钻井工程试题及答案(第一章)

第一章试题及答案一、名词解释1.岩石的塑性系数是怎样定义的？答：岩石的塑性系数是用来定量表征岩石塑性及脆性大小的参数。塑性系数为岩石破碎前耗费的总功与岩石破碎前弹性变形功的比值。2.什么是岩石的可钻性？答：岩石的可钻性是岩石抗破碎的能力。即一定钻头规格、类型及钻井工艺条件下岩石抵抗钻头破碎的能力。3.什么叫有效应力、有效上覆岩层压力、各向压缩效应？答：在“各向压缩效应”试验中，如果岩石孔隙中含有流体且具有一定的孔隙压力，这种孔隙压力的作用降低了岩石的各向压缩效应，这样，把岩石所受外压与内压之差称为有效应力。上覆岩层压力和岩石内孔隙流体压力的差称为有效上覆岩层压力。在三轴应力试验中，如果岩石是干的或者不渗透的，或孔隙度小且孔隙中不存在液体或者气体时，增大围压则一方面增大岩石的强度，另一方面也增大岩石的塑性，这两方面的作用统称为“各向压缩效应”。4.简述地下各种压力的基本概念答：地下压力包括静液压力hP、上覆岩层压力Po、地层压力pP和基岩应力等。静液压力是由液柱自身的重力所引起的压力，它的大小与液体的密度、液柱的垂直高度或深度有关。地层某处的上覆岩层压力是指该处以上地层岩石基质和空隙中流体的总重力所产生的压力。基岩应力是指由岩石颗粒之间相互接触来支撑的那部分上覆岩层压力，也称有效上覆岩层压力或颗粒间压力，这部分压力是不被孔隙水所承担的。二、简答题1．简述地下各种压力的基本概念及上覆岩层压力、地层孔隙压力和基岩应力三者之间的关系。答：地下压力包括静液压力hP、上覆岩层压力Po、地层压力pP和基岩应力等。静液压力是由液柱自身的重力所引起的压力，它的大小与液体的密度、液柱的垂直高度或深度有关。地层某处的上覆岩层压力是指该处以上地层岩石基质和空隙中流体的总重力所产生的压力。基岩应力是指由岩石颗粒之间相互接触来支撑的那部分上覆岩层压力，也称有效上覆岩层压力或颗粒间压力，这部分压力是不被孔隙水所承担的。上覆岩层的重力是由岩石基质（基岩）和岩石孔隙中的流体共同承担的，即上覆岩层压力是地层压力与基岩应力的和：poPP不管什么原因使基岩应力降低时，都会导致孔隙压力增大。2．简述地层沉积欠压实产生异常高压的机理。答：沉积物的压缩过程是由上覆沉积层的重力所引起的。随着地层的沉降，上覆沉积物重复地增加，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排列，并使孔隙度减小，空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，或向着低压高渗的方向流动，于是便建立了正常的静液压力环境。这种正常沉积压实的地层，随着地层埋藏深度的增加，岩石越致密，密度越大，孔隙度越小。在稳定沉积过程中，若保持平衡的任意条件受到影响，正常的沉积平衡就被破坏。如果沉积速度很快，岩石颗粒就没有足够的时间去排列，孔隙内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。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部分地支撑本来应由岩石颗粒所支撑的那部分上覆岩层压力，从而导致了异常高压。3．简述在正常压实的地层中岩石的密度、强度、孔隙度、声波时差和dc指数随井深变化的规律。答：正常压实的地层中，随着地层的沉降，上覆沉积物重复的增加，下覆岩层就逐渐的被压实。所以随着地层埋藏深度的增加，即随井深的增加，地层中岩石密度逐渐变大，而岩石的空隙度变小。而随着地层埋藏深度的增加，围压增大，对所有岩石，当围压增大时强度均增大，即随着井深的增加，岩石的强度增大。常用声波到达井壁上不同深度的两点所用的时间之差来表示声波在地层中传播的快慢，即声波时差。在正常地层压力井段，随着井深增加，岩石的空隙度减小，声波速度增大，声波时差减小。在正常地层压力情况下，机械钻速随井深增加而减小，d指数随井深增加而增大。因为dc指数只是对d指数因钻井液密度不同而做的修正，所以dc指数也随井深的增加而增大。4．解释地层破裂压力的概念，怎样根据液压实验曲线确定地层破裂压力。答：在井下一定深度的裸露地层，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。在确定地层破裂压力的液压试验曲线中，开始偏离原始直线点的压力称为漏失压力。试验曲线上达到最高点时的压力称为破裂压力，这时地层开始破裂。通常将漏失压力与第一个砂层深度的比值作为该处砂层的地层破裂压力梯度，并以此作为确定井控作业的关井压力依据。5．岩石的硬度与抗压强度有何区别？答：硬度只是固体表面的局部对另一物体压入或侵入时的阻力，而抗压强度则是固体抵抗固体整体破坏时的能力。6．岩石的塑性系数是怎样定义的？简述脆性，塑脆性和塑性岩石在压入破碎时的特性。答：岩石的塑性系数是用来定量表征岩石塑性及脆性大小的参数。塑性系数为岩石破碎前耗费的总功与岩石破碎前弹性变形功的比值。塑性岩石在外力压入时，岩石只改变形状和大小而不破坏自身的连续性；脆性岩石当外力压入时，岩石直至破碎无明显的形状改变；而塑脆性岩石受外力作用时首先发生形状改变，当外力达到一定程度后岩石破碎。7．岩石在平行层理和垂直层理方向上的强度有何不同？岩石的这种性质叫什么？答：8．岩石受围压作用时，其强度和塑脆性是怎样变化的？答：当岩石受到围压作用时，所有岩石的强度均增大，但压力对砂岩和花岗岩强度的影响要比石灰岩、大理岩大；在开始增大围压时，岩石强度的增加比较明显，再继续增加围压时，相应的强度增量就变得越来越小，最后当压力很高时，有些岩石的强度便趋于常量。随着围压的增大，岩石表现从脆性向塑性的转变，并且围压越大，岩石破碎前所呈现的塑性也越大。9．影响岩石强度的因素有哪些？答：影响岩石强度的因素可以分为自然因素和工艺技术因素两类：自然因素方面包括：岩石的矿物成分、矿物颗粒的大小、岩石的密度和空隙度。同种岩石的空隙度增加，密度降低，岩石的强度也随之降低。一般情况下，岩石的空隙度随着岩石的埋藏深度的增加而减小；因此，岩石的强度一般情况下随着埋藏深度的增加而增加。工艺技术方面包括：岩石的受载方式不同，相同岩石的强度不同；岩石的应力状态不同，相同岩石的强度差别也很大；此外还有外载的速度、液体介质性质等等。10．什么是岩石的可钻性？我国石油部门采用什么方法评价岩石的可钻性？将地层按可钻性分为几级？答：岩石的可钻性是岩石抗破碎的能力。即一定钻头规格、类型及钻井工艺条件下岩石抵抗钻头破碎的能力。我国石油系统岩石可钻性分类方法是用微钻头在岩样上钻孔，通过实钻钻时（即钻速）确定岩样的可钻性。将地层按可钻性分为10级。11．井底和井眼周围地层岩石受哪些力？答：井眼周围地层岩石受力包括：上覆岩层压力、岩石内空隙流体的压力（地层压力）、水平地应力、钻井液液柱压力。12．水平地应力是怎样产生的？它与上覆岩层压力的关系是怎样的？答：水平地应力由两部分组成，一部分是由上覆岩层的重力作用引起的，它是岩石泊松比的函数；另一部分是地质构造力，它随着埋藏深度的增加而线形增大，和有效上覆岩层压力成正比。有效上覆岩层压力指上覆岩层压力和岩石内孔隙流体压力的差。13．简述液压试验法（漏失试验）的方法和步骤：答：①循环调节钻井液性能，保证钻井液性能稳定，上提钻头至套管鞋内，关闭防喷器（环形空间）；②以低速起泵后用较小排量（0.66～1.32L/s）向井内注入钻井液，并计录各个时间的泵入量和立管压力；③作立管压力与泵入量（累计）的关系曲线图，这条曲线开始时为过作标原点的直线，然后会在某处偏离此直线，但压力仍继续上升；④标出试验曲线上偏离原始直线之点的压力，即为漏失压力；⑤试验曲线达到最高点的压力称为破裂（开裂）压力，这时地层开使破裂；⑥最大值过后压力下降并趋于平缓，平缓的压力称为传播压力。14．塑性岩石的特点有那些？脆性岩石的特点有那些？简要说明流体介质对岩石机械性质的影响。答：塑性岩石的特点是岩石在破碎前发生永久变形，抗刮切能力弱。脆性岩石的特点是岩石在破碎前未发生永久变形，抗冲击能力弱。流体介质对岩石机械性质的影响包含以下两方面：第一，岩石中所含的水分都使岩石的强度下降，而且含水量越多，强度下降得也越多，含水量对一些岩石，例如泥页岩，也会影响其塑性性质，增大其流变特性；第二，具有化学活性的液体对岩石强度的降低，要比同类岩石在相同条件下以非活性液体所饱和时对岩石强度的降低要大得多。15．岩石的力学性质含义包括哪些？它们反映了岩石的什么规律？绘出平底圆柱压头压入脆性岩石、塑脆性岩石、塑性岩石时的吃入深度与所加载荷关系的典型变形曲线。答：岩石力学性质的含义包括两个：岩石的变形特征和强度特征。岩石的变形特征是指岩石试件在载荷作用下的变形规律，其中包括岩石的弹性变形、塑性变形、粘性流动和破坏规律，它反应了岩石的力学属性。岩石强度是指岩石试件在载荷作用下开始破坏的最大应力（极限强度）以及应力与破坏之间的关系，它反映了岩石抵抗破坏的能力和破坏规律。岩石的变形规律和强度特征，由岩石试件在单轴或三轴试验机上所得到的应力应变曲线来描述。吃入深度,mm吃入深度,mm吃入深度,mm载荷P,N载荷P,N载荷P,N图平底圆柱压头压入岩石时的变形曲线（a）脆性岩石（b）塑脆性岩石（c）塑性岩石16．分析井内液柱压力和地层孔隙压力对钻井岩石破碎的影响。答：岩石的屈服强度随着孔隙压力的减小而增大。当围压一定时，只有当孔隙压力相对地小时，岩石才呈现塑性的破坏；增大孔隙压力将使岩石由塑性破坏转变为脆性破坏。一些受压岩页（Pressuredshale）由于孔隙压力相当高，当钻开井眼后，从井壁上因产生脆性的破坏而崩落，大概与这种机理有关。因此，在考虑页岩井壁的稳定时应对孔隙压力给予足够的重视。相反地，在钻井工程中，孔隙压力有助于岩石的破碎从而提高钻井的速度。井底的岩石，如果不渗透、无孔隙液体时，则增大泥浆的液柱压力Ph，也将增大对岩石的“各向压缩效应”。其结果必然导致岩石抗压入强度（或即岩石的硬度）的增加和塑性的增大，并且在一定的液柱压力下，岩石将从脆性的破坏转变为塑性破坏。这个转变压力可称为脆—塑性转变的临界压力。三、计算题1.某井井深2000m，地层压力25MPa，求地层压力当量密度。答：根据公式：Pp=0.00981×ρhρ=Pp∕0.00981×h=25MPa∕(0.00981×2000m)=1.27g∕cm32.某井垂深2500m,井内钻井液密度为1.18g/cm3,若地层压力为27.５MPa，求井底压差。答:Ph=ρgh=1.18g/cm3×0.00981×2500m=28.94Mpa△P=Ph-Pp=28.94-27.5=1.44MPa即井底压差为1.44Mpa.3.某井井深3200m，产层压力为23.1MPa,求产层的地层压力梯度。答：产层的地层压力梯度Gp=Pp/h=23.1MPa/3200m=0.0072Mpa/m4.某井井深2500m,钻进时所用的钻头直径为215mm,钻压160kN,钻速110r/min,机械钻速7.3m/h,钻井液密度1.28g/cm3,正常条件下钻井液密度为1.07g/cm3,求d和dc指数。答：d=㏒10(0.0547vpc/n)/㏒10(0.0684W/db)=㏒10(0.0547×7.3/110)/㏒10(0.0684×160/215)=1.8866dc=d×ρn/ρd=1.8866×1.07/1.28=1.57717．绘出平底圆柱压头压入脆性岩石、塑脆性岩石、塑性岩石时的典型变形曲线，并给出脆性岩石、塑脆性岩石的岩石硬度计算式。给出塑脆性岩石塑性系数的定义和计算式。答：吃入深度,mm吃入深度,mm吃入深度,mm载荷P,N载荷P,N载荷P,N图平底圆柱压头压入岩石时的变形曲线（a）脆性岩石（b）塑脆性岩石（c）塑性岩石岩石硬度计算式：SPPy/N/mm2式中P——产生脆性破碎时压头上的载荷，N；S——压头的底面积，mm2。衡量岩石塑性的大小可以用岩石破碎前耗费的总功AF与弹性变形功AE的比值表示，这个比值称为岩石的塑性系数。因此，塑性系数K等于K=AF/AE