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第一章 钻井的工程地质条件第一节 地下压力特性第二节 岩石的工程力学性质
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第一节 地下压力特性一、地下各种压力二、异常高压的成因及其评价方法三、地层破裂压力
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一、地下各种压力地层（ Formation） =岩石骨架（ Matrix） +流体（ Liquid）
● 地下压力可分为两类：
地层孔隙内流体承受的压力 —— 地层（孔隙）压力，分为正常和异常地层压力岩石骨架承受的压力 —— 有效地应力，分为垂直和水平有效地应力
● 地下压力有两个来源,地层重力 +地质构造应力
4
一、地下各种压力
（ 一 ） 地层压力 （ formation pressures）
1,静水压力 （ hydrostatic pressure）
正常地层压力 =静水压力
lh h00981.0p
0 0 9 8 1.0G h
hp —— 静水压力,MPa;
—— 地层水密度，
淡水,1.0g/cm3
盐水,1.05g/cm3；
—— 液柱的 垂直 高度,m。
lh
—— 静液压力梯度,MPa/m；
hG
hl
5
一、地下各种压力
（ 一 ） 地层压力 （ formation pressures）
2,异常地层压力 （ abnormal pressure）
异常低压 —— 小于正常静水压力的地层压力异常高压 —— 大于正常静水压力的地层压力
p?
◆ 地层压力当量密度：
Dp pp?0 0 9 8 1.0?令：
为 地层压力当量密度,g/cm3称
◆ 地层压力梯度：
ppG?0 0 9 8 1.0?
6
面积流体重力基岩重力p
o
上覆压力梯度,D/pG
oo?
])1[(0 0 9 8 1.0 mao Dp
ioio Dp00981.0
D oo dDDp 0 )(0 0 9 8 1.0?
如冀东高尚堡构造,D
o eD
4105 7 5.00.2)(
一、地下各种压力
1,上覆岩层压力或垂直地应力 （ Overburden pressure）
（ 二 ） 地应力 （ in-situ stress ）
7
一、地下各种压力
（ 二 ） 地应力 （ in-situ stress ）
2,基岩应力 （ matrixstress）
施加在岩石骨架颗粒上的那部分上覆岩层压力,又称为 有效垂直地应力。
poz pp
3,水平地应力由上覆岩层的侧压效应和地质构造力的作用引起的。
pp
))(
1
(
))(
1
(
3
2
po
po
pp
pp
8
一、地下各种压力
（ 三 ） 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,
因此上覆岩层压力,地层压力和基岩应力之间存在以下关系：
当 po一定时,σ 减小,pp增大,σ→ 0,pp → po。 所以,
地层的孔隙压力增大,基岩应力必然减小 。
po pp
9
（ 1）上覆岩层压力梯度一般随深度增加而增大。
（ 2） 沉积岩的平均密度大约为 2.5g/cm3,平均上覆岩层压力梯度一般为 0.0227 MPa/m。
（ 3） 在石油钻井中,以钻台 （ 方补心 ） 作为各种压力的计算基准面 。
一、地下各种压力注意
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第一节 地下压力特性一、地下各种压力二、异常高压的成因及其评价方法三、地层破裂压力
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二、异常高压的成因及其评价方法
abnormal
pressure
（ 一 ） 形成异常高压的地质条件
① 地层具有保存流体的孔隙 ;
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,形成足够大的上覆岩层压力 。
可能形成异常高压的地层：
● 砂岩层
●裂缝和溶洞发育的碳酸盐层
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1,地层沉积过程中的欠压实作用二、异常高压的成因及其评价方法在地层沉积过程中，由于快速沉积，地层孔隙中的流体 来不及排出 ；
或者由于在侧向和垂向上受到 不渗透层或低渗层的封闭,地层流体不能从孔隙中正常排出，从而使部分上覆岩层压力作用在孔隙中的流体上而形成异常高压，这种作用称为 欠压实 。
欠压实地层的特点,岩层密度减小，孔隙度增大 。
（二）异常高压形成的原因
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由地质构造运动，如地壳的升降、断层、盐丘侵入等，引起的异常高压。
高供水区型异常高压 地层断裂和剥蚀形成异常高压
2,地质构造作用二、异常高压的成因及其评价方法
（二）异常高压形成的原因
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二、异常高压的成因及其评价方法
（二）异常高压形成的原因盐丘型异常高压 断层作用形成异常高压
2,地质构造作用
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3,其它成因
（ 1） 水热增压：密闭容器中,水温升高 0.55℃,压力升高 0.86MPa。
（ 2） 注入作用
（ 3） 蒙脱石转化为伊利石的脱水作用
（ 4） 泥页岩半透膜的渗析作用二、异常高压的成因及其评价方法
（二）异常高压形成的原因
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二、异常高压的成因及其评价方法
（三）异常高压地层的钻前预测方法
地震资料法
声波测井资料法
cDaet
在正常压力层段，声波时差随埋藏深度增加逐渐减小。在半对数坐标中，声波时差随井深呈直线变化关系，称之为正常趋势线。
进入异常高压地层时，声波时差偏离正常压力趋势线而增大。据此可预测异常高压，并可根据偏离程度的大小定量计算地层压力。
1,声波法原理
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二、异常高压的成因及其评价方法
2,地层压力的计算
ntt
当量密度
g/cm3
1.0
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
1.7 0 20 40 60 80 100 120
（ 1）经验图板法
（三）异常高压地层的钻前预测方法
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二、异常高压的成因及其评价方法
2,地层压力的计算
（ 2）等效深度（当量深度）法 ct?
D
eD
)D(p)D(p)D(p)D(p
)D(p)D(p)D(
)D(p)D(p)D(
)D()D(
)D(t)D(t
eheoop
eheoe1
po1
e11
ecc
（三）异常高压地层的钻前预测方法
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① 收集声波时差测井资料，读取泥页岩点的声波时差数据；
② 绘制散点图，引出正常压力趋势线,Δt=ae-cD
③ 读出异常高压层段的实际△ t和该深度 D所对应的正常趋势线上的声波时差△ tn，计算△ t-△ tn；
④ 从经验图版上读出△ t-△ tn所对应的当量密度 ρp；或采用等效深度法计算地层压力。
二、异常高压的成因及其评价方法
3,一般步骤
（三）异常高压地层的钻前预测方法
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二、异常高压的成因及其评价方法
（四）异常高压地层的随钻监测方法
页岩密度法 —— 高压地层欠压实，泥页岩密度偏小。
机械钻速法 —— 机械钻速与地层压实程度有关
dc指数法 —— 机械钻速的一种标准化形式
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宾汉钻速模型（ Bingham,1964)：
)/lo g (
)/lo g (
d
V
b
pc
W
nd?d指数（泥页岩层）：
d
V
b
pc
W
nd
0 6 8 4.0
lo g
0 5 4 7.0
lo g
采用常用工程单位：
dc指数 （ 修正钻井液密度的影响 ）,
d
n
c dd?
二、异常高压的成因及其评价方法
1,dc 指数的概念
（四）异常高压地层的随钻监测方法
dbepc dWnKV /
22
2.dc 指数法与原理在正常压力层段,dc指数随井深增加而增大。 在半对数坐标中,dc
指数与井深呈线性关系，称之为正常压力趋势线。
bDc aed?
当钻遇异常高压层，由于地层欠压实，机械钻速增大,dc指数则相对减小，偏离正常趋势线。根据偏离程度可计算出地层压力。
二、异常高压的成因及其评价方法
（四）异常高压地层的随钻监测方法
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3,地层压力的计算经验图版法、当量（等效）深度法,经验公式法
c
cn
np d
d
二、异常高压的成因及其评价方法
（四）异常高压地层的随钻监测方法
4,一般步骤：
1）收集泥页岩地层的正常压力和异常压力层段的钻井资料：钻速、钻压、
转速、钻头直径、地层水密度、实际钻井液密度；
2）计算 dc指数；
3）在半对数坐标中绘制散点图，引出正常压力趋势线；
4）计算地层压力。
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思考题二、异常高压的成因及其评价方法
1） dc指数法预测地层压力的误差较大，为什么？
2）声波法和 dc指数法是否适合碳酸盐地层？如何评价碳酸盐地层的地层压力？
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第一节 地下压力特性一、地下各种压力二、异常高压的成因及其评价方法三、地层破裂压力
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1.地层破裂压力 （ Formation Fracture Pressure）
使某深度处地层破裂时的井眼内 液柱压力 称为该地层的破裂压力。
三、地层破裂压力
D109,8 1 f3fp
D
f?
ffG?00981.0?
称为地层破裂压力当量密度,g/cm3
地层破裂压力取 决于井眼周围岩石的应力状态和岩石强度。
27
井眼周围岩石的受力状态
（ 1）上覆岩层压力 po
（ 2）地层孔隙压力 pp
（ 3）水平地应力
（ 4）钻井液液柱压力 ph
有效地应力（岩石骨架应力）：
有效垂直地应力（基岩应力）
σ1=po－ pp
有效水平地应力：
))(
1
(
))(
1
(
3
2
po
po
pp
pp
σ1
σ1
σ3
σ3
σ2
σ2
ph
三、地层破裂压力
２,地层开裂条件
28
裂缝张开方向地层开裂条件,Ph>pp+ σ3,σ3<σ2<σ1
三、地层破裂压力
２,地层开裂条件
29
（ 1） Hubbert&Willis（ 1957） [休伯特和威利斯 ］
认为,① 三维不均匀应力状态,σ 1＞ σ 2＞ σ 3,且 σ 3= (1/3~1/2)σ 1
② 井内液压力必须克服地层孔隙压力和最小有效水平地应力时地层才能破裂 。
)( 0 pipf ppKpp
))(2/1~3/1( 0 ppf pppp
（ 2） Mathews & Kelly(1967)[马修斯和凯利 ]
认为：① 水平均匀地应力状态,σ 3=σ 2=Ki(D)σ 1
② 井内液柱压力必须克服地层孔隙压力和最小有效水平地应力时地层才能破裂。
三、地层破裂压力
3.地层破裂压力预测方法
30
（ 3） Eaton(1969)
认为,① 水平均匀地应力状态,即,σ1>σ2= σ3
② 井内液压必须克服地层孔隙压力和最小有效水平地应力时地层才能破裂 。
132 1
)(
1 0 ppf
pppp?
三、地层破裂压力
3.地层破裂压力预测方法
31
rtpOSSpf SppKpp ))(1
2(
式中,KSS 由现场压裂实验数据求得；
Srt — 岩石抗拉强度，由 岩心抗拉试验求得。
（ 4）黄荣樽法（ 1985）
认为：① 井壁岩石处于三维不均匀应力状态,σ3 <σ2< σ1 ；
② 水平地应力由上覆岩层压力和地质构造应力两部分产生；
③ 当井内液压力超过地层孔隙压力、最小水平地应力和岩石的抗拉强度，地层开裂。
三、地层破裂压力
3.地层破裂压力预测方法
32
D
p L
df 0 0 9 8 1.0
三、地层破裂压力
4.地层破裂压力实测方法
LP
井口压力注入量
fP
rP
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液压破裂试验曲线
① 循环调节泥浆性能，保证泥浆性能稳定，上提钻头至套管鞋内，关闭防喷器。
②用较小排量向井内注入泥浆，并记录各个时期的注入量及立管压力。
③做立管压力与累计泵入量的关系曲线图。
④从图上确定各个压力值,
1）步骤
4.地层破裂压力实测方法
pL,漏失压力,开始偏离直线点的压力，其后压力继续上升；
Pf,开裂压力，压力升到最大值；
Pr,传播压力，最大值过后压力下降并趋于平缓。
三、地层破裂压力
34
2）计算地层破裂压力
3）注意事项试验过程中,
①试验测定的是套管鞋处裸露地层的破裂压力 。
② 关闭防喷器。
③ 用较小排量 0.66～ 1.32 L/s向井内注入泥浆。
dLf DPp?0 0 9 8 1.0
地层破裂压力当量密度
D
P L
df 00981.0
4.地层破裂压力实测方法三、地层破裂压力
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计算过程中：
① 计算地层破裂压力时，在钻井过程中应以漏失压力为准；
在压裂过程中应以开裂压力为准。
③ 破裂处 地层的破裂压力应该等于表现在立管上的压力与压力表以下液柱形成的压力之和,。
② 计算深度 D是指套管下入垂深，而不是井深；
Lf PP?
3）注意事项
4.地层破裂压力实测方法三、地层破裂压力
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第二节 岩石的工程力学性质一、岩石的组成及分类二、岩石的力学性质三、岩石的可钻性与研磨性
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（ 一 ） 岩石的组成岩石 是矿物颗粒的集合体,颗粒之间或者靠直接接触面上的作用力联结,或者由外来的胶结物胶结 。
矿物 是具有固定的化学成分和确定的物理性质的天然无机化合物 。
一、岩石的组成与分类主要造岩矿物：
硅酸盐类,正、斜长石、石英、黑 /白云母、辉石、角闪石、橄榄石碳酸盐类,石灰石、白云石硫酸盐类,石膏，硬石膏氧 化 物,赤铁矿粘 土 类,高岭土、蒙脱土、伊利石其 它,岩盐
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1,火成岩 （ 岩浆岩 ）
由岩浆 （ 硅酸盐溶体 ） 冷凝而成的结晶体 。
如花岗岩,玄武岩,橄榄岩,安山岩等,凝灰岩等 。
（二）岩石的分类一、岩石的组成与分类
2.变质岩火成岩和沉积岩等由于高温高压作用或外来物质的加入，改 变了原来的成分、结构，变成新的结晶体。
如花岗岩 → 片麻岩，石灰岩 → 大 理岩，石英砂岩 → 石英岩等。
3,沉积岩母岩风化后的产物经过搬运、沉积和成岩作用而形成的岩石。
如泥岩、砂岩、砾岩、石灰岩、白云岩、石膏、岩盐 。
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在地壳中，火成岩占 95%，沉积岩约 5%，变质岩很少。
在地表中，沉积岩占 75%，火成岩和变质岩占 25%。
（二）岩石的分类一、岩石的组成与分类
40
（三）沉积岩的类型及组织特征一、岩石的组成与分类
1,沉积岩的类型
(1) 碎屑岩母岩风化后的碎屑物质经机械沉积作用后形成的岩石。碎屑颗粒由胶结物质胶结在一起。
按碎屑颗粒大小分为：砾岩 (>1)，砂岩 (0.1~1)，粉砂岩 (0.01~0.1)
泥岩 (<0.01)
胶结物类型及胶结强度：硅质 > 钙质 > 铁质 > 泥质胶结方式,基底胶结 孔隙胶结 接触胶结
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母岩风化后的溶解物质经化学沉积作用后形成晶质岩石。
碳酸盐岩 —— 石灰岩，主要成分为石灰石（ CaCO3）
白云岩，主要成分为白云石（ MgCa(CO3)2）
硫酸盐岩 —— 硬石膏（ CaSO4）、石膏 （ CaSO4·2H2O）
岩 盐 —— 石盐（ NaCl,KCl）
在沉积岩中：泥岩 — 60%，砂岩 — 30%，碳酸盐岩居第三位。
(2) 化学沉积岩（结晶岩）
一、岩石的组成与分类矿物颗粒连接方式：嵌合联结，强度高，渗透率低。
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（ 1）结构特点结构指岩石的微观组织特征，包括矿物成分、颗粒大小、形状及排列方式、颗粒间的联结情况等。
特点：矿物成分不确定、颗粒大小不等、颗粒形状多样、颗粒分布不均匀、胶结强度有强有弱。
（ 2）构造特点构造指岩石的宏观组织特征，是指岩石组分的空间分布及其相互间的位置关系。如层理、页理、节理（裂隙）、孔隙度等。
（三）沉积岩的类型及组织特征
2,沉积岩的组织特征一、岩石的组成与分类
43
（ 3）各向异性和非均质性各向异性
岩石一般具有各向异性的性质。如在垂直于和平行于层理面的方向上，
岩石的力学性质（弹性、强度等）有较大的差异。
岩石的各向异性性质是由岩石的构造特点所决定的。结晶矿物颗粒的定向排列、层理、片理、节理等使得岩石具有各向异性的特点。
非均质性
岩石一般为非均质体。这是由岩石成分、颗粒大小、颗粒间的联结强度、孔隙度（密度）的不均匀性所造成的。
测定岩石的力学性质时，不同部位的实验结果常存在很大的差异。因此，应采用统计学理论，取合适的均值作为代表。
（三）沉积岩的类型及组织特征一、岩石的组成与分类
2,沉积岩的组织特征
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弹性 —— 岩石 在外力作用下产生变形，外力撤除后变形随之消失,恢复到原来的形状和体积的性质称为弹性。相应的变形称为弹性变形。
塑性 —— 岩石 在外力作用下产生变形，外力撤除后变形不能完全恢复的性质。
相应的残余变形称为塑性变形。
脆性 —— 岩石在外力作用下变形量很小（小于 3%）时就发生破坏的性质。
相应的破坏称为脆性破坏。
强度 —— 岩石在外力作用下发生破坏时的最大应力。
抗拉强度 — 岩石单纯受拉伸应力作用时的强度。
抗压强度 — 岩石单纯受压缩应力力作用时的强度。
抗剪强度 — 岩石单纯受剪切应力作用时的强度抗弯强度 — 岩石单纯受弯曲应力作用时的强度二、岩石的力学性质岩石受力后表现出来的 变形特性 和 强度特性 。
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（一） 简单应力条件下岩石的强度
1,单轴抗压强度（ uniaxial compressive strength— UCS）
岩石在单轴压缩载荷作用下开始破坏时的最大压应力。
单轴压缩试验
A
P
c
二、岩石的力学性质
46
二、岩石的力学性质
2,单轴抗拉强度（ tensile strength）
岩石在单轴拉伸载荷作用下达到破坏时所能承受的最大拉应力。
A
Pt
t
直接拉伸试验
tP
（一） 简单应力条件下岩石的强度
47
二、岩石的力学性质
2,单轴抗拉强度（ tensile strength）
巴西劈裂试验,
tr
P
t
0?
式中,— 岩盘破裂时的载荷
— 岩盘的半径,一般为 25.4mm；
— 岩盘的厚度,一般为 25.4mm。
P
0r
t
（一） 简单应力条件下岩石的强度
48
二、岩石的力学性质
3,抗剪强度（ shear strength）
岩石在剪切载荷作用下达到破坏时所能承受的最大剪应力 。
纯剪切试验 压剪试验
A
Fc
0
0
（一） 简单应力条件下岩石的强度
49
二、岩石的力学性质
22
3
bh
Pl
b
4,抗弯强度（ bending strength）
岩石在弯曲载荷作用下达到破坏时所能承受的最大弯曲应力 。
（一） 简单应力条件下岩石的强度
50
（一） 简单应力条件下岩石的强度二、岩石的力学性质
5,简单应力下岩石的强度特点
① 在简单应力条件下，大部分岩石都接近弹性脆性体，岩石的破坏表现为脆性破坏。
② 岩石的弹性模量与所加载荷大小及应变种类有关。当载荷较 小时，弹性模量接近常数，且各种应变情况下的弹性模量相 差不大。当载荷较大时，在受压缩的情况下，弹性模量将随 载荷的增大而增大；在受拉伸的情况，弹性模量则随载荷的 增大而减小。
③ 在动外力（如声波）作用下，大多数岩石服从直线虎克定律。
④ 抗拉强度＜抗弯强度＜抗剪强度＜抗压强度。
抗压强度约为抗拉强度的 10~50倍，约为抗剪强度的 3倍。
51
二、岩石的力学性质
（二） 复杂应力条件下岩石的强度
1,三轴岩石试验
σ1
σ2=σ3
σ1 σ1 σ1
σ2
σ3
σ2=σ3 σ2 σ3
常规三轴试验
321
真三轴试验
321
液压作用下压、扭试验液压作用下两柱塞压缩试验
52
常规三轴岩石试验装置二、岩石的力学性质
P=
σ 2=σ
3
P=
σ 2=σ
3
σ1 σ1
压缩拉伸
σ1＜ σ2=σ3σ1＞ σ2=σ3
（二） 复杂应力条件下岩石的强度
1,三轴岩石试验
53
二、岩石的力学性质
2,围压对岩石强度的影响
σ3=0 σ3=23.5
σ3=500
σ3=850
σ3=1650
σ3=3260
X X
X
X
σ3=0
σ3=27.5
σ3=55.5
σ3=155
σ3=217.5
（二） 复杂应力条件下岩石的强度岩石强度随围压增大而增大。
54
（三）岩石的弹性、脆性和塑性二、岩石的力学性质
%3 变形趋于无穷大
脆性 脆塑性 塑性
55
zz E?
zyx
G?
1,岩石的弹性参数杨氏模量 E,
泊松比 μ,
剪切模量 G,
)( 12
EG
E = 10~200 GPa
μ= 0.1~0.4
二、岩石的力学性质
（三）岩石的弹性、脆性和塑性
56
（三）岩石的弹性、脆性和塑性
2,围压对岩石脆、塑性的影响
σ3=0 σ3=23.5
σ3=500
σ3=850
σ3=1650
σ3=3260
X X
X
X
σ3=0
σ3=27.5
σ3=55.5
σ3=155
σ3=217.5
二、岩石的力学性质
57
（三）岩石的弹性和脆塑性
◆ 在单轴应力条件下，大多数岩石表现为脆性。
◆ 在三轴应力条件下，随着围压的增大，岩石由脆性向塑性转化。
围压越大，岩石的塑性越大。岩石由脆性转化为塑性时的围压称为岩石的临界压力。
一般地：
二、岩石的力学性质
58
（四）岩石的硬度和塑性系数
1,岩石的莫氏硬度
10种矿物标准,滑石、石膏、方解石、萤石、磷石、长石、石英石、黄石、
刚玉、金刚石
现场简便鉴别方法：
指甲（ 2.5）、铁刀（ 3.5）、普通钢刀（ 5）、玻璃（ 5.5）、锯条（ 6）
锉刀（ 7）、硬合金（ 9）
二、岩石的力学性质硬度的概念,岩石抵抗其它物体表面压入或侵入的能力。
硬度与抗压强度区别,硬度是岩石表面的局部抵抗另一物体压入或侵入破碎时的能力，抗压强度则是岩石整体抗压碎 能力。
59
yP
吃入深度
（四）岩石的硬度和塑性系数
2,岩石的压入硬度和塑性系数压入硬度 —— 表征岩石抗压入性能的参数，又称史氏硬度。
塑性系数 —— 表征岩石脆性和塑性大小的参数。
二、岩石的力学性质
60
7
2,岩石的压入硬度和塑性系数脆性和塑脆性岩石,SPP
y? SPPy 0?
塑性岩石：
塑性系数,
面积面积岩石破碎前弹性变形功岩石破碎前耗费的总功
O D E
O A B C
A
AK
E
Fp
二、岩石的力学性质
（四）岩石的硬度和塑性系数
61
类别 软 中 软 中 中 硬 硬 极 硬级别 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
硬度
(MPa) ≤100
100~
250
250~
500
500~
1000
1000
~1500
1500
~2000
2000~
3000
3000~
4000
4000
~5000
5000~
6000
6000
~7000 >7000
类别 脆 性 塑 脆 性 塑 性级别 1 2 3 4 5 6
塑性系数 1 1~2 2~3 3~4 4~5 ≥6
硬度分级塑性分级
3,岩石的硬度和塑性分级二、岩石的力学性质
（四）岩石的硬度和塑性系数
62
（ 1） 对致密岩石,主要造岩矿物成分的硬度越高,岩石越硬,越难破碎 。
如,玄武岩 (斜长石,辉石,6） ＞白云岩 (白云石,4） ＞石灰岩 (石灰石,3）
（ 2）砂岩和粉砂岩的硬度主要取决于矿物成分和胶结物结构。一般地，硅质胶结硬度最高，钙质次之，铁质再次之，泥质最低。泥质胶结大约比灰质胶结的同类岩石的硬度小三倍。
（ 3）泥质 — 碳酸盐质岩石（泥岩、灰质泥岩、泥质灰岩、灰岩），随着碳酸岩含量的增加，硬度急剧增大。因为随着岩石含碳酸岩质的增加，质点间结晶联结作用增强。
（ 4）岩石的密度小、孔隙度大，其强度低。
（ 5）岩石中的微结构面越发育，其强度越低。
（ 6）沉积岩在平行于层理方向和垂直于层理方向的强度不同。
二、岩石的力学性质
（五）影响岩石力学性质的因素
1,岩石的结构
63
2,上覆岩层压力随着上覆岩层压力的增大，岩石强度增大，塑性也增大。
（五）影响岩石力学性质的因素二、岩石的力学性质井内液柱压力与孔隙压力之差增大，岩石强度增大，塑性 增大。
3,液柱压力和孔隙压力
4,液体介质的影响列宾捷尔效应,液体，特别是加入表面活性剂的水，侵入孔隙时，吸附在固体表面使固体表能降低，同时还产生楔裂作用和减小固体变形时的内摩擦，结果导致强度降低。这种现象称为 ～ 。
岩石强度（硬度）减低剂：
电解质类：烧碱（ NaOH）、石灰（ CaO）、氯化铝（ AlCl3),氯化钠（ NaCl）、
碳酸钠（ Na 2CO3）、水玻璃（ Na 2SiO4）
有机化合物：皂类及一些合成润湿剂。
64
三,岩石的可钻性与研磨性
（一）岩石可钻性（ Rock Drillability）
1,概念岩石可钻性可理解为岩石破碎的难易性，它反映了是岩石抵抗钻头钻进的能力，是岩石强度在钻孔方面的表现。
2,岩石可钻性质指标机械钻速压入硬度强度（单周抗压、抗剪、三轴抗压）
微钻指标 — 可钻性级值
65
三,岩石的可钻性与研磨性
（一）岩石可钻性（ Rock Drillability）
3,岩石可钻性的评价方法和分级标准（石油行业标准）
（ 1）可钻性测定钻头直径,31.75mm，钻压,889.7N
转速,55r/min，钻孔深度,2.4mm
66
三,岩石的可钻性与研磨性
（一）岩石可钻性（ Rock Drillability）
（ 2）可钻性指标及分级标准可钻性指标：
dt d2d tlo gK?
级别 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ Ⅵ Ⅶ Ⅷ Ⅸ Ⅹ
td
（秒）
＜ 4 4~＜ 8 8~＜ 16 16~＜
32
32~＜
64
64~＜
128
128~＜
256
256~＜
512
512~＜
1024
≥
1024
Kd ＜ 2 2 ~＜ 3 3 ~＜ 4 4 ~＜ 5 5 ~＜ 6 6 ~＜ 7 7 ~＜ 8 8 ~＜ 9 9 ~＜ 10 ≥10
分类 极软 软 中软 中 中硬 硬 极硬全国油矿地层可钻性分级标准
3,岩石可钻性的评价方法和分级标准（石油行业标准）；
67
三,岩石的可钻性与研磨性
（二）岩石研磨性（ Rock Abrasiveness）
岩石研磨性：岩石磨损钻头刃材料的能力。
测定方法：摩擦试验研磨性指标：
◆ 单位摩擦功所磨损的试件体积,mm3/ N.m
◆ 单位时间内试件的重量磨损，毫克 /分钟
◆ 单位摩擦路程中试件的磨损体积与岩石的磨损体积之比极低研磨性：盐岩、泥岩、不含石英颗粒的石灰岩、白云岩及石膏。
低研磨性,石灰岩、白云岩、硬石膏中研磨性,硅质碳酸岩、粉、细砂岩高研磨性,中、粗粒石英、长石砂岩、花岗岩常见岩石的研磨性：
68
课后作业题：
1,教材 P41页第 6题、第 8题。
2,某井将套管下至 1000 m固井后做漏失试验，测得漏失压力为 pL=5.9MPa，井内泥浆密度为 1.15g/cm3。继续钻进至 2000 m将钻遇油气层，预计油气层压力为 35.0MPa。
如果在保持井底静液压力与地层压力相互平衡的条件下钻穿油气层，能否导致井漏事故？
69
本章内容小结第一节 地下压力特性一、岩石的组成及分类二、岩石的力学性质三、岩石的可钻性与研磨性第二节 岩石的工程力学性质一、地下各种压力二、异常高压的成因及其评价方法三、地层破裂压力
第一章 钻井的工程地质条件第一节 地下压力特性第二节 岩石的工程力学性质
2
第一节 地下压力特性一、地下各种压力二、异常高压的成因及其评价方法三、地层破裂压力
3
一、地下各种压力地层（ Formation） =岩石骨架（ Matrix） +流体（ Liquid）
● 地下压力可分为两类：
地层孔隙内流体承受的压力 —— 地层（孔隙）压力，分为正常和异常地层压力岩石骨架承受的压力 —— 有效地应力，分为垂直和水平有效地应力
● 地下压力有两个来源,地层重力 +地质构造应力
4
一、地下各种压力
（ 一 ） 地层压力 （ formation pressures）
1,静水压力 （ hydrostatic pressure）
正常地层压力 =静水压力
lh h00981.0p
0 0 9 8 1.0G h
hp —— 静水压力,MPa;
—— 地层水密度，
淡水,1.0g/cm3
盐水,1.05g/cm3；
—— 液柱的 垂直 高度,m。
lh
—— 静液压力梯度,MPa/m；
hG
hl
5
一、地下各种压力
（ 一 ） 地层压力 （ formation pressures）
2,异常地层压力 （ abnormal pressure）
异常低压 —— 小于正常静水压力的地层压力异常高压 —— 大于正常静水压力的地层压力
p?
◆ 地层压力当量密度：
Dp pp?0 0 9 8 1.0?令：
为 地层压力当量密度,g/cm3称
◆ 地层压力梯度：
ppG?0 0 9 8 1.0?
6
面积流体重力基岩重力p
o
上覆压力梯度,D/pG
oo?
])1[(0 0 9 8 1.0 mao Dp
ioio Dp00981.0
D oo dDDp 0 )(0 0 9 8 1.0?
如冀东高尚堡构造,D
o eD
4105 7 5.00.2)(
一、地下各种压力
1,上覆岩层压力或垂直地应力 （ Overburden pressure）
（ 二 ） 地应力 （ in-situ stress ）
7
一、地下各种压力
（ 二 ） 地应力 （ in-situ stress ）
2,基岩应力 （ matrixstress）
施加在岩石骨架颗粒上的那部分上覆岩层压力,又称为 有效垂直地应力。
poz pp
3,水平地应力由上覆岩层的侧压效应和地质构造力的作用引起的。
pp
))(
1
(
))(
1
(
3
2
po
po
pp
pp
8
一、地下各种压力
（ 三 ） 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,
因此上覆岩层压力,地层压力和基岩应力之间存在以下关系：
当 po一定时,σ 减小,pp增大,σ→ 0,pp → po。 所以,
地层的孔隙压力增大,基岩应力必然减小 。
po pp
9
（ 1）上覆岩层压力梯度一般随深度增加而增大。
（ 2） 沉积岩的平均密度大约为 2.5g/cm3,平均上覆岩层压力梯度一般为 0.0227 MPa/m。
（ 3） 在石油钻井中,以钻台 （ 方补心 ） 作为各种压力的计算基准面 。
一、地下各种压力注意
10
第一节 地下压力特性一、地下各种压力二、异常高压的成因及其评价方法三、地层破裂压力
11
二、异常高压的成因及其评价方法
abnormal
pressure
（ 一 ） 形成异常高压的地质条件
① 地层具有保存流体的孔隙 ;
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,形成足够大的上覆岩层压力 。
可能形成异常高压的地层：
● 砂岩层
●裂缝和溶洞发育的碳酸盐层
12
1,地层沉积过程中的欠压实作用二、异常高压的成因及其评价方法在地层沉积过程中，由于快速沉积，地层孔隙中的流体 来不及排出 ；
或者由于在侧向和垂向上受到 不渗透层或低渗层的封闭,地层流体不能从孔隙中正常排出，从而使部分上覆岩层压力作用在孔隙中的流体上而形成异常高压，这种作用称为 欠压实 。
欠压实地层的特点,岩层密度减小，孔隙度增大 。
（二）异常高压形成的原因
13
由地质构造运动，如地壳的升降、断层、盐丘侵入等，引起的异常高压。
高供水区型异常高压 地层断裂和剥蚀形成异常高压
2,地质构造作用二、异常高压的成因及其评价方法
（二）异常高压形成的原因
14
二、异常高压的成因及其评价方法
（二）异常高压形成的原因盐丘型异常高压 断层作用形成异常高压
2,地质构造作用
15
3,其它成因
（ 1） 水热增压：密闭容器中,水温升高 0.55℃,压力升高 0.86MPa。
（ 2） 注入作用
（ 3） 蒙脱石转化为伊利石的脱水作用
（ 4） 泥页岩半透膜的渗析作用二、异常高压的成因及其评价方法
（二）异常高压形成的原因
16
二、异常高压的成因及其评价方法
（三）异常高压地层的钻前预测方法
地震资料法
声波测井资料法
cDaet
在正常压力层段，声波时差随埋藏深度增加逐渐减小。在半对数坐标中，声波时差随井深呈直线变化关系，称之为正常趋势线。
进入异常高压地层时，声波时差偏离正常压力趋势线而增大。据此可预测异常高压，并可根据偏离程度的大小定量计算地层压力。
1,声波法原理
17
二、异常高压的成因及其评价方法
2,地层压力的计算
ntt
当量密度
g/cm3
1.0
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
1.7 0 20 40 60 80 100 120
（ 1）经验图板法
（三）异常高压地层的钻前预测方法
18
二、异常高压的成因及其评价方法
2,地层压力的计算
（ 2）等效深度（当量深度）法 ct?
D
eD
)D(p)D(p)D(p)D(p
)D(p)D(p)D(
)D(p)D(p)D(
)D()D(
)D(t)D(t
eheoop
eheoe1
po1
e11
ecc
（三）异常高压地层的钻前预测方法
19
① 收集声波时差测井资料，读取泥页岩点的声波时差数据；
② 绘制散点图，引出正常压力趋势线,Δt=ae-cD
③ 读出异常高压层段的实际△ t和该深度 D所对应的正常趋势线上的声波时差△ tn，计算△ t-△ tn；
④ 从经验图版上读出△ t-△ tn所对应的当量密度 ρp；或采用等效深度法计算地层压力。
二、异常高压的成因及其评价方法
3,一般步骤
（三）异常高压地层的钻前预测方法
20
二、异常高压的成因及其评价方法
（四）异常高压地层的随钻监测方法
页岩密度法 —— 高压地层欠压实，泥页岩密度偏小。
机械钻速法 —— 机械钻速与地层压实程度有关
dc指数法 —— 机械钻速的一种标准化形式
21
宾汉钻速模型（ Bingham,1964)：
)/lo g (
)/lo g (
d
V
b
pc
W
nd?d指数（泥页岩层）：
d
V
b
pc
W
nd
0 6 8 4.0
lo g
0 5 4 7.0
lo g
采用常用工程单位：
dc指数 （ 修正钻井液密度的影响 ）,
d
n
c dd?
二、异常高压的成因及其评价方法
1,dc 指数的概念
（四）异常高压地层的随钻监测方法
dbepc dWnKV /
22
2.dc 指数法与原理在正常压力层段,dc指数随井深增加而增大。 在半对数坐标中,dc
指数与井深呈线性关系，称之为正常压力趋势线。
bDc aed?
当钻遇异常高压层，由于地层欠压实，机械钻速增大,dc指数则相对减小，偏离正常趋势线。根据偏离程度可计算出地层压力。
二、异常高压的成因及其评价方法
（四）异常高压地层的随钻监测方法
23
3,地层压力的计算经验图版法、当量（等效）深度法,经验公式法
c
cn
np d
d
二、异常高压的成因及其评价方法
（四）异常高压地层的随钻监测方法
4,一般步骤：
1）收集泥页岩地层的正常压力和异常压力层段的钻井资料：钻速、钻压、
转速、钻头直径、地层水密度、实际钻井液密度；
2）计算 dc指数；
3）在半对数坐标中绘制散点图，引出正常压力趋势线；
4）计算地层压力。
24
思考题二、异常高压的成因及其评价方法
1） dc指数法预测地层压力的误差较大，为什么？
2）声波法和 dc指数法是否适合碳酸盐地层？如何评价碳酸盐地层的地层压力？
25
第一节 地下压力特性一、地下各种压力二、异常高压的成因及其评价方法三、地层破裂压力
26
1.地层破裂压力 （ Formation Fracture Pressure）
使某深度处地层破裂时的井眼内 液柱压力 称为该地层的破裂压力。
三、地层破裂压力
D109,8 1 f3fp
D
f?
ffG?00981.0?
称为地层破裂压力当量密度,g/cm3
地层破裂压力取 决于井眼周围岩石的应力状态和岩石强度。
27
井眼周围岩石的受力状态
（ 1）上覆岩层压力 po
（ 2）地层孔隙压力 pp
（ 3）水平地应力
（ 4）钻井液液柱压力 ph
有效地应力（岩石骨架应力）：
有效垂直地应力（基岩应力）
σ1=po－ pp
有效水平地应力：
))(
1
(
))(
1
(
3
2
po
po
pp
pp
σ1
σ1
σ3
σ3
σ2
σ2
ph
三、地层破裂压力
２,地层开裂条件
28
裂缝张开方向地层开裂条件,Ph>pp+ σ3,σ3<σ2<σ1
三、地层破裂压力
２,地层开裂条件
29
（ 1） Hubbert&Willis（ 1957） [休伯特和威利斯 ］
认为,① 三维不均匀应力状态,σ 1＞ σ 2＞ σ 3,且 σ 3= (1/3~1/2)σ 1
② 井内液压力必须克服地层孔隙压力和最小有效水平地应力时地层才能破裂 。
)( 0 pipf ppKpp
))(2/1~3/1( 0 ppf pppp
（ 2） Mathews & Kelly(1967)[马修斯和凯利 ]
认为：① 水平均匀地应力状态,σ 3=σ 2=Ki(D)σ 1
② 井内液柱压力必须克服地层孔隙压力和最小有效水平地应力时地层才能破裂。
三、地层破裂压力
3.地层破裂压力预测方法
30
（ 3） Eaton(1969)
认为,① 水平均匀地应力状态,即,σ1>σ2= σ3
② 井内液压必须克服地层孔隙压力和最小有效水平地应力时地层才能破裂 。
132 1
)(
1 0 ppf
pppp?
三、地层破裂压力
3.地层破裂压力预测方法
31
rtpOSSpf SppKpp ))(1
2(
式中,KSS 由现场压裂实验数据求得；
Srt — 岩石抗拉强度，由 岩心抗拉试验求得。
（ 4）黄荣樽法（ 1985）
认为：① 井壁岩石处于三维不均匀应力状态,σ3 <σ2< σ1 ；
② 水平地应力由上覆岩层压力和地质构造应力两部分产生；
③ 当井内液压力超过地层孔隙压力、最小水平地应力和岩石的抗拉强度，地层开裂。
三、地层破裂压力
3.地层破裂压力预测方法
32
D
p L
df 0 0 9 8 1.0
三、地层破裂压力
4.地层破裂压力实测方法
LP
井口压力注入量
fP
rP
33
液压破裂试验曲线
① 循环调节泥浆性能，保证泥浆性能稳定，上提钻头至套管鞋内，关闭防喷器。
②用较小排量向井内注入泥浆，并记录各个时期的注入量及立管压力。
③做立管压力与累计泵入量的关系曲线图。
④从图上确定各个压力值,
1）步骤
4.地层破裂压力实测方法
pL,漏失压力,开始偏离直线点的压力，其后压力继续上升；
Pf,开裂压力，压力升到最大值；
Pr,传播压力，最大值过后压力下降并趋于平缓。
三、地层破裂压力
34
2）计算地层破裂压力
3）注意事项试验过程中,
①试验测定的是套管鞋处裸露地层的破裂压力 。
② 关闭防喷器。
③ 用较小排量 0.66～ 1.32 L/s向井内注入泥浆。
dLf DPp?0 0 9 8 1.0
地层破裂压力当量密度
D
P L
df 00981.0
4.地层破裂压力实测方法三、地层破裂压力
35
计算过程中：
① 计算地层破裂压力时，在钻井过程中应以漏失压力为准；
在压裂过程中应以开裂压力为准。
③ 破裂处 地层的破裂压力应该等于表现在立管上的压力与压力表以下液柱形成的压力之和,。
② 计算深度 D是指套管下入垂深，而不是井深；
Lf PP?
3）注意事项
4.地层破裂压力实测方法三、地层破裂压力
36
第二节 岩石的工程力学性质一、岩石的组成及分类二、岩石的力学性质三、岩石的可钻性与研磨性
37
（ 一 ） 岩石的组成岩石 是矿物颗粒的集合体,颗粒之间或者靠直接接触面上的作用力联结,或者由外来的胶结物胶结 。
矿物 是具有固定的化学成分和确定的物理性质的天然无机化合物 。
一、岩石的组成与分类主要造岩矿物：
硅酸盐类,正、斜长石、石英、黑 /白云母、辉石、角闪石、橄榄石碳酸盐类,石灰石、白云石硫酸盐类,石膏，硬石膏氧 化 物,赤铁矿粘 土 类,高岭土、蒙脱土、伊利石其 它,岩盐
38
1,火成岩 （ 岩浆岩 ）
由岩浆 （ 硅酸盐溶体 ） 冷凝而成的结晶体 。
如花岗岩,玄武岩,橄榄岩,安山岩等,凝灰岩等 。
（二）岩石的分类一、岩石的组成与分类
2.变质岩火成岩和沉积岩等由于高温高压作用或外来物质的加入，改 变了原来的成分、结构，变成新的结晶体。
如花岗岩 → 片麻岩，石灰岩 → 大 理岩，石英砂岩 → 石英岩等。
3,沉积岩母岩风化后的产物经过搬运、沉积和成岩作用而形成的岩石。
如泥岩、砂岩、砾岩、石灰岩、白云岩、石膏、岩盐 。
39
在地壳中，火成岩占 95%，沉积岩约 5%，变质岩很少。
在地表中，沉积岩占 75%，火成岩和变质岩占 25%。
（二）岩石的分类一、岩石的组成与分类
40
（三）沉积岩的类型及组织特征一、岩石的组成与分类
1,沉积岩的类型
(1) 碎屑岩母岩风化后的碎屑物质经机械沉积作用后形成的岩石。碎屑颗粒由胶结物质胶结在一起。
按碎屑颗粒大小分为：砾岩 (>1)，砂岩 (0.1~1)，粉砂岩 (0.01~0.1)
泥岩 (<0.01)
胶结物类型及胶结强度：硅质 > 钙质 > 铁质 > 泥质胶结方式,基底胶结 孔隙胶结 接触胶结
41
母岩风化后的溶解物质经化学沉积作用后形成晶质岩石。
碳酸盐岩 —— 石灰岩，主要成分为石灰石（ CaCO3）
白云岩，主要成分为白云石（ MgCa(CO3)2）
硫酸盐岩 —— 硬石膏（ CaSO4）、石膏 （ CaSO4·2H2O）
岩 盐 —— 石盐（ NaCl,KCl）
在沉积岩中：泥岩 — 60%，砂岩 — 30%，碳酸盐岩居第三位。
(2) 化学沉积岩（结晶岩）
一、岩石的组成与分类矿物颗粒连接方式：嵌合联结，强度高，渗透率低。
42
（ 1）结构特点结构指岩石的微观组织特征，包括矿物成分、颗粒大小、形状及排列方式、颗粒间的联结情况等。
特点：矿物成分不确定、颗粒大小不等、颗粒形状多样、颗粒分布不均匀、胶结强度有强有弱。
（ 2）构造特点构造指岩石的宏观组织特征，是指岩石组分的空间分布及其相互间的位置关系。如层理、页理、节理（裂隙）、孔隙度等。
（三）沉积岩的类型及组织特征
2,沉积岩的组织特征一、岩石的组成与分类
43
（ 3）各向异性和非均质性各向异性
岩石一般具有各向异性的性质。如在垂直于和平行于层理面的方向上，
岩石的力学性质（弹性、强度等）有较大的差异。
岩石的各向异性性质是由岩石的构造特点所决定的。结晶矿物颗粒的定向排列、层理、片理、节理等使得岩石具有各向异性的特点。
非均质性
岩石一般为非均质体。这是由岩石成分、颗粒大小、颗粒间的联结强度、孔隙度（密度）的不均匀性所造成的。
测定岩石的力学性质时，不同部位的实验结果常存在很大的差异。因此，应采用统计学理论，取合适的均值作为代表。
（三）沉积岩的类型及组织特征一、岩石的组成与分类
2,沉积岩的组织特征
44
弹性 —— 岩石 在外力作用下产生变形，外力撤除后变形随之消失,恢复到原来的形状和体积的性质称为弹性。相应的变形称为弹性变形。
塑性 —— 岩石 在外力作用下产生变形，外力撤除后变形不能完全恢复的性质。
相应的残余变形称为塑性变形。
脆性 —— 岩石在外力作用下变形量很小（小于 3%）时就发生破坏的性质。
相应的破坏称为脆性破坏。
强度 —— 岩石在外力作用下发生破坏时的最大应力。
抗拉强度 — 岩石单纯受拉伸应力作用时的强度。
抗压强度 — 岩石单纯受压缩应力力作用时的强度。
抗剪强度 — 岩石单纯受剪切应力作用时的强度抗弯强度 — 岩石单纯受弯曲应力作用时的强度二、岩石的力学性质岩石受力后表现出来的 变形特性 和 强度特性 。
45
（一） 简单应力条件下岩石的强度
1,单轴抗压强度（ uniaxial compressive strength— UCS）
岩石在单轴压缩载荷作用下开始破坏时的最大压应力。
单轴压缩试验
A
P
c
二、岩石的力学性质
46
二、岩石的力学性质
2,单轴抗拉强度（ tensile strength）
岩石在单轴拉伸载荷作用下达到破坏时所能承受的最大拉应力。
A
Pt
t
直接拉伸试验
tP
（一） 简单应力条件下岩石的强度
47
二、岩石的力学性质
2,单轴抗拉强度（ tensile strength）
巴西劈裂试验,
tr
P
t
0?
式中,— 岩盘破裂时的载荷
— 岩盘的半径,一般为 25.4mm；
— 岩盘的厚度,一般为 25.4mm。
P
0r
t
（一） 简单应力条件下岩石的强度
48
二、岩石的力学性质
3,抗剪强度（ shear strength）
岩石在剪切载荷作用下达到破坏时所能承受的最大剪应力 。
纯剪切试验 压剪试验
A
Fc
0
0
（一） 简单应力条件下岩石的强度
49
二、岩石的力学性质
22
3
bh
Pl
b
4,抗弯强度（ bending strength）
岩石在弯曲载荷作用下达到破坏时所能承受的最大弯曲应力 。
（一） 简单应力条件下岩石的强度
50
（一） 简单应力条件下岩石的强度二、岩石的力学性质
5,简单应力下岩石的强度特点
① 在简单应力条件下，大部分岩石都接近弹性脆性体，岩石的破坏表现为脆性破坏。
② 岩石的弹性模量与所加载荷大小及应变种类有关。当载荷较 小时，弹性模量接近常数，且各种应变情况下的弹性模量相 差不大。当载荷较大时，在受压缩的情况下，弹性模量将随 载荷的增大而增大；在受拉伸的情况，弹性模量则随载荷的 增大而减小。
③ 在动外力（如声波）作用下，大多数岩石服从直线虎克定律。
④ 抗拉强度＜抗弯强度＜抗剪强度＜抗压强度。
抗压强度约为抗拉强度的 10~50倍，约为抗剪强度的 3倍。
51
二、岩石的力学性质
（二） 复杂应力条件下岩石的强度
1,三轴岩石试验
σ1
σ2=σ3
σ1 σ1 σ1
σ2
σ3
σ2=σ3 σ2 σ3
常规三轴试验
321
真三轴试验
321
液压作用下压、扭试验液压作用下两柱塞压缩试验
52
常规三轴岩石试验装置二、岩石的力学性质
P=
σ 2=σ
3
P=
σ 2=σ
3
σ1 σ1
压缩拉伸
σ1＜ σ2=σ3σ1＞ σ2=σ3
（二） 复杂应力条件下岩石的强度
1,三轴岩石试验
53
二、岩石的力学性质
2,围压对岩石强度的影响
σ3=0 σ3=23.5
σ3=500
σ3=850
σ3=1650
σ3=3260
X X
X
X
σ3=0
σ3=27.5
σ3=55.5
σ3=155
σ3=217.5
（二） 复杂应力条件下岩石的强度岩石强度随围压增大而增大。
54
（三）岩石的弹性、脆性和塑性二、岩石的力学性质
%3 变形趋于无穷大
脆性 脆塑性 塑性
55
zz E?
zyx
G?
1,岩石的弹性参数杨氏模量 E,
泊松比 μ,
剪切模量 G,
)( 12
EG
E = 10~200 GPa
μ= 0.1~0.4
二、岩石的力学性质
（三）岩石的弹性、脆性和塑性
56
（三）岩石的弹性、脆性和塑性
2,围压对岩石脆、塑性的影响
σ3=0 σ3=23.5
σ3=500
σ3=850
σ3=1650
σ3=3260
X X
X
X
σ3=0
σ3=27.5
σ3=55.5
σ3=155
σ3=217.5
二、岩石的力学性质
57
（三）岩石的弹性和脆塑性
◆ 在单轴应力条件下，大多数岩石表现为脆性。
◆ 在三轴应力条件下，随着围压的增大，岩石由脆性向塑性转化。
围压越大，岩石的塑性越大。岩石由脆性转化为塑性时的围压称为岩石的临界压力。
一般地：
二、岩石的力学性质
58
（四）岩石的硬度和塑性系数
1,岩石的莫氏硬度
10种矿物标准,滑石、石膏、方解石、萤石、磷石、长石、石英石、黄石、
刚玉、金刚石
现场简便鉴别方法：
指甲（ 2.5）、铁刀（ 3.5）、普通钢刀（ 5）、玻璃（ 5.5）、锯条（ 6）
锉刀（ 7）、硬合金（ 9）
二、岩石的力学性质硬度的概念,岩石抵抗其它物体表面压入或侵入的能力。
硬度与抗压强度区别,硬度是岩石表面的局部抵抗另一物体压入或侵入破碎时的能力，抗压强度则是岩石整体抗压碎 能力。
59
yP
吃入深度
（四）岩石的硬度和塑性系数
2,岩石的压入硬度和塑性系数压入硬度 —— 表征岩石抗压入性能的参数，又称史氏硬度。
塑性系数 —— 表征岩石脆性和塑性大小的参数。
二、岩石的力学性质
60
7
2,岩石的压入硬度和塑性系数脆性和塑脆性岩石,SPP
y? SPPy 0?
塑性岩石：
塑性系数,
面积面积岩石破碎前弹性变形功岩石破碎前耗费的总功
O D E
O A B C
A
AK
E
Fp
二、岩石的力学性质
（四）岩石的硬度和塑性系数
61
类别 软 中 软 中 中 硬 硬 极 硬级别 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
硬度
(MPa) ≤100
100~
250
250~
500
500~
1000
1000
~1500
1500
~2000
2000~
3000
3000~
4000
4000
~5000
5000~
6000
6000
~7000 >7000
类别 脆 性 塑 脆 性 塑 性级别 1 2 3 4 5 6
塑性系数 1 1~2 2~3 3~4 4~5 ≥6
硬度分级塑性分级
3,岩石的硬度和塑性分级二、岩石的力学性质
（四）岩石的硬度和塑性系数
62
（ 1） 对致密岩石,主要造岩矿物成分的硬度越高,岩石越硬,越难破碎 。
如,玄武岩 (斜长石,辉石,6） ＞白云岩 (白云石,4） ＞石灰岩 (石灰石,3）
（ 2）砂岩和粉砂岩的硬度主要取决于矿物成分和胶结物结构。一般地，硅质胶结硬度最高，钙质次之，铁质再次之，泥质最低。泥质胶结大约比灰质胶结的同类岩石的硬度小三倍。
（ 3）泥质 — 碳酸盐质岩石（泥岩、灰质泥岩、泥质灰岩、灰岩），随着碳酸岩含量的增加，硬度急剧增大。因为随着岩石含碳酸岩质的增加，质点间结晶联结作用增强。
（ 4）岩石的密度小、孔隙度大，其强度低。
（ 5）岩石中的微结构面越发育，其强度越低。
（ 6）沉积岩在平行于层理方向和垂直于层理方向的强度不同。
二、岩石的力学性质
（五）影响岩石力学性质的因素
1,岩石的结构
63
2,上覆岩层压力随着上覆岩层压力的增大，岩石强度增大，塑性也增大。
（五）影响岩石力学性质的因素二、岩石的力学性质井内液柱压力与孔隙压力之差增大，岩石强度增大，塑性 增大。
3,液柱压力和孔隙压力
4,液体介质的影响列宾捷尔效应,液体，特别是加入表面活性剂的水，侵入孔隙时，吸附在固体表面使固体表能降低，同时还产生楔裂作用和减小固体变形时的内摩擦，结果导致强度降低。这种现象称为 ～ 。
岩石强度（硬度）减低剂：
电解质类：烧碱（ NaOH）、石灰（ CaO）、氯化铝（ AlCl3),氯化钠（ NaCl）、
碳酸钠（ Na 2CO3）、水玻璃（ Na 2SiO4）
有机化合物：皂类及一些合成润湿剂。
64
三,岩石的可钻性与研磨性
（一）岩石可钻性（ Rock Drillability）
1,概念岩石可钻性可理解为岩石破碎的难易性，它反映了是岩石抵抗钻头钻进的能力，是岩石强度在钻孔方面的表现。
2,岩石可钻性质指标机械钻速压入硬度强度（单周抗压、抗剪、三轴抗压）
微钻指标 — 可钻性级值
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三,岩石的可钻性与研磨性
（一）岩石可钻性（ Rock Drillability）
3,岩石可钻性的评价方法和分级标准（石油行业标准）
（ 1）可钻性测定钻头直径,31.75mm，钻压,889.7N
转速,55r/min，钻孔深度,2.4mm
66
三,岩石的可钻性与研磨性
（一）岩石可钻性（ Rock Drillability）
（ 2）可钻性指标及分级标准可钻性指标：
dt d2d tlo gK?
级别 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ Ⅵ Ⅶ Ⅷ Ⅸ Ⅹ
td
（秒）
＜ 4 4~＜ 8 8~＜ 16 16~＜
32
32~＜
64
64~＜
128
128~＜
256
256~＜
512
512~＜
1024
≥
1024
Kd ＜ 2 2 ~＜ 3 3 ~＜ 4 4 ~＜ 5 5 ~＜ 6 6 ~＜ 7 7 ~＜ 8 8 ~＜ 9 9 ~＜ 10 ≥10
分类 极软 软 中软 中 中硬 硬 极硬全国油矿地层可钻性分级标准
3,岩石可钻性的评价方法和分级标准（石油行业标准）；
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三,岩石的可钻性与研磨性
（二）岩石研磨性（ Rock Abrasiveness）
岩石研磨性：岩石磨损钻头刃材料的能力。
测定方法：摩擦试验研磨性指标：
◆ 单位摩擦功所磨损的试件体积,mm3/ N.m
◆ 单位时间内试件的重量磨损，毫克 /分钟
◆ 单位摩擦路程中试件的磨损体积与岩石的磨损体积之比极低研磨性：盐岩、泥岩、不含石英颗粒的石灰岩、白云岩及石膏。
低研磨性,石灰岩、白云岩、硬石膏中研磨性,硅质碳酸岩、粉、细砂岩高研磨性,中、粗粒石英、长石砂岩、花岗岩常见岩石的研磨性：
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课后作业题：
1,教材 P41页第 6题、第 8题。
2,某井将套管下至 1000 m固井后做漏失试验，测得漏失压力为 pL=5.9MPa，井内泥浆密度为 1.15g/cm3。继续钻进至 2000 m将钻遇油气层，预计油气层压力为 35.0MPa。
如果在保持井底静液压力与地层压力相互平衡的条件下钻穿油气层，能否导致井漏事故？
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本章内容小结第一节 地下压力特性一、岩石的组成及分类二、岩石的力学性质三、岩石的可钻性与研磨性第二节 岩石的工程力学性质一、地下各种压力二、异常高压的成因及其评价方法三、地层破裂压力
