钻井工程--课件

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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,
一般用pf表示。
1.9 地层坍塌压力
在井下一定深度裸露的地层,其力 学稳定性可能是有限的,当井内钻 井液柱压力低于某一值时,地层会 出现明显的缩径或垮塌,我们就称 这个钻井液压力为地层坍塌压力。
3)钻井的基本工作之一是破岩,这 就必须了解地层岩石的可钻性, 以便为选用合适的钻头和确定合 理的钻进参数提供依据。
小结:一口井开钻之前,钻井工 程师应充分认识和了解该地区的 工程地质资料,不断积累经验。 这是进行一口井设计的重要基础, 也是一口井钻井成败的重要基础。
地层的基本重要特性之一:始终 是介于黑箱和白箱之间的一个灰 箱。
2)从总体规律看,随井眼垂深增加, 机械钻速减小,为什么?
3)在随垂深减小的总体规律中,一些 井段会出现机械钻速相对增大,为什 么?
4)钻井工程师可以通过哪些途径认识 和了解待钻地层岩石的工程力学性质?
本节内容:结合钻井工程阐明岩 石的机械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。
计算方法一:假设上覆岩层的密 度相同,设ρ0为沉积岩包括基质 和孔隙流体的平均密度,则:
p0=0.00981ρ0 D
计算方法二:假设上覆岩层的密 度相同,但分别考虑基质和其中 的孔隙流体,则:
p0=0.00981D〔﹙1-φ﹚ρma+φρ〕
计算方法三:由于上覆岩层的岩 性和密度不同,p0可以分段计算 再迭加,这样更准确。
热应力:主要在热异常地区有较大 的值,一般地区很小。
1 地下各种压力的概念 1.1 静液压力 定义和计算:由液柱自身的重力所
产生的压力,一般用ph表示,即:
ph=0.00981ρhl
式中 ρp—h—液静体液的压密力度,,Mg/Pcam;3; hl—液柱的垂直高度,m。
静液压力举例:
补充:获取岩石机械性质的途径
1)实钻 2)录井(钻时、岩芯、岩屑) 3)测井(密度、孔隙度) 4)经验
1 岩石的机械性质
1.1 沉积岩及其基本特性
1)岩石的矿物组成: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20余种,见 表1-1。
表1-1 主要造岩矿物
地层压力(异常高压)检测原理:
3 地层破裂压力检测 检测方法现状:提出了数种检测
方法,但都有一定的局限性。 3.1 休伯特和威利斯法 重力场下地下岩石的应力状态:
三维不均匀主应力状态,三个主
应力互相垂直。最大主应力σ1为
垂直方向,大小等于有效上覆岩层 压力(即骨架应力),最小主应力
2 地层压力(异常高压)检测
地层压力检测的重要性:
地层压力检测特点:有多种检测 方法,但都有一定的局限性。因 为异常高压地层的成因多种多样, 且地下情况复杂多变。应针对具 体情况,用几种方法进综合检测。
地层压力检测方法分类:
分为两类,一类是用邻井资料 或地球物理资料进行压力预测, 以便新井设计;另一类是根据所 钻井的实时数据进行压力监测, 以便调整钻井措施。
式中: po—上覆岩层压力,MPa; pp—地层压力,MPa; σ—基岩应力,即垂直自重基岩应力, MPa。
1.6 异常低压
异常低压的范围和成因:低的只 有静液压力梯度的一半。成因:
1)多年开采的油气藏而又没有足够 的压力补充;
2)地下水位很低的地区(画图);
3)石灰岩地区的裂缝和溶洞地层。
3)影响岩石强度的因素:分为自然 因素和工艺技术因素两类。
1.3.1 岩石强度的概念 1)定义:岩石在一定条件下受外力
的作用达到破坏时的应力,单位是 Pa,一般用MPa。
2)决定岩石强度大小的内因:
取决于岩石的“内聚力”和岩石颗 粒间的“内摩擦力”。内聚力为矿物晶 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。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。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。
1.7 异常高压 异常高压的分布特点:
在世界各地广泛存在,从新生 代更新统到古生代寒武系、震旦 系都曾遇到。
两种压力体系对比:
正常地层压力体系是一个“开 启”系统,即可渗透的、流体可以 流通的地层,它允许不断建立静液 压力条件。与此相反,异常高压地 层压力系统是“封闭”的。且上部 基岩重力的部分是由岩石孔隙内的 流体所支撑的(画图)。
摩氏硬度
似长石类
霞石 白榴石
2.55~2.65 2.45~2.50
5.5~6 5.5~6
II.云母(层状硅酸盐)
白云母 黑云母
2.76~3 2.70~3.1
2~2.5 2.5~3
III 铁镁硅酸盐
辉石
3.3
普通辉石 3.26~3.43
普通角闪石 3.05~3.47
橄榄石
3.27~3.37
IV. 氧化物类
3~3.5 1.5~2
VII. 卤化物
岩盐
2.13
2~2.5
VIII. 粘土矿物(层状硅酸盐)
高岭石 2.6~2.63 1~2.5
微晶高岭石
-
氧化物(石英)>铁镁硅酸盐(辉石、 角闪石、橄榄石)>铝硅酸盐即长石 族>碳酸盐矿物(方解石、白云石)> 硫酸盐矿物(石膏)>云母>卤化物 (岩盐)>粘土矿物
也称漏失试验,在下完一层套 管,注完水泥和钻过水泥塞后进 行。也可以在钻井过程中用封隔 器对地层进行(画图)。
液压实验法的步骤:
1)调节钻井液性能,保证其稳定, 上提钻头至套管鞋内,关闭防喷 器;
2)用较小排量(0.66~1.32L/s)向 井内注入钻井液,并记录各个时 期的注入量及立管压力;
1.4 基岩应力(垂直自重基岩应力)
定义: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。
用σ来表示。
1.5 重力场下几个压力的关系
以上所述地下各种压力之间的关 系可用图(1-1)和式(1-5)来说明。
po = pp +σ
2)岩石的结构:是说明小块岩石的组 织特征的,主要指岩石晶体的结构和 胶结物的结构。据此可分沉积岩为结 晶沉积岩和碎屑沉积岩两大类。
3)岩石的构造:是指岩石在大范围内 的结构特征,对沉积岩主要包括层理 和页理。
4)岩石的其它物理性质:密度、孔隙 度等。
1.2 岩石的弹性
1.3 岩石的强度
1)地层的知识对钻井工程师重要吗? 2)钻井工程师需要了解地层哪些方
面的知识或信息?
了解地层的重要性:
如果对地层不了解或了解不多, 钻井就如瞎子走路,盲人摸象。军 事上有“知己知彼,百战不殆”。 钻井工程师要想顺利钻井,也必须 知己知彼。这个“己”是指设备、 钻具、人员和管理,这个“彼”就 是指钻井的客观对象—地层。
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
ρ0—沉积岩包括基质和孔隙流体的
平均密度,g/cm3 。
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上覆岩层压力随深度变化特点:由于 沉积压实作用,上覆岩层压力随深度 增加不象静液压力那样线性增大,而 是增大越快且不均匀。
了解地层的具体作用:
1)钻井必须处理好井筒内钻井液 与井壁地层之间的化学和压力平 衡问题,即钻井的安全问题。否 则会发生缩径、井塌、卡钻、井 漏、井喷和压裂地层等事故。这 就必须了解井壁地层的稳定性、 地层孔隙的流体压力和地层破裂 压力等。
2)钻井的质量必须达到要求,其重 要方面是要求打得准,这就是井 眼轨迹控制问题。钻井的井眼轨 迹控制越来越重要,这就要求钻 井工程师必须了解地层的自然导 向特性如地层倾角,掌握地层的 自然造斜规律,以便为确定合理 的轨迹控制方法、工具和工艺提 供依据。
σ3 和介于σ1 与σ3 之间的主应力 σ2 在水平方向上互相垂直。最小 主应力σ3 的大小等于(1/3~ 1/2)σ1(画图)。
检测原理:
pf = pp+σ3= pp+(1/3-1/2)σ1
σ1=p0-pp
pf = pp+(1/3-1/2)(p0-pp)
理论预测方法的局限性:
3.2 液压实验法
钻井工程
孙展利 2014
问题讨论:
《钻井工程》的学习内容应有哪 些?
第一章 钻井的工程地质条件
概述
本章内容及与相关学科的关系:
本章讲钻井的客观对象—地层。地 层的知识涉及多门学科,如地质学、 沉积学、地质构造学、岩石力学等等, 本章主要讲与钻井直接相关的地层知 识。
问题讨论:
3)作立管压力与累计泵入量的关系 曲线图(图1-8);
4)从图上确定各个压力值(漏失压 力、开裂压力和传播压力);
5)求地层破裂压力pf:
pf =0.00981ρmD +pL
式中: ρm—试验用钻井液密度,g/cm3;
pL—漏失压力,MPa; D —试验井深,m。
说明:
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。
第一节 地下压力特性
问题讨论: 1)从地下取一岩石单元体,该单元
体是否受有力的作用? 2)如果受力作用,力从何而来?有
何特点?
补充:地应力和地应力场
自重应力和自重应力场:垂直方向 为主,广泛存在,是主要地应力源。
构造应力和构造应力场:水平方向 为主,仅在有构造挤压作用的地区 存在。
石英
2.60~2.66
石髓(玉髓)
-
蛋白石
1.9~2.3
磁铁矿等
-
5~6 5~6 5~6 6.5~7
7 7 5.5~6.5 -
V. 碳酸盐矿物
方解石 2.71~2.72
文石(霰石) 2.93~2.95
白云石
2.8~2.9
3 3.5~4 3.5~4
VI. 硫酸盐矿物
无水石膏 2.9~2.99
石膏
2.37~2.33
正常地层压力:等于从地表到地 下某处连续地层水的静液压力。
正常地层压力梯度(用Gp表示)为
0.00981MPa/m~0.0105MPa/m。
异常地层压力:指实际的地层压力
大于或小于正常地层压力的现象。 超过正常地层压力的(pp>ph)称 为异常高压,而低于正常地层压力 的(pp<ph)称为异常低压。
压力梯度概念及意义:
单位高度或深度增加的压力。若用Gh 表示静液压力梯度(MPa/m),则
Gh= ph / hl= 0.00981ρ 当量密度概念及意义:
ρ=ph/0.00981hl
1.2 上覆岩层压力
定义和性质: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,一般用p0表示。
异常高压的范围:通常认为其上限 为上覆岩层压力。但也曾遇到比上 覆岩层压力高的超高压地层(超过 40%),因为地层有强度。
异常高压的成因:普遍公认的成 因主要有沉积压实不均、渗透作 用、构造作用、水热增压、同一 水动力系统的露头高等,且常常 是多种因素综合作用的结果。
1.8 地层破裂压力
矿物名称
密度
摩氏硬度
Ⅰ.铝硅酸盐(长石族)
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
2.57 2.54 2.62~2.65 2.65~2.67 2.67~2.69 2.70~2.73 2.74~2.76
6 6~6.5 6~6.5 5.5~6 5~6 5~6 6~6.5
矿物名称
密度
4 地层坍塌压力检测
4.1理论计算方法
4.2经验法确定地层坍塌压力
第二节 岩石的工程力学性质
意义:在钻井过程中,我们不仅要 提高破碎岩石的效率和控制好井眼 轨迹,还要保证井壁岩层的稳定, 这些都取决于我们对地层的相关压 力和岩石的工程力学性质的认识和 了解。
问题讨论:
1)你知道的材料机械性质有哪些?
上作随覆深岩度层线压性力增梯大度。G0 工:程可上把常p0用进G似0的看平 均值0.0227MPa/m来做进似计算,但G0
的实际变化范围为0.0170~ 0.0294MPa/m之间。
海上钻井特殊情况:
1.3 地层压力
定义:指地层孔隙流体所具有的 压力,也称地层孔隙压力,一般
用pp 表示。
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