石油工程第6章——东北石油大学PPT学习教案

1、会计学1 石油工程第石油工程第6章章东北石油大学东北石油大学 第六章第六章 第一节第一节 地层压力及其预测地层压力及其预测 淡水和淡盐水盆地，淡水和淡盐水盆地，GDh为为0.0098 MPam 盐水盆地，盐水盆地，GDh为为0.0105 MPam 2. 2. 上覆岩层压力上覆岩层压力 某处地层上覆岩层压力是指某处地层上覆岩层压力是指覆盖在该地层以上的地层基质覆盖在该地层以上的地层基质( (岩石岩石) )和孔隙中流体和孔隙中流体( (油气水油气水) )的总重量造成的压力。的总重量造成的压力。如果用如果用p pobob表示上覆岩层压力，且沿垂直高度表示上覆岩层压力，且沿垂直高度h h内各参数取平均

2、值，则内各参数取平均值，则 第1页/共50页 fmaob ghp1 岩石密度与岩石密度与孔隙度的大小和埋藏的深度孔隙度的大小和埋藏的深度有关。有关。 3. 3. 地层压力地层压力 地层压力是地层压力是指作用在岩石孔隙内流体指作用在岩石孔隙内流体( (油气水油气水) )上的压力，也叫地层孔隙压力。上的压力，也叫地层孔隙压力。地层压力用地层压力用p pp p来表示。正常地层压力来表示。正常地层压力等于从地表到地下该地层处的静液压力等于从地表到地下该地层处的静液压力, ,其值大小与沉积环境有关。根据式其值大小与沉积环境有关。根据式(6-2)(6-2)的计算原理，可求得大多数正常地层压力梯度为的计算原

3、理，可求得大多数正常地层压力梯度为G GDpDp=0.0107 MPa=0.0107 MPam m。 ppppphph，异常高压，异常高压 ppppphph，异常低压，异常低压 第六章第六章 第一节第一节 地层压力及其预测地层压力及其预测 第2页/共50页 4. 4. 基岩应力基岩应力 上覆岩层的重量是由岩石颗粒和孔隙内的流体共同支撑的。上覆岩层的重量是由岩石颗粒和孔隙内的流体共同支撑的。没有被孔隙内流体所承担的那部分上覆岩层压力称为没有被孔隙内流体所承担的那部分上覆岩层压力称为基岩应力基岩应力。如果用。如果用表示基岩应力表示基岩应力 pob pp 在正常的压力环境中在正常的压力环境中(pp=

4、ph)(pp=ph)，由于颗粒和颗粒间相互接触，岩石基体支撑着上覆岩层重量，而这个直接的颗粒间应力的减少，由于颗粒和颗粒间相互接触，岩石基体支撑着上覆岩层重量，而这个直接的颗粒间应力的减少(0)(0)，将导致孔隙内流体支撑起部分上覆岩层，而形成异常高压，将导致孔隙内流体支撑起部分上覆岩层，而形成异常高压(pp(ppph)ph)。 第六章第六章 第一节第一节 地层压力及其预测地层压力及其预测 第3页/共50页 多年来发展了数种预测异常高压的技术，其中有在钻井施工前进行的多年来发展了数种预测异常高压的技术，其中有在钻井施工前进行的地球物理预测方法地球物理预测方法，也有钻井过程中应用的，也有钻井过程

5、中应用的钻井参数方法钻井参数方法和其他方法。目前在国内和其他方法。目前在国内使用最多的方法是声波测井法和使用最多的方法是声波测井法和dc指数法指数法。 1. 1. 地球物理方法地球物理方法 地震资料法地震资料法 声波测井法声波测井法 电阻率测井法电阻率测井法 地球物理方法地球物理方法 二、二、 地层压力的预测原理与方法地层压力的预测原理与方法 第六章第六章 第一节第一节 地层压力及其预测地层压力及其预测 第4页/共50页 第六章第六章 第一节第一节 地层压力及其预测地层压力及其预测 第5页/共50页 1) 1) 预测原理预测原理声波传播速度主要是孔隙度和岩性的函数。如果岩性为泥页岩时，则声波测

6、井主要反映孔隙度的变化。声波传播速度主要是孔隙度和岩性的函数。如果岩性为泥页岩时，则声波测井主要反映孔隙度的变化。 在正常压力地层中，随深度增大，地层压实程度增强，孔隙度下降，则声波传播速度加快，传播时间减少在正常压力地层中，随深度增大，地层压实程度增强，孔隙度下降，则声波传播速度加快，传播时间减少。深度。深度D与传播时间与传播时间tn的对数之间呈一条正常趋势线。的对数之间呈一条正常趋势线。 (2) 声波测井法声波测井法 第六章第六章 第一节第一节 地层压力及其预测地层压力及其预测 第6页/共50页 第六章第六章 第一节第一节 地层压力及其预测地层压力及其预测 第7页/共50页 地区经验曲线法

7、地区经验曲线法 地区经验曲线法：地区经验曲线法： 绘制该地区绘制该地区lgt与与D的正常趋势线，图上开始偏离正常趋势线的点即为异常压力的顶界。先确定的正常趋势线，图上开始偏离正常趋势线的点即为异常压力的顶界。先确定tsh=to(异常异常)-tn(正常正常)，而后根据该地区关系曲线查出，而后根据该地区关系曲线查出GDp，则，则 DGp Dpp to 当量深度法当量深度法 2) 预测方法预测方法 当量深度法：当量深度法： 在连续沉积盆地，声波传播时间的正常趋势反映了地层在连续沉积盆地，声波传播时间的正常趋势反映了地层 第六章第六章 第一节第一节 地层压力及其预测地层压力及其预测 第8页/共50页

8、)( DhDoee -GGD 的正常压实趋势。当地层压力异常时，如图的正常压实趋势。当地层压力异常时，如图6-3中中a点，地层欠压实，基岩应力点，地层欠压实，基岩应力下降。由于地层有正常压实的趋势，可在正常压力段找出一点下降。由于地层有正常压实的趋势，可在正常压力段找出一点e，其，其值与之相等。相应深度值与之相等。相应深度De称为当量深度，如图所示。称为当量深度，如图所示。 正常压力段深度正常压力段深度De的的e易于求出：易于求出： 第六章第六章 第一节第一节 地层压力及其预测地层压力及其预测 第9页/共50页 C t-t -GG-DGp ao DhDoaDop lglg )( 由于深度由于深

9、度Da处的处的a=e，则，则a点处的地层压力计算式为点处的地层压力计算式为 (3) 电阻率测井法电阻率测井法 电阻率测井法的预测原理：电阻率测井法的预测原理：在在正常压力正常压力地层中，随深度增大，地层压实程度加大，孔隙度减小，导电流体也减少，页岩电阻率加大。在一定的地区，页岩电阻率地层中，随深度增大，地层压实程度加大，孔隙度减小，导电流体也减少，页岩电阻率加大。在一定的地区，页岩电阻率(对数对数)与井深之间存在一条正常趋势线；在与井深之间存在一条正常趋势线；在异常压力异常压力地层中，由于地层欠压实，孔隙度增大，地层流体多，地温高，页岩电阻率向着低于正常电阻率的一侧偏离正常趋势线，其偏离值越大

10、，地层压力越高。地层中，由于地层欠压实，孔隙度增大，地层流体多，地温高，页岩电阻率向着低于正常电阻率的一侧偏离正常趋势线，其偏离值越大，地层压力越高。 to，C正常压实趋势线的截距和斜率正常压实趋势线的截距和斜率 第六章第六章 第一节第一节 地层压力及其预测地层压力及其预测 第10页/共50页 1) 1) 工作原理工作原理 d(d(或或dc)dc)指数法是利用泥页岩的压实规律及欠压实地层机械钻速增大的特性和压差影响机械钻速的原理，同时考虑了钻井参数对机械钻速的影响来监测地层压力的。指数法是利用泥页岩的压实规律及欠压实地层机械钻速增大的特性和压差影响机械钻速的原理，同时考虑了钻井参数对机械钻速的

11、影响来监测地层压力的。 根据钻速与转速、钻压及钻头直径之间的关系，并考虑保持根据钻速与转速、钻压及钻头直径之间的关系，并考虑保持d d的数值与英制单位时相的数值与英制单位时相同，则可得同，则可得 2. 钻井过程中预测地层压力的方法钻井过程中预测地层压力的方法 (1) d(或或dc)指数法指数法 20世纪世纪60年代以来，人们了解了机械钻速和地层压力之间的关系，并在此基础上发展了一种改进机械钻速预测地层压力的方法，称为年代以来，人们了解了机械钻速和地层压力之间的关系，并在此基础上发展了一种改进机械钻速预测地层压力的方法，称为d(或或dc)指数法指数法。 第六章第六章 第一节第一节 地层压力及其预

12、测地层压力及其预测 第11页/共50页 b pe d W n v 0.0684 lg 0.0547 lg d d b pe d w Knv 因为因为0.0547vpe/n的值总是小于的值总是小于1，所以，所以lg（0.0547vpe/n）的绝对值与）的绝对值与vpe成反比。因此，成反比。因此，d指数与指数与vpe成成反比反比。 在在正常压力条件正常压力条件下，随着深度加大，下，随着深度加大，vpe下降，下降，d指数增大，且指数增大，且d与与D之间呈一条正常趋势线。在之间呈一条正常趋势线。在压力过渡带和异常高压地层压力过渡带和异常高压地层，由于地层欠压实和井底压差减小，由于地层欠压实和井底压差减

13、小，vpe加大，加大，d指数下降，通过其与正常趋势线偏离值的大小，可以预报出地层压力。指数下降，通过其与正常趋势线偏离值的大小，可以预报出地层压力。 第六章第六章 第一节第一节 地层压力及其预测地层压力及其预测 第12页/共50页 d d指数法的前提之一是指数法的前提之一是保持钻井液密度不变保持钻井液密度不变，但这在生产中难以达到，尤其在进入压力过渡带后，为了安全起见，需增加钻井液密度，这样，但这在生产中难以达到，尤其在进入压力过渡带后，为了安全起见，需增加钻井液密度，这样，d d指数便随之升高，影响了它的正常显示。为了消除此影响，于是提出了指数便随之升高，影响了它的正常显示。为了消除此影响，

14、于是提出了修正的修正的d d指数，即指数，即dcdc指数法，指数法，表达式为表达式为 d Wf c dd d wf b pe c d W n v d 0.0684 lg 0.0547 lg 2) 预测方法预测方法 应收集的现场资料有：应收集的现场资料有：井深、地层岩性、钻时、钻压、转速、泵压、排量、钻头尺寸及类型、密度、粘度、流变性。井深、地层岩性、钻时、钻压、转速、泵压、排量、钻头尺寸及类型、密度、粘度、流变性。要求取全取准资料，并舍去非正常的钻井要求取全取准资料，并舍去非正常的钻井 第六章第六章 第一节第一节 地层压力及其预测地层压力及其预测 第13页/共50页 建立建立dc指数正常趋势线

15、方程：指数正常趋势线方程：要求取过渡带前大于要求取过渡带前大于300 m的井段为回归段。使正常趋势线通过大多数泥岩点。的井段为回归段。使正常趋势线通过大多数泥岩点。 回归方程形式为回归方程形式为 ： )( 10 baD cn d 数据和非泥岩、页岩数据。数据和非泥岩、页岩数据。 第六章第六章 第一节第一节 地层压力及其预测地层压力及其预测 第14页/共50页 D lgdc 回归所得方程的相关系数必须大于规定值回归所得方程的相关系数必须大于规定值( (一般暂定为一般暂定为0.7)0.7)。在条件不具备时，可借用相邻或相似地质条件或邻井的趋势线参数值。在条件不具备时，可借用相邻或相似地质条件或邻井

16、的趋势线参数值。 计算地层压力：计算地层压力：利用趋势线方程计算或从图上查出相应深度的利用趋势线方程计算或从图上查出相应深度的dcndcn值，再选用下面推荐的四种求地层压力公式，定量地计算出地层压力的大小。值，再选用下面推荐的四种求地层压力公式，定量地计算出地层压力的大小。 21. cn c fnobobf d d - 981lg910.-dd. ccnf 对数式：对数式： 当量深度式：当量深度式： 第六章第六章 第一节第一节 地层压力及其预测地层压力及其预测 第15页/共50页 fn c cn f d d e ccn fnobfnf aD -dd - 伊顿伊顿(Eton)(Eton)式：式：

17、 一些油田经过研究对比，认为反算式比较符合实际。因此，将求出的正常趋势线方程和式一些油田经过研究对比，认为反算式比较符合实际。因此，将求出的正常趋势线方程和式(6-7)(6-7)代入反算式，便可直接求得代入反算式，便可直接求得实际地层压力时流体密度公式实际地层压力时流体密度公式为：为： baD d pe b n v. d W. 10 05470 lg 06840 lg f 第六章第六章 第一节第一节 地层压力及其预测地层压力及其预测 第16页/共50页 它是它是利用钻速方程把影响钻速的诸因素修正成标准值，唯一将压差利用钻速方程把影响钻速的诸因素修正成标准值，唯一将压差( (当量循环密度与地层压

18、力之差当量循环密度与地层压力之差) )孤立出来。孤立出来。当井内的当量循环密度为一常数时，标准化钻速值的变化，可以直接反映出所钻地层孔隙压力的变化。据有关资料介绍，该方法能监测到地层压力很小的变化，但因其分析计算较繁琐，从而限制了它的广泛应用。当井内的当量循环密度为一常数时，标准化钻速值的变化，可以直接反映出所钻地层孔隙压力的变化。据有关资料介绍，该方法能监测到地层压力很小的变化，但因其分析计算较繁琐，从而限制了它的广泛应用。 3.其它方法其它方法 地层压力还可利用页岩密度法、岩屑情况变化分析、化石资料、钻井液返出温度及钻井液中天然气、氯化物含量变化等预测，具体方法可参阅有关文献。地层压力还可

19、利用页岩密度法、岩屑情况变化分析、化石资料、钻井液返出温度及钻井液中天然气、氯化物含量变化等预测，具体方法可参阅有关文献。 (2) 标准化钻速法标准化钻速法 第六章第六章 第一节第一节 地层压力及其预测地层压力及其预测 第17页/共50页 第二节第二节 地层破裂压力及其预测地层破裂压力及其预测 一、一、 地层破裂压力及破裂压力梯度地层破裂压力及破裂压力梯度 地层破裂压力：地层破裂压力：在井中一定深度处的地层，其承受压力的能力是有限的，当压力达到某一值时会使地层破裂，这个压力称为地层的破裂压力在井中一定深度处的地层，其承受压力的能力是有限的，当压力达到某一值时会使地层破裂，这个压力称为地层的破裂

20、压力pfpf。 地层破裂压力的大小取决于许多因素，如上覆岩层压力、地层压力、岩性、地层年代、埋藏深度以及该处岩石的应力状态。地层破裂压力的大小取决于许多因素，如上覆岩层压力、地层压力、岩性、地层年代、埋藏深度以及该处岩石的应力状态。 为了衡量某一深度为了衡量某一深度D的破裂压力的大小，引入地层破裂压力梯度的破裂压力的大小，引入地层破裂压力梯度GDf的概念。的概念。 D p G f Df 第六章第六章 第二节第二节 地层压力破裂及其预测地层压力破裂及其预测 第18页/共50页 破裂压力预测方法破裂压力预测方法 哈伯特哈伯特威利斯法威利斯法 马修斯马修斯凯顿法凯顿法 伊顿法伊顿法 黄荣樽法黄荣樽法

21、 安德森法安德森法 二、二、 地层破裂压力预测方法地层破裂压力预测方法 哈伯特哈伯特威利斯法威利斯法破裂传播压力必须大约等于最小主应力。并认为在发生正断层作用的地区，最大主应力是大致垂直且等于上覆岩层的有效压力，而最小应力应破裂传播压力必须大约等于最小主应力。并认为在发生正断层作用的地区，最大主应力是大致垂直且等于上覆岩层的有效压力，而最小应力应 第六章第六章 第二节第二节 地层压力破裂及其预测地层压力破裂及其预测 第19页/共50页 D pp GG pp pP pp pob DpDf pobh hpf pob 2 1 3 1 2 1 3 1 2 1 3 1 马修斯马修斯凯顿法凯顿法引入了变数

22、基岩应力系数引入了变数基岩应力系数Ki（可变的水平与垂直应力比）。（可变的水平与垂直应力比）。 D KGG iDpDf 是水平的且大多数大概在上覆岩层有效压力的是水平的且大多数大概在上覆岩层有效压力的1/21/3之间。之间。 第六章第六章 第二节第二节 地层压力破裂及其预测地层压力破裂及其预测 第20页/共50页 伊顿法伊顿法:19691969年，伊顿假设地层是年，伊顿假设地层是弹性体弹性体，并用泊松比，并用泊松比把水平应力把水平应力H H和垂向应力和垂向应力z z联系起来，给出了地层破裂压力梯度公式联系起来，给出了地层破裂压力梯度公式 D -pp D p DD p G pobp z p Df

23、 11 伊顿认为，上覆岩层压力伊顿认为，上覆岩层压力pobpob和泊松比和泊松比都随深度而变化，地层破裂压力梯度都随深度而变化，地层破裂压力梯度GDfGDf也随深度而变化，因而比较接近实际。也随深度而变化，因而比较接近实际。 第六章第六章 第二节第二节 地层压力破裂及其预测地层压力破裂及其预测 第21页/共50页 应用应用伊顿法预测地层破裂压力梯度的步骤伊顿法预测地层破裂压力梯度的步骤是：是： 黄荣樽法黄荣樽法:黄荣樽根据弹性力学的理论，导出了井壁上最容易压开裂缝处的有效切向正应力的表达式，并且认为地层的破裂是由于增大井内流体压力使井壁上的有效切黄荣樽根据弹性力学的理论，导出了井壁上最容易压开

24、裂缝处的有效切向正应力的表达式，并且认为地层的破裂是由于增大井内流体压力使井壁上的有效切 第六章第六章 第二节第二节 地层压力破裂及其预测地层压力破裂及其预测 第22页/共50页 向正应力减小为零向正应力减小为零(当存在原生裂缝时当存在原生裂缝时)或变为负值并超过地层的抗拉强度或变为负值并超过地层的抗拉强度hT(当井壁上无原生裂缝时当井壁上无原生裂缝时)的结果。结合水平向的两个主地应力计算方法，黄荣樽提出计算破裂压力的解析式为的结果。结合水平向的两个主地应力计算方法，黄荣樽提出计算破裂压力的解析式为 h Tppobf p-ppKp 1 2 K K非均匀的地质构造应力系数，非均匀的地质构造应力系

25、数，K=-3K=-3； ，水平两个主方向的构造应力系数。水平两个主方向的构造应力系数。 第六章第六章 第二节第二节 地层压力破裂及其预测地层压力破裂及其预测 黄荣樽法的具体应用步骤是：黄荣樽法的具体应用步骤是： 1)1) 三轴岩石力学试验：三轴岩石力学试验：主要是在高压室中对圆柱岩样施加不同围压的压缩试验。通过试验确定岩的主要是在高压室中对圆柱岩样施加不同围压的压缩试验。通过试验确定岩的泊松泊松 第23页/共50页 n ciro mp 式中式中o围压围压pcir为零时的泊松比；为零时的泊松比； m，n取决于岩性的常数。取决于岩性的常数。 考虑到地层重力场的作用，岩层在某深度考虑到地层重力场的作

26、用，岩层在某深度D处的围压处的围压pcir的计算式为的计算式为 pobcir -ppp 1 联立式联立式(6-13)和式和式(6-14)便可解得便可解得D深度处的深度处的pcir值和地层的泊松比值和地层的泊松比值。值。 比比。岩石的泊松比与其所处的深度有关，通过岩石的三轴压力试验发现。岩石的泊松比与其所处的深度有关，通过岩石的三轴压力试验发现是随围压的升高而增大。经过分析，提出计算是随围压的升高而增大。经过分析，提出计算的指数方程的指数方程 第六章第六章 第二节第二节 地层压力破裂及其预测地层压力破裂及其预测 第24页/共50页 关闭环形空间，要求在环空井口安装精密压力表记录压力的变化。用水泥

27、车以低速关闭环形空间，要求在环空井口安装精密压力表记录压力的变化。用水泥车以低速(大约为大约为5080 Lmin)缓慢地启动泵并向井内注入钻井液；记录各个时间的泵入量和相应的井口环空压力。做出以井口压力与泵入量为坐标的试验曲线，如泵排量不变时，亦可做出井口压力和泵入时间的关系曲线。在进行液压试验时，要注意确定下述的压力值缓慢地启动泵并向井内注入钻井液；记录各个时间的泵入量和相应的井口环空压力。做出以井口压力与泵入量为坐标的试验曲线，如泵排量不变时，亦可做出井口压力和泵入时间的关系曲线。在进行液压试验时，要注意确定下述的压力值(如图如图6-5所示，此图为实测曲线所示，此图为实测曲线)： 地层破裂

28、压力试验的地层破裂压力试验的具体要求具体要求如下所述。如下所述。 第六章第六章 第二节第二节 地层压力破裂及其预测地层压力破裂及其预测 第25页/共50页 漏失压力漏失压力pl:即开始偏离直线之点的压力，其后压力仍上升。即开始偏离直线之点的压力，其后压力仍上升。 开裂压力开裂压力pf:压力最大之点。反映了液压克服地层的强度使其破裂，形成裂缝，钻井液向裂缝中漏失，其后压力将下降。压力最大之点。反映了液压克服地层的强度使其破裂，形成裂缝，钻井液向裂缝中漏失，其后压力将下降。 延伸压力延伸压力pex:压力趋于平缓的点。它使裂缝向远处扩展延伸。压力趋于平缓的点。它使裂缝向远处扩展延伸。 瞬时停泵压力瞬

29、时停泵压力ps:当裂缝延伸到离开井壁应力集中区，即当裂缝延伸到离开井壁应力集中区，即6倍井眼半径以远时倍井眼半径以远时(估计从破裂点起约历时估计从破裂点起约历时1 min左右左右)，进行瞬间停泵。记录下停泵时的压力，进行瞬间停泵。记录下停泵时的压力ps，由于此，由于此 第六章第六章 第二节第二节 地层压力破裂及其预测地层压力破裂及其预测 第26页/共50页 时时裂缝仍开启，裂缝仍开启，psps应与垂直裂缝的最小地应力应与垂直裂缝的最小地应力yy值相平衡，即有值相平衡，即有ps=yps=y。此后，由于停泵时间的延长，钻井液向裂缝两壁渗滤，但液压下降。由于地应力的作用，裂缝将闭合。此后，由于停泵时

30、间的延长，钻井液向裂缝两壁渗滤，但液压下降。由于地应力的作用，裂缝将闭合。 ref h T -p p 裂缝重新张开压力裂缝重新张开压力pre:瞬时停泵后启动注入泵，从而使闭合的裂缝重新张开。由于张开闭合裂缝所需的压力瞬时停泵后启动注入泵，从而使闭合的裂缝重新张开。由于张开闭合裂缝所需的压力pre与开裂压力与开裂压力pf相比不需要克服岩石的抗拉强度，因此可以近似地认为破裂层的抗拉强度等于这两个压力的差值，即有相比不需要克服岩石的抗拉强度，因此可以近似地认为破裂层的抗拉强度等于这两个压力的差值，即有 第六章第六章 第二节第二节 地层压力破裂及其预测地层压力破裂及其预测 第27页/共50页 从图中查

31、得从图中查得pfpf和和prepre对应的井口泵压，于是根据对应的井口泵压，于是根据(6-15)(6-15)式直接计算出式直接计算出hThT值。从试验曲线上确定地层开裂时的井口泵压值。从试验曲线上确定地层开裂时的井口泵压( (如果考虑如果考虑plpl为最大许可压力，也可用此值为最大许可压力，也可用此值) )，其与静液压力之和为破裂压力，其与静液压力之和为破裂压力pfpf值。破裂层岩心经过室内试验确定值。破裂层岩心经过室内试验确定，再求出对应深度处的，再求出对应深度处的pobpob及正常孔隙压力及正常孔隙压力pppp值。将得到的值。将得到的pf pf ， ，hT hT ，pobpob和和pppp

32、值代入公式值代入公式(6-12)(6-12)便可算出便可算出K K值。值。 现在进一步明确一下如何利用上述破裂压力试验求取预测公式现在进一步明确一下如何利用上述破裂压力试验求取预测公式(6-12)中的有关参数：中的有关参数： 3) 各种参数确定之后，便可用黄荣樽法计算地层破裂压力。各种参数确定之后，便可用黄荣樽法计算地层破裂压力。 第六章第六章 第二节第二节 地层压力破裂及其预测地层压力破裂及其预测 第28页/共50页 安德森法安德森法由于地层破裂压力预测公式中均含有泊松比由于地层破裂压力预测公式中均含有泊松比值，安德森值，安德森(Anderson)(Anderson)认为砂岩中的泥质含量对其

33、认为砂岩中的泥质含量对其值影响很大。因为砂岩中的泥质本质上起着颗粒间塑性胶结物的作用，对砂岩的形变有明显的影响。因此，他提出可以通过建立值影响很大。因为砂岩中的泥质本质上起着颗粒间塑性胶结物的作用，对砂岩的形变有明显的影响。因此，他提出可以通过建立与泥质含量的关系来求得与泥质含量的关系来求得. 声波、密度和中子测井的组合能计算地层的泥质含量，其计算式为声波、密度和中子测井的组合能计算地层的泥质含量，其计算式为 ： s ds sh I IshIsh地层的泥质指数，地层的泥质指数，% %； ss声波时差求得的地层总孔隙度，声波时差求得的地层总孔隙度，% %； d密度测井求得的地层有效孔隙度，密度测

34、井求得的地层有效孔隙度，% 式中：式中： 第六章第六章 第二节第二节 地层压力破裂及其预测地层压力破裂及其预测 第29页/共50页 pobpf -pppp 1 2 安德森提出的地层破裂压力预测公式是：安德森提出的地层破裂压力预测公式是： 此式是在假定无此式是在假定无构造应力，地层抗张强度为零并取均匀水平地应力构造应力，地层抗张强度为零并取均匀水平地应力基础上而得出的。由此得基础上而得出的。由此得 pobf pf p-pp -pp 32 将现场破裂压力试验求得将现场破裂压力试验求得pfpf值代入值代入(6-18)(6-18)式，便可求得式，便可求得，再将此，再将此值与相应地层的值与相应地层的Is

35、hIsh值做出关系图。根据墨西哥湾地区值做出关系图。根据墨西哥湾地区1212口井中进行口井中进行2929次破裂压力试验得到的数据绘图及利用次破裂压力试验得到的数据绘图及利用(6-18)(6-18)式计算出的式计算出的值，表明值，表明与与IshIsh有很有很 第六章第六章 第二节第二节 地层压力破裂及其预测地层压力破裂及其预测 第30页/共50页 式中，系数式中，系数A A和和B B随不同地区或不同构造而异，需要建立各个不同地区的关系式。随不同地区或不同构造而异，需要建立各个不同地区的关系式。 sh BIA 好的线性关系，因此，可用直线公式拟合。好的线性关系，因此，可用直线公式拟合。 以上介绍三

36、种预测破裂压力方法都仅适用于连续沉积的地层，对于地质不整合的地层、风化带和破碎带等地层，其破裂压力往往低于计算的破裂压力，钻进这些层段常常会发生意外的漏失事故。在这些情况下，预测地层破裂压力时，应当考虑到以上介绍三种预测破裂压力方法都仅适用于连续沉积的地层，对于地质不整合的地层、风化带和破碎带等地层，其破裂压力往往低于计算的破裂压力，钻进这些层段常常会发生意外的漏失事故。在这些情况下，预测地层破裂压力时，应当考虑到地质环境地质环境的影响。的影响。 第六章第六章 第二节第二节 地层压力破裂及其预测地层压力破裂及其预测 第31页/共50页 安德森法安德森法 D pp GG pob DpDf 2 1

37、 3 1 D pp KGG pob iDpDf D pp GG pob DpDf 1 h Tppobf p-ppKp 1 2 pobpf -pppp 1 2 哈伯特哈伯特威利斯法威利斯法 马修斯马修斯凯顿法凯顿法 伊顿法伊顿法 黄荣樽法黄荣樽法 第六章第六章 第二节第二节 地层压力破裂及其预测地层压力破裂及其预测 第32页/共50页 地层压力剖面的应用：地层压力剖面的应用： 当量钻井液密度当量钻井液密度 井井 深深 D1 D2 A B CD I GDf GDp 套套 管管 下下 入入 深深 度度 的的 选选 择择 欠欠 平平 衡衡 坍坍 塌塌 卡卡 钻钻 H CD I GDf GDp 当量钻井

38、液密度当量钻井液密度 井井 深深 D2 当量钻井液密度 第六章第六章 第二节第二节 地层压力破裂及其预测地层压力破裂及其预测 第33页/共50页 X CD GDf GDp 当量钻井液密度 井 深 D2 D1 1 2 3 过过 平平 衡衡 井井 漏漏 设设 计计 套套 管管 程程 序序 第六章第六章 第二节第二节 地层压力破裂及其预测地层压力破裂及其预测 第34页/共50页 在钻井过程中，一方面有地层孔隙中的流体压力在钻井过程中，一方面有地层孔隙中的流体压力p pp p；另一方面有钻井液柱形；另一方面有钻井液柱形 成的静液压力成的静液压力p pdh dh。在正常钻进情况下，正是用 。在正常钻进情

39、况下，正是用p pdh dh来平衡 来平衡p pp p，保持，保持p pdh dh略大于 略大于p pp p的平的平 衡条件下进行钻井的。衡条件下进行钻井的。 当当p pdh dh大于 大于p pp p过多时，会造成机械钻速慢，压差卡钻多，同时在钻进时油气显过多时，会造成机械钻速慢，压差卡钻多，同时在钻进时油气显 示不好；当超过示不好；当超过p pf f后将形成井漏或地下井喷；后将形成井漏或地下井喷； 当当pdh小于小于pp时，地层流体将向井内流动，这种现象称为井涌时，地层流体将向井内流动，这种现象称为井涌(或叫溢流或叫溢流)。此。此 时若不及时进行压井作业，使这种流动失去控制则会形成井喷。如

40、果在地面失去时若不及时进行压井作业，使这种流动失去控制则会形成井喷。如果在地面失去 控制，称为地面井喷，如果这种流动进入裸露地层，则称为地下井喷。控制，称为地面井喷，如果这种流动进入裸露地层，则称为地下井喷。 一、失去压力平衡的原因一、失去压力平衡的原因 地层压力掌握得不确切地层压力掌握得不确切 钻井液液柱高度降低钻井液液柱高度降低 钻井液密度降低钻井液密度降低 井内压力激动井内压力激动 起钻抽汲压力起钻抽汲压力 第六章第六章 第三节第三节 地层井眼系统的压力控制地层井眼系统的压力控制 第35页/共50页 二、气侵对钻井液液柱压力的影响二、气侵对钻井液液柱压力的影响 1 1 气侵时，气体以游离

41、态均匀分布在钻井液气侵时，气体以游离态均匀分布在钻井液 中中 钻井液 气 钻井液 气 以微小气泡吸附在钻井液中颗粒的表以微小气泡吸附在钻井液中颗粒的表 面，随着钻井液的循环上返。由于气体是面，随着钻井液的循环上返。由于气体是 可压缩的，气泡在上升的过程中由于所处可压缩的，气泡在上升的过程中由于所处 的压力不断减小，体积就会逐渐膨胀增大的压力不断减小，体积就会逐渐膨胀增大 。因此受气侵后，环空不同深度处的钻井。因此受气侵后，环空不同深度处的钻井 液密度是不同的，不能以地面气侵钻井液液密度是不同的，不能以地面气侵钻井液 密度乘以井深来计算井内钻井液柱压力。密度乘以井深来计算井内钻井液柱压力。 这种

42、情况下，即使返到地面时的钻井液气这种情况下，即使返到地面时的钻井液气 侵得厉害，形成许多泡沫因而使密度降低侵得厉害，形成许多泡沫因而使密度降低 很多，但井底咱井液柱压力的减少并不一很多，但井底咱井液柱压力的减少并不一 定很大。定很大。 通过分析可以建立分析任一井深处气通过分析可以建立分析任一井深处气 侵钻井液密度及井底液柱压力降低值侵钻井液密度及井底液柱压力降低值 第六章第六章 第三节第三节 地层井眼系统的压力控制地层井眼系统的压力控制 第36页/共50页 s Wmss s ss s sg g mg D P DP a Pa P P PP a Pa P PP PV V V 81. 9 lg 10

43、3. 2 lg 103. 2 1 1 m s s g D mgggmgs s m aa P P P V D VVV ；柱压力减小值，气侵前后井内钻井液液 ；钻井液液柱压力， ；力，钻井液返至地面时的压 ；气体体积，单位气侵钻井液中所含 ；处钻井液密度，井深 ；地面气侵钻井液密度， ；地面气体密度， ；原钻井液密度， kPa kPa kPa l g/cm 11 g/cm g/cm g/cm 3 3 3 g 3 均匀气侵时，井底钻井液液柱压力降低并不明显。 第六章第六章 第三节第三节 地层井眼系统的压力控制地层井眼系统的压力控制 第37页/共50页 2 2 井下积聚气柱，造成钻井液自动外溢和井喷的

44、条件井下积聚气柱，造成钻井液自动外溢和井喷的条件 xxAhhPAxhP sms 81. 981. 9 显然，显然， 不稳定的临界条件 将会发生外溢； 不会发生外溢； , , , hx hx hx 将将x= h及及Ps =101千帕（外溢时井口是开启的）代入，千帕（外溢时井口是开启的）代入， m hhx 3 .10 m hxh 3 .10 0 设井下有一段气柱或严重气侵的钻井液，高度为设井下有一段气柱或严重气侵的钻井液，高度为x米。上面未被气侵的钻井液米。上面未被气侵的钻井液 柱，柱， 高度为高度为h米。钻井液密度为米。钻井液密度为 m克克/厘米厘米3。井筒截面积为。井筒截面积为A米米2。 作用

45、在气柱上的初始压力为：作用在气柱上的初始压力为：Ps+9.81 m h（千帕），气柱的初始体积为：（千帕），气柱的初始体积为：Ax米米3 。 如果钻井液液柱高度减少如果钻井液液柱高度减少h，则作用在气柱上的压力将减少为，则作用在气柱上的压力将减少为Ps+9.81 m （h- h ） （千帕）而气柱将发生膨胀而高度将增加（千帕）而气柱将发生膨胀而高度将增加x ，膨胀后最终体积米，膨胀后最终体积米A(x+ x) 。 可以认为气体膨胀为等温过程可以认为气体膨胀为等温过程 h x x h 气柱聚积体积超过其上面的将喷出钻井液体积。在停止循环的情况气柱聚积体积超过其上面的将喷出钻井液体积。在停止循环的情

46、况 下，积聚起这样大量的气柱是不大可能发生的。下，积聚起这样大量的气柱是不大可能发生的。 第六章第六章 第三节第三节 地层井眼系统的压力控制地层井眼系统的压力控制 第38页/共50页 小积聚量气柱上升膨胀造成外溢小积聚量气柱上升膨胀造成外溢 设当整个钻井液及气体柱上行到距井底设当整个钻井液及气体柱上行到距井底L米时，产生前述外溢的临界条件，此时米时，产生前述外溢的临界条件，此时 未气侵的钻井液液柱高度为未气侵的钻井液液柱高度为h1米，气柱高度为米，气柱高度为x1米。显然米。显然 11 11 11 81. 981. 9 81. 9 AxhPAxhP Lxhxh P hx msms m s mm

47、mm m hxxhL hxh hxx 3 .10 2 3 .10 3 .103 .10 3 .10 1 1 x1 x h h1 L 第六章第六章 第三节第三节 地层井眼系统的压力控制地层井眼系统的压力控制 第39页/共50页 当发现井喷预兆或井口溢流时，应立即采取关井措施，其目的是：当发现井喷预兆或井口溢流时，应立即采取关井措施，其目的是： 1) 1) 尽量减少进入井内的流体量，流入量越小，越容易处理；尽量减少进入井内的流体量，流入量越小，越容易处理； 2) 2) 尽可能多地保持环空内的钻井液量，以减少循环压井时的井口回压；尽可能多地保持环空内的钻井液量，以减少循环压井时的井口回压； 3) 取

48、得压井数据，以确定地层压力、压井所需钻井液密度及判断流体类型。取得压井数据，以确定地层压力、压井所需钻井液密度及判断流体类型。 三、关井三、关井 关井有两种方法关井有两种方法 ： 软关井法 硬关井法 硬关井法，即停泵后立即关闭多效能防喷器；硬关井法，即停泵后立即关闭多效能防喷器； 软关井法，即先打开节流阀，再关闭多效能防喷器，最后关节流阀。软关井法，即先打开节流阀，再关闭多效能防喷器，最后关节流阀。 软关井法可避免突然关井而产生的水击效应，但在井过程中地层流体仍要软关井法可避免突然关井而产生的水击效应，但在井过程中地层流体仍要 继续进入井内。目前我国多采用软关井法，现场简称为继续进入井内。目前

49、我国多采用软关井法，现场简称为“四七动作四七动作”。 第六章第六章 第三节第三节 地层井眼系统的压力控制地层井眼系统的压力控制 第40页/共50页 按照一定的方法往井内注入适当密度的加重钻井液来制止井涌按照一定的方法往井内注入适当密度的加重钻井液来制止井涌( (或称溢流或称溢流) ) ，以达到迅速恢复或重建井内的压力平衡，此作业称为压井。，以达到迅速恢复或重建井内的压力平衡，此作业称为压井。 1. 1. 压井基本数据的计算压井基本数据的计算 (1) 关井钻杆压力的确定关井钻杆压力的确定 四、压井四、压井 关井前由于发生地层流体的侵入，地层流体压力下降，关井后地层压力开始恢关井前由于发生地层流体

50、的侵入，地层流体压力下降，关井后地层压力开始恢 复，经过一段时间后达到压力的平衡和稳定。因此关井后复，经过一段时间后达到压力的平衡和稳定。因此关井后101015 min15 min即可进行即可进行 关井钻杆压力的确定，具体分两种情况：关井钻杆压力的确定，具体分两种情况： 1) 1) 钻杆中未装回压阀：在关井钻杆中未装回压阀：在关井101015 min15 min后，即可从立管压力表直接测出。后，即可从立管压力表直接测出。 2) 2) 钻杆中装有回压阀：其步骤是钻杆中装有回压阀：其步骤是: :关井；装一个低容积的高压泵与立管相接；关井；装一个低容积的高压泵与立管相接； 开始泵入，充满地面管线；逐

51、渐加大负荷，继续泵入，使液体沿钻杆向下移动开始泵入，充满地面管线；逐渐加大负荷，继续泵入，使液体沿钻杆向下移动 ；顶开回压阀，液体开始流动的立管压力，即为关井钻杆压力。；顶开回压阀，液体开始流动的立管压力，即为关井钻杆压力。 (2) (2) 地层压力的确定地层压力的确定 把地层井眼系统看成一个压力系统，则可将钻柱与环形空间视为连通的把地层井眼系统看成一个压力系统，则可将钻柱与环形空间视为连通的 “U”形管，其底部视为井底地层。根据形管，其底部视为井底地层。根据“U”形管压力平衡原理，知道关井时井形管压力平衡原理，知道关井时井 内的压力平衡关系为内的压力平衡关系为 第六章第六章 第三节第三节 地

52、层井眼系统的压力控制地层井眼系统的压力控制 第41页/共50页 daapddd ppppp pd pa pp pdd pda 当井深为当井深为Dw、钻柱内未受侵钻井液密度为、钻柱内未受侵钻井液密度为d时，时， 根据以上压力平衡关系，可得根据以上压力平衡关系，可得 wddp gDpp (3) (3) 压井所需钻井液新密度压井所需钻井液新密度d1 d1 根据关井钻杆压力，可求出地层压力及平衡此根据关井钻杆压力，可求出地层压力及平衡此 压力所需的钻井液新密度压力所需的钻井液新密度d1，即，即 w d dd gD p 1 (4) (4) 地层流体的判别地层流体的判别 dafDfDd -pph-GG)(

53、 f da Dddf h -pp -GG )( a f V V h 可以由可以由G GDf Df的大小，初步判断地层流体的种类。 的大小，初步判断地层流体的种类。 一般一般: : 天然气天然气 G GDf Df=1.08 =1.084.51 kPa4.51 kPam m； 天然气与石油天然气与石油( (盐水的混合物盐水的混合物) G) GDf Df=4.51 =4.519.03 kPa9.03 kPam m； 石油或盐水石油或盐水 GDf=9.0311.28 kPam。 第六章第六章 第三节第三节 地层井眼系统的压力控制地层井眼系统的压力控制 第42页/共50页 2. 2. 压井方法压井方法

54、重法）工程师压井法（等候加 法）司钻压井法（两步控制 常用的压井方法常用的压井方法 : (1) (1) 井底压力不变的概念井底压力不变的概念 在循环压井时用节流阀开关来调节回压，其主要原则是在循环压井时用节流阀开关来调节回压，其主要原则是保持井底压力不变保持井底压力不变 ，从而使井底压力与地层压力在循环压井过程中一直保持平衡关系。这样，一，从而使井底压力与地层压力在循环压井过程中一直保持平衡关系。这样，一 方面可防止地层流体进一步流入，另方面也可防止因井底压力过大而压漏地层方面可防止地层流体进一步流入，另方面也可防止因井底压力过大而压漏地层 ，使井内情况复杂化。，使井内情况复杂化。 1) 1)

55、 用原密度钻井液循环压井用原密度钻井液循环压井 用原密度钻井液循环压井时，立管压力、井底压力和套管压力与关井时不同用原密度钻井液循环压井时，立管压力、井底压力和套管压力与关井时不同 ，将发生变化：，将发生变化： 立管压力立管压力pt：由于循环时钻井液在整个系统中有流动阻力：由于循环时钻井液在整个系统中有流动阻力pcs，必然加在立，必然加在立 管压力表上，因此，管压力表上，因此，pt将等于：将等于： csdt ppp 第六章第六章 第三节第三节 地层井眼系统的压力控制地层井眼系统的压力控制 第43页/共50页 井底压力井底压力pwf：循环到井底时，：循环到井底时，pcs的大部分已损耗在钻杆和钻头

56、水眼上，的大部分已损耗在钻杆和钻头水眼上， 只剩下环空压力损失只剩下环空压力损失pla，此时：，此时： lapwf ppp 套管压力套管压力pa：在环空井口，循环阻力已消耗完，仍保持原有的关井套管压力。：在环空井口，循环阻力已消耗完，仍保持原有的关井套管压力。 由此可得压力平衡关系式由此可得压力平衡关系式 daapddldcsd ppppp-pp pa随气体在环空中上升，不断变化，不能通过控制套压办法来保持井底压随气体在环空中上升，不断变化，不能通过控制套压办法来保持井底压 力不变。实现井底压力不变的方法是：在保持循环压井泵速不变的条件下力不变。实现井底压力不变的方法是：在保持循环压井泵速不变

57、的条件下 ，控制循环时立管压力不变，使，控制循环时立管压力不变，使 csdt ppp 这就需要在循环压井中通过调节节流阀来控制这就需要在循环压井中通过调节节流阀来控制pt和和pwf不变。不变。 第六章第六章 第三节第三节 地层井眼系统的压力控制地层井眼系统的压力控制 第44页/共50页 可以根据这个直线关系建立一个可以根据这个直线关系建立一个pt随时间变化的图表，从图上可知任一时刻随时间变化的图表，从图上可知任一时刻(任一任一 累计冲数累计冲数)的立管压力，以便在循环压井时用节流阀调节，使立管压力达到此数值的立管压力，以便在循环压井时用节流阀调节，使立管压力达到此数值 ，以实现井底压力保持不变

58、。，以实现井底压力保持不变。 2) 2) 用加重钻井液循环压井用加重钻井液循环压井 分析式分析式(6-28)(6-28)可知，当加重钻井液注入钻柱内时，钻柱内钻井液柱可知，当加重钻井液注入钻柱内时，钻柱内钻井液柱p pdd dd将随时间 将随时间( ( 或总的泵冲数或总的泵冲数) )成直线地增大，为了保持井底压力不变成直线地增大，为了保持井底压力不变( (等于等于p pp p) )，必须成线性减少，必须成线性减少 立管压力立管压力p pt t。 开始循环时：开始循环时： 立管压力立管压力 重钻井液到达井底时：立管压力重钻井液到达井底时：立管压力 cstf pp 司钻法压井司钻法压井 例：例：

59、井深井深3000 m，套管，套管1338in，下深，下深1060 m，允许套压，允许套压17.4 MPa，泵速，泵速60 冲冲 min时泵压为时泵压为21.1MPa，35 冲冲min 时泵压为时泵压为7.0 MPa(压井泵速压井泵速)，pd=1.8 MPa，pa=2.8 MPa，d=1440kg/m3，pla=0.4 MPa，环空单位长度体积，环空单位长度体积 0.034 m3, ,钻井液池体积过盈钻井液池体积过盈2.8 m3。 csdti ppp 第六章第六章 第三节第三节 地层井眼系统的压力控制地层井眼系统的压力控制 第45页/共50页 1) 1) 先用原密度钻井液循环出受侵钻井液先用原密

60、度钻井液循环出受侵钻井液( (图中图中A A、B B、C C点点) )。 a. a. 关井。当压力稳定后测关井的关井。当压力稳定后测关井的p pd d和和p pa a。 地层压力地层压力 pp=pd+dgDw=1.8+14409.8300010-6=44 (MPa) 地层流体压力梯度地层流体压力梯度 3-6- 101.98 2.8/0.034 1.8-2.8 -109.81440 f da DdDf h -pp -GG 判断为气体。判断为气体。 b. b. 开始以选定的泵速开始以选定的泵速(35(35冲冲min)min)泵泵 入原密度钻井液入原密度钻井液(d=1440kg/m3)(d=1440