第一章钻井工程地质条件_压力(3学时)

1第一章钻井的工程地质条件第一节地下压力特性第二节岩石的工程力学性质2第一节地下压力特性一、地下各种压力二、异常高压的成因及其评价方法三、地层破裂压力3一、地下各种压力地层（Formation）=岩石骨架（Matrix）+流体（Liquid）●地下压力可分为两类：地层孔隙内流体承受的压力——地层（孔隙）压力，分为正常和异常地层压力岩石骨架承受的压力——有效地应力，分为垂直和水平有效地应力●地下压力有两个来源：地层重力+地质构造应力地应力=有效地应力+地层压力，分为垂直和水平地应力4一、地下各种压力（一）地层压力（formationpressures）1.静水压力（hydrostaticpressure）正常地层压力=静水压力lhh00981.0p00981.0Ghhp——静水压力，MPa;——地层水密度，淡水：1.0g/cm3盐水：1.05g/cm3；——液柱的垂直高度，m。lh——静液压力梯度，MPa/m；hGhl5一、地下各种压力（一）地层压力（formationpressures）2.异常地层压力（abnormalpressure）异常低压——小于静水压力的地层压力异常高压——大于静水压力的地层压力p◆地层压力当量密度：Dppp00981.0令：为地层压力当量密度，g/cm3称◆地层压力梯度：ppG00981.06一、地下各种压力xyzPxPyPoPz——垂直地应力（上覆岩层压力）Px，Py——水平地应力7面积流体重力基岩重力po上覆压力梯度：D/pGoo])1[(00981.0maoDpioioDp00981.0DoodDDp0)(00981.0如基东高尚堡构造：DoeD410575.00.2)(一、地下各种压力1.上覆岩层压力或垂直地应力（Overburdenpressure）（二）地应力（in-situstress）8一、地下各种压力（二）地应力（in-situstress）2.基岩应力（matrixstress）施加在岩石骨架颗粒上的那部分上覆岩层压力,又称为有效垂直地应力。pozpp3.水平地应力由上覆岩层的侧压效应和地质构造力的作用引起的。pppzypzxpp)1()1(9（1）上覆岩层压力梯度一般随深度增加而增大。（2）沉积岩的平均密度大约为2.5克/厘3，平均上覆岩层压力梯度一般为0.0227兆帕/米。（3）在石油钻井中，以钻台（方补心）作为各种压力的计算基准面。一、地下各种压力注意10第一节地下压力特性一、地下各种压力二、异常高压的成因及其评价方法三、地层破裂压力11二、异常高压的成因及其评价方法abnormalpressure（一）形成异常高压的地质条件①地层具有保存流体的孔隙;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。可能形成异常高压的地层：●砂岩层●裂缝和溶洞发育的碳酸盐层121.地层沉积过程中的欠压实作用二、异常高压的成因及其评价方法在地层沉积过程中，由于快速沉积，地层孔隙中的流体来不及排出；或者由于在侧向和垂向上说到不渗透层或低深层的封闭，地层流体不能从孔隙中正常排出，从而使部分上覆岩层压力作用在孔隙中的流体上而形成异常高压，这种作用称为欠压实。欠压实地层的特点：岩层密度减小，孔隙度增大。（二）异常高压形成的原因13由地质构造运动，如地壳的升降、断层、盐丘侵入等，引起的异常高压。高供水区型异常高压地层断裂和剥蚀形成异常高压2.地质构造作用二、异常高压的成因及其评价方法（二）异常高压形成的原因14二、异常高压的成因及其评价方法（二）异常高压形成的原因盐丘型异常高压断层作用形成异常高压2.地质构造作用153.其它成因（1）水热增压：密闭容器中，水温升高0.55℃，压力升高0.86MPa。（2）注入作用（3）蒙脱石转化为伊利石的脱水作用（4）泥页岩半透膜的渗析作用二、异常高压的成因及其评价方法（二）异常高压形成的原因16二、异常高压的成因及其评价方法（三）异常高压地层的钻前预测方法地震资料法声波测井资料法cDaet在正常压力层段，声波时差随埋藏深度增加逐渐减小。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，声波时差偏离正常压力趋势线而增大。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。1.声波法原理cDtlnln17二、异常高压的成因及其评价方法2.地层压力的计算ntt当量密度g/cm31.01.11.21.31.41.51.61.7020406080100120（1）经验图板法（三）异常高压地层的钻前预测方法18二、异常高压的成因及其评价方法2.地层压力的计算（2）等效深度（当量深度）法ctDeD)()()()()()()()()()()()()()(eheoopeheoe1po1e11eccDpDpDpDpDpDpDDpDpDDDDtDt（三）异常高压地层的钻前预测方法19①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:Δt=ae-cD③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；或采用等效深度法计算地层压力。二、异常高压的成因及其评价方法3.一般步骤（三）异常高压地层的钻前预测方法20二、异常高压的成因及其评价方法（四）异常高压地层的随钻监测方法页岩密度法——高压地层欠压实，泥页岩密度偏小。机械钻速法——机械钻速与地层压实程度有关。dc指数法——机械钻速的一种标准化形式。21宾汉钻速模型（Bingham,1964)：Vpc＝Kne(W/db)d)/log()/log(dVbpcWndd指数（泥页岩层）：dVbpcWnd0684.0log0547.0log采用常用工程单位：dc指数（修正钻井液密度的影响）：dncdd二、异常高压的成因及其评价方法1.dc指数的概念（四）异常高压地层的随钻监测方法222.dc指数法与原理在正常压力层段，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。bDcaed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。二、异常高压的成因及其评价方法（四）异常高压地层的随钻监测方法233.地层压力的计算经验图版法、当量（等效）深度法、经验公式法ccnnpddbDcaed二、异常高压的成因及其评价方法4.一般步骤：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。（四）异常高压地层的随钻监测方法dncdd24思考题1）dc指数法预测地层压力的误差较大，为什么？2）声波法和dc指数法是否适合碳酸盐地层？如何评价碳酸盐地层的地层压力？二、异常高压的成因及其评价方法25第一节地下压力特性一、地下各种压力二、异常高压的成因及其评价方法三、地层破裂压力261.地层破裂压力（fracturepressure）使某深度处地层破裂时的井眼内液体压力称为该地层的破裂压力。三、地层破裂压力D10819pf3f.DfffG00981.0称为地层破裂压力当量密度，g/cm327当σxσyσzPhpp+σxphσxσxσyσypppp裂缝张开方向ph三、地层破裂压力2.地层破裂条件28（1）Eaton(1969)认为：①水平均匀地应力状态，即：σz=σy=σx②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。z1yx)(10ppfpppp三、地层破裂压力3.地层破裂压力预测方法29tpOSSpfSppKpp))(12(式中：KSS由现场压裂实验数据求得；St—岩石抗拉强度，由岩心抗拉试验求得。（2）黄荣樽法（1985）认为：①井壁岩石处于三维不均匀应力状态，σx＞σy＞σz；②水平地应力由上覆岩层压力和地质构造应力两部分产生；③当井内液压力超过地层孔隙压力、最小水平地应力和岩石的抗拉强度，地层开裂。三、地层破裂压力3.地层破裂压力预测方法30DpLdf00981.0Lp井口压力注入量三、地层破裂压力3.地层破裂压力实测方法31综合练习题某井将套管下至1000米固井后做漏失试验，测得漏失压力为PL=5.9MPa，井内泥浆密度为1.15g/cm3。继续钻进至2000米将钻遇油气层，预计油气层压力为35.0MPa。如果在保持井底静液压力与地层压力相互平衡的条件下钻穿油气层，能否导致井漏事故？