地层:HH,V VP P tt ;异常高压层:地层欠压实,异常高压层:地层欠压实,V VP P tt。(二)地层压力监测(二)地层压力监测 常用的地层压力监测的方法是常用的地层压力监测的方法是d dc c指数法。指数法。d dc c指数法实质上指数法实质上是在机械钻速法基础上发展起来的。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。地层压力之差,对机械钻速的影响的理论
16、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。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。nd d指数法指数法是在宾汉钻速方程的基础上建立的。是在宾汉钻速方程的基础上建立的。n宾汉在不考虑水力因素的影响下提出的钻速方程为:宾汉在不考虑水力因素的影响下提出的钻速方程为:n V VpcpcKnKn
17、e e(W/d(W/db b)d d (113)(113)n式中:式中:V Vpcpc 机械钻速;机械钻速;K K 岩石可钻性系数;岩石可钻性系数;n n 转速;转速;e e 转速指数,取转速指数,取e e1 1;W W 钻压;钻压;d db b 钻头直径;钻头直径;d d 钻压指数。钻压指数。n假设钻井条件和岩性不变,即假设钻井条件和岩性不变,即K=1K=1,e=1e=1,则方程(,则方程(1-131-13)被简化)被简化为:为:n V Vpcpcn(W/dn(W/db b)d d (114)(114)n对上式两边取对数,并整理后得:对上式两边取对数,并整理后得:(1(115)15)/log
18、()/log(dVbpcWnd n若采用常用公制单位,上式变为若采用常用公制单位,上式变为n n (1-16)(1-16)n式中:式中:V Vpcpc 机械钻速,机械钻速,m/hm/h;n n n 转速,转速,r/minr/min;n W W 钻压,钻压,kNkN;n d db b 钻头直径钻头直径,mmmm;n d d 钻压指数钻压指数,无因次。无因次。dVbpcWnd0684.0log0547.0log d d指数与机械钻速也成反比,所以指数与机械钻速也成反比,所以d d指数与压差的大小有指数与压差的大小有关,因此关,因此d d指数可用来检测异常高压。指数可用来检测异常高压。在正常地层压力
19、,机械在正常地层压力,机械钻速随井深增加而减小,钻速随井深增加而减小,d d指数随井深增加而增大。进入压力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,实际的过渡带和异常高压地层后,实际的d d指数较正常基线偏小。指数较正常基线偏小。d d指数法的前提之一是保持泥浆密度不变,为消除钻井液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密度的变化对d d指数的影响,提出了修正的指数的影响,提出了修正的d d指数法,即指数法,即d dc c指指数法。数法。d dc c指数法指数法 (1-171-17)式中:式中:d dc c 修正的修正的d d指数;指数;n n 正常地层压力当
20、量密度(即地层水的密度),正常地层压力当量密度(即地层水的密度),g/cmg/cm3 3;d d 实际钻井液密度,实际钻井液密度,g/cmg/cm3 3 。根据根据d dc c指数法计算地层压力的方法有两种:直接计算和等效深度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。法计算。dncdd 直接计算法:直接计算法:(1)(1)在高压层顶部以上至少在高压层顶部以上至少300300米的纯泥页岩井段,按一米的纯泥页岩井段,按一定深度间隔取点定深度间隔取点 记录每点所对应的钻速、钻压、转速、钻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。头直径、地层水密度
21、和实际泥浆密度等六项参数。(2)(2)根据记录的数据计算根据记录的数据计算d d指数和指数和d dc c指数。指数。(3)(3)在半对数坐标纸上一一作出在半对数坐标纸上一一作出d dc c指数和相应的井深所确指数和相应的井深所确定的点。定的点。(4)(4)根据正常地层压力井段的数据引根据正常地层压力井段的数据引d dc c指数的正常趋势线。指数的正常趋势线。(5)(5)计算地层压力。计算地层压力。根据根据d dc c指数的偏离值计算相应的地层压力的公式是:指数的偏离值计算相应的地层压力的公式是:(1-181-18)p p 、n n 分别为所求井深处的地层压力当量密度和正常分别为所求井深处的地层
22、压力当量密度和正常地层压力当量密度,地层压力当量密度,g/cmg/cm3 3 ;d dcncn、d dcaca 所求井深处的正常所求井深处的正常d dc c指数值和实测指数值和实测d dc c指数值。指数值。ddcacnnpn等效深度法求地层压力:等效深度法求地层压力:d dc c指数反映指数反映了泥页岩的压实程度,若地层具有了泥页岩的压实程度,若地层具有相等的相等的d dc c指数,则可视其骨架应力相指数,则可视其骨架应力相等等n用等效深度法求地层压力的公式是用等效深度法求地层压力的公式是 p pp pG Go oD D-(G-(Go o-G-Gpmpm)D)De e (1-19)(1-19
23、)np pp p 所求深度处的地层压力,所求深度处的地层压力,MPaMPa;G Go o 上覆岩层压力梯度,上覆岩层压力梯度,MPaMPa/m/m;D D 所求地层压力点的深度,所求地层压力点的深度,m m;G Gpnpn 等效深度处的正常地层压力梯等效深度处的正常地层压力梯度,度,MPaMPa/m/m;D De e 等效深度,等效深度,m m。图1-6 dc指数的等效深度12nd dc c指数值的发散现象,其原因主要有以下几个方面指数值的发散现象,其原因主要有以下几个方面n(1)(1)岩性变化:岩性变化:d dc c指数取决于基岩强度,岩性不同,骨架强指数取决于基岩强度,岩性不同,骨架强度也
24、不同。在岩性发生变化的地层,度也不同。在岩性发生变化的地层,d dc c指数的规律也将发生指数的规律也将发生变化,例如砂、页岩交错的地层。变化,例如砂、页岩交错的地层。n(2)(2)水力参数:水力参数发生大的变化时,射流对地层的破水力参数:水力参数发生大的变化时,射流对地层的破碎作用不同,碎作用不同,d dc c指数的规律也将发生变化。指数的规律也将发生变化。n(3)(3)钻头类型:钻头类型不同,其破岩机理不同。所以钻头钻头类型: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。类型的变化会引起正常趋势线的移动。n另外,在纠斜吊打、用刮刀钻头和取芯钻头钻进,钻头的跑另外,
25、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情况下都不宜取点计算d dc c指数值。指数值。三、三、地层破裂压力(地层破裂压力(formation fracture pressureformation fracture pressure)在井下一定深度处裸露的地层,承受流体压力的能力是有限在井下一定深度处裸露的地层,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为地层
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