钻井的工程地质条件

ph=0.00981ρhl
(1-1)
式中：ph—静液压力，MPa；ρ—液体密度，g/cm3；
hl —液柱垂直高度，m。
静液压力梯度 — 单位深度的液柱压力称为静液压力梯度。
Gh＝ ph / hl＝0.00981ρ
（1-2）
• 两类地层水：淡水：Gh=0.00981 MPa/m；ρ=1.0 g/cm3
Po = Pp + σ
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（五）地下各种压力的关系
上覆岩层压力由岩石骨架和 孔隙中的流体共同承担。 上覆岩层压力、地层压力和基 岩应力之间存在以下关系：
po pp
当 po 一定时，σ↓，pp↑， σ→0，pp→po。 地层的孔隙压力增大Leabharlann Baidu基岩应 力必然减小。
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地层沉降压实的机理：
沉积物的压缩过程是由上覆沉积层的重力引起的。随着地层的沉 降，上覆沉积物重复的增加，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，地层水自上而下形成连续的正常 的静液压力系统。
• 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(pp>ph )称为异常高压。 • 低于正常地层静液压力的地层压力(pp <ph )称为异常低压。
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（四）基岩应力（Matrix stress）
上覆岩层压力由岩石的基质颗粒（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σ表示。
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 异常高压的成因 地层破裂压力 岩石的力学特性
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第一节 地下压力特性
一、地下各种压力的概念
（一）静液压力（Hydrostatic pressure）
静液压力—由液柱自身的重力所引起的压力,其大小与液体的密度 与液柱的垂直高度或深度。
（1）形成异常高压的地质条件 ① 地层具有保存流体的空隙； ② 地层周围存在不渗透围栅，构成圈闭； ③ 具有一定的埋藏深度。
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（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，而圈闭在地层孔隙内的流体排不出去，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。
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正常地层压力的形成：
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 中的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。
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（六）异常地层压力的成因 异常低压和异常高压统称为异常压力（abnormal pressure）。
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正常地层压力的形成
异常高压的形成
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（2）异常高压的成因
其它原因： ① 高的供水源 ② 地质构造作用：造成地层上升、巨大地应力的挤压 ③ 水热增压作用：温度升高，流体体积膨胀 ④ 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。
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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。
盐水：Gh= 0.0105 MPa/m；ρ=1.05 g/cm3
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（二）上覆岩层压力（Overburden pressure）
上覆岩层压力—地层某处的上覆岩层压力是该处以上地层（包括 岩石基质和岩石孔隙中流体）总重力所产生的压力。
p o
=
基岩重力+ 流体重力 面积
p 0.00981D[(1 )
式中：Δt——声波时差；
ρ——岩层密度， ρ=f(φ)；
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二、 地层压力评价 地层压力预测（钻前）：
• 地震资料法：地震法（层速度） • 测井资料法：声波时差法；页岩电阻率法
地层压力监测（钻进中）：
• dc指数法 • 页岩密度法 • 标准化钻速法
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（一）地层压力预测
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。
t (1 ) 3E(1 )
1 ． 异 常 低 压 （ abnormal low pressure ） ： 地 层 压 力 梯 度 小 于 0.00981MPa／m（即正常地层压力梯度）。
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。 （2）地下水位很低。
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2．异常高压（abnormal high pressure）：地层压力梯度大于地层 流体的静液压力梯度（0.00981～0.0105MPa/m)。
地层密度的确定 • 密度测井法
• 声波测井法： o = T ma -2.11*( T - T ma ) / ( T f+ T )
上覆岩层压力梯度 Go
poi Di
(0.00981oi Di )
Di
• 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 2.5g/cm3 ， 上 覆 岩 层 压 力 梯 度 一 般 为
]
o
ma
po (0.00981oi Di ) （分段计算）
式中：p0 —上覆岩层压力，MPa； D—地层垂直深度，m；
φ—岩石孔隙度，%；
ρma—岩石骨架密度，g/cm3；
ρ—孔隙中流体密度，g/cm3；ρ0i—地层密度， g/cm3。
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（二）上覆岩层压力（Overburden pressure）
0.0227MPa/m。
• 在实际钻井过程中，以钻台面作为上覆岩层压力的基准面。
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（三）地层压力（Formation pressure）
地层压力—指岩石孔隙中的流体所具有的压力，也称地层孔隙压力
（formation pore pressure），用pp 表示。
• 正常地层压力— 等于地层流体的静液压力，pp=ph。