钻井与完井工程-第二章-地层压力理论及预测方法

地层压力理论及预测方法第二章井身结构设计2基本概念异常压力地层压力预测方法地层压力理论及预测方法3钻井与完井工程概述1.1基本概念静液柱压力由液柱自身的重力所引起的压力，Ph。

Ph=0.00981ρH式中：Ph—静液压力，MPa

ρ

—液体的密度，g/cm3H—液柱的垂直高度，m静液压力梯度GhGh＝Ph/H＝0.00981ρ压力梯度：单位深度的压力（MPa/m）当量密度ρρ＝Ph/0.00981H4钻井与完井工程概述1.1基本概念静液柱压力由液柱自身的重力所引起的压力，Ph。

Ph=0.00981ρH式中：Ph—静液压力，MPa

ρ

—液体的密度，g/cm3H—液柱的垂直高度，m静液压力梯度Gh

Gh＝Ph/H＝0.00981ρ压力梯度：单位深度的压力（MPa/m）当量密度ρρ＝Ph/0.00981HPH气体泡沫液体5钻井与完井工程概述1.1基本概念静液柱压力6钻井与完井工程概述1.1基本概念静液柱压力7钻井与完井工程概述1.1基本概念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）的总重力造成的压力人体体液重量：65%人体骨骼和肌肉：35%岩石孔隙流体体积：10-30%岩石骨架体积：70-90%8钻井与完井工程概述1.1基本概念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）的总重力造成的压力式中：P0—上覆岩层压力，MPaH—地层垂直深度，m

φ—岩石孔隙度

ρm—岩石骨架密度，g/cm3

ρf—孔隙中流体密度，g/cm3

9钻井与完井工程概述1.1基本概念地层压力是指岩石孔隙中流体的压力，也称地层孔隙压力，PP异常高压：超过正常地层静液压力的地层压力（Pp>Ph）。异常低压：低于正常地层静液压力的地层压力（Pp<Ph）。正常地层压力：等于静液压力，Pp=Ph。异常地层压力正常地层压力梯度地层水为淡水GP=0.00981MPa/m地层水为盐水GP=0.0105MPa/m10钻井与完井工程概述1.1基本概念骨架应力岩石颗粒之间接触来支撑的那部分上覆岩层压力，σ岩石骨架孔隙中的流体pp11钻井与完井工程概述1.1基本概念异常低压异常高压12钻井与完井工程概述1.2异常压力异常低压产生原因：

（1）生产多年而又没有压力补充的枯竭油气层；

（2）地下水位极低。生产井在钻井13钻井与完井工程概述1.2异常压力异常高压产生原因：异常高压地层与正常地层间有封闭层（阻止孔隙流体排出）原因地层欠压实作用地质构造作用流体运移作用水热增压作用14钻井与完井工程概述1.2异常压力地层欠压实作用15钻井与完井工程概述1.2异常压力地层欠压实作用地层沉积地层压实的同时流体排出正常压力地层水力学开启系统渗透、连通、流体自由流动地层受压地层正常压实16钻井与完井工程概述1.2异常压力地层欠压实作用17钻井与完井工程概述1.2异常压力地层欠压实作用18钻井与完井工程概述1.2异常压力地质构造作用

造成地层上升。如果在抬升过程中有某种因素限制了流体的运移，该地层就会由于深度因素而形成异常高压。19钻井与完井工程概述1.2异常压力地质构造作用

造成地层上升。如果在抬升过程中有某种因素限制了流体的运移，该地层就会由于深度因素而形成异常高压。4000m3000m20钻井与完井工程概述1.2异常压力流体运移作用

流体运移效应包括钻开的岩层与超压层的连通以及地层流体等势面的差异造成的压力异常。水热增压作用

温度升高、流体膨胀。21钻井与完井工程概述1.3地层压力预测方法为什么要进行地层压力预测?Ph

Pp

预测不准：井涌、溢流、井喷22钻井与完井工程概述1.3地层压力预测方法压实理论-地层压力预测的基础

指在正常沉积条件下，随着上覆地层压力P0的增加，泥页岩的孔隙度减小。不适用于碳酸盐岩地层！23钻井与完井工程概述1.3地层压力预测方法砂泥岩

由母岩风化作用所形成的陆源碎屑碎屑物质经过机械搬运、沉积和成岩作用所形成的岩石。碳酸盐岩属于化学岩及生物化学岩类，主要是由呈真溶液或胶体溶液搬运的物质沉积形成的。24钻井与完井工程概述1.3地层压力预测方法预测方法有钻速法、地球物理方法（地震波）、测井（声波时差等）。目前应用某一种方法是很难准确评价地层压力，往往需要采用多种方法进行综合分析和解释。25钻井与完井工程概述1.3地层压力预测方法正常压实地层：埋深岩石压实岩石Φ

异常高压地层：岩石欠压实

岩石Φ、压力

钻速

钻速

26钻井与完井工程概述1.3地层压力预测方法正常压实地层：埋深岩石压实岩石Φ

钻速

异常高压地层：岩石欠压实

岩石Φ、压力

钻速

利用该规律可以监测地层压力：机械钻速法。Jorden依据Bingham方钻速方程提出了d指数法。钻速方程为：

Vpc—钻速，m/hK—可钻性系数n—转速，rpmW—钻压，kN

D—钻头直径，mme—转速指数d—钻压指数，即d指数。27钻井与完井工程概述1.3地层压力预测方法设工艺条件（水力因素、钻头类型）及岩性不变（均为泥页岩），则K为常数，取K=1，因泥页岩较软，n与Vpc为直线关系，即e=1，得：式中：Vpc：机械钻速，m/h

n：转速，rpm

W：钻压，kN

D：钻头直径，mm1~20m/h50~200rpm<0<028钻井与完井工程概述1.3地层压力预测方法式中：ρn：正常压力层段地层水密度，g/cm3

ρd：实际使用的钻井液密度，g/cm3

d指数法要求保证钻井液密度不变，但现场难以做到，因进入压力过渡带后钻井液密度升高，钻速

（压持效应），

d

，怎么办？修正：正常压实地层：H

(泥页岩）dc

—趋势。异常压力地层：H

（泥页岩）dc

—偏离趋势。29钻井与完井工程概述1.3地层压力预测方法基本原理：在正常压实条件下，岩石强度随井深增加而增强，机械钻速随井深增加而降低，泥岩段dc指数随井深增加而增大；在异常压力段，钻速随孔隙压力的增大而增大，dc指数则相应减小，偏离正常趋势线。30钻井与完井工程概述1.3地层压力预测方法31钻井与完井工程概述1.3地层压力预测方法dc指数法地层压力监测步骤（1）数据采集与整理收集泥页岩地层的正常压力和异常压力的钻井资料：钻时（或钻速）、钻压、转速、钻头直径、钻井液密度、排量、泵压、地层岩性等数据，如下表所示。32钻井与完井工程概述1.3地层压力预测方法（2）dc指数计算（3）绘制曲线，回归处理在半对数坐标中绘制H—dc关系曲线，求dc指数正常趋势线。33钻井与完井工程概述1.3地层压力预测方法（4）地层压力计算经验公式法、当量（等效）深度法等。a.经验公式法式中：

p—地层压力当量密度；

n—正常地层水密度；

dcn—所求井深处，正常趋势线上的dc

dca—所求井深处，实际dc34钻井与完井工程概述1.3地层压力预测方法b.等效深度法若两深度的地层具有相等dc指数,则可认为两处地层的压实程度相同，基岩应力相等，A点的等效深度为B点。即：若dc(A)=dc(B)，则:B处:A处:35钻井与完井工程概述1.3地层压力预测方法井深D处的地层压力为:Gpn为等效深度De处的正常地层压力梯度，MPa/m；Go为上覆地层压力梯度，MPa/m；B处：A处：36钻井与完井工程概述1.3地层压力预测方法不足之处：（1）水力参数、地层岩性、钻头类型、井底压差等因素的变化都会引起机械钻速的变化，从而导致dc指数的变化。因此，dc指数法评价地层压力存在较大的误差。（2）声波时差法和dc指数法只适用于泥页岩地层（砂泥岩剖面），对于碳酸盐岩地层，目前尚无合适的方法。37钻井与完井工程概述1.3地层压力预测方法声波时差法

声波时差，指接收声波的时间差值，即声波速度（声速）的倒数。38钻井与完井工程概述1.3地层压力预测方法声波时差法

声波时差，指接收声波的时间差值，即声波速度（声速）的倒数。39钻井与完井工程概述1.3地层压力预测方法孔隙度大，声速慢，声波时差大孔隙度