钻井的工程地质条件是指与钻井工程有关的地质因素的综合。地质因素包括岩石、土壤类型及其工程力学性质、地质结构、地层中流体情况及地层情况等等。钻井是以不断破碎井底岩石而逐渐钻进的。了解岩石的工程力学性质，是为选用合适的钻头和确定最优的钻进参数提供依据。井眼的形成使地层裸露于井壁上，这又涉及井眼与地层之间的压力平衡问题，对此问题处理不当则会发生压裂地层等复杂情况或事故，使钻进难以进行，甚至使井眼报废。所以，在一个地区钻井之前，充分认识和了解该地区的工程地质资料（包括岩石的工程力学性质、地层压力特性等）是进行施工的重要基础。

地下各种压力的理论及其评价技术对钻井具有重要意义。在钻井工程中，地层压力和地层破裂压力是科学地进行钻井设计和施工的基本依据，因而必须对它们进行准确的评价。以下主要介绍地沉积压实的机理，因为它是各种地层压力评价方法的理论依据。

沉积物的压缩过程是由上覆沉积层的重力所引起的。随着地层的沉降，上覆沉积物重复地增加，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。这种正常沉积压实的地层，随着地层埋藏深度的增加，岩石越致密，密度越大，孔隙度越小。地层压实能否正常压实，保持正常的静液压力。

在稳定沉积过程中，若保持平衡的任意条件受到影响，正常的沉积平衡就被破坏。如沉积速度很快，岩石颗粒没有足够的时间去排列，孔隙内流体的排出受到限制，基岩无法增加它的颗粒与颗粒之间的压力，即无法增加它对上覆岩层的支撑能力。由于上覆岩层继续沉积，负荷增加，而下面基岩的支撑能力没有增加，孔隙中的流体必然开始部分地支撑本来应由岩石颗粒所支撑的那部分上覆岩层压力，从而导致了异常高压。

在某一环保持平衡，主要取决于四种因素：①上覆沉积速度的大小； 地层渗透率的大小；孔隙减小的速度；④排出孔隙流体的能力。如果沉积物的沉积速度与其他过程相比很慢，沉积层就能境里，要把一个异常压力圈闭起来，就必须有一个密封结构。在连续沉积盆地里，最常见的密封结构是一个低渗透率的岩层，如一个纯净的页岩层段。页岩降低了正常流体的散逸，从而导致欠压实和异常的流体压力。与正常压实的地层相比，欠压实地层的岩石密度低，孔隙度大。

在大陆边缘，特别是三角洲地区，容易产生沉积物的快速沉降。在这些地区，沉积速度很容易超过平衡条件所要求的值，因此常常遇到异常高压地层。

岩石是钻井的主要工作对象。在钻成井眼的过程中，一方面要提高破碎岩石的效率，另一方面要保证井壁岩层稳定，这些都取决于对岩石的工程力学性质的认识和了解。

一、岩石的机械性质

（一）沉积岩

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 余种，见表1-1 。岩石的性质在很大程度上取决于造岩矿物的性质，岩石的结构和构造对岩石的力学性质也有重要影响。

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。从这方面看，沉积岩可分为结晶沉积岩和碎屑沉积岩两大类。结晶沉积岩是盐类物质从水溶液中沉淀或在地壳中发生化学反应而形成的，包括石灰岩、白云岩、石膏等。碎屑沉积岩则是由岩石碎屑经沉积、压缩及流经沉积物的溶液中沉淀出的胶结物的胶结作用而形成的，包括砂岩、泥岩、砾岩等，胶结物通常有硅质、石灰质、铁质和粘土质几种。

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。层理是指沉积岩在垂直方向上岩石成分和结构的变化，它主要表现为不同成分的岩石颗粒在垂直方向上交替变化沉积，岩石颗粒大小在垂直方向上有规律的变化，某些岩石颗粒按一定方向的定向排列等。页理是指岩石沿平行平面分裂为薄片的能力，它与岩石的显微结构有关。页理面常不与层理面一致。

与钻井工程有关的岩石物理性质还有岩石的孔隙度和密度。岩石的孔隙度为岩石中孔隙的体积与岩石体积的比值。

岩石的硬度是岩石抵抗其他物体表面压入或侵入的能力。硬度与抗压强度有联系，但又有很大区别。硬度只是固体表面的局部对另一物体压入或侵入时的阻力，而抗压强度则是固体抵抗固体整体破坏时的阻力。因而不能把岩石的抗压强度作为硬度的指标，应区分组成岩石的矿物颗粒的硬度和岩石的组合硬度，前者对钻进过程中工具的磨损起重大影响，而后者对钻进时岩石破碎速度起重大影响。

岩石及矿物硬度的测量与表示方法有很多种，这里仅介绍石油钻井中常用的两种。

这是一种流行的、简单的方法，它表示了岩石或其他材料的相对硬度。测量方法是用两种材料互相刻划，在表面留下擦痕者则硬度较低。用种矿物为代表，作为摩氏硬度的标准，依次是：滑石（ 1度 ）、石膏 （2度）、方解石（3 度 ）、萤石（4度）、磷灰石（ 5度）、长石（6 度）、石英（ 7度 ）、黄 玉（ 8度）、刚 玉（ 9度）、金刚石（ 10度）。

在现场，常采用更简便的方法：用指甲（2.5 度）、铁刀（3.5度）、普通钢刀（5度）、玻璃（5.5 度）、锯条（6 度）、锉刀（7 度）、硬合金（9 度）等刻划矿物或岩石鉴别其硬度。

岩石中矿物的摩氏硬度是选择破岩工具的重要参考依据，若在岩石中占一定比例的矿物的摩氏硬度达到或接近破岩工具工作部位材料的硬度，则工具磨损很快。

在用机械方法破碎岩石的过程中，钻头和岩石产生连续的或间断的接触和摩擦，在破碎岩石的同时，工具本身也受到岩石的磨损而逐渐变钝，直至损坏。钻头接触岩石部分的材料一般为钢、硬质合金或金刚石，岩石磨损这些材料的能力称为岩石的研磨性。研究岩石的研磨性对于正确地设计和选择使用钻头，延长钻头寿命，提高钻头进尺，提高钻井速度有重要的意义。

对钻井而言，岩石的研磨性表现在对钻头刃部表面的磨损，即研磨性磨损。它是由钻头工作刃与岩石接触过程中产生的微切削、刻划、擦痕等所造成的。这种研磨性磨损除了与摩擦付材料的性质有关外，还取决于摩擦的类型和特点、摩擦表面的形状和尺寸（例如表面的粗糙度）、摩擦面的温度、摩擦体的相对运动速度、摩擦体间的接触应力、磨损产物的性质及其清除情况、参与摩擦的介质等因素。因此，研磨性磨损是十分复杂的问题，是个研究得十分不够的领域。

关于岩石的研磨性，有各种各样的测量方法，至今尚未有一个统一的测定岩石研磨性的方法，许多结果很难进行比较。

岩石可钻性是岩石抗破碎的能力。可以理解为在一定钻头规格、类型及钻井工艺条件下岩石抵抗钻头破碎的能力。可钻性的概念，已经把岩石性质由强度、硬度等比较一般性的概念，引向了与钻孔有联系的概念，在实际应用方面占有重要的地位。通常钻头选型、制定生产定额、确定钻头工作参数、预测钻头工作指标等都以岩石可钻性为基础。

岩石可钻性是岩石在钻进过程中显示出的综合性指标。它取决于许多因素，包括岩石自身的物理力学性质以及破碎岩石的工艺技术措施。岩石的物理力学性质主要包括岩石的硬度（或强度）、弹性、脆性、塑性、颗粒度及颗粒的连结性质；工艺技术措施包括破岩工具的结构特点、工具对岩石的作用方式、载荷或力的性质、破岩能量的大小、孔底岩屑的排除情况等。因此，岩石的可钻性与许多因素有关。要找出岩石可钻性与影响因素间的灵敏量关系是比较复杂和困难的，岩石可钻性只能在这种或那种具体破碎方法和工艺规程下，通过试验来确定。