第一章 钻井的工程地质条件

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1、第一章钻井的工程地质条件本章主要内容:地下各种压力的概念异常高压的原因地层破裂压力岩石的力学特性第一节地下压力特性一、地下压力的各种概念（一）静液压力（hydrostaticpressure）静液压力—由液柱自身重力所引起的压力，其大小与液体的密度和液柱的垂直高度或深度有关。（1-1）式中：—静液压力，；—液体密度，—液柱的垂直高度，m；静液压力梯度—单位深度的液柱压力称为静液压力梯度，（1-2）（二）上覆岩层压力（Overburdenpressure）上覆岩层压力—地层某处的上覆岩层压力是该处以上

2、地层（包括岩石基质和岩石孔隙中的流体）总重力所产生的压力。（分段计算）式中：—上覆岩层压力，；D—地层垂直深度，m；—地层空隙度，%；—岩石骨架密度，—孔隙中的流体密度，—地层密度，地层密度的确定：密度测井法声波测井法：上覆岩层压力梯度—上覆岩层压力随深度增加而增大沉积岩的平均密度大约为2.5，上覆岩层压力梯度一般为0.0227兆帕/米。在实际钻井过程中，以钻台作为上覆岩层压力的基准面。（三）地层压力（Formationpressure）地层压力—指岩石空隙中的流体所具有的压力，也称为地层孔隙压力（

3、Formationporepressure），用表示。正常地层压力—等于地层流体的静液压力，。异常地层压力—地层压力大于或小于正常地层压力。超过正常地层压力的地层压力（）称为异常高压。低于正常地层静液压力的地层压力（）称为异常低压。（四）基岩应力（Matrixstress）上覆岩层压力由岩层的基质颗粒（骨架）和孔隙中的流体共同承担。由岩石颗粒间相互接触支撑的那一部分上覆岩层压力，称为基岩应力。亦称有效上覆岩层压力、骨架应力或颗粒间压力，用表示。（五）地下各种压力的关系上覆岩层压力由岩层的基质颗粒（骨

4、架）和孔隙中的流体共同承担。因此上覆岩层压力、地层压力和基岩应力存在以下关系：当一定时，越小，增大。0，所以，地层的孔隙压力增大，基岩应力必然减小。地层沉降压实机理：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紧密的排列，并使孔隙度减小，孔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，或向着低压高渗透的方向流动，于是便建立了正常的静液压力环境。于是地层

5、水自下而上形成连续的正常的静液压力系统。正常地层压力的形成在地层的沉积过程中，随着上覆沉积物不断增多，地层逐渐被压实，孔隙度减小，如果地层是可渗透的、连通的、地层中流体的流动不受限制（称之为水力学开启系统），地层孔隙中流体则随着地层的压实被排挤出去，建立起静液压力条件，形成正常压力地层。（六）异常地层压力成因异常低压和异常高压系统称为异常压力（abnormalpressure）1、异常低压（abnormallowpressure）压力梯度小于0.00981（即正常地层压力梯度）的是异常低压。产生异常

6、低压的原因：（1）生产多年而友没有压力补充的枯竭油气层。（2）地下水位极低。2、异常高压（abnormalhighpressure）地层压力梯度大于地层流体的静液压力梯度（0.00981—0.0105）时，称为异常高压。（1）形成异常高压的地质条件地层具有保存流体的孔隙地层周围存在不渗透围栅，构成圈闭。具有一定的埋藏深度。（2）异常高压的成因在地层被不渗透的围栅包围，流体被圈闭在地层的孔隙空间内不能自由流通（称之为水力学封闭系统）的条件下，随着地层的不断沉积，上覆岩层压力逐渐增大，而圈闭在地层

7、孔隙中的流体排不出去，必然承受部分上覆岩层重力。结果是地层流体压力升高，地层得不到正常压实，孔隙度相对增大，岩石密度相对减小，基岩应力相对降低，这种作用称为欠压实作用。地质构造作用：造成地层上升、巨大地应力挤压水热增压作用：温度升高、流体膨胀渗透作用：水由盐浓度低的一侧通过泥岩半透膜向高侧渗透￭异常高压的大小异常高压一般不会超过上覆岩层压力。但也有超过上覆岩层压力的特高压地层，由覆盖在高压层以上的岩层的内力帮助上覆岩层压力来平衡地层流体的巨大向上作用力。二、地层压力评价•地层压力预测（钻前）：

8、地震资料法、测井资料法•地层压力监测（钻进中）：指数法、页岩密度法、标准化钻速法（一）地层压力预测地震法、声波时差法、页岩电阻率法1、声波时差法声波（纵波）在单位距离地层内的传播时间称为声波时差法。式中：—声波时差，；—岩层密度，E—岩石的弹性模量，—岩石的泊松比；对于一定岩性（泥页岩），2、声波时差法检测地层压力的基本原理（1）声波时差与泥页岩孔隙度的关系（1-9）（2）正常沉积条件下，泥页岩孔隙度与埋藏深度的关系（1-10）泥页岩在地面的孔隙度可用声波时差表示（1