鉆井工程地質(zhì)條件

第一章鉆井工程的地質(zhì)條件

（巖石與鉆井工具）

（Drillingengineeringgeologicalconditions）1巖石：主要內(nèi)容:第一節(jié)巖石分類(lèi)與結(jié)構(gòu)第二節(jié)巖石工程力學(xué)性質(zhì)第三節(jié)地下壓力特性第四節(jié)井底壓力條件下的力學(xué)性質(zhì)及其影響因素

第一章鉆井工程地質(zhì)條件2第一節(jié)巖石分類(lèi)與結(jié)構(gòu)第一章鉆井工程地質(zhì)條件3第二節(jié)巖石工程力學(xué)性質(zhì)Rockengineeringmechanicsproperties一、巖石的分類(lèi)二、巖石的結(jié)構(gòu)第一章鉆井的工程地質(zhì)條件4巖石類(lèi)型地球半徑6371km，分地殼、地幔、地核三個(gè)圈層；地殼厚度30～40km，由巖石組成。

巖石：巖石是各種礦物的組合體。Rock：Rockisacombinationofvariousminerals.

礦物：具有一定的物理性質(zhì)和確定化學(xué)成分的物質(zhì)，地殼巖石中99%的巖石由12種常見(jiàn)物質(zhì)組成。（正長(zhǎng)石、斜長(zhǎng)石、石英、白云母等。）Minerals：spontaneousuniformsolid.組成巖石的化學(xué)元素主要有8種（氧、硅、鋁等）。

化合組合元素─→礦物─→巖石

一、概述第二節(jié)巖石的工程力學(xué)性質(zhì)5一、概述（一）沉積巖礦物與巖石礦物是天然產(chǎn)出的均勻固體，是地表及上地幔的化學(xué)元素在一定條件下經(jīng)過(guò)各種地質(zhì)作用所形成的相對(duì)穩(wěn)定的產(chǎn)物，它具有比較固定的化學(xué)成分和晶體結(jié)構(gòu)，是礦石和巖石的基本組成單位，是地殼演化過(guò)程中元素運(yùn)動(dòng)和存在的一種形式，各種礦物的研究在石油地質(zhì)中有著重要的意義。第二節(jié)巖石的工程力學(xué)性質(zhì)6

一、概述第二節(jié)巖石的工程力學(xué)性質(zhì)序號(hào)礦物名稱(chēng)密度摩氏硬度晶形1.鋁硅酸鹽(長(zhǎng)石族)1234567正長(zhǎng)石鉀微斜長(zhǎng)石鈉長(zhǎng)石鈉鈣長(zhǎng)石中長(zhǎng)石鈣鈉斜長(zhǎng)石鈣長(zhǎng)石2.572.542.62~2.652.65~2.672.68~2.692.70~2.732.74~2.7666~6.56~6.55.5~65~65~66~6.5單斜晶系三斜晶系三斜晶系三斜晶系三斜晶系三斜晶系三斜晶系似長(zhǎng)石類(lèi)89霞石白榴石2.55~2.652.45~2.505.56~65.56~6六方晶系等軸晶系云母(層狀硅酸鹽)1011白云母黑云母2.75~32.70~3.12~2.52.5~3單斜晶系單斜晶系表1-1主要造巖礦物7

一、概述第二節(jié)巖石的工程力學(xué)性質(zhì)8礦物與巖石巖石就是通常所指的石頭，是地殼中由地質(zhì)作用所形成的固態(tài)物質(zhì)，是由各種礦物或巖屑組成的天然集合體，并且有著一定的結(jié)構(gòu)構(gòu)造和變化規(guī)律。一、概述第二節(jié)巖石的工程力學(xué)性質(zhì)91、火成巖（巖漿巖）igneousrock巖漿冷凝而成，如花崗巖、玄武巖。特點(diǎn)：呈塊狀，致密、堅(jiān)硬2、沉積巖sedimentaryrock各種原巖，如火成巖、變質(zhì)巖，先前形成的沉積巖經(jīng)風(fēng)化、破碎后再沉積和壓實(shí)而成的新巖石，是主要的石油生成和儲(chǔ)集巖石。特點(diǎn)：有層理，有化石3、變質(zhì)巖metamorphicrock火成巖和沉積巖在高溫高壓的作用下，改變了原有結(jié)構(gòu)而形成的新巖石。石灰?guī)r→大理石，花崗巖→片麻巖。一、概述第二節(jié)巖石的工程力學(xué)性質(zhì)10（一）沉積巖1、黃土和粘土(直徑＜10m的粘土礦物微粒組成）2、泥巖及頁(yè)巖（孔隙少，滲透率低）3、砂巖（孔隙大，滲透率較大，是主要的儲(chǔ)層）4、礫巖5、石灰?guī)r：碳酸鈣的化學(xué)沉積。碳酸鈣被碳酸鎂替代則成為白云巖，主要為裂縫和溶洞型的儲(chǔ)集層。

一、巖石的機(jī)械性質(zhì)第二節(jié)巖石的工程力學(xué)性質(zhì)11主要的沉積巖類(lèi)型（1）碎屑巖母巖風(fēng)化后的物質(zhì)經(jīng)機(jī)械沉積作用后形成的巖石。碎屑顆粒（巖石碎屑、礦物碎屑）由膠結(jié)物（泥質(zhì)、鐵質(zhì)、鈣質(zhì)、硅質(zhì)）膠結(jié)在一起。（2）化學(xué)沉積巖母巖風(fēng)化后的溶解物質(zhì)經(jīng)化學(xué)沉積作用后形成晶質(zhì)巖石。一、概述第二節(jié)巖石的工程力學(xué)性質(zhì)12沉積巖的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)Sedimentaryrockarchitecturalcharacteristics結(jié)構(gòu)指巖石的微觀組織特征，包括礦物成分、顆粒大小、形狀及排列方式、顆粒間的聯(lián)結(jié)情況等。特點(diǎn)：礦物成分不確定、顆粒大小不等、顆粒形狀多樣、顆粒分布不均勻、膠結(jié)強(qiáng)度有強(qiáng)有弱。分類(lèi)：結(jié)晶沉積巖(Crystallinesedimentaryrocks)碎屑沉積巖(clasticsedimentaryrock)沉積巖的構(gòu)造特點(diǎn)sedimentaryrockstructurecharacteristics

構(gòu)造指巖石的宏觀組織特征，是指巖石組分的空間分布及其相互間的位置關(guān)系。如層理、頁(yè)理、節(jié)理（裂隙）、孔隙度等。一、巖石的機(jī)械性質(zhì)第二節(jié)巖石的工程力學(xué)性質(zhì)13

一、巖石的機(jī)械性質(zhì)第二節(jié)巖石的工程力學(xué)性質(zhì)沉積巖的各向異性(thenonisotropyofsedimentaryrock)

如果物體的某一性質(zhì)隨方向的不同而不同，則稱(chēng)物體的這種特性為各向異性。巖石一般具有各向異性的性質(zhì)。如在垂直于和平行于層理面的方向上，巖石的力學(xué)性質(zhì)（彈性、強(qiáng)度等）有較大的差異。巖石的各向異性性質(zhì)是由巖石的構(gòu)造特點(diǎn)所決定的。結(jié)晶礦物顆粒的定向排列、層理、片理、節(jié)理等使得巖石具有各向異性的特點(diǎn)。14

一、巖石的機(jī)械性質(zhì)第二節(jié)巖石的工程力學(xué)性質(zhì)沉積巖的非均質(zhì)性(theaeolotropismofsedimentaryrock)

如果物體中的不同部分的物理、化學(xué)性質(zhì)不同，稱(chēng)該物體是不均質(zhì)的。巖石一般為非均質(zhì)體。這是由巖石成分、顆粒大小、顆粒間的聯(lián)結(jié)強(qiáng)度、孔隙度（密度）的不均勻性所造成的。測(cè)定巖石的力學(xué)性質(zhì)時(shí)，不同部位的實(shí)驗(yàn)結(jié)果常存在很大的差異。因此，應(yīng)采用統(tǒng)計(jì)學(xué)理論，取合適的均值作為代表。巖石的密度和孔隙度(densityandporosityofrock)巖石的力學(xué)性質(zhì)——巖石受力后表現(xiàn)出來(lái)的變形特性和強(qiáng)度特性。151、巖石變形特性巖石的彈性(Elasticityofrock)定義：物體在外力作用下產(chǎn)生變形，外力撤除以后，變形隨之消失，物體恢復(fù)到原來(lái)的形狀和體積的性質(zhì)稱(chēng)為彈性變形(elasticdeformation)；當(dāng)外力撤除后，變形不能消失稱(chēng)為塑性變形(plasticdeformation)

。式中：σ-----應(yīng)力；ε-----應(yīng)變：E-----彈性模量。巖石在外力作用下變形量很?。ㄐ∮?%）時(shí)就發(fā)生破壞的性質(zhì)。相應(yīng)的破壞稱(chēng)為脆性破壞(brittlefailure)。二、巖石的機(jī)械性質(zhì)第二節(jié)巖石的工程力學(xué)性質(zhì)16物體在彈性變形階段，在一個(gè)方向上的應(yīng)力除產(chǎn)生物體在此方向的應(yīng)變外，還會(huì)引起物體在與此方向垂直的其他方向的應(yīng)變。如，當(dāng)材料在Z軸方向上作用有應(yīng)力σz時(shí)，除了在Z軸方向發(fā)生εz外，還會(huì)引起橫向(X方向和Y方向)上的應(yīng)變?chǔ)舩和εy。如果材料是各向同性的，則有

式中:μ------泊松比。

xzy二、巖石的機(jī)械性質(zhì)第二節(jié)巖石的工程力學(xué)性質(zhì)17物體在彈性變形階段,剪切變形(sheardeformation)同樣也服從胡克定律,即式中：τ------剪應(yīng)力；γ------剪應(yīng)變；G-----切變模量(或剪切彈性模量)。對(duì)于同一材料，三個(gè)彈性常數(shù)E、G和μ之間有如下的關(guān)系：二、巖石的機(jī)械性質(zhì)第二節(jié)巖石的工程力學(xué)性質(zhì)這三個(gè)系數(shù)對(duì)于同一材料是常數(shù)，不隨井深變化而變化。18表1-2巖石的彈性模量和泊松比巖石E/(10GPa)μ巖石E/(10GPa)μ粘土0.030.38~0.45花崗巖2.6~6.00.26~0.29致密泥巖_0.25~0.35玄武巖6.0~100.25頁(yè)巖1.5~2.50.10~0.20白英石7.5~100.25砂巖3.3~7.80.30~0.35正長(zhǎng)巖6.80.25石灰?guī)r1.3~8.50.28~0.33閃綠巖7~100.25大理巖3.9~9.2_輝綠巖7~110.25白云巖2.1~16.5_巖鹽0.5~1.00.44一、巖石的機(jī)械性質(zhì)第二節(jié)巖石的工程力學(xué)性質(zhì)19礦物彈性模量E/(10GPa)剛玉52黃玉30石英7.85~10長(zhǎng)石≤8.0方解石5.8~9.0石膏1.2~1.5巖鹽≤4.0一、巖石的機(jī)械性質(zhì)第二節(jié)巖石的工程力學(xué)性質(zhì)表1-3礦物的彈性模量楊氏彈性模量：E剪切彈性模量：G=E/2(1+)體積彈性模量：K=E/[3(1-2)]泊松比：橫向應(yīng)變與縱向應(yīng)變之比Young'smodulusofelasticity：Emodulusofelasticityinshear：G=E/2(1+)bulkelasticmodulus：K=E/[3(1-2)]Poissonratio：ratiooflateralstraintolongitudinalstrainTable1-3mineralmodulusofelasticity202、巖石強(qiáng)度特性1）巖石強(qiáng)度的概念定義：巖石在一定條件下受外力的作用而達(dá)到破壞時(shí)的應(yīng)力，被稱(chēng)為巖石在這種條件下的強(qiáng)度。巖石的強(qiáng)度是巖石的機(jī)械性質(zhì)，是巖石在一定條件下抵抗外力破壞的能力。強(qiáng)度的單位是MPa.巖石強(qiáng)度的大小取決于巖石的內(nèi)聚力和巖石顆粒間的內(nèi)摩擦力。影響巖石強(qiáng)度的因素可以分為自然因素和工藝技術(shù)因素兩類(lèi)。二、巖石的機(jī)械性質(zhì)第二節(jié)巖石的工程力學(xué)性質(zhì)強(qiáng)度——巖石在外力作用下發(fā)生破壞時(shí)的最大應(yīng)力。212）簡(jiǎn)單應(yīng)力條件下巖石的強(qiáng)度（1）定義：巖石抵抗外力破壞的能力（單向應(yīng)力）。抗拉強(qiáng)度—巖石單純受拉伸應(yīng)力作用時(shí)的強(qiáng)度。(resistancetotension)

抗壓強(qiáng)度—巖石單純受壓縮應(yīng)力力作用時(shí)的強(qiáng)度(compressiveresistance)

抗剪強(qiáng)度—巖石單純受剪切應(yīng)力作用時(shí)的強(qiáng)度。(shearingstrength)

抗彎強(qiáng)度—巖石單純受彎曲應(yīng)力作用時(shí)的強(qiáng)度。(bendingstrength)（2）特點(diǎn)：孔隙度↑、顆粒間接觸面積↓→強(qiáng)度↓；硅質(zhì)＞石灰質(zhì)＞鐵質(zhì)＞泥質(zhì)膠結(jié)。

二、巖石的機(jī)械性質(zhì)第二節(jié)巖石的工程力學(xué)性質(zhì)22簡(jiǎn)單應(yīng)力條件下巖石的強(qiáng)度巖樣球座鋼板塊鋼板塊二、巖石的機(jī)械性質(zhì)第二節(jié)巖石的工程力學(xué)性質(zhì)23巖石－變形特性O(shè)A段：曲線(xiàn)稍向上凹，反映巖石試件內(nèi)部裂隙逐漸被壓密。AB段：隨著巖石內(nèi)裂隙被壓密，它的斜率為常數(shù)或接近于常數(shù)，其斜率定義為巖石的楊氏彈性模量E。BC段：隨著荷載的繼續(xù)增大，變形和荷載呈非線(xiàn)性關(guān)系，裂隙進(jìn)入不穩(wěn)定發(fā)展?fàn)顟B(tài)，這是破壞的先行階段。應(yīng)力－應(yīng)變曲線(xiàn)的斜率隨著應(yīng)力的增加而逐漸地減小到零，曲線(xiàn)向下凹，巖石中引起不可逆變化。二、巖石的機(jī)械性質(zhì)第二節(jié)巖石的工程力學(xué)性質(zhì)24巖石－變形特性BC段：發(fā)生彈性到延性行為過(guò)渡的點(diǎn)B，通常稱(chēng)為屈服點(diǎn)，而相應(yīng)的應(yīng)力稱(chēng)為屈服應(yīng)力。最高點(diǎn)C的應(yīng)力稱(chēng)為強(qiáng)度極限（如為單軸試驗(yàn)便稱(chēng)為單軸抗壓強(qiáng)度）。CD段：曲線(xiàn)下降，是由于裂隙發(fā)生了不穩(wěn)定傳播，新的裂隙分叉發(fā)展，使巖石開(kāi)始解體。CD段以脆性性態(tài)為其特征。二、巖石的機(jī)械性質(zhì)第二節(jié)巖石的工程力學(xué)性質(zhì)25（3）單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)巖樣破壞時(shí)的應(yīng)力值即為巖石抗壓強(qiáng)度：

式中：P--破壞時(shí)的軸向載荷A--巖樣橫截面積二、巖石的機(jī)械性質(zhì)第二節(jié)巖石的工程力學(xué)性質(zhì)26（4）單軸抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)a直接法巖樣拉斷時(shí)的應(yīng)力值即為巖石抗拉強(qiáng)度：

負(fù)號(hào)表示拉伸。b巴西試驗(yàn)法（源于南美洲的巴西）5）單軸抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)6）單軸抗彎強(qiáng)度試驗(yàn)

二、巖石的機(jī)械性質(zhì)第二節(jié)巖石的工程力學(xué)性質(zhì)27巖石抗壓強(qiáng)度(σc)/MPa抗拉強(qiáng)度(σt)/MPa抗剪強(qiáng)度(τs)/MPa抗彎強(qiáng)度(σr)/MPa粗粒砂巖1425.14_10.3中粒砂巖1515.2_13.1細(xì)粒砂巖1857.95_24.9頁(yè)巖14~611.7~8_36泥巖183.2_3.5石膏171.9_6含膏石灰?guī)r422.4_6.5安山巖98.65.898白云巖1626.9118石灰?guī)r1389.1145花崗巖16612198正長(zhǎng)巖215.214.3221輝長(zhǎng)巖23013.5244石英巖30514.4316輝綠巖34313.4347表1-4巖石的抗壓、抗拉、抗剪和抗彎強(qiáng)度二、巖石的機(jī)械性質(zhì)第二節(jié)巖石的工程力學(xué)性質(zhì)28巖石抗壓強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度抗彎強(qiáng)度抗剪強(qiáng)度花崗巖10.02~0.040.030.09砂巖10.02~0.050.06~0.200.10~0.12石灰?guī)r10.04~0.100.08~0.100.15表1-5巖石的各種強(qiáng)度間的比例關(guān)系二、巖石的機(jī)械性質(zhì)第二節(jié)巖石的工程力學(xué)性質(zhì)29巖石名稱(chēng)抗壓強(qiáng)度(σc)/MPa抗拉強(qiáng)度(σt)/MPa抗剪強(qiáng)度(τs)/MPa抗彎強(qiáng)度(σr)））/MPa∥⊥∥⊥∥⊥∥⊥粗砂巖4.435.1-5.311.1-17.210.348.347118.5-157.5142.3-176.0中粒砂巖7.75.216.2-22.613.1-19.433.6-59.448.2-61.8117-21147.0-200.0細(xì)砂巖8.1-1.26-820.9-26.517.7545.2-59.552.4-64.9137.8-241.0133.5-220.5粉砂巖__2.3-16.64.34.8-11.312.9-19.834.4-104.355.4-114.7表1-6某些沉積巖強(qiáng)度的各向異性二、巖石的機(jī)械性質(zhì)第二節(jié)巖石的工程力學(xué)性質(zhì)30一般規(guī)律：①在簡(jiǎn)單應(yīng)力條件下，大部分巖石都接近彈性脆性體，巖石的破壞表現(xiàn)為脆性破壞。②巖石的彈性模量與所加載荷大小及應(yīng)變種類(lèi)有關(guān)。當(dāng)載荷較小時(shí)，彈性模量接近常數(shù)，且各種應(yīng)變情況下的彈性模量相差不大。當(dāng)載荷較大時(shí)，在受壓縮的情況下，彈性模量將隨載荷的增大而增大；在受拉伸的情況，彈性模量則隨載荷的增大而減小。③在動(dòng)外力（如聲波）作用下，大多數(shù)巖石服從直線(xiàn)虎克定律。④抗拉強(qiáng)度＜抗彎強(qiáng)度＜抗剪強(qiáng)度＜抗壓強(qiáng)度。resistancetotension＜bendingstrength＜shearingstrength＜compressiveresistance⑤垂直于地層層面方向的巖石強(qiáng)度＞平行于地層層面方向的巖石強(qiáng)度。perpendicularformationdirectionofrockstrength＞parallelformationdirectionofrockstrength二、巖石的機(jī)械性質(zhì)第二節(jié)巖石的工程力學(xué)性質(zhì)313）復(fù)雜應(yīng)力條件下巖石的強(qiáng)度(Complexstressconditionofrockstrength)（1)三軸應(yīng)力實(shí)驗(yàn)方法(Tri-axialstresstestmethods)三軸應(yīng)力試驗(yàn)提供測(cè)試巖石機(jī)械性質(zhì)的良好手段(Tri-axialstresstestprovidegoodmeanstotestingmechanicalpropertiesofrock)a、液壓作用下的壓拉（常規(guī)三軸試驗(yàn)）

PressurethatUndertheactionofhydraulicpressure

（Conventionaltri-axialtest）b、用三液缸的柱塞進(jìn)行試驗(yàn)三面壓縮（真三軸試驗(yàn)）Withthreeliquidcylinderpistontest（truetri-axialtest）c、壓扭試驗(yàn)

Torsionalpressuretest

二、巖石的機(jī)械性質(zhì)第二節(jié)巖石的工程力學(xué)性質(zhì)32（a):常規(guī)三軸實(shí)驗(yàn) （b)：三面壓縮（三液缸、真三維）（c):液壓作用下的壓扭（d)：液壓作用下兩面柱塞壓縮二、巖石的機(jī)械性質(zhì)第二節(jié)巖石的工程力學(xué)性質(zhì)三軸壓縮實(shí)驗(yàn)三軸拉伸實(shí)驗(yàn)33（2）三軸應(yīng)力條件下巖石的強(qiáng)度變化特點(diǎn)(undertri-axialstressconditions,Thecharacteristicsofrockstrengthchanges)圍壓對(duì)強(qiáng)度和塑性的影響特點(diǎn)(confiningpressureimpactcharacteristicsonintensityandplasticproperty)

①?lài)鷫骸鷰r石強(qiáng)度（極限）↑＝ｆ（巖性）confiningpressure↑→rockstrength（limit）↑＝ｆ（lithology）②圍壓↑→巖石由脆性轉(zhuǎn)變到塑性，塑性↑c(diǎn)onfiningpressure↑→rockchangefrombrittlenesstoplasticproperty，plasticproperty↑原因：圍壓↑→巖石體積↓，顆粒間距↓，顆粒之間、顆粒內(nèi)部相互作用力↑→對(duì)外加載荷抵抗力↑。reason：confiningpressure↑→Rockvolume↓，grainspacing↓，intergranularinterreactionforce↑→Externalloadresistibility↑二、巖石的機(jī)械性質(zhì)第二節(jié)巖石的工程力學(xué)性質(zhì)34二、巖石的機(jī)械性質(zhì)第二節(jié)巖石的工程力學(xué)性質(zhì)克服圍壓后的上方有效載荷35二、巖石的機(jī)械性質(zhì)第二節(jié)巖石的工程力學(xué)性質(zhì)

對(duì)于所有巖石，當(dāng)圍壓增加時(shí)強(qiáng)度均增大，但所增加的幅度對(duì)于不同類(lèi)型的巖石是不一樣的。壓力對(duì)強(qiáng)度的影響程度并不是在所有壓力范圍內(nèi)都是一樣的，在開(kāi)始增大圍壓時(shí)，巖石的強(qiáng)度增加比較明顯，再繼續(xù)增加圍壓時(shí)，相應(yīng)的強(qiáng)度增量就變得越來(lái)越小，最后當(dāng)壓力很高時(shí)，有些巖石的強(qiáng)度便趨于常量。363、巖石的脆性和塑性(brittlenessandplasticpropertyofrocks)巖石的塑性(plasticpropertyofrocks)在外力作用下，巖石只改變形狀和大小而不破壞自身的連續(xù)性。巖石的脆性(Brittlenessofrocks)在外力作用下，直至破碎巖石無(wú)明顯形狀改變。二、巖石的機(jī)械性質(zhì)第二節(jié)巖石的工程力學(xué)性質(zhì)37脆性巖石塑脆性巖石塑性巖石po塑脆轉(zhuǎn)化二、巖石的機(jī)械性質(zhì)第二節(jié)巖石的工程力學(xué)性質(zhì)brittlerockplasticbrittlenessrockPoyieldpressureplasticrock38類(lèi)別脆性塑脆性塑性低塑性→高塑性級(jí)別123456塑性系數(shù)Kp1>1~22~33~44~6>6~∞表1-7巖石按塑性系數(shù)的分類(lèi)二、巖石的機(jī)械性質(zhì)第二節(jié)巖石的工程力學(xué)性質(zhì)用巖石的塑性系數(shù)(plasticcoefficient)作為定量表征巖石塑性及脆性大小的參數(shù)。塑性系數(shù)為巖石破碎前耗費(fèi)的總功AF與巖石破碎前彈變形功AE的比值。

39

巖石在下列圍壓下破壞前的應(yīng)變量/%P=100MPaP=200MPaOilCreek石英砂巖2.93.8Hasmark白云巖7.313.0Blain硬石膏7.022.3Yule大理巖22.028.8Barns砂巖25.825.9Mirianna石灰?guī)r29.127.2Muddy頁(yè)巖15.025.0Rocksalt鹽巖28.827.5表1-8巖石在圍壓下的塑性變形二、巖石的機(jī)械性質(zhì)第二節(jié)巖石的工程力學(xué)性質(zhì)

在三軸應(yīng)力條件下，巖石機(jī)械性質(zhì)的一個(gè)顯著變化的特點(diǎn)就是隨著圍壓的增大，巖石表現(xiàn)出從脆性向塑性的轉(zhuǎn)變，并且圍壓越大，巖石破壞前所呈現(xiàn)的塑性也越大。40對(duì)于深井鉆井說(shuō)來(lái)，研究巖石從脆性到塑性的轉(zhuǎn)變點(diǎn)具有很重要的實(shí)際意義。因?yàn)榇嘈云茐暮退苄云茐氖莾煞N從本質(zhì)上不相同的破壞，所以破碎這兩種狀態(tài)下的巖石需要分別應(yīng)用不同的破碎工具（不同結(jié)構(gòu)的鉆頭類(lèi)型），采用不同的破碎方式（沖擊、壓碎、擠壓、剪切或切削、磨削等）以及不同的破碎合理組合（鉆壓、轉(zhuǎn)數(shù)及水力參數(shù)等）。即：巖石從脆性向塑性轉(zhuǎn)變的轉(zhuǎn)變點(diǎn)（臨界壓力點(diǎn)）對(duì)設(shè)計(jì)、選擇和科學(xué)使用鉆頭有很重要的意義。二、巖石的機(jī)械性質(zhì)第二節(jié)巖石的工程力學(xué)性質(zhì)414、巖石的硬度(rockhardness)巖石的硬度是巖石抵抗其他物體表面壓入或侵入的能力。

硬度與抗壓強(qiáng)度有聯(lián)系，但又有很大區(qū)別。(Hardnessandcompressiveresistancehavecontact,butalsohaveverybigdistinction)1）摩氏硬度用10種礦物為代表，作為摩氏硬度的標(biāo)準(zhǔn)依次是：滑石（1度）、石膏（2度）、方解石（3度）、螢石（4度）、磷灰石（5度）、長(zhǎng)石（6度）、石英（7度）、黃玉（8度）、剛玉（9度）、金剛石（10度）。二、巖石的機(jī)械性質(zhì)第二節(jié)巖石的工程力學(xué)性質(zhì)424、巖石的硬度2）巖石的壓入硬度（史氏硬度）巖石的壓入硬度是前蘇聯(lián)史立涅爾提出的，也稱(chēng)史氏硬度。史氏硬度的測(cè)試裝置見(jiàn)圖1~12。圖1~14三類(lèi)巖石壓入硬度的計(jì)算方法如下。

對(duì)于脆性巖石和塑脆性巖石，它們最終都產(chǎn)生了脆性破碎，巖石的硬度為式中：pY----巖石的硬度，Mpa；p-------產(chǎn)生脆性破碎時(shí)的壓頭上的載荷，N；S-------壓頭的底面積，mm2。

對(duì)塑性巖石,取產(chǎn)生屈服(即從彈性變形開(kāi)始向塑性變形轉(zhuǎn)化)時(shí)的載荷Poy代替P，即：二、巖石的機(jī)械性質(zhì)第二節(jié)巖石的工程力學(xué)性質(zhì)43類(lèi)別軟中軟中硬硬堅(jiān)硬極硬級(jí)別123456789101112100MPa≤11~252.5~55~1010~1515~2020~3030~4040~5050~6060~70>70表1-9巖石按硬度的分類(lèi)二、巖石的機(jī)械性質(zhì)第二節(jié)巖石的工程力學(xué)性質(zhì)44定義：巖石磨損鉆頭切削刃材料的能力稱(chēng)為巖石的研磨性。它是由鉆頭工作刃與巖石相互磨擦過(guò)程中產(chǎn)生微切削、刻劃、擦痕等造成的。組成巖石的礦物硬度越大，該巖石的研磨性越大，研磨性由小到大的順序?yàn)椋毫蛩猁}類(lèi)巖石（石膏、重晶石）、碳酸鹽巖石（石灰?guī)r和白云巖）、硅質(zhì)巖石（燧石）、鐵－鎂長(zhǎng)石巖、石英巖。影響研磨性磨損的因素：除與磨擦付材料的性質(zhì)有關(guān)外，還取決于摩擦面的溫度磨擦體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度、磨擦體間的接觸應(yīng)力、磨損產(chǎn)物的性質(zhì)及其清除情況參與磨擦的介質(zhì)等。三、巖石的研磨性第二節(jié)巖石的工程力學(xué)性質(zhì)45三、巖石的研磨性在用機(jī)械方法破碎巖石的過(guò)程中，鉆頭和巖石產(chǎn)生連續(xù)的或間斷的接觸和摩擦，在破碎巖石的同時(shí)，工具本身也受到巖石的磨損而逐漸變鈍，直至損壞。鉆頭接觸巖石部分的材料一般為鋼、硬質(zhì)合金或金剛石，巖石磨損這些材料的能力稱(chēng)為巖石的研磨性。

研究巖石的研磨性對(duì)于正確地設(shè)計(jì)和選擇使用鉆頭，延長(zhǎng)鉆頭壽命，提高鉆頭進(jìn)尺，提高鉆井速度有重要的意義。46三、巖石的研磨性研磨性的表示通常是用切削具磨損的體積與所消耗的摩擦功之比來(lái)表示研磨性的大小，其衡量單位是m3/J47三、巖石的研磨性2.影響巖石研磨性的因素影響巖石研磨性的因素有兩個(gè)方面，即自然因素和技術(shù)因素。1)自然因素影響巖石研磨性的自然因素主要是巖石的硬度、組成巖石礦物顆粒的大小和形狀以及巖石的裂隙和孔隙度等。巖石破碎時(shí)，首先是在礦物顆粒交界面處產(chǎn)生破碎，多數(shù)情況下顆粒本身不破碎。因此，巖石上的礦物顆粒與破碎下來(lái)的礦物顆粒都直接磨損工具，礦物顆粒的硬度越大，則磨損作用越大。一般隨巖石石英含量的增大研磨性增大。如石英巖、砂巖的研磨48三、巖石的研磨性2)技術(shù)因素影響巖石研磨性的技術(shù)因素也就是影響動(dòng)摩擦系數(shù)的各種技術(shù)因素。(1)壓力。(2)相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度。(3)介質(zhì)。(4)溫度。49三、巖石的研磨性50三、巖石的研磨性3.巖石研磨性的側(cè)定方法巖石研磨性的測(cè)定沒(méi)有統(tǒng)一的方法，往往只能間接表達(dá)或不定量表達(dá)，其測(cè)定方法可歸納為三類(lèi):(1)直接測(cè)定法:可用于測(cè)定切削工具的磨損高度、切削工具磨損接觸面積或測(cè)量磨損重量、體積等。(2)間接測(cè)定法(相對(duì)磨損):可用于測(cè)量鉆頭完全磨損前的進(jìn)尺，考察單位進(jìn)尺研磨材料的消耗或測(cè)量機(jī)械鉆速的曲線(xiàn)變化。(3)室內(nèi)測(cè)定法:可用于測(cè)量巖石硬度及摩擦系數(shù)的乘積，測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)材料(如合金、截桿、圓盤(pán)等)的磨損，或作沖擊磨損試驗(yàn)等。51三、巖石的研磨性直接測(cè)定法和間接測(cè)定法已用于硬合金和金剛石鉆進(jìn)中。測(cè)量鉆頭完全磨損前的進(jìn)尺是用硬合金鉆頭，取進(jìn)尺前、后鉆頭質(zhì)量差與進(jìn)尺之比作為研磨性指標(biāo)(g/m).52三、巖石的研磨性53

1、定義：巖石被破碎的難易程度；巖石抗破碎的能力。2、特點(diǎn)：多變量函數(shù)，受天然的、工藝的技術(shù)性因素的影響。3、測(cè)量方法：微鉆頭試驗(yàn)法：Φ１1/4“(31.75mm)，鉆壓889.66N，轉(zhuǎn)速55rpm，在巖樣上鉆三個(gè)孔，孔深2.4mm，取三個(gè)孔鉆進(jìn)時(shí)間的平均值為巖樣的鉆時(shí)（），對(duì)取以2為底的對(duì)數(shù)值作為該巖樣的可鉆性級(jí)值，一般取整數(shù)值?？摄@性級(jí)值分為10級(jí)。4、意義：（1）鉆頭選型及鉆頭磨損預(yù)測(cè)（2）確定最優(yōu)的鉆井參數(shù)

（3）機(jī)械鉆速預(yù)測(cè)（4）確定鉆井工作定額四、巖石的可鉆性第二節(jié)巖石的工程力學(xué)性質(zhì)54在勘探鉆進(jìn)工作中可以用以下方法來(lái)劃分巖石的可鉆性級(jí)別。1.刻劃對(duì)比法刻劃對(duì)比法比較粗略，但操作簡(jiǎn)單易行，具體指標(biāo)如下:(1)大拇指指甲:刻劃1一3級(jí)的巖石礦物;(2)鐵刀:刻劃3一4級(jí)的巖石礦物;(3)普通鋼刀:刻劃4一5級(jí)的巖石礦物;(4)銼刀:刻劃5一6級(jí)的巖石礦物;(5)合金刀:刻劃7一8級(jí)的巖石礦物。2.按巖石力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行分級(jí)按巖石力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行分級(jí)是采用單一的巖石力學(xué)性質(zhì)來(lái)劃分巖石可鉆性級(jí)別，如按壓人硬度值把巖石分成6類(lèi)12級(jí)。3.按機(jī)械鉆速分級(jí)按機(jī)械鉆速分級(jí)的方法是在規(guī)定的設(shè)備、工具和技術(shù)規(guī)范條件下進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際鉆進(jìn)，以所得的純鉆進(jìn)速度作為巖石可鉆性的分級(jí)指標(biāo)。5556574.微鉆法585.破碎比功法用圓柱形壓頭做壓人試驗(yàn)時(shí)，可通過(guò)壓力與吃入深度曲線(xiàn)圖求出破碎功，然后計(jì)算出單位接觸面積破碎比功A，根據(jù)破碎比功對(duì)巖石進(jìn)行可鉆性分級(jí).59可鉆性級(jí)別油田或地區(qū)ⅠⅡⅢⅣⅤⅥⅦⅧⅨⅩ大港6.416.829.227.914.84.240.1勝利8.011.918.922.118.912.0520.80.2蘇北6.57.711.915.517.115.511.77.63.92.6西北0.010.34.515.3470526.05.80.40.1江漢2.15.111.418.421.719.512.76.22.2華北4.26.311.216.118.517.212.97.73.82.1大慶0.62.26.714.021.322.917.69.53.91.3四川0.070.433.914.228.229.917.16.00.90.01表1-14我國(guó)各油田地層可鉆性等級(jí)所占比例（%）表四、巖石的可鉆性第二節(jié)巖石的工程力學(xué)性質(zhì)60第三節(jié)地下壓力特性（Undergroundpressurecharacteristics）第一章鉆井工程地質(zhì)條件61第三節(jié)地下壓力特性（一）靜液壓力（hydrostaticpressure）（二）上覆巖層壓力（overburdenpressure）（三）地層壓力（formationpressure）（四）基巖應(yīng)力（matrixstress）（五）異常壓力（abnormalpressure）一、地下各種壓力的概念（Theconceptofvariouspressureunderground

）62第三節(jié)地下壓力特性

（一）靜液壓力（hydrostaticpressure）靜液壓力是由液柱自身的重力所引起的壓力,它的大小與液體的密度、液柱的垂直高度或深度有關(guān)，即從地表到地下某一深度連續(xù)地層水的重（壓）力：（Hydrostaticpressureiscausedbythegravityofliquidcolumn.）式中：ph----靜液壓力，Mpa；hydrostaticcolumnpressureρ-----液體的密度，g/cm3；fluiddesityh1----液柱的垂直高度，m。

fluidcolumnverticaldepth(1-1)一、地下各種壓力的概念63壓力梯度：?jiǎn)挝桓叨然騿挝簧疃鹊囊褐鶋毫?。pressuregradient：Unitoftheheightorunitofthedepthoffluidcolumnpressure靜液壓力梯度：gradientofhydrostaticpressure

兩類(lèi)地層水：（Twokindsofformationwater）淡水（freshwater

）：Gh=0.00981MPa/m；ρ=1.0g/cm3鹽水：（salinewater

）Gh=0.0105MPa/m；ρ=1.05g/cm3靜液壓力梯度的大小與液體中所溶解的礦物及氣體濃度有關(guān)。(1-2)第三節(jié)地下壓力特性一、地下各種壓力的概念64（二）上覆巖層壓力（Overburdenpressure）

地層某處的上覆巖層壓力是指該處以上地層巖石基質(zhì)和孔隙流體的總重力所產(chǎn)生的壓力，即第三節(jié)地下壓力特性一、地下各種壓力的概念式中：p0----上覆巖層壓力，MPa；D----地層垂直深度，m；Φ----巖石孔隙度，%；ρma----巖石骨架密度，g/cm3；ρ-----孔隙中流體密度，g/cm3。65第三節(jié)地下壓力特性公式推導(dǎo)：

一、地下各種壓力的概念巖層連續(xù)巖層不連續(xù)66

上覆巖層壓力梯度一般分層段計(jì)算,密度和巖性接近的層段作為一個(gè)沉積層,即式中：G0----上覆巖層壓力梯度，MPa/m；p0-----第i層段上的上覆巖層壓力，MPa；Di-----第i層段的厚度，m；ρoi-----第I層段的平均密度，g/cm3。一、地下各種壓力的概念第三節(jié)地下壓力特性上覆巖層壓力梯度（gradientofOverburdenpressure）67上覆巖層壓力隨深度增加而增大。沉積巖的平均密度大約為2.5克/厘米3，上覆巖層壓力梯度一般為0.0227兆帕/米。在實(shí)際鉆井過(guò)程中，以鉆臺(tái)作為上覆巖層壓力的基準(zhǔn)面。一、地下各種壓力的概念第三節(jié)地下壓力特性68第三節(jié)地下壓力特性（三）地層壓力（formationpressure）地層壓力：指巖石孔隙中的流體所具有的壓力，也稱(chēng)地層孔隙壓力（formationporepressure），用Pp表示。正常地層壓力：等于靜液壓力，pp=ph。一、地下各種壓力的概念formationpressure：Rockporosityofthefluidpressure，Alsocalledformationporepressure，RepresentationbyPp.Normalformationpressure:

equaltoHydrostaticpressure.69（三）地層壓力（formationpressure）異常地層壓力：地層壓力大于或小于正常地層壓力。異常高壓：超過(guò)正常地層壓力的地層壓力(Pp>Ph)。異常低壓：低于正常地層靜液壓力的地層壓力(pp<ph)。一、地下各種壓力的概念第三節(jié)地下壓力特性abnormalformationpressure：

Formationpressureisgreaterorlessthanthenormalformationpressure.Abnormalhighpressure：

theformationpressurewhichMorethannormalformationpressureAbnormallowpressure：

theformationpressurewhichUndernormalformationhydrostaticpressure70第三節(jié)地下壓力特性（三）地層壓力（formationpressure）

地層壓力系數(shù)：某一深度的原始地層壓力與同深度的靜水柱壓力之比，用KP表示。分類(lèi)：異常低壓：壓力正常：0.8~1.2異常高壓油氣藏：一、地下各種壓力的概念71式中：P0----上覆巖層壓力，Mpa；pp----地層壓力,Mpa；σ-----基巖應(yīng)力,Mpa。（四）基巖應(yīng)力（matrixstress）

上覆巖層壓力由巖石的基質(zhì)顆粒（骨架）和孔隙中的流體共同承擔(dān)。由巖石顆粒間相互接觸支撐的那一部分上覆巖層壓力，稱(chēng)為基巖應(yīng)力，亦稱(chēng)有效上覆巖層壓力、骨架應(yīng)力或顆粒間壓力，用σ表示。一、地下各種壓力的概念第三節(jié)地下壓力特性724matrixstress

OverburdenpressureisundertakebymatrixparticlesofrockandTheporefluids。theoverburdenpressurewhichsupportedbetweenrockparticles,becalledbasementrockstress，Alsocalledeffectiveoverburdenpressure、Skeletonstressorintergranularpressure，RepresentationbyWhere,--overburdenpressure，Mpa；--formationpressure，Mpa；--matrixstress，Mpa.1UndergroundpressurecharacteristicsⅠ.Theconceptofvariouspressureunderground73

當(dāng)Po一定時(shí)，σ減小，Pp增大，σ→0，Pp→Po。所以，地層的孔隙壓力增大，基巖應(yīng)力必然減小。第三節(jié)地下壓力特性一、地下各種壓力的概念74

第三節(jié)地下壓力特性（五）異常壓力的成因

異常低壓和異常高壓統(tǒng)稱(chēng)為異常壓力（abnormalpressure）

1、異常低壓（abnormallowpressure）

壓力梯度小于9.81kPa／m（即正常地層壓力梯度）的是異常低壓。

成因：

（1）生產(chǎn)多年而又沒(méi)有壓力補(bǔ)充的枯竭油氣層。

（2）地下水位很低。

一、地下各種壓力的概念75

5Causesofabnormalpressure

Abnormallowpressureandabnormalhighpressureisreferredtoasabnormalpressure.

(1)abnormallowpressure

Pressuregradientlessthan9.81kPa/m(or10.5kpa/m)belongtoabnormallowpressure。

reason：

1UndergroundpressurecharacteristicsthedepletedoilandgassandwhichProductionformanyyearsandnopressuresupplied.Theundergroundwaterlevelisverylow.

Ⅰ.Theconceptofvariouspressureunderground762．異常高壓（abnormalhighpressure）（1）形成異常高壓的地質(zhì)條件①地層具有保存流體的孔隙；②地層周?chē)嬖诓粷B透圍柵，構(gòu)成圈閉；③具有一定的埋藏深度，形成足夠大的上覆巖層壓力。（2）成因：

①地層壓實(shí)作用的不平衡；

②地質(zhì)構(gòu)造作用：造成地層上升、巨大地應(yīng)力的擠壓

③水熱增壓作用：溫度升高，流體體積膨脹

④滲透作用：水由鹽濃度低的一側(cè)通過(guò)泥巖半透膜向高側(cè)滲透。第三節(jié)地下壓力特性一、地下各種壓力的概念77(2)abnormalhighpressureAbnormalhighpressureformationofgeologicalconditions①Theformationhavetheholethatsavefluid；②Impermeabilitybarrieraroundtheformation,constitutetrap；③Havecertainburieddepth，Sufficientoverburdenpressure.Reason：

①Formationcompactioneffectisimbalance；

②Geologicaltectonicaction；

③Hydrothermalsupercharging；

④Permeation。1UndergroundpressurecharacteristicsⅠ.Theconceptofvariouspressureunderground78地層壓實(shí)作用的不平衡；正常地層壓力的形成異常高壓的形成可滲透的、連通的，隨著上覆沉積物不斷增多，地層逐漸被壓實(shí)，孔隙度減小，建立起靜液壓力條件。在地層被不滲透的圍柵包圍，流體被圈閉在地層的孔隙空間內(nèi)不能自由流通的條件下，地層流體壓力升高，地層得不到正常壓實(shí)，孔隙度相對(duì)增大，巖石密度相對(duì)減小，基巖應(yīng)力相對(duì)降低。欠壓實(shí)作用一、地下各種壓力的概念第三節(jié)地下壓力特性79（3）異常高壓的大小異常高壓一般不會(huì)超過(guò)上覆巖層壓力。但也有超過(guò)上覆巖層壓力的特高壓地層，由覆蓋在高壓層以上巖層的內(nèi)力幫助上覆巖層壓力來(lái)平衡地層流體的巨大向上作用力。

(4)地層壓實(shí)能否保持平衡，主要取決于四種因素：

①上覆沉積速度的大小；②地層滲透率的大??；③孔隙減小的速度；④排出也隙液體的能力。一、地下各種壓力的概念第三節(jié)地下壓力特性80(3)Thescopeoftheabnormalhighpressure

Abnormalhighpressuregenerallynotexceedtheoverburdenpressure,butalsohavetheextra-highpressurethatmorethantheoverburdenpressure.1UndergroundpressurecharacteristicsⅠ.Theconceptofvariouspressureunderground81(4)HowtoidentifywhetherFormationcompactionisbalance

Formationcompactioncanbalance,mainlydependsonthefourfactors：①Overburdenspeed；②Formationpermeability；③Porositydecreasesspeed；④Abilitytoexporttheporefluid。1UndergroundpressurecharacteristicsⅠ.Theconceptofvariouspressureunderground82二、地層壓力評(píng)價(jià)（Formationpressureevaluation）鉆前壓力預(yù)測(cè)（pressurepredictBeforedrilling）：地震法、聲波時(shí)差法、頁(yè)巖電阻率法（seismicmethod、acoustictraveltimemethod、Shaleresistivitymethod）隨鉆壓力監(jiān)測(cè)（Withdrillingpressuremonitoring）：dc指數(shù)、頁(yè)巖密度法、標(biāo)準(zhǔn)化鉆速法（dcindex、shaledensitymethod、normalizedpenetrationratemethod）鉆后壓力監(jiān)測(cè)（Afterdrillingpressuremonitoring）：聲波測(cè)井法（acousticlogmethod）第三節(jié)地下壓力特性83

式中：t----聲波在單位距離內(nèi)的傳播時(shí)間；ρ----巖石的密度；μ----巖石的泊松比；E----巖石的彈性模量。地震法、聲波時(shí)差法、頁(yè)巖電阻率法

聲波時(shí)差法原理：（acoustictraveltimemethod

principle）聲波在巖石中傳播時(shí)產(chǎn)生縱波和橫波acousticwavetravelsintherockproducelongitudinalwaveandshearwave；聲波在不同地層、不同的巖石中傳播速度不同acousticwavehavedifferentSpreadspeedindifferentformationandrocks

二、地層壓力評(píng)價(jià)第三節(jié)地下壓力特性（一）地層壓力預(yù)測(cè)84

聲波時(shí)差的定義：聲波在地層傳播的快慢常用聲波到達(dá)井壁上不同深度的兩點(diǎn)所用的時(shí)間之差，即聲波時(shí)差Δt(μs/m)來(lái)表示。當(dāng)巖性一定時(shí),聲波的速度隨巖石孔隙度的增大而減小。對(duì)于沉積壓實(shí)作用形成的泥、頁(yè)巖，聲波時(shí)差與孔隙度之間有如下關(guān)系：二、地層壓力評(píng)價(jià)第三節(jié)地下壓力特性聲波在巖石中傳播速度快，在流體中傳播速度慢。acousticwavefasterintherock,inthefluidvelocityisslow.85基本原理（Basicprinciple）（1）聲波時(shí)差與泥頁(yè)巖孔隙度的關(guān)系（Therelationshipbetweenacousticwaveandmudshaleporosity

）

（2）正常沉積條件下，泥頁(yè)巖孔隙度與埋藏深度的關(guān)系（Innormaldepositionconditions,Therelationshipbetweenmudshaleporosityandburialdepth）泥頁(yè)巖在地面的孔隙度可用聲波時(shí)差表示：（mudshaleporosityinthegroundcanberepresentedbyacoustictraveltime）（1-7）（1-8）（1-9）二、地層壓力評(píng)價(jià)第三節(jié)地下壓力特性86基本原理

聯(lián)立（1-7）、（1-8）、（1-9）得（3）正常沉積條件下，泥頁(yè)巖聲波時(shí)差與埋藏深度的關(guān)系在泥、頁(yè)巖的巖性一定的情況下，也為一常數(shù)。若則

井深D增加，t減少。（1-10）（1-11）二、地層壓力評(píng)價(jià)第三節(jié)地下壓力特性welldepthDincrease，tdecreas。87在正常壓力層段，隨著地層埋藏深度的增加，巖石孔隙度減小，密度增大，聲波速度逐漸增大，聲波時(shí)差逐漸減小。在半對(duì)數(shù)坐標(biāo)中，聲波時(shí)差隨井深呈直線(xiàn)變化關(guān)系，稱(chēng)之為正常趨勢(shì)。進(jìn)入異常高壓地層時(shí)，由于巖層欠壓實(shí)，孔隙度相對(duì)增大，聲波速度相對(duì)減小，聲波時(shí)差相對(duì)增大，則必然偏離正常壓力趨勢(shì)線(xiàn)。據(jù)此可預(yù)測(cè)異常高壓，并可根據(jù)偏離程度的大小定量計(jì)算地層壓力。二、地層壓力評(píng)價(jià)第三節(jié)地下壓力特性88二、地層壓力評(píng)價(jià)第三節(jié)地下壓力特性89二、地層壓力評(píng)價(jià)第三節(jié)地下壓力特性地層壓力當(dāng)量密度是指某一深度處地層壓力用等高度的鉆井液柱壓力來(lái)等效時(shí)，所需鉆井液的密度。90利用泥、頁(yè)巖聲波時(shí)差測(cè)井資料計(jì)算地層壓力的步驟如下:(1)在標(biāo)準(zhǔn)聲波時(shí)差測(cè)井資料中選擇純泥、頁(yè)巖層,以5m左右為間隔點(diǎn)在測(cè)井曲線(xiàn)上讀出井深和相應(yīng)的聲波時(shí)差值,并在半對(duì)數(shù)坐標(biāo)紙上描點(diǎn).(2)在已知的正常地層壓力井段,通過(guò)盡可能多的可以信賴(lài)的點(diǎn)引出聲波時(shí)差隨井深變化的正常趨勢(shì)線(xiàn),并將其延伸致異常高壓井段.(3)讀出某深度的實(shí)測(cè)聲波時(shí)差Δt和該深度所對(duì)應(yīng)的正常趨勢(shì)線(xiàn)上的聲波時(shí)差Δtn,并計(jì)算Δt-Δtn.二、地層壓力評(píng)價(jià)第三節(jié)地下壓力特性91(4)在Δt-Δtn和Gp關(guān)系曲線(xiàn)上讀出Δt-Δtn所對(duì)應(yīng)的Gp，用Gp乘以井深D，得其深度的地層壓力，即式中：Pp----地層壓力，Mpa；GP----地層壓力梯度當(dāng)量，g/cm3；D-----井深，m。Δt-Δtn和Gp關(guān)系曲線(xiàn)隨地區(qū)而異,所以必須根據(jù)本地區(qū)的大量統(tǒng)計(jì)資料,繪制適合本地區(qū)的聲波時(shí)差偏離值與地層壓力的關(guān)系曲線(xiàn).二、地層壓力評(píng)價(jià)第三節(jié)地下壓力特性92（二）地層壓力監(jiān)測(cè)（Formationpressuremonitoring

）

dc指數(shù)法、頁(yè)巖密度法、標(biāo)準(zhǔn)化鉆速法dc指數(shù)法：在賓漢鉆速方程的基礎(chǔ)上建立的。賓漢（Bingham,1964)在不考慮水力因素的影響下提出的鉆速方程為：式中：vpc--機(jī)械鉆速；K--巖石可鉆性系數(shù)；n--轉(zhuǎn)速；e--轉(zhuǎn)速指數(shù)；W--鉆壓；db--鉆頭直徑；d--鉆壓指數(shù)。二、地層壓力評(píng)價(jià)第三節(jié)地下壓力特性93賓漢根據(jù)海灣地區(qū)的經(jīng)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)巖石的e都很接近，于是將e視做不變的整數(shù)，取e=1。假設(shè)鉆井條件和巖性不變則方程（1-13）被簡(jiǎn)化為：對(duì)上式兩邊去對(duì)數(shù)整理后得：d指數(shù)（泥頁(yè)巖層）：二、地層壓力評(píng)價(jià)第三節(jié)地下壓力特性94若采用常用公制（工程）單位，上式變?yōu)椋菏街校簐pc-----機(jī)械鉆速，m/h；n------轉(zhuǎn)速，r/min；W-----鉆壓，kN；db------鉆頭直徑，mm；d-----鉆壓指數(shù)，無(wú)因次。Vpc增大，d減小。二、地層壓力評(píng)價(jià)第三節(jié)地下壓力特性在正常地層壓力條件下，若巖性和鉆井條件不變，機(jī)械鉆速隨井深增加而減小，則d指數(shù)隨井深增加而增大。鉆遇異常高壓層，由于地層欠壓實(shí)，機(jī)械鉆速增大，d指數(shù)則相對(duì)減小。據(jù)此可評(píng)價(jià)地層壓力。Vpcincrease，ddecrease。95dc指數(shù)Rehm&Meclendon(1971)研究了鉆井液密度變化的影響（鉆井液密度增大將導(dǎo)致機(jī)械鉆速降低，d指數(shù)增大），提出了修正的d指數(shù)，稱(chēng)為dc指數(shù)。式中：dc----修正的d指數(shù)；ρn----正常地層壓力當(dāng)量密度（即地層水的密度），g/cm3;ρd----實(shí)際鉆井液密度，g/cm3;二、地層壓力評(píng)價(jià)第三節(jié)地下壓力特性96二、地層壓力評(píng)價(jià)第三節(jié)地下壓力特性在正常壓力層段，若巖性和鉆井條件不變，機(jī)械鉆速隨井深增加而減小，則dc指數(shù)隨井深增加而增大。在半對(duì)數(shù)坐標(biāo)中，dc指數(shù)與井深呈線(xiàn)性關(guān)系，稱(chēng)之為正常壓力趨勢(shì)線(xiàn)。當(dāng)鉆遇異常高壓層，由于地層欠壓實(shí)，機(jī)械鉆速增大，dc指數(shù)則相對(duì)減小，偏離正常趨勢(shì)線(xiàn)。根據(jù)偏離程度可計(jì)算出地層壓力。

Undernormalpressurelayer，dcindexwillincreaseswiththewelldepthincreases.Whendrillinginabnormalhighpressure，becausetheformationuncompaction，drillingrateincreases，dcindexrelativedecrease。97二、地層壓力評(píng)價(jià)第三節(jié)地下壓力特性98利用dc指數(shù)估計(jì)地層壓力的步驟如下：（1）在高壓層頂部以上至少300m的純泥、頁(yè)巖井段，按一定深度間隔取點(diǎn)（如果砂、泥巖交錯(cuò)的地層，取泥、頁(yè)巖的數(shù)據(jù)點(diǎn)），比較理想的是每1.5m或3m取一點(diǎn)，如果鉆速高，可以每5m、10m甚至更大的間隔取點(diǎn)。重點(diǎn)井段可加密到每1m取一點(diǎn)，記錄每點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的鉆速、鉆壓、鉆頭直徑、地層水密度和實(shí)際鉆井液密度等六項(xiàng)參數(shù)。二、地層壓力評(píng)價(jià)第三節(jié)地下壓力特性99（2）根據(jù)記錄的數(shù)據(jù)計(jì)算d指數(shù)和dc指數(shù)。（3）在半對(duì)數(shù)坐標(biāo)紙上一一作出dc指數(shù)和相應(yīng)的井深所確定的點(diǎn)（縱坐標(biāo)為井深，橫坐標(biāo)為dc指數(shù)）。二、地層壓力評(píng)價(jià)第三節(jié)地下壓力特性100（3）在半對(duì)數(shù)坐標(biāo)紙上一一作出dc指數(shù)和相應(yīng)的井深所確定的點(diǎn)（縱坐標(biāo)為井深，橫坐標(biāo)為dc指數(shù)）。（4）根據(jù)正常地層壓力井段的數(shù)據(jù)引dc指數(shù)的正常趨勢(shì)線(xiàn)，如圖1-5所示。（5）計(jì)算地層壓力，作出dc—D和正常趨勢(shì)線(xiàn)之后，可直接觀察到異常高壓。出現(xiàn)的層位和該層位內(nèi)dc指數(shù)的偏離值。dc指數(shù)偏離值正常趨勢(shì)越遠(yuǎn)說(shuō)明地層壓力越高。根據(jù)dc指數(shù)的偏離值應(yīng)用下式可計(jì)算相應(yīng)的地層壓力。二、地層壓力評(píng)價(jià)第三節(jié)地下壓力特性101

式中：ρp----所求井深處的地層壓力當(dāng)量密度，g/cm3；ρn----所求井深處的正常地層壓力當(dāng)量密度，g/cm3；dcn----所求井深處的正常dc指數(shù)值；dca----所求井深處的實(shí)測(cè)dc指數(shù)值。二、地層壓力評(píng)價(jià)第三節(jié)地下壓力特性102

等效深度法求地層壓力：equivalentdepthmethodcalculatingformationpressure等效深度：若深度為D的異常壓力地層與正常壓力段的某一深度De處的地層具有相等的dc指數(shù)，則可以認(rèn)為兩處地層的壓實(shí)程度相同，基巖應(yīng)力相等，即：若dc(D)=dc(De)，則σ(D)=σ(De)。二、地層壓力評(píng)價(jià)第三節(jié)地下壓力特性103

式中：pp----所求深度處的地層壓力,Mpa;G0----上覆巖層壓力梯度,Mpa;D----所求地層壓力點(diǎn)的深度,m;Gpm----等效深度處的正常地層壓力梯度,Mpa/m;De-----等效深度,m.二、地層壓力評(píng)價(jià)第三節(jié)地下壓力特性104推導(dǎo)過(guò)程：De處：D處：

二、地層壓力評(píng)價(jià)第三節(jié)地下壓力特性105在計(jì)算dc指數(shù)值，繪制dc指數(shù)正常趨勢(shì)線(xiàn)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生dc指數(shù)值的發(fā)散現(xiàn)象，這些發(fā)散點(diǎn)是不可取的。（whencalculatingdcindex，drawingDcindexnormaltrendline，willhappenDcvaluesofdivergence，thesedivergentpointisnotadvisabl）

dc—D曲線(xiàn)出現(xiàn)發(fā)散點(diǎn)的原因(dc—Ddivergentpointcurveshows)：（1）巖性變化(lithologicalchange)（2）水力參數(shù)變化(hydraulicconditionschange)（3）鉆頭類(lèi)型變化(Drillbittypechange)故在糾斜吊打、用刮刀鉆頭和取心鉆頭鉆進(jìn)，鉆頭的跑合期和磨損的后期，井底不干凈、鉆遇斷層裂縫等情況下不宜取心計(jì)算dc指數(shù)值。二、地層壓力評(píng)價(jià)第三節(jié)地下壓力特性106二、地層壓力評(píng)價(jià)第三節(jié)地下壓力特性107地層壓力的計(jì)算方法1、聲波時(shí)差法(1)讀出某深度的實(shí)測(cè)聲波時(shí)差Δt和該深度所對(duì)應(yīng)的正常趨勢(shì)線(xiàn)上的聲波時(shí)差Δtn,并計(jì)算Δt-Δtn.(2)在Δt-Δtn和Gp關(guān)系曲線(xiàn)上讀出Δt-Δtn所對(duì)應(yīng)的Gp,用Gp乘以井深D,得其深度的地層壓力,二、地層壓力評(píng)價(jià)第三節(jié)地下壓力特性108地層壓力的計(jì)算方法2、dc指數(shù)法經(jīng)驗(yàn)公式法、當(dāng)量（等效）深度法（1）經(jīng)驗(yàn)公式法（2）等效深度法（1—17）二、地層壓力評(píng)價(jià)第三節(jié)地下壓力特性109三、地層破裂壓力(Formationfractureresistance)從太空看地球(據(jù)美國(guó)宇航局網(wǎng)站)第三節(jié)地下壓力特性110地應(yīng)力的概念：

巖石是地球表層的物質(zhì)，在漫長(zhǎng)的地質(zhì)年代里，由于地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)等原因，在地殼巖層內(nèi)產(chǎn)生了內(nèi)應(yīng)力效應(yīng)，這種應(yīng)力稱(chēng)為地應(yīng)力，它也可理解為處于地下某深度的巖石受到周?chē)鷰r體對(duì)它的擠壓力。三、地層破裂壓力第三節(jié)地下壓力特性(Theconceptofearthstress)111

地應(yīng)力主要來(lái)源于上覆巖體的重力，以及板塊邊界的擠壓和地幔熱對(duì)流、新老地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、地球旋轉(zhuǎn)、巖漿侵入、地溫梯度的不均勻性和地層中的水壓梯度等。三、地層破裂壓力第三節(jié)地下壓力特性112三、地層破裂壓力第三節(jié)地下壓力特性背斜向斜anticlinesyncline113三、地層破裂壓力第三節(jié)地下壓力特性

fault114三、地層破裂壓力第三節(jié)地下壓力特性115三、地層破裂壓力第三節(jié)地下壓力特性（a）centripetalfault(b)abnormalfault(c)strikeslipmovement116三、地層破裂壓力第三節(jié)地下壓力特性受拉伸應(yīng)力受壓縮應(yīng)力UndertensilestressBycompressingstress117三、地層破裂壓力第三節(jié)地下壓力特性118井壁坍塌壓力的概念：(Boreholewallsloughingpressure)

井壁失穩(wěn)（剪切破壞或塑性變形）時(shí)鉆井液的當(dāng)量密度（或井內(nèi)液柱壓力）稱(chēng)為井壁坍塌壓力(wallsloughingpressure)。造成井壁坍塌的原因主要是由于井內(nèi)液柱壓力太低，使得井壁周?chē)鷰r石所受應(yīng)力超過(guò)巖石本身的強(qiáng)度而產(chǎn)生剪切破壞所造成的，此時(shí)，對(duì)于脆性地層會(huì)產(chǎn)生坍塌掉塊，井徑擴(kuò)大，對(duì)塑性地層，則向井眼內(nèi)產(chǎn)生塑性變形，造成縮徑。三、地層破裂壓力第三節(jié)地下壓力特性Themainreasonscausingholecollapsedisduetothelowpressureintheliquidcolumn，makerockstressaroundthewallmorethanthestrengthofrockitselfandproduceshearfailure,thismoment

，forbrittleformationwill

causecollapse，overcut，forplasticformation，willhaveplasticdeformationtowell，causeholeshrinkage.119地層破裂壓力的概念：(Formationfractureresistance)

當(dāng)井下一定深度裸露的地層承受流體壓力的能力是有限的，當(dāng)液體壓力達(dá)到一定數(shù)值時(shí)會(huì)使地層破裂，這個(gè)液體壓力稱(chēng)為地層破裂壓力（fracturepressure）。三、地層破裂壓力第三節(jié)地下壓力特性phσ3σ3σ2σ2pppp裂縫張開(kāi)方向地層開(kāi)裂條件Ph>pp+σ3σ3<σ2<σ1120地層破裂壓力的計(jì)算：

（一）休伯特和威利斯(Hu