鉆井工程--課件第一頁(yè)，共129頁(yè)。第二頁(yè)，共129頁(yè)。問(wèn)題討論：《鉆井工程》的學(xué)習(xí)內(nèi)容應(yīng)有哪些？第三頁(yè)，共129頁(yè)。第四頁(yè)，共129頁(yè)。概述本章內(nèi)容及與相關(guān)學(xué)科的關(guān)系：本章講鉆井的客觀對(duì)象—地層。地層的知識(shí)涉及多門(mén)學(xué)科，如地質(zhì)學(xué)、沉積學(xué)、地質(zhì)構(gòu)造學(xué)、巖石力學(xué)等等，本章主要講與鉆井直接相關(guān)的地層知識(shí)。第五頁(yè)，共129頁(yè)。問(wèn)題討論：1)地層的知識(shí)對(duì)鉆井工程師重要嗎？2)鉆井工程師需要了解地層哪些方面的知識(shí)或信息？第六頁(yè)，共129頁(yè)。了解地層的重要性：如果對(duì)地層不了解或了解不多，鉆井就如瞎子走路，盲人摸象。軍事上有“知己知彼，百戰(zhàn)不殆”。鉆井工程師要想順利鉆井，也必須知己知彼。這個(gè)“己”是指設(shè)備、鉆具、人員和管理，這個(gè)“彼”就是指鉆井的客觀對(duì)象—地層。第七頁(yè)，共129頁(yè)。了解地層的具體作用：1)鉆井必須處理好井筒內(nèi)鉆井液與井壁地層之間的化學(xué)和壓力平衡問(wèn)題，即鉆井的安全問(wèn)題。否則會(huì)發(fā)生縮徑、井塌、卡鉆、井漏、井噴和壓裂地層等事故。這就必須了解井壁地層的穩(wěn)定性、地層孔隙的流體壓力和地層破裂壓力等。第八頁(yè)，共129頁(yè)。2)鉆井的質(zhì)量必須達(dá)到要求，其重要方面是要求打得準(zhǔn)，這就是井眼軌跡控制問(wèn)題。鉆井的井眼軌跡控制越來(lái)越重要，這就要求鉆井工程師必須了解地層的自然導(dǎo)向特性如地層傾角，掌握地層的自然造斜規(guī)律，以便為確定合理的軌跡控制方法、工具和工藝提供依據(jù)。第九頁(yè)，共129頁(yè)。3)鉆井的基本工作之一是破巖，這就必須了解地層巖石的可鉆性，以便為選用合適的鉆頭和確定合理的鉆進(jìn)參數(shù)提供依據(jù)。第十頁(yè)，共129頁(yè)。小結(jié)：一口井開(kāi)鉆之前，鉆井工程師應(yīng)充分認(rèn)識(shí)和了解該地區(qū)的工程地質(zhì)資料，不斷積累經(jīng)驗(yàn)。這是進(jìn)行一口井設(shè)計(jì)的重要基礎(chǔ)，也是一口井鉆井成敗的重要基礎(chǔ)。地層的基本重要特性之一：始終是介于黑箱和白箱之間的一個(gè)灰箱。第十一頁(yè)，共129頁(yè)。問(wèn)題討論：1)從地下取一巖石單元體，該單元體是否受有力的作用？2)如果受力作用，力從何而來(lái)？有何特點(diǎn)？第十二頁(yè)，共129頁(yè)。補(bǔ)充：地應(yīng)力和地應(yīng)力場(chǎng)自重應(yīng)力和自重應(yīng)力場(chǎng)：垂直方向?yàn)橹?，廣泛存在，是主要地應(yīng)力源。構(gòu)造應(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)：水平方向?yàn)橹?，僅在有構(gòu)造擠壓作用的地區(qū)存在。熱應(yīng)力：主要在熱異常地區(qū)有較大的值，一般地區(qū)很小。第十三頁(yè)，共129頁(yè)。1地下各種壓力的概念1.1靜液壓力定義和計(jì)算：由液柱自身的重力所產(chǎn)生的壓力，一般用ph表示，即：

ph=0.00981ρhl第十四頁(yè)，共129頁(yè)。

式中ph—靜液壓力，MPa；

ρ—液體的密度，g/cm3；

hl—液柱的垂直高度，m。靜液壓力舉例：壓力梯度概念及意義：

單位高度或深度增加的壓力。若用Gh表示靜液壓力梯度(MPa/m)，則

Gh=ph/hl=0.00981ρ當(dāng)量密度概念及意義：

ρ=ph/0.00981hl

第十五頁(yè)，共129頁(yè)。1.2上覆巖層壓力定義和性質(zhì)：地層某處的上覆巖層壓力是指該處以上地層巖石基質(zhì)和孔隙中流體的總重力所產(chǎn)生的壓力，一般用p0表示。計(jì)算方法一：假設(shè)上覆巖層的密度相同，設(shè)ρ0為沉積巖包括基質(zhì)和孔隙流體的平均密度，則：

p0=0.00981ρ0D第十六頁(yè)，共129頁(yè)。計(jì)算方法二：假設(shè)上覆巖層的密度相同，但分別考慮基質(zhì)和其中的孔隙流體，則：

p0=0.00981D〔﹙1-φ﹚ρma+φρ〕計(jì)算方法三：由于上覆巖層的巖性和密度不同，p0可以分段計(jì)算再迭加，這樣更準(zhǔn)確。第十七頁(yè)，共129頁(yè)。

式中：

p0

—上覆巖層壓力，MPa；

D—地層垂直深度，m；

φ—巖石孔隙度，%；

ρma—巖石骨架密度，g/cm3；

ρ—孔隙中流體密度，g/cm3

ρ0—沉積巖包括基質(zhì)和孔隙流體的平均密度，g/cm3

。第十八頁(yè)，共129頁(yè)。上覆巖層壓力隨深度變化特點(diǎn)：由于沉積壓實(shí)作用，上覆巖層壓力隨深度增加不象靜液壓力那樣線(xiàn)性增大，而是增大越快且不均勻。上覆巖層壓力梯度G0：可把p0進(jìn)似看作隨深度線(xiàn)性增大。工程上常用G0的平均值0.0227MPa/m來(lái)做進(jìn)似計(jì)算，但G0的實(shí)際變化范圍為0.0170～0.0294MPa/m之間。海上鉆井特殊情況：第十九頁(yè)，共129頁(yè)。1.3地層壓力定義：指地層孔隙流體所具有的壓力，也稱(chēng)地層孔隙壓力，一般用pp表示。正常地層壓力：等于從地表到地下某處連續(xù)地層水的靜液壓力。正常地層壓力梯度(用Gp表示)為0.00981MPa/m～0.0105MPa/m。第二十頁(yè)，共129頁(yè)。異常地層壓力：指實(shí)際的地層壓力大于或小于正常地層壓力的現(xiàn)象。超過(guò)正常地層壓力的（pp＞ph）稱(chēng)為異常高壓，而低于正常地層壓力的（pp＜ph）稱(chēng)為異常低壓。第二十一頁(yè)，共129頁(yè)。1.4基巖應(yīng)力(垂直自重基巖應(yīng)力)定義：由巖石顆粒之間相互接觸來(lái)支撐的那部分上覆巖層壓力，亦稱(chēng)有效上覆巖層壓力或顆粒間壓力，這部分壓力是不被孔隙水所承擔(dān)的。用σ來(lái)表示。第二十二頁(yè)，共129頁(yè)。1.5重力場(chǎng)下幾個(gè)壓力的關(guān)系以上所述地下各種壓力之間的關(guān)系可用圖(1-1)和式(1-5)來(lái)說(shuō)明。po=pp+σ式中：

po—上覆巖層壓力，MPa；

pp—地層壓力，MPa；σ—基巖應(yīng)力，即垂直自重基巖應(yīng)力，MPa。第二十三頁(yè)，共129頁(yè)。第二十四頁(yè)，共129頁(yè)。1.6異常低壓異常低壓的范圍和成因：低的只有靜液壓力梯度的一半。成因：1)多年開(kāi)采的油氣藏而又沒(méi)有足夠的壓力補(bǔ)充；2)地下水位很低的地區(qū)(畫(huà)圖)；3)石灰?guī)r地區(qū)的裂縫和溶洞地層。第二十五頁(yè)，共129頁(yè)。1.7異常高壓異常高壓的分布特點(diǎn)：在世界各地廣泛存在，從新生代更新統(tǒng)到古生代寒武系、震旦系都曾遇到。第二十六頁(yè)，共129頁(yè)。兩種壓力體系對(duì)比：正常地層壓力體系是一個(gè)“開(kāi)啟”系統(tǒng)，即可滲透的、流體可以流通的地層，它允許不斷建立靜液壓力條件。與此相反，異常高壓地層壓力系統(tǒng)是“封閉”的。且上部基巖重力的部分是由巖石孔隙內(nèi)的流體所支撐的(畫(huà)圖)。

第二十七頁(yè)，共129頁(yè)。第二十八頁(yè)，共129頁(yè)。第二十九頁(yè)，共129頁(yè)。異常高壓的范圍：通常認(rèn)為其上限為上覆巖層壓力。但也曾遇到比上覆巖層壓力高的超高壓地層(超過(guò)40%)，因?yàn)榈貙佑袕?qiáng)度。第三十頁(yè)，共129頁(yè)。異常高壓的成因：普遍公認(rèn)的成因主要有沉積壓實(shí)不均、滲透作用、構(gòu)造作用、水熱增壓、同一水動(dòng)力系統(tǒng)的露頭高等，且常常是多種因素綜合作用的結(jié)果。第三十一頁(yè)，共129頁(yè)。1.8地層破裂壓力在井下一定深度裸露的地層，承受流體壓力的能力是有限的，當(dāng)液體壓力達(dá)到一定數(shù)值時(shí)會(huì)使地層破裂，這個(gè)液體壓力稱(chēng)為地層破裂壓力，一般用pf表示。第三十二頁(yè)，共129頁(yè)。1.9地層坍塌壓力在井下一定深度裸露的地層，其力學(xué)穩(wěn)定性可能是有限的，當(dāng)井內(nèi)鉆井液柱壓力低于某一值時(shí)，地層會(huì)出現(xiàn)明顯的縮徑或垮塌，我們就稱(chēng)這個(gè)鉆井液壓力為地層坍塌壓力。第三十三頁(yè)，共129頁(yè)。2地層壓力(異常高壓)檢測(cè)地層壓力檢測(cè)的重要性：地層壓力檢測(cè)特點(diǎn)：有多種檢測(cè)方法，但都有一定的局限性。因?yàn)楫惓８邏旱貙拥某梢蚨喾N多樣，且地下情況復(fù)雜多變。應(yīng)針對(duì)具體情況，用幾種方法進(jìn)綜合檢測(cè)。第三十四頁(yè)，共129頁(yè)。地層壓力檢測(cè)方法分類(lèi)：分為兩類(lèi)，一類(lèi)是用鄰井資料或地球物理資料進(jìn)行壓力預(yù)測(cè)，以便新井設(shè)計(jì)；另一類(lèi)是根據(jù)所鉆井的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行壓力監(jiān)測(cè)，以便調(diào)整鉆井措施。地層壓力(異常高壓)檢測(cè)原理：第三十五頁(yè)，共129頁(yè)。第三十六頁(yè)，共129頁(yè)。第三十七頁(yè)，共129頁(yè)。3地層破裂壓力檢測(cè)檢測(cè)方法現(xiàn)狀：提出了數(shù)種檢測(cè)方法，但都有一定的局限性。3.1休伯特和威利斯法重力場(chǎng)下地下巖石的應(yīng)力狀態(tài)：第三十八頁(yè)，共129頁(yè)。

三維不均勻主應(yīng)力狀態(tài)，三個(gè)主應(yīng)力互相垂直。最大主應(yīng)力σ1為垂直方向，大小等于有效上覆巖層壓力(即骨架應(yīng)力)，最小主應(yīng)力σ3和介于σ1與σ3之間的主應(yīng)力σ2在水平方向上互相垂直。最小主應(yīng)力σ3的大小等于(1/3～1/2)σ1(畫(huà)圖)。第三十九頁(yè)，共129頁(yè)。檢測(cè)原理：pf=pp+σ3=pp+(1/3-1/2)σ1σ1=p0-pppf=pp+(1/3-1/2)(p0-pp)理論預(yù)測(cè)方法的局限性：第四十頁(yè)，共129頁(yè)。3.2液壓實(shí)驗(yàn)法也稱(chēng)漏失試驗(yàn)，在下完一層套管，注完水泥和鉆過(guò)水泥塞后進(jìn)行。也可以在鉆井過(guò)程中用封隔器對(duì)地層進(jìn)行(畫(huà)圖)。

第四十一頁(yè)，共129頁(yè)。液壓實(shí)驗(yàn)法的步驟：1)調(diào)節(jié)鉆井液性能，保證其穩(wěn)定，上提鉆頭至套管鞋內(nèi)，關(guān)閉防噴器；2)用較小排量(0.66～1.32L/s)向井內(nèi)注入鉆井液，并記錄各個(gè)時(shí)期的注入量及立管壓力；第四十二頁(yè)，共129頁(yè)。3)作立管壓力與累計(jì)泵入量的關(guān)系曲線(xiàn)圖(圖1-8)；4)從圖上確定各個(gè)壓力值(漏失壓力、開(kāi)裂壓力和傳播壓力)；第四十三頁(yè)，共129頁(yè)。第四十四頁(yè)，共129頁(yè)。第四十五頁(yè)，共129頁(yè)。5)求地層破裂壓力pf：pf=0.00981ρmD+pL

式中：

ρm—試驗(yàn)用鉆井液密度，g/cm3；

pL—漏失壓力，MPa；

D—試驗(yàn)井深，m。第四十六頁(yè)，共129頁(yè)。說(shuō)明：液壓實(shí)驗(yàn)法適用于砂泥巖為主的地層。對(duì)石灰?guī)r、白云巖等硬地層的液壓試驗(yàn)有待實(shí)驗(yàn)研究。第四十七頁(yè)，共129頁(yè)。第四十八頁(yè)，共129頁(yè)。4.2經(jīng)驗(yàn)法確定地層坍塌壓力第四十九頁(yè)，共129頁(yè)。意義：在鉆井過(guò)程中，我們不僅要提高破碎巖石的效率和控制好井眼軌跡，還要保證井壁巖層的穩(wěn)定，這些都取決于我們對(duì)地層的相關(guān)壓力和巖石的工程力學(xué)性質(zhì)的認(rèn)識(shí)和了解。第五十頁(yè)，共129頁(yè)。問(wèn)題討論：1)你知道的材料機(jī)械性質(zhì)有哪些？2)從總體規(guī)律看，隨井眼垂深增加，機(jī)械鉆速減小，為什么？3)在隨垂深減小的總體規(guī)律中，一些井段會(huì)出現(xiàn)機(jī)械鉆速相對(duì)增大，為什么？4)鉆井工程師可以通過(guò)哪些途徑認(rèn)識(shí)和了解待鉆地層巖石的工程力學(xué)性質(zhì)？第五十一頁(yè)，共129頁(yè)。本節(jié)內(nèi)容：結(jié)合鉆井工程闡明巖石的機(jī)械性質(zhì)以及影響這些性質(zhì)的有關(guān)因素，為正確掌握鉆井工程的主要理論與技術(shù)打下必要的基礎(chǔ)。第五十二頁(yè)，共129頁(yè)。1）實(shí)鉆2）錄井（鉆時(shí)、巖芯、巖屑）3）測(cè)井（密度、孔隙度）4）經(jīng)驗(yàn)第五十三頁(yè)，共129頁(yè)。1.1沉積巖及其基本特性1)巖石的礦物組成：巖石是造巖礦物顆粒的結(jié)合體，最主要的造巖礦物分為八類(lèi)，有20余種，見(jiàn)表1-1。第五十四頁(yè)，共129頁(yè)。礦物名稱(chēng)密度摩氏硬度Ⅰ．鋁硅酸鹽（長(zhǎng)石族）正長(zhǎng)石鉀微斜長(zhǎng)石鈉長(zhǎng)石鈉鈣長(zhǎng)石中長(zhǎng)石鈣鈉斜長(zhǎng)石鈣長(zhǎng)石2.572.542.62~2.652.65~2.672.67~2.692.70~2.732.74~2.7666~6.56~6.55.5~65~65~66~6.5第五十五頁(yè)，共129頁(yè)。礦物名稱(chēng)密度摩氏硬度似長(zhǎng)石類(lèi)霞石白榴石2.55~2.652.45~2.505.5~65.5~6II．云母（層狀硅酸鹽）白云母黑云母2.76~32.70~3.12~2.52.5~3第五十六頁(yè)，共129頁(yè)。III鐵鎂硅酸鹽輝石普通輝石普通角閃石橄欖石3.33.26~3.433.05~3.473.27~3.375~65~65~66.5~7IV.氧化物類(lèi)石英石髓(玉髓)蛋白石磁鐵礦等2.60~2.66-1.9~2.3-775.5~6.5-第五十七頁(yè)，共129頁(yè)。V.碳酸鹽礦物方解石文石(霰石)白云石2.71~2.722.93~2.952.8~2.933.5~43.5~4VI.硫酸鹽礦物無(wú)水石膏石膏2.9~2.992.37~2.333~3.51.5~2第五十八頁(yè)，共129頁(yè)。VII.鹵化物巖鹽2.132~2.5VIII.粘土礦物(層狀硅酸鹽)高嶺石微晶高嶺石2.6~2.63-1~2.5第五十九頁(yè)，共129頁(yè)。

氧化物(石英)>鐵鎂硅酸鹽(輝石、角閃石、橄欖石)>鋁硅酸鹽即長(zhǎng)石族>碳酸鹽礦物(方解石、白云石)>硫酸鹽礦物(石膏)>云母>鹵化物(巖鹽)>粘土礦物第六十頁(yè)，共129頁(yè)。2)巖石的結(jié)構(gòu)：是說(shuō)明小塊巖石的組織特征的，主要指巖石晶體的結(jié)構(gòu)和膠結(jié)物的結(jié)構(gòu)。據(jù)此可分沉積巖為結(jié)晶沉積巖和碎屑沉積巖兩大類(lèi)。3)巖石的構(gòu)造：是指巖石在大范圍內(nèi)的結(jié)構(gòu)特征，對(duì)沉積巖主要包括層理和頁(yè)理。4)巖石的其它物理性質(zhì)：密度、孔隙度等。第六十一頁(yè)，共129頁(yè)。1.2巖石的彈性1.3巖石的強(qiáng)度1.3.1巖石強(qiáng)度的概念1)定義：巖石在一定條件下受外力的作用達(dá)到破壞時(shí)的應(yīng)力，單位是Pa,一般用MPa。第六十二頁(yè)，共129頁(yè)。2)決定巖石強(qiáng)度大小的內(nèi)因：取決于巖石的“內(nèi)聚力”和巖石顆粒間的“內(nèi)摩擦力”。內(nèi)聚力為礦物晶體或碎屑間的相互作用力，或是礦物顆粒與膠結(jié)物之間的連接力。內(nèi)摩擦力是顆粒之間的原始接觸狀態(tài)即將被破壞而要產(chǎn)生位移時(shí)的摩擦阻力。堅(jiān)固巖石和塑性巖石的強(qiáng)度主要取決于巖石的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦力；松散巖石的強(qiáng)度主要取決于內(nèi)摩擦力。第六十三頁(yè)，共129頁(yè)。3)影響巖石強(qiáng)度的因素：分為自然因素和工藝技術(shù)因素兩類(lèi)。自然因素：巖石的礦物成分(對(duì)沉積巖而言還包括膠結(jié)物的成分和比例)、礦物顆粒的大小、巖石的構(gòu)造、結(jié)構(gòu)及缺陷，巖石的密度和孔隙度(舉例)。第六十四頁(yè)，共129頁(yè)。巖石強(qiáng)度隨埋深的變化：同種巖石一般隨著埋藏深度的增加，其孔隙度減小，密度增大，地質(zhì)年代越老，因此強(qiáng)度增加。巖石強(qiáng)度的各向異性：沉積巖存在層理，其強(qiáng)度有異向性。結(jié)晶巖的各向異性大于碎屑巖。第六十五頁(yè)，共129頁(yè)。工藝技術(shù)因素：巖石的受載方式、外載作用的速度、液體介質(zhì)性質(zhì)不同，相同巖石的強(qiáng)度不同；巖石的應(yīng)力狀態(tài)不同，相同巖石的強(qiáng)度差別也很大。1.3.2簡(jiǎn)單應(yīng)力條件下巖石的強(qiáng)度1)定義和種類(lèi)：2)實(shí)驗(yàn)方法：3)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：表1-4～表1-6。第六十六頁(yè)，共129頁(yè)。第六十七頁(yè)，共129頁(yè)。第六十八頁(yè)，共129頁(yè)。巖石抗壓抗拉抗剪抗彎粗粒砂巖1425.14-10.3中粒砂巖1515.2-13.1細(xì)粒砂巖1857.95-24.9頁(yè)巖14~611.7~8-36泥巖183.2-3.5石膏171.9-6含膏石灰?guī)r422.4-6.5第六十九頁(yè)，共129頁(yè)。安山巖98.65.898白云巖1626.9118石灰?guī)r1389.1145花崗巖16612198正長(zhǎng)巖215.214.3221輝長(zhǎng)巖23013.5244石英巖30514.4316輝綠巖34313.4347第七十頁(yè)，共129頁(yè)。巖石抗壓抗拉抗彎抗剪花崗巖10.02~0.040.030.09砂巖10.02~0.050.06~0.200.10~0.12石灰?guī)r10.04~0.100.08~0.100.15第七十一頁(yè)，共129頁(yè)。巖石抗拉抗彎抗剪抗壓//⊥//⊥//⊥//⊥粗砂巖4.45~5.311157142~176中粒砂巖7.75.216~2313~1934~5948~62117~211147~200細(xì)砂巖8~116~821~271845~5952~65138~241133~220粉砂巖--2.3~174.35~1113~2034~10455~115第七十二頁(yè)，共129頁(yè)。4)簡(jiǎn)單應(yīng)力條件下巖石強(qiáng)度規(guī)律：

a)抗拉<抗彎≤抗剪<抗壓。

b)強(qiáng)度有各向異性。5)簡(jiǎn)單應(yīng)力條件下巖石強(qiáng)度的意義：雖不能直接用于石油鉆井的井下條件，但仍將巖石的抗壓強(qiáng)度作為鉆頭選型的參考。第七十三頁(yè)，共129頁(yè)。1.3.3復(fù)雜應(yīng)力條件下巖石的強(qiáng)度1)三軸巖石試驗(yàn)方法：圖1-9(A)(B)。圖1-9(A)中方案a是最常見(jiàn)的常規(guī)三軸試驗(yàn)。將圓柱狀的巖樣置于高壓容器中，用不變液壓p使其四周處于均勻壓縮狀態(tài)，然后縱向加載至破壞，記錄縱向的應(yīng)力和應(yīng)變關(guān)系曲線(xiàn)。第七十四頁(yè)，共129頁(yè)。第七十五頁(yè)，共129頁(yè)。第七十六頁(yè)，共129頁(yè)。三軸應(yīng)力條件下巖石的強(qiáng)度變化特點(diǎn)：

(圖1-10和圖1-11)。第七十七頁(yè)，共129頁(yè)。第七十八頁(yè)，共129頁(yè)。第七十九頁(yè)，共129頁(yè)。1)圍壓增加，巖石強(qiáng)度增大。2)隨圍壓增加，不同類(lèi)型巖石強(qiáng)度增加幅度不一樣。3)圍壓對(duì)強(qiáng)度的影響程度不是在所有圍壓范圍內(nèi)都一樣。在開(kāi)始增大圍壓時(shí)，巖石的強(qiáng)度增加比較明顯，再繼續(xù)增加圍壓時(shí)，相應(yīng)的強(qiáng)度增量就變得越來(lái)越小，最后當(dāng)圍壓很高時(shí)，有些巖石的強(qiáng)度便趨于常量。4)圍壓增加，巖石脆性減小，塑性增大。第八十頁(yè)，共129頁(yè)。1.4巖石的脆性和塑性1)試驗(yàn)方法和定義：在圖1-12的裝置上進(jìn)行壓入破碎實(shí)驗(yàn)。用平底圓柱壓頭(圖1-13)加載壓入巖樣，記錄載荷與吃入深度的相關(guān)曲線(xiàn)(圖1-14)。可得三種典型形態(tài)，據(jù)此可把巖石分為脆性巖石、塑性巖石和塑脆性巖石大三類(lèi)。第八十一頁(yè)，共129頁(yè)。第八十二頁(yè)，共129頁(yè)。第八十三頁(yè)，共129頁(yè)。第八十四頁(yè)，共129頁(yè)。2)定量表征巖石塑性和脆性大小的方法—塑性系數(shù)：塑性系數(shù)為巖石破碎前耗費(fèi)的總功AF與巖石破碎前彈性變形功AE

的比值。計(jì)算依據(jù)圖1-14曲線(xiàn)。第八十五頁(yè)，共129頁(yè)。脆性巖石：AF與AE

相等，故Kp=1塑脆性巖石：

Kp=AF

/AE

=OABC的面積/ODE的面積塑性巖石：Kp=6～∞分級(jí)：根據(jù)塑性系數(shù)的大小分為三類(lèi)六級(jí)，見(jiàn)表1-7。第八十六頁(yè)，共129頁(yè)。類(lèi)別脆性塑脆性塑性低塑性→高塑性級(jí)別123456Kp1>1~22~33~44~6>6~∞第八十七頁(yè)，共129頁(yè)。3)巖石由脆性向塑性轉(zhuǎn)變的性質(zhì)：在三軸應(yīng)力條件下，隨著圍壓的增大，巖石表現(xiàn)出從脆性向塑性的轉(zhuǎn)變，并且圍壓越大，巖石破壞前所呈現(xiàn)的塑性也越大。第八十八頁(yè)，共129頁(yè)。4)巖石由脆性向塑性轉(zhuǎn)變的標(biāo)志：巖石在高圍壓下的塑性性質(zhì)可以從應(yīng)力—應(yīng)變曲線(xiàn)看出來(lái)。一般認(rèn)為，當(dāng)巖石的總應(yīng)變量達(dá)到3%～5%時(shí)就可以說(shuō)該巖石已開(kāi)始具有塑性性質(zhì)或已實(shí)現(xiàn)了脆性向塑性的轉(zhuǎn)變。第八十九頁(yè)，共129頁(yè)。5)巖石由脆轉(zhuǎn)塑的實(shí)例：圖1-10，大理巖和砂巖的圍壓分別超過(guò)23.5MPa和27.5MPa后，已開(kāi)始呈現(xiàn)塑性狀態(tài)。第九十頁(yè)，共129頁(yè)。第九十一頁(yè)，共129頁(yè)。表1-8中列出了幾種巖石破壞前所達(dá)到的應(yīng)變量?？梢钥闯?，除了石英砂巖外，其余巖石在100MPa以上均具有明顯的塑性性質(zhì)。第九十二頁(yè)，共129頁(yè)。巖石圍壓100MPa圍壓200MPa破壞前的應(yīng)變量/%石英砂巖2.93.8白云巖7.313.0硬石膏7.022.3大理巖22.028.8砂巖25.825.9石灰?guī)r29.127.2頁(yè)巖15.025.0鹽巖28.827.5第九十三頁(yè)，共129頁(yè)。6)了解巖石從脆性向塑性轉(zhuǎn)變圍壓的意義：是選擇和使用鉆頭的重要依據(jù)。因?yàn)榇嘈云茐暮退苄云茐氖莾煞N不同的破壞方式，破壞這兩類(lèi)巖石要應(yīng)用不同結(jié)構(gòu)類(lèi)型的鉆頭、不同的破碎方式和不同的破碎參數(shù)的合理組合，才能取得較好的破巖效果。第九十四頁(yè)，共129頁(yè)。1.5巖石的硬度定義：是巖石抵抗其他物體表面壓入或侵入的能力。硬度與抗壓強(qiáng)度：巖石的硬度與組成巖石的礦物顆粒的硬度：巖石硬度標(biāo)準(zhǔn)：摩氏硬度和壓入硬度(史氏硬度)。第九十五頁(yè)，共129頁(yè)。1)摩氏硬度(相對(duì)硬度)：用10種礦物作為摩氏硬度的標(biāo)準(zhǔn)：滑石(1度)、石膏(2度)、方解石(3度)、螢石(4度)、磷灰石(5度)、長(zhǎng)石(6度)、石英(7度)、黃玉(8度)、剛玉(9度)、金剛石(10度)。第九十六頁(yè)，共129頁(yè)?，F(xiàn)場(chǎng)更簡(jiǎn)便的方法：指甲(2.5度)、鐵刀(3.5度)、普通鋼刀(5度)、玻璃(5.5度)、鋸條(6度)、銼刀(7度)、硬合金(9度)等刻劃礦物或巖石鑒別其硬度。摩氏硬度的意義：是選擇破巖工具的參考依據(jù)。第九十七頁(yè)，共129頁(yè)。2)壓入硬度(史氏硬度)：

測(cè)試裝置見(jiàn)圖1-12～圖1-123，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖1-14。第九十八頁(yè)，共129頁(yè)。第九十九頁(yè)，共129頁(yè)。第一百頁(yè)，共129頁(yè)。第一百零一頁(yè)，共129頁(yè)。三類(lèi)巖石的硬度計(jì)算方法如下：脆性巖石和塑脆性巖石：

pY=p/S式中：pY—壓入硬度，MPa；

p—脆性破碎時(shí)壓頭上載荷，N；

S—壓頭的底面積，mm2。塑性巖石：取產(chǎn)生屈服時(shí)的載荷pOY

代替p，即：

pY=pOY

/S第一百零二頁(yè)，共129頁(yè)。我國(guó)按壓入硬度的大小將巖石分為六類(lèi)12級(jí)，作為選擇鉆頭的主要依據(jù)之一(表1-9)。第一百零三頁(yè)，共129頁(yè)。類(lèi)別軟中軟中硬硬堅(jiān)硬極硬級(jí)別123456789101112Py≤11~2.52.5~55~1010~1515~2020~3030~4040~5050~6060~70>70第一百零四頁(yè)，共129頁(yè)。壓入硬度的意義：因?yàn)殂@頭是在井底巖層表面施加載荷，使其發(fā)生局部破碎的，故壓入硬度在鉆井的巖石破碎過(guò)程中有一定的代表性，能在一定程度上反映鉆井時(shí)巖石抗破碎的能力。第一百零五頁(yè)，共129頁(yè)。定義：巖石磨損鉆頭切削刃的能力稱(chēng)為巖石的研磨性。意義：對(duì)于正確地設(shè)計(jì)和選擇使用鉆頭，延長(zhǎng)鉆頭壽命，提高鉆頭進(jìn)尺，提高鉆井速度有重要的意義。第一百零六頁(yè)，共129頁(yè)。研磨性問(wèn)題的特點(diǎn)和研究現(xiàn)狀：鉆頭刃部表面的研磨性磨損除了與摩擦付材料的性質(zhì)有關(guān)外，還取決于摩擦的類(lèi)型和特點(diǎn)、摩擦表面的形狀和尺寸、摩擦面的溫度、摩擦體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度、摩擦體間的接觸應(yīng)力、磨損產(chǎn)物的性質(zhì)及其清除情況、參與摩擦的介質(zhì)等因素。是十分復(fù)雜和研究得很不夠的領(lǐng)域。第一百零七頁(yè)，共129頁(yè)。第一百零八頁(yè)，共129頁(yè)。概念：是巖石抗鉆頭破碎的能力，或?yàn)樵谝欢ㄣ@頭規(guī)格、類(lèi)型及鉆井工藝條件下巖石抵抗鉆頭破碎的能力。通俗地說(shuō)，是指巖石好不好鉆。第一百零九頁(yè)，共129頁(yè)。意義：可鉆性的概念，已經(jīng)把巖石性質(zhì)由強(qiáng)度、硬度等比較一般性的概念，引向了與鉆孔有聯(lián)系的概念，在實(shí)際應(yīng)用方面占有重要的地位。通常鉆頭的選型、確定鉆頭工作參數(shù)、預(yù)測(cè)鉆頭工作指標(biāo)等都以巖石可鉆性為基礎(chǔ)。第一百一十頁(yè)，共129頁(yè)。巖石可鉆性問(wèn)題的特點(diǎn)和解決辦法：是巖石在鉆進(jìn)過(guò)程中顯示出的綜合性指標(biāo)，取決于許多因素(舉例)。要找出與其影響因素間的定量關(guān)系是比較復(fù)雜和困難的，巖石可鉆性只能在這種或那種具體破碎方法和工藝規(guī)程下，通過(guò)試驗(yàn)來(lái)確定。第一百一十一頁(yè)，共129頁(yè)。巖石可鉆性測(cè)定和分級(jí)方法的現(xiàn)狀：不統(tǒng)一。我國(guó)石油系統(tǒng)巖石可鉆性測(cè)定和分級(jí)方法：(尹宏錦,1987)在巖石可鉆性測(cè)定儀上使用31.75mm直徑鉆頭，鉆壓889.66N，轉(zhuǎn)速55r/min的鉆進(jìn)參數(shù)，第一百一十二頁(yè)，共129頁(yè)。

在標(biāo)準(zhǔn)巖樣上鉆三個(gè)孔，孔深2.4mm，取三個(gè)孔鉆進(jìn)時(shí)間的平均值為巖樣的鉆時(shí)(td)，對(duì)td取以2為底的對(duì)數(shù)值作為該巖樣的可鉆性級(jí)值Kd，一般Kd取整數(shù)值。Kd=log2td

（1-38）我國(guó)將地層可鉆性按Kd的整數(shù)值分為10級(jí)。各主要油田地層可鉆性等級(jí)所占比例見(jiàn)表1-14。第一百一十三頁(yè)，共129頁(yè)。

等級(jí)油田ⅠⅡⅢⅣⅤⅥⅦⅧⅨⅩ大港6.416.829.227.914.84.240.1勝利8.011.918.922.118.912.0520.80.2蘇北6.57.711.915.517.115.511.77.63.92.6西北0.010.34.515.347.526.05.80.40.1江漢2.15.111.418.421.719.512.76.22.2華北4.26.311.216.118.517.212.97.73.82.1大慶0.62.26.714.021.322.917.69.53.91.3四川0.070.433.914.228.229.917.16.00.90.01第一百一十四頁(yè)，共129頁(yè)。意義：2.1井眼周?chē)貙訋r石的受力

第一百一十五頁(yè)，共129頁(yè)。第一百一十六頁(yè)，共129頁(yè)。由圖1-15有：1)圍壓(σ1、σ2、σ3)；2)巖石內(nèi)孔隙流體的壓力pp；3)鉆井液柱壓力ph。第一百一十七頁(yè)，共129頁(yè)。2.2井底各種壓力對(duì)巖石性能的影響2.2.1圍壓的影響圍壓對(duì)井壁穩(wěn)定性的的影響：1)圍壓越大和越不均勻，井壁越不穩(wěn)定。2)pf與圍壓的大小緊密相關(guān)。3)如果ρm太小，軟弱巖層就會(huì)產(chǎn)生剪切破壞而坍塌或者出現(xiàn)塑性流動(dòng)而縮徑；如果ρm過(guò)大，又會(huì)使地層破裂；故ρm應(yīng)合適。第一百一十八頁(yè)，共129頁(yè)。2.2.2孔隙壓力的影響1)各向壓縮效應(yīng)：增大圍壓一方面增大巖石的強(qiáng)度，另一方面也增大巖石的塑性，這兩方面的作用統(tǒng)稱(chēng)為“各向壓縮效應(yīng)”。第一百一十九頁(yè)，共129頁(yè)?？紫秹毫Φ挠绊懀航档土藥r石的各向壓縮效應(yīng)。在考慮井壁的穩(wěn)定時(shí)應(yīng)對(duì)孔隙壓力給予足夠的重視。相反，在鉆井中孔隙壓力