井控技術(shù)基礎(chǔ)理論

1、 井控技術(shù)基礎(chǔ)理論井控技術(shù)基礎(chǔ)理論u巖石力學(xué)u地層三壓力u井壁穩(wěn)定性西南石油大學(xué)西南石油大學(xué) 袁騏驥袁騏驥一、巖石的物理機(jī)械性質(zhì)一、巖石的物理機(jī)械性質(zhì) 密度、孔隙度、吸水率、滲透性、膨脹性、崩解性、軟化密度、孔隙度、吸水率、滲透性、膨脹性、崩解性、軟化性、熱導(dǎo)率、彈性、塑性等。性、熱導(dǎo)率、彈性、塑性等。1 1、彈性、塑性、彈性模量與泊松比的概念、彈性、塑性、彈性模量與泊松比的概念 彈性體在外力的作用下，其應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系服從虎克定彈性體在外力的作用下，其應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系服從虎克定律，即律，即 式中式中 物體的應(yīng)力，為單位面積上的內(nèi)力，兆帕；物體的應(yīng)力，為單位面積上的內(nèi)力，兆帕； 單位長(zhǎng)度的變形

2、，無量綱；單位長(zhǎng)度的變形，無量綱； E彈性模量，也叫彈性系數(shù)或楊氏系數(shù)，量彈性模量，也叫彈性系數(shù)或楊氏系數(shù)，量 綱與應(yīng)力同。綱與應(yīng)力同。 E 巖石力學(xué)巖石力學(xué) 由式可以看出，外力引起彈性體的內(nèi)力，內(nèi)由式可以看出，外力引起彈性體的內(nèi)力，內(nèi)力隨外力而變化。外力使彈性體變形，而內(nèi)力則力隨外力而變化。外力使彈性體變形，而內(nèi)力則抵抗變形，且企圖消除彈性體已得的變形。彈性抵抗變形，且企圖消除彈性體已得的變形。彈性模量模量E則不隨上述條件變化，只與彈性體本身的則不隨上述條件變化，只與彈性體本身的特性有關(guān)。這里特性有關(guān)。這里E代表了物體對(duì)彈性變形的抵抗代表了物體對(duì)彈性變形的抵抗能力。能力。 當(dāng)彈性體在縱向受外

3、力后，引起縱向的應(yīng)力當(dāng)彈性體在縱向受外力后，引起縱向的應(yīng)力 z，并在縱向產(chǎn)生變形，以應(yīng)變并在縱向產(chǎn)生變形，以應(yīng)變 z表示之。與此同時(shí)，表示之。與此同時(shí)，在橫向也會(huì)引起變形，以在橫向也會(huì)引起變形，以 x、 y表示之。如果材料表示之。如果材料是各向同性的，便有以下關(guān)系式：是各向同性的，便有以下關(guān)系式： 式中式中 泊松比。泊松比。式中式中 xy，便是各向異性的。便是各向異性的。zyzx / 礦物的彈性模量礦物的彈性模量礦礦 物物 彈性模量彈性模量E 104兆帕兆帕剛剛 玉玉 52黃黃 玉玉 30石石 英英 7.8510長(zhǎng)長(zhǎng) 石石 8.0方解石方解石 5.89.0石石 膏膏 1.21.5巖巖 鹽鹽 4

4、.02 2、巖石的彈性模量與泊松比、巖石的彈性模量與泊松比 上述幾個(gè)概念，也適用于巖石。但是巖石一般上述幾個(gè)概念，也適用于巖石。但是巖石一般不是理想的材料，巖石的彈性模量也不會(huì)是一個(gè)不是理想的材料，巖石的彈性模量也不會(huì)是一個(gè)固定的數(shù)值，而在一個(gè)范圍內(nèi)變化。固定的數(shù)值，而在一個(gè)范圍內(nèi)變化。巖石的彈性模量泊松比巖石的彈性模量泊松比巖石巖石 E 104兆帕兆帕 泊松比泊松比 粘土粘土 0.03 0.380.45致密泥致密泥 0.250.35頁巖頁巖 1.52.5 0.100.20砂巖砂巖 3.37.8 0.300.35石灰?guī)r石灰?guī)r 1.38.5 0.280.33大理巖大理巖 3.99.2 白云巖白云

5、巖 2.116.5 花崗巖花崗巖 66.0 0.260.29玄武巖玄武巖 610 0.25石英巖石英巖 7.510 正長(zhǎng)巖正長(zhǎng)巖 6.8 0.25閃長(zhǎng)巖閃長(zhǎng)巖 710 0.25輝綠巖輝綠巖 711 0.25巖鹽巖鹽 0.44 巖石的彈性模量還與應(yīng)變巖石的彈性模量還與應(yīng)變種類和加載大小有很大的種類和加載大小有很大的關(guān)系。當(dāng)載荷小時(shí)，各種關(guān)系。當(dāng)載荷小時(shí)，各種應(yīng)變情況下的彈性模量差應(yīng)變情況下的彈性模量差別不大。當(dāng)載荷大時(shí)，這別不大。當(dāng)載荷大時(shí)，這種差別就顯著起來。當(dāng)巖種差別就顯著起來。當(dāng)巖石被拉伸時(shí)，其彈性模量石被拉伸時(shí)，其彈性模量隨載荷的增加而減小。與隨載荷的增加而減小。與此相反，當(dāng)巖石被壓縮時(shí)

6、，此相反，當(dāng)巖石被壓縮時(shí)，其彈性模量隨載荷的增加其彈性模量隨載荷的增加而增加。如圖而增加。如圖巖石在彈性范圍內(nèi)的應(yīng)力應(yīng)變簡(jiǎn)略曲線1-拉伸情況；2-壓縮情況21應(yīng)力應(yīng)變 沉積巖的主要特征是層理。層理對(duì)彈性模量及泊松比有沉積巖的主要特征是層理。層理對(duì)彈性模量及泊松比有明顯的影響。幾種沉積巖因?qū)永硭憩F(xiàn)的數(shù)據(jù)上的差異，即明顯的影響。幾種沉積巖因?qū)永硭憩F(xiàn)的數(shù)據(jù)上的差異，即巖石的各向異性。巖石的各向異性。幾種沉積巖的各向異性幾種沉積巖的各向異性巖石名稱巖石名稱 E 104兆帕兆帕 泊松比泊松比 粗砂巖粗砂巖 0.934.191.734.540.100.450.120.36中砂巖中砂巖 2.874.19

7、2.683.370.12 0.100.22細(xì)砂巖細(xì)砂巖 2.834.952.904.600.100.220.150.36粉砂巖粉砂巖 1.013.230.843.050.150.500.280.47二、巖石的強(qiáng)度二、巖石的強(qiáng)度1 1、強(qiáng)度的概念、強(qiáng)度的概念 物體受外力作用而達(dá)到破壞時(shí)的應(yīng)力，稱為物物體受外力作用而達(dá)到破壞時(shí)的應(yīng)力，稱為物體的強(qiáng)度。按破壞前物體殘余變形的大小，可分為體的強(qiáng)度。按破壞前物體殘余變形的大小，可分為塑性和脆性的兩種。巖石的強(qiáng)度概念也是這樣。通塑性和脆性的兩種。巖石的強(qiáng)度概念也是這樣。通常用四種強(qiáng)度描述巖石的強(qiáng)度性質(zhì)。常用四種強(qiáng)度描述巖石的強(qiáng)度性質(zhì)。（1）單軸抗壓強(qiáng)度）單

8、軸抗壓強(qiáng)度 簡(jiǎn)稱抗壓強(qiáng)度。通常在常溫常壓下用抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)測(cè)簡(jiǎn)稱抗壓強(qiáng)度。通常在常溫常壓下用抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)測(cè)定，取壓壞巖樣時(shí)的外力除以巖樣橫截面積，即得巖樣的單定，取壓壞巖樣時(shí)的外力除以巖樣橫截面積，即得巖樣的單軸抗壓強(qiáng)度。單位為兆帕。軸抗壓強(qiáng)度。單位為兆帕。（2）抗拉強(qiáng)度）抗拉強(qiáng)度 巖石的單軸抗拉強(qiáng)度也可用與金屬拉伸試驗(yàn)相同的方法測(cè)巖石的單軸抗拉強(qiáng)度也可用與金屬拉伸試驗(yàn)相同的方法測(cè)定。巖樣拉斷時(shí)的應(yīng)力即為巖石的抗拉強(qiáng)度，單位兆帕。這定。巖樣拉斷時(shí)的應(yīng)力即為巖石的抗拉強(qiáng)度，單位兆帕。這種求巖石抗拉強(qiáng)度的方法較為直觀。種求巖石抗拉強(qiáng)度的方法較為直觀。（3）抗剪強(qiáng)度）抗剪強(qiáng)度 為在剪切力的作用下巖

9、石破壞時(shí)的應(yīng)力。較為直觀的測(cè)定為在剪切力的作用下巖石破壞時(shí)的應(yīng)力。較為直觀的測(cè)定方法是將方塊長(zhǎng)條巖樣固定在支架上，支架在巖樣下方形成方法是將方塊長(zhǎng)條巖樣固定在支架上，支架在巖樣下方形成一個(gè)支點(diǎn)，與巖樣上方的切刀合在一起構(gòu)成一對(duì)剪切力，當(dāng)一個(gè)支點(diǎn)，與巖樣上方的切刀合在一起構(gòu)成一對(duì)剪切力，當(dāng)剪切力足夠大時(shí)，巖樣被剪斷。此時(shí)巖樣單位面積上的剪應(yīng)剪切力足夠大時(shí)，巖樣被剪斷。此時(shí)巖樣單位面積上的剪應(yīng)力即巖石的抗剪強(qiáng)度。力即巖石的抗剪強(qiáng)度。（4）抗彎強(qiáng)度）抗彎強(qiáng)度 為在彎曲力矩作用下巖石發(fā)生破壞時(shí)的應(yīng)力。為在彎曲力矩作用下巖石發(fā)生破壞時(shí)的應(yīng)力?？捎煤?jiǎn)支梁法測(cè)定，將長(zhǎng)方條形巖樣下方支在兩可用簡(jiǎn)支梁法測(cè)定，將

10、長(zhǎng)方條形巖樣下方支在兩支點(diǎn)上，在上方位于兩下支點(diǎn)中央處通過支點(diǎn)向支點(diǎn)上，在上方位于兩下支點(diǎn)中央處通過支點(diǎn)向下加壓力。巖樣受彎曲力矩。當(dāng)巖樣被壓到折斷下加壓力。巖樣受彎曲力矩。當(dāng)巖樣被壓到折斷時(shí)的應(yīng)力即巖石的抗彎強(qiáng)度。時(shí)的應(yīng)力即巖石的抗彎強(qiáng)度。2 2、巖石的四種強(qiáng)度、巖石的四種強(qiáng)度一些巖石的單軸抗壓強(qiáng)度一些巖石的單軸抗壓強(qiáng)度 c、抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度 t和抗剪強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度 s的的數(shù)值列于下表中數(shù)值列于下表中巖石巖石 c兆帕兆帕 t兆帕兆帕 s兆帕兆帕粗粒砂巖粗粒砂巖 142 51中粒砂巖中粒砂巖 151 520細(xì)粒砂巖細(xì)粒砂巖 185 795頁巖頁巖 1461 178泥巖泥巖 18 32石膏石膏

11、17 19含膏灰?guī)r含膏灰?guī)r 42 24安山巖安山巖 986 58 96白云巖白云巖 162 69 118石灰?guī)r石灰?guī)r 138 91 145花崗巖花崗巖 166 12 198正長(zhǎng)巖正長(zhǎng)巖 2152 143 221輝長(zhǎng)巖輝長(zhǎng)巖 230 135 244石英巖石英巖 305 144 316輝綠巖輝綠巖 343 134 347 如以抗壓強(qiáng)度如以抗壓強(qiáng)度 c為為1，則其余應(yīng)變形式的強(qiáng)度與，則其余應(yīng)變形式的強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度的粗略關(guān)系如表所列。抗壓強(qiáng)度的粗略關(guān)系如表所列。巖石各種強(qiáng)度間的比例關(guān)系巖石各種強(qiáng)度間的比例關(guān)系巖石巖石 抗壓強(qiáng)度抗壓強(qiáng)度 抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度 抗剪強(qiáng)度抗剪強(qiáng)度 抗彎強(qiáng)度抗彎強(qiáng)度花崗石花崗石

12、1 0.020.04 0.09 0.03砂巖砂巖 1 0.020.05 0.100.12 0.060.20石灰?guī)r石灰?guī)r 1 0.040.10 0.15 0.060.10一般來說一般來說 抗壓強(qiáng)度抗壓強(qiáng)度 抗剪強(qiáng)度抗剪強(qiáng)度抗彎強(qiáng)度抗彎強(qiáng)度 抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度沉積巖的層理對(duì)強(qiáng)度的影響甚大。沉積巖的層理對(duì)強(qiáng)度的影響甚大。幾種沉積巖的各向異性（不同方向的強(qiáng)度）幾種沉積巖的各向異性（不同方向的強(qiáng)度） *10-1兆帕兆帕巖石巖石 抗壓強(qiáng)度抗壓強(qiáng)度 抗壓強(qiáng)度抗壓強(qiáng)度 抗壓強(qiáng)抗壓強(qiáng) 抗壓強(qiáng)度抗壓強(qiáng)度 粗砂巖粗砂巖11851575 14231760 44.3 51.452.5 483 470 111172 103

13、中砂巖中砂巖11702160 14702060 77.0 52.0 336594 482618 162226 131194細(xì)砂巖細(xì)砂巖13782410 13352205 80.7118 6079.5 432595 524649 208.5265.3 177.5粉砂巖粉砂巖3441045 5541147 48113 129198 22.7166 43.03 3、壓力條件下巖石強(qiáng)度的特點(diǎn)、壓力條件下巖石強(qiáng)度的特點(diǎn) 巖石在地層深處處于各方受壓的狀態(tài)，通過模巖石在地層深處處于各方受壓的狀態(tài)，通過模擬這種壓力條件的三軸試驗(yàn)，可以了解到巖石在壓擬這種壓力條件的三軸試驗(yàn)，可以了解到巖石在壓力條件下的強(qiáng)度特點(diǎn)

14、。主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：力條件下的強(qiáng)度特點(diǎn)。主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：（1）巖石強(qiáng)度增加。）巖石強(qiáng)度增加。（2）巖石的塑性變形增大，脆性破壞轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄裕r石的塑性變形增大，脆性破壞轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄宰冃位蛩苄云茐摹Ｗ冃位蛩苄云茐摹?一般認(rèn)為巖石的總變形量達(dá)到一般認(rèn)為巖石的總變形量達(dá)到35%，就開始，就開始具有塑性性質(zhì)，或已實(shí)現(xiàn)了從脆性到塑性的轉(zhuǎn)變。具有塑性性質(zhì)，或已實(shí)現(xiàn)了從脆性到塑性的轉(zhuǎn)變。巖性不同，巖石從脆性轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄缘膰鷫阂膊煌?。巖性不同，巖石從脆性轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄缘膰鷫阂膊煌?。巖石的圍壓下的塑性變形巖石的圍壓下的塑性變形 巖石巖石 在下列圍壓下破壞的變形量在下列圍壓下破壞的變形量% 圍壓圍壓100兆帕兆帕 圍

15、壓圍壓200兆帕兆帕 OIL CREEK 石英砂巖石英砂巖 2.9 3.8HASMARK 白云巖白云巖 7.3 13.0BLAIN 硬石膏硬石膏 7.0 22.3YULE 大理巖大理巖 22.0 28.8BARUS 砂巖砂巖 25.8 25.9MARIANNA 石灰?guī)r石灰?guī)r 29.1 27.2MUDDY 頁巖頁巖 15.0 25.0 巖鹽巖鹽 28.8 27.5三、巖石的硬度和塑性系數(shù)三、巖石的硬度和塑性系數(shù) 硬度可理解為巖石抵抗其它物體壓入其內(nèi)的能力，即巖硬度可理解為巖石抵抗其它物體壓入其內(nèi)的能力，即巖石的抗壓入強(qiáng)度。石的抗壓入強(qiáng)度。 常用壓模和壓頭壓入法測(cè)定巖石硬度。作用在壓模上的常用壓模

16、和壓頭壓入法測(cè)定巖石硬度。作用在壓模上的載荷與壓入深度關(guān)系曲線載荷與壓入深度關(guān)系曲線見圖。見圖。載荷P，N吃入深度h，mm載荷P，N吃入深度h，mm載荷P，N吃入深度h，mm0E0EC0PDP0PADBP0脆性巖石（石英巖）塑脆性巖石（大理石）塑性巖石（多孔砂巖）SPPy/ 其中其中a圖是脆性巖石，其特點(diǎn)是載荷圖是脆性巖石，其特點(diǎn)是載荷P和吃深和吃深h成線性關(guān)系。硬度成線性關(guān)系。硬度PY用下式計(jì)算。用下式計(jì)算。式中式中 P產(chǎn)生脆性破碎時(shí)壓模上的載荷，牛頓；產(chǎn)生脆性破碎時(shí)壓模上的載荷，牛頓； S壓模的底面積，毫米壓模的底面積，毫米2。 塑性系數(shù)塑性系數(shù)K為巖石破碎前耗費(fèi)的總功為巖石破碎前耗費(fèi)的總

17、功AF與彈性與彈性變形功變形功AE的比值。的比值。 巖石硬度和塑性系數(shù)分類情況見表。巖石硬度和塑性系數(shù)分類情況見表。巖石硬度分類表巖石硬度分類表類別類別 軟軟 中中 硬硬級(jí)別級(jí)別 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12硬度硬度N/mm2 6860表表4-9 塑性系數(shù)分類表塑性系數(shù)分類表類別類別 1 2 3 4 5 6塑性系數(shù)塑性系數(shù) 1 1-22-3 3-4 4-6 6-巖石屬性巖石屬性脆性脆性 塑脆性塑脆性 塑性塑性 低塑性低塑性-高塑性高塑性四、巖石的研磨性四、巖石的研磨性巖石磨損破碎工具的能力稱為巖石研磨性（巖石磨損破碎工具的能力稱為巖石研磨性（Rock-abrasiven

18、ess） 研究巖石的研磨性對(duì)于正確地設(shè)計(jì)和選擇使用鉆頭，提高鉆頭的進(jìn)尺，延研究巖石的研磨性對(duì)于正確地設(shè)計(jì)和選擇使用鉆頭，提高鉆頭的進(jìn)尺，延長(zhǎng)其工作面的壽命，對(duì)于提高鉆井速度是極重要的問題。長(zhǎng)其工作面的壽命，對(duì)于提高鉆井速度是極重要的問題。 由于巖石的研磨性取決于各種因素，因此有必要根據(jù)某一個(gè)量作為標(biāo)準(zhǔn)由于巖石的研磨性取決于各種因素，因此有必要根據(jù)某一個(gè)量作為標(biāo)準(zhǔn)對(duì)巖石的研磨性進(jìn)行分類，以便在實(shí)際應(yīng)用時(shí)建立巖石相對(duì)研磨性的比較，對(duì)巖石的研磨性進(jìn)行分類，以便在實(shí)際應(yīng)用時(shí)建立巖石相對(duì)研磨性的比較，從而能對(duì)設(shè)計(jì)鉆井工具、從而能對(duì)設(shè)計(jì)鉆井工具、鉆頭及選擇使用參數(shù)并預(yù)計(jì)應(yīng)用效果和對(duì)實(shí)際礦鉆頭及選擇使用參數(shù)

19、并預(yù)計(jì)應(yīng)用效果和對(duì)實(shí)際礦場(chǎng)使用效果的分析等提供參考依據(jù)。場(chǎng)使用效果的分析等提供參考依據(jù)?，F(xiàn)有的巖石研磨性研究方法：現(xiàn)有的巖石研磨性研究方法：鉆磨法：鉆磨法：用金屬棒在加壓旋轉(zhuǎn)的條件下與巖石相摩擦用金屬棒在加壓旋轉(zhuǎn)的條件下與巖石相摩擦，在給定的載荷、轉(zhuǎn)速和時(shí)間內(nèi)，按金屬棒被磨損掉，在給定的載荷、轉(zhuǎn)速和時(shí)間內(nèi)，按金屬棒被磨損掉的質(zhì)量來衡量巖石的研磨性大小。的質(zhì)量來衡量巖石的研磨性大小。磨削法：磨削法：用硬質(zhì)材料做成的刀具與巖石試件相對(duì)旋轉(zhuǎn)用硬質(zhì)材料做成的刀具與巖石試件相對(duì)旋轉(zhuǎn)磨削。在給定的接觸壓力、轉(zhuǎn)速下測(cè)量固定時(shí)間或旋磨削。在給定的接觸壓力、轉(zhuǎn)速下測(cè)量固定時(shí)間或旋轉(zhuǎn)路程內(nèi)刀具的磨損量來估計(jì)巖石的

20、研磨性大小。轉(zhuǎn)路程內(nèi)刀具的磨損量來估計(jì)巖石的研磨性大小。微鉆頭鉆進(jìn)法：微鉆頭鉆進(jìn)法：用與全尺寸鉆頭形狀相似的微型模擬用與全尺寸鉆頭形狀相似的微型模擬鉆頭在一定的鉆進(jìn)參數(shù)下與巖石相摩擦，測(cè)量給定時(shí)鉆頭在一定的鉆進(jìn)參數(shù)下與巖石相摩擦，測(cè)量給定時(shí)間內(nèi)鉆頭切削刃的外形磨損，以比較各類巖石的研磨間內(nèi)鉆頭切削刃的外形磨損，以比較各類巖石的研磨性。性。摩擦磨損法：摩擦磨損法：確定一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)的金屬圓環(huán)在巖石表面上確定一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)的金屬圓環(huán)在巖石表面上在巖石相互摩擦?xí)r的磨損量，并以此作為度量巖石研在巖石相互摩擦?xí)r的磨損量，并以此作為度量巖石研磨性的指標(biāo)。磨性的指標(biāo)。各種巖石按單位磨擦路磨損的研磨性分類表各種巖石按單位

21、磨擦路磨損的研磨性分類表研磨性級(jí)別研磨性級(jí)別巖巖 石石 淬火鋼淬火鋼 硬質(zhì)合金硬質(zhì)合金 研磨性系數(shù)研磨性系數(shù),10,10-9-9 相對(duì)研磨性相對(duì)研磨性研磨性系數(shù)研磨性系數(shù),10,10-9-9 相對(duì)研磨性相對(duì)研磨性 1 1 泥巖和碳酸鹽巖泥巖和碳酸鹽巖 3.5-12 1-3 0.1-0.3 1-3 3.5-12 1-3 0.1-0.3 1-32 2 石灰?guī)r石灰?guī)r 22 6.5 0.6 6 22 6.5 0.6 63 3 白云巖白云巖 20 6.0 1.2 12 20 6.0 1.2 124 4 硅質(zhì)結(jié)晶巖石硅質(zhì)結(jié)晶巖石 31 9 2.0 20 31 9 2.0 205 5 含鐵含鐵- -鎂巖石及

22、含鎂巖石及含5%5%石英的石英的 35 10 2.5 25 35 10 2.5 25 低研磨性巖石低研磨性巖石 6 6 長(zhǎng)石巖長(zhǎng)石巖 40 12 3.0 30 40 12 3.0 307 7 含石英多于含石英多于15%15%的長(zhǎng)石巖及含石的長(zhǎng)石巖及含石 45 13 4.0 40 45 13 4.0 40 英顆粒英顆粒10%10%的較低研磨性巖石的較低研磨性巖石8 8 石英晶質(zhì)巖石石英晶質(zhì)巖石 57 16 4.5 45 57 16 4.5 459 9 石英碎屑巖，硬度石英碎屑巖，硬度Py35Py35千巴千巴 57-90 16-25 57-90 16-2510 10 石英碎屑巖，硬度石英碎屑巖，硬

23、度Py=20Py=203535千千 90-120 25-35 90-120 25-35 巴及含石英顆粒巴及含石英顆粒101020%20%的巖石的巖石11 11 石英碎屑巖，硬度石英碎屑巖，硬度Py=10Py=102020千千 120 -200 35-60 5.0 50 120 -200 35-60 5.0 50 巴及含石英顆粒達(dá)巴及含石英顆粒達(dá)30%30%的巖石的巖石12 12 石英碎屑巖，硬度石英碎屑巖，硬度Py 10Py 10千巴千巴 200 -300 60-95 200 -300 60-95 史立涅爾等根據(jù)研究的結(jié)果提出了這樣的分類。它是根據(jù)研磨系數(shù)史立涅爾等根據(jù)研究的結(jié)果提出了這樣的分

24、類。它是根據(jù)研磨系數(shù)值值大小作出的分類，把各種巖石（包括晶質(zhì)巖石和碎屑巖）按研磨性的大小大小作出的分類，把各種巖石（包括晶質(zhì)巖石和碎屑巖）按研磨性的大小共分為共分為12級(jí)。級(jí)。 對(duì)于大多數(shù)巖石來說，硬度越高，其研磨性越強(qiáng)。但砂巖對(duì)于大多數(shù)巖石來說，硬度越高，其研磨性越強(qiáng)。但砂巖相反。主要是由于其膠結(jié)強(qiáng)度降低，其顆粒越容易從巖石剝離相反。主要是由于其膠結(jié)強(qiáng)度降低，其顆粒越容易從巖石剝離出來而形成新的摩擦表面，并導(dǎo)致表面粗糙程度增高，隨著砂出來而形成新的摩擦表面，并導(dǎo)致表面粗糙程度增高，隨著砂巖硬度的增大，摩擦表面也越來越變成研磨的表面，粗糙度便巖硬度的增大，摩擦表面也越來越變成研磨的表面，粗糙度

25、便降低了，這就是砂巖的研磨性隨著硬度的增大而降低的主要原降低了，這就是砂巖的研磨性隨著硬度的增大而降低的主要原因。因。五、巖石的可鉆性五、巖石的可鉆性 可鉆性一般理解為巖石破碎的難易性，由此把巖石分為可鉆性一般理解為巖石破碎的難易性，由此把巖石分為難鉆的和易鉆的。難鉆的和易鉆的。 評(píng)價(jià)用牙輪鉆頭鉆井時(shí)巖石可鉆性的研究以羅勞評(píng)價(jià)用牙輪鉆頭鉆井時(shí)巖石可鉆性的研究以羅勞(Rollow A.G.)在在1962 年提出的微型鉆頭鉆進(jìn)法較為完善。年提出的微型鉆頭鉆進(jìn)法較為完善。 按微鉆頭鉆時(shí)（秒）取以按微鉆頭鉆時(shí)（秒）取以2為底的對(duì)數(shù)，即為底的對(duì)數(shù)，即Log2Y為指為指標(biāo)（標(biāo)（1 “鉆頭、鉆頭、 200磅

26、鉆壓磅鉆壓 、55rpm）。）?？蓪⒏鞯貙影纯摄@可將各地層按可鉆性分為性分為10級(jí)（注：級(jí)（注：Log2Y的整數(shù)值即為可鉆性級(jí)別）。的整數(shù)值即為可鉆性級(jí)別）。地層可鉆性分類表地層可鉆性分類表測(cè)定值（秒）測(cè)定值（秒） 1024 1024級(jí)別級(jí)別 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 2 3 4 5 6 7 8 91010性質(zhì)性質(zhì)易鉆易鉆-難鉆難鉆 目前，我國(guó)各主要油田的地層可鉆性已先后進(jìn)行了目前，我國(guó)各主要油田的地層可鉆性已先后進(jìn)行了測(cè)定。這些數(shù)據(jù)對(duì)于選擇鉆頭類型，預(yù)測(cè)鉆速、估計(jì)各測(cè)定。這些數(shù)據(jù)對(duì)于選擇鉆頭類型，預(yù)測(cè)鉆速、估計(jì)各類鉆頭的需用量，加強(qiáng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)的管理工作建立了比較類鉆頭的需用量，加

27、強(qiáng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)的管理工作建立了比較科學(xué)的依據(jù)?？茖W(xué)的依據(jù)。五點(diǎn)鉆速法：五點(diǎn)鉆速法：u 確定試驗(yàn)中所采用的最高鉆壓確定試驗(yàn)中所采用的最高鉆壓Wmax和最低鉆壓和最低鉆壓Wmin、最高轉(zhuǎn)速、最高轉(zhuǎn)速nmax和最低轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速nmin，同時(shí)選取一平均鉆壓，同時(shí)選取一平均鉆壓W0和一平均轉(zhuǎn)速和一平均轉(zhuǎn)速n0u 按（按（W0、n0）、（）、（ Wmin 、 nmin ）、（）、（ Wmin 、 nmax ）、（）、（ Wmax 、 nmax ）、（）、（ Wmax 、 nmin ）的順序每鉆進(jìn)）的順序每鉆進(jìn)1米或米或0.5米，紀(jì)錄下各點(diǎn)的鉆米，紀(jì)錄下各點(diǎn)的鉆時(shí)，完成試驗(yàn)。時(shí)，完成試驗(yàn)。u將鉆時(shí)轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的

28、鉆速，試驗(yàn)相對(duì)誤差將鉆時(shí)轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的鉆速，試驗(yàn)相對(duì)誤差 為合格。為合格。u由由2點(diǎn)和點(diǎn)和5點(diǎn)以及點(diǎn)以及3點(diǎn)和點(diǎn)和4點(diǎn)分別計(jì)算最低轉(zhuǎn)速和最高轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的門限鉆壓點(diǎn)分別計(jì)算最低轉(zhuǎn)速和最高轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的門限鉆壓M1好和好和M2，然后取其平均值得到該地層的門限鉆壓值，然后取其平均值得到該地層的門限鉆壓值M=(M1+M2)/2u將將2、3兩點(diǎn)和兩點(diǎn)和4、5兩點(diǎn)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)分別代入鉆速方程，可獲得兩個(gè)鉆壓兩點(diǎn)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)分別代入鉆速方程，可獲得兩個(gè)鉆壓下的鉆速指數(shù)，取其平均值，即為地層的鉆速指數(shù)。下的鉆速指數(shù)，取其平均值，即為地層的鉆速指數(shù)。 這種方法適合于鉆速較快的地層。這種方法適合于鉆速較快的地層。%15161

29、vvv3nWmaxWminWnmaxnmin2451,6 地層壓力預(yù)測(cè)方法都是基于壓實(shí)理論、均衡理論及有效應(yīng)力理論。預(yù)地層壓力預(yù)測(cè)方法都是基于壓實(shí)理論、均衡理論及有效應(yīng)力理論。預(yù)測(cè)方法有鉆速法、地球物理方法（地震波）、測(cè)井（聲波時(shí)差等）。目測(cè)方法有鉆速法、地球物理方法（地震波）、測(cè)井（聲波時(shí)差等）。目前應(yīng)用某一種方法是很難準(zhǔn)確評(píng)價(jià)一個(gè)地區(qū)或區(qū)塊的地層壓力，往往需前應(yīng)用某一種方法是很難準(zhǔn)確評(píng)價(jià)一個(gè)地區(qū)或區(qū)塊的地層壓力，往往需要采用多種方法進(jìn)行綜合分析和解釋。地層壓力評(píng)價(jià)方法可分為兩類，要采用多種方法進(jìn)行綜合分析和解釋。地層壓力評(píng)價(jià)方法可分為兩類，一類是利用地震資料或已鉆井資料進(jìn)行預(yù)測(cè)，建立單井或

30、區(qū)塊地層壓力一類是利用地震資料或已鉆井資料進(jìn)行預(yù)測(cè)，建立單井或區(qū)塊地層壓力剖面，用于鉆井工程設(shè)計(jì)、施工；另一類是鉆井過程中的地層壓力監(jiān)測(cè)，剖面，用于鉆井工程設(shè)計(jì)、施工；另一類是鉆井過程中的地層壓力監(jiān)測(cè)，掌握地層壓力的實(shí)際變化、確定現(xiàn)行鉆井措施及溢流監(jiān)控。主要講述：掌握地層壓力的實(shí)際變化、確定現(xiàn)行鉆井措施及溢流監(jiān)控。主要講述：dcdc指數(shù)法、指數(shù)法、聲波時(shí)差法、地震層速度法。聲波時(shí)差法、地震層速度法。dcdc指數(shù)法指數(shù)法是利用泥頁巖壓實(shí)規(guī)律和壓差理論對(duì)機(jī)械鉆速的影響規(guī)律來是利用泥頁巖壓實(shí)規(guī)律和壓差理論對(duì)機(jī)械鉆速的影響規(guī)律來檢測(cè)地層壓力的一種方法。檢測(cè)地層壓力的一種方法。dcdc指數(shù)檢測(cè)指數(shù)檢測(cè)原

31、理原理: 機(jī)械鉆速是鉆壓、轉(zhuǎn)速、鉆頭類型及尺寸、水力參數(shù)、鉆井液性能、地層機(jī)械鉆速是鉆壓、轉(zhuǎn)速、鉆頭類型及尺寸、水力參數(shù)、鉆井液性能、地層巖性等因素的函數(shù)。當(dāng)其它因素一定時(shí)，只考慮壓差對(duì)鉆速的影響，則機(jī)械巖性等因素的函數(shù)。當(dāng)其它因素一定時(shí)，只考慮壓差對(duì)鉆速的影響，則機(jī)械鉆速隨壓差減小而增加。在正常地層壓力情況下，如巖性和鉆井條件不變，鉆速隨壓差減小而增加。在正常地層壓力情況下，如巖性和鉆井條件不變，機(jī)械鉆速隨井深的增加而下降。當(dāng)鉆入壓力過渡帶之后，由于壓差減小，巖機(jī)械鉆速隨井深的增加而下降。當(dāng)鉆入壓力過渡帶之后，由于壓差減小，巖石孔隙度增大，機(jī)械鉆速轉(zhuǎn)而加快。石孔隙度增大，機(jī)械鉆速轉(zhuǎn)而加快。d

32、 d指數(shù)則正是利用這種差異預(yù)報(bào)指數(shù)則正是利用這種差異預(yù)報(bào)異常高異常高壓。壓。d d指數(shù)正是基于賓漢方程建立的。賓漢在不考慮水力因素的影響下建立指數(shù)正是基于賓漢方程建立的。賓漢在不考慮水力因素的影響下建立了鉆速方程了鉆速方程;根據(jù)室內(nèi)及油田鉆井試驗(yàn)根據(jù)室內(nèi)及油田鉆井試驗(yàn) ,再進(jìn)行合理的假設(shè)，采用統(tǒng)一的單位再進(jìn)行合理的假設(shè)，采用統(tǒng)一的單位可得可得d指數(shù)表達(dá)式：指數(shù)表達(dá)式：V V機(jī)械鉆速機(jī)械鉆速,m/h ； K K巖石可鉆性系數(shù)；巖石可鉆性系數(shù)；N N轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速,rpm ；E E轉(zhuǎn)速指數(shù)；轉(zhuǎn)速指數(shù)；P P鉆壓鉆壓,kN ；D Db b鉆頭尺寸鉆頭尺寸mm；D D鉆壓指數(shù)。鉆壓指數(shù)。dbeDPKNVbD

33、PNVd0684.0log0547.0log d d指數(shù)與機(jī)械鉆速指數(shù)與機(jī)械鉆速V V也成反也成反比。進(jìn)而比。進(jìn)而d d指數(shù)與壓差大小指數(shù)與壓差大小有關(guān)，即正常壓力情況下，有關(guān)，即正常壓力情況下，機(jī)械鉆速隨井深增加而減機(jī)械鉆速隨井深增加而減小，小，d d指數(shù)隨井深增加而增指數(shù)隨井深增加而增加。當(dāng)進(jìn)入壓力過渡帶和加。當(dāng)進(jìn)入壓力過渡帶和異常高壓帶地層，實(shí)際異常高壓帶地層，實(shí)際d d指指數(shù)較正常值偏小，數(shù)較正常值偏小，d d指數(shù)正指數(shù)正是基于這一原則來檢測(cè)地是基于這一原則來檢測(cè)地層壓力。層壓力。d指數(shù)H過渡帶頂部正常趨勢(shì)線 由于當(dāng)鉆入壓力過渡帶時(shí)，一般情況要提高鉆井液密由于當(dāng)鉆入壓力過渡帶時(shí)，一般情

34、況要提高鉆井液密度，因而引起鉆井液密度變化，進(jìn)而影響度，因而引起鉆井液密度變化，進(jìn)而影響d d指數(shù)的正常指數(shù)的正常變化規(guī)律，為了消除鉆井液密度變化影響，變化規(guī)律，為了消除鉆井液密度變化影響，RehmRehm和和MeclendonMeclendon在在19711971年提出了修正的年提出了修正的d d指數(shù)法，即指數(shù)法，即dcdc指數(shù)指數(shù)法。法。mRmNcdd式中：式中：dc修正的修正的d指數(shù)；指數(shù)； mN正常地層壓力當(dāng)量密度，正常地層壓力當(dāng)量密度，g/cm3； mR實(shí)際鉆井液密度，實(shí)際鉆井液密度，g/cm3。dcdc指數(shù)檢測(cè)地層壓力步驟指數(shù)檢測(cè)地層壓力步驟（1 1）按一定深度取點(diǎn)，一般）按一定深

35、度取點(diǎn)，一般1.531.53m m取一取一點(diǎn)，如果鉆速高可點(diǎn)，如果鉆速高可510510m m，重點(diǎn)井段重點(diǎn)井段1 1m m取一點(diǎn)。同時(shí)記錄每對(duì)應(yīng)點(diǎn)的鉆速、取一點(diǎn)。同時(shí)記錄每對(duì)應(yīng)點(diǎn)的鉆速、鉆壓、轉(zhuǎn)速、地層水和鉆井液密度。鉆壓、轉(zhuǎn)速、地層水和鉆井液密度。（2 2）計(jì)算）計(jì)算d d和和dcdc指數(shù)指數(shù)（3 3）在半對(duì)數(shù)坐標(biāo)上作出）在半對(duì)數(shù)坐標(biāo)上作出dcdc指數(shù)和相應(yīng)指數(shù)和相應(yīng)井深所確定的點(diǎn)（縱坐標(biāo)為井深井深所確定的點(diǎn)（縱坐標(biāo)為井深H H、對(duì)數(shù)坐標(biāo)為對(duì)數(shù)坐標(biāo)為dcdc指數(shù)）指數(shù)）（4 4）作正常壓力趨勢(shì)線，如右圖。）作正常壓力趨勢(shì)線，如右圖。（5 5）計(jì)算地層壓力）計(jì)算地層壓力P PP P 作出作出d

36、c-Hdc-H圖和正常趨勢(shì)線后，可直接圖和正常趨勢(shì)線后，可直接觀察到異常高壓出現(xiàn)的層位和該層段觀察到異常高壓出現(xiàn)的層位和該層段由由dcdc指數(shù)的偏離值。指數(shù)的偏離值。dcdc指數(shù)偏離正常指數(shù)偏離正常勢(shì)線越遠(yuǎn)，說明地層壓力越高。目前勢(shì)線越遠(yuǎn)，說明地層壓力越高。目前根據(jù)根據(jù)dcdc指數(shù)偏離值計(jì)算地層壓力的方指數(shù)偏離值計(jì)算地層壓力的方法有法有. .M M諾瑪納公式諾瑪納公式、等效深度法等效深度法、伊頓法、康布法等。伊頓法、康布法等。正常趨勢(shì)線正常趨勢(shì)線過渡帶頂部過渡帶頂部dc. .M M諾瑪法諾瑪法 式中：式中： P P所求井深地層壓力當(dāng)量密度，所求井深地層壓力當(dāng)量密度，g/cmg/cm3 3； n

37、 n所所求井深正常地層壓力當(dāng)量密度，求井深正常地層壓力當(dāng)量密度，g/cmg/cm3 3；d dCNCN所求井深的正常所求井深的正常dcdc指數(shù)；指數(shù)；d dcaca所求井深實(shí)際所求井深實(shí)際dcdc指數(shù)。指數(shù)。ncaCNPdd 由于由于dc指數(shù)反映了泥頁巖的壓實(shí)程度，若地層具有相等的指數(shù)反映了泥頁巖的壓實(shí)程度，若地層具有相等的dc指指數(shù)，則可視其骨架應(yīng)力相等。由于上覆地層壓力總是等于骨架數(shù)，則可視其骨架應(yīng)力相等。由于上覆地層壓力總是等于骨架應(yīng)力應(yīng)力 和地層壓力和地層壓力PP之和，所以利用之和，所以利用dc指數(shù)相等，骨架應(yīng)力相等指數(shù)相等，骨架應(yīng)力相等原理，通過找出異常地層壓力下井深原理，通過找出異

38、常地層壓力下井深H的的dc指數(shù)值與正常地層指數(shù)值與正常地層壓力下壓力下dc指數(shù)值相等的井深指數(shù)值相等的井深HE，求出異常高壓地層的地層壓力。求出異常高壓地層的地層壓力。 式中：式中：PP所求深度的地層壓力，所求深度的地層壓力，MPa；H所求地層壓力點(diǎn)的所求地層壓力點(diǎn)的深度，深度，m；G0上覆地層壓力梯度，上覆地層壓力梯度，MPa/m,；Gn等效深度處等效深度處的正常地層壓力梯度，的正常地層壓力梯度，MPa/m；HE等效深度，等效深度，m。)(00NEGGHHGPp聲波時(shí)差法及其原理聲波時(shí)差法及其原理利用聲波測(cè)井曲線檢測(cè)地層壓力的方法，也是對(duì)已鉆井地區(qū)進(jìn)行利用聲波測(cè)井曲線檢測(cè)地層壓力的方法，也是

39、對(duì)已鉆井地區(qū)進(jìn)行單井或區(qū)域進(jìn)行地層壓力預(yù)測(cè)，建立單井或區(qū)域地層壓力剖面的單井或區(qū)域進(jìn)行地層壓力預(yù)測(cè)，建立單井或區(qū)域地層壓力剖面的一種常用而有效的方法。一種常用而有效的方法。 聲波在地層中傳播速度與巖石的密度、結(jié)構(gòu)、孔隙度及埋藏深聲波在地層中傳播速度與巖石的密度、結(jié)構(gòu)、孔隙度及埋藏深度有關(guān)。不同的地層，不同的巖性，有不同的聲波速度。當(dāng)巖性度有關(guān)。不同的地層，不同的巖性，有不同的聲波速度。當(dāng)巖性一定時(shí)，聲波的速度隨巖石孔隙度的增大而減小。由試驗(yàn)和理論一定時(shí)，聲波的速度隨巖石孔隙度的增大而減小。由試驗(yàn)和理論研究可得：研究可得： 在半對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中（在半對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中（H H為縱坐標(biāo)，為縱坐標(biāo)， t t為

40、對(duì)數(shù)坐標(biāo)），即聲波時(shí)為對(duì)數(shù)坐標(biāo)），即聲波時(shí)差的對(duì)數(shù)與井深呈線性關(guān)系。在正常地層壓力井段，隨著井深增差的對(duì)數(shù)與井深呈線性關(guān)系。在正常地層壓力井段，隨著井深增加，巖石孔隙度減小，聲波速度增大，聲波時(shí)差減小。當(dāng)進(jìn)入壓加，巖石孔隙度減小，聲波速度增大，聲波時(shí)差減小。當(dāng)進(jìn)入壓力過渡帶和異常高壓帶地層后，巖石孔隙度增大，聲波速度減小，力過渡帶和異常高壓帶地層后，巖石孔隙度增大，聲波速度減小，聲波時(shí)差增大，偏離正常壓力趨勢(shì)線。因此可利用這一特點(diǎn)檢測(cè)聲波時(shí)差增大，偏離正常壓力趨勢(shì)線。因此可利用這一特點(diǎn)檢測(cè)地層壓力。地層壓力。 CHett0 地震反射波法是地球物理中最為廣泛應(yīng)用的一種方法。地震反射波法是地球物理

41、中最為廣泛應(yīng)用的一種方法。地震波法預(yù)測(cè)地層壓力是根據(jù)在不同巖性，不同壓實(shí)程度地震波法預(yù)測(cè)地層壓力是根據(jù)在不同巖性，不同壓實(shí)程度情況下，地震波速度傳播的差異來預(yù)測(cè)地層壓力的方法。情況下，地震波速度傳播的差異來預(yù)測(cè)地層壓力的方法。即正常壓實(shí)條件下，隨著深度的增加，地震波速逐漸增大；即正常壓實(shí)條件下，隨著深度的增加，地震波速逐漸增大；在異常壓力層則隨著井深增加，地震波速反而減小在異常壓力層則隨著井深增加，地震波速反而減小的原理的原理來預(yù)測(cè)壓力異常。地震波法預(yù)測(cè)地層壓力計(jì)算方法主要有來預(yù)測(cè)壓力異常。地震波法預(yù)測(cè)地層壓力計(jì)算方法主要有等效深度法，等效深度法，F(xiàn)illiponeFillipone法、法、R

42、 R比值法。其中比值法。其中FilliponeFillipone法法不需要建立正常壓力趨勢(shì)線而可直接計(jì)算地層壓力。當(dāng)然不需要建立正常壓力趨勢(shì)線而可直接計(jì)算地層壓力。當(dāng)然無論采用哪種方法，預(yù)測(cè)值的精度主要取決于層速度采集無論采用哪種方法，預(yù)測(cè)值的精度主要取決于層速度采集的精度。的精度。 破裂壓力破裂壓力在井下一定深度出露的地層，承受液體壓力的能力是有限的。在井下一定深度出露的地層，承受液體壓力的能力是有限的。當(dāng)液體壓力達(dá)到某一數(shù)值時(shí)會(huì)使地層破裂，這個(gè)液體壓力稱為地層破裂當(dāng)液體壓力達(dá)到某一數(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。壓力。 地層破裂是由井壁所受應(yīng)力狀態(tài)確定，深部地層水力壓裂主

43、要形成垂直地層破裂是由井壁所受應(yīng)力狀態(tài)確定，深部地層水力壓裂主要形成垂直裂縫，其起裂是由于井壁上的有效切向應(yīng)力裂縫，其起裂是由于井壁上的有效切向應(yīng)力 大于巖石的抗張強(qiáng)度大于巖石的抗張強(qiáng)度S St t ，因此如何確定井壁的有效切向應(yīng)力是預(yù)測(cè)井眼破裂關(guān)鍵問題。因此如何確定井壁的有效切向應(yīng)力是預(yù)測(cè)井眼破裂關(guān)鍵問題。地應(yīng)力一地應(yīng)力一般是不均勻的，地層破裂壓力由三個(gè)主地應(yīng)力控制，垂直主應(yīng)力般是不均勻的，地層破裂壓力由三個(gè)主地應(yīng)力控制，垂直主應(yīng)力 E E由上由上覆地層壓力覆地層壓力P P0 0確定；水平主地應(yīng)力確定；水平主地應(yīng)力 H H、 h h由兩部分組成，一部分來自上由兩部分組成，一部分來自上覆地層壓

44、力覆地層壓力P P0 0，其大小是巖石泊松比的函數(shù)，另一部分是地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力。其大小是巖石泊松比的函數(shù)，另一部分是地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力。 三條壓力剖面之地層破裂壓力三條壓力剖面之地層破裂壓力1 哈伯特一威利斯法（哈伯特一威利斯法（The Hubbert & Willis approach）01111()()()3232hpPP代入正常地層壓力梯度代入正常地層壓力梯度10.5千帕千帕/米和上覆巖層壓力梯度米和上覆巖層壓力梯度22.7千帕千帕/米，米，可求得地層破裂壓力梯度的范圍為：可求得地層破裂壓力梯度的范圍為：0min12()14.53fPPGHH0max12()16.62fPPGHH 千帕千帕

45、/米米 千帕千帕/米米2 2馬修斯一凱利法馬修斯一凱利法(Method of Matthews & Kelly)(Method of Matthews & Kelly)iKhik馬修斯一凱利法與哈伯特一威利斯法的不同點(diǎn)在于引入了變數(shù)基巖應(yīng)馬修斯一凱利法與哈伯特一威利斯法的不同點(diǎn)在于引入了變數(shù)基巖應(yīng)力系數(shù)力系數(shù) (即可變的水平與垂直應(yīng)力）即可變的水平與垂直應(yīng)力）0()fiPGKHH式中：式中：Gf-井深井深H米處的地層破裂壓力梯度，米處的地層破裂壓力梯度，KPa/mP0-井深井深H米處的地層壓力，米處的地層壓力，KPaH-井深，井深，m-井深井深H處的基巖應(yīng)力處的基巖應(yīng)力Ki-值

46、為正?；鶐r應(yīng)力的井深值為正?；鶐r應(yīng)力的井深Hi米處的基巖應(yīng)力系數(shù)，無因次。米處的基巖應(yīng)力系數(shù)，無因次。 對(duì)于正常地層壓力，對(duì)于正常地層壓力，Gf的計(jì)算，將的計(jì)算，將Gp=10.5KPa/m和和 =22.7-10.5KPa/m代入上式得到代入上式得到10.5 12.2fiGK3 伊頓法（伊頓法（Method of Eaton）伊頓假設(shè)地層是彈性體，用虎克定律里的泊松比伊頓假設(shè)地層是彈性體，用虎克定律里的泊松比將水平應(yīng)力將水平應(yīng)力h與垂與垂直應(yīng)力直應(yīng)力 聯(lián)系起來：聯(lián)系起來：1huu01fPGHH伊頓法的地層破裂壓力梯度預(yù)報(bào)方法適用于連續(xù)沉積盆地，是比較伊頓法的地層破裂壓力梯度預(yù)報(bào)方法適用于連續(xù)沉積

47、盆地，是比較準(zhǔn)確的。但伊頓法沒有考慮井壁應(yīng)力集中和地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力的影響，準(zhǔn)確的。但伊頓法沒有考慮井壁應(yīng)力集中和地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力的影響，其預(yù)測(cè)這類地層具有一定的誤差，對(duì)這類地層可采用黃榮樽法。其預(yù)測(cè)這類地層具有一定的誤差，對(duì)這類地層可采用黃榮樽法。 4. 液壓試驗(yàn)液壓試驗(yàn) 液壓試驗(yàn)也稱漏失試驗(yàn)是在下完液壓試驗(yàn)也稱漏失試驗(yàn)是在下完一層套管并注完水泥后，再鉆一層套管并注完水泥后，再鉆穿水泥塞，打開套管鞋下面第穿水泥塞，打開套管鞋下面第一個(gè)砂巖層之后進(jìn)行的。美國(guó)一個(gè)砂巖層之后進(jìn)行的。美國(guó)已形成法令，規(guī)定每口井每下已形成法令，規(guī)定每口井每下一層套管必須進(jìn)行液壓試驗(yàn)，一層套管必須進(jìn)行液壓試驗(yàn)，以準(zhǔn)確獲得地層破裂

48、壓力梯度以準(zhǔn)確獲得地層破裂壓力梯度的原始資料，作為鉆井設(shè)計(jì)的的原始資料，作為鉆井設(shè)計(jì)的依據(jù)。液壓試驗(yàn)的目的通常是依據(jù)。液壓試驗(yàn)的目的通常是檢查注水泥作業(yè)和實(shí)測(cè)地層破檢查注水泥作業(yè)和實(shí)測(cè)地層破裂壓力。液壓試驗(yàn)時(shí)地層的破裂壓力。液壓試驗(yàn)時(shí)地層的破裂易發(fā)生在套管鞋處，因套管裂易發(fā)生在套管鞋處，因套管鞋處地層壓實(shí)程度比其下部地鞋處地層壓實(shí)程度比其下部地層的壓實(shí)程度差。層的壓實(shí)程度差。PPF=P+PhPh液壓試驗(yàn)法的步驟如下：液壓試驗(yàn)法的步驟如下：（1 1）循環(huán)調(diào)節(jié)泥漿性能，保證泥漿性能穩(wěn)定，上提鉆頭至套管鞋內(nèi)，關(guān)閉）循環(huán)調(diào)節(jié)泥漿性能，保證泥漿性能穩(wěn)定，上提鉆頭至套管鞋內(nèi)，關(guān)閉防噴器。防噴器。（2 2）

49、用較小排量（）用較小排量（0.661.320.661.32l/l/s s）向井內(nèi)注入泥漿，并記錄各個(gè)時(shí)間的注向井內(nèi)注入泥漿，并記錄各個(gè)時(shí)間的注入量及立管壓力。入量及立管壓力。（3 3）作立管壓力與泵入量（累計(jì)）的）作立管壓力與泵入量（累計(jì)）的關(guān)系曲線圖關(guān)系曲線圖。（4 4）從圖上確定各個(gè)壓力值，漏失壓力從圖上確定各個(gè)壓力值，漏失壓力P Pl l，即開始偏離直線點(diǎn)的壓力，其即開始偏離直線點(diǎn)的壓力，其后壓力繼續(xù)上升；壓力上升到最大值，即為斷裂壓力后壓力繼續(xù)上升；壓力上升到最大值，即為斷裂壓力P Pf f；最大值過后壓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力下降并趨于平緩，平緩的壓力稱

50、為傳播壓力P Ppropro。（5 5）求破裂壓力當(dāng)量泥漿密度）求破裂壓力當(dāng)量泥漿密度： 式中：式中： m m試驗(yàn)用泥漿密度，試驗(yàn)用泥漿密度，g/cmg/cm3 3；P P1 1漏失壓力，漏失壓力，MPaMPa；H H裸眼段裸眼段中點(diǎn)井深，中點(diǎn)井深，m m。（6 6）求破裂壓力梯度）求破裂壓力梯度G Gf f（MPa/mMPa/m）：）：HPm/8 .1011maxHPGmf100981. 0壓力，MPa泵入量，升PlPfPpro 世界范圍內(nèi)每年用于處理井眼系統(tǒng)失穩(wěn)的費(fèi)用高達(dá)世界范圍內(nèi)每年用于處理井眼系統(tǒng)失穩(wěn)的費(fèi)用高達(dá)5 5億美元，億美元，損失鉆井總時(shí)間損失鉆井總時(shí)間56%56%。造成井眼系統(tǒng)

51、失穩(wěn)的原因是鉆井形成。造成井眼系統(tǒng)失穩(wěn)的原因是鉆井形成井眼后，打破了原有的地下力學(xué)系統(tǒng)平衡，造成井壁周圍巖井眼后，打破了原有的地下力學(xué)系統(tǒng)平衡，造成井壁周圍巖石的應(yīng)力集中。當(dāng)井筒內(nèi)有效液柱壓力小于井壁應(yīng)力時(shí)，對(duì)石的應(yīng)力集中。當(dāng)井筒內(nèi)有效液柱壓力小于井壁應(yīng)力時(shí)，對(duì)于脆性巖層將出現(xiàn)坍塌；塑性巖層出現(xiàn)縮徑。當(dāng)井筒有效液于脆性巖層將出現(xiàn)坍塌；塑性巖層出現(xiàn)縮徑。當(dāng)井筒有效液柱壓力過高，又將壓裂巖層出現(xiàn)漏失，導(dǎo)至井下復(fù)雜和事故。柱壓力過高，又將壓裂巖層出現(xiàn)漏失，導(dǎo)至井下復(fù)雜和事故。另一方面由于鉆井液進(jìn)入巖層，也將導(dǎo)至巖石力學(xué)特性參數(shù)另一方面由于鉆井液進(jìn)入巖層，也將導(dǎo)至巖石力學(xué)特性參數(shù)的改變，改變井壁巖石力

52、學(xué)狀態(tài)至使井眼系統(tǒng)的不穩(wěn)定性。的改變，改變井壁巖石力學(xué)狀態(tài)至使井眼系統(tǒng)的不穩(wěn)定性。 三條壓力剖面之井眼坍塌應(yīng)力三條壓力剖面之井眼坍塌應(yīng)力 地下巖體在原地應(yīng)力作用下，一般處于三向壓力狀態(tài)。鉆井地下巖體在原地應(yīng)力作用下，一般處于三向壓力狀態(tài)。鉆井形成井眼后，井壁應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化。在外力作用下巖體將形成井眼后，井壁應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化。在外力作用下巖體將出現(xiàn)彈性，彈塑性，塑性變形屈服和脆性破壞。巖石的力學(xué)出現(xiàn)彈性，彈塑性，塑性變形屈服和脆性破壞。巖石的力學(xué)行為大體遵循線彈性力學(xué)規(guī)律。行為大體遵循線彈性力學(xué)規(guī)律。 由于井眼幾何形狀和鉆遇巖體力學(xué)特征的不同，井眼所處應(yīng)由于井眼幾何形狀和鉆遇巖體力學(xué)特征的不同

53、，井眼所處應(yīng)力狀態(tài)就不一樣，其破壞形式也不一樣。對(duì)軟而塑性大的泥力狀態(tài)就不一樣，其破壞形式也不一樣。對(duì)軟而塑性大的泥巖表現(xiàn)為塑性變形而縮徑，硬脆性泥頁巖為坍塌縮徑。巖表現(xiàn)為塑性變形而縮徑，硬脆性泥頁巖為坍塌縮徑。常見的巖石強(qiáng)度破壞準(zhǔn)則有：常見的巖石強(qiáng)度破壞準(zhǔn)則有：最大正應(yīng)力強(qiáng)度理論最大正應(yīng)力強(qiáng)度理論最大正應(yīng)變強(qiáng)度理論最大正應(yīng)變強(qiáng)度理論最大剪應(yīng)力強(qiáng)度理論最大剪應(yīng)力強(qiáng)度理論最大剪應(yīng)變強(qiáng)度理論最大剪應(yīng)變強(qiáng)度理論Mohr-CoulombMohr-Coulomb準(zhǔn)則準(zhǔn)則Hoere-BrownHoere-Brown準(zhǔn)則準(zhǔn)則GriffithGriffith準(zhǔn)則準(zhǔn)則石油工程對(duì)脆性泥頁巖一般采用摩爾石油工程對(duì)脆

54、性泥頁巖一般采用摩爾庫(kù)爾（庫(kù)爾（MohrMohrCoulombCoulomb）強(qiáng)度準(zhǔn)則強(qiáng)度準(zhǔn)則。 最大正應(yīng)力強(qiáng)度理論也稱為郎肯（最大正應(yīng)力強(qiáng)度理論也稱為郎肯（RankineRankine）理論。）理論。因此，作用于巖石的三個(gè)主應(yīng)力（因此，作用于巖石的三個(gè)主應(yīng)力（1 1、2 2、3 3）中，）中，只要有一個(gè)主應(yīng)力達(dá)到巖石的單軸抗壓強(qiáng)度（只要有一個(gè)主應(yīng)力達(dá)到巖石的單軸抗壓強(qiáng)度（c c）或巖）或巖石的單軸抗拉強(qiáng)度（石的單軸抗拉強(qiáng)度（t t）, ,巖石便破壞。按此理論，巖巖石便破壞。按此理論，巖石的破壞準(zhǔn)則是：石的破壞準(zhǔn)則是：或?qū)懗山馕鍪剑夯驅(qū)懗山馕鍪剑菏街校菏街校篟-R-泛指巖石單軸抗壓強(qiáng)度及單軸抗

55、拉強(qiáng)度泛指巖石單軸抗壓強(qiáng)度及單軸抗拉強(qiáng)度 這個(gè)理論只適用于巖石單向受力及脆性巖石在二維應(yīng)這個(gè)理論只適用于巖石單向受力及脆性巖石在二維應(yīng)力條件下的受拉狀態(tài)。力條件下的受拉狀態(tài)。tc310223222221RRR 巖石受壓時(shí)沿著平行于受力方向產(chǎn)生張性破裂。因巖石受壓時(shí)沿著平行于受力方向產(chǎn)生張性破裂。因此人們認(rèn)為巖石的破壞取決于最大正應(yīng)變，巖石發(fā)生張此人們認(rèn)為巖石的破壞取決于最大正應(yīng)變，巖石發(fā)生張性破裂的原因是由于其最大正應(yīng)變達(dá)到或超過一定的極性破裂的原因是由于其最大正應(yīng)變達(dá)到或超過一定的極限應(yīng)變所致。按此理論，只要巖石內(nèi)任意方向上的正應(yīng)限應(yīng)變所致。按此理論，只要巖石內(nèi)任意方向上的正應(yīng)變達(dá)到單軸壓縮

56、破壞或單軸拉伸破壞時(shí)的應(yīng)變值，巖石變達(dá)到單軸壓縮破壞或單軸拉伸破壞時(shí)的應(yīng)變值，巖石便被破壞，準(zhǔn)則是：便被破壞，準(zhǔn)則是：最大正應(yīng)變強(qiáng)度理論的解析式最大正應(yīng)變強(qiáng)度理論的解析式式中：式中：-巖石泊松比巖石泊松比 這個(gè)理論只適用于脆性巖石，不適應(yīng)于塑形巖石這個(gè)理論只適用于脆性巖石，不適應(yīng)于塑形巖石變值，由實(shí)驗(yàn)求得驗(yàn)時(shí)巖石破壞的極限應(yīng)單向壓縮或單向拉伸試-律求出值，可用廣義的胡克定巖石內(nèi)發(fā)生的最大應(yīng)變-式中：maxmaxmm0222132231222321RRR 也稱為屈瑞斯卡強(qiáng)度準(zhǔn)則是研究塑形材料破壞過程也稱為屈瑞斯卡強(qiáng)度準(zhǔn)則是研究塑形材料破壞過程中獲得的強(qiáng)度理論。試驗(yàn)表明，當(dāng)材料發(fā)生屈服時(shí)，試中獲得

57、的強(qiáng)度理論。試驗(yàn)表明，當(dāng)材料發(fā)生屈服時(shí)，試件表面將出現(xiàn)大致與軸線呈件表面將出現(xiàn)大致與軸線呈4545夾角的斜坡面。由于最?yuàn)A角的斜坡面。由于最大剪應(yīng)力出現(xiàn)在與試件呈大剪應(yīng)力出現(xiàn)在與試件呈4545夾角的斜面上，所以，這夾角的斜面上，所以，這些破裂面即為材料沿著該斜面發(fā)生剪切滑移的結(jié)果。一些破裂面即為材料沿著該斜面發(fā)生剪切滑移的結(jié)果。一般認(rèn)為這種剪切滑移是材料塑形變形的根本原因。因此般認(rèn)為這種剪切滑移是材料塑形變形的根本原因。因此，最大剪應(yīng)力強(qiáng)度理論認(rèn)為材料的破壞取決于最大剪應(yīng)，最大剪應(yīng)力強(qiáng)度理論認(rèn)為材料的破壞取決于最大剪應(yīng)力。當(dāng)巖石承受的最大剪應(yīng)力力。當(dāng)巖石承受的最大剪應(yīng)力maxmax達(dá)到其單軸壓縮

58、或單達(dá)到其單軸壓縮或單軸拉伸極限剪應(yīng)力軸拉伸極限剪應(yīng)力m m時(shí)，巖石便被剪切破壞。表示為：時(shí)，巖石便被剪切破壞。表示為： maxmax m m 在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下，最大剪應(yīng)力為在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下，最大剪應(yīng)力為max max = =（1-1-3 3）/2/2；在單軸壓縮或單軸拉伸條件下，極限剪應(yīng)力為；在單軸壓縮或單軸拉伸條件下，極限剪應(yīng)力為m m=R/2=R/2。代入。代入R31或可以寫成或可以寫成:0221222232231RRR塑形巖石采用最大剪應(yīng)力強(qiáng)度理論能獲得滿意的塑形巖石采用最大剪應(yīng)力強(qiáng)度理論能獲得滿意的結(jié)果，但不適合于脆性巖石。此外該理論未考慮結(jié)果，但不適合于脆性巖石。此外該理論未考慮中

59、間主應(yīng)力中間主應(yīng)力2的影響的影響 莫爾強(qiáng)度理論及莫爾強(qiáng)度理論及Mohr-CoulombMohr-Coulomb強(qiáng)度破壞準(zhǔn)則是巖石強(qiáng)度破壞準(zhǔn)則是巖石力學(xué)中應(yīng)用最為廣泛的強(qiáng)度判定準(zhǔn)則之一。莫爾強(qiáng)度理力學(xué)中應(yīng)用最為廣泛的強(qiáng)度判定準(zhǔn)則之一。莫爾強(qiáng)度理論認(rèn)為，當(dāng)某一面的剪切力超過其能承受的極限剪應(yīng)力論認(rèn)為，當(dāng)某一面的剪切力超過其能承受的極限剪應(yīng)力值時(shí)，巖石便發(fā)生破壞；而這種極限剪應(yīng)力值時(shí)，巖石便發(fā)生破壞；而這種極限剪應(yīng)力又是作又是作用于該面上法向應(yīng)力用于該面上法向應(yīng)力的函數(shù)，即有的函數(shù)，即有=f(=f().).1.1.莫爾應(yīng)力圓莫爾應(yīng)力圓 莫爾強(qiáng)度理論可以用莫爾應(yīng)力圓來表示。在平面應(yīng)力莫爾強(qiáng)度理論可以用

60、莫爾應(yīng)力圓來表示。在平面應(yīng)力狀態(tài)下，如圖（狀態(tài)下，如圖（a a）所示）所示已知作用于材料某點(diǎn)上的兩個(gè)主應(yīng)力已知作用于材料某點(diǎn)上的兩個(gè)主應(yīng)力1 1和和3 3，則法線，則法線與最大主應(yīng)力與最大主應(yīng)力1 1方向夾角為方向夾角為N1N1的平面上法向應(yīng)力的平面上法向應(yīng)力及剪應(yīng)力及剪應(yīng)力為：為：消去消去N1 N1 ，上式進(jìn)一步變?yōu)椋?，上式進(jìn)一步變?yōu)椋涸谄矫嬷苯亲鴺?biāo)系在平面直角坐標(biāo)系0 0中，上式的曲線為一個(gè)圓，其圓中，上式的曲線為一個(gè)圓，其圓心坐標(biāo)為心坐標(biāo)為o(o(1+1+3)/2,03)/2,0，半徑為，半徑為( (1-1-3)/2,3)/2,如如圖（）所示，這就是平面應(yīng)力狀態(tài)下的莫爾應(yīng)力圓。圖（）所示，這就是平面應(yīng)力狀態(tài)下