优快钻井技术介绍 众所周知，提高钻井速度是加快油气勘探开发步伐的重要途径。多年来，特别是重组分立以来，经过甲乙双方的积极投入和广大钻井工作者的努力，油田拥有了一系列加快钻井速度的技术，钻井速度也逐年提高，但与国外先进的钻井速度指标相比，仍存在着很大的差距。 一、大港油田采用的优快钻井技术 目前，油田用于优快钻井的成熟配套技术有： 1、高压喷射钻井与优选钻井参数钻井 ●钻头：除钻砾石、安山岩、玄武岩等硬质岩性用HJ517或H517牙轮钻头外，其余地层如明化镇、馆陶中上部、不含砾的沙河街组、孔店组、中生界首选PDC钻头，也可选用HAT127牙轮钻头。 ●喷嘴：牙轮钻头组装中长喷嘴或不等径普通双喷嘴或三喷嘴(大小嘴径比为1:0.68-0.72或1:0.68-0.72:0.68-0.72)。 ●钻具组合： 常规钟摆钻具(用于防斜和降斜)：钻头+短钻铤1-2根或钻铤1-3根+稳定器+钻铤18-21根+加重钻杆+钻杆。 常规满眼钻具(用于稳斜和防斜)：钻头+稳定器+短钻铤1根+稳定器+钻铤1根+稳定器+钻铤18-21根+加重钻杆+钻杆。 常规增斜钻具(用于增斜)：钻头+稳定器+钻铤1-3根+稳定器+钻铤单根+稳定器+钻铤18-21根+加重钻杆+钻杆或钻头+稳定器+钻铤18-21根+加重钻杆+钻杆或钻头+稳定器+钻铤1-3根+稳定器+钻铤18-21根+加重钻杆+钻杆。 导向钻具(可用于定向、造斜、稳斜、降斜和纠偏)：钻头+导向马达+无磁钻铤1根+MWD+稳定器+钻铤18-21根+加重钻杆+钻杆。 ●钻压：对于牙轮钻头，除防斜吊打、定向、扭方位外，最大的安全钻压为每英20KN。对于PDC钻头，钻压一般在40-80KN。 ●转速：对于机械钻机，在上部地层采用Ⅱ档或Ⅲ档的转速，在中深部地层采用Ⅰ档或Ⅱ档转速。对于电动钻机，采用适合牙轮钻头的95rpm。使用PDC钻头时，可采用动力钻具+转盘的复合钻井方式或转盘不低于Ⅱ档的转速。 ●泵压：牙轮钻头的泵压达到17Mpa以上，PDC钻头的泵压达到14Mpa以上。穿漏层、定向与扭方位可适当降低泵压。 ●排量：φ311.1mm及以上尺寸井眼的排量≥55L/S。φ244.5mm井眼的排量≥ 1 30L/S。φ215.9mm井眼的排量≥28L/S。φ152mm井眼的排量≥10L/S。 2、高效能PDC钻头和引进牙轮钻头钻井 在中深部地层中，选用进口的PDC钻头和牙轮钻头，可缩短起下钻时间，提高钻头的行程钻速。如：板深4井的Φ444.5mm井眼使用两只进口牙轮钻头打完2500m的井深，平均机械钻速达到了
m/h，比板深7井的同类型井眼少用牙轮钻头__ 只，机械钻速提高了
%。 3、PDC钻头+动力钻具钻井 直井采用PDC钻头＋1°螺杆钻具+螺旋钻铤1根+稳定器+螺旋钻铤18-21根+钻杆的钻具组合；定向井采用PDC钻头+导向钻具+无磁钻铤1根+MWD+稳定器+钻铤18-21根+加重钻杆+钻杆的钻具组合，均可加快钻井速度。特别是在油气层中钻井速度的提高，有利于缩短钻井液对油气层的浸泡时间，减少对油气层的污染。今年50528钻井队在官39-67井中应用该项技术，仅用15天21小时就打完井深2778米的直井。 4、防卡钻具组合 在定向井的钻具组合中，采用螺旋钻铤、加重钻杆和随钻震击器。随着井底位移和井下阻力的增加，为减轻钻具上提的总吨位，可用加重钻杆取代螺旋钻铤。水平井采用倒装钻具，即加重钻杆靠近钻头，螺旋钻铤接在加重钻杆的上面。 5、优质钻井液与完井液 一般情况下，在上部地层选用经济适用的聚合物钻井液体系，中深部地层采用有机硅钻井液体系。对于低压油气层来讲，在井身结构设计合理，技术套管封固了复杂地层的情况下，可采用低密度低固相的钻井液体系来保护油气层，如：聚合醇钻井液、甲酸盐钻井液等。对于易塌地层，宜采用硅盐钻井液。在油气层保护方面，进入油气层前加入屏蔽暂堵剂，揭开油气层后适当补充屏蔽暂堵剂。 6、井眼润滑、稳定与净化 ●井眼润滑：如果录井允许，采用最经济适用的原油做钻井液的润滑剂，控制原油含量在6-8%，并加入磺化沥青改善泥饼的质量。如果录井对萤光有要求，可在钻井液中加入水基润滑剂、膨化石墨、极压润滑剂、低萤光磺化沥青等低萤光润滑剂。完井时，为确保电测和下套管的顺利进行，还可在封闭液中加入塑料微珠。目的是在直井中控制钻井液的摩阻≤0.10，在定向井中控制钻井液的摩阻≤0.08。 ●井眼稳定：主要依靠力学和化学作用维护井壁的稳定，即钻井液的静态压力能平衡地层的坍塌压力或当量密度≥地层坍塌压力梯度，钻井液的高温高压失水≤10ml，钻井液中含有一定比例的防塌剂。工程上采取相应的措施，如：起下钻中途开泵要避 2 开易垮塌地层；起钻及时灌满钻井液；钻进中出现掉块时，及时提高钻井液的密度和粘切等。 ●井眼净化：钻进时保证排量，使用四级固控设备控制钻井液的含砂量，及时短起下钻清除井壁的岩屑床。快速钻进时，接单根前后做到晚停泵早开泵，并控制环空岩屑浓度≤6%，必要时，中途循环除砂。起钻前和下钻到底充分循环除砂。 7、近平衡压力钻井 在保证井下安全(不塌、不喷)的前提下，尽量将钻井液的密度降低，一方面可避免压差卡钻，另一方面可加快钻井速度，缩短钻井液对油气层的浸泡时间。 8、欠平衡钻井 可在地层稳定的井眼中实施，该项技术有利于保护油气层、提高钻井速度、穿易漏失的地层。如：油田在板深7等
口井中，应用液相欠平衡钻井技术保护千米桥潜山油气层并提高钻井速度。 9、PDC可钻式浮鞋浮箍 技术套管的浮鞋浮箍采用可钻式，有利于再次开钻时，直接下入PDC钻头钻进，减少一次起下钻作业。如：泛华反承包市场，下表套用可钻式浮鞋浮箍，二开直接下PDC钻头钻进。 10、组合与随钻测井 常规井的中完和完井采用大满贯测井技术，可节省电测时间，缩短钻井液对油气层的浸泡时间。目前，测井公司正在推广此项技术。 大位移井和水平井在进入油气层前，下入LWD，可实现随钻测井，节省钻杆输送法测井的时间，缩短完井时间。如：去年实施的五口水平井全部使用LWD钻穿油气层。 11、低密度早强水泥浆固井 对于安全窗口窄的易漏失井和低压井，使用低密度早强(24小时强度≥14MPa)水泥浆体系固井，可防止固井过程中的井漏，减轻固井对油气层的污染。目前，油田水泥浆的最低密度可达1.40g/cm。 3二、国外先进的钻井技术 国外在加快钻井速度方面的技术有高压喷射钻井、旋转导向钻井、闭环钻井、大位移水平井钻井、气液相欠平衡钻井、垂直钻井、套管钻井、连续油管钻井、无侯凝固井、快速拆装井口装置、快速下套管工具等。下面以赵东平台为例，介绍一些国外的先进技术。
3 （一）基本情况 赵东海上油田是CNPC与美国APACHE石油公司合作开发的第一个海上油田。平台位于河北省黄骅市南排河镇赵家堡村东南渤海湾海域，距陆地大约8公里，平均水深7米。平台总重6800多吨，上下总共4层，是国内最大的海上固定式综合生产平台，设计钻井能力为60口。赵东平台是由美国APACHE公司作为作业者，大港油田滩海工程公司以日费的方式提供钻井服务，同时由Schumberger和BAKER INTEQ公司提供定向井技术服务，Schumberger公司提供固井、测井服务，Weatherford公司提供钻井工具、套管钻井和下套（油）管服务，南海MI提供泥浆技术服务，BAKER公司提供完井技术服务。 该平台于日开始施工，至日仅用283.5d就完成了第一期26口井（包括4口水资源井、13口生产井、9口注水井）的施工，钻井总进尺达56655.8 m，平均机械钻速为48.47m/h。完成井（含4口水平井）基本采用两开制，钻井施工前将26\导管砸至75m左右，入泥深度35m左右；一开有24口井采用了13 3/8＂68ppf-K55套管钻井技术，另两口井采用常规171/2＂钻头开眼，下入13 3/8＂68ppf-K55-BTC扣型套管的方法；二开基本采用121/4＂钻头开眼，下入9 5/8＂47ppf-N80-BTC扣型套管作为完井套管；同时有4口井还进行了8/2＂井眼的施工（其中2口井采用裸眼完井技术，2口井下入了7＂尾管）。 1（二）采用的先进技术与工具 在国外石油钻井行业中，由于人员工资高、技术服务费昂贵，造成钻井作业的的施工成本非常高，例如赵东平台施工阶段日成本基本保持在20万美元左右，浪费1小时就是近万美元的损失，所以促使作业者广泛应用新工艺、新技术，大胆改进施工作业程序，来缩短钻井作业的周期，达到节约施工成本的目的。 1、套管钻井技术 赵东平台在国内首次大规模使用套管钻井技术，用13.6d成功地完成24口井的表层套管钻井作业，累计进尺6152.3m，平均机械钻速62.64m/h，单井最高机械钻速234.75m/h（详见表1），刷新了世界记录。同常规作业相比，总体效率提高一倍以上，比计划提前23.7d，节约钻井费用200余万美元。钻进组合：16＂钻鞋+13 3/8＂68ppf-K55-BTC扣型套管+套管捞矛。
赵东平台表层套管钻井统计 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 合计 井号 C10（HI） C13（HI） C9（HI） WSW2 WSW4 D13（DI） D10（DI） D6（P） D9（P） D12（DI） C11（HP） D5（P） C7（HP） C6（HP） D7（P） C12（HP） D11（DI） C8（HP） D8（P） WSW1 D4（DI） WSW3 D14（DI） D16（DI）
钻进井段 39.34-300.69 39.34-299.69 39.34-300.2 39.34-274.64 39.34-274.75 39.34-299.9 39.34-299.82 39.34-301.9 39.34-302.04 39.34-297.57 39.34-301.79 39.34-303.32 39.34-303.04 39.34-301.69 39.34-301.05 39.34-301.98 39.34-298.3 39.34-294.32 39.34-305.64 39.34-271.59 39.34-296.94 39.34-270.46 39.34-297.57 39.34-297.57
纯钻时间 261.35 11.5 260.35 7.43 260.86
6.33 235.3 4 235.41 4.63 260.56 4.92 260.48 5.1 262.56 6.58 262.7 4.5 258.23 3.2 .4 263.98 4 263.7 4.5 262.35 4 261.71 4.5 262.64 3.4 258.96 3.4 254.98 2.9 266.3 2.7 232.35 1.6 257.6 2 231.12 1 258.23 1.52 258.23 1.1 进尺 .21 机械 钻速 22.73 35.04 47.42 58.53 50.84 52.95 51.08 39.89 58.38 80.69 77.19 65.99 58.59 65.59 58.16 77.25 76.16 87.92 98.63 145.16 128.8 231.32 169.88 234.75 62.64 2、先进的钻井工具 赵东平台在26口井中，12 1/4＂和8 1/2＂井眼的钻进全部采用LWD+MWD随钻测井技术。钻具组合：PDC钻头+导向马达（Powerdrive或Autotrack）+浮阀+ARC+MWD+ADN+HWDP（7--10柱）。施工中旋转钻进保持顶驱的转速在110rpm以上，有时达到150rpm以上，同时利用顶驱先进的倒划眼功能，在钻至目的层后，全井实现倒划眼起钻，在平均井深2000m的井(最深2725m，最浅922m)中，一口井只用一个马达、一个PDC钻头，一次起钻作业，一次下套管作业，即完成施工。
●可调角度的弯马达：在121/4＂井眼中，赵东平台采用的马达是地面可调节角度大功率动力马达，马达尺寸95/8＂，扶正器尺寸111/2＂，下井前根据井斜、方位及造斜率的要求，调节马达的角度。另外马达的质量好，不需在浅层测试，一根马达能保证1-2口井的正常使用，且能用马达在套管内划眼或钻套管附件，并能用马达进行全井段的倒划眼。 ●先进的闭环钻井工具：在赵东平台钻井后半阶段，由于井眼施工难度不断增大， 5价格说明:不限包装说明:木箱产品规格:8 1/2产品参数 Product Parameter
钻头规格Bit Size
刀翼数Number of Blade
主切削齿规格Primary Cutter Size
喷嘴数量/类型Nozzle Qty/Type
保径长度Gauge Length
排屑槽面积Junk Slot Area(in2)
连接扣型Connection
4-1/2”API reg
上扣扭矩Make up Torque(KN.m)
推荐操作参数 Operating Parameters
转速Rotary Speed(rpm)
钻压Weight on Bit(KN)
大钻压Max.WOB(KN)
排量Flow Rate(lps)
特性及应用
使用优质钢材做钻头基体材料，刀翼表面堆敷焊高性能耐磨材料，运用计算机软件对钻头进行三维整体设计，弧线形双排齿，长抛物线冠部，长保径直刀翼外形结构。切削结构采用力平衡设计，不同结构的PDC复合片合理布置在钻头的不同位置，使用高质量切削齿，大限度的增加局部PDC复合片切削齿的当量密度，有效提高了钻头的攻击性和抗研磨性。将流体动力学分析技术和数值模拟分析技术应用到水力流场设计中，排屑槽和水道面积大化，较大的过流体积有利于提高钻头排屑速度和防泥包能力。
适用于抗压强度高，含研磨性的中硬到硬地层，如泥岩，灰岩，硬石膏，砂岩等。
Features and Applications
Use high-quality steel to make the base material ofPDC bit,the surface fo the blade weld high-performance wear-resi-stant materials,the use of computer software for the overall design of Arc-shaped doubie row of teeth,long paraboliccrown,longstraight blades shape structure.Cutting structure design using the force balance,cutters rational arrangeme-nt of different structures in different locations of the PDC bit,using high-quality cutting teeth,the maximum increaselocal equivalent density cutters cutting teeth,improve the resistance and PDC bit attack abrasive.The application of flu-id dynamics analysis and numerical simulation analysis techniques to the design of the hydraulicflow field,flutes andmaximizing waterway area,the larger the volume of over current help improve chip speed drill and anti-balling capacity.
Suitabie for high compressive strength,with abrasive medium hard to hard formations,such as shale,limestone,anhydrite,sandstone and so on.IMG_1552
产品参数Product Parameter
产品规格Bit Size 8-1/2“x4”
切削齿数量Total Cutters 30
保径长度Gauge Length 1.8“
连接扣型Connection 川7-4
上扣扭矩Make up Torque(KN.m) 13.4~16.3
主切削齿规格Primary Cutter Size Φ13mm
推荐参数Operating Parameters
转速Rotary speed(rpm) 40~150
钻压Weight on Bit(KN) 40~80
大钻压Max.WOB(kN) 90
排量Flow Rate(lps) 10~30
特性及应用
该款胎体取芯钻头采用弧形水眼冠部设计，刀翼式布齿，内外聚晶金刚石保径，具有机械钻速快，岩心收率高，使用寿命长等优点，钻头采用力平衡设计，在提高机械钻速的同时，增强钻头的稳定性。
适用于抗压强度高，研磨性薄夹层的中等到中硬地层，如泥岩，灰岩，硬石膏。
Features and Applications
Which has a shallow parabolic profile and medium cutter density,designd for coring the medium hard formation.Utilizing different patented PDCcutters enhance the bits,s ability to drill in hard formations.
Soft to medium hard formation with low compressive strength in terbedded with hard layers.rock type:Mudstone,limestone,anhydri
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( & # 钻井液 $$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$ ! & ) ) # 第一节 钻井液的定义和功用 $$$$$$$$$$$$$$$$ ! & ) ) # 第二节 第三节 第四节 第五节 第六节 钻井液的组成和分类 $$$$$$$$$$$$$$$$ ! & ) & # 钻井液的性能 $$$$$$$$$$$$$$$$$$$ ! & ) * # 钻井液的固相控制 $$$$$$$$$$$$$$$$$ ! & & & # 井塌及防塌措施 $$$$$$$$$$$$$$$$$$ ! & & % #第三章第四章油气层保护及完井液 $$$$$$$$$$$$$$$$ ! & & + # 钻进参数优选 $$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$ ! & & ’ # 钻井过程中各参数间的基本关系 $$$$$$$$$$$ ! & & ’ # 机械破岩钻进参数优选 $$$$$$$$$$$$$$$ ! & * , #第一节 第二节 第三节 第五章 第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 第六节水力参数优化设计 $$$$$$$$$$$$$$$$$ ! & ’ & # 井眼轨道设计与轨迹控制 $$$$$$$$$$$$$$$$ ! & % % # 井眼轨迹的基本概念 $$$$$$$$$$$$$$$$ ! & % ( # 轨迹测量及计算 $$$$$$$$$$$$$$$$$$ ! & ( & # 直井防斜技术 $$$$$$$$$$$$$$$$$$$ ! & ( + # 定向井井眼轨道设计 $$$$$$$$$$$$$$$$ ! & % # 定向井造斜工具及轨迹控制 $$$$$$$$$$$$$ ! & + & # 水平井钻井技术简介 $$$$$$$$$$$$$$$$ ! & ) ( #& 第六章钻井工程理论与技术油气井压力控制 &&&&&&&&&&&&&&&&&&&& ! & # $ % 第一节 井眼与地层压力系统 &&&&&&&&&&&&&&&& ! & # $ % 第二节 第三节 地层流体的侵入与检测 &&&&&&&&&&&&&&& ! & & & % 地层流体侵入控制 &&&&&&&&&&&&&&&&& ! & ’ ( %第七章固井与完井 &&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& ! & ) * % 第一节 井身结构设计 &&&&&&&&&&&&&&&&&&& ! & $ ( % 第二节 第三节 第四节 套管柱的设计 &&&&&&&&&&&&&&&&&&& ! & $ + % 注水泥技术 &&&&&&&&&&&&&&&&&&&& ! & , %第八章完井技术 &&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& ! & ’ % 其他钻井技术及作业 &&&&&&&&&&&&&&&&&& ! ’ ( # % 井下复杂情况及事故处理 &&&&&&&&&&&&&& ! ’ ( # % 取心技术 &&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& ! ’ # , % 套管开窗技术 &&&&&&&&&&&&&&&&&&& ! ’ ’ # %第一节 第二节 第三节绪一& !论在石油勘探和油田开发的各项任务中 # 钻井起着十分重要的作用 $ 诸如寻找 和证实含油气构造 % 获得工业油流 % 探明已证实的含油 ! 气& 构造的含油气面积和 储量 # 取得有关油田的地质资料和开发数据 # 最后将原油从地下取到地面上来等 等# 无一不是通过钻井来完成的 $ 钻井是勘探与开采石油及天然气资源的一个重 要环节 # 是勘探和开发石油的重要手段 $ 石油勘探和开发过程是由许多不同性质 % 不同任务的阶段组成的 $ 在不同的 阶段中 # 钻井的目的和任务也不一样 $ 一些是为了探明储油构造 # 另一些是为了 开发油田 % 开采原油 $ 为了适应不同阶段 % 不同任务的需要 # 钻井的种类可分为以 下几种 $ 基准井 &在区域普查阶段 # 为了了解地层的沉积特征和含油气情况 # 验证物 探成果 # 提供地球物理参数而钻的井 $ 一般钻到基岩并要求全井取心 $ 剖面井 &在覆盖区沿区域性大剖面所钻的井 $ 目的是为了揭露区域地质剖 面# 研究地层岩性 % 岩相变化并寻找构造 $ 主要用于区域普查阶段 $ 参数井 &在含油盆地内 # 为了解区域构造 # 提供岩石物性参数所钻的井 $ 参 数井主要用于综合详查阶段 $ 构造井 &为了编制地下某一标准层的构造图 # 了解其地质构造特征 # 验证物 探成果所钻的井 $ 探井 &在有利的集油气构造或油气田范围内 # 为确定油气藏是否存在 # 圈定 油气藏的边界 # 并对油气藏进行工 业 评 价及 取 得 油气 开发 所需 的地质资料 而钻 的井 $ 各勘探阶段所钻的井 # 又可分为预探井 % 初探井 % 详探井等 $ 资 料井 &为 了编制油 气田开发方 案 # 或在开发过程中为某些专题研究取得 资料数据而钻的井 $ 生产井 &在进行油田开发时 # 为开采石油和天然气而钻的井 $ 生产井又可分 为产油井和产气井 $ 注水! 气& 井 &为了提高采收 率及开 发 速 度 # 而对油田进行注水注气以补充 和合理利用地层能量所钻的井 $ 专为注水注气而钻的井叫注水井或注气井 # 有时. 统称注入井 !钻井工程理论与技术检 查井 &油 田开发到 某一含水阶 段 # 为 了 搞 清 各 油 层 的 压 力 和 油$ 气$ 水分 布状况 # 剩余油饱和度的分布和变化情况 # 以及了解各项调整挖潜措施的效果而 钻的井 ! 观察井 &油田开发过程中 # 专门用来了解油田地下动态的井 ! 如观察各类油 层的压力 $ 含水变化规律和单层水淹规律等 ! 它一般不负担生产任务 ! 调整井 &油田开发中 $ 后期 # 为进一步提高开发效果和最终采收率而调整原 有开发井网所钻的井 % 包括生产井 $ 注入井 $ 观察井等 & ! 这类井的生产层压力或 因采油后期呈现低压 # 或因注入井保持能量而呈现高压 ! 在整个油田的 开发中 # 有勘探 $ 建设 $ 生产 几 个 阶段 # 各阶 段彼此 互有 联系 # 而且都需要进行大量钻井工作 ! 高质量 $ 快速和高效率地钻井是开发油田的重要 手段 !二& %钻井除在石油工业中应用以外 # 在国民经济建设中也得到广泛应用 ! 如在探 矿$ 水文地质 $ 铁路 $ 水力$ 各 种基本建 设 等部 门 # 也 常 利用 钻井方 法取得有 关资 料# 并将钻井技术用在工程施工中 ! 在远古时代 # 人类为生存和取得地下资源就 开始掘井工作 !钻井技术的发展一般可分为四个阶段 &’ 人工掘井 () 人力冲 冲击钻 & 击钻 (* 机械顿钻 % (+ 旋转钻 !我国在利用钻井开发地下资源方面有 着悠久的历史 ! 据记载早在两千多年前在四川就已经钻凿了盐井 # 并创造了冲击 钻# 其基本原理至今仍为人们所利用 ! 在北宋时代 # 人力绳索式顿钻方法得到了 发展 ! 在 , 年 就 钻 凿 了 油 井 和 火 井 天 然 气 井 . , % & # , / 0 -年 在 四 川 钻 成 深 达 这是当时世界上最深的井 ! 一般认为机械顿钻 % 是现代 ,. 1 12 的火井 # , / 3年 & 石油钻井的开始 ! 以后在 , 以转盘带动钻柱 $ 钻头破 3 1 ,年发展了旋转钻井方法 # 碎 井 底 岩石并循环钻 井 液 以 清 洁 井 底 ! , 3 . 0年 前 苏 联 工 程 师 研 究 出 了 涡 轮 钻 具# 并在 4 以后又出现了电动钻具和螺杆钻具 # 统称为 1年代开始得到广泛应用 ! 井下动力钻具 # 它们在钻定向井中有其特殊的优越性 ! 到目前为止 # 旋转钻井方法仍是石油钻井的主要方法 ! 随着现代科学技术的 发展 # 旋转钻井工艺技 术也 得到迅 速发 展 # 其 特 点是 & 从 经验钻 井发展 到科 学化 钻 井( 从浅井 $ 中深井发 展到深井 $ 超深 井 ( 从 钻 直井 % 垂 直井 & 定向井 发展到 大 $ 斜度定向井 $ 丛式井 $ 水平井 ( 从陆地钻井发展到近海和深海钻井 ! 国外钻井科技工作者将旋转钻井技术的发展分为四个时期 # 即& 这个时期内开始将钻井和洗井结合在一 % , &概 念 时 期 % , 3 1 , 5, 3 . 1年 & # 起# 并使用了牙轮钻头和注水泥封固套管工艺技术 ! 在 这 个 时 期 内# 牙 轮 钻 头$ 固 井 工 艺$ 钻井 % . &发展时 期 % , 3 . 1 5, 3 4 /年 & #绪论$液等得到进一步发展 ! 同时出现了大功率钻井设备 & 这个时期开展了大量的研究工作 ! 研究 # $ %科学化钻井时期 # & ’ ( ) *& ’ + ’ % ! 钻井工艺中的内在规律 ! 使钻井技术有了迅速发展 & 其主要技术成就有 ,水功率 的 充分利用 # 喷射钻井 % 镶齿 . 滑动密封轴承钻头 -低固相 .无固相不 分散体 系 地 层 压 力 检 测 .井 控 技 术 及 平 衡 压 力 钻 井 钻 井 液 及 固 相 控 制 -钻 进 参 数 优 选 技术等 & 在这个时期发展了钻井参数自动测量 . & ’ + ’ * 现在 % ! # ( %自动化钻井时期 # 综 合 录 井. 随 钻 测 量 技 术计 算 机 在 钻 井 中 得 到 广 泛 应 用优 化 钻 井. 自动化钻 机. 井口机械化自动化工具 . 井眼轨迹遥控及自动闭环控制等新技术 . 新工艺 . 新 设备也应运而生 & 近些年来 ! 发展了小直径井 . 大位移井 . 分支井 . 欠平衡压力钻井和连续管钻 提高油田产量和采收率 & 井 & 这些工艺技术的发展都有利于提高钻井效率 !三% #在石油钻井中! 尽管钻井目的不同! 井的深浅各异! 不论在陆地还是在海上! 目 前都是用旋转方法钻井! 包括转盘旋转钻. 井下动力旋转钻及顶部驱动旋转钻& 一口井的建 井过程从 确 定井位 到最 后 试油 . 投产 ! 要 完成许 多作业 ! 按其 顺 序可分为三个阶段 ! 即 钻前 准备 . 钻进 和 完 井 ! 而 每 个 阶段 又包括 许多具体 工艺 作业 & & /钻前准备 在确定井位 . 完成 井的 设计后 ! 钻 前 工程 是 钻 井施 工中 的第 一道工 序 ! 它主 要包括 , 以便运送钻井设备及器材等 & # & %修公路 & 修建通往井场的运输用公路 ! 根据井的深浅 . 设备的类型及设计要求来平整场 # 0 %井场及设备基础准备 & 地! 进行设备基础施工 # 包括钻机 . 井架 . 钻井泵等的基础 % & 找正 . 调整 . 固定 钻井循环管线 # $ %钻井设备搬运及安装 & 包括设备就位 . 和油 . 气. 水. 保温管线及罐 . 保温锅炉的安装等 & 或不用 % # ( %井口设备准备 & 包括挖圆井 # .下导管并封固 .钻鼠洞及小鼠 洞等 & 0 /钻进 钻进是以一定压力作用在钻头上 ! 并带动钻头旋转使之破碎井底地层岩石 ! 井底岩石被破碎后所产生的 岩屑通过 循 环钻 井 液 被携 带到 地面 上来 ! 这一过 程 称为洗井 & 加在钻头上的压力是利用部分钻柱 # 钻铤 % 的重力来完成的 ! 钻头的旋 转是由转盘或顶驱动力水龙头带 动钻柱 及 钻 头旋 转 来 实现 的 ! 在使用 井下动 力 钻具时 ! 钻柱不旋转 & 在钻进过程中 ! 只要钻具在井内 ! 就应不断循环钻井液以免) 造成井下事故 !钻井工程理论与技术在钻进中 & 钻头不断破碎岩石 & 井眼逐渐加深 & 则钻柱也需要接长 & 因而需要 不断加接钻杆 # 接单根 $ ! 由于钻头在 井底破碎 岩 石 & 钻 头会 逐 渐 磨损 & 机 械 钻速 下降 & 当磨 损到一 定 程度则需要更换新钻头 ! 为此 & 需将全部钻柱从井内起出 # 起钻 $ 更换新钻头后 & 下钻 $ 这一过程称为起下钻 有时为了处理事 再将新钻头及全部钻柱下入井内 # & ! 故% 测井等也需进行起下钻作业 ! 在钻井过程 中 & 井 眼不 断加深 & 所 形 成井 眼 的 井壁 应当 稳定 & 不发 生复杂 情 况以保证继续钻进 ! 在钻进中要钻穿各种地层 & 而各地层的特点不同 & 其岩石强 有的 地层含高压水 % 油% 气等 流 体 & 有 的 含有 盐 % 石膏 % 芒硝等成 分 & 度有高有低 & 这些对钻井液都有不良影响 ! 强度低的地层会发生坍塌 & 或被密度大的钻井液压 裂等复杂情况 & 妨碍继 续钻 进 & 这 需要 下 入 套管 并 注 入水 泥予 以封 固 & 然后用 较 小的钻头继续钻出新的井段 ! 每改变一次钻头尺寸 # 井眼尺寸 $ 开始钻新的井段 & 一口井的钻进过程中应有几次开钻 & 井深和地层情 的工艺叫开钻 ! 一般情况下 & 则开钻次数也不同 ! 其基本工艺过程有 & 况不同 & 第一次开钻 # 一开 $ 到一定设计深度后下表层套管 ! &从地面钻出较大井眼 & 第 二 次开钻 # 二开 $ 若地层不 &从表层套 管 内用 较 小 一 些 的 钻 头 继 续 钻 进 & 则可直接钻到目的层后下油层套管完井 ! 如果地层复杂 & 很难用钻井液控 复杂 & 制时 & 则要下技术套管 ! 第三次开钻 # 三开 $ 根据情况 & &从技术套管内再用小一点的钻头往下钻进 ! 或可一直钻达预定井深 & 或再下第二层 % 第三层技术套管 ! 再进行第四次 % 第五次 直到最后钻到目的地层深度 & 下油层套管 & 进行固井 % 完井作业 ! 开钻 & ’ (固井和完井 固井是在已钻成 的井眼 内下入套 管 & 然 后 在套 管 与 井壁 之间的 环形空 间内 注入水泥浆 # 在套管的下段部分或全部环空 $ 将套管和地层固结在一起的工艺过 它可以防止复杂情况以保证安全继续钻进下一段井眼 # 对表层 % 技术套管 $ 或 程& 保证顺利开采生产层中的油 % 气# 对油层套管 $ 套管柱的上部在地面用套管头予 ! 以固定 ! 完井工程包括 &钻开生产层 & 确定油 % 气层和井眼的连通方式即完井井底结 构& 确定完井的井口装置及有关技术措施 ! 完井的井底结构可分为四类 & 即封闭 式井底 % 敞开式井底 % 混合式井底和防砂完井等 ! 它们分别适应不同的油 % 气层条 件! 完井作业还包括下油管 % 装油管头和采油树 & 然后进行替喷 % 诱导油流使油气 进入井眼 & 进而便可进行采油生产 ! 另外在整个 油井的建 井 过程中 还须 进 行岩 屑 录 井 % 电测% 气测等 录井 工作 & 必要时要取心 ! 探井在钻到油层时要进行钻杆测试工作 ! 石油钻井建井过程如 下图所示 !绪论!第一章钻井的工程地质条件钻井的工程地质条件是指与钻井工程有关的地质因素的综合 ! 地质因素包 括岩石 & 土壤类型及其 工程 力学性 质 & 地 质结 构 & 地 层 中流 体情况 及地层情 况等 等 !钻井是以不断破碎井底岩石而逐渐钻进的 !了解岩石的工程力学性质 # 是为 选用合适的钻头和确定最优的钻进参数提供依据 ! 井眼的形成使地层裸露于井 壁上 # 这又涉及井眼与地层之间的压力平衡问题 # 对此问题处理不当则会发生井 井喷或压裂地层等 复杂情况或 事故 # 使 钻进 难 以 进行 # 甚至 使井眼报 废 ! 所 涌& 以# 在一个地区钻井之前 # 充 分认识 和了 解 该 地区 的 工 程 地质资 料 $ 包括 岩石 的 工程力学性质 & 地层压力特性等 % 是进行一口井设计的重要基础 !第一节地下压力特性地下各种压力的理论及其评价技术对油气勘探和开发具有重要意义 ! 在钻 井工程中 # 地层压力和地层破裂压力是科学地进行钻井设计和施工的基本依据 # 因而必须对它们进行准确的评价 ! 本章主要介绍地下各种压力的概念和压力评 价技术 !一 &地下各种压力的概念一 %静液压力 $ 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 # 即& ’ + * * ,. / ( () * 0 6 式中 &’ 静液压力 22 #34 57 (& 22 液体的密度 #8 9 / : ;7 22 液柱的垂直高度 # ( ;! 0$ . 1 . %地下压力的单位也常用当量密度表示 ! 6 注 &在石油工程中 #第一章钻井的工程地质条件F由上式可知 ! 液柱的静液压力随液柱垂直高度的增加而增大 & 我们常用单位 高 度 或 单 位 深 度 的 液 柱 压 力! 即 压 力 梯 度! 来表示静液压力随高度或深度的变 化 & 若用 # 则 $ 表示静液压力梯度 ! # * ) ) +, . $% & $ ’$ (% ) 式中 3# 44 静液压力梯度 ! ’ 56 7 89 $ 44 静液压力 ! 9 & 56 7 $ & ’ 44 液体的密度 ! : ; 8& . 44 液柱的垂直高度 ! $ 8& ( 静液压力梯度的大小与液体中所溶解的矿物及气体的浓度有关 & 在油气钻 井中所遇到的地层水一般有两类 ! 一类是淡水或淡盐水 ! 其静液压力梯度平均为 另一类为盐水 ! 其静液压力梯度平均为 ) ) * ) ) +, -56 ’ * ) )=56 ’ 7 89 7 8& 二 2上覆岩层压力 / 地层某处的上覆岩层压力是指该处以上地层岩石基质和孔隙中流体的总重 力所产生的压力 ! 即 & &% 基岩重力 ? 流体重力 面积 / 0 & 2 / 0 1 2& * ) ) +, @A / -B C 2 . . D &% ) 87 ? C 式中 3& 44 上覆岩层压力 ! 9 56 7 & 89 @44 地层垂直深度 ! 岩石孔隙度 44 ! E9 C 44 岩石骨架密度 ! ’ . : ; 89 87 & 孔隙中流体密度 44 ! ’ . : ; 8&&由于沉积压实作用 ! 上覆岩层压力随深度增加而增大 & 一般沉积岩的平均密& 度大约为 1 沉积岩的上覆岩层压力梯度一般为 ) * =: ’ * ) 1 1F56 ’ ; 8! 7 8&在实 以钻台作为上覆岩层压力的基准面 & 因此在海上钻井时 ! 从钻台 际钻井过程中 !面到海平面 ! 海水深度和海底未固结沉积物对上覆岩层压力梯度都有影响 ! 实际 上覆岩层压力梯度值远小于 ) * ) 1 1F56 ’ 7 8& 上覆岩层压力梯度 一般分层段 计 算 ! 密 度 和岩 性 接 近的 层段作 为一个 沉积 层! 即 # &% ) * ) ) +, 2 .@ 2 G& % G/ G@ G@& H H & H H H/ 0 I 2式中 3# 44 上覆岩层压力梯度 ! ’ 56 7 89 & 层段的上覆岩层压力 ! 44 第 H 9 & 56 7 & H 层段的厚度 ! 44 第 H @H 893 层段的平均密度 % $$ 第 # ’ ! & ( )+ & # 上式计算的是上覆岩层压力梯度的平均值 +*钻井工程理论与技术三 -地层压力 , 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% 用. . 表示 + 在各种地质沉积中 % 正常地层压力等于从地表到地下某处的连续地层水的 静液压力 + 其值的大小与沉积环境有关 % 主要取决于孔隙内流体的密度和环境温 则正常地层压力梯度 , 用/ 表示 为0 若 度 + 若地层水为淡水 % 1 0 0 23 456 ’ 7 )8 . 地 层 水 为 盐 水% 则 正 常 地 层 压 力 梯 度 随 地 层 水 的 含 盐 量 的 大 小 而 变 化% 一般为 0 1 0 4 0956 ’ 7 )+ 石油钻井中遇到的地层水多数为盐水 + 在钻井实践中 % 常常会遇到实 际 的 地层 压 力 大于 或小 于正 常地层压力 的现 象% 即压力异常现象 + 超过 正 常 地 层 静 液 压 力 的 地 层 压 力 , 称为异常高 . .:. ; 压% 而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 , 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 % 亦 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 + 基岩应 来表示 + 力用 = 以上所述地下各种压力之间的关系可用图 , 和式 , 来说明 + 4 & 4 4 & 9 -图4 和= 之间的关系 & 4 . ?. & .. &@ . .A =, 4 & 9 -第一章钻井的工程地质条件0式中 !& $$ 上覆岩层压力 % ) &’ ( # ) & &’ ( &$$ 地层压力 % $$ 基岩应力 % + * &’ ( 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 % 所 以不管什么原因使基岩应力降低时 % 都会导致孔隙压力增大 + 五 -异常压力的成因 , 异常低压和异常高压统称为异常压力 +异常低压的压力梯度小于 . / . . 01 2 或. 有的甚至只有静液压力梯度的一半 + 世界各地的 / . 2 .5&’ 3 % 3 ( 4&’ ( 4, 钻井情况表明 % 异常低压地层比异常高压地层要少 + 一般认为 % 多年开采的油气 藏而又没有足够的压力补充 % 便产生异常低压 ) 在地下水位很低的地区也产生异 常低压现象 +在这样的地区 % 正常的流体静液压力梯度要从地下潜水面开始 +异 常高压地层在世界各地广泛存在 % 从新生代更新统到古生代寒武系 6 震旦系都曾 遇到 + 正常的流体压力体系可以看成是一个水力学的 7 开启 8 系统 % 即可渗透的 6 流 体可以流通的地层 % 它允许建立或重新建立静液压力条件 + 与此相反 % 异常高压 封闭 8 的+ 异常高压和正常压力之间有一个封闭层 % 它 地层的压力系统基本上是 7 阻止了或至少大大地限制了流体的流通 + 在这里 % 上部基岩的重力有一部分是由 岩石孔隙内的流体所支撑的 + 通常认为异常高压的上限为上覆岩层压力 + 根据 稳定性理论 % 它是不能超过上覆岩层压力的 + 但是 % 在一些地区 % 如巴基斯坦 6 伊 朗6 巴比亚等地的钻井 实践 中 % 曾 遇到 比 上 覆岩 层 压 力高 的超 高压 地层 % 有的 孔 这种超高压地层可以看作存在一个 隙压力梯度超过上覆岩层压力梯度的 9 . :% 压力桥 8 图2 的局部化条件 + 覆盖在超高压地层上面的岩石内 部的抗压 强 7 , ; & 度% 帮助上覆岩层部分地平衡超高压地层流体向上 的巨大作用力 + 异常高压的形成常常是多种因素综合作用的 结 果% 这 些 因 素 与 地 质 作 用6 构造作用和沉积速度 被普遍公认的成因主要有沉积压实 等有关 + 目前 % 不均 6 水热增压 6 渗透作用和构造作用等 + 本章主要 就沉积压实的机理进行讨论 % 因为它是各种地层压 力评价方法的理论依据 +图2 ; & 压力桥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/ .钻井工程理论与技术沉积物重复地增加 ! 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地排列 ! 并使孔隙度减小 ! 孔隙中的过剩流体被 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 挤出 & 如果是 # 压高渗透的方向流动 ! 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 & 地层压实 主要取决 于四种因 素 % 能否保持平衡 ! & 上 覆 沉积 速 度 的大小 ’( 地层 渗透 率 的大小 ’) 孔隙减小的速度 ’* 排出孔隙流体的能力 &如果沉积物的沉积速度 沉积层就能正常压实 ! 保持正常的静液压力 & 与其他过程相比很慢 ! 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 岩石颗粒没有足够的时间去排列 ! 孔隙内流体的排出受 破坏 & 如沉积速度很快 ! 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 & 在某一环境里 ! 要把一个异常压力圈闭起来 ! 就必须有一个密封结构 & 在连 续沉积盆地里 ! 最常见的密封结构是一个低渗透率的岩层 ! 如一个纯净的页岩层 段 &页岩降低了正常流体的散逸 ! 从而导致欠压实和异常的流体压力 &与正常压 实的地层相比 ! 欠压实地层的岩石密度低 ! 孔隙度大 & 在大陆边缘 ! 特别是三角洲地区 ! 容易产生沉积物的快速沉降 & 在这些地区 ! 沉积速度很容易超过平衡条件所要求的值 ! 因此常常遇到异常高压地层 &二 +地层压力评价在长期的实践中 ! 石油工作者总结出了多种评价地层压力的方法 & 但是 ! 每 种方法都有其一定的局限性 ! 所以目 前 单纯 应 用 一种 方法 很难 准确地评价 一个 地区的地层压力 ! 要用多种方法进行综合分析和解释 & 地层压力评价的方法可分 为两类 ! 一类是用邻近 井资 料进行 压力 预 测 ! 建立 地 层 压力 剖面 ! 此方 法常用 于 新油井设计 ’ 另一类是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 ! 并据此决定现行钻井措施 & 这两类方法要求在测井和钻井过程中 详细和真实地记录有关资料 ! 然后进行分析处理 ! 并作出科学推断 & 由于异常高 压地层的 成 因多种 多样 ! 在泥 + 砂 岩 剖 面中 ! 异常高 压层可能 有 几个盖层 , 即由几个致密阻挡层组成的层系 它们的厚度范围变化不一 ! 而且可 ! 能存在多个压力转变区 & 当存在断层时 ! 有时会使情况进一步复杂 & 另外 ! 岩性第一章钻井的工程地质条件) )的变化 ! 例如泥岩中存 在钙 质 & 粉 砂等 成 分 ! 这些 因 素 都会 影响地 层压力评 价的 准确性 # 因而在进行地层压力评价时要针对具体情况 ! 综合分析所收集的有关资 力求做出合理的评价 # 料! 一 %地层压力预测 $ 钻井前要进行地层压力预测 ! 建立地层压力剖面 ! 为钻井工程设计和施工提 供依据 #常用的地层压力预测方法有地震法 & 声波时差法和页岩电阻率法等 #这 里主要介绍声波时差法 # 利用地球物理测井资料评价地层压力是常用而有效的方法 # 声波速度是测 井资料中的一种常规资料 # 通过测量声波在不同的地层中传播的速度可识别地 判断储集层 ! 确定地层孔隙度和计算地层孔隙压力 # 层岩性 ! 声波在岩石中传播时产生纵波和横波 # 在同一种岩石中 ! 纵波的速度大约是 能够较先到达接收装置 # 为研究方便 ! 目前声波测井主要是研 横波速度的两倍 ! 究纵波在地层中的传播规律 # 声波在地层中传播的快慢常以通过单位距离所用 即 的时间来衡量 ! & ’, . $ )/ + %( $ )* + %$ ) 0 1 %式中 2& 33 声波在单位距离内的传播时间 4 33 岩石的密度 4 ( 33 岩石的泊松比 4 + .33 岩石的弹性模量 # 由上式可知 ! 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 & 孔隙度和埋藏深度 # 不同的 地层 & 不同的岩性有不同的传播速度 # 因此 ! 通过测定声波在地层中的传播速度 就可研究和识别地层特性 # 声波在地层中传播的快慢常用声波到达井壁上不同深度的两点所用的时间 之差 ! 即声波时差 5 来表示 # 当岩性一定时 ! 声波的速度随岩石孔隙度的 $ 8 & 6 7 9% 增大而减小 # 对于由沉积压实作用形成的泥 & 页岩 ! 声波时差与孔隙度之间有如 下关系 2 :’ 式中 2: 33 岩石孔隙度 !=4 33 地层的声波时差 ! 8 5 & 6 7 94 5 & /5 & 9 5 & & ;/ 5 9 $ ) 0 & %6 ? ( ! & ’ #) # $$ 基岩的声波时差 %& $$ 地层孔隙内流体的声波时差 % ( ! & & ’ #+ *钻井工程理论与技术基岩和地层流体的声波时差可在实验室测得 + 若岩性和地层流体性质一定 % 则! 为常量 + & & #和 ! * 在正常沉积条件下 %泥 ,页岩的孔隙度随深度的变化规律符合 下面的函 数 关系 23 4 ./ . 1 05 6 7 8 9式中 -. 页岩的孔隙度 % $$ 泥 , :) 页岩在地面的孔隙度 % $$ 泥 , :) . 0 $$ 常数 ) 3 #+ 4$$ 井深 % 由孔隙度和声波时差之间关系 可得 . 0/ ! & & 02 ! # 5 6 7 & 9 ! & & *2 ! #! & 0 为起 始时 差 %即 深 度 为 零 时 的 声 波 时差 + 在一 定 区 域 内 %! & 0可近似看作 常数 + 由式 5 和5 可得 6 7 = 9 ,5 6 7 8 9 6 7 & 923 4 ! & & 1 ! & 2! & # / 5 02 ! #95 6 7 6 & 9 在泥 , 页岩的岩性一定的情况下 % ! & # 也 为一常数 + 若 ! %则 & #/&23 4 ! & /! & 1 5 6 7 6 6 9 0因此在半对数坐标系中5 井深 4为线 性 坐 标% 即 纵 坐 标% 声波时差为对数坐 标% 即横坐标 9 声波时 差的 对数与 井深 % 呈线性关系 + 在正常地层 压力井段 % 随着井 深增 加% 岩石的孔隙度 减小 % 声波速度增 大 % 声波时差减小 + 根据声 波时差的数 据 % 可 在 半 对 数 坐 标 纸 上 绘 出 曲 线% 如图 曲 线 为 一 直 线% 6 7 ; + 在正 常压 力 地 层 %图6 7 ; ! 24 关系曲线 &第一章钻井的工程地质条件/ -称为声波时差的正常趋势线 ! 进入异常高压地层之后 & 岩石的孔隙度增大 & 声波 速度减小 & 声波时差增 大 & 便 偏离正常 趋 势线 & 开 始 偏 离的 那一点 就是异常 高压 的顶部 ! 在异常高压地层 & 实测声波时差 # 与相应深度的正常声波时差 # $ $ % 之间的用当量密度 ) 有 一 定 的 关 系& 如图 / 差 值和地层压力梯度 & * 0 1所 + , 表示. ’( 示 ! 利用这种曲线可定量计算地层压力 !图/ 与& 0 1 # 2# % ’ 之间的关系曲线 $ $利用泥 3 页岩声波时差测井资料计算地层压力的步骤如下 4 页岩层 & 以 5, 左右为间隔点在 ( / .在标准声波时差测井资料中选择纯泥 3 测井曲线上读出井深和相应的声波时差值 & 并在半对数坐标纸上描点 ! 通过 尽 可 能多 的 可 以 信 赖 的 点 引 出 声 波 ( 6 .在 已知的正 常地层 压力井段 & 时差随井深变化的正常趋势线 & 并将其延伸至异常高压井段 ! 和该深度所对应的正常趋势线上的声 ( .读 出某深度 的实测 声波时差 # $ 波时差 # 并计算 # & 2# ! $ $ $ % % 用& ( 1 .在 # 2# 2# & $ $ $ $ %和 & ’ 关系曲线上读出 # % 所对应的 & ’ ’ 乘以井深 得其深度的地层压力 & 即 7& ’ : 9 9 ;& /& 7 ’8 9 ’ 式中 4’ A &? @ ’== 地层压力 & * & ) + ,A ’== 地层压力梯度当量密度 & 井深 & 7== ,!-( / 0 / 6 .所以必须根据本地区的大量统计资料 & 2# # $ $ %和 & ’ 关系曲线随地区而异 & 绘制适合本地区的声波时差偏离值与地层压力的关系曲线 !2 7钻井工程理论与技术二 &地层压力监测 ! 钻井前地层压力的 预测值可能 有 一 定误 差 # 所 以 在钻 井过程 中利用钻 井资 料对地层压力进行实时监测 # 以便对地层压力的预测值进行校正 $ 常用的地层压 力监测的方法有 % 标准化钻速法和页岩密度法等 $以下主要介绍 % & 指数法 # &指 数法 $ 页岩压实规律和压差 ! 即井底 % & 指数法实质上是机械钻速法 $它是利用泥 ’ 对机械钻速的影响理论来检测地层压力的 $ 我 的钻井液柱压力与地层压力之差 & 们知道 # 机械钻速是钻压 ’ 转速 ’ 钻 头类 型 及 尺寸 ’ 水 力 参数 ’ 钻井液 性能和地 层 岩性等因素的函数 $ 若其他因素保持恒定 # 只考虑压差的影响 # 则机械钻速随压 差的减小而增加 $ 在正常地层 压力情况 下 # 如岩 性和 钻 井 条件 不 变 # 随 着井深 的增加 # 机械 钻 速下降 $ 当钻入压力过渡带之后 # 岩石孔隙度逐渐增大 # 孔隙压力逐渐增加 # 压差 逐渐减小 # 机械钻速逐渐加快 $ 因此 # 利用这个特点可以预报异常高压地层 $ 但 是# 欲使钻压 ’ 转速 ’ 水力条件等保持不变 # 让机械钻速只受地层的压实规律和压 差的影响是不可能的 # 所以仅用机 械 钻 速的 变 化 难以 准确 地预 报和定量地 计算 地层压力 # 因而发展了 % & 指数法 $ % & 指数法是在宾汉钻速方程的基础上建立的 $宾汉在不考虑水力因素的影 响下提出的钻速方程为 (. % ) ! /0 % & * & + ,1! 2 3 2 4 &式中 () 55 机械钻速 6 * & ,55 岩石可钻性系数 6 55 转速 6 55 转速指数 6 . / 55 钻压 6 55 钻头直径 6 % 1 55 钻压指数 $ % 宾汉根据海湾地区的经验 # 发现软岩石的 . 都非常接近 # 于是将 . 视作不变 的整数 # 取. 则方程 ! 被简化为 ( +2 $ 假设钻井条件和岩性不变 # 2 3 2 4 &% ) ! /0 % & * &+ 1! 2 3 2 7 &对上式两边取对数 # 并整理后得 ( %+ 若采用常用公制单位 # 上式变为 ( 8 9 ! ) 0 & * & 8 9 ! /0 % & 1 ! 2 3 2 : &第一章钻井的工程地质条件3 ’ % & % ’ ( )* + , # $ !& % & % . /(0 # $ ! 12 3 4 3 . 5式中 6* 77 机械钻速 8 & 9: ; + , 77 转速 8 : & = 9& ? 0 77 钻压 8 @ A& 77 钻头直径 8 ! 99& 1 无因次 B 77 钻压指数 8 ! 根据目前油田所使用的参数范围8 分析式2 3 4 3 . 5 8 % & % ’ ()* : & % . /(0: -和 % + , 故式2 的 分 子C 分 母 均 为 负 数B 同 时 也 可 以 看 出8 & % 8 3 4 3 . 5 ! 1的 值 都 小 于 3 的绝对值与机 械钻 速 * 成反比8 因 此 !指 数 与 机 械 钻 速 也 成 2 % & % ’ ()* : 5 # $ + , + , 反比 B 进而 !指数与压差的大小有关 8 所以 !指数可用来检测异常高压 B 在正常 机械钻速随井深增加而减小 8 地层压力情况下 8 !指数随井深增加而增大 B 进入 压力过渡带和异常高压地层后 8 实际的 !指数较正常基线偏小 B 推 导 !指数法的前提之一是保持 钻 井 液密 度 不 变 8 实际上 这难以做 到 B 特 别 是 当 钻 入 压 力 过 渡 带 时8 往 往 要 提 高 钻 井 液 密 度8 这 样 一 来 便 影 响 !指 数 的 正 常变化规律 B为消除钻井液密度的变化对 !指数的影响 8 D E ; 9 和 FE , # E ? G H ? 于3 即! I ) 3年提出了修正的 !指数法 8 , 指数法 B! , 指数按下式计算 6 ! ,& ! J ? J G 2 3 4 3 ) 5式中 6! 77 修正的 !指数 & , K 即地层水的密度 5 77 正常地层压力当量密度 2 8 : J $ , 9& ?K 77 实际钻井液密度 8 : J $ , 9B G 利用 ! , 指数估算地层压力的步骤如下 6页岩井段 8 按一定深度间隔取点 2 3 5在高压层顶部以上至少 K % %9 的纯泥 C 如果砂 C 泥岩交错的地层 8 取泥 C 页岩的数据点 5 比较理想的是每 3 2 8 & ’9 或 K9 取一点 8 如果钻速高 8 可以每 ’9C 3 %9 甚至更大的间隔取点 B 重点井段可加密 到每 39 取一点 8 记录每点所对应的钻速 C 钻压 C 转速 C 钻 头直径 C 地层 水密度 和 实际钻井液密度等六项参数 B 2 L 5根据记录的数据计算 !指数和 ! , 指数 B 纵坐 标 2 K 5在半对数坐标纸上一一作出 ! , 指数和相应的井深所确定的点 2 为井深 8 横坐标为 ! B , 指数 5 如图 3 2 ( 5根据正常地层压力井段的数据引 ! 4 ’所示 B , 指数的正常趋势线 8 作出 ! 可直接观察到异常高压 2 ’ 5计算地层压力 8 7M 和正常趋势线之后 8 ,! ; 出现的层位和该层位内 $ % 指 数的偏 离 值 ( $ %指 数 偏 离 正 常 趋 势 越 远 说 明 地 层 压 力 越高 (根据 $ % 指数的偏离值应用下式可计 算相应的地层压力 ) $ % / ! & ! 0 1 $ % . 式中 2* +&& 所求 井 深 处 的 地 层 压 力 当 量 6 密度 ) 4 3 % 57 * +, * && 所 求 井 深 处 的 正 常 地 层 压 力 * 6 当量密度 ) 4 3 % 57 && 所 求 井 深 处 的 正 常 $ $ % %指 数值 7 指数值( && 所求井深处的实测 $ $ % . % 上式中的 * 即正常地层压力的地层 / 水密度 1 是随地区而异的 ) 要根据不同地区 的统计资料加以确定 ( 地层水的密度取决 即矿化度1 计算时应在 于 水中的含盐量/ ) 不 同层位取样分析 ) 测定含盐量 / 并 ) 8 8 51 换算成密度 ( 另外 ) 还可用等效深度法求地层压力 ( 页 岩 的 压 实 程 度) 若地 $ %指 数 反 映 了 泥9 层具有相等的 $ 则可视其骨 架应 力 % 指数 ) 相等 ( 而上覆岩层压力总是等于骨架应力钻井工程理论与技术图! & # $ &’ 曲线 %与地层压力之和 ( 正常地层压力下的地层 ) 其骨架应力是已知的 ) 于是我们就可 以用 $ 骨架应 力相等 的原 理 ) 在 正 常 压力 井 段 找 出 与 异 常 地 层 压 % 指数值相 同 ) 力下井深 ’ 的 $ 如图 ! 并求出异常高压地层的地层 / & ; 1 ) % 指数值相等的井深 ’ : 压力 2 + ’& / & ’: +, & = =& & 8 51 式中 2+ 7 @A . +&& 所求深度处的地层压力 ) && 上覆岩层压力梯度 ) 4 & @A . 57 = ’&& 所求地层压力点的深度 ) 57 4 & @A . 57 8 5 && 等效深度处的正常地层压力梯度 ) ’:&& 等效深度 ) 5( 在计算 $ 绘制 $ 会产生 $ %指 数 值 ) %指 数 正 常 趋 势 线 时 ) %指 数 值 的 发 散 现 / ! & ! ? 1第一章钻井的工程地质条件! =象& 这些发散点是不可取的 ’ 产生发散的原因 主要有以下几个方面 ( ) ! *岩性变化 ( $ % 指数取决 于基 岩 强 度 & 岩性不同 & 骨架强度也不同 ’ 在岩性发生变化 的 地 层& 例如 $ %指 数 的 规 律 也 将 发 生 变 化& 砂+ 页岩交错的地层 ’ 水力参数发生大的变化 ) , *水 力 参 数 ( 时& 射流对地层的破碎作用不同 & $ % 指数的规 律也将发生变化 ’ 钻头类 型不同 & 其破 岩 机 ) *钻 头类型 ( 理 不 同& 所以钻头类型的变化会引起正常趋 势线的移动 ’ 另外 & 在纠斜吊打 + 用刮刀钻头和取心钻 头钻进 & 钻头的跑合期和磨损的后期 + 井底不 干 净+ 钻遇断层裂缝等情况下都不宜取点计 算$ % 指数值 ’图! & # $ % 指数的等效深度三 +地层破裂压力在 井 下 一 定 深 度 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 称为地层破裂压力 ’ 利用水力压裂地层 & 从. /年代就开始用作油井的增产措施 ’ 但对钻井工程而言并不希望地层破裂 & 因为这样容易引起井漏 & 造成一系列的井 下 复杂问题 ’ 所以了解地层 的破裂压 力 & 对 合 理的 油 井 设计 和钻井 施工十 分重 要’ 为准确地掌握地层 破裂压力 & 不 少 学者 提 出 了不 同的 检测 计算地层破 裂压 力的方法 & 但这些方法都有其局限性 & 有待进一步发展完善 ’ 以下介绍几种常用 的方法 ’ 一 *休伯特和威利斯 ) 法 ) * 01 2 2 3 4 5 6 78 9 9 8 : 在发生正 ! ; & =年休伯特和威利斯根据岩石水力压裂机理和实验作出推论 & 断层作用的地质区域 & 地下应力状态以三维不均匀主应力状态为特征 & 且三个主 应力互相垂直 ’ 最大主应力 & 大小等于有效上覆岩层压力 ) 即骨架 ! 为垂直方向 & 应力 * 最小主应力 和介于 与 之间的主应力 在水平方向上互相垂直 & ’ & & & & ! , 最小主应力 & ! ? @! ? , * ’ & - 的大小等于 ) ! 地层所受的注入压力或破裂传播压力必须能够克服地层压力和水平骨架应) O 力! 地层才能破裂 ! 即 & ) * ’+ ) * , & #$ & &% & ’$ & &% ( ) 而 故 $& 1& & ) 0 & $& %( ) * ’ +) * , ( 1& & & # & 0 & 根据式 ( 求地层破裂压力梯度 ) . , / & ( ) * ’+ ) * , ( & & 01 & & % 3 3 式中 42 55 井深 3 处的地层破裂压力梯度 ! * 67 8 9: # 井深 处的地层破裂压力 55 ! : & 3 67 8 # 2 #$ : 67 8 & &55 井深 3 处的地层压力 ! 井深 处的上覆岩层压力 55 ! : & 3 67 8 0钻井工程理论与技术( ) . , / ( ) . , ) -( ) . , , -355 井深 ! 9; 休伯特和威利斯从理论和技术上为检测地层破裂压力奠定了基础 ; 但是 ! 由 所以休伯特和威利斯的理论在工业应用中受到限制 ; 于很少在正断层区域钻井 ! 二 -马修斯和凯利 ( 法 ( &= & ? @ A BC D@ E E F 提出了检测海湾地区 ) G H I年马修斯和凯利根据海湾地区的一些经验数据 ! 砂岩储集层破裂压力的方法 ; 他们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架 应力所致 ;骨架应力的大小与地层压实程度有关 ! 并非固定为 ( ) * ’ +) * , ;地 & ) 层压得越实 ! 水平骨架应力越大 ; 根据地层破裂压力与地层压力和骨架应力之间 则有 的关系 ! 2 #$ & & & % JK 3 3 ( ) . , ’ -式中 4JK 无因次 : 55 骨架应力系数 ! 55 骨架应力 ! ; & 67 8 骨 架 应 力 系 数 JK 是根据不同地区的地层破裂压力的经验数据代入式 ! 得出的 ;JK是井深的函数 ! 与岩性有关 ! 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 ! 如遇异常高 JK随井深增加而增加 ; 地层的压实程度降低 ! 地层压力增大 ! 则 JK减小 ; 压! 三 -伊顿 ( 法 ( L = & M N 伊顿 ) 这种方法把上覆岩 G H G年发表了更合适的计算地层破裂压力的方法 ; 层压力梯度作为一个变量 来考虑 ! 并 且 把泊 松 比 也作 为一 个变 量引入地层 破裂 压力梯度的计算之中 ; 一般来说 ! 在一个弹性体的极限之内 ! 它在纵向压力的作 用下将产生横向和纵向应变 ; 横向应变和纵向应变之间的比值被定义为泊松比 ;第一章钻井的工程地质条件’ E把岩石作为弹性体考虑 ! 那么泊松比就反映了岩石本身的特性 & 然而伊顿的泊松 比不是作为岩石本身特性的函数 ! 而是作为区域应力场的函数来考虑 & 于是 ! 伊 顿的泊松比即为水平应力与垂直应力之比值 & 如果上覆地层仅作 为压力源 ! 并 且 由于 岩 石 周围 受水 平方 向的约束而 不发 生水平应变 ! 所以可导出水平应力和垂直应力之间的关系 ! 即 # $% 式中 .# // 水平应力 ! 3 01 2 $ 3 // 垂直应力 ! 01 2 # 岩石的泊松比 // & & 将 上 式引入地层 破裂压力梯 度 计 算公 式 ) 从而 扩充 了 马 修 斯 和 凯 利 ’ * + 4 ! 的理论 ! 即 7 & # 7 9 ) ’ * + & 8 ’( & 8 伊顿提出了上覆岩层压力梯度可变的概念 & 通过研究发现 ! 由于上覆岩层压力梯 5 6% & # ’( & ) ’ * + , -:;度的变化 ! 岩石的泊松比随 深度成非 线 性变 化 & 伊 顿 计算 了海湾 地区的泊 松比 后! 绘制了泊松比和深度的经验曲线 ! 如图 ’ 在破裂压力的计算中 ! 上覆 * =所示 & 岩层压力起着重要作用 ! 若能求得上覆岩层压力梯度的准确增量 ! 可提高破裂压 力的计算精度 & 如果一个地区的泊松比曲线已知 ! 那么伊顿法就可在该地区应用 & 泊松比由 式) 反算求得 & ’ * + & 四 -计算地层破裂压力的新方法 ) 以上介绍的计算 地层破 裂压力梯 度 的方 法 中 ! 均 没 考虑地 层的抗 拉强 度和 地质构造应力对破裂压力的影响 ! 因而计算结果与实际情况有一定差距 & 石油大学黄荣樽教授在总结分析国外各种计算地层破裂压力方法的基础 上! 综合考虑各种影响 因素 ! 进行了严 格 的理 论 推 导和 一系 列的 室内实 验 ! 提出 了预测地层破裂压力的新模式 . 7 6% 7 79 7 ( 7 -9 A :’( &( & ;)? ? @ 7+ &B C) ’ * + D -式中 .&? 无因次 3 // 构造应力系数 ! ?// 岩石的抗拉强度 ! & A 01 2 B C 新模式与前述三个模式相比有两个显著特点 . 模式中包括了三个主应力的影响 & 垂直应力可 ) ’ -地应力一般是不均匀的 ! 以认为是由上覆岩层重力引起的 & 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 3 另 一 部 分是 地质构 造应力 ! 它与* 3 岩石的泊松比无关 ! 且在两个方向上一般是不相等的 &钻井工程理论与技术图# ’( 关系曲线 $ % 墨西哥湾地区 &) * +地层的破裂是由井壁上的应力状态决定的 & 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抗拉强度 & 岩石抗拉强度 , 是利用钻取的地下岩心 ! 在室内采用巴西实验求得的 & . 构 造 应 力 系 数 /0 对 不 同 的 地 质 构 造 是 不 同 的! 但它在同一构造断块内部 0 是一个常数 !且不随深度变化 & 构造应力系数是通过现场实际破裂压力实验和 在室内对岩心进行泊松比实验相结合的办法来确定的 & 如果准确地掌握了破裂 层 的 泊 松 比 &和 破 裂 压 力 1 以及抗拉强度 , !便 能 精 确 地 求 出 构 造 应 力 系 2 . 数 /0 & 0 以上介绍的计算地层破裂压力的方法均有一定局限性 ! 即使条件合适 ! 计算 值与实际值之间也有一定误差 & 下面介绍一种准确有效的液压实验法 & 五 +液压实验法 ) 液压实验法也称漏失试验 ! 是在下完一层套管 ! 注完水泥和钻过水泥塞后进第一章钻井的工程地质条件’ %行的 ! 液压试验时地层的破裂易发生在套管鞋处 & 因套管鞋处地层压实的程度比 其下部地层的压实程度差 ! 液压实验法的步骤如下 # 保证 钻 井 液性 能 稳 定 & 上 提 钻 头 至 套 管 鞋 内& 关 $ % &循 环调节钻 井液性 能 & 闭防喷器 ! 向 井 内 注 入 钻 井 液& 并记录各个时期的 $ ’ &用较 小排量 $ ( ) * * +% ) , ’. & / 注入量及立管压力 ! 累计 & 的关系曲线图 & 如图 % $ , &作立管压力与泵入量 $ 0 1所示 ! 从图上确定各个压力值 漏失压 力 为 即 开 始偏 离直线 点的压 力 & 其 & $ 2 & 3 -& 后压力继续上升 4 压力升到最大值 & 即为开裂 压力 3 最 大值过 后压力 下降 并趋 4 5 于平缓 & 平缓的压力称为传播压力 & 即图中的 3 ! 6图% 0 1 液压试验曲线$ 7 &求地层破裂压力当量密度 8 5 8 $ ( ) ( ( &1 %=& 59 8 : ; 3 -. , 式中 #8 . @ A :4 : ?? 试验用钻井液密度 & 4 3 BC D -?? 漏失压力 & =?? 试验井深 & :! 有时钻进几天后在进行液压试验时 & 可能出现试压值升高的现象 & 这可能是 由于岩屑堵塞岩石孔隙道所致 ! $ % 0 ’ & && & 密度 &钻井工程理论与技术试验压力不应超过 地面设备和 套 管 的承 载 能 力 ! 否 则可提 高试验 用钻 井液 液压实验法适用于砂泥岩为主的地层 & 对石灰岩 # 白云岩等硬地层的液压试 验有待实验研究 &第二节岩石的工程力学性质岩石是钻井的主要工作对象 & 在钻成井眼的过程中 ! 一方面要提高破碎岩石 的效率 ! 另一方面要保证井壁岩层稳定 ! 这些都取决于对岩石的工程力学性质的 认识和了解 & 本节结合钻井工程阐明岩石的工程力学性质以及影响这些性质的 有关因素 ! 为正确掌握钻井工程的主要理论与技术打下必要的基础 &一 #岩石的机械性质一 %沉积岩 $ 石油及天然气钻井中 ! 遇到的主要是沉积岩 & 岩石是造岩矿物颗粒的结合体 ! 最主要的造岩矿物分为八类 ! 有& 见 ’余种 ! 表( 岩石的结构和构造对 ) ( &岩石的性质在很大程度上取决于造岩矿物的性质 ! 岩石的力学性质也有重要影响 &表* ) * 主要造岩矿物序 号 矿物名称 密 度 长 石 族% +,铝 硅 酸 盐 $ ( & . / 0 1 正长石 钾微斜长石 钠长石 钠钙长石 中长石 钙钠斜长石 钙长石 似 3 4 霞石 白榴石 & , / 1 & , / . & , 0 & 2& , 0 / & , 0 / 2& , 0 1 & , 0 3 2& , 0 4 & , 1 ’ 2& , 1 & , 1 . 2& , 1 0 长 石 类 / , / 20 / , / 20 六方晶系 等轴晶系 0 0 20 , / 0 20 , / / , / 20 / 20 / 20 0 20 , / 单斜晶系 三斜晶系 三斜晶系 三斜晶系 三斜晶系 三斜晶系 三斜晶系 摩氏硬度 晶 形& , / / 2& , 0 / & , . / 2& , / ’ 层状硅酸盐 % 5,云 母 $( ’ ( (白云母 黑云母& , 1 0 2& , 1 ’ 2, (& 2& , / & , / 2-单斜晶系 单斜晶系第一章序 号钻井的工程地质条件矿物名称 ! &铁 镁 密 度 硅 酸 摩氏硬度 盐 ’ )( ’ )( ’ )( ( & ’ )+ 类 + + ’ & ’ )( & ’ 2 物 % % & ’ )& % & ’ )& 物 % )% & ’ # & ’ )$ 斜方晶系 单斜晶系 三方晶系 斜方晶系 三方晶系 六方晶系 隐晶质 非晶体 2 单斜晶系 单斜晶系 单斜晶系 斜方晶系 晶 形$ %# $ # % # & # ’辉石 普通辉石 普通角闪石 橄榄石 ,&氧% & % % & $ ( )% & & % % & * ’ )% & & + % & $ + )% & % + 化 物# ( # + # # .石英 石髓 / 玉髓 0 蛋白石 磁铁矿 1 赤铁矿和其他 3&碳 方解石 霰石 0 文石 / 白云石 4&硫$ & ( * )$ & ( ( 2 # & . )$ & % 2 酸 盐 矿$ * $ # $ $$ & + # )$ & + $ $ & . % )$ & . ’ $ & )$ & . 酸 盐 矿$ % $ &无水石膏 石膏$ & . )$ & . . $ & % + )$ & % % 5&卤 化 $ & # % 物$ ’岩盐 6&粘 土 矿$ )$ & ’ 状 硅 酸 盐0 # )$ & ’等轴晶系物 / 层$ ( $ +高岭石 微晶高岭石$ & ( )$ & ( % 2单斜晶系岩石的结构是说明 小块岩石的 组 织 特征 的 7 主 要 指岩 石晶体 的结构和 胶结 物的结构 8从这方面看 7 沉积岩可分为结晶沉积岩和碎屑沉积岩两大类 8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 7 包括石 灰 岩1 白云岩 1 石膏等 8 碎屑沉积岩则是由岩石碎屑经沉积 1 压缩及流经沉积物的溶 包括砂岩 1 泥岩 1 砾岩等 7 胶结物通常 液中沉淀出的胶结物的胶结作用而形成的 7 有硅质 1 石灰质 1 铁质和粘土质几种 8 岩石的构造是指岩 石在大范围 内 的 结构 特 征 7 对 沉 积岩主 要包括 层理 和页 理8 层理是指沉积岩在垂直方向上岩石成分和结构的变化 7 它主要表现为不同成 分的岩石颗粒在垂直方向 上交替变化 沉 积 7 岩石 颗 粒 大小 在垂直 方向上有 规律 的变化 7 某些岩石颗粒按一定方向的定向排列等 8 页理是指岩石沿平行平面分裂 为薄片的能力 7 它与岩石的显微结构有关 8 页理面常不与层理面一致 8 与钻井工程有关的岩石物理性质还有岩石的孔隙度和密度 8 岩石的孔隙度 9为岩石中孔隙的体积与岩石体积的比值 8E钻井工程理论与技术二 &岩石的弹性 ! 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 $ 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从虎克定律 & ’ () * 式中 &’ // 应力 $ // 应变 $ * )// 弹性模量 % 物体在弹性变形阶段 # 在一个方向上的应力除产生物体在此方向的应变外 # 还会引起物体在与此方向垂直的其他方向的应变 % 如# 当材料在 0轴方向上作用 有 应力 ’ 除 了在 0轴 方向发生应 变 * 还 会 引 起横 向 ! 1方 向 和 2方 向 & 0时# 0外# 上的应变 * 则有 % 如果材料是各向同性的 # 1和 * 2 3(4 * * 1 2 (4 * * 0 0 ’ 0 ) ! + , 5 & ! + , 6 7 & ! + , . &* 1( * 2 (4 3 式中 &3 // 泊松比 %物体在弹性变形阶段 # 剪切变形同样也服从虎克定律 # 即 8 (9 : 式中 &8 // 剪应力 $ // 剪应变 $ : 或剪切弹性模量 & % 9// 切变模量 ! 对于同一材料 # 三个弹性常数 ) ; 9和 3之间有如下的关系 & ) ! + , 6 & ! +& 3 & 对于岩石 # 特别是对于沉积岩而言 # 由于矿物组成 ; 结构等方面的特点 # 岩石 9( 与理想的弹性材料相比有很 大的差别 # 但 仍 可 以测 出 岩 石的 有关弹 性常数 以满 足工程和施工的需要 % 组成岩石的矿物 # 在单独存在时的受力 / 变形特性一般都 服从虎克定律 % 表 + , -及表 + , 6分别列出了部分矿物及岩石的弹性常数 %表 = , & 岩石的弹性模量和泊松比岩 粘 石 土 ? ! + 7@ & ) A B 7 C 7 6 4 3 7 C 6 . D7 C E F 7 C F D7 C 6 F 岩 石 ? ! + 7@ & ) A B C G DG C 7 G C 7 D+ 7 3 7 C G D7 C 5 7 C F! + , 6 + &花岗岩 玄武岩致密泥岩第一章岩 页 砂钻井的工程地质条件石 岩 岩 & # $ %& ) ! ’ ( $ + , -. + , 1 + 1 -/ + 2 $ + 1 -2 + , 1 + 4 -4 + . . + $ -$ 3 + , * % + $ % -% + . % % + 1 % -% + 1 , % + . 2 -% + 1 1 0 0 岩 石 & # $ %& ) ! ’ ( / + , -$ % 3 + 2 / -$ % / -$ $ % + , -$ + % * 0 % + . , % + . , % + . , % + 5 5. ,石英岩 正长岩 闪绿岩 辉绿岩 盐岩石灰岩 大理岩 白云岩表6 7 8 矿物的弹性模量矿 刚 黄 石 长 物 玉 玉 英 石 弹性模量 ! & # $ %& ) ’ ( , . 1 % / + 2 , -$ % 92 + % , + 2 -4 + % $ + . -$ + , 95 + %方解石 石 岩 膏 盐三 )岩石的强度 # $ +岩石强度的概念 岩石在一定条件 下受外 力的作用 而 达到 破 坏 时的 应力 : 被称为 岩石在这 种 条件下的强度 ; 岩石的强度是岩石的机械性质 : 是岩石在一定条件下抵抗外力破 坏的能力 ; 强度的单位是 &’ ; ( 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 ; 岩石的内 聚力表现为矿物晶体或碎屑间的 相互作 用 力 : 或 是 矿 物颗 粒与胶 结物之间 的连 接力 ; 岩石的内摩擦力是颗粒之间的原始接触状态即将被破坏而要产生位移时 的摩擦阻力 : 岩石内摩 擦力 产生岩 石破 碎 时 的附 加 阻 力 : 且随 应力状 态而 变化 ; 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 ; 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 # 对沉积岩而言还包括胶结物的成分和 比例 ) 矿物颗粒的大小 ? 岩石的密度和孔隙度 ; 同种岩石的孔隙度增加 : 密度降 ? 低: 岩石的强度也随之降低 : 反之亦然 ; 一般情况下 : 岩石的孔隙度随着岩石的埋 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& A 岩石的强度有影响 !钻井工程理论与技术加 !由于沉积岩存在层理 & 岩石的强度有明显的异向性 !岩石的结构及缺陷也对 工艺技术因 素方面包 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 载作用 的速度 % 液体 介质性质等等 ! & ’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 & 包括单 轴 抗压强度 % 单轴抗拉强度 % 抗剪强度及抗弯强度 ! 表 ( ) *列出了部分岩石简单应 力条件下的强度 !表 + 抗拉 % 抗剪和抗弯强度 ) , 岩石的抗压 %岩 石 抗压强度 0 1 0 1 0 1 0 1 . 23 4 抗拉强度 . 23 4 抗剪强度 6 23 4 抗弯强度 . 23 4 / 5 7 8 ( * & ( 9 ( ( = 9 ( * @A ( ( = ( & * & ? = ’ A ( A & ( & = ( A A & ( 9 ’ & & & ; & ; 9 & * & 9 ’ ( * 9 ’ & & ’ ? 9 ( ’ & @= & ’ & ( ’ ? & ’ * 9 ’ = A ’ ? ? ’ ( ( & ( * ’ & ( & ’ 9 ( * ’ * ( & ’ * : : : : : : : ? = ( ( = ( * 9 ( ? = & & ( & * * & ( A & * & ( ; ’ & ( & ’ ( & * ’ ? & A & ’ 9 A A ’ 9粗粒砂岩 中粒砂岩 细粒砂岩 页 泥 石 岩 岩 膏含膏石灰岩 安山岩 白云岩 石灰岩 花岗岩 正长岩 辉长岩 石英岩 辉绿岩大量的实验结果表明 & 简单应力条件下岩石的强度有如下规律 # 对同一岩石 & 加载方式不同 & 岩石的强度也不同 ! 一 ( 0在简单应力条件下 & 般说来 & 岩石的强度有以下顺序关系 # 抗拉 B 抗弯 C 抗剪 B 抗压 如果以抗压强度为 ( 则其余加载方式下的强度与抗压强度的比例关系见表 & ( ) 9 !第一章钻井的工程地质条件 表! & # 岩石各种强度间的比例关系岩 石 抗压强度 $ $ $ 抗拉强度 % & % ’ (% & % ) % & % ’ (% & % , % & % ) (% & $ % 抗弯强度 % & % * % & % (% & ’ % % & % . (% & $ % 抗剪强度 % & % + % & $ % (% & $ ’ % & $ ,’ B花岗岩 砂 岩 石灰岩在不同的方向上强度不同 2表 $ / ’ 0沉积岩由于层理的影响 1 & -是几种沉积 用3 表示 0 及垂直于层理方向 / 用3 表示 0 上四种强度 岩在平行于层理方向 / 45 65 测出的结果 2表! & 7 某些沉积岩强度的各向异性岩 名 石 称 抗拉强度 / 0 : 0 : 0 : 0 : 8 ;& = 抗弯强度 / 8 ;& = 抗剪强度 / ? ;& = 抗压强度 / 8 ;& = 9 & @ A 4 6 , & $( , & * 4 $ $ & $( $ B & ’ $ & ’( ’ ’ & ’ % & +( ’ & , ’ & * ( $ & 6 4 6 4 $ $ . & , ( $ , B & , 6 $ ) ’ & * ( $ B & % $ ) B & % ( ’ % % & % $ * * & , ( ’ ’ % & , , , & )( $ $ ) & B粗砂岩) & ) *$ % & *) . & *) B中粒砂岩 B & B, & ’$ * & $( $ + & )* * & ( , + & ) ) , & ’ ( , + & , ) & .( $ $ & *) . & ’ ( $ & . , ’ & ) ( ) & + $ ’ & + ( $ + & .$ $ B (’ $细砂岩. & $( $ & ’(.$ B & B ,$ * B & . ( ’ ) $ & % * ) & )( $ % ) & *粉砂岩CC) & *岩石的抗压强度虽 不能直接用 于 石 油钻 井 的 井下 条件 1 但目前 仍在许多 情 况下将它作为钻头选型的参考 2 * &复杂应力条件下岩石的强度 在实际条件下 1 岩 石埋 藏在地 下 1 受 到各 向 压 缩作 用 1 岩 石处于 复杂的而 不 研究在这 种 复 杂的 多 向 应力 作用 下的 岩石的强度 更有 是单一和简单应力状态 1 着重要的实际意义 2 / $ 0三轴岩石试验方法 D三轴应力试验是在复杂应力状态下定量 测试岩 石 机械性质的可靠方法 2 图 $ 表示了几种三轴试验的方案 1 其中方案 =是最 & + / E0 常见的一种称为常规三轴试验 2 它是将圆柱状的岩样置于一个高压容器中 1 首先 用 液 压 F使 其 四 周 处 于 均 匀 压 缩 的 应 力 状 态 1 然 后 保 持 此 压 力 不 变1 对岩样进 行纵向加载 1 直到破坏 1 试验过程中记录下纵向的应力和应变关系曲线 2 三轴试% 5钻井工程理论与技术验可以进行三轴压缩试验 ! 也可以进行三轴拉伸试验 ! 前者的施力方案是 & $& # % 后者的施力方 案是 & 其中 ( 即& 通 常称为围 压 ! && &( ! )& && &( ! * + ’ # % ’ %或 & ’ 见图 # , * + / .图# , * 0+ 三轴岩石实验方法图# , * + 常规三轴实验 .* % +三轴应力条件下岩石的强度变化特点 1岩石在三轴应力条件 下强度 明 图 显 增 加/图 # , # 2列 出 了 卡 尔 曼 在 室 温 条 件 下 的 岩 石 的 三 轴 抗 压 试 验 结 果 3 是根据汉丁和哈格尔的试验数据整理的一些岩石的三轴抗压强度随围压的 # , # # 变化情况 / 对于所有岩石 ! 当围压增加时强度均增大 ! 但所增加的幅度对于不同类型的 岩石是不一样的 / 一般说来 ! 压力对砂岩 4 花岗岩强度的影响要比对石灰岩 4 大理 岩大 / 此外 ! 压力对强度的影响程度并不是在所有压力范围内都是一样的 ! 在开 始 增 大 围 压 时! 岩 石 的 强 度 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 * 例如 石灰 岩 + 的强度便趋于 常量 /第一章钻井的工程地质条件( I图! 图中有 & 者为脆性破坏 ’ & ! # 三轴试验的应力 $ 应变曲线 %图! 室温 ( & ! ! 围压对岩石强度的影响 % ) *’+,-. / 0 1 2 2 3石英砂岩 45,67 8 97 1 3白云岩 4:,; / 7 . &硬石膏 曲线重合 ’ =,&? 4 / 2大理岩 4@,; 7 1 & 8砂岩及 A7 1 . 7 & & 7石灰岩 % B,A? C C D页岩 4E, 盐岩四 ’岩石的脆性和塑性 % 在如图 ! & ! (的装置 上对 岩石 进行 压 入破 碎 实 验 F 试 验 是 用 平 底 圆 柱 压 头 图! 加载并压入 岩 石 H 压入过程中记录下载荷与吃入深度的相关曲线% 见 % & ! G ’ 图! 所有岩石的压入试验曲线都可以分为图 ! 根 & ! ) ’ F & ! )所示的三种典型形态 F( 1钻井工程理论与技术据这三种典型形态可以把岩石分为脆性岩石 ! 塑性岩石和塑脆性岩石三大类 &图# $ # % 试验岩石硬度的装置# & 液缸缸体 ’ % & 液缸柱塞 ’ ( & 岩样 ’ ) & 压头 ’ * & 压力机上压板 ’ + & 千分表 ’ , & 柱塞导向杆图# $ # ( 平底圆柱压头从图 # 岩石在外力作用下产生变形直至破坏的过程是不同 $ # )可 以 看 出 的 & 一种情况是在外力 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 ’ 另 一种情况 是 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 & 岩石的塑性是岩石吸收残余形变或吸收岩石 未破碎前不可逆形变的机械能量的特 性 ’ 岩 石 的脆 性 是 反映 岩石破 碎前不 可逆 形变中没有明显地吸收机械能量 即没有明显的塑性变形的特性 &图# $ # ) 平底圆柱压头压入岩石时的变形曲线在图 # 为脆性岩石 其特点是 / 达到 0 点后 $ # )中 . 0 段为弹性变形阶段 -第一章钻井的工程地质条件8 +即 发 生 脆 性 破 碎! 其$ &为 塑 脆 性 岩 石 # % 段 为 弹 性 变 形 阶 段# %& 为 塑 性 变 形 区# 到达 & 点时产生脆性破碎 ! 为塑性岩石 # 施加不大的载荷即产生塑性变形 # ’ 其后变形随变形时间的延长而增加 # 无明显的脆性破坏现象 ( 用岩石的塑性系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 %) 与岩石破碎前弹性变形功 %* 的比值 (计算依据如图 对于脆性岩石 # 破碎 + , + -所示的岩石压入破碎过程中的载荷 . 吃深曲线 (因而 # 前的总功 %) 与弹性变形功 %* 相等 ( 塑性系数 /01+ 对于塑脆性岩石 2 ! /0 1 %3 $ %& 5 的面积 1 %4 $ 64 的面积 7 + , 8 8 9对于塑性岩石 # /01:( 根据岩石的塑性系数的大小 # 将岩石分为三类六级 # 见表 + , ; (表& , = 岩石按塑性系数的分类类 别 级 别 塑性系数 /0 脆 性 + + ? B+ C? 塑 低 塑 性 8 ? C8 脆 性 &高 塑 性 8 C@ CA 塑 性 A BA C: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 增大 # 岩石表现出从脆 性向 塑性的 转变 # 并 且 围 压越 大 # 岩石 破坏前 所呈现的 塑 性也越大 ( 岩石在高围压下的塑性性质可以从应力 . 应变曲线看出来 ( 一般认为 # 当岩 石 的 总应变量达 到 8 DC @ D时 就 可 以 说 该 岩 石 已 开 始 具 有 塑 性 性 质 或 已 实 现 了 脆 性 向 塑 性 的 转 变(例 如 在 图 + 大理岩和砂岩的围压分别超过 ? , + E中 # 8 F @ 后# 这两种岩石已开始呈现塑性状态 ( 表+ ; F @GH , J中列出了图 + , + + GH I和 ? I 中的几种岩石在室温下破坏前所达到的应变量 (可以看出 # 除了 KL 石英 M N O P P Q 砂岩在 ? 围 压 范 围 内 始 终 保 持 着 脆 性 破 坏 以 外 其 余 几 种 岩 石 在 + E EGH # E E I 以上均具有明显的塑性性质 # 只不过塑性的程度有所差别而已 ( GH I表& , R 岩石在围压下的塑性变形岩 石 石英砂岩 白云岩 硬石膏 在 下 列 围 压 下 破 坏 前 的 应 变 量S D 1+ E EGH 0 I KL M N O P P Q UI V WI O Q X M I L Y ? F T ; F 8 ; F E 1? E EGH I 0 8 F J + 8 F E ? ? F 8R *岩 石 大理岩 砂岩 石灰岩 页岩 盐岩钻井工程理论与技术在 下 列 围 压 下 破 坏 前 的 应 变 量! & $% & &’( # ) +, . 1 ) 2 3 4 ’7 2 7 ) 3 3 ) ’, 9 9 : ; & = & 4 ) ? * * / & * 5 / 0 * 6 / % % 5 / & * 0 / 0 $* & &’( # ) * 0 / 0 * 5 / 6 * 8 / * * 5 / & * 8 / 5勃拉克@ 和格林 @ 在% / C / / C 6 8 0年发 表了美 国盐湖 城 全 1 ) = &A/ B D 2 . . 3E F 尺寸深井模拟钻井装置的钻进试验结果 G 确定了 1 白云岩 I & 3 3 .H . 2 2 . J & ? & 3砂 岩 和 ’) 页岩由脆性向塑性转化时的压力分别为 % & & K% 5 &’( I L & K8 & ) 3 = & 4 和 & KL &’( M ’( ) * ) 对于深井钻井而言 G 认识并了解岩石从脆性向塑性的转变压力 @ 或称临界压 力 NH 具有重要的实际意义 M 因为脆性破坏和塑性破坏是两 C O 2 . 4 O & 9P 2 . 4 4 , 2 . 种本质上完全不同的破坏方式 G 破坏这两类岩石要应用不同的破碎工具 @ 不同结 构类型的钻头 C 采用不同的破碎方式 @ 冲击 I 压碎 I 挤压 I 剪切或切削 I 磨削等 C 以 G 及不同的破碎参数的合理组合 G 才能取得较好的破岩效果 M 由此可见 G 了解各 类岩 石的塑 性及 脆 性 性质 以 及 临 界压力 G 是 设计 I 选择 和 使用钻头的重要依据 M 五 C岩石的硬度 @ 岩石的硬度是岩石抵抗其他物体表面压入或侵入的能力 M 硬度与抗压强度有联系 G 但又有很大区别 M 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 G 而抗压强度则是固体抵抗固体整体破坏时的阻力 M 因 而不能把岩石的抗压强度作 为硬度的 指 标 G 应区 分 组 成岩 石的矿 物颗粒的 硬度 和岩石的组合硬度 G 前者对钻进过程中工具的磨损起重大影响 G 而后者对钻进时 岩石破碎速度起重大影响 M 岩石及矿物硬度的 测量与表示 方 法 有很 多 种 G 这 里 仅介绍 石油钻 井中 常用 的两种 M % /摩氏硬度 这是一种流行的 I 简单的方法 G 它表示了岩石或其他材料的相对硬度 M 测量 方法是用两种材料互相刻划 G 在表面留下擦痕者则硬度较低 M 用 % &种矿物为代 表G 作 为摩氏硬度的 标准 G 依 次是 Q 滑石@ 石膏@ 方解石@ 萤石 %度 C I *度 C I R度 C I 磷灰石 @ 长石 @ 石英 @ 黄玉@ 刚玉@ 金刚 石 @ L度 C I 5度 C I S度 C I 8度 C I 0度 C I 6度 C I第一章钻井的工程地质条件, ,! & #度 $ % 在 现场 & 常采用更简便的方法 ’ 用指 甲 ! 铁刀! 普通钢刀 ! ( ) *度 $ + , ) *度 $ + * 度$ 玻璃 ! 锯条 ! 锉刀 ! 硬合 金 ! 等 刻划矿 物或岩石 鉴 + * ) *度 $ + -度 $ + .度 $ + /度 $ 别其硬度 % 岩石中矿物的摩氏 硬度是选择 破 岩 工具 的 重 要参 考依 据 & 若在岩 石中占 一 定比例的矿物的摩氏硬度达到或接 近破 岩 工 具工 作 部 位 材料的 硬度 & 则工具 磨 损很快 % ( )岩石的压入硬度 岩石的压入硬度是前苏联的史立涅尔提出的 & 也称史氏硬度 % 史氏硬度的测 试装置见图 & 0 & ( %图 & 0 & 1三类岩石压入硬度的计算方法如下 % 对于脆性岩石和塑脆性岩石 & 它们最终都产生了脆性破碎 & 岩石的硬度为 2 3 4 式中 ’2 : 78 9 366 岩石的硬度 & 66 产生脆性破碎时压头上的载荷 & 2 ;: ( 66 压头的底面积 & 5 && % 对 塑 性 岩 石& 取产生屈服! 即从弹性变形开始向塑性变形转化$ 时的载荷 即’ & 2 =3代替 2 2 =3 ! & 0 , * $ 5 钻井过程中 & 破岩工具 在井 底岩层 表面 施 加 载荷 & 使 岩 层表 面发生 局部破 碎 & 岩 石的压入硬度在石油钻井的 岩石破碎 过 程中 有 一 定的 代表 性 & 它在一 定程度 上 2 3 4 能相对反映钻井时岩石抗破碎的能力 % 我国按岩石硬度的大小将岩石分为六类 作为选择钻头的主要依据之一 ! 见表 & & (级 & 0 / $ %表& 0 ? 岩石按硬度的分类类别 级别 & 软 ( 中 , 软 1 中 * 硬 . 硬 @ 坚 / 硬 & # 极 & & 硬 & (2 5! & 0 , 1 $& # #78 B( ) *( ) * B* * B& #& # B& *& * B( #( # B, #, # B1 #1 # B* #* # B## B. #C. # 9A&&二 +井底压力条件下岩石的机械性质及其影响因素石 油 钻 井 过 程 中& 特 别 是 在 油 气 井 较 深 时& 岩石处于高压和多向压缩条件 下& 岩石的机械性质发生了很大变化 & 研究这种条件下岩石的机械性质及其影响 因素对指导钻井工程实践具有重要的意义 %) &钻井工程理论与技术一 &井眼周围地层岩石的受力状况 ! 井眼周围地层岩石受力可用图 # 它包括以下几方面 ’ $ # %表示 & ! # &上覆岩层压力 ( *( ) ) 为覆盖在井眼周围 地 层 岩 石以上 的压 力 &它来 源 于 上部岩石的重力 * 它和岩石内孔隙流体压力的差 ! +, &称为有效上覆岩层 ( , 压力 * ! &岩石内孔隙流体的压力 , * , 水平地应力 水平地应力 ! ) & * ( #及 ( - 来自垂直方向上的上覆岩层压力 ( ) 和地 质构造力* 垂直方向上的上覆岩层压力 ( 如果地层是水 ) 是产生一部分水平地应力的来源 & 则这部分的水平地应力是水平方向上均匀分布的& 可以认为只和该 平方向同性的&+# 岩层的泊松比 .值有关& 这部分的有效水平地应力值为 . ! +, & /! # +. & * ( ) ,图# $ # % 井眼周围地层岩石受力示意图另一部分水平地应 力来源于地 质 构 造力 & 它 在 水 平的 两个主 方向上一 般是 不相等的 & 但都随埋藏深度的增加而线性增大 & 也就是说& 都和有效上覆岩层压力 某深处两个水平主地应力方向上的有效水平主地应力可以表示为 成正比* 因此& . 7 ( 3 4! 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