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大庆石油学院工程硕士专业学位论文 d w y y 地层三项压力预测与应用技术 摘要 本文从岩石力学基本原理出发，推导了斜井状态下井眼围岩的应力分布公式；根据库 伦一摩尔准则和最小主应力拉伸破坏准则推导坍塌压力和破裂压力的求解公式。为了使坍 塌压力和破裂压力理论变成一项可操作的技术，我们通过室内实验进行了测井参数与地层 力学参数相关性研究。首先建立了地层横波时差与纵波时差、密度、泥质含量的多元相关 关系，静态弹性参数与动态弹性参数的相关关系，为常规测井资料的工程应用奠定了基础。 提出了组合弹簧分层地应力模型，并推导了相应公式，为分层地应力解释奠定了基础。提 出了自适应井壁稳定分析技术，建立了利用钻井资料反分析法确定一定钻井液体系下地层 原位强度的方法，提高了地层坍塌压力的预测精度。 在上述理论研究的基础上，利用v b 6 0 开发了地层三个压力剖面预测软件。该软件具 有测井数据文件操作、井身剖面数据文件建立、参数确定、压力剖面计算、钻井液密度推 荐等功能。在同时考虑地层的坍塌压力剖面、破裂压力剖面和孔隙压力剖面的条件下，建 立了新的井身结构优化设计的方法，并开发出了相应的软件。该软件能够根据地层三个压 力剖面和相关设计参数对井身结构进行优化设计，给出套管下深层次。通过研究取得了六 方面的主要成果： 1 推导了斜井条件下地层坍塌压力和破裂压力的公式。 2 提出了分层地应力模型，建立了地应力确定方法。 3 提出了自适应井壁稳定分析方法，考虑钻井、地层、测试等多种信息确定地层的三 个压力剖面。 4 考虑流动参数的动态特征和地层三个压力剖面，建立了新的井身结构设计方法。 5 通过室内模拟实验，建立了测井参数与力学参数的相关模型。 6 开发出了地层三项压力剖面预测和井身结构优化设计软件系统。 该技术是根据大庆外围地区的地质特点研究开发的一项钻井工程应用技术，利用已钻 井常规完井电测资料计算和预测地层三项压力，形成了一套完钻井地层压力检测和待钻井 地层压力预测的新方法。通过室内岩心实验和现场试验验证，解决了大庆外围地区地层三 项压力预测的难题，对提高钻井地质设计符合率、指导钻井施工具有重要意义。 关键词：地层三项压力；预测：应用：大庆油田 a b s t r a c t p r e d i c t i o na n da p p l i c a t i o no fs t r a t u mt r i n o m i a lp r e s s u r ei nd w y y b a s e do nt h eb a s i ct h e o r yo fr o c km e c h a n i c s t h i st h e s i sd e c i d e st h ef o r i n u l ao fs t r e s s d i s t r i b u t i o na r o u n dt h ew e l lb o r ei ni n c l i n e dh o l e t h ef o r m u l a so f f r a c t u r ep r e s s u r ea n dc o l l a p s e p r e s s u r ew e r ec o n c l u d e da c c o r d i n gt oc u l o n m o r p e rr u l ea n dt h em i n i m u mm a i ns t r e s sd e s t r o y r u l e w bd i ds t u d i e sa b o u tt h ec o r r e l a t i o no fl o g g i n gd a t aa n dm e c h a n i c sp a r a m e t e r so fs t r a t u m b yd o i n ge x p e r i m e n t ss ot h a tt h et h e o r yo ff r a c t u r ep r e s s u r ea n dc o l l a p s ep r e s s u r ec a nb e c o m e p r a c t i c a l t h em u l t i - c o r r e l a t i o no ft h et i m ed i f f e r e n c e so fp r e s sw a v ea n ds h e a rw a v e ，d e n s i t y a n dc l a yc o n t e n ta n dt h ec o r r e l a t i o no fd y n a m i cp a r a m e t e r sa n ds t a t i cp a r a m e t e r sw e r e e s t a b l i s h e di no r d e rt od op r e p a r a t i o nf o rc o n v e n t i o n a ll o g g i n gd a t ab e i n gu s e di ne n g i n e e f i n g i no r d e rt oc o m p l e t et h es i n g l e 1 a y e r - b a s e ds t r e s se x p l a n a t i o n w eb u i i tt 1 1 es i n g l e 1 a y e r - b a s e d s t r e s sm o d e li nf o r l no fc o m b i n e ds p r i n g sa n dc o n c l u d e dt h ei n v o l v e df o r m u l a s t h et e c h n o l o g y a b o u th o wt oa n a l y z et h es t a b i l i t yo fw e l lb o r eb ya u t o a d a p t a t i o nw a sd e v e l o p e da n dt h e m e t h o d so nh o wt od e c i d et h ep r i m i t i v es u e n g t ho fs t r a t u mw i t h i nc e r t a i nm u ds y s t e mb y r e v e r s ea n a l y z i n gd r i l l i n gd a t a a st h er e s u l t ，t h ea c c u r a c yo fp r e d i c t i o no fc o l l a p s ep r e s s u r e w a si m p r o v e d 0 nt h eb a s i so fa b o v et h e o r yr e s e a r c h e s ，t h es o f t w a r et op r e d i c tt h ep r o f i l eo fp o r e p r e s s u r e ，f r a c t u r ep r e s s u r ea n dc o l l a p s ep r e s s u r e ( p p , f pa n dc p ) o f s t r a t u mw a sd e v e l o p e db y v b 6 o n 地s o f t w a r ec a nd os u c hi o b sa sp r o c e s s i n gt h el o g g i n gd a t af i l e ，b u i l d i n gt h ed a t af i l e o fw e l lb o r ep r o f i l e ，d e f i n i n gi n d e x e s ，d o i n gc a l c u l a t i o nf o r t h ep r e s s l t r cp r o f i l ea n dd e s i g n i n g t h em u dd e n s i t y c o n s i d e r i n gp o r ep r e s s u r ep r o f i l e ，f r a c t u r ep r e s s u r ep r o f i l ea n dc o l l a p s e p r e s s u r ep r o f i l ea tt h es a m et i m e ，w ec r e a t e dt h en e wm e t h o do fo p t i m m nd e s i g nf o rw e l lb o r e s t r u c t u r ea n de d i t e dr e l e v a n ts o f t w a r e ，w h i c hc a nd oo p t i m u r nd e s i g nf o rw e l lb o r es t r u c t u r eo n t h eb a s i so f p p ：f pa n dc pp r o f i l e sa n ds o m er e l e v a n td e s i g np a r a m e t e r sa n dp r o v i d et h ed e p t ho f d i 丘b r e n tk i n d so f c a s i n g s f o l l o w i n gi sw h a tw eh a v ea c h i e v e d ： j 、硒ef o r m u l a so ff r a c t u r ep r e s s u r ea n dc o l l a p s ep r e s s u r e 2 、s i n g l e - l a y e r - b a s e ds t r e s sm o d e la n dt h em e t h o d so f d e s c r i b i n gs t r e s s 3 、a u t o a d a p t a t i o n - o r i e n t e dm e t h o do fa n a l y z i n gt h es t a b i l i t yo fw e l lb o r ea n dp p - f pa n d c pp r o f i l e sa c c o r d i n gt os u c hd a t aa sd r i l l i n g ，s t r a t u ma n dm e a s u r e m e n t 4 、n e wm e t h o do fo p t i m u md e s i g nf o rw e l lb o r es t r u c t u r eo nt h eb a s i so fp p f pa n dc p p r o f i l e sc o n s i d e r i n gf l o wp a r a m e t e r sa n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s 5 、t h em o d e lo fc o r r e l a t i o nb e t w e e nl o g g i n gp a r a m e t e r sa n dm e c h a n i c sp a r a m e t e r sb y s i m u l a t i o ne x p e r i m e n t si nl a b o r a t o r y 6 、1 1 1 es o f t w a r eo f p r e d i c t i o no f p p , f pa n dc pp r o f i l e sa n ds o f t w a r eo f o p t i m u md e s i g nf o r w e l lb o r es t r u c t u r e n d st e c h n o l o g yi sap r a c t i c a ld r i l l i n ge n g i n e e r i n gt e c h n i q u e w h i c hi ss u i t a b l ef o rt h e g e o l o g i cc h a r a c t e r i s t i c si np e r i p h e m la r e ao fd a q i n g i tu s e sc o n v e n t i o n a ll o g g i n gd a t at o c a l c u l a t ea n dp r e d i c tp p , f pa n dc po fs t r a t u m 1 1 1 en e ws o l u t i o n sf o rm e a s u r i n gt h ep p f pa n d c po f t h ef i n i s h e dw e l l sa n dp r e d i c t i n gt h eo n e sf o ra w a i t i n gt ob ed r i l l e dw e l l sh a v eb e e nf o u n d t h ee h a l l e n g e so fp r e d i c t h a gt j l cp d f pa n dc di np e n p h e r a lr r e ao fd a q i ! 1 2h a v eb e e no v e r c o _ r n e b yd o i n gc o r ee x p e r i m e n t sa n dv e r i i n gt h ep r a c t i c a b i l i t yo ft h i st e c h n o l o g y i ti si m p o r t a n tf o r i m p r o v i n gt h el e v e lo f g e o l o g i cd e s i g n so f d r i l l i n ga n dg u i d i n gd r i l l i n g u k e y w o r d s ：t r i n o m i a lp r e s s u r eo fs t r a t u m ；p r e d i c t i o n ；a p p l i c a t i o n ；d a q i n go i l f i e l d 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 1 问题的提出 前言 d w y y 地层三项压力预测与应用技术研究即大庆油田外围地区原始地层压力区域 地层三项压力预测与应用技术研究。 地层三项压力一地层孔隙压力、地层破裂压力和地层坍塌压力是钻井设计的基础和依 据，中国石油天然气股份有限公司钻井设计标准明确要求钻井设计要提供地层三项压力， 但以往的地层三项压力预测技术没能很好地解决钻井工程领域的瓶颈问题。 以往，地层孔隙压力主要通过钻后地层压力测试( r f t 等) 和试油试采资料获得：地 层破裂压力主要参考生产层压裂时的破裂压力或进行钻后特殊测井检测。主要存在三方面 的问题：一是，地层孔隙压力和破裂压力测试一般是针对目的层，而非目的层往往没有压 力资料，不能满足钻井对所钻穿地层连续地层压力剖面的需要。二是，地层孔隙压力和地 层破裂压力测试费用较高( 两项约1 5 万元) ，在应用上受到限制；三是，地层孔隙压力和 地层破裂压力都是钻后检测( 测试) 的结果，难以实现准确的钻前预测。地层坍塌压力尚 没有直接检测手段只能依靠经验判断。由于地层三项压力资料的缺乏或不完整以及钻前预 测精度不高等问题，使得钻井施工中喷、漏、塌、卡等复杂事故时有发生( 如大6 0 8 4 和大5 8 - 8 6 井井塌报废损失就达i 0 0 万元以上) 。加大了钻井风险，增加了钻井成本，延 长了钻井周期，同时也给油气层带来更大的伤害。 随着大庆地区钻探领域向着外围地区和深层不断地扩展，地质情况更加复杂，与此同 时，作为油田经济有效开发和提高采收率技术手段的水平井、欠平衡井等特殊钻井工艺技 术也开始了推广应用，地层三个压力剖面是优化钻井液密度设计、优化井身结构设计以及 井壁稳定性等多项钻井参数的必不可少的设计依据和基础。因此为了提高钻井设计水平、 满足油田开发对保护油气层、提高固井质量、降低钻井成本的要求，研究适应大庆外围地 区地质特点的地层三项压力预测与应用技术是亟待解决的课题。 2 国内外研究现状 2 1 地层孔隙压力预测方法 地层孔隙压力是指地层孔隙流体的压力。对于正常沉积的地层，地层孔隙压力为静水 压力。由于地质环境的变化地层孔隙压力可能偏离正常趋势，产生异常高压或异常低压。 由于地层孔隙压力是钻井液密度设计依据之一，钻井技术人员多年来致力于地层孔隙压力 的预测工作。压力预测方法有地震层速度法、页岩密度法、声波时差法、电阻率法等“， 这些方法的理论基础一般是基于地层欠压实理论。其中声波时差法和电阻率法被普遍认为 是精度较高的方法。但是它们一般只适合于开发初期原始地层孔隙压力预测工作，不适合 开发中后期油田储层孔隙压力的分析工作。 2 2 地层破裂压力预测方法 丸七年代以前，。国内外地层破裂压力预测工作大多采用h u b b e r t w i l l i s ( 哈伯特 一威利斯) 法、m a t t h e w s k e l l y ( 马修斯一凯利) 法、e a t o n ( 伊顿) 法、s t e p h e n ( 史 蒂芬) 法、黄荣樽法、岩心滞弹性应变恢复法等“”。九十年代以来，一般根据岩石力 学的基本原理由地应力和地层的抗拉强度预测地层的破裂压力。 2 3 地层坍塌压力预测方法 打开井眼后，井眼围岩将产生应力集中，此时如果钻井液密度不足以有效地平衡井壁 应力，会导致井壁产生剪切破坏。对于硬脆性地层，剪切破坏的表现是产生剥落掉块，导 致井眼扩大：对于塑性地层，剪切破坏的表现是产生缩径。在国内，地层坍塌压力预测研 究是近十年才t c j n 兴起的研究方向，正处于不断发展、逐步完善的阶段“”1 。 3 本论文研究的内容 本论文研究是以岩石力学等理论为基础，通过研究地层三项压力与电测资料的相关 性，建立了利用大庆外围地区常规完井电测资料计算地层三项压力的数学模型，并开发了 相应的计算机软件，同时研究了地层三项压力邻井外推预测技术和利用三项压力预测成果 优化钻井液密度设计及井身结构设计技术。经过现场试验验证，三项压力预测精度达到技 术指标要求，可以满足钻井施工需要，形成了一套适应大庆外围地区地质特点的较为完善 的地层三项压力预测和应用技术。 4 技术创新点 4 1 反分析预测技术 影响地层压力预测精度的因素较多，某些影响因素具有不确定性，使得以“因”求“果” 的正分析方法预测精度较低。通过研究确定了根据实际资料量化不确定因素的反分析方 法，提高了地层压力预测精度。使其具有更广泛的适应性，很好地满足了工程施工要求。 该方法在地层三项压力预测上首次应用。 4 2 研究建立了连续地层坍塌压力预测剖面 国外坍塌压力预测技术研究较少，斯伦贝谢公司目前还没有坍塌压力预测技术的公开 报道，美国知信公司在地层坍塌压力预测时，关键的参数泊松比没与测井资料建立关系， 用个别层位几个点的泊松比代替全井剖面泊松比陋。本次研究的坍塌压力预测技术综合 考虑了岩石力学性质、钻井形成井眼后钻井液的浸泡等多项影响因素，并通过测井资料连 续求取相关参数，从而建立了连续地层坍塌压力预测剖面，因此具有较高的预测符合率。 同时把坍塌压力引入到优化钻井液密度设计和井身结构设计中，从而实现了以三项压力剖 面为基础的全方位优化钻井液密度和井身结构设计。该项技术处于国内外同类技术领先地 位。 4 3 地层三项压力外推技术 在以往的地层压力预测中，直接用已钻井的地层压力剖面作为待钻井的地层压力剖 面，没有考虑地层沉积在空间分布的不均匀性。该项技术依据一定的原理把已钻井的地层 三项压力剖面外推到待钻井上，消除了每个层位的性质在区块内横向存在的差异，从而求 得待钻井的连续的全井地层三项压力剖面。一该项技术属币独创，目前居同行业领先地位。 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 5 技术指标完成情况 5 1 技术指标 1 ) 建立的地层三项压力数学模型适用于大庆外围地区常规测井系列要求。 2 ) 现场验证5 口井，地层孔隙压力和地层破裂压力的预测误差在l o 以内，地层坍 塌压力的符合率在8 5 以上。 3 ) 相关软件满足实验区块新站地区和龙虎泡地区的地层三项压力预测。 4 ) 地层三项压力预测技术能为大庆外围地区其它钻茹区块提供一种经济实用的预测 方法。 5 2 完成情况 1 ) 地层三项压力数学模型是以大庆外围地区测井系列中“声波时差”、“岩石密度”、 “自然伽玛”和“井径”四项常规测井资料建立的，可以满足大庆外围地区地层三项压力 预测的要求。 2 ) 通过5 口并现场试验验证，地层孔隙压力预测误差最大9 7 8 、最小1 5 9 、平均 4 1 9 ；地层破裂压力预测误差最大8 3 3 、最小o 4 3 、平均2 6 8 ：地层坍塌压力的符 合率最大9 8 8 0 、最小8 8 5 9 、平均9 3 2 7 。 3 ) 利用v b 6 0 和a c c e s s 数据库开发了地层三项压力预测软件系统，经过现场验证各 项技术指标满足新站、龙虎泡地区地层三项压力预测的精度要求。 4 ) 通过对新站、龙虎泡地区地层三项压力预测技术的研究，为大庆外围地区其它钻 井区块提供了地层三项压力预测技术的研究方法。通过求取某地区地层的岩石力学参数即 可应用该项技术实现对该地区地层三项压力的预测。 第1 章地层三项压力预测及应用技术研究 第1 章地层三项压力预测及应用技术研究 1 1 地层三项压力预测理论 1 1 1 井壁稳定力学 1 1 1 1 井壁稳定力学研究概述 从岩石力学角度看，井壁稳定与否取决于井眼围岩的应力大小与地层强度的比较上。 若井眼围岩的应力小于地层强度，井眼是稳定的；若井眼围岩的应力大于地层强度，井壁 将产生破坏，导致井下复杂。井眼围岩的应力大小与并眼液柱压力有关，若钻井液密度降 低，井眼围岩应力就升高，当井壁应力超过岩石的抗剪强度时，就要发生剪切破坏( 表现 为掉块) ；相反，若钻井液密度过高，在井壁处就会出现拉应力，当拉伸应力大于岩石的 抗拉强度时，就要发生拉伸破坏( 表现为井漏) 。因此，要保持井眼稳定，钻井液密度应 保持在一个合理的范围内。影响这一合理钻井液密度范围的主要因素有：原地应力状态、 地层孔隙压力、地层强度参数、钻井液类型与理化性能、井斜角、方位角等。本部分首先 建立一般井眼的力学模型，分析井眼围岩应力分布规律：然后根据库仑一摩尔准则和最大 拉应力理论推导地层坍塌压力和破裂压力的表达式。 1 1 1 2 井眼围岩应力分布规律 地应力一般用3 个主应力描述，即垂向应力( q ，) 和水平方向两个主应力( 盯。，、盯。，) 。 在钻井过程中扰动了原岩的自然平衡状态，使井周在一定范围内的地应力发生变化，变化 后的应力称为次生应力，即盯pd 册、盯一、r 。、如，和f 。6 个应力分量呻“1 。假设地层为 均质、同性、线弹性体，其力学模型如图1 - 1 所示。 图1 - 1 斜井井眼力学模型 f i g 1 1 m e c h a n i c sm o d e lo fi n c l i n e dw e l l h o l e 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 其应力分布规律如下 = 圭k + 巳 ( 一事 + 圭c q q ，( ，+ 7 3 a 4 7 4 a 2 c 。s z 口+ ( ，+ 7 3 a 4 7 4 a 2j s l 、n z + 7 a 2 p 。 = 圭h + q ( ，+ 多 一三c q 训 t + 刳 c 。s ：口一( + 7 3 a 4 j 、s m z 一7 a 2 p ， 盯。= t z c 吒一盯，( 譬 c 。s z 臼+ 。( 譬 s i n z 目 铲 扣训s i n 2 0 + r 。c o s 2 0 ) i ，+ 7 3 a 4 7 4 a 2 r ，：= kc o s 口+ 枷n 曰i ，一等 珞= 【r c o s 8 - r = s i n 8 f t 式中：q 、d r ，、仃：、f f 、k 、r p 为原地 应力分量在x t z 坐标系下的分量，m p a ； 昂一井眼液柱压力，m p a ： 口一井眼半径，c m ： ，一地层的径向坐标，c m ； 口一圆周角，f o ) 。 上述井眼围岩应力分布表达式中，当r 等于井眼半径时就得到了井壁上任一点的应力 状态表达式： 式中 盯。= 岛 o * = x p 。 盯一= y f = z x = p ，+ q ) 一2 p ，一q ) c o s 2 8 4 g r s i n 2 8 y = 吒一2 h 一盯，) c o s 2 8 4 f 。s i n 2 0 z = 2 ( 。c o s 8 一r 。s i n 护) ( 卜2 ) 由于井壁稳定性分析中的破裂准则是以主应力表示的，所以应把井壁上的应力转换成 三个主应力： 第l 章 地层三项压力预测及应用技术研究 卜。q 2 p w ，。、 k ：丢+ 吒) 丢k 一吒) 2 + 4 r ：。7 ” u 峭 1 1 1 _ 3 强度破坏准则 钻井过程中，钻井液替代了井眼处的岩石，三个大小不等的主应力支撑的岩石被三向 应力相同的流体代替，结果导致井壁应力集中，井壁地层内应力变化可使井周岩石变形， 并可能引起井壁破坏。用剪切破坏准则描述井壁发生剪切变形；用拉伸破坏准则表征岩石 张性破裂。 a ) 剪切破坏准则 强度破坏准则是判定井壁是否破坏的临界条件。在本研究中，我们选择了库仑一摩尔 准则作为剪切破坏的强度判据。这个准则认为岩石沿某一平面发生剪切破坏，不仅与该面 上剪应力大小有关，而且与该面上的正应力有关。岩石并不沿着最大剪应力作用面产生破 坏，而是沿着其剪应力与正应力达到最不利组合的某一面产生破裂“”3 。其表达式如下： p 。一口o 腑一，j _ ( c r 3 一口o 炳+ ，j ：2 ( 1 4 ) 式中：矾一井壁上一点的最大主应力，m e a ： 以一井壁上一点的最小主应力，m p u ： 口一有效应力系数； p 一地层孔隙压力，m p a ； f n 一内聚力，m e a ： 厂一内摩擦系数。 b ) 拉伸破坏准则 当钻井液液柱压力过高时，在井壁处会出现拉应力，当拉应力超过地层的抗拉强度时 就会出现拉伸破坏，发生井漏。 仉= 一盯 式中：0 3 一井壁上一点的最小主应力，m p a 仉一地层的抗拉强度，m p a 。 1 1 2 地层三项压力计算模型 ( 1 - 5 ) 1 1 2 1 地层坍塌压力表达式 井眼围岩的应力大小与井眼内的钻井液密度有关，随着钻井液密度的降低，井眼围岩 的剪应力不断提高，当超过岩石的抗剪强度时，岩石将发生剪切破坏。发生剪切破坏的l 临 界井眼液柱压力称为坍塌压力，此时的钻井液密度称为坍塌压力当量钻井液密度，一般情 况下简称为坍塌压力“1 。 考虑地层的有效应力效应，有： 6 盯= 盯一啦 ( 卜6 ) 式中；盯。作用在岩石上的总应力，m p a 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 c r - 作用在岩石上的有效应力，m p a ； 口一有效应力系数； p ，一地层孔隙压力，m p a 当井眼液柱压力较低( 即钻井液密度较低) 时，在井壁上会出现较大的剪切应力而使 井眼发生坍塌。将( 卜3 ) 、( 卜6 ) 式代入( 卜4 ) 式可得坍塌压力的表达式： l + ； ) 只+ i k y 一岛) 2 _ 4 z z r = z r 。+ 0 5 伍+ y ) + 戗一 ) 啡( 1 - 7 ) 其中：；= 芦石一 f t = 吨l i 斗、七 方程( i - 7 ) 中包含两个变量：井眼液柱压力只和圆周角0 。在0 1 8 0 。之间选择圆周 角0 ，求解井眼液柱压力最大值p ，即为保持井眼稳定的井眼液柱压力下限一坍塌压力 只a 1 1 2 2 地层破裂压力表达式 当井眼液柱压力过大( 即钻井液密度过大) 时，井壁上会产生拉伸应力，当拉伸应力大 于岩石的抗拉强度时，井壁上就产生裂缝，发生井漏酬。 对于任意井眼条件，将( 1 - 3 ) 、( 1 - 6 ) 式代入( 卜5 ) 式，可求出地层破裂压力的表达式： + y 一一 协一l ，一只) 2 + 4 2 2 j - 一o t ( 1 8 ) 二 方程( 卜8 ) 在0 1 8 0 。之间选择圆周角0 ，求解井眼液柱压力最小值只一，即为保 持井眼稳定的井眼液柱压力上限一破裂压力p ，。 1 1 2 3 地层孔隙压力表达式 地层孔隙压力预测方法可分为三大类：地震资料分析法、测井资料分析法和钻井资料 分析法。由于测井资料是目前反映地层信息最为详实的方法，因此，一般认为在地层孔隙 压力预测诸方法中，测井资料法最为精确。本项目采用声波时差测井资料分析法预测地层 孔隙压力。 对于正常压力泥页岩地层，随着埋深的增加，地层的孔隙度逐渐降低，声波时差逐渐 减小。出现异常压力后，声波时差随埋深增加的规律被打破，出现异常声波时差现象。根 据这一现象可以预测地层的异常压力，预测过程如下： ， 用正常压实泥页岩井段声波时差与其对应的埋藏深度按半对数关系回归，建立声波时 差的正常趋势线。 h 1 陋) = a + b h 若研究层位的声波时差落在正常趋势线上 为异常地层压力，表达式为： ( 1 - 9 ) 即为正常地层压力：若偏离正常趋势线， pp = p o b o p 淞，| & 3 式中：儿一地层孔隙压力当量钻井液密度，g c m 3 ( 1 1 0 ) 第1 章地层三项压力预测及应用技术研究 岛一上覆岩层压力当量钻井液密度，g c m 3 ： 只一地层水静水柱压力当量钻井液密度，g c m 3 ： a t 一正常趋势线上的声波时差，艘，m ； a t 。一实际的声波时差，伊i m ： c 一地区指数。 1 1 3 地层三项压力计算模型相关参数的确定 利用地层坍塌压力计算模型( 卜7 ) 式和地层破裂压力计算模型( 1 - 8 ) 式求取地层的坍 塌压力和破裂压力，必须己知地层的原地应力、弹性模量、泊松比、内聚力、内摩擦角、 孔隙压力、有效应力系数等参数。这些参数的确定方法有两种：一是直接法，通过室内实 验直接确定。这种方法的优点是数据准确度较高：缺点是工作量大，有时很难获得地层的 岩心。二是间接法，由测井数据间接获取地层的力学参数，优点是数据获取容易，可以计 算出任意深度地层的压力，即可获取地层的压力剖面。如果数据转换精度较高，是一种非 常实用的方法，本项目采用的是间接法。 岩石力学工作者进行了大量的探索工作，发现岩石的声学性质和力学性质间具有很好 的相关性，这样利用测井数据就可以间接地连续确定岩石的力学参数。 1 1 3 1 地层弹性参数 根据弹性参数间的关系得到如下关系式： 剪切弹性模量：g = p v s 2 ( 卜1 1 ) 体积弹性 弹性模量 泊松比： = 籍筠 ( 1 - 1 2 ) ( 1 - 1 3 ) ( 1 - 1 4 ) 式中：p 一岩石密度，g c m 3 ； 硌一横波速度，m s ； t ， 一纵波速度，埘s 。 但是，在一般情况下岩石并不是均质各向同性弹性材料，内部存在着孔隙、裂隙、节 理、层理等结构面，使得用上面公式确定的力学参数与室内实验值之间存在差异。我们把 由上面公式确定的力学参数定义为动态力学参数，由室内实验得到的力学参数定义为静态 力学参数，地层三项压力计算模型用的是静态力学参数。通过岩石力学性能实验可以把动 态力学参数转换成静态力学参数，对大庆油田新站和龙虎泡地区不同岩性的4 0 块岩心试 样进行了测试，共获得6 7 2 个数据，通过回归处理就得到了动、静态参数转换模型。岩石 力学性能实验研究详见附录a 。 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 龙虎泡地区 新站地区： ，= 一o 0 2 3 4 + o 8 2 4 0 4 9 a r = 0 7 8 e = 4 7 1 4 9 + o 3 4 9 6 e a r = o 7 8 以= - 0 0 8 8 9 4 + 1 1 0 4 # a r = o 8 4 2 e = 2 5 1 7 7 + o 2 6 1 1 e a r = o 9 1 3 式中：。一静态泊松比； 。一动态泊松比： e 一静态弹性模量，g p a ； e 一动态弹性模量，g p a ： r 一相关系数。 1 1 3 2 地层强度参数 抗压强度： 。以s 枷1 4 p 。4 ( 等) 2 ( 卜2 瑚+ o ，s 屹) 式中：v o 一为泥质含量，在o - l2 _ n 。 内聚力：f o = 盯。3 4 6 4 ( 1 1 5 ) ( 1 - 1 6 ) ( 1 - 1 7 ) ( 1 - 1 8 ) ( 1 - 1 9 ) ( 1 - 2 0 ) 抗拉强度：q = 西o - c ( i - 2 1 ) 内磨擦角：试验表明沉积岩内磨擦角一般在3 0 。左右，因此取为常数3 0 。 强度系数爿：根据自适应井壁稳定分析技术，以组合弹簧模型计算的地应力为基准， 由井眼扩大率1 0 为破坏临界值，可求出不同地层的分层强度系数4 。 厂，、2 o 。= 4 1 0 1 4 p v p 4 l 拦l ( 1 2 , u x l + o 7 8 v c ) ( 1 - 2 2 ) l 一 1 1 3 3 有效应力系数 根据b i o t 理论，由于岩石中的孔隙并不是完全连通的，使得孔隙压力的传递受到阻 碍。孔隙压力的有效传递值与总孔隙压力之比定义为有效应力系数。根据多孔隙介质理论， 有效应力系数的表达式如下： 口：1 一坠 瓦 ( 1 - 2 3 ) 9 第l 章地层三项压力预涮及应用技术研究 式中：丘一岩石的体积弹性模量，g p a ； 蚝一岩石骨架的体积弹性模量，g p a 。 根据弹性力学理论，体积弹性模量k 与弹性模量e 和泊松比卢的关系如下 k ：旦e 1 2 1 j ( 卜2 4 ) 1 1 3 4 地层孔隙压力正常趋势线的确定 声波时差是地层岩性、地层孔隙度和孔隙压力的函数。为了消除岩性对声波时差变化 的影响，在孔隙压力预测过程中，只选用纯泥岩地层。对于纯泥岩来说，地层的孔隙度只 与泥岩沉积过程中压实程度有关，而泥岩的孔隙压力又与泥岩的压实程度线性相关，因此， 通过泥岩层声波时差的变化可以预测地层的孔隙压力。 在声波时差法地层孔隙压力预测过程中，首先要确定正常趋势线。即根据上部正常压 力泥岩地层的声波时差建立声波时差随井深变化的规律。具体做法如下：取厚度大于3m 的 纯泥岩段作为分析对象。对声波时差取自然对数，建立井深一声波时差对数数据文件。然 后对井深一声波时差对数数据文件进行线性回归，得到正常趋势线的表达式： 1 1 1 山) = a + b h ( 1 2 5 ) 对于下部泥岩地层，若声波时差大于同一深度正常趋势线上的数值，表示该地层欠压 实，为异常高压层；相反，若声波时差小于同一深度正常趋势线上的数值，表示该地层超 压实，为异常低压层。 1 1 3 5 原地应力的确定 地应力是计算地层坍塌压力、破裂压力的基础。地应力可用它的三个主应力分量，即 上覆岩层压力、最大水平主应力和最小水平主应力表示。 上覆岩层压力的确定由密度测井数据积分得出： 吒= r 肋 ( 1 2 6 ) 水平地应力主要由上覆岩层压力的泊松效应和构造应力两部分组成。由于在整个地质 时期，地层的构造运动非常复杂，用正演方法无法准确描述，给水平地应力的确定带来困 难。一般认为水平地应力最准确的确定方法是水力压裂法，但是水力压裂法只能给出试验 层位的水平地应力数值。而在三项压力剖面的计算过程中需要每一层位的地应力，如何确 定每一层位的水平地应力是要解决的关键 技术之一。本项研究使用了组合弹簧模型 来描述地层的水平地应力，如图1 - 2 所示。 即，把地层看作刚度不同的弹簧，在构造 运动过程中，为保持运动的相容性，它们 应具有相同的位移量。通过弹性力学公式 推导可得出水平地应力的表达式： 图卜2 构造运动示意图 f i g 1 - 2 t h es c h e m a t i cm a po f s t r u c t u r a lm o v m e n t 大庆石油学院工程硕士专业学位谶文 南矗二一略) + 寺反+ 尚反一 铲奇b ：一叱) + 寺热十尚 鸣 式中韪、鸬称做构造廒力系数，通避破裂压力试骏确定 1 2 地层墨项压力应用技术研究 2 地罄曼壤压力羚推羧米 对于己钻井，利用测井资料可以计算出地层的三项压力剖面。此时描述了该井地层的 压力特征。若在此井附近脊一口待钻井如果每个层位的性质在区块内横向分布均匀，可 赢羧裁用已锻井静三项压力剿瑟童# 为待钻势鲍压力截糯。若每个屡授的性质在区块内横向 襻在差异，就必须采取步 捺的办法对祷钻井的性质遴行预测。本项研究提供了两种预测方 法，一是根据已钻井的测井资料外推待钻井的测井资料，然后再计算待钻井的三_ 顼压力剖 颥。二是根据已钻井的三项压力剖面数据直接外推待钻井的三项压力剖面。 盎于地层沉积在空闻分布豹不均匀 耋，使得嗣一建层在不同著位楚雏埋擐帮鼯度存在 麓别。但是由于它们是同一时期沉积的，其组分和力学性质可认为捆同。这样待钻并性质 的外推就变成了函数之间的映射关系。 设已钻井的性质由a ( h ) 表示，某一层段( ) 的起始井深为巍口，终止井深为如口；待 链井豹性霞电二( ) 表示，闷一层段豹起始势深为氟6 ，终止并深为趣6 。匪数a ( h ) 酶分帮 观律已知，掇据上述分析，疋( 和f ( ) 其有相同的分布特征，闻艨是如何确定 ( ) 的具 体分布规律a 先计算融钻井函数f ( h ) 在某一层段的段长璃口一h , a 按每米一点分成m 份，再根据地 矮分层将德键舞两一层垃豹舞段按每米一赢分霞”份。然螽撮据线性捶篷愿理，葶l 用a ( h ) 的规律补推出正( 的的规律，如图l 一3 所示。函数a ( h ) 怒函数z 伪) 的均匀伸长或均匀缩短。 图1 - 3 函数外报示意图 f i g i * 3 t h es c h e m a t i cm a po f f u n c t i o ne x t r a p o l a t i o n 第l 章地层三项压力预测及应用技术研究 1 2 2 钻井液密度优化设计 由于在某一段内坍塌压力是起伏波动的，有时波动幅度还很大，这样在实际钻井过程 中，要保持所有地层都不坍塌需要很高的钻井液密度，有时甚至是不切实际的。为此我们 提出了符合率的概念，使得大多数地层保持稳定。如符合率为8 5 的地层坍塌压力当量钻 井液密度即为保持8 5 的层位不发生坍塌的钻井液密度。 采取如下原则推荐钻井液密度： a ) 当孔隙压力当量钻井液密度+ 0 0 5 坍塌压力当量钻井液密度时，钻井液密度按 孔隙压力当量钻井液密度+ 0 0 5 进行推荐。 b ) 当孔隙压力当量钻井液密度+ 0 0 5 坍塌压力当量钻井液密度时，钻井液密度按 坍塌压力当量钻井液密度进行推荐。 c ) 符合率的选择：根据地区实际情况选择符合率，如符合率为8 5 即表示推荐钻井 液密度能保持8 5 的层位不发生坍塌；如符合率为1 0 0 即表示推荐钻井液密度能保持每 个层位均不发生坍塌。 1 2 3 井身结构优化设计 井身结构优化设计是钻井设计的重要内容之一。它不仅关系到钻井施工的安全，而且 还关系到这口并的钻井经济效益。合理的井身结构设计能最大限度的避免喷、漏、塌、卡 等工程事故的发生。 以往井身结构设计是以地层孔隙压力和破裂压力为依据，没有考虑地层坍塌压力的影 响。通过地层坍塌压力预测，综合考虑地层的三项压力剖面和多种工程安全系数，提出一 套新的井身结构设计方法。井身结构优化设计主要是确定套管的下入层次和下入深度，即 确定共需下入几层套管及每层套管下至的深度。井身结构优化设计过程详见附录b 。 1 3 地层三项压力预测软件开发 1 3 1 软件概述 本软件采用v i s u a lb a s i c 6 0 编制，利用测井资料预测随井深连续变化的地层三项压力 剖面。它符合w i n d o w s 平台上开发应用程序的标准，具有同其它w i n d o w s 应用程序几乎一 致的运行和操作方式，从而使软件的操作方式规范化，简单化。本软件提供了菜单、图标、 窗口、对话框等使用工具，其操作方式同w i n d o w s 一致。为了使计算过程数据保存清晰， 使用了数据库结构。软件的运行过程见操作手册。 1 3 2 软件运行环境 a ) 硬件环境 i b mp c 5 8 6 以上微机或其兼容机一台( 带鼠标) 。 b ) 软件环境 中文w i n d o w s 9 8 、w i n d o w s 2 0 0 0 、w i n d o w s x p 系统。 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 1 3 3 软件的输入参数 a ) 井眼轨迹参数( 井深、井斜角、方位角) ： b ) 测井数据( 声波时差、岩石密度、自然伽玛和井径) c ) 破裂压力试验数据( 破裂压力、瞬时停泵压力) ： d ) r f t 测试成果或试油孔隙压力数据： e ) 临界破坏点的钻井液密度。 1 3 4 软件功能 a ) 连续计算三个主地应力剖面： b ) 连续计算地层的动、静态弹性参数 c ) 连续计算