第5章-地层压力和地层温度

油气田开发地质学DevelopmentGeologyofOilandGasFields第五章地层压力和地层温度第五章地层压力和地层温度Formationpressureandtemperature油气意义•地质：生烃，运移动力，保存条件，储量•开发：能量（自喷、注水）、连通性、储层改造•钻井：泥浆、井身结构授课内容第一节原始地层压力及其在油气藏中的分布第二节异常地层压力第三节地层温度第一节原始地层压力Initialformationpressure一、有关地层压力的基本概念二、原始地层压力在油气藏中的分布三、折算压力四、原始地层压力的来源五、利用原始地层压力预测气-水、油-水界面一、有关地层压力的基本概念1.液柱静压力由垂直的液柱重量（高度）所产生的压力叫静水压力，也称流体静压力或静水压力。液柱静压力的大小与流体密度和液柱的高度有关，而与液柱的形状和大小无关。式中：Ｐ－液柱静压力，MPa＝106Pa；－流体密度，Kg/m３；g－重力加速度，9.8m/s2；H－液柱高度，ｍ。gHP6101100m水柱的压力？？2.上覆岩层压力由上覆岩层的重量引起，即岩石骨架重量和孔隙中流体重量所引起的压力叫上覆岩层压力，也称地静压力。上覆岩层压力随上覆岩层骨架的增厚而加大，也与岩层及其孔隙空间流体的密度大小有关。gHPrr6101gHfma1101Pr63．地层压力（Formationpressure)作用于岩层孔隙中流体上的压力叫地层压力，也有叫孔隙流体压力或孔隙压力。常用Pf表示。在含油、气区内的地层压力又可称为油层压力或气层压力。在油气层未被钻开之前，油气层内各处的压力保持相对平衡状态，一旦油气层被钻开并投入开采，原来油气层内压力的相对平衡状态就被打破，在油气层压力与油气井井底压力之间生产压差的作用下，油气层内的流体就会流向井底，甚至会强烈地喷出地面。地层流体能够由地层流到井底，并由井底到达地面，均由于地层压力的作用。4.压力梯度和压力系数•压力梯度是指每增加单位深度所增加的压力值，单位为MPa/m。•相应地有液柱静压力梯度、上覆岩层压力梯度和地层压力梯度。•所谓压力系数就是实测地层压力与相同深度静水压力的比值。原始地层压力与目前地层压力•原始地层压力是指油层在未被钻开或钻开后未被开采时的地层压力。•人们通常用第一口井或第一批探井测得的油层压力值近似代表原始地层压力。•随着流体的不断采出，能量逐渐消耗，地层压力下降。油层开采到某一时刻的地层压力称为该时刻的目前地层压力，通常在该时刻通过一段时间的关井，待压力恢复到稳定状态后，测得的井底产层中部压力获得。流动压力与生产压差在正常生产条件下，井底所具有的回压称为流动压力。它实际代表井口剩余压力与井筒内液柱重量对井底产生的回压。油气井生产时，井底流动压力小于油层静止压力（地层压力），油层中的流体正是在这个压差（生产压差）的作用下流人到井筒中，甚至喷出地面。概念小结•静液柱压力•上覆岩层压力•地层压力•压力梯度•流动压力•生产压差•油压•套压如何获得压力？二、原始地层压力在油气藏中分布自流水盆地的水压头与自喷泉和非自喷泉的关系大气降水或地表水从供给区进入含水层，在含水层中从水压头高的地区向水压头低的地区渗流，至泄水区流出地表。供水区与泄水区之间叫承压区，图中虚线表示承压区内的水头分布，即该区内所钻孔中静水面能达到的高度。如无泄水区，会怎么样？带气顶背斜油藏原始地层压力分布假设地层水和原油的密度分别为103Kg/m3和0.85×103Kg/m3，天然气对空气的相对密度为0.78，我们来观察各个油、气、水井产层中部的原始地层压力以及它们彼此之间的区别和联系。5井：3.92MPa1井：5.88MPa2井钻过油层，油层中部海拔与1井相同也是-500m。考虑到油井中有游离气比水井复杂，不便用油柱直接计算原始地层压力。油藏的油—水界面海拔为-700m，则油—水界面压力应为7.84MPa。因2井产层中部至油水界面处的油柱高度为-500-（-700）=200m，于是2井原始地层压力为7.84-1.67=6.17MPa。2井：6.17MPa3井为气井，它钻在气顶上，产层中部井深为600m，关井后井口静止压力为5.67MPa。HgePP410293.1井口3井：6.02MPa4井：8.82MPa5井：3.92MPa1井：5.88MPa第一，同一层的原始地层压力，构造部位高的较构造部位低的要低。第二，同一产层，如两口井产层中部海拔相同，而所钻遇的流体也一样，则原始地层压力相等；若钻遇的流体性质不同，则流体密度大的原始地层压力较低，密度小的原始地层压力较高。流体的密度相差越大，则原始地层压力之差就越悬殊。2井：6.17MPa2井：6.02MPa4井：8.82MPa三、折算压力在油气藏开发过程中，为了正确掌握油层压力大小、分布及其变化规律，必须消除构造因素（即油层埋藏深度对油层压力的影响）和流体密度不同对地层压力的影响，以便于比较同层或不同层压力的高低，因而提出折算地层压力的概念。人们往往习惯地认为地下流体是由地层压力高的地方流向地层压力低的地方，然而，实际情况是怎样的呢？现在用一个例子来说明。有两口油井，它们分别位于油层顶部海拔为-380m与翼部海拔-470m处，经过一段时间开采后，关井测得1号井油层静止压力为2.82MPa；2号井油层静止压力为3.25MPa。就油层压力大小而论，2号井的油层压力比1号井多0.43MPa。若油藏的原油密度为0.8g/cm3，经计算后得到1号井内油柱静液面海拔高度为-20m，而2号井内油柱静液面的海拔高度为-55m。就压头而言，1号井则比2号井高35m。油藏内流体实际上是从1号井流向2号井。流体是从压头高的地方流向压头低的地方，而不能说从压力大的地方流向压力小的地方。折算压头（m）•折算压头是指井内静液面距某一折算基准面的垂直高度。•折算基准面可以是海平面，或原始油水（或油气）界面，或任意水平面。当静液面在折算基准面以上时，折算压头为正值；当静液面在折算基准面以下时，折算压头为负值。HLhl折算压力•由折算压头产生的压力，可利用静液柱压力公式导出。gSHPPfL6101折地下流体的流动方向是受折算压力控制的，是从折算压力高的地方向折算压力低的地方流动。为了消除流体性质不一致造成的压力差别，此时折算面必须选择在两种流体的分界面上。为了对比油藏上各井压头的大小，应将所有的井都折算到同一个折算面基准上。p—地层压力，MPa；H—油层海拔高度，m；S—折算面海拔高度，m；ρ—流体密度，。四、原始地层压力的来源1.静水压头：当油层有供水区时，原始地层压力与供水区水压头和泄水区的高低有关；如果无供水区，则与油层含水部分所具有的压头有关。2.地静压力：上覆岩层或沉积物重量所形成的压力。地静压力对地层压力的影响大小，将视储层是否封闭的程度而定。3.天然气补给：油气藏形成之后，沉积物或岩层中的有机物会继续转变成烃类或非烃类气体，当油气藏处于被隔绝状态时这些天然气的聚集会提高地层压力。4.构造应力：地壳运动所产生的构造应力，会使孔隙缩小压力升高；也可能因断层和裂缝的产生，为油、气的逸散构成通道，使已有压力下降。5.地温：总的趋势是岩层埋藏深度越大，其温度越高。温度升高，会使孔隙流体发生体积膨胀，也增高地层压力。五、利用原始地层压力预测气—水、油—水界面ghhghPPwggwgggw66101101gwgWwgwggPPghh66101101ghhghPPoggogggO66101101ghhghPPwoowooOW66101101gPPghhgogOogog66101101gPPghhowOWwowo66101101大体位置公式全部未考虑由于毛细管压力所导致的界面上移距离，因此只能说是油—气或油—水界面的大体位置。精确测量油、气、水井的地层压力是预测油、气、水界面的先决条件。只要有了可靠的压力资料，特别是气—水，气—油界面的预测，往往会得到比较满意的结果。第二节异常地层压力一、异常地层压力的概念二、异常地层压力的形成机理三、异常地层压力的预测方法一、概念•所谓异常地层压力是相对于正常地层压力而言的。通常所说的正常地层压力，是指地层压力等于从地表到目的层中部的静水柱压力。•实际测量获得的地层压力值不同于计算所得的静水压力时称之为异常地层压力。实测地层压力值高于同深度正常压力值的叫高异常地层压力或超压，低于同深度正常压力值的叫低异常地层压力。•常用压力系数或压力梯度来表示异常地层压力的大小。•所谓压力系数就是实测地层压力与相同深度静水压力的比值。压力系数为1时，实测地层压力与静水压力相等，这时属于正常地层压力；当压力系数不等于1时，则为异常地层压力。当压力系数大于1时，称为高异常地层压力，或称为超压；当压力系数小于1时，称为低异常地层压力。在实际应用中很难或很难严格地按1.0这个压力系数值作为衡量标准，这是因为地层压力值的精确取得往往需要一个相对较长的时间；正常静水压力计算时又涉及到流体密度的可靠性；同时还应当考虑工程运算时的简便易行，因此可以用密度为1.0×103Kg/m3的淡水来计算静水压力，而把异常定义在一定的范围之内。如压力系数在0.90～1.20范围之内可称为正常压力；压力系数在1.20以上可称为高异常地层压力；低异常地层压力则泛指压力系数小于0.90者。地层压力梯度•有时也用地层压力梯度来表示异常地层压力的大小。当时，属于正常地层压力；当时，属于高异常地层压力；当时，即每增加1m地层深度时，地层压力的增加值小于0.01MPa时，属于低异常地层压力。•对国内外从新生界的更新统到古生界的寒武系的油气田地层压力进行统计可以得出，碎屑岩地区和碳酸盐岩地区异常地层压力普遍存在。压力系数最高可达2.33，即压力梯度接近或等于上覆岩层的压力梯度。mMPaGP/01.0mMPaGP/01.0异常高压表征流体封闭性在没有地表露头提供高压的前提下，也就是说在没有明显地表露头补给的盆地内，高异常地层压力表征了地下流体具有严格的封闭性。二、异常地层压力的形成机理1.成岩作用2.热力作用3.生物化学作用4.渗析作用5.构造作用6.古压力7.高水头供水区8.油气水密度差异7、8与封闭性没有关系（2）热力作用和生物化学作用•热力作用：世界钻探经验表明，异常高压地带总是伴随着异常高温地带出现，温度对压力的影响是不容忽视的。在一个封闭系统中，温度增加将引起岩石和岩石孔隙中流体的膨胀，从而使该系统的压力增大。•温度增加还可以引起岩石中流体相态的变化，析出二氧化碳等气相物质。高温能使油页岩中的干酪根热裂解，生成烃类气体。在封闭的地质环境中，这些气体将大大提高该系统的压力而促使该系统高异常地层压力的形成。•生物化学作用：经研究证明，催化反应、放射性衰变、细菌作用等，均可使烃类的微小颗粒裂解为较简单的化合物,从而增大了体积，在封闭的系统中形成高异常地层压力。（3）渗析作用在粘土或页岩地层两侧的液体的含盐浓度不同时，浓度低的液体就会以粘土或页岩作为半渗透膜，向着浓度高的液体中渗流，从而产生渗析压力，在封闭的地质环境中，这种渗析压力也是形成高异常地层压力的原因。(1)成岩作用：蒙脱石的脱水作用粘土沉积物中的蒙脱石含有大量的晶格层间水和吸附水，随着粘土埋藏深度不断加大，地层温度不断升高。当温度升至蒙脱石的脱水门限值时，蒙脱石将释放出大量的晶格层间水和吸附水，并向伊利石转化。如果上述过程是处于封闭的地质条件下，所释放出来的水就在粘土孔隙中积蓄起来，从而增加了孔隙流体的压力，使地层具有高异常地层压力。泥、页岩压实作用0100020003000400050006000020406080泥、页岩压实作用：疏松多孔粘土沉积物在埋藏过程中不断被压实，孔隙中的流体被排挤出来，这时孔隙体积也随之减小。在上覆沉积