1钻井的工程地质条件.

0第一章钻井工程地质条件1知识回顾钻井定义、目的油气井类型钻井技术发展钻井总体过程2知识回顾3本章主要内容岩石分类与结构岩石工程力学性质地下压力特性井底压力条件下岩石的力学性质及其影响41、岩石的组成2、岩石的分类及结构3、沉积岩的特点第一节岩石分类及结构本节主要内容：5第一节岩石分类及结构1、岩石的组成岩石是造岩矿物颗粒的集合体，颗粒之间或者靠直接接触面上的作用力联结，或者由外来的胶结物胶结。大多数岩石由两种以上的矿物成分组成。矿物是具有固定的化学成分和确定的物理性质的天然无机化合物。除了硫、碳的矿物及少数金属外，绝大多数矿物是由两种以上元素组成的化合物。6主要造岩矿物一览表7主要造岩矿物一览表92、岩石的分类及结构火成岩（岩浆岩）—由岩浆（硅酸盐）容体冷凝而成。如:花岗岩、玄武岩、橄榄岩等。岩石可分为三大类：变质岩—火成岩和沉积岩等由于高温高压作用或外来物质的加入，改变了原来的成分、结构，变成新的岩石。如:花岗岩→片麻岩，石灰岩→大理岩，石英砂岩→石英岩等。沉积岩—母岩风化后的产物经过搬运、沉积和成岩作用而形成的岩石。如:泥岩、砂岩、石灰岩、白云岩、石膏、盐岩、页岩。第一节岩石分类及结构第一节岩石分类及结构2、岩石的分类及结构岩石的结构是指岩石中矿物（及岩屑）颗粒相互之间的关系，包括颗粒的大小、形状、排列、结构联结特点及岩石中的微结构面（即内部缺陷）。结构联结类型结晶联结：岩石中矿物颗粒通过结晶相互嵌合在一起，如岩浆岩、大部分变质岩及部分沉积岩的结构联结。胶结联结：颗粒与颗粒之间通过胶结物胶结在一起的联结，如沉积碎屑岩、部分粘土岩的结构联结就属于这种联结类型。微结构面：又称缺陷，是指存在于矿物颗粒内部或矿物颗粒及矿物集合体之间微小的弱面及空隙。结构联结及微结构面对岩石工程性质影响最大。11(1)、对晶质岩石，由硬度较高的矿物组成的岩石，其硬度也较高。如玄武岩（斜长石、辉石，6）＞白云岩（4）＞石灰岩（3）。(3)、同种岩石孔隙度增大，密度降低，强度降低。岩石的强度一般随埋藏深度的增加而增大。(2)、砂岩的强度随着石英（7）含量的增加而增大；硅质胶结铁质胶结﹥石灰质胶结粘土质胶结。第一节岩石分类及结构2、岩石的分类及结构12由岩石碎屑经沉积、压缩及流经沉积物的溶液中沉淀出的胶结物的胶结作用而形成。胶结物有硅质、铁质、石灰质、粘土质几种。矿物胶结物在矿物相同的情况下，胶结物的强度越高岩石强度越高。通常，硅质胶结铁质胶结﹥石灰质胶结粘土质胶结。(1)、碎屑沉积岩第一节岩石分类及结构3、沉积岩的特点13粉砂岩：介于砂岩和泥岩之间的一类岩石，颗粒尺寸0.1~0.01mm。泥岩：颗粒小于0.01mm。主要成分为粘土矿物，并含有部分碎屑物质（石英、长石、云母等）。砾岩：颗粒大于1mm。主要是火成岩、变质岩碎屑，碎屑间由胶结物充填。巨砾：＞1m；粗砾：100~1000mm；中砾：10~100mm；细砾：1~10mm砂岩：颗粒0.1~1mm。石英、长石、辉石、角闪石、云母等矿物颗粒+胶结物粗砂：0.5~1mm；中砂：0.25~0.5mm；细砂：0.1~0.25mm(1)、碎屑沉积岩3、沉积岩的特点14硫酸盐岩—石膏（CaSO4）盐岩—食盐（NaCl）(2)、结晶沉积岩盐类物质从水溶液中沉淀或在地壳中发生化学反应而形成的岩石。碳酸盐岩—石灰岩，主要成分为石灰石（CaCO3）白云岩，主要成分为白云石（MgCa(CO3)2）在沉积岩中：泥岩-60%，砂岩-30%，碳酸盐岩居第三位。3、沉积岩的特点153、沉积岩的特点（1）结构特点（2）构造特点（3）各向异性和非均质性163、沉积岩的特点（2）构造特点构造指岩石的宏观组织特征，是指岩石组分的空间分布及其相互间的位置关系。如层理、页理、节理（裂隙）、孔隙度等。（1）结构特点结构指岩石的微观组织特征，包括矿物成分、颗粒大小、形状及排列方式、颗粒间的联结情况等。特点：矿物成分不确定、颗粒大小不等、颗粒形状多样、颗粒分布不均匀、胶结强度有强有弱。17③某些矿物颗粒的定向排列颗粒大小变化岩石成分变化某些矿物颗粒定向排列3、沉积岩的特点层理—岩石一层层迭起来的现象。倾斜的层状结构是沉积岩的主要构造特征。形成层理的原因：①成分相同时颗粒大小在纵向上的变化②岩石成分在纵向剖面上的变化为不同时期沉积环境变化所制。18在钻井地质剖面上所表现的岩性变化、软硬夹层等就是层理变化的反映。19岩石的各向异性性质是由岩石的构造特点所决定的。结晶矿物颗粒的定向排列、层理、片理、节理等使得岩石具有各向异性的特点。(3）各向异性和非均质性各向异性：如果物体的某一性质随方向的不同而不同，则称物体具有各向异性。岩石一般具有各向异性的性质。在垂直于和平行于层理面的方向上，岩石的力学性质（弹性、强度等）有较大的差异。3、沉积岩的特点20非均质性：岩石一般为非均质体。这是由岩石成分、颗粒大小、颗粒间的联结强度、孔隙度（密度）的不均匀性所造成的。如果物体中不同部分的物理、化学性质不同，称该物体是非均质的。测定岩石的力学性质时，不同部位的实验结果常存在很大的差异。因此，应采用统计学理论，取合适的均值作为代表。(3）各向异性和非均质性3、沉积岩的特点21第二节岩石工程力学性质22塑性：岩石在外力作用下产生变形，外力撤除后变形不能完全恢复的性质。相应的残余变形称为塑性变形。一、岩石的机械性质（力学性质）1、岩石变形特征岩石的力学性质：岩石受力后表现出来的变形特性和强度特性。弹性：岩石在外力作用下产生变形，外力撤除后变形随之消失，恢复到原来的形状和体积的性质称为弹性。相应的变形称为弹性变形。脆性：岩石在外力作用下变形量很小（小于3%）时就发生破坏的性质。相应的破坏称为脆性破坏。23虎克定律：弹性系数之间的关系：)1(2EGEσ—应力；ε—应变；E—弹性模量Gτ—应力；γ—剪应变；G—剪切弹性模量zyyzxx，泊松比：zyzx（各向同性材料）弹性模量和泊松比:（各向异性材料）24强度：岩石在外力作用下发生破坏时的最大应力。2、岩石强度特征岩石强度的大小取决于岩石的内聚力和岩石颗粒间的内摩擦力。坚固岩石和塑性岩石的强度取决于岩石的内聚力和内摩擦力；松散岩石的强度取决于内摩擦力。抗拉强度—岩石单纯受拉伸应力作用时的强度。抗压强度—岩石单纯受压缩应力作用时的强度。抗剪强度—岩石单纯受剪切应力作用时的强度抗弯强度—岩石单纯受弯曲应力作用时的强度。抗拉抗弯抗剪抗压1）岩石强度的概念25影响岩石强度的因素自然因素工艺技术因素岩石的矿物成分矿物颗粒的大小岩石的密度岩石的孔隙度受载方式应力状态外载作用的速度液体介质性质2、岩石强度特征26APc抗压试验trpt0抗拉试验-巴西实验2）简单应力条件下岩石的力学性质简单应力条件：岩石受单一外载（压、拉、剪、弯）作用。（1）试验方法2）简单应力条件下岩石的力学性质岩石单、三轴试验机28APs抗剪试验223bhPlb抗弯试验2）简单应力条件下岩石的力学性质29破坏方式:2）简单应力条件下岩石的力学性质30①在简单应力条件下，大部分岩石都接近弹性脆性体，岩石的破坏表现为脆性破坏。②岩石的弹性模量与所加载荷大小及应变种类有关。当载荷较小时，弹性模量接近常数，且各种应变情况下的弹性模量相差不大。当载荷较大时，在受压缩的情况下，弹性模量将随载荷的增大而增大；在受拉伸的情况，弹性模量则随载荷的增大而减小。③在动外力（如声波）作用下，大多数岩石服从直线虎克定律。④一般情况下抗拉强度＜抗弯强度≤抗剪强度＜抗压强度。⑤垂直于地层层面方向的岩石强度＞平行于地层层面方向的岩石强度。2）简单应力条件下岩石的力学性质31(1)三轴岩石试验σ1σ2=σ3σ1σ1σ1σ2σ3σ2=σ3σ2σ33）复杂应力条件下岩石的力学性质32常规三轴试验σ1σ1压缩拉伸σ1＜σ2=σ3σ1＞σ2=σ3P=σ2=σ3P=σ2=σ333σ3=0σ3=23.5σ3=50σ3=85σ3=165σ3=326XXXXσ3=0σ3=27.5σ3=55.5σ3=155σ3=217.5岩石在三轴应力条件下的强度明显增加。随着围压的增大，岩石强度增大。随着围压的增大，岩石由脆性向塑性转变，且围压越大，岩石破坏前呈现的塑性也越大，岩石从脆性向塑性转变的压力（围压）称为临界压力。不同的岩石，临界压力不同。在各向均匀压缩状态下，岩石永远不会破坏。3）复杂应力条件下岩石的力学性质一般规律343、岩石的硬度和塑性系数塑性系数:表征岩石塑性和脆性大小的参数。硬度的概念(抗压入破碎强度)岩石抵抗其它物体表面压入或侵入的能力。石油工业中的岩石硬度是压入硬度，也称为史氏硬度，是由前苏联史立涅尔提出的。硬度与抗压强度区别：硬度是岩石表面的局部抵抗外力压入的能力；抗压强度则是岩石整体抗压的能力。35压入硬度和塑性系数的测定方法——压入试验岩石硬度试验装置771—液缸缸体；2—液缸柱塞；3--岩样；4—压头5—压力计；6—千分表；7—柱塞导向杆6平底圆柱压头36岩石硬度和塑性系数的计算塑性系数:面积面积岩石破碎前弹性变形功岩石破碎前耗费的总功ODEOABCAAKEFp脆性岩石塑脆性岩石塑性岩石塑性系数:表征岩石塑性和脆性大小的参数。37岩石按塑性系数分类（3类、6级）38SPPOyMPa对塑性岩石：POY——弹性变形载荷硬度Py:MPa对脆性和塑脆性岩石：SPPyP——破坏载荷选择钻头的主要依据之一岩石按硬度的分类（6类、12级）脆性岩石塑脆性岩石塑性岩石394、岩石的研磨性和可钻性岩石磨损钻头切削刃材料的能力称为岩石的研磨性。1）岩石研磨性（RockAbrasiveness）通常是用切削具磨损的体积与所消耗的摩擦功之比来表示研磨性的大小，其衡量的单位是3/mJ摩擦功可表示为：WPSl其中：W──产生磨损的摩擦功，J；──两个物体相对移动的距离，m。μ──动摩擦系数；P──岩石的局部抗压人强度，Pa；S──岩石接触的摩擦面积，。l2m4、岩石的研磨性和可钻性影响岩石研磨性的因素1）自然因素影响岩石研磨性的自然因素主要是岩石的硬度、组成岩石矿物颗粒的大小和形状，以及岩石的裂隙和孔隙度等。2）技术因素也就是影响动摩擦系数的各种技术因素:压力、相对运动速度、介质、温度。研磨等级研磨性程度研磨性指标(g/m)代表岩石及矿物1极低5石英岩、大理岩、不含石英的软硫化矿(方铅矿、闪锌矿、磁黄铁矿)，磷灰岩、岩盐、叶岩2低5～10硫化矿及重晶石硫化矿、粘土、软的片岩(碳质、泥质、绿泥质、绿泥板状的)3中下10～18碧玉岩、角岩(含矿及不含矿的)、石英硫化矿石、细粒岩浆岩、石英及长石细粒砂岩、铁矿石、矽化石灰岩4中18～30石英及长石细粒砂岩、辉绿岩、粗粒黄铁矿、砷黄铁矿、脉石英，石英硫化矿石、细粒岩浆岩、矽化灰岩、碧玉铁质岩5中上30～45石英及长石中粗粒砂岩、斜长花岗岩、霞石正长岩、细粒花岗岩及闪长岩、玢岩、云英岩、辉长岩、片麻岩、矽卡岩(含矿及不含矿的)、黄铁长英岩．滑石菱镁片岩6较高45～65花岗岩、闪长岩、花岗闪长岩、花岗正长岩、玢岩、霞石正长岩、角闪石斑岩、辉岩、二长岩、闪岩、石英及矽化灰岩、片麻岩7高65～90玢岩、闪长岩、花岗岩、花岗霞石正长岩8极高90含刚玉岩石研磨性详细分级412）岩石可钻性(RockDrillability）(1)、概念岩石可钻性可理解为岩石破碎的难易性，它反映了是岩石抵抗钻头破碎的能力。(2)、评价方法在钻压889.7N（200磅）、转速55r/min的固定条件下，用直径31.75mm(11/4in)的微型钻头在岩心上钻孔，以钻进2.4mm孔深所需要的时间td作为岩石可钻性指标，由此把岩石分为易钻的和难钻的。为应用方便，常用Kd=Log2td作为可钻性指标，称为可钻性级值。2、岩石可钻性(RockDrillability）全自动岩石可钻性测试仪43(3)、可钻性分级级别ⅠⅡⅢⅣⅤⅥⅦⅧⅨⅩtd/秒＜44~＜88~＜1616~＜3232