（石油与天然气工程专业论文）海拉尔地区安全钻井液密度窗口研究.pdf

大庆石油学院工程硕士专业学位论文 海拉尔地区安全钻井液密度窗口研究 摘要 海拉尔油田处于海拉尔盆地贝尔湖凹陷，地质沉积情况复杂，地层压力区域变换大， 其复杂地质沉积情况，易造成发生井喷、井漏等钻井事故，严重影响油气田的正常勘探 与开发，并造成重大的经济损失，所以地层三个压力计算、预测和控制就成为石油钻井 过程中尤为重要的一个组成部分。 为了解决这个问题，本文根据已钻井的测井和水力压裂资料，对海拉尔油田的几个 主要区块，进行地层空隙压力、地层破裂压力和井壁坍塌压力的分析和计算，并建立了 不同区块的单井及本区块随深度变化的剖面图。这些地层剖面图，可以为将来优选钻 头、提高钻速和确定合理的钻井液使用范围提过依据，为海拉尔油田进一步勘探和开发 提供保证。 本文对海拉尔地区的三个压力剖面进行了分析研究，发现地层压力使用声波时差方 法预测可以取得准确的预测值：破裂压力计算应用了伊顿模式、史蒂芬模式、黄荣樽模 式和测并资料法来预测，然后对各种方法进行对比分析发现黄荣樽法破裂压力预测数据 的准确；而坍塌压力则可以通过莫尔一库伦模式得到满足工程需要的精度。最后综合考虑 确定出各个区块的合理安全泥浆密度窗口。 关键词：海拉尔油田；地层压力；破裂压力；坍塌压力：压力预测；井壁稳定；压 力剖面 摘要 t h er e s e a r c ho fs e c u r ed r i l l i n gf l u i d sw i n d o wi nh a i l a e r o i l f i e l d a b s t r a c t a b s t r a c t ：h a l l a e ro i l f i e l dl i e si nt h es u n k e no ft h eh a i l a e rb a s i n i t sg e o l o g i c a ld e p o s i t i o n c o n d i t i o ni sv e r yc o m p l e x ，a n dt h el a y e rp r e s s u r ea l t e r sg r e a t l yi nd i f f e r e n ta r e a t h e r e f o r e ，i t s e a s yt ol e a d st od i l la c c i d e n t s u c ha sb l o w o u t , c i r c u l a t i o nl o s s 1 1 1 eo i l f i e l d sp r o v i n ga n d e x p t o i t a t i o nw i l lb ee f f e c t e da n dt h ee c o n o m i c a le x p e n s ew i l lb ee n o f l n o u s s oc a l c u l a t e ，f o r e c a s t ， a n dc o n f f o lt h r e el a y e rp r e s s u r ei so n ei m p o r t a n tp a r to f t l l ed r i l l i n gp r o c e s s i no r d e rt os o l v et h e s ep r o b l e m s , t h et e x tb a s i n go nd r i l lh o l es u r v e ya n df r a c t u r ei n f o r m a t i o n b r i n g so u ta n a l y s i sa n dc a l c u l a t em e t h o d so ft h el a y e ri n t e r s p a c e sp r e s s u r e ，b r e a k d o w np r e s s u r e a n dh o l ew a l l sc o l l a p s ep r e s s u r ei nm a i n l ya r e a so ft h eh a i l a e ro i l f i e l d i ta l s oe s t a b l i s h e s s e c t i o np i c t u r e so ft h ew e l l sb e l o n g i n gt od i f f e r e n tb l o c k st h a td e s c r i b et l ec h a n g e sw i t h d e e p n e s s a c c o r d i n ga st h e s ep i c t u r e s ，i tc a l le a s i l yo p t i m i z e sd i l lb i t ，a d v a n c e sr a t e ，c o n f i r m s r e a s o n a b l es c o p eo f t h ed r i l l i n gf l u i d ，a n do f f e r sp l e d g ef o rd e e p l yp r o s p e c t i n ga n de x p l o i t a t i o n t 1 l et e x ta n a l y z e dt h r e ep r e s s u r ep r o f i l e sa n dd i s c o v e r e dt h a tu s i n gs o u n dw a v et i m ed i f f e r e n c e m e t h o dc a na c h i e v ee x a c tp r e d i c t i v ev a l t i e s b r e a k d o w np r e s s u r ec a nb ec a l c u l a t e dw i t ht h ee t o n m o d e ，s t e v em o d e ，h u a n g r o n g z u nm o d ea n dw e l ll o gd a t a c o n t r a s t i n gt ot h ew h o l eb a go f t r i c k s ，w ed i s c o v e r e dt h a tu s i n gh u a n g r o n g z u nm o d et op r e d i c tb r e a k d o w np r e s s u r ei sm o r e e x a c t l y m o h r - c o u l o m bm o d ec a ns u f f i c et h ee n g i n e e r i n g sp r e c i s i o nf o rp r e d i c t i n gc o l l a p s e p r e s s u r e e v e n t u a l l y ，r e a s o n a b l ea n ds e c u r a b l ed r i l l i n gm u dd e s t i n yo fd i f f e r e n tb l o c k sc a nb e a s c e r t a i n e d k e y w o r d ：h a i l a e ro i l f i e l d ；l a y e rp r e s s u r e ；b r e a k d o w np r e s s u r e ；c o l l a p s ep r e s s u r e ；p r e d i c t p r e s s u r e ；h o l ew a l ls t a b i l i z a t i o n ；p r e s s u r ep r o f i l e 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 第1 章绪论 钻井过程中，确定合理的钻井液密度是十分重要的，合理的钻井液密度范围源于对 地层压力的准确预测【4 ，5 ”。正确的地层压力参考信息主要通过邻井地质资料和地震、测井 等资料获得。这些资料为正确设计井身结构，确定套管下深和防止喷、漏、塌、卡事故 及优选钻井液密度提供科学依据。 海拉尔油田处于海拉尔盆地贝尔湖凹陷，地质沉积情况复杂，地层压力区域变换 大，给钻井工作造成很大困难。为保障正常钻井和安全稳定开发，三个压力得计算和预 测显得更加重要1 6 j 。三个压力是指地层空隙压力、地层破裂压力和井壁坍塌压力。在地层 剖面上，根据已钻井的压力资料和三种压力计算方法构建合理海拉尔盆地的压力剖面， 为将来海拉尔油田进一步勘探和开发提供保证【l l 。 海拉尔盆地位于我国蒙古自治区呼伦贝尔盟西南及蒙古人民共和国境内。东起伊敏 河，西至呼伦湖西岸，北至海拉尔河，南端伸入蒙古人民共和国境内。 海拉尔盆地是由1 6 个断陷组成的断陷盆地群，这些断陷具有分割性强、单独成为小 盆地的特点，而且具有相似的背景和统一的应力场，因此在诸多地质特征上有许多共性 的方面( 包括沉积间断和不整合的形成) ，不整合与油气的形成有密切的联系。即： 1 ) 、地层不整合式的形成了与不整合有关的断块潜山和地层超覆不整合型油气藏：2 1 、 不整合面易形成高孔渗带，既能改善储集条件，有时油气二次运移的良好通道：3 ) 、不整 合对有机质的保存和保持高温不利，导致地层中有些层段的烃源岩因埋深不够而未成 熟，成熟的烃源岩比例相对偏低，这就使生成的油气总量和丰度受到影响，也促使有其 主要围绕生油洼槽分布。 砂岩储集层具有岩块含量高、孔隙结构特征差异大、储层物性变化大等特点，储层岩 性以粉沙岩、中砂岩为主，部分井为砂砾岩、砾岩，碎屑组分中岩屑含量很高，平均含 量达到5 0 以上，岩石类型多为长石质岩屑砂岩，砂岩胶结种类多，含量高，胶结类型以 孔隙式为主。砂岩中的粘土矿物主要有蒙皂石、高岭石、伊利石、混合层及少量绿泥 石，这些矿物呈颗粒状套膜、孔隙衬里等方式充填于孔隙中，不仅降低了砂岩的储集性 能。而且易受外来流体的伤害，尤其是在钻井作业中更易引起钻井事故，增加钻井成 本。 近年来国内外对井壁稳定技术进行了大量的研究工作【8 ，9 】，主要分为钻井液化学方面 的防塌机理研究和岩石力学方面的优化钻井液密度的研究。取得了大量的研究成果 i i , 1 2 j ： 对深化认识井壁稳定问题奠定了基础。在钻井液化学方面，主要是找到一种不使沉积岩 地层强度下降的水基钻井液体系，化学固壁强化井壁技术正在探索之中。在岩石力学方 面，平衡压力钻井中主要通过钻井液柱压力使地层岩石维持原有应力状态，保持井壁处 于稳定。 第l 章绪论 井壁不稳定分两种情况【3 0 l ：一是钻井液密度过低，井壁发生剪切塌垮或发生井涌；二 是钻井液密度过高，井壁发生张性破坏。因此，钻井液存在一个合理的密度范围，上限 对应于破裂压力，下限对应于地层坍塌压力。钻井时安全钻井液液柱压力必须大于或等 于地层的坍塌应力，小于或等于地层的破裂压力。确定合理的钻井液密度的具体做法是 将井眼围岩应力分量与岩石破坏准则相比较，根据对井眼的稳定性分析，就可以计算出 保持井壁稳定的合理钻井液密度范围，解决这一问题的关键是确定井眼围岩应力。 本文以理论为基础结合室内试验，充分利用井壁稳定研究的现有成果，分析海拉尔 地区岩层易坍易破裂的形成原因，进而确定海拉尔地区钻井施工中使用的安全钻井液密 度范围。论文主要内容及步骤归纳如下： 1 1 海拉尔地区井壁稳定存在的问题调研分析： 2 ) 地层压力、破裂压力和坍塌压力的计算方法进行总结分析和推导，根据该地区的 情况选择合适的计算方法： 3 ) 在水力压力实验的基础上，用地应力理论计算海拉尔地区岩层构造应力系数，并 进行了岩石力学试验，为进一步建立该区的压力剖面奠定基础； 4 ) 在岩石力学实验的基础上，使用该区测井资料数据进行三个压力的剖面建立，最 终确定海拉尔地区的安全钻井液密度窗口。 在近平衡压力钻井中，如何能确定出合理的钻井液密度，是一口井安全快速施工的关 键。这在地质沉积情况复杂的海拉尔地区显得尤为重要，可以有效的避免井下事故的频 繁发生。 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 第2 章海拉尔盆地三个压力剖面研究 油气井压力计算、预测和控制在钻井工程中受到人们越来越多的重视，其原因是井 喷、井漏等钻井事故严重地影响到油气田的正常勘探与开发，而且会造成重大的经济损 失【2 j 。目前关于油气井压力计算和预测已经发展了一套技术：在钻一口井之前根据地层压 力梯度和地层破裂压力梯度科学地选择钻井液的密度，为实现平衡钻井和欠平衡钻井提 供保障。在钻井过程中通过一次井控和二次井控能够有效地避免钻井事故的产生，从而 降低钻井成本。 海拉尔油田处于海拉尔盆地贝尔湖凹陷，地质沉积情况复杂，地层压力区域变换大， 给钻井工作造成很大困难。为保障正常钻井和安全稳定开发，三个压力得计算和预测显 得更加重要。三个压力是指地层空隙压力、地层破裂压力和井壁坍塌压力。在地层剖面 上，根据已钻井的压力资料和三种压力计算方法构建合理海拉尔盆地的压力剖面，为将 来海拉尔油田进一步勘探和开发提供保证p 6 j 。 2 1 地层压力计算及预测 2 1 1 地层压力概念 作用于岩层孔隙空间内流体上的压力叫做地层压力，它又可称为孔隙流体压力，人们 常常用只来表示【5 1 。在含油、气区内的地层压力被称为油层压力，或气层压力。 它们常以大气压或千克厘米2 为计算单位。近几年来，国内外常用百万帕斯卡 ( ，a ) 为单位。孔隙流体压力全部由流体本身所承担。 ( 1 ) 静水压力 由垂直的液柱重量所产生的压力称为静水压力或流体静压力。静水压力的大小与液体 的密度、液柱的高度有关，而与液柱的形状和大小无关。静水压力又称正常地层压力， 是流体密度液柱垂直高度的乘积。即： 玮= 0 0 9 8 f h ( 2 1 ) 式中：乓为静水压力，千克厘米n 2 ，p 为液体平均密度，千克分米一3 ，h 为液柱高度， 米。 液体密度的大小主要取决于液体中溶解固体物质的数量、气体的含量以及温度的大 小。液体溶解的固体数量越多，其密度也就越大，反之，则越小。液体中气体含量的增 加，温度升高将会减小液体的密度。 静水压力梯度是指单位液柱高度的压力值，用下式表达： g h = 鲁= 0 0 9 8 p ( 2 - 2 ) 静水压力梯度的单位为千克厘米2 米，其大小完全取决于液体的密度。纯水的密度 为l 千克分米3 ，故静水压力梯度为0 1 千克厘米2 米，也即每米液柱高产生0 1 个大气 压：密度为0 1 0 7 4 千克分米3 的盐水，则其静水压力梯度为0 1 0 7 4 千克厘米2 米。 第2 章海拉尔盆地三个压力剖面研究 如果流体是静态的，流体的压力是无方向性的。如果在任意方向存在着一个压力不 均衡，流体将流向流体压力较低的方向。 ( 2 ) 地层压力计算 油层未被钻开之前，油层内各处的地层压力保持相对平衡状态。一旦油层被钻开并投 入开采，油层压力的平衡状态遭到破坏，在油层压力与油井井底压力之间产生的压差作 用下，油层内的流体就会流向井底，甚至喷出到地面。 流体压力梯度又称为地层压力梯度，它是指单位深度的流体压力值，用g ，表示。 g ，= 鲁 ( 2 3 ) 压力系数是用地下某点的压力换算的水柱高度与该点埋深的比值，即实测的地层压力 与同深度静水压力之比值。通常可用压力系数来表示流体压力的性质和大小，即： 口。：三地：土：曼( 2 - 4 ) z p f 錾p 。 式中：b 为地层压力；只为静水压力。 按压力系数的大小，可把压力状态分为异常高压、异常低压和正常压力。口，= l 时， 地层压力与静水柱压力相等，此时流体压力属正常地层压力：口，l 时，流体压力就称为 异常流体压力。口， l ，则称高异常 流体压力，或简称高压异常，如果口，远远大于1 ，则称超高压的异常流体压力，或简称超 压异常。 异常压力在世界范围内是普遍存在的，在一定意义上讲油气田与异常压力有着直接或 间接的成因关系，尤其是异常高压与油气关系更为密切。 2 1 2 地层压力预测方法分类 地层压力预测是利用地震、地质、测井配合录井、实钻、测试等资料，建立比较准确 的地层孔隙流体压力剖面。其最初目的是为了预防钻井事故，降低钻井成本。经过5 0 年 的探索，无论是地层压力预测技术，还是其应用范围都有很大的发展。前者主要表现在 从简单的统计预测到精确的定量预测，并从盆地地层压力分布规律认识地层压力的变化： 后者从服务于钻井发展到应用于石油地质各个领域。 地层压力预测技术的发展主要体现在对压实规律的认识和检测手段的提高。测井、地 震勘探手段和计算机技术的进步以及流体包裹体分析技术的产生，不仅丰富了地层压力 计算方法，还将简单的地层压力预测拓展到对盆地地层压力分布和演化规律的研究，从 而为油气运移和成藏动力学系统的分析，甚至圈闭中的油气充注历史的研究提供重要依 据。 地层压力预测已从单纯的为降低钻井成本和避免钻井事故，拓展到为油气钻探或开发 服务。在众多的地层压力数据获取方法中，根据与钻井的关系可以分为钻前预测、随钻 监测、钻后检测和模拟4 种 4 , 5 , 1 0 , 1 7 】。 1 ) 钻前预测 除还没有钻探的盆地只根据地震数据预测地层压力外，一般所说的地层压力预测都 是在钻井获取数据的基础上研究盆地的压力分布，达到预测未钻井地区地层压力的目 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 的。根据计算原理，钴前预测可以分为统计预测法、压实平衡法和综合分析法。统计预 测法是最早的地层压力预测方法之一，主要通过统计已钻井的压力分布规律来预测未知 区的压力。尽管统计时考虑的因素越来越多，从单纯的深度到层位甚至岩性组合，但该 方法预测的精度比较低，因此，随着异常压力形成机理的研究越来越深入，其实际应用 却越来越少。压实平衡法是从简单的统计向机理分析的一大进步，其基本原理是以压实 机制和特察模型为依据，认为异常高压与欠压实有关，其计算方法又称平衡深度法，是 目前应用最多的方法之一。只要能反映岩石密度垂向变化的参数都可以用于该方法计算 地层压力，常用的参数有地震速度、密度测井、电阻率测井、声波测井、岩石孔隙度 等。由于非渗透性泥岩往往能较好地反映压实趋势，故一般选择泥岩段的数据用于计 算。在泥岩与渗透性岩层压力不一致的情况下，要通过统计规律进行校正。该方法具有 一定的理论基础，其优点是计算参数获取容易，计算简便，获取的信息量大，但不适合 于具有明显卸载或异常低压的盆地。综合分析法是在综合了统计预测法和压实平衡法优 点的基础上提出来的，计算的基本原理和常用的参数与平衡深度法相似，但考虑到泥岩 与渗透性岩层压力可能不一致，故常用具有统计规律的地层因子代替简单的平衡深度进 行计算，有的还直接用计算上覆压力和有效应力的办法求取地层压力。这样既提高了压 实平衡法的计算精度，又在一定程度上缓解了岩性变化、卸载等不确定因素造成的误 差。 2 ) 随钻监测 随钻监测主要通过随时监测钻井泥浆和岩屑达到及时预报钻达地层的压力的目的。 前者称为等效泥浆法，是根据钻井液与地层孔隙流体之间的压力平衡关系，通过泥浆密 度换算地层压力。该方法具有信息量大、方便快捷的优点，是常用的地层压力估算方法 之一。后者是在认识到沉积物的压实与地层压力之间的相关关系后，通过随钻检测岩屑 密度以便及时发现异常压力段的方法。该方法曾经在钻井队推广使用，但由于精度较低 和随着钻前地层压力预测水平的提高，其使用越来越少。标准化钻速法也能预测可能出 现的异常高压层，达到随钻监测的目的，但该方法对钻井施工要求比较高，一般只在新 区或高危险区采用。 3 ) 钻后检测 钻后检测主要通过钻井直接测试现今地层压力或通过岩样测试间接获取古地层压 力。该方法一方面可以准确获取地层压力数据，另一方面为钻前压力预测和模拟提供参 数。直接测试方法包括试井和地层重复测试器。前者是通过射开目的层直接测量流入井 内的流体压力，是最直接和可靠的获取地层压力数据的方法，其精度主要取决于地层渗 透率和关井时间，由于成本高，一般只在目的层采用。后者是近一二十年发展起来的一 、种地层压力测井方法，应用地层重复测试器可以多点直接测得井壁附近的地层压力，具 有准确、经济、快速和信息量大的特点，近年来逐步被广泛使用。密闭取芯也能获取压 力数据，但一般以获取油气高压物性为目的，实际应用比较少。间接检测主要通过能反 映压力环境的成岩矿物来研究古压力。现在用得最多是流体包裹体分析，通过研究捕获 压力分析地层所经历的古压力及其演化。无论是测试方法本身还是应用领域，流体包裹 体捕获压力分析都是近年来发展最快的方法之一，并正向定时的方向发展。该方法具有 经济、快速、信息量大和在油气地质领域应用前景广阔的特点。 第2 章海拉尔盆地三个压力剖面研究 4 ) 模拟 模拟是在其它地层压力预测或实测的基础上，根据压实原理，利用计算机技术正演 或反演地层压力的演化过程，通过少数已知的今、古地层压力点的拟合，达到预测和了 解未知区地层压力演化历史的目的。由于造成地层压力变化的不确定因素太多，该方法 还处于探索阶段。 2 1 3 海拉尔地层压力预测方法 由于从现场取的资料主要是测井资料，为了方便计算，本文主要使用声波时差法预 测地层压力【1 4 , 1 7 1 。 ( 1 ) 预测原理 声波传播速度主要是孔隙度和岩性的函数。如果岩性为泥页岩时，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，孔隙度下 降，则声波传播速度加快，传播时间减少。深度d 与传播时间a t n 的对数之间呈一条正常 趋势线。如图2 1 所示： 信捶时间1 霪 图2 1a t 与d 关系曲线示意图 f i g 2 - 1c o n t r a s tb e t w e e n t h ec u r v eo fdi n d e xa n dd ci n d e x 在异常高压地层中，由于欠压实，孔隙度加大，传播时间a t o 将偏离正常趋势线，其 数值大于正常值。偏离值a t s h ( 脚标s h 表示泥页岩层，a t s h = a t o a m ) 越大，地层压 力越高。根据大量数据可以得出一定地n g d p 和a t s h 2 间的关系曲线。 ( 2 ) 预测方法 一般，在正常压力地层，声波时差值与地层深度存在以下的指数关系： a t = a t o e - “ ( 2 5 ) 公式中：，0 是埋深为零时的声波时差值：f 是埋深为h 时的声波时差值：c 为因次常 数；砌地层埋藏深度。 对上式两边取对数得： 6 1 n f = i n a t o c h ( 2 6 ) 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 公式( 2 - 6 ) 是正常压实趋势线，其中c 为压实系数，即为直线斜率。c 的求法般使 用现场实测的声波时差值和相对应的地层深度值在对数坐标上作图，因为他们满足线性 关系( 直线关系) ，所以可以在图上回归出直线的斜率，这个斜率即为该地层的压实系 数。与超压点等效的测井深度即为“等效深度”，b 点即为a 点的“等效深度”，在不考 虑温度等影响因素影响的情况下，如果实际测井曲线上某一点与正常压实趋势线上某一 点的声波时差值相等，根据公式( 2 - 6 ) 可知： a 点：s = 盯+ ，m ； b 点：s b = + p p s ； 由于两点的测量值相同，代表压实程度、孔隙结构一致，即岩石骨架颗粒的支撑应 力相等( 盯。= 仃。) ，那么a 点的地层压力值p 。为： 。 s ap 脚+ ( s b p s ) p 脚= p 舢+ ( s _ 一s b ) ( 2 - 7 ) 由( 2 7 ) 式可以看出a 点的地层压力等于b 点的地层压力与a 、b 两点深度出上覆岩层 压力差值的和。又可推出下列关系：， p 一pp 8 = s 一s b 由此可见，造成a 、b 两点深度间地层压力差，是由地层上覆岩层自身重量的引起 的。故有： p 州= p 朋+ ( s a - ) = 而1 风片口+ 而1 岛( 日。一) ( 2 8 ) 公式中：p w 为地层水密度；p b 是地层岩石平均密度。 在正常情况下，泥页岩声波时差与深度的关系为： h s = - 吉h 盖 沼， 将( 2 9 ) 式带入( 2 8 ) 式得： 驴面1 矾+ 击半山若 协 将上式写成通用的公式可写为： 脚= l p b h + 而1 半山盖 泣 公式中前一项相当于深度为h 处的岩层上覆岩层压力，后一项中i na t o ，所以后一项 f 0 如果不考虑正负号的话，应看作岩石的基岩应力值应等于盯。= 口。 ( 3 ) 地层压力剃度剖面的建立 将式( 2 1 3 ) 除以深度就可以求得地层压力剃度 7 第2 章海拉尔盆地三个压力剖面研究 岛= 百1 【_ 1 见+ 击学山寿 进而绘制出孔隙孔隙压力随深度变化的剖面。 2 2 地层破裂压力计算及预测 ( 2 1 2 ) 2 2 1 地层破裂压力概念 地层破裂压力p ，是指井中在一定深度出露的地层，承受力的能力是有限的，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。 静岩压力是由上覆岩层的重量引起的。上覆岩层重量由两部分组成：一是岩石骨架 重量：一是岩层孔隙空间流体的重量，故上覆岩层压力的大小可表示为： q = fp ( ) - g d h ( 2 1 3 ) 式中：矗为地层埋藏深度：j 口m ) 为地层密度随地层深度h 变化的函数；g 为重力加速 度。实际的地层密度p 饧) 随深度的变化难以用一个简单的函数来表示，上覆岩层压力 随上覆沉积物的增厚而加大，在有效应力的作用下，沉积物不断被压实而交得致密。 在其它书籍或文献中【8 j ，静岩压力又称为积土压力、上覆岩层压力或地静压力。岩层 压力梯度是指单位岩柱高的压力，即 g o = e 日o ( 2 - 1 4 ) 岩层压力梯度的单位也为千克，厘米2 米，它反映了上覆岩层的平均密度。据国内资 料统计表明，第三纪岩层的平均压力梯度为0 2 3 千克厘米2 米；碎屑岩岩层的最大压力 梯度为0 3 1 千克厘米2 米；浅层的压力梯度一般小于0 3 1 千克厘米2 米。 地层破裂压力计算首先取决于地层自身特性，主要包括地层岩石本身抗张强度及弹 性常数( 泊松比) 的大小，天然裂缝发育情况；其次在地下埋藏的岩石的破裂压力，还 受上覆地层压力、地层压力等因素的影响。 2 2 2 地层破裂压力计算方法 国内、外在研究地层破裂压力的预测方法方面已经提出了许多模式2 3 , 3 0 , 3 7 , 3 9 1 。这些模 式的假设条件不同，结果不同，所以适用条件也不一样，本研究将进行详细分析和论证 对于海拉尔油田给出适用的模式。 1 ) t e r z a g h i 模式 ( 1 ) 假设条件： 地下岩层处于均匀水平地应力状态，水平方向不存在构造应力，且充满着层面、 层理和裂缝； 压裂液在压力作用下将沿着上述薄弱面侵入，使其张开并向远方延伸； 张开裂缝的流体压力只需克服垂直裂缝面的切应力。 ( 2 ) 模式的推导 地层破裂压力需克服地层压力p p 和水平基岩应力由于水平地应力各方向相等，不存 在构造应力作用，因此，水平地应力为 8 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 盯h = 盯 = - 壁一( 盯y p p ) + p p ( 2 1 5 ) i 一 因此，地应力引起的井眼周围的切向应力由下式计算，得： = 2 0 r h 一只 其中的p w 为井内压力，当p w 大到一定值时，井眼周围的切向应力由压应力变拉应 力，最后当有效拉应力超过岩石的抗拉强度时，地层破裂，满足岩石的拉伸破坏准则 一十r l ，即 2 0 h 一只一0 _ l q i ( 2 一1 6 ) 由于假设地层充满着层面、层理和裂缝，所以岩石的抗拉强度当零处理，由此得 到，地层破裂压力为： 弓= 主b r o ) + o ( 2 - 1 8 ) 式中：弓为地层破裂压力：为油层岩石泊松比；为上覆岩层压力；0 为地层压 力。 该方法考虑的因素较少，比较适用于地层沉积较新，受构造运动影响小的连续沉积 盆地，不适合海拉尔地区油层特点。 2 ) 史蒂芬模式 ( 1 ) 假设条件： t e r z a g h i 模式认为水平地应力没有受构造运动的影响，因此，没有考虑水平方向上的 构造应力，而史蒂芬认为，地应力在水平方向上有构造应力，并且认为构造应力在水平 各方向相等，因此，该方法的假设前提为： 地下岩层处于均匀水平地应力状态，且充满着层面、层理和裂缝： 压裂液在压力作用下将沿着上述薄弱面侵入，使其张开并向远方延伸； 破裂压力等于垂直裂缝面的水平地应力。 ( 2 ) 表达式 史蒂芬模式与t e r z a g h i 模式的区别在于有无构造应力，史蒂芬法确定的水平地应力 为： 盯h = 盯 = ( _ ，_ + 善) ( 盯r 一昂) + 耳 ( 2 1 8 ) i 一t 同样将其代入岩石拉伸破坏准则，得出此方法的破裂压力为： 弓= 寺+ f p 一。) + p p 弦 式中：善为均匀地质构造应力系数 与t e r z a g h i 模式的区别在于考虑了构造应力的影响。海拉尔油田为非均质性地层构造 9 第2 章海拉尔盆地三个压力剖面研究 应力，用此模式不适合。 3 ) 黄荣樽模式 ( 1 ) 假设条件： 本方法主张地层的破裂是由井壁上的应力状态决定的，并且要考虑地下实际存在的 非均质的地应力场的作用，这是反映不同油田断块具有不同破裂压力的重要原因。 因此，本方法考虑的假设前提是： 地层的破裂是由井壁上的应力状态决定的； 考虑了非均质的地应力场的作用； 考虑了地层本身强度的影响。 ( 2 ) 计算公式 该方法认为，水平方向存在两个互相垂直，大小不等的地应力，如下式： ， 弓= ( f 兰+ 七) ( 盯r 一碑) + 啤+ q ( 2 _ 2 0 ) 式中：1 2 为有效应力系数，0 o r 1 。对于泥页岩可取0 5 o 6 ，对于砂岩可取0 7 o 8 ，高渗透层取l 。k = 3 y 一声，对于一个油田而言，k 值是不变的的常数，它由水平两 个主方n _ i z n 系数和y 组成。卢和，的值可由地层破裂试验求得地层的地应力和 由式子( 2 2 1 ) 和( 2 2 2 ) 计算。 仃h=(=_兰生一+p)(cr，一。pp)+印p(2-21)1 一z ， = ( 鲁+ y ) ( q a p p ) + 印p (222)1 一， 公式( 2 2 2 ) 为黄荣樽破裂压力计算式。其中岩石的泊松比利用声波时差资料可以由 下式求得： o 5 匕2 一曙 以2 了气f ( 3 ) 组合弹簧法 该方法充分分析黄荣樽模式的不足，假设岩石为均质、各项同性的线弹性体，并假定 在沉积和后期地质构造运动过程中，地层和地层不发生相对位移。突出弹性模量对破裂 压力的影响。有广义虎克定律得到： 弓= 器一篇+ 鲁( a v l 卅+ 鸣+ q 弦z s ， i 、一弘；七弘s 、一l ls ” j 式中：丘为静态弹性模量( m p a ) 。卣和磊表示水平向上两个地应力系数，对于一个区 块，这两个系数为常数，如果破裂层的地应力和物性已知，可由式子( 2 - 2 1 ) 和( 2 2 2 ) 。 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 石= 击陋“+ - 2 哆) ( 1 喁) 2 以( 旷嗥) 】( 2 - 2 4 ) 岛= ( c r + c h ) ( 1 + ，) ( 2 2 5 ) c 5 这里的关键是如何确定试验层位，准确计算地层弹性参数。 从式子( 2 2 3 ) 告诉我们，地层的破裂压力不仅与地层的泊松比有关，而且还和地层 的弹性模量有关，进一步研究表明地层的弹性模量和泊松比可以由测井资料求得，式子 ( 2 2 0 ) 比较适合与盯，为最大地应力的油藏构造，而为最大地应力的油藏构造，式子 ( 2 - 2 3 ) 较适合。 黄荣樽破裂压力计算模型是一个考虑因素全面，计算准确的破裂压力模型，适合海 拉尔油田。 ( 4 ) 破裂压力剃度计算 适合于盯，为最大地应力的油藏构造。 乃= 寺( 兰州( 唧一哆) + 呜+ q 】 ( 2 - 2 6 ) 适合于口_ 为最大地应力的油藏构造。 乃= 吉t 器一篇+ 器c 唧卅+ 碑俐( 2 - 2 7 ) 进而绘制出破裂压力随深度变化剖面。 2 3 地层坍塌压力计算及预测 2 3 1 井眼发生生坍塌和破裂时的类型与机理 在钻井过程中，为了防止地层流体侵入井内，使岩石免遭破坏，井眼内要充满钻井 液，使得井壁可以承受部分次生应力。另外，钻井液密度增加过高会压裂地层而造成井 漏。 目前，将钻井液调整到最小密度的主要目的是出于防止地层流体的侵入，而不是出 于地层稳定的角度，这种情况对于致密岩石来说是合适的，而对较软弱的岩石不但要防 止地层流体的侵入，而且还要从井壁稳定性的角度来调整钻井液的密度3 1 4 0 1 。讨论井眼的 破坏类型和破坏机理是确定井壁稳定性的先决条件。 1 ) 井眼不稳定的类型 按破坏原因来分，井眼不稳定的类型分为高井眼压力引起的破坏和低井眼压力引起 的破坏； 按破坏形式分，可分为拉伸破坏和压缩破坏。上述破坏形式及破坏特点可以用三种 模型加以描述： 模型a ：岩石上覆应力oz 为中间主应力； 第2 章海拉尔盆地兰个压力剖面研究 模型b ：井眼切向应力00 为中间主应力； 模型c ：拉伸破坏( 由水力压裂而产生的破坏) 。 2 ) 井眼破坏机理 在井眼没有打开之前，地层中存在着原始地应力，即由岩石自重引起的垂直应力， 同时还有水平应力、构造应力，这些应力在井眼没有打开之前处于平衡状态；当井眼打 开后，原有的应力平衡被打破，用钻井液来代替原来井眼处的岩石，这时引起了应力的 重新分布。根据线弹性理论，我们可以得出井壁周围岩石应力状态为岩石自重引起的垂 直应力a ：、径向应力a ，和切向应力0 。根据井眼钻井液密度的大小，所计算出的一：、 一，和a 。的大小也不一样，正是由于a ：、0 ，和一。的大小顺序不同，决定井壁发生坍塌时 其破坏面不同。 a 种破坏模型发生破坏时，是由于井内压力过低，即口r 艮小，而一。很大。剪切破坏 首先在剪应力最大点产生，然后破坏从井壁开始，出现共轭于最小水平地应力oh 方向轴 的两个剪切破坏面，该两剪切面相交，则这部分岩石崩塌，直至最终两剪切共轭面与井 壁相切。在此时径向有效应力为张力，使受剪切而破坏的岩块落入井内。 b 种情况与a 种的相仿，只是钻井液密度增加以后，轴向应力要超过切向压应力，其 破坏也是剪切破坏，只不过破坏位置与a 种的破坏位置稍有差别。 c 种破坏模型发生破坏的原因是由于井眼压力过高而发生的破坏。当井内压力异常高 时，产生的切向拉应力很大，使井眼产生垂直裂缝，从而发生井漏。 前两种破坏形式产生时井内的钻井液密度产生的压力称为坍塌压力，后一种破坏时的 泥浆密度称为破裂压力。 3 ) 防止井眼破坏方法 井眼各种破坏类型的机理不同，所对应的预防方法也不一样，但无论哪种破坏形式， 用力学方法解决此问题就是调整钻井液密度，使井眼周围岩石地应力状态保持为原地应 力状态或接近原地应力状态。 对于钻井设计来讲，以前打井设计钻井液密度主要依据地层压力，只要在预测的地层 压力基础上再乘以一个安全系数就可以确定钻井液密度，而破裂压力有系列方法进行 预测，破裂压力的大小就作为钻井液压力的上限，较少考虑用坍塌压力来设计钻井液密 度，这就导致在钻井过程中有时没有发生井涌或井漏事故，但发生井壁坍塌，在不十分 严重的井段，可以在井径测井曲线上发现，井眼直径不规则，较严重的情况就发生了卡 钴。所以说，在钻井设计过程中，钻井液密度的设计应即考虑地层压力和破裂压力，又 应考虑井壁不发生坍塌时的钻井液密度。 井壁发生坍塌破坏实际上是一种剪切破坏，预测不发生剪切破坏的方法，就是计算在 原始地应力作用下，井壁上某一点所受应力状态，再把这一点的应力状态与岩石的破坏 准则结合起来，得到预测井壁不发生坍塌时所需钻井液密度的模型。在此预测模型中， 需要知道许多参数，其中包括，地层原始地应力，岩石的强度，岩石的弹性参数等，本 研究即是从建立井壁稳定性模型开始，最终确定安全钻井液密度。 2 3 2 防止井壁坍塌模型的建立 井壁不稳定分两种情况：一是钻井液密度过低，井壁发生剪切塌垮或发生井涌：二 是钻井液密度过高，井壁发生张性破坏。因此，钻井液存在一个合理的密度范围，上限 1 2 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 对应于破裂压力，下限对应于地层坍塌压力。钻井时安全钻井液液柱压力必须大于或等 于地层的坍塌应力，小于或等于地层的破裂压力。确定合理的钻井液密度的具体做法是 将井眼围岩应力分量与岩石破坏准则相比较，根据对井眼的稳定性分析，就可以计算出 保持井壁稳定的合理钻井液密度范围，解决这一问题的关键是确定井眼围岩应力。 1 ) 基本假设 假设岩层为一均质的宏观各向异性的弹性体，且层理面是水平的。井眼是一个圆形 的直井眼，o h 和o h 为两个水平原地主应力；p w 为钻井液液柱压力；r 为地层孔隙压力。 对于我们所研究的问题，是一个带圆孔的无限平面的平面应变问题，垂直于井眼轴线 的某一平面的受力状态，如图2 3 a 所示。根据弹性力学的迭加原理，把图2 3 a 受力状态可 分解为如图2 3 b 和2 3 c 所示受力状态图之和，以简化解题过程。 ! 学! 学 ( a )( b )( c ) 图2 2 井眼平面受力及其分析 f i g 2 - 3t h es t r e s sa n di t sa n a l y s i s o f t h ew e l l b o r ep l a n e 实际情况下井壁周围受力情况如图2 3 a 所示，其井壁周围受力为第一种情况图2 3 b 和 第二种情况图2 3 c 力的迭加得 c r r = 鱼生( ，一事) + 吾只+ 鱼尹( 卜吾) ( 1 一，多c 。s ( z = 鱼产( 1 + 事卜吾。一旦产( i + 3 菩) c 。s ( 2 刃 - 鱼手丛( 1 一吾) ( 1 + 3 菩) s 畎2 ( 2 2 7 ) 对于井壁处的岩石，有r = r 0 ，则井壁上岩石应力分布为： q2 只1 = ( 仃h + ) 一2 ( 0 n o r b ) c o s ( 2 9 ) - 只 ( 2 - 2 8 ) i r o = 0j 2 3 3 应用破坏准则确定地层坍塌压力 在确定出井壁上的应力后，就需要把计算出的应力与对应的岩石强度进行对比，当 计算应力超出岩石强度( 不管是拉应力，还是压应力) 时，就认为岩石已经开始屈服。 岩石是否屈服要用岩石破坏准则来进行判断。 应当指出的是，大多数岩石破坏准则是以主应力的形式来表示的，因此必须把计算 出的井壁应力转换成主应力( 01 、02 和03 ) 。这三个主应力之一是用井眼压力p w 来表 1 3 第2 章海拉尔盆地三个压力剖面研究 示的，其余的两个主应力是由切向应力00 、0r 径向应力、轴向应力 oz 和剪切应力 rr0 转换得来的。根据材料力学知识，三个主应力由下式来确定， 仉，0 - 2 ，0 32 只 t g r + 0 0 + 乒亨i t r y + 盯e 一乒手焉 ( 2 2 9 ) 在般情况下，p w = - o3 ，有时p w 也可能为中间主应力或最大主应力。要视具体情 况，由计算结果来定。 1 ) 线性m o h r c o l l l o m b 准则 按理论分析结果，在小范围的围压下，除去最脆弱的岩层外，采用线性屈服准则，则 m o l l r - c o u l o m b 准则更为合适。m o h r - c o d o m b 准则假设只有最大主应力和最小主应力对岩 石的破坏有影响，该理论认为：同性材料抵抗破坏的剪切力等于沿潜在破坏面滑动时的 摩擦阻力与内聚力之和，即 f = f o + 盯t a n 妒 用主应力表示的m o b r - c o d o m b 准则为： 盯：娑磐一+ 单 ( 2 3 0 ) j s i n 舻1 一s i n 口 式中：仃；有效最大主应力，盯卜q 一印，；一有效最小主应力，一= 一a p p ；c o 岩 石内聚力；0 岩石破坏面上的有效法向应力；妒破坏面滑动时的内摩擦角。 ( 1 ) 考察口= 0 处的井眼安全条件 因为m o h r - c o u l o m b 理论认为只有最大主应力01 和最小主应力03 对岩石的破坏有影 响，与中间主应力02 无关。由( 2 3 0 ) 式，我们可以求出0 = o 处的应力表达式： q = 只 = 3 盯h 只 ( 2 - 3 1 ) r m = 0j 设地层上覆压应力为ov ，根据m 曲r _ c o i l l o m b 准则，确定0 = o 处的井眼安全条件 ( 安全钻井液液柱压力) 。当盯l = a 。，0 3 = 一r 最易坍塌。 由m o h r - c o i l l o i n b 准则( 2 3 0 ) 和( 2 3 1 ) 式，可得井眼安全条件： 只寺( 3 一o _ ) ( 1 一s i n 咖+ 晖s i n q ，一c o c o s 伊 ( 2 - 3 2 ) 2 ) d r u c k e r - p r a g e 准则 d r u c k e r - p r a g e r 准则理论认为中间主应力0 2 对岩石的破坏有影响。用主应力表示的 d m c k e 卜p r a g e r 准则的形式如下： 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 t a c t = t o + m ( o o a 只) ( 2 3 3 ) 其中： ro ，m 为与材料特性c 0 和p 相关的参数； = ；妊i i 瓦二了瓦f 可： 1 盯= ( q + 盯2 + c r 3 ) 。 j ( i ) 考察在0 = 0 处井壁稳定条件 由上面的t o e t 和口。吐计算公式可以看, q 4 , d