钻井工程油气井压力预测与控制

钻井工程油气井压力预测与控制第1页，共65页，2023年，2月20日，星期日上世纪60年代以来，油气井压力预测与控制倍受重视，原因是井喷失控不但影响正常油气勘探与开发，还会造成重大的经济损失和人身伤亡。目前，世界各石油公司发展了一整套油气井压力预测与控制新技术：在钻井之前，根据三压力剖面科学地选择钻井液密度，合理地设计一口井的套管程序，为实现平衡压力钻井提供保障；在钻井过程中，通过一级井控（通过调整钻井液密度）和二级井控（使用井控设备）能够有效地减少钻井复杂情况和事故（井喷、井漏等），从而大幅地降低钻井成本。必要时采取三级井控。

第2页，共65页，2023年，2月20日，星期日一级井控：是指通过调整钻井液密度使得钻井液液柱压力大于地层孔隙压力，以阻止地层流体流入井筒。二级井控：是指一级井控失败，出现井涌或井喷，此时依靠地面井控设备和适当的井控技术来控制井涌或井喷。三级井控：是指二级井控失败，即井喷失控，而不得不采用的打救援井、灭火等措施。井控分类第3页，共65页，2023年，2月20日，星期日第一节地层压力及其预测

§1Formationpressureandprediction一、地下各种压力的概念

1.静液压力

静液压力:是由液柱重量引起的压力，它的大小与液体密度和垂直高度有关，而与液柱的横向尺寸及形状无关。静液压力上覆岩层压力地层压力基岩应力第4页，共65页，2023年，2月20日，星期日

ph＝0.00981ρ1h1

式中:Ph—静液压力，MPaρ1—流体密度，g／cm3h1—静液柱垂直高度，m静液压力用Ph表示:第5页，共65页，2023年，2月20日，星期日通常把单位高度（或深度)增加的压力值称为压力梯度

式中GDh——静液压力梯度，MPa／m

GDh=ph/h1=0.00981ρ1静液压力梯度可表示为:

静液压力梯度受液体密度的影响和含盐浓度、气体的浓度以及温度梯度的影响。含盐浓度高会使静液压力梯度增大，溶解气体量增加和温度增高则会使静液压力梯度减小。第6页，共65页，2023年，2月20日，星期日

油气井钻井中遇到的有代表性的平均静液压力梯度有两类:一类是淡水和淡盐水盆地:

GDh为0.0098MPa／m一类是盐水盆地:

GDh为0.0105MPa／m这相当于总含盐量为80g／L的盐水柱在25℃时的压力梯度。

（平均静液压力梯度大多数为后一种）第7页，共65页，2023年，2月20日，星期日准噶尔盆地总的平均地温梯度为2.2℃/100m，周缘部分地区地温梯度为2.2-2.9℃/100m；腹部地区为2.1-2.4℃/100m。准噶尔盆地实测地温与深度的关系图★地温梯度第8页，共65页，2023年，2月20日，星期日

2.上覆岩层压力

上覆岩层压力:是指覆盖在该地层以上的地层基质（岩石）和孔隙中流体（油气水）的总重量造成的压力。岩石密度与孔隙度的大小和埋藏的深度有关。

若用Pob表示上覆岩层压力，且沿垂直高度h内各参数取平均值，则：

pob=0.00981[(l－ф)ρma+фρf]

h

式中pob——上覆岩层压力，MPah——地质柱状剖面垂直高度，m

ф——岩石的孔隙度，%ρma——岩石基质的密度，g／cm3

ρf——岩石孔隙中流体的密度，g／cm3第9页，共65页，2023年，2月20日，星期日实际上：上覆岩层压力梯度第10页，共65页，2023年，2月20日，星期日

3.地层压力

地层压力：是指作用在岩石孔隙内流体（油、气、水）上的压力，也称为地层孔隙压力。

地层压力用Pp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，大小与沉积环境有关。根据式（6－2）的计算原理，可求得大多数正常地层压力梯度为0.0105MPa／m。第11页，共65页，2023年，2月20日，星期日

在钻井实践中，经常会遇到实际的地层压力远远偏离正常地层压力的情况。

pp＞ph称为异常高压pp＜ph称为异常低压异常高压的形成与泥岩层压实过程（欠压实）、水热增压及蒙脱石的脱水作用等有关。第12页，共65页，2023年，2月20日，星期日

▓异常压力的成因

异常低压：是指地层压力梯度小于0.0105MPa／m，甚至只有其一半的情况。产生主要原因：油气藏多年开采而压力补充不足后果：井漏

第13页，共65页，2023年，2月20日，星期日异常高压

正常压力系统可以看成是一个水力学的“开启”系统，即是可渗透的、流体可以流通的地层，它允许建立或重新建立静液压力条件，而异常高压系统则基本上是“封闭”的，即异常压力与正常压力之间有一个封闭层，它阻止了或至少大大限制了流体的流通。据稳定性理论，异常高压是不能超过上覆岩层压力的。

第14页，共65页，2023年，2月20日，星期日异常高压成因异常高压的形成常常是多种因素综合作用的结果，这些因素与地质作用、构造作用、沉积速度等密切相关。目前，被普遍公认的成因主要有沉积压实不均、水热增压、渗透作用、构造作用等。沉积压实机理是各种地层压力评价方法的理论依据.

异常高压的后果：井涌、井喷有时地层孔隙压力梯度超过上覆岩层压力梯度的40％－－存在一个“压力桥”的局部化条件。第15页，共65页，2023年，2月20日，星期日

4.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。

基岩应力：是指没有被孔隙内流体所承担的那部分上覆岩层的压力。用σ表示基岩应力。pob=pp+σ上覆岩层压力=地层压力+基岩应力在正常的压力环境（pp＝ph）中，因颗粒间相互接触，岩石基体支撑着上覆岩层重量，当σ减小甚至趋于零，就将导致孔隙内流体多支撑部分上覆岩层而形成异常高压（pp＞ph

）。第16页，共65页，2023年，2月20日，星期日bb、pob=pp+σ第17页，共65页，2023年，2月20日，星期日1.地球物理方法

（1）地震资料法（2）声波测井法（3）电阻率测井法2.钻井过程中预测地层压力的方法（1）d（或dc）指数法（2）标准化钻井法（3）其它方法二、地层压力的预测原理与方法第18页，共65页，2023年，2月20日，星期日

1.地球物理方法

（1）地震资料法因为地震波是一种弹性波，传播速度与岩石致密程度有关。通常，岩石愈致密，波的传播速度愈快，传播时间愈短。在正常压力梯度下，岩石的致密程度随深度增加而增大，因此地震波传播速度亦随深度增加而增大，其传播时间随深度增加而减小。当地层出现异常高压（pp＞ph）时，岩石致密度下降，地震波传播速度减小，传播时间增大，就是根据这一特性来解释地震波与井深的关系曲线，从而预报异常高压。第19页，共65页，2023年，2月20日，星期日庄1井声波测井层速度、VSP层速度和地震层速度对比图地震层速度1是从Z01ZIG640地震测线上井旁速度谱CDP4490-Trace2245点（庄1井在该测线上的投影位于Trace2311)的迭加速度计算出，该CDP点距庄1井井位大约为1.2km。地震层速度2是从Z01ZI-T2地震测线上的CDP-Trace1020点（庄1井在该测线上的投影位于Trace1017）的迭加速度算出的.超压带的顶界埋深可通过地震层速度的变化大致来加以判断。4450m第20页，共65页，2023年，2月20日，星期日盆参2井声波测井层速度、VSP层速度和地震层速度对比图地震层速度1：盆参2井位于地震测线Z02ZII634.6上的Trace892,该层速度是从该测线上井旁速度谱CDP-Trace910点的迭加速度计算出的。地震层速度2：该井位于地震测线Z01ZI-T1E上的Trace2088点,该层速度是从该测线上井旁速度谱CDP-Trace2080点的迭加速度计算出的。地震低速带大体与VSP和声波测井层速度是吻合。第21页，共65页，2023年，2月20日，星期日沙1井声波测井层速度、煤层声波层速度和地震层速度对比图地震层速度1：沙1井在地震测线Z01ZIG236上的投影位于CDP4715点,该层速度是从该测线上靠近的速度谱CDP9610-Trace4805点的迭加速度计算出的。地震层速度2：该井在地震测线Z01ZIG668上的投影位于CDP1880点,该层速度是从该测线上靠近的速度谱CDP3850-Trace1925点的迭加速度计算出的。地震层速度与声波测井层速度变化趋势大致相同。第22页，共65页，2023年，2月20日，星期日所选不同地震测线的均方根速度与时间的关系，反映了低速带的存在第23页，共65页，2023年，2月20日，星期日（2）声波测井法

1）预测原理声波传播速度主要是孔隙度和岩性的函数。若岩性为泥页岩时，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，孔限度下降，则声波传播速度加快，传播时间减少。深度D与传播时间Δtn的对数之间呈一条正常趋势线。第24页，共65页，2023年，2月20日，星期日2）预测方法

a.地区经验曲线法

绘制该地区lgΔt与D的正常趋势线，图中偏离正常趋势线的第25页，共65页，2023年，2月20日，星期日（3）电阻率测井法

电阻率测井法的预测原理：在正常压力地层中，随深度增大，地层压实程度加大，空隙度减小，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）与井深之间存在一条正常趋势线；在异常压力地层中，因地层欠压实，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。预测地层压力方法有地区经验曲线及当量深度法，具体操作步骤与前面介绍的声波测井法大致相同。

第26页，共65页，2023年，2月20日，星期日2.钻井过程中预测地层压力的方法（1）d（或dc）指数法

上世纪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d（或dc）指数法。

1）工作原理

d（或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。第27页，共65页，2023年，2月20日，星期日υpe——机械钻速m/hn——转速，r/minW——钻压，kNdb——钻头直径，mm第28页，共65页，2023年，2月20日，星期日vpe——机械钻速m/sn——转速，r/minW——钻压，kNdb——钻头直径，mmρwf——正常压力层段地层水密度ρd——实际使用的钻井液密度第29页，共65页，2023年，2月20日，星期日2）预测方法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。要求取全取准资料，并舍去非正常的钻井数据和非泥岩、页岩数据。计算dc指数，绘制dc与D的关系曲线：按式（6－7）计算dc指数，并将计算的dc值绘制在dc与D的录井图上，如图6－4所示。建立dc指数正常趋势线方程：要求取过渡带前大于300m的井段为回归段。使正常趁势线通过大多数泥岩点。第30页，共65页，2023年，2月20日，星期日2）预测方法

反算式：

ρf——实际地层压力时流体密度，g/cm3

ρfn——正常地层压力时流体密度，g/cm3

ρd——实际使用的钻井液密度，g/cm3第31页，共65页，2023年，2月20日，星期日第二节地层破裂压力及其预测

§2Formationfracturepressureandprediction

一、地层破裂压力及破裂压力梯度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，这个压力称为地层破裂压力pf。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。第32页，共65页，2023年，2月20日，星期日为了衡量某一深度D的破裂压力的大小，引入地层破裂压力梯度GDf的概念。

对于油气钻井工程来说，准确地掌握地层破裂压力梯度，既可预防井漏、井塌、卡钻及井喷事故的发生，也是制定钻井液方案和设计套管程序及其下深的重要依据.

GDf=pf/D第33页，共65页，2023年，2月20日，星期日二、地层破裂压力预测方法●休伯特和威利斯（Hubbert&Wills）法●马修斯和凯利（Mathews&Kelly）法观点：地层所受的压力必须克服地层压力和水平骨架应力，地层才能破裂观点：实际破裂压力大于地层压力是由于克服骨架应力所致第34页，共65页，2023年，2月20日，星期日目前常用－伊顿法史蒂芬法黄荣樽法

▓伊顿法（Eaton）◣观点：地下岩层处于均匀水平地应力状态，且其中充满着层面、层理和裂缝，流体在压力作用下将沿着这些薄弱面侵入，使其张开并向远处延伸，且张开裂缝的流体压力只需克服垂直裂缝面的地应力。

第35页，共65页，2023年，2月20日，星期日◣预测模式

上式基于：伊顿的泊松比：测压系数第36页，共65页，2023年，2月20日，星期日◣预测步骤1.用地球物理方法或随钻检测方法，确定pp2.由密度测井资料，计算并绘制pob与D的关系曲线3.据实际压裂及挤水泥资料和井漏数据，取得pf资料4.由pp、pob、pf，计算并绘制ν与D的关系曲线5.由pp、pob、ν，由伊顿模式计算任一深度的GDf，得出地区性的破裂压力梯度预测曲线

伊顿法对于连续沉积盆地是比较准确的，但因其未考虑井壁应力集中和地质构造应力的影响，因此使用受到限制。第37页，共65页，2023年，2月20日，星期日泊松比ν伊顿法的关键是获得该地区的ν-D关系曲线ν－反算得到墨西哥湾地区ν-D关系曲线第38页，共65页，2023年，2月20日，星期日▓史蒂芬法（Stephen）◣观点：与伊顿法一样，即破裂压力只是张开地层中已有裂缝所需的流体压力，这个压力等于垂直裂缝面的水平地应力。区别在于史蒂芬把构造应力所产生的影响从地层的泊松比中分了出来。

进步：可用实测泊松比，而不象伊顿法那样是靠破裂压力反算泊松比。

第39页，共65页，2023年，2月20日，星期日◣预测模式

动态泊松比反算第40页，共65页，2023年，2月20日，星期日动态第41页，共65页，2023年，2月20日，星期日▓黄荣樽法◣观点：地层的破裂决定于井壁的应力状态，且还须考虑地下实际存在的非均匀的地应力场的作用和地层本身强度的影响。

地应力是作用在地壳内岩体上的各种相互平衡的外力使岩体内部产生附加内力，其效应是引起岩体的形变。这种附加内力的分布密度就是地应力。它是岩体内部相邻质点间沿分界面的相互作用力，以作用在单位面积上的力来度量。地应力可分解为两个部分－－作用在界面法线方向的为正应力；作用在界面方向的为剪应力。第42页，共65页，2023年，2月20日，星期日◣预测模式：

◣它与前述模式相比，有两个显著特点：●地应力一般是不均匀的，模式中包括了三个主应力的影响。垂直应力可以认为是由上覆岩层重力引起的；水平应力由两部分组成，一部分是由上覆岩层的重力作用引起的，它是岩石泊松比的函数，另一部分是地质构造应力，它与岩石的泊松比无关，且在两个方向上一般是不相等的。●地层的破裂是由井壁上的应力状态决定的。深部地层的水压致裂是由于井壁上的有效切向应力达到或超过了岩石的抗拉强度。第43页，共65页，2023年，2月20日，星期日◣预测步骤第一步：利用三轴岩石力学试验确定岩石的泊松比。试验发现，ν随围压的升高而增大，即SBEL型三轴压力试验机考虑地层重力场的作用，岩层在某深度处的围压为联立两式即可确定某一深度处的●●第44页，共65页，2023年，2月20日，星期日第二步：利用现场地层破裂压力试验确定岩层的构造应力系数和抗拉强度。首先，确定地层的抗拉强度和破裂压力，再计算构造应力系数。代入黄荣樽公式K第45页，共65页，2023年，2月20日，星期日▓漏失试验法主要适用于砂泥岩为主的地层漏失试验曲线第46页，共65页，2023年，2月20日，星期日▓安德森法（Anderson）◣观点：地层破裂压力预测公式中均含有泊松比。认为砂岩中的泥质含量对泊松比的影响很大，原因是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。第47页，共65页，2023年，2月20日，星期日◣预测模式：

Ish——地层的泥质指数反映了砂岩的泥质含量%φfn——声波时差求得的地层总空隙度，%φd——密度测井求得的地层有效空隙度，%第48页，共65页，2023年，2月20日，星期日

油气钻井过程中，一方面有地层孔隙中的流体压力Pp；另一方面有钻井液柱形成的静液压力Pdh。正常钻进情况下，正是用Pdh来平衡Pp，保持Pdh略大于Pp的平衡条件下进行钻井的。第三节地层----井眼系统的压力控制§3Controlofformationwellborepressure压而不死，活而不喷！第49页，共65页，2023年，2月20日，星期日

如果失去平衡：当Pdh＞Pp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pf后将形成井漏或地下井喷。当Pdh＜Pp时，地层流体将向井内流动，这种现象称为井涌（或叫溢流）。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。在地面失去控制，称为地面井喷。这种流动进入裸露地层，则称为地下井喷。第50页，共65页，2023年，2月20日，星期日一、关井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：l）尽量减少进入井内的流体量，流入量越小，越容易处理。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。3）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。第51页，共65页，2023年，2月20日，星期日

液压防喷器系统防喷器（BlowoutPreventer）BOP硬关井法－－停泵后立即关闭万能防喷器软关井法－－先打开节流阀，再关闭万能防喷器，最后关节流阀第52页，共65页，2023年，2月20日，星期日

硬关井法产生的液击效应：液压系统在工作过程中，因液流通道的突然关闭或开启，使液流速度急剧变化，将会引起系统中液体动量的迅速变化，动能几乎全部转化为压力能，产生“液击”现象。

后果：井口、套管和地层所承受的压力急剧会增加，甚至超过其相应的安全值。

优点：关井程序简单，控制井口的时间段。第53页，共65页，2023年，2月20日，星期日

软关井法可避免突然关井而产生的水击效应，但压井过程中地层流体仍要继续进入井内。

“四七动作”关井程序：四种钻井作业状态（钻进中、起下钻杆中、起下钻铤中、空井）下，各用七个主要动作完成控制井口的程序。

起下钻杆中发生溢流：

◣发出信号并停止起下钻作业

◣抢接回压阀（或投钻具止回阀）◣适当打开节流阀◣关防喷器（先关环形，再关闸板）◣关节流阀，试关井◣迅速向平台经理和钻井技术员报告◣认真观察、准确记录立管和套管压力及钻井液池增减量第54页，共65页，2023年，2月20日，星期日

二、压井

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），以达到迅速恢复或重建井内的压力平衡，此作业称为压井。

井控设备：1-闸板防喷器

2-环形防喷器3-控制台第55页，共65页，2023年，2月20日，星期日1.压井基本数据的计算（l）关井钻杆压力的确定（2）地层压力的确定（3）压井所需钻井液新密度pd1（4）地层流体的判别第56页，共65页，2023年，2月20日，星期日（l）关井钻杆压力的确定

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复，经过一段时间后达到压力的平衡和稳定。因此关井后10～15min即可进行关井钻杆压力的确定，具体分两种情况：l）钻杆中未装回压阀：在关井10～15min后，即可从立管压力表直接测出。2）钻杆中装有回压阀：步骤－－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。第57页，共65页，2023年，2月20日，星期日（2）地层压力的确定把地层一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“U”形管压力平衡原理，关井时井内的压力平衡关系为

pd+pdd=

pp=pa+pda

式中pd——关井钻杆压力；pdd——钻杆内钻井液柱压力pp——地层压力；pa——关井套管（环空）压力pda——环空内受侵钻井液柱压力当井深为Dw、钻柱内未受侵钻井液密度为ρd时，根据以上压力平衡关系，可得

pp=pd+ρdgDw

第58页，共65页，2023年，2月20日，星期日（3）压井所需钻井液新密度pd1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pd1，即

ρd1=ρd+pd/（gDw

）

立管第59页，共65页，2023年，2月20日，星期日（4）地层流体的判别

根据压力平衡关系，可得（GDd－GDf）hf＝pa－pdhf＝△V/Va可以由GDf

(地层流体压力梯度)大小，初步判断地层流体的种类。一般如下：天然气GDf＝1.08～4.51kPa／m天然气与石油（盐水的混合物）GDf＝4.51～9.03kP