鉆井工程 第一章 鉆井的工程地質(zhì)條件

1、鉆井工程 第一章 鉆井的工程地質(zhì)條件 第一章 鉆井的工程地質(zhì)條件 1 簡(jiǎn)述地下各種壓力的基本概念及上覆巖層壓力、地層孔隙壓力和基巖應(yīng)力三者之間的關(guān)系。 答：08 地下壓力包括靜液壓力 、上覆巖層壓力 、地層壓力 和基巖應(yīng)力 等。靜液壓力是由液柱自身的重力所引起的壓力，它的大小與液體的密度、液柱的垂直高度或深度有關(guān)。地層某處的上覆巖層壓力是指該處以上地層巖石基質(zhì)和空隙中流體的總重力所產(chǎn)生的壓力?；鶐r應(yīng)力是指由巖石顆粒之間互相接觸來(lái)支撐的那部分上覆巖層壓力，也稱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當(dāng)?shù)摹?上覆巖層的重力是由巖石基質(zhì)基巖和巖石孔隙中的流體共同承當(dāng)?shù)?，即上覆巖層壓力

2、是地層壓力與基巖應(yīng)力的和： 不管什么原因使基巖應(yīng)力降低時(shí)，都會(huì)導(dǎo)致孔隙壓力增大。 ? 2 簡(jiǎn)述地層沉積欠壓實(shí)產(chǎn)生異常高壓的機(jī)理。 答： 沉積物的壓縮過程是由上覆沉積層的重力所引起的。隨著地層的沉降，上覆沉積物重復(fù)地增加，下覆巖層就逐漸被壓實(shí)。如果沉積速度較慢，沉積層內(nèi)的巖石顆粒就有足夠的時(shí)間重新排列，并使孔隙度減小，空隙中的過剩流體被擠出。如果是“開放的地質(zhì)環(huán)境，被擠出的流體就沿著阻力小的方向，或向著低壓高滲的方向流動(dòng)，于是便建立了正常的靜液壓力環(huán)境。這種正常沉積壓實(shí)的地層，隨著地層埋藏深度的增加，巖石越致密，密度越大，孔隙度越小。 ? 在穩(wěn)定沉積過程中，假設(shè)堅(jiān)持平衡的任意條件受到影響，正常的

3、沉積平衡就被破壞。如果沉積速度很快，巖石顆粒就沒有足夠的時(shí)間去排列，孔隙內(nèi)流體的排出受到限制，基巖無(wú)法增加它的顆粒與顆粒之間的壓力。由于上覆巖層持續(xù)沉積，負(fù)荷增加，而下面基巖的支撐能力沒有增加，孔隙中的流體必定開始部分地支撐本來(lái)應(yīng)由巖石顆粒所支撐的那部分上覆巖層壓力，從而導(dǎo)致了異常高壓。 ? 3 簡(jiǎn)述在正常壓實(shí)的地層中巖石的密度、強(qiáng)度、孔隙度、聲波時(shí)差和dc指數(shù)隨井深變化的規(guī)律。 答： 正常壓實(shí)的地層中，隨著地層的沉降，上覆沉積物重復(fù)的增加，下覆巖層就逐漸的被壓實(shí)。所以隨著地層埋藏深度的增加，即隨井深的增加，地層中巖石密度逐漸變大，而巖石的空隙度變小。而隨著地層埋藏深度的增加，圍壓增大，對(duì)所有

4、巖石，當(dāng)圍壓增大時(shí)強(qiáng)度均增大，即隨著井深的增加，巖石的強(qiáng)度增大。常用聲波到達(dá)井壁上不同深度的兩點(diǎn)所用的時(shí)間之差來(lái)表示聲波在地層中傳播的快慢，即聲波時(shí)差。在正常地層壓力井段，隨著井深增加，巖石的空隙度減小，聲波速度增大，聲波時(shí)差減小。在正常地層壓力狀況下，機(jī)械鉆速隨井深增加而減小，d指數(shù)隨井深增加而增大。因?yàn)閐c指數(shù)只是對(duì)d指數(shù)因鉆井液密度不同而做的修正，所以dc指數(shù)也隨井深的增加而增大。 ? 4 解釋地層破裂壓力的概念，怎樣依據(jù)液壓實(shí)驗(yàn)曲線確定地層破裂壓力。 答： 在井下一定深度的裸露地層，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)液體壓力稱為地層破裂壓力。在確定地

5、層破裂壓力的液壓試驗(yàn)曲線中，開始偏離原始直線點(diǎn)的壓力稱為漏失壓力。試驗(yàn)曲線上達(dá)到最高點(diǎn)時(shí)的壓力稱為破裂壓力，這時(shí)地層開始破裂。通常將漏失壓力與第一個(gè)砂層深度的比值作為該處砂層的地層破裂壓力梯度，并以此作為確定井控作業(yè)的關(guān)井壓力依據(jù)。 ? 5 某井井深2000m，地層壓力25MPa，求地層壓力當(dāng)量密度。08 答：依據(jù)公式：Pp=0.00981×h = Pp0.00981×h =25MPa(0.00981×2000m) =1.27gcm3 ? 6 某井垂深2500m,井內(nèi)鉆井液密度為1.18g/cm3,假設(shè)地層壓力為27.MPa，求井底壓差。08 答: Ph=gh=1

6、.18g/cm3×0.00981×2500m =28.94Mpa ? P=Ph-Pp=28.94-27.5=1.44MPa ? 即井底壓差為1.44Mpa. ? 7 某井井深3200m，產(chǎn)層壓力為23.1MPa,求產(chǎn)層的地層壓力梯度。 答：產(chǎn)層的地層壓力梯度 ? Gp=Pp/h=23.1MPa/3200m=0.0072Mpa/m ? 8 某井井深2500m,鉆進(jìn)時(shí)所用的鉆頭直徑為215mm,鉆壓160kN,鉆速110r/min,機(jī)械鉆速7.3m/h,鉆井液密度1.28g/cm3,正常條件下鉆井液密度為1.07g/cm3,求d和dc指數(shù)。 答：? d=10(0.0547vpc

7、/n)/ 10(0.0684W/db) ? =10(0.0547×7.3/110)/ 10(0.0684×160/215) ? =1.8866 dc=d×n/d=1.8866×1.07/1.28=1.577 ? 9 巖石的硬度與抗壓強(qiáng)度有何區(qū)別？ 答： 硬度只是固體表面的局部對(duì)另一物體壓入或侵入時(shí)的阻力，而抗壓強(qiáng)度則是固體抵抗固體整體破壞時(shí)的能力。 ? 10 巖石的塑性系數(shù)是怎樣定義的？簡(jiǎn)述脆性，塑脆性和塑性巖石在壓入破碎時(shí)的特性。 答： 巖石的塑性系數(shù)是用來(lái)定量表征巖石塑性及脆性大小的參數(shù)。塑性系數(shù)為巖石破碎前耗費(fèi)的總功與巖石破碎前彈性變形功的比值。塑

8、性巖石在外力壓入時(shí)，巖石只改變形狀和大小而不破壞自身的連續(xù)性；脆性巖石當(dāng)外力壓入時(shí)，巖石直至破碎無(wú)顯然的形狀改變；而塑脆性巖石受外力作用時(shí)首先發(fā)生形狀改變，當(dāng)外力達(dá)到一定程度后巖石破碎。 ? 11 巖石在平行層理和垂直層理方向上的強(qiáng)度有何不同？巖石的這種性質(zhì)叫什么？ 答： ? 12 巖石受圍壓作用時(shí)，其強(qiáng)度和塑脆性是怎樣變化的？ 答： 當(dāng)巖石受到圍壓作用時(shí)，所有巖石的強(qiáng)度均增大，但壓力對(duì)砂巖和花崗巖強(qiáng)度的影響要比石灰?guī)r、大理巖大；在開始增大圍壓時(shí)，巖石強(qiáng)度的增加比較顯然，再持續(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)壓力很高時(shí)，有些巖石的強(qiáng)度便趨于常量。 ? 隨著圍壓的增大，巖石表現(xiàn)從

9、脆性向塑性的轉(zhuǎn)變，并且圍壓越大，巖石破碎前所浮現(xiàn)的塑性也越大。 ? 13 影響巖石強(qiáng)度的因素有哪些？ 答： 影響巖石強(qiáng)度的因素可以分為自然因素和工藝技術(shù)因素兩類： ? 自然因素方面包括：巖石的礦物成分、礦物顆粒的大小、巖石的密度和空隙度。同種巖石的空隙度增加，密度降低，巖石的強(qiáng)度也隨之降低。一般狀況下，巖石的空隙度隨著巖石的埋藏深度的增加而減小；因此，巖石的強(qiáng)度一般狀況下隨著埋藏深度的增加而增加。工藝技術(shù)方面包括：巖石的受載方式不同，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；此外還有外載的速度、液體介質(zhì)性質(zhì)等等。 ? 14 什么是巖石的可鉆性？我國(guó)石油部門采納什么方法評(píng)

10、價(jià)巖石的可鉆性？將地層按可鉆性分為幾級(jí)？ 答： 巖石的可鉆性是巖石抗破碎的能力。即一定鉆頭規(guī)格、類型及鉆井工藝條件下巖石抵抗鉆頭破碎的能力。 ? 我國(guó)石油系統(tǒng)巖石可鉆性分類方法是用微鉆頭在巖樣上鉆孔，通過實(shí)鉆鉆時(shí)即鉆速確定巖樣的可鉆性。將地層按可鉆性分為10級(jí)。 ? 15 井底和井眼四周地層巖石受哪些力？ 答： 井眼四周地層巖石受力包括：上覆巖層壓力、巖石內(nèi)空隙流體的壓力地層壓力、水平地應(yīng)力、鉆井液液柱壓力。 ? 16 水平地應(yīng)力是怎樣產(chǎn)生的？它與上覆巖層壓力的關(guān)系是怎樣的？ 答： 水平地應(yīng)力由兩部分組成，一部分是由上覆巖層的重力作用引起的，它是巖石泊松比的函數(shù)；另一部分是地質(zhì)構(gòu)造力，它隨著埋

11、藏深度的增加而線形增大，和有效上覆巖層壓力成正比。有效上覆巖層壓力指上覆巖層壓力和巖石內(nèi)孔隙流體壓力的差。 ? 17 什么叫有效應(yīng)力、有效上覆巖層壓力、各向壓縮效應(yīng)？ 答： 在“各向壓縮效應(yīng)試驗(yàn)中，如果巖石孔隙中含有流體且具有一定的孔隙壓力，這種孔隙壓力的作用降低了巖石的各向壓縮效應(yīng)，這樣，把巖石所受外壓與內(nèi)壓之差稱為有效應(yīng)力。 上覆巖層壓力和巖石內(nèi)孔隙流體壓力的差稱為有效上覆巖層壓力。 ? 在三軸應(yīng)力試驗(yàn)中，如果巖石是干的或者不滲透的，或孔隙度小且孔隙中不存在液體或者氣體時(shí)，增大圍壓則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)稱為“各向壓縮效應(yīng)。 ? 18 簡(jiǎn)述地下各種

12、壓力的基本概念及上覆巖層壓力、地層孔隙壓力和基巖應(yīng)力三者之間的關(guān)系。08 答： 地下壓力包括靜液壓力 、上覆巖層壓力 、地層壓力 和基巖應(yīng)力 等。靜液壓力是由液柱自身的重力所引起的壓力，它的大小與液體的密度、液柱的垂直高度或深度有關(guān)。地層某處的上覆巖層壓力是指該處以上地層巖石基質(zhì)和空隙中流體的總重力所產(chǎn)生的壓力。基巖應(yīng)力是指由巖石顆粒之間互相接觸來(lái)支撐的那部分上覆巖層壓力，也稱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當(dāng)?shù)摹?上覆巖層的重力是由巖石基質(zhì)基巖和巖石孔隙中的流體共同承當(dāng)?shù)?，即上覆巖層壓力是地層壓力與基巖應(yīng)力的和： 不管什么原因使基巖應(yīng)力降低時(shí)，都會(huì)導(dǎo)致孔隙壓力增大。

13、? 19 簡(jiǎn)述液壓試驗(yàn)法漏失試驗(yàn)的方法和步驟： 答： 循環(huán)調(diào)節(jié)鉆井液性能，確保鉆井液性能穩(wěn)定，上提鉆頭至套管鞋內(nèi)，關(guān)閉防噴器環(huán)形空間； 以低速起泵后用較小排量0.661.32 L/s向井內(nèi)注入鉆井液，并計(jì)錄各個(gè)時(shí)間的泵入量和立管壓力； 作立管壓力與泵入量累計(jì)的關(guān)系曲線圖，這條曲線開始時(shí)為過作標(biāo)原點(diǎn)的直線，然后會(huì)在某處偏離此直線，但壓力仍持續(xù)上升； 標(biāo)出試驗(yàn)曲線上偏離原始直線之點(diǎn)的壓力，即為漏失壓力； 試驗(yàn)曲線達(dá)到最高點(diǎn)的壓力稱為破裂開裂壓力，這時(shí)地層開使破裂； 最大值過后壓力下降并趨于平緩，平緩的壓力稱為傳播壓力。 ? 20 繪出平底圓柱壓頭壓入脆性巖石、塑脆性巖石、塑性巖石時(shí)的典型變形曲線，

14、并給出脆性巖石、塑脆性巖石的巖石硬度計(jì)算式。給出塑脆性巖石塑性系數(shù)的定義和計(jì)算式。 答： ? 巖石硬度計(jì)算式： ? N/mm2 式中? P產(chǎn)生脆性破碎時(shí)壓頭上的載荷，N； S壓頭的底面積，mm2。 衡量巖石塑性的大小可以用巖石破碎前耗費(fèi)的總功AF與彈性變形功AE的比值表示，這個(gè)比值稱為巖石的塑性系數(shù)。因此，塑性系數(shù)K等于 K=AF/AE ? 21 塑性巖石的特點(diǎn)有那些？脆性巖石的特點(diǎn)有那些？簡(jiǎn)要說明流體介質(zhì)對(duì)巖石機(jī)械性質(zhì)的影響。 答： 塑性巖石的特點(diǎn)是巖石在破碎前發(fā)生永久變形，抗刮切能力弱。脆性巖石的特點(diǎn)是巖石在破碎前未發(fā)生永久變形，抗沖擊能力弱。流體介質(zhì)對(duì)巖石機(jī)械性質(zhì)的影響包涵以下兩方面：第

15、一，巖石中所含的水分都使巖石的強(qiáng)度下降，而且含水量越多，強(qiáng)度下降得也越多，含水量對(duì)一些巖石，例如泥頁(yè)巖，也會(huì)影響其塑性性質(zhì)，增大其流變特性；第二，具有化學(xué)活性的液體對(duì)巖石強(qiáng)度的降低，要比同類巖石在相同條件下以非活性液體所飽和時(shí)對(duì)巖石強(qiáng)度的降低要大得多。 ? 22?巖石的力學(xué)性質(zhì)含義包括哪些？它們反映了巖石的什么規(guī)律？繪出平底圓柱壓頭壓入脆性巖石、塑脆性巖石、塑性巖石時(shí)的吃入深度與所加載荷關(guān)系的典型變形曲線。 答： 巖石力學(xué)性質(zhì)的含義包括兩個(gè)：巖石的變形特征和強(qiáng)度特征。巖石的變形特征是指巖石試件在載荷作用下的變形規(guī)律，其中包括巖石的彈性變形、塑性變形、粘性流動(dòng)和破壞規(guī)律，它反應(yīng)了巖石的力學(xué)屬性。巖石強(qiáng)度是指巖石試件在載荷作用下開始破壞的最大應(yīng)力極限強(qiáng)度以及應(yīng)力與破壞之間的關(guān)系，它反映了巖石抵抗破壞的能力和破壞規(guī)律。 巖石的變形規(guī)律和強(qiáng)度特征，由巖石試件在單軸或三軸試驗(yàn)機(jī)上所得到的應(yīng)力應(yīng)變曲線來(lái)描述。 ? 23 分析井內(nèi)液柱壓力和地層孔隙壓力對(duì)鉆井巖石破碎的影響。 答： 巖石的屈服強(qiáng)度隨著孔隙壓力的減小而增大。當(dāng)圍壓 一按時(shí)，只有當(dāng)孔隙壓力相對(duì)地小時(shí)，巖石才浮現(xiàn)塑性的破壞；增大孔隙壓力將使巖石由塑性破壞轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈云茐摹Ｒ恍┦軌簬r頁(yè)P(yáng)re