第一章钻井工程地质条件—压力.

第一节地下压力特性一、地下各种压力的概念（一）静液压力（hydrostaticpressure）静液压力——由液柱自身的重力所引起的压力,其大小与液体的密度与液柱的垂直高度或深度。ph=0.00981ρhl(1―1)式中：ph—压力,MPa；ρ—密度,g/cm3；hl—液柱垂直高度，m。静液压力梯度——单位高度或单位深度的液柱压力称为静液压力梯度，表示静液压力随高度或深度的变化。Gh＝ph/hl＝0.00981ρ两类地层水：淡水：Gh=0.00981MPa/m；ρ=1.0g/cm3盐水：Gh=0.0105MPa/m；ρ=1.05g/cm3（1-2）（二）上覆岩层压力（Overburdenpressur）上覆岩层压力——地层某处的上覆岩层压力是该处以上地层（包括岩石基质和岩石孔隙中流体）总重力所产生的压力。式中：p0—上覆岩层压力，MPa；D—地层垂直深度,m；φ—岩石孔隙度，%；ρma—岩石骨架密度，g/cm3；ρ—孔隙中流体密度，g/cm3；ρ0—地层密度，g/cm3。第一节地下压力特性])1[(00981.0maoDp面积流体重力基岩重力po(1-3)(1-4)DoodDDp0)(00981.0ioioDp00981.0(1-5)上覆岩层压力梯度——上覆岩层压力随深度增加而增大。沉积岩的平均密度大约为2.5克/厘3，上覆岩层压力梯度一般为0.0227兆帕/米。在实际钻井过程中，以钻台作为上覆岩层压力的基准面。iioiioioDDDpG00981.0第一节地下压力特性（1-6）（三）地层压力（formationpressue）地层压力——指岩石孔隙中的流体所具有的压力，也称地层孔隙压力（formationporepressue），用pp表示。正常地层压力——等于静液压力，pp=ph。石钻异常地层压力——地层压力大于或小于正常地层压力。。超过正常地层压力的地层压力(ppph)称为异常高压。低于正常地层静液压力的地层压力(ppph)称为异常低压。第一节地下压力特性（四）基岩应力（matrixstress）上覆岩层压力由岩石的基质颗粒（骨架）和孔隙中的流体共同承担。由岩石颗粒间相互接触支撑的那一部分上覆岩层压力，称为基岩应力，亦称有效上覆岩层压力、骨架应力或颗粒间压力，用σ表示。(1-7)poPP第一节地下压力特性（五）地下各种压力的关系第一节地下压力特性上覆岩层压力由岩石骨架和孔隙中的流体共同承担，因此上覆岩层压力、地层压力和基岩应力之间存在以下关系：当po一定时，σ减小，pp增大，σ→0，pp→po。所以，地层的孔隙压力增大，基岩应力必然减小。popp（六）异常地层压力的成因异常低压和异常高压统称为异常压力（abnormalpressure）。1．异常低压（abnormallowpressure）压力梯度小于9.81kPa／m（即正常地层压力梯度）的是异常低压。产生异常低压的原因（1）生产多年而又没有压力补充的枯竭油气层。（2）地下水位很低。第一节地下压力特性2．异常高压（abnormalhighpressure）压力梯度大于10.5千帕／米的是异常高压。（1）形成异常高压的地质条件①地层具有保存流体的空隙；②地层周围存在不渗透围栅，构成圈闭；③具有一定的埋藏深度，形成足够大的上覆岩层压力。（2）异常高压的成因在地层的沉积过程中，随着上覆沉积物不断增多，地层逐渐被压实，孔隙度减小。如果地层是可渗透的、连通的，地层中流体的流动不受限制（称之为水力学开启系统），地层孔隙中的流体则随着地层的压实被排挤出去，建立起静液压力条件。在地层被不渗透的围栅包围，流体被圈闭在地层的孔隙空间内不能自由流通（称之为水力学封闭系统）的条件下，随着地层的不断沉积，上覆岩层压力逐渐增大，而圈闭在地层孔隙内的流体排不出去，必然承受部分上覆岩层重力。结果是地层流体压力升高，地层得不到正常压实，孔隙度相对增大，岩石密度相对减小，基岩应力相对降低。这种作用称为欠压实作用。第一节地下压力特性第一节地下压力特性正常地层压力的形成异常高压的形成•其它原因：①地质构造作用：造成地层上升、巨大地应力的挤压②水热增压作用：温度升高，流体体积膨胀③渗透作用：水由盐浓度低的一侧通过泥岩半透膜向高侧渗透。•异常高压的大小异常高压一般不会超过上覆岩层压力。但也有超过上覆岩层压力的特高压地层，由覆盖在高压层以上岩层的内力帮助上覆岩层压力来平衡地层流体的巨大向上作用力。第一节地下压力特性二、地层压力评价地层压力预测（钻前）：地震资料法、测井资料法地层压力监测（钻进中）：dc指数法、页岩密度法、标准化钻速法（一）地层压力预测地震法、声波时差法、页岩电阻率法。1.声波时差声波（纵波）在单位距离地层内的传播时间称为声波时差。式中：Δt——声波时差；ρ——岩层密度，ρ=f(φ)；E——岩石的弹性模量；μ——岩石的泊松比。对于一定的岩性（泥页岩），Δt≈f(φ)。第一节地下压力特性)1(3)1(Et（1-8）2.基本原理（1）声波时差与泥页岩孔隙度的关系（2）正常沉积条件下，泥页岩孔隙度与埋藏深度的关系泥页岩在地面的孔隙度可用声波时差表示：（3）正常沉积条件下，泥页岩声波时差与埋藏深度的关系tttmfmt第一节地下压力特性（1-9）cDe0（1-10）ttttmfm00（1-11）cDmmetttt)(0（1-12）（4）基本原理在正常压力层段，随着地层埋藏深度的增加，岩石孔隙度减小，密度增大，声波速度逐渐增大，声波时差逐渐减小。在半对数坐标中，声波时差随井深呈直线变化关系，称之为正常趋势线。进入异常高压地层时，由于岩层欠压实，孔隙度相对增大，声波速度相对减小，声波时差相对增大，则必然偏离正常压力趋势线。据此可预测异常高压，并可根据偏离程度的大小定量计算地层压力。第一节地下压力特性第一节地下压力特性3.地层压力的计算常用方法：经验图版法、当量深度法ntt当量密度g/cm3当量密度：某深度地层压力用等高液柱压力等效时相当的液体密度。4.地层压力预测步骤（1）收集声波时差测井资料，读取泥页岩点的声波时差数据；（2）绘制散点图，引出正常压力趋势线；（3）读出异常高压层段的实际△t和该深度D所对应的正常趋势线上的声波时差△tn，计算△t-△tn；（4）从经验图版上读出△t-△tn所对应的当量密度ρp;（5）计算地层压力：注意：声波时差不仅与地层孔隙度有关，而且受岩石弹性、地层流体性质、钻井液性能、测井误差等因素的影响，因此预测结果存在一定的误差。第一节地下压力特性Dppp00981.0第一章钻井的工程地质条件第一节地下压力特性一、地下各种压力的概念1.静液压力：ph=0.00981ρhl2.上覆岩层压力：3.基岩应力：4.地层压力正常地层压力：Pp=Ph=0.00981ρh1，水力学开启系统异常高压：pp=po-σ＞ph，水力学封闭系统二、地层压力评价方法1.地层压力预测方法——声波法2.地层压力监测（检测）方法——dc指数法面积流体重力基岩重力poDodDD0)(00981.0poPP上节小结（二）地层压力监测（检测）dc指数法、页岩密度法、标准化钻速法1.dc指数的概念宾汉钻速模型（Bingham,1964)：Vpc＝Kne(W/db)d(1―13)d指数（泥页岩层）：采用常用工程单位：第一节地下压力特性)/log()/log(dVbpcWnd（1—14）dVbpcWnd0684.0log0547.0log（1—15）在正常地层压力条件下，若岩性和钻井条件不变，机械钻速随井深增加而减小，则d指数随井深增加而增大。钻遇异常高压层，由于地层欠压实，机械钻速增大，d指数则相对减小。据此可评价地层压力。dc指数Rehm&Meclendon(1971)研究了钻井液密度变化的影响（钻井液密度增大将导致机械钻速降低，d指数增大），提出了修正的d指数，称为dc指数。2.基本原理第一节地下压力特性dncdd（1—16）在正常压力层段，若岩性和钻井条件不变，机械钻速随井深增加而减小，则dc指数随井深增加而增大。在半对数坐标中，dc指数与井深呈线性关系，称之为正常压力趋势线。当钻遇异常高压层，由于地层欠压实，机械钻速增大，dc指数则相对减小，偏离正常趋势线。根据偏离程度可计算出地层压力。第一节地下压力特性3.地层压力的计算方法经验图版法、经验公式法、当量（等效）深度法（1）经验公式法ddcacnnp（1—17）（2）等效深度法等效深度：若深度为D的异常压力地层与正常压力段的某一深度De处的地层具有相等的dc指数，则可以认为两处地层的压实程度相同，基岩应力相等，即：若dc(D)=dc(De)，则σ(D)=σ(De)。De处：po(De)=σ(De)+pp(De)D处：po(D)=σ(De)+pp(D)pp(D)=po(D)－po(De)+pp(De)=GOD－（GO－Gpn)De（1-18）De4.dc指数法评价地层压力的步骤（1）收集泥页岩地层的正常压力和异常压力层段的钻井资料：钻速、钻压、转速、钻头直径、地层水密度、实际钻井液密度；（2）计算dc指数；（3）在半对数坐标中绘制散点图，引出正常压力趋势线；（4）计算地层压力。问题：1）水力参数、地层岩性、钻头类型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）声波法和dc指数法只适用于泥页岩地层（砂泥岩剖面）。对于碳酸岩地层，目前尚无合适的方法。第一节地下压力特性三、地层破裂压力（fracturepressure）1.井眼周围岩石的受力状态（1）上覆岩层压力po（2）地层孔隙压力pp（3）水平地应力（4）钻井液液柱压力ph有效地应力（岩石骨架应力）：•有效垂直地应力（基岩应力）σ1=po－pp•有效水平地应力第一节地下压力特性（1-19）))(1())(1(1312ppppσ1σ1σ3σ3σ2σ2ph2.地层破裂压力某深度处地层破裂时所能承受的液体压力称为该处地层的破裂压力，用Pf表示。它取决于井眼周围岩石的应力状态和岩石强度。第一节地下压力特性phσ3σ3σ2σ2pppp裂缝张开方向地层开裂条件Phpp+σ3σ3σ2σ13.预测方法（1）Hubbert&Willis（1957）认为：①三维不均匀应力状态，σ1＞σ2＞σ3，且σ3=(1/3~1/2)σ1②井内液压力必须克服地层孔隙压力和最小有效水平地应力时地层才能破裂。（2）Mathews&Kelly(1967)认为：①水平均匀地应力状态，σ3=σ2=Ki(D)σ1②井内液柱压力必须克服地层孔隙压力和最小有效水平地应力时地层才能破裂。第一节地下压力特性)(0pipfppKpp（1-21）))(2/1~3/1(0ppfpppp（1-20）（3）Eaton(1969)认为：①水平均匀地应力状态，②井内液压必须克服地层孔隙压力和最小有效水平地应力时地层才能破裂。（4）黄荣樽（1985）认为：①井壁岩石处于三维不均匀应力状态，σ1＞σ2＞σ3；②水平地应力由上覆岩层压力和构造力两部分产生；③当井内液压力超过井壁上某一点处的地层孔隙压力、切向（周向）有效应力和岩石的抗拉强度，地层开裂。第一节地下压力特性123)(10ppfpppp（1-22）tpOSSpfSppKpp))(12(（1-23）3ssK（1-24）式中：α，β由现场压裂实验数据求得；St岩心抗拉试验求得。第一节地下压力特性4.现场液压试验思考题：1）为什么现场一般在下套管固井后进行压裂实验？2）如何根据压裂试验曲线计算地层破裂压力pf和构造应力系数Kss？3）当井口压力接近地面设备的承压能力时地层仍未压裂，此时该怎么办？第一节地下压力特性