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
26、破裂压力 （一）休伯特和威利斯（一）休伯特和威利斯(HubbertHubbert&Willis)&Willis)法法 地下应力状态是以三维不均匀主应力状态为特征的，且三个地下应力状态是以三维不均匀主应力状态为特征的，且三个主应力互相垂直。最大主应力为垂直方向，大小等于基岩应力，主应力互相垂直。最大主应力为垂直方向，大小等于基岩应力，最小主应力和中间主应力在水平方向上互相垂直。最小主应力的最小主应力和中间主应力在水平方向上互相垂直。最小主应力的大小等于最大主应力的大小等于最大主应力的1/31/31/21/2。地层破裂条件：地层破裂条件：p pf fp pp p+3 3p pp p+（1/31/3
27、1/21/2）1 1 (1-20)(1-20)而而 1 1p po o-p-pp p 故故 p pf fp pp p+（1/31/31/21/2）(p(po o-p-pp p)(1-21)(1-21)根据式（根据式（1-201-20）可求得地层破裂压力梯度：）可求得地层破裂压力梯度：(1-22)(1-22)式中：式中：G Gf f 井深井深H H处的地层破裂压力梯度，兆帕米；处的地层破裂压力梯度，兆帕米；p pf f 井深井深H H处的地层破裂压力，兆帕；处的地层破裂压力，兆帕；p pp p 井深井深H H处的地层压力，兆帕；处的地层压力，兆帕；p po o 井深井深H H处的上覆岩层压力，兆
28、帕；处的上覆岩层压力，兆帕；H H 井深，米。井深，米。HHpppGpopf)(2131(n（二）马修斯和凯利（二）马修斯和凯利（Mathews&Kelly）法）法n选择最小破裂压力等于地层压力，最大破裂压力等于上覆岩层选择最小破裂压力等于地层压力，最大破裂压力等于上覆岩层压力。如果实际破裂压力大于地层压力，则认为是由于克服骨压力。如果实际破裂压力大于地层压力，则认为是由于克服骨架应力所致。骨架应力的大小与地层压实程度有关架应力所致。骨架应力的大小与地层压实程度有关n引入骨架应力系数引入骨架应力系数n根据地层破裂压力与地层压力和骨架应力之间的关系，有根据地层破裂压力与地层压力和骨架应力之间的关
29、系，有n （1-231-23）n式中：式中：K Ki i 骨架应力系数，无因次；骨架应力系数，无因次；h h水平应力，水平应力，MPaMPa；n 骨架应力（垂直应力），骨架应力（垂直应力），MPaMPa。nK Ki i是井深的函数，与岩性有关是井深的函数，与岩性有关，通常泥质含量高的砂岩比一般，通常泥质含量高的砂岩比一般砂岩的应力系数要高。在正常地层压力情况下，砂岩的应力系数要高。在正常地层压力情况下，K Ki i随井深增加随井深增加而增加。如遇异常高压，地层的压实程度降低，地层压力增大，而增加。如遇异常高压，地层的压实程度降低，地层压力增大，则则K Ki i减小。减小。hiK HHKpGip
30、fn（三）伊顿（三）伊顿（EatonEaton）法）法n把上覆岩层压力梯度作为一个变量来考虑，一般来说，把上覆岩层压力梯度作为一个变量来考虑，一般来说，横横向应变和纵向应变之间的比值被定义为泊松比向应变和纵向应变之间的比值被定义为泊松比。然而。然而伊顿伊顿的泊松比不是作为岩石本身特性的函数，而是作为的泊松比不是作为岩石本身特性的函数，而是作为区域应区域应力场力场的函数来考虑。伊顿的泊松比即为水平应力与垂直应的函数来考虑。伊顿的泊松比即为水平应力与垂直应力之比值力之比值.n水平应力和垂直应力之间的关系，即水平应力和垂直应力之间的关系，即n （1-241-24）n将上式引入地层破裂压力梯度计算公式
31、（将上式引入地层破裂压力梯度计算公式（1-231-23），即），即n （1-251-25）n 岩石的泊松比。岩石的泊松比。1hHHpGpf1n（四）计算地层破裂压力的新方法（四）计算地层破裂压力的新方法n （1-261-26）n式中：式中：K K 构造应力系数，无因次；构造应力系数，无因次；S St t 岩石的抗拉强度，兆帕。岩石的抗拉强度，兆帕。n新模式与前述三个模式相比有两个显著特点：新模式与前述三个模式相比有两个显著特点：n(1)(1)地应力一般是不均匀的，模式中包括了三个主应力地应力一般是不均匀的，模式中包括了三个主应力的影响。的影响。SpppptpopfK)(12(n(2)(2)地层
32、的破裂是由井壁上的应力状态决定的地层的破裂是由井壁上的应力状态决定的。深部地层深部地层的水压致裂是由于井壁上的有效切向应力达到或超过了岩石的水压致裂是由于井壁上的有效切向应力达到或超过了岩石的抗拉强度。的抗拉强度。n岩石抗张强度岩石抗张强度S St t是利用钻取的地下岩心在室内采用巴西实是利用钻取的地下岩心在室内采用巴西实验求得的。验求得的。n构造应力系数构造应力系数K K对不同的地质构造是不同的，但它在同一构对不同的地质构造是不同的，但它在同一构造断块内部是一个常数，且不随深度变化。造断块内部是一个常数，且不随深度变化。n（五）破裂压力的液压实验（五）破裂压力的液压实验n液压实验法也称漏失试
33、验，液压实验法也称漏失试验，液压实验法的步骤如下：液压实验法的步骤如下：n(1)循环调节泥浆性能，保证泥浆性能稳定，上提钻头至套管循环调节泥浆性能，保证泥浆性能稳定，上提钻头至套管鞋内，关闭防喷器。鞋内，关闭防喷器。n(2)用较小排量用较小排量0.661.32 L/s向井内注入泥浆，并记录各个时向井内注入泥浆，并记录各个时期的注入量及立管压力。期的注入量及立管压力。n(3)做立管压力与累计泵入量的关系曲线图，如教材中图做立管压力与累计泵入量的关系曲线图，如教材中图1-8所所示。示。(4)从图上确定各个压力值：漏失压力为从图上确定各个压力值：漏失压力为PL，即开始偏离直，即开始偏离直线点的压力；
34、其后压力继续上升，即为开裂压力线点的压力；其后压力继续上升，即为开裂压力Pr；压力；压力升到最大值，即为传播压力升到最大值，即为传播压力Prro，最大值过后压力下降并趋最大值过后压力下降并趋于平缓；于平缓；（5)求地层破裂压力当量密度求地层破裂压力当量密度f f f fm mp pL L/(0.00981H)(1-27)/(0.00981H)(1-27)m m 试验用泥浆密度，试验用泥浆密度，g/cmg/cm3 3；H H 试验井深，试验井深，m m。注意：注意：（1 1）计算地层破裂压力时，以）计算地层破裂压力时，以漏失压力为准；漏失压力为准；（2 2）计算深度）计算深度H H是指套管下入深
35、是指套管下入深度，而不是井深；度，而不是井深；（3 3）破裂处地层承受的压力应）破裂处地层承受的压力应该等于表现在立管上的压力该等于表现在立管上的压力与井内液柱形成的压力之和。与井内液柱形成的压力之和。PRro图图1-8 1-8 液压试验曲线液压试验曲线 第二节第二节 岩石的工程力学性质岩石的工程力学性质一、岩石的机械性质一、岩石的机械性质（一）沉积岩（一）沉积岩（sedimentary rock）沉积岩是地壳表层在常温常压下的破碎物经搬运、沉积、压实沉积岩是地壳表层在常温常压下的破碎物经搬运、沉积、压实形成的岩石。形成的岩石。常见的沉积岩石有：石灰岩、泥页岩、砂岩等。常见的沉积岩石有：石灰岩
36、、泥页岩、砂岩等。组成岩石的主要元素有八种，氧（组成岩石的主要元素有八种，氧（46.7%）、硅（）、硅（27.7%）、铝）、铝（8.1%）、铁（）、铁（5.0%）、钙（）、钙（3.6%）、钠（）、钠（2.8%）、钾（）、钾（2.6%）、镁）、镁（2.1%）、共占地壳成分的）、共占地壳成分的98.6%。沉积岩可分为结晶沉积岩和碎屑沉积岩两大类。沉积岩可分为结晶沉积岩和碎屑沉积岩两大类。结晶沉积岩是盐类物质从水溶液中沉淀或在地壳中发结晶沉积岩是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，包括石灰岩、白云岩、石膏等。生化学反应而形成的，包括石灰岩、白云岩、石膏等。碎屑沉积岩则是由岩石碎屑经
37、沉积、压缩及流经沉积碎屑沉积岩则是由岩石碎屑经沉积、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的，包括砂物的溶液中沉淀出的胶结物的胶结作用而形成的，包括砂岩、泥岩、砾岩等，胶结物通常有硅质、石灰质、铁质和岩、泥岩、砾岩等，胶结物通常有硅质、石灰质、铁质和泥质几种。泥质几种。岩石的构造是指岩石在大范围内的结构特征岩石的构造是指岩石在大范围内的结构特征，沉积岩：层理，沉积岩：层理和片理。和片理。层理是指沉积岩在垂直方向上岩石成分和结构的变化层理是指沉积岩在垂直方向上岩石成分和结构的变化。它主。它主要表现为不同成份的岩石颗粒在垂直方向上交替变化沉积，岩石要表现为不同成份的岩石颗粒在垂直方
38、向上交替变化沉积，岩石颗粒大小在垂直方向上有规律的变化，某些岩石颗粒按一定方向颗粒大小在垂直方向上有规律的变化，某些岩石颗粒按一定方向的定向排列等。的定向排列等。片理是指岩石沿平行平面分裂为薄片的能力片理是指岩石沿平行平面分裂为薄片的能力，它与岩石的显，它与岩石的显微结构有关。微结构有关。(二二)岩石的弹性（岩石的弹性（elasticity of rock）物体在外力作用下产生变形，外力撤除以后，变形随之物体在外力作用下产生变形，外力撤除以后，变形随之消失，物体恢复到原来的形状和体积的性质称为弹性变形。消失，物体恢复到原来的形状和体积的性质称为弹性变形。当外力撤除后，变形不能消失的称为塑性变形
39、。当外力撤除后，变形不能消失的称为塑性变形。产生弹性变形的物体在变形阶段，应力与应变的关系服产生弹性变形的物体在变形阶段，应力与应变的关系服从虎克定律：从虎克定律：=E=E (1-28)(1-28)式中：式中：应力；应力；应变；应变；E E弹性模量。弹性模量。如果材料是各向同性的，则有：如果材料是各向同性的，则有：物体在弹性变形阶段，剪切变形同样也服从虎克定律，即物体在弹性变形阶段，剪切变形同样也服从虎克定律，即 =G (1-30)=G (1-30)式中：式中：剪应力；剪应力；剪应变；剪应变；G G切变模量切变模量(或剪切弹性模量或剪切弹性模量)。对于同一材料，三个弹性常数对于同一材料，三个弹
40、性常数E E、G G和和之间有如下的关系：之间有如下的关系：)281(zyzx)291(Ezyx)1(2EG(三三)岩石的强度（岩石的强度（strength of rockstrength of rock）1.1.岩石强度的概念岩石强度的概念 是岩石在一定条件下抵抗外力破坏的能力。是岩石在一定条件下抵抗外力破坏的能力。岩石强度的大小取决于岩石的内聚力（矿物颗粒与胶结物岩石强度的大小取决于岩石的内聚力（矿物颗粒与胶结物之间的连接力）和岩石颗粒间的内摩擦力（颗粒之间的原始接之间的连接力）和岩石颗粒间的内摩擦力（颗粒之间的原始接触状态即将破坏而要产生位移时的摩擦阻力）。触状态即将破坏而要产生位移时的
41、摩擦阻力）。坚固岩石和塑性岩石的强度主要取决于岩石的内聚力和内坚固岩石和塑性岩石的强度主要取决于岩石的内聚力和内摩擦力，松散岩石的强度主要取决于内摩擦力。摩擦力，松散岩石的强度主要取决于内摩擦力。影响岩石强度的因素：影响岩石强度的因素：岩石本身特性岩石本身特性（内因）和破碎（内因）和破碎时的时的工艺技术因素工艺技术因素（外因）。（外因）。内因：内因：岩石的矿物成分，胶结物的成分和比例（沉积岩石的矿物成分，胶结物的成分和比例（沉积岩）；矿物颗粒的尺寸；岩石的密度和孔隙度。岩石的强岩）；矿物颗粒的尺寸；岩石的密度和孔隙度。岩石的强度一般情况下随着埋藏深度的增加而增加。度一般情况下随着埋藏深度的增加
42、而增加。外因：外因：岩石的受载方式；岩石的应力状态，外载作用岩石的受载方式；岩石的应力状态，外载作用的速度，液体介质性质等。的速度，液体介质性质等。2.2.简单应力条件下岩石的强度简单应力条件下岩石的强度 简单应力条件下岩石的强度指岩石在单一的外载作用下的强度，简单应力条件下岩石的强度指岩石在单一的外载作用下的强度，包括单轴抗压强度、单轴抗拉强度、抗剪强度及抗弯强度。包括单轴抗压强度、单轴抗拉强度、抗剪强度及抗弯强度。表表 1-4 岩石的抗压、抗拉、抗剪和抗弯强度岩石的抗压、抗拉、抗剪和抗弯强度岩石抗压强度cMpa抗拉强度tMpa抗剪强度sMpa抗弯强度rMpa粗粒砂岩1425.1410.3中
43、粒砂岩1515.213.1细粒砂岩1857.9524.9页 岩14611.7836泥 岩183.23.5石 膏171.96含膏石灰岩422.46.5安山岩98.65.898白云岩1626.9118石灰岩1389.1145花岗岩16612198正长岩215.214.3221辉长岩23013.5244石英岩30514.4316辉绿岩34313.4347 一般说来，岩石的强度有以下顺序关系：一般说来，岩石的强度有以下顺序关系：抗拉抗拉 抗弯抗弯抗剪抗剪 70（五）岩石的脆性和塑性（五）岩石的脆性和塑性 可把岩石分为可把岩石分为脆性岩石（脆性岩石（brittle rockbrittle rock）、塑
44、性岩石）、塑性岩石（plastic rockplastic rock）和塑脆性岩石（）和塑脆性岩石（brittle-plastic rockbrittle-plastic rock）三大三大类。类。在外力作用下，岩石只改变其形状和大小而不破坏自身的连在外力作用下，岩石只改变其形状和大小而不破坏自身的连续性，这种情况称为塑性的；岩石在外力作用下，直至破碎而无续性，这种情况称为塑性的；岩石在外力作用下，直至破碎而无明显的形状改变，这种情况称为脆性的；介乎于两者之间的是脆明显的形状改变，这种情况称为脆性的；介乎于两者之间的是脆塑性岩石。塑性岩石。用用岩石的塑性系数岩石的塑性系数K KP P作为定量表
45、征岩石塑性及脆性大小的参数。作为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塑性系数为岩石破碎前耗费的总功A AF F与岩石破碎前弹性变形功与岩石破碎前弹性变形功A AE E的比的比值。值。对于塑脆性岩石：对于塑脆性岩石：脆性系数脆性系数K=1K=1；塑性岩石，；塑性岩石，K KP P=。表表1-7 岩石按塑性系数的分类岩石按塑性系数的分类的面积的面积ODEOABCAAKEFP类脆塑脆性塑别性低塑性高塑性性级 别123456塑性系数 K1122334466 在三轴应力条件下，岩石机械性质的一个显著变化的特点就是在三轴应力条件下，岩石机械性质的一个显著变化的特点就是随着围压的
46、增大，岩石表现出从脆性向塑性的转变随着围压的增大，岩石表现出从脆性向塑性的转变，并且围压越大，并且围压越大，岩石破坏前所呈现的塑性也越大。岩石破坏前所呈现的塑性也越大。表表1-8 岩石在围压下的塑性变形岩石在围压下的塑性变形在下列围压下破坏前的应变量，岩 石P100 MPaP200 MPa Oil Creek 石英砂岩2.93.8 Hasmark 白云岩7.313.0 Blain 硬石膏7.022.3 Yule 大理岩22.028.8 Barns 砂岩25.825.9 Mirianna 石灰岩29.127.2 Muddy 页岩15.025.0岩盐28.827.5 二、二、井底压力条件下井底压力
47、条件下 岩石的机械性质及其影响因素岩石的机械性质及其影响因素(一一)井眼周围地层岩石的受力井眼周围地层岩石的受力 井眼周围地层岩石受力包括上覆岩层压力、岩石内孔隙井眼周围地层岩石受力包括上覆岩层压力、岩石内孔隙流体的压力和水平地应力和钻井液液柱压力。流体的压力和水平地应力和钻井液液柱压力。水平地应力一部分来源于上覆岩层压力水平地应力一部分来源于上覆岩层压力,另一部分水平另一部分水平地应力来源于地质构造力，它在水平的两个主方向上一般是地应力来源于地质构造力，它在水平的两个主方向上一般是不相等的，但却都随埋藏深度而线性增大不相等的，但却都随埋藏深度而线性增大。井眼周围地层岩石受力示意图井眼周围地层
48、岩石受力示意图 某深处两个水平主地应力方向上的有效水平向主地应力可某深处两个水平主地应力方向上的有效水平向主地应力可以表示为：以表示为：式中：式中：、分别为分别为1 1和和2 2两个水平主方向的构造力系数，两个水平主方向的构造力系数，且且。1 1、2 2及及3 3都是由于地下岩石之间的作用而产生的应都是由于地下岩石之间的作用而产生的应力，所以统称地应力。力，所以统称地应力。)351(113231pppp(二二)井底各种压力对岩石性能的影响井底各种压力对岩石性能的影响 1.地应力的影响地应力的影响 某些试验表明，当地应力值太小，对钻进速度的影响某些试验表明，当地应力值太小，对钻进速度的影响不明显
49、。不明显。理论分析表明，无论是垂直的上覆岩层压力或是水平理论分析表明，无论是垂直的上覆岩层压力或是水平的地应力的地应力(均匀的或非均匀的均匀的或非均匀的)都会影响井壁岩石的应力状都会影响井壁岩石的应力状态，从而影响到井壁的稳定。态，从而影响到井壁的稳定。2.2.液柱压力和孔隙压力的影响液柱压力和孔隙压力的影响 (1)(1)附加孔隙压力的常规三轴试验结果附加孔隙压力的常规三轴试验结果 孔隙压力的作用降低了岩石的各向压缩效应，也就是说孔隙压力孔隙压力的作用降低了岩石的各向压缩效应，也就是说孔隙压力的存在会降低岩石的强度。的存在会降低岩石的强度。表表1-10 有效应力的作用有效应力的作用围压孔隙压力
50、有效应力岩石的破碎应力(强度极限)1=P2 MPaPP Mpa(3-PP)Mpa(1-3)Mpa00059.834.534.5058.413.86.96.9106.020.7020.7171.034.513.820.7169.144.824.120.7166.769.048.320.7167.134.5034.5211.048.313.834.5211.869.034.534.5212.755.2055.2253.869.013.855.2250.4 (2)2)液柱压力的影响液柱压力的影响 增大钻井液的液柱压力增大钻井液的液柱压力p ph h，其结果必然导致岩石的抗压入强度，其结果必然导致岩石
