第二章井身结构设计

9 第二章 井身结构设计 井身结构设计是钻井工程的基础设计 它的主要任务是确定套管的下入层次 下入深 度 水泥浆返深 水泥环厚度 生产套管尺寸及钻头尺寸 基础设计的质量是关系到油气 井能否安全 优质 高速和经济钻达目的层及保护储层防止损害的重要措施 由于地区及 钻探目的层的不同 钻井工艺技术水平的高低 国内外各油田井身结构设计变化较大 选 择井身结构的客观依据是地层岩性特征 地层压力 地层破裂压力 主观条件是钻头 钻 井工艺技术水平等 井身结构设计应满足以下主要原则 1 能有效地保护储集层 2 避免产生井漏 井塌 卡钻等井下复杂情况和事故 为安全 优质 高速和经济钻 井创造条件 3 当实际地层压力超过预测值发生溢流时 在一定范围内 具有处理溢流的能力 本章着重阐明地下各种压力概念及评价方法 井身结构设计原理 方法 步骤及应用 第一节地层压力理论及预测方法 地层压力理论和评价技术对天然气及石油勘探开发有着重要意义 钻井工程设计 施 工中 地层压力 破裂压力 井眼坍塌压力是合理钻井密度设计 井身结构设计 平衡压 力钻井 欠平衡压力钻井及油气井压力控制的基础 一 几个基本概念一 几个基本概念 1 静液柱压力 静液柱压力是由液柱自身重量产生的压力 其大小等于液体的密度乘以重力加速度与 液柱垂直深度的乘积 即 2 1 0 00981 h PHr 式中 Ph 静液柱压力 MPa 液柱密度 g cm3 H 液柱垂直高度 m 静液柱压力的大小取决于液柱垂直高度 H 和液体密度 钻井工程中 井愈深 静液 柱压力越大 2 压力梯度 指用单位高度 或深度 的液柱压力来表示液柱压力随高度 或深度 的变化 2 2 00981 0 H P G h h 式中 Gh 液柱压力梯度 MPa m Ph 液柱压力 MPa H 液柱垂直高度 m 石油工程中压力梯度也常采用当量密度来表示 即 10 2 3 H Ph 00981 0 式中 当量密度梯度 g cm3 3 有效密度 钻井流体在流动或被激励过程中有效地作用在井内的总压力为有效液柱压力 其等效 或当量 密度定义为有效密度 4 压实理论 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 的减 小量与 P0的增量 dP0及孔隙尺寸有关 即 0 dPCd p gdHdP 00 gdHCd P0 令 CP 0g C 且积分上式 2 4 CH e 0 式中 0 地表孔隙度 井深 H 时的孔隙度 P0 上覆地层压力 CP 压实校正系数 CP 1 即正常压实地层 泥页岩孔隙度是井深 H 的函数 也就是说正常地层压力段 随着井 深 H 增加 岩石孔隙度减小 若当随着井深增加 岩石孔隙度增大 则说明该段地层压力 异常 压实理论是支持 dc 指数 声波时差等地层压力预测技术的理论基础之一 5 均衡理论 指泥页岩在压实与排泄过程平衡时 相邻沙泥岩层间的地层压力近似相等 均衡理论 是支持地层压力预测技术不可缺少的理论基础 6 上覆地层压力 P0 地层某处的上覆岩层压力是指该处以上地层岩石基质和孔隙中流体的总重量 重力 所产生的压力 即 面积 重力流体重量重力岩石骨架重量 0 P 2 5 1 000981 0p H 式中 P0 上覆岩层压力 MPa H 地层垂直深度 m 岩石孔隙度 0 岩石骨架密度 g cm3 p 孔隙中流体密度 g cm3 11 由于沉积压实作用 上覆岩层压力随深度增加而增大 一般沉积岩的平均密度大约为 2 3g cm3 沉积岩的上覆岩层压力梯度一般为 0 226MPa m 在实际钻井过程中 以钻台面 作为上覆岩层压力的基准面 因此在海上钻井时 从钻台面到海面 海水深度和海底未固 结沉积物对上覆岩层压力梯度都有影响 实际上覆岩层压力梯度值远小于 0 226MPa m 例 如 海上井的 1524m 深处 上覆岩层压力梯度一般小于 0 167MPa m 上覆岩层压力还可用下式计算 2 6 HP b 00981 0 0 式中 P0 上覆岩层压力 MPa 沉积层平均体积密度 g cm3 b H 沉积层 m 上覆岩层压力梯度一般分层段计算 密度和岩性接近的层段作为一个沉积层 即 2 7 i ibi i H H H P G 00981 0 01 0 式中 G0 上覆岩层压力梯度 MPa m Poi 第 i 层段的上覆岩层压力 MPa m Hi 第 i 层段的厚度 m 第 i 层段的平均体积密度 g cm3 bi 上式计算的是上覆岩层压力梯度的平均值 测得的体积密度越准确 计算出来的上覆岩层压力梯度也就越准确 如果有密度测井 曲线 就能很容易地计算出每一段岩层的平均体积密度 如果没有密度测井曲线 可借助 于声波测井曲线计算体积密度 不过 这是迫不得已才使用的方法 还可以使用由岩屑测 出的体积密度 但这种方法不太准确 因为岩屑在环空中可能吸水膨胀 使岩石体积密度 降低 在厚岩盐层和高孔隙压力带的一个小范围内 上覆岩层压力梯度可能发生反向变化 高孔隙度的泥岩通常是异常高压层 其体积密度非常小 如果异常高压层足够厚 就可能 使总的平均体积密度降低 实际上这些低密度带很薄 所以上覆岩层压力梯度的反向变化 一般很小 而且发生在很小的范围内 因而异常高压层的上覆岩层压力仍然增加 但增加 的速率减慢 7 地层压力 地层孔隙压力 PP 地层压力是指岩石孔隙中流体的压力 亦称地层孔隙压力 用 PP表示 在各种沉积物 中 正常地层压力等于从地表到地下某处连续地层水的静液压力 其值的大小与沉积环境 有关 取决于孔隙内流体的密度 若地层水为淡水 则正常地层压力梯度 Gp 为 0 0981MPa m 若地层水为盐水 则正常地层压力梯度随含盐量的不同而变化 一般为 0 0105MPa m 石油钻井中遇到的地层水多数为盐水 表 2 1 为不同地层水的正常地层压力梯度值 12 表 2 1 不同矿化度地层水的静水压力 地层流体 氯离子浓度 毫克 升 Ppm NaCl 正常地层压 力梯度 MPa m 当量泥浆密 度 g cm3 淡水000 009811 0 微咸水 6098 12287 24921 10062 20273 41120 0 00989 0 0099 0 01004 1 003 1 010 1 024 海水33000544500 010121 033 盐水 37912 51296 64987 62554 84638 107228 0 01019 0 01033 0 01049 1 040 1 054 1 070 典型海水 含盐量梯度 65287 79065 93507 108373 123604 139320 155440 171905 188895 107709 130457 154286 178815 203946 229878 256476 283473 311676 0 01050 0 01062 0 01078 0 01095 0 01107 0 01124 0 01140 0 01154 0 01171 1 072 1 084 1 100 1 117 1 130 1 147 1 163 1 178 1 195 饱和盐水1916003166400 011731 197 在钻井实践中 常常会遇到实际的地层压力梯度大于或小于正常地层压力梯度的现象 即压力异常现象 超过正常地层静液压力的地层压力 PP Ph 称为异常高压 8 骨架应力 骨架应力是由岩石颗粒之间相互接触来支撑的那部分上覆岩层压力 亦称有效上覆岩 层压力或颗粒压力 这部分压力是不被孔隙水所承担的 骨架应力可用下式计算 2 8 p PP 0 式中 骨架应力 MPa P0 上覆岩层压力 MPa Pp 地层压力 MPa 上覆岩层的重力是由岩石基质 骨架 和岩石孔隙中的流体共同承担的 当骨架应力 降低时 孔隙压力就增大 孔隙压力等于上覆岩层压力时 骨架应力等于零 而骨架应力 等于零时可能会产生重力滑移 骨架应力是造成地层沉积压实的动力 因此只要异常高压 带中的基岩应力存在 压实过程就会进行 即使速率很慢 上覆岩层压力 地层压力和骨 架应力之间的关系如图 2 1 所示 低于正常地层静液压力的地层压力 Pp Ph 称为异常低压 二 异常压力二 异常压力 1 异常低压 13 异常低压的压力梯度小于 0 00981MPa m 有的为 0 0081 0 0088MPa m 有的甚至只有 静液压力梯度的一半 世界各地钻井情况表明 异常低压地层比异常高压地层要少 但是 不少地区在钻井过程中还是遇上不少异常低压地层 如美国的得克萨斯州和俄克拉何马州 的潘汉德尔 Panhandle 地区 科罗拉多州高地的部分地区 犹他州的尤英塔 Uinta 盆 地 加拿大艾伯塔省中部下白垩统维金 Viking 地层 苏联的 Chokrak 和 Karagan 地区的 第三纪中新世地层和伊朗的 Arid 地区都遇到异常低压地层 图 2 1 P0 Pp 和 之间的关系 图 2 2 压力桥 一般认为异常低压是由于从渗透性储集层中开采石油 天然气和地层水而人为造成的 大量从地层中开采出流体之后 如果没有足够的水补充到地层中去 孔隙中的流体压力下 降 而且还经常导致地层被逐渐压实的现象 美国墨西哥湾沿海地带的地下水层被数千口 井钻开之后 广大地区的水源头下降 面积最大的是得克萨斯州的休斯敦地区 水源头下 降的面积大约有 12950 平方公里 从 1954 年至 1959 年 在卡蒂 休斯敦 帕萨迪纳 贝敦地 区泵出水的 20 左右是由于产水层的被压实而供给的 在干旱或半干旱地区遇到了类似的异常低压地层 这些地层的地下水位很低 例如在 中东地区 勘探中遇到的地下水位在地表以下几百米的地方 在这样的地区 正常的流体 静液压力梯度要从地下潜水面开始 2 异常高压 异常高压地层在世界各地区广泛存在 从新生代更新统至古生代寒武系 震旦系都曾 见到过 正常的流体压力体系可以看成一个水力学的 敞开 系统 就是说流体能够与上覆地 层的流体沟通 允许建立或重新建立静液条件 与此相反 异常高的地层压力系统基本上 是 封闭 的 即异常高压力层和正常压力层之间有一个封闭层 阻止或至少是大大地限 制着流体的沟通 封闭层可以是地壳中的一种或几种物质所组成的 压力封闭的起因可以 是物理的 化学的 或者是物理和化学的综合作用 据目前所知 地层压力圈闭有表 2 2 所 示的几种类型 14 表 2 2 地层压力圈闭的类型 封 闭 类 型圈 闭 的 种 类实 例 垂 直 横 向 垂直与横向综合 1 块状页岩或粉砂岩 2 块状岩盐 3 硬石膏 4 石膏 5 石灰岩 泥灰岩 白垩 6 白云岩 断 层 美国墨西哥湾地区 德国北部的泽克斯坦 北海 中东 美国 苏联 世界各地 世界各地 通常认为异常高压力的上限等于上覆岩层的总重量 即与 0 0226MPa m 的压力梯度等 效 在一个区域的地层中 异常高压力将接近上覆岩层压力 根据稳定性理论 它们是不 能超过上覆岩层压力的 但是 在一些地区 如巴基斯坦 伊朗 巴比亚和苏联的钻井实 际中 都曾遇到过比上覆岩层压力高的高压地层 有的孔隙压力梯度可以超过上覆岩层压 力梯度的 40 这种超高压地层可以看作存在一种 压力桥 图 2 2 的局部化条件 覆 盖在超高压地层上面的岩石的内部强度帮助上覆岩层部分地平衡超高压地层中向上的巨大 作用力 形成异常高压力常常是多种因素综合作用的结果 这些因素与地质作用 物理 地球 化学和机械过程等有关 异常高压的成因很多 一般有以下几种 1 沉积物的快速沉积 压实不均匀 2 渗透作用 3 构造作用 4 储集层的结构 三 地层压力预测方法三 地层压力预测方法 地层压力预测方法都是基于压实理论 均衡理论及有效应力理论 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一个 地区或区块的地层压力 往往需要采用多种方法进行综合分析和解释 地层压力评价方法 可分为两类 一类是利用地震资料或已钻井资料进行预测 建立单井或区块地层压力剖面 用于钻井工程设计 施工 另一类是钻井过程中的地层压力监测 掌握地层压力的实际变 化 确定现行钻井措施及溢流监控 下面主要讲述 dc 指数法 声波时差法 地震层速度法 1 dc 指数法 dc 指数法是利用泥页岩压实规律和压差理论对机械钻速的影响规律来检测地层压力的 一种方法 也是钻井过程中地层压力检测的一种重要方法 d dc 指数检测原理 机械钻速是钻压 转速 钻头类型及尺寸 水力参数 钻井液性能 地层岩性等因素 的函数 当其它因素一定时 只考虑压差对钻速的影响 则机械钻速随压差减小而增加 在正常地层压力情况下 如岩性和钻井条件不变 机械钻速随井深的增加而下降 当 15 钻入压力过渡带之后 由于压差减小 岩石孔隙度增大 机械钻速转而加快 d 指数则正是 利用这种差异预报异常高压 d 指数是基于宾汉方程建立的 宾汉在不考虑水力因素的影响 下建立了钻速方程 2 9 d b e D P KNV 式中 V 机械钻速 K 岩石可钻性系数 N 转速 e 转速指数 P 钻压 Db 钻头尺寸 d 钻压指数 根据室内及油田钻井试验 发现软岩石 e 接近 1 假设钻井条件 水力因素和钻头类型 和岩性不变 同层位均质泥页岩 则 K 为常数 取 K 1 方程两边取对数 且采用统一单 位 式 2 9 变为 2 10 b D P N V d 0684 0 log 0547 0 log 式中 V m h N RPM P KN Db mm d 无因次 根据油田目前选用参数范围 式 2 10 中 1 1 因此 2 N V0547 0 D P0684 0 10 式中分子 分母均为负数 分析可知 的绝对值与机械钻速 V 成反比 N V0547 0 log 因此 d 指数与机械钻速 V 也成反比 进而 d 指数与压差大小有关 即正常压力情况下 机 械钻速随井深增加而减小 d 指数随井深增加而增加 当进入压力过渡带和异常高压带地层 实际 d 指数较正常值偏小 如图 2 3 d 指数正是基于这一原则来检测地层压力 由于当钻入压力过渡带时 一般情况要提高钻井液密度 因而引起钻井液密度变化 进而影响 d 指数的正常变化规律 为了消除钻井液密度变化影响 Rehm 和 Meclendon 在 1971 年提出了修正的 d 指数法 即 dc 指数法 2 11 mR mN ddc 式中 dc 修正的 d 指数 mN 正常地层压力当量密度 g cm3 mR 实际钻井液密度 g cm3 16 图 2 3 d H 曲线 图 2 4 dc H 曲线 dc 指数检测地层压力步骤 1 按一定深度取点 一般 1 5 3m 取一点 如果钻速高可 5 10m 重点井段 1m 取一点 同时记录每对应点的钻速 钻压 转速 地层水和钻井液密度 2 计算 d 和 dc 指数 3 在半对数坐标上作出 dc 指数和相应井深所确定的点 纵坐标为井深 H 对数坐标为 dc 指数 4 作正常压力趋势线 如图 2 4 5 计算地层压力 PP 作出 dc H 图和正常趋势线后 可直接观察到异常高压出现的层位和该层段由 dc 指数 的偏离值 dc 指数偏离正常势线越远 说明地层压力越高 目前根据 dc 指数偏离值计算地 层压力的方法有 M 诺玛纳公式 等效深度法 伊顿法 康布法等 下面介绍 A M 诺玛法 和等效深度法 M 诺玛法 2 12 n ca CN P d d 式中 P 所求井深地层压力当量密度 g cm3 n 所求井深正常地层压力当量密度 g cm3 17 dCN 所求井深的正常 dc 指数 dca 所求井深实际 dc 指数 等效深度法 等效深度法 由于 dc 指数反映了泥页岩的压实程度 若地层具有相等的 dc 指数 则可视其骨架应力 相等 由于上覆地层压力总是等于骨架应力 和地层压力 PP之和 所以利用 dc 指数相等 骨架应力相等原理 通过找出异常地层压力下井深 H 的 dc 指数值与正常地层压力下 dc 指 数值相等的井深 HE 求出异常高压地层的地层压力 00NE GGHHGPp 式中 PP 所求深度的地层压力 MPa H 所求地层压力点的深度 m G0 上覆地层压力梯度 MPa Gn 等效深度处的正常地层压力梯度 MPa m HE 等效深度 m 2 声波时差法 声波时差法是利用声波测井曲线检测地层压力的方法 也是对已钻井地区进行单井或 区域进行地层压力预测 建立单井或区域地层压力剖面的一种常用而有效的方法 声波时差法预测原理 声波在地层中传播速度与岩石的密度 结构 孔隙度及埋藏深度有关 不同的地层 不同的岩性 有不同的声波速度 当岩性一定时 声波的速度随岩石孔隙度的增大而减小 对于沉积压实作用形成的泥岩 页岩 声波时差与孔隙度之间的关系满足怀利 Wyllie 时 间平均方程 即 2 14 mf m tt tt 式中 岩石孔隙度 t 地层声 波时差 s m tm 骨架声波时差 s m tf 地层孔隙流体声波时差 s m 基岩和地层流体的声波时差可在实验室测取 当岩性和地层流体性质一定时 tm和 tf为常量 在正常沉积条件下 泥页岩的孔隙度随深度的变化满足方程 2 15 CH e 0 式中 0 泥页岩在地面孔隙度 C 压实系数 H 井深 由 2 14 式 地面孔隙度 0为 2 16 mf m tt tt 0 0 t0为起始声波时差 即深度为零时的声波时差 在一定区域 t0可近似看着常数 18 由 2 14 2 15 2 16 式 当泥页岩的岩性一定时 tm也为常数 若 tm 0 则 2 17 CH ett 0 在半对数坐标系中 H 为纵坐标 t 为对数坐标 即声波时差的对数与井深呈线性关 系 在正常地层压力井段 随着井深增加 岩石孔隙度减小 声波速度增大 声波时差减 小 当进入压力过渡带和异常高压带地层后 岩石孔隙度增大 声波速度减小 声波时差 增大 偏离正常压力趋势线 因此可利用这一特点检测地层压力 声波时差检测地层压力步骤 1 在标准声波时差测井资料上选择泥质含量大于 80 的泥页岩层段 以 5m 为间隔点 读出井深相应的声波时差值 并在半对数坐标上描点 2 建立正常压实趋势线及正常压实趋势线方程 3 将测井曲线上的声波时差值代入趋势线方程 求出等效深度 HE 4 代入 2 13 式计算地层压力 PP 3 地震波法 地震反射波法是地球物理中最为广泛应用的一种方法 地震波法预测地层压力是根据 在不同岩性 不同压实程度情况下 地震波速度传播的差异来预测地层压力的方法 即正 常压实条件下 随着深度的增加 地震波速逐渐增大 在异常压力层则随着深度增加 地 震波速反而减小的原理来预测压力异常 地震波法预测地层压力计算方法主要有等效深度 法 Fillipone 法 R 比值法 其中 Fillipone 法不需要建立正常压力趋势线而可直接计算地层 压力 当然无论采用哪种方法 预测值的精度主要取决于层速度采集的精度 关于地震法 预测地层压力的方法 读者可参考其它专著或教材 第二节 地层破裂压力预测方法 在井下一定深度出露的地层 承受液体压力的能力是有限的 当液体压力达到某一数 值时会使地层破裂 这个液体压力称为地层破裂压力 利用水力压裂地层 从 40 年代起就 开始用作油井的增产措施 但对钻井工程而言 并不希望地层破裂 因为这样容易引起井 漏 造成一系列的井下复杂事故 所以了解地层的破裂压力对合理的油井设计和钻井施工 十分重要 为准确地掌握地层破裂压力 国内外学者提出了不同检测计算地层破裂压力的方法和 模型 如马修斯和凯利 Mathews 和 Kelly 法 休伯特和威利斯 Hubbert 和 Willis 法 伊顿 Eaton 法 Anderson 模型 Stephen 模型及黄荣樽教授提出的预测模型 这些方法和 模型都有其局限性 有待进一步完善 下面介绍黄荣樽教授提出的预测模型和液压试验法 其它方法 读者请查文献 2 一 地应力一 地应力 地应力是指地下环境中某一岩层深度所处的应力状态 地应力可用三个主应力表示 即垂直主应力 z 最大水平地应力 H 最小水平地应力 h 因此地应力一般是不均匀的 垂直主地应力 z由上覆地层压力 P0确定 水平地应力 H h由两部分组成 一部分由上 覆地层压力引起 它是岩石泊松比的函数 另一部分由地质构造应力确定 它与岩石的泊 松比无关 并在两个方向一般是不相等的 由 Hafner 理论 原地水平应力由上覆地层压力 P0和构造应力引起 且为 19 2 18 PPH PPP A 11 0 2 19 PPh PPP B 11 0 式中 H 最大原地水平应力 MPa h 最小原地水平应力 MPa A B 构造应力场影响系数 构造应力场影响系数对于不同的地质构造是不同的 但在同一构造断块内部 它是一个常数 且不随地层深度变化 P0 上覆地层压力 MPa P0 z PP 地层压力 MPa 有效应力系数 m 1 m 岩石骨架压缩率 岩石容积压缩率 地应力是客观存在于地下环境中的一个应力系 当今地震预测及地下岩石工程的开挖 和结构设计都离不开地应力数据 在石油工程中 地层破裂压力和井壁坍塌应力的预测 酸化压裂设计 油井防砂 套管的岩压外载计算等等都需要有地应力数据 地应力确定的方法有 井壁崩落法 岩芯差应变试验 岩芯滞弹性应变松弛试验 声 发射 Kaiser 效应岩芯测试 长源距声波测井分析 水力压裂分析等 目前确定深层地应力 较为有效的方法是现场裸眼水压裂试验法和室内声发射 Kaiser 效应法 二 井筒壁面应力状态方程二 井筒壁面应力状态方程 井眼未形成前 地下环境应力处于相对稳定状态 在钻井井眼形成过程中 井筒壁面 应力状态发生变化 根据有关力学理论可导出极坐标系下井筒岩层内应力分布关系 2 0 4 4 2 2 2 2 4 4 2 2 2 2 4 4 2 2 2 2 32 1 2 2cos 3 1 2 1 2 2cos 34 1 2 1 2 P r R r R P r R r R r R P r R r R r R r R z hH r m hHhH m hHhH r 20 式中 r 距井轴 r 距离并与 H按逆时针方向成 角处的径向正应力 MPa 距井轴 r 距离并与 H按逆时针方向成 角处的切向正应力 MPa r 距井轴 r 距离并与 H按逆时针方向成 角处的剪切力分量 MPa 20 r 距井轴的距离 cm R 井筒半径 cm Pm 井筒中的液柱压力 Mpa 当 r R 时 井壁应力分布 2 21 0 2cos 2 0 r z mhHhH mr P P P 地层的破裂是由井壁上的应力状态决定的 考虑深部地层的水压裂主要是形成垂直裂 缝 其起裂是由于井壁上的有效切向应力达到或超过岩层的抗张强度而产生 即裂缝形成 的条件是 E St 2 22 式中 E 有效切向应力 Mpa St 岩层抗张强度 Mpa 有效切向应力等于正应力减去孔隙压力 即 2 pE P 23 井壁岩石中垂直裂缝的产生是由于有效切向应力 E从压缩变为拉伸并超过岩层的抗张 强度所造成 由式 2 21 可知 在 0 和 180 的方向首先达到这个状态 即 2 24 PmHhE PP 3 满足 2 22 式条件时的井内液柱压力 Pm称为地层破裂压力 PF 即 2 25 tmPHhF SPPP 3 设垂直方向的主地应力 z等于上覆地层压力 P0 则有效的垂直地应力 Pz aPP 0 三 地层破裂压力的计算模型三 地层破裂压力的计算模型 由构造应力确定的部分 在一般情况下 构造应力在各个方向是不相等的 根据现场 水力压裂资料分析证明构造应力在两个水平主应力方向分别为 a b 且 2 26 3 3 B A b a 式中 A B 构造应力系数 由此可导出水平方向上最大和最小主地应力为 2 pPPH PPPAPP 1 00 21 27 2 pPPh PPPBPP 1 00 28 将 2 27 2 28 式代入 2 25 式得 PtPF PSPPBAP 3 1 2 0 2 29 令 K A 3B 2 29 式变为 PtPF PSPPKP 1 2 0 2 30 式 2 30 较前面所述预测地层破裂压力 模式相比有两个显著特点 1 地应力一般是不均匀的 模式中包括了 三个主地应力的影响 垂直地应力可以认为由上覆 岩层重量引起的 水平地应力有两部分组成 一部 分是由上覆岩层的重力作用引起 它是岩石泊松比 的函数 另一部分是地质构造应力 它与岩石的泊 松比无关 且在两个方向上一般是不相等的 2 地层的破裂是由井壁上的应力状态决定 的 深部地层的水压致裂是由于井壁上的有效切向 应力达到或超过了岩石的抗张强度 四 液压试验检测地层破裂压力四 液压试验检测地层破裂压力 目前所用检测计算地层破裂压力的方法都有一定局限性 计算值与实际值都有一定误 差 而液压试验法是一种准确有效获取地层破裂压力的方法 并且由液压试验取得的数据 还可提供一个区域或区块的地质构造应力值 液压试验也称漏失试验是在下完一层套管并注完水泥后 再钻穿水泥塞 钻开套管鞋 下面第一个砂岩层之后进行的 美国已形成法令 规定每口井每下一层套管必须进行液压 试验 以准确获得地层破裂压力梯度的原始资料 作为钻井设计的依据 液压试验的目的 通常是检查注水泥作业和实测地层破裂压力 液压试验时地层的破裂易发生在套管鞋处 这是因为套管鞋处地层压实程度比其下部地层的压实程度差 液压试验法的步骤如下 1 循环调节泥浆性能 保证泥浆性能稳定 上提钻头至套管鞋内 关闭防喷器 2 用较小排量 0 66 1 32l s 向井内泵入泥浆 并记录各个时间的注入量及立管压 力 图 2 5 液压试验曲线 22 3 作立管压力与泵入量 累计 的关系曲线图 如图 2 5 所示 4 从图上确定各个压力值 漏失压力 P1 即开始偏离直线点的压力 其后压力继续 上升 压力上升到最大值 即为断裂压力 Pf 最大值过后压力下降并趋于平缓 平缓的压 力称为传播压力 5 求破裂压力当量泥浆密度 mzx 2 31 HP m 8 101 1max 式中 m 试验用泥浆密度 g cm3 P1 漏失压力 MPa H 裸眼段中点井深 m 6 求破裂压力梯度 Gf MPa m 2 32 H P G mf 1 00981 0 有时钻进几天后再进行液压试验时 可能出现试压值升高的现象 这可能是由于岩屑 堵塞岩石孔隙道所致 试验所需的泥浆量决定于裸眼长度 如果裸眼只有几米 则需要几百升泥浆 若裸眼 较长 则需要几立方米的泥浆 试验压力不应超过地面设备和套管的承载能力 否则可提高试验用泥浆密度 在有些液压试验中 试验曲线不呈直线 出现几个台阶 这样不易判断真实的漏失点 如果发现台阶的压力低于预期的压力 则应继续试压 直至达到破裂压力 因此 如超过 台阶后压力继续上升 说明这个台阶处并不是真实的漏失点 出现台阶的原因 可能是天 然气或空气进入环空 或是泥浆漏失 当裸眼很长时应该注意到 在同一试验压力下 裸眼最深部分的试验压力梯度大大小 于套管鞋处的试验压力梯度 因此 不能保证裸眼最深部位一定能够承受得住套管鞋处所 能承受的最大泥浆密度 液压试验法适用于砂泥岩为主的地层 对石灰岩 白云岩等硬地怪的液压试验尚待试 验研究 第三节 井眼坍塌应力预测方法 井眼系统稳定性评价技术是近年钻井工程研究的热门课题 据有关资料统计 世界范 围内每年用于处理井眼系统失稳的费用高达 5 亿美元 损失钻井总时间 5 6 造成井眼系 统失稳的原因是钻井形成井眼后 打破了原有的地下力学系统平衡 造成井壁周围岩石的 应力集中 当井筒内有效液柱压力小于井壁应力时 对于脆性岩层将出现坍塌 塑性岩层 出现缩径 当井筒有效液柱压力过高 又将压裂岩层出现漏失 导至井下复杂和事故 另 一方面由于钻井液进入岩层 也将导至岩石力学特性参数的改变 改变井壁岩石力学状态 至使井眼系统的不稳定性 目前尚未有一套完整的理论和方法有效地解决井眼系统的失稳 问题 下面简要介绍有关力学失稳的一些解决方法 一 井眼失稳破坏准则一 井眼失稳破坏准则 地下岩体在原地应力作用下 一般处于三向压力状态 钻井形成井眼后 在钻井液柱 23 压力及其它井筒拢动力的作用下 井壁应力状态发生变化 岩体材料可能是弹性体 塑性 体或弹塑性体和脆性岩体 因此在外力作用下岩体将出现弹性 弹塑性 塑性变形屈服和 脆性破坏 岩石的力学行为大体遵循线弹性力学规律 当然由于地下岩体在高围压作用 其非均质性和各向异性得到极大弱化 甚至消失 这也满足线弹性体连续介质的假设 由于井眼几何形状和钻遇岩体力学特征的不同 井眼所处应力状态就不一样 其破坏 形式也不一样 对软而塑性大的泥岩表现为塑性变形而缩径 硬脆性泥页岩为坍塌扩径 石油工程对脆性泥页岩一般采用摩尔 库尔 Mohr Coulomb 强度准则 下面导出该 准则条下 井壁稳定钻井液当量梯度 该准则认为岩体破坏 失稳 是由破坏面上的内聚力和法向力产生的内摩擦力确定 即当岩石剪切面所受剪切力大于或等于岩体固有剪切强度与剪切面上的摩擦力时 岩块从 母体脱落 沿剪切面破坏 即 2 tg N 0 33 式中 0 岩体固有剪切强度 MPa N 剪切面 法向正应力 MPa 内摩擦角 剪切破坏如图 2 6 所示 1为最大主应力 3为最小主应力 为剪切面的法向和 1 的夹解 法向正应力为 N 剪应力为 用 1 3来描述 Mohr Coulomb 准则 2 34 2 452 2 45 0 2 31 ctgctg 考虑岩石孔隙压力 PP 则 ohr Coulomb 准则有效应力为 2 35 2 452 2 45 0 2 31 ctgctgPP PP 由 2 25 式 当 90 270 时 max即 2 36 mhH P 3 考虑应力非线性修正系数 且令 将 2 36 式代入 2 35 式 0 2 45Kctg 得 00981 0 1 2 3 2 2 00 KH KPK PhH ST 2 37 式中 ST 井眼稳定钻井液当量密度 g cm3 应力非线性修正系数 无因次 H 计算点井深 m H 最大水平地应力 MPa h 最小水平地应力 MPa 24 有效应力系数 无因次 二 有关岩石力学特性参数测取二 有关岩石力学特性参数测取 岩石抗张强度 St是利用钻取的地下岩芯 在室内采用巴西试验求得的 巴西试验是对 圆盘形岩样从径向两端加压 使之破裂 若岩样的直径为 d 厚度为 t 岩样破裂时的载荷 为 P 则抗张强度 St 为 2 38 dt P St 02 0 式中 St 岩石抗张强度 MPa P 岩样破裂时的压力 N d 岩样的直径 cm t 岩样的厚度 cm 构造应力系数 K 对不同的地质构造是不同的 但它在同一构造断块内部是一个常数 且不随深度变化 构造应力系数是通过现场实际破裂压力试验和在室内对岩芯进行泊松比 试验相结合的办法来确定的 如果准确地掌握了破裂层的泊松比 和破裂压力 Pf 以及抗 张强度 St 便能精确地求出构造应力系数 K 第四节 井身结构设计 一 井身结构设计原理一 井身结构设计原理 1 地层 井内压力体系在裸眼井段中存在着地层压力 地层破裂压力和井内钻井液 有效液柱压力这三个相关的压力 地层 井内压力系统必须满足以下条件 2 PmEf PPP 39 式中 Pf 地层破裂压力 PmE 钻井液有效液柱压力 PP 地层压力 在 2 39 的工程意义为 裸眼井内钻井液有效液柱压力必须大于或等于地层压力 防 止井喷 但又必须小于等于地层破裂压力 防止压裂地层发生井漏 考虑到井壁的稳定 还应补充一个与时间有关的不等式 2 tGtG tm 40 式中 Gt t 该截面岩层的坍塌压力梯度 Gm t 该截面钻井液有效压力梯度 能满足不等式 2 39 2 40 的同一井段 则该井段截面间不需要套管封隔 反之 图 2 6 岩石剪切破坏 25 则需要用套管封隔 因此 井身结构设计有严格的力学依据 即地层 井内压力系统的 平衡和失稳 2 液体压力体系的当量梯度分布 非密封液柱体系的压力分布和当量梯度分布 设有深度 H 的井眼 充满密度为 m的钻井液 则液柱压力随井深呈线性变化 而当量 梯度自上而下是一个定值 见图 2 7 图 2 7 非密封液柱压力体系的梯度分 布 26 密封液柱体系的压力分布和当量梯度分布 若将上述体系密封起来 并施加一个确定的附加压力 P0 则 P0相当于施加于每一个深 度截面上 仍不改变压力的线性分布规律 但此时的压力当量梯度分布却是一条双曲线 见图 2 8 钻井工程中 当钻遇高压地层 发生溢流或井喷而关闭防喷器时 井内液柱压力 和当量梯度分布即为这种情况 此时的立管压力为 Psd或套压 Pa 即为 P0 图 2 8 密封液柱压力体系的梯度分布 3 地层压力和地层破裂压力剖面的线性插值 地层压力和地层破裂压力的数据一般是离散的 是由若干个压力梯度和深度数据的散 点构成 为了求得连续的地层压力和地层破裂压力梯度剖面 拟合曲线是不适用的 但可 依靠线性插值的方法 在线性插值中 认为离散的两邻点间压力梯度变化规律为一直线 对任意深度 H 求线性插值的步骤 设自上而下顺序为 i 的点具有深度为 Hi 地层压力梯度为 GPi 地层破裂压力梯度为 Gfi 而其上部相邻点的序号为 i 1 相邻的地层压力梯度为 GPi 1 地层破裂压力梯度为 Gfi 1 则在深度区间 Hi Hi 1内任意深度 H 有 2 11 1 1 PiPiPi ii i P GGG HH HH G 41 2 42 11 1 1 fififi ii i f GGG HH HH G 4 必封点深度的确定 我们把裸露井眼中满足压力不等式 2 39 条件的极限长度井段定义为可行裸露段 可 行裸露段的长度是由工程和地质条件决定的井深区间 其顶界是上一层套管的必封点 底 界为该层套管的必封点深度 工程约束条件下必封点深度的确定 1 正常作业工况 起下钻 钻进 在满足近平衡压力钻井条件下 某一层套管井段钻进中所用最大钻井液密度 m应大或 等于该井段最大地层压力梯度当量密度 Pmax与该井深区间钻进中可能产生的最大抽汲压力 梯度当量密度 Sw之和 以防止起钻中抽汲造成溢流 即 27 2 wPm S max 43 式中 Pmax 该层套管钻井区间最大地层压力梯度当量密度 g cm3 Sw 抽汲压力梯度当量密度 g cm3 下钻中使用这一钻井液密度 在井内将产生一定的激动压力 Sg 因此在一定钻井条件 井身结构 钻柱组合 钻井液性能等 井内有效液柱压力梯度当量密度为 2 gwPmE SS max 44 考虑地层破裂压力检测误差 给予一个安全系数 Sf 则该层套管可行裸露段底界 或 该层套管必封点深度 由下式确定 2 45 minmaxffgwP SSS 式中 Sg 激动压力梯度当量密度 g cm3 Sf 地层压裂安全增值当量密度 g cm3 当然 任何一个已知的 fmax也可以向下开辟一个可行裸露井深区间 确定可以钻开具 有多大地层压力梯度当量密度的地层 Pmax的数值为 2 46 minmaxfgwfP SSS 2 出现溢流约束条件下必封点深度的确定 正常钻井时 按近平衡压力钻井设计钻井液密度为 2 47 wPm S 钻至某一井深 Hx时 发生一个大小为 Sk的溢流 停泵关闭防喷器 立管压力读数为 Psd xksd HSP00981 0 或 2 x sd k H P S 00981 0 48 式中 Psd 立管压力 MPa Hx 出现溢流的井深 m 关井后井内有效液柱压力平衡方程为 PmE Pm Psd 或 xkwPmE HSSHH00981 0 00981 0 00981 0 即 k x wPmE S H H S 井内有效液柱压力的当量密度梯度沿井深按双曲线规律分布 28 裸露井深区间内地层破裂强度 地层破裂压力 均应承受这时井内液柱的有效液柱压 力 考虑地层破裂安全系数 Sf 即 2 49 K x fwPf S H H SS min 由于溢流可能出现在任何一具具有地层压力的井深 故其一般表达式为 2 50 minmaxfk x fwP S H H SS 同样 也可以由套管鞋部位的地层破裂压力梯度 下推求得满足溢流条件下的裸露段 底界 此时 Hx为当前井深 它对应于 fmin H 为下推深度 其数学表达式如下 2 51 minmaxk x fwfP S H H SS 3 压差卡钻约束条件下必封点深度的确定 下套管中 钻井液密度为 P Sw 当套管柱进入低压力井段会有压差粘附卡套管的 可能 故应限制压差值 限制压差值在正常压力井段为 PN 异常压力地层为 Pa 就是说 钻开高压层所用钻井液产生的液柱压力不能比低压层所允许的压力高 PN或 Pa 即 Pm PPmin PN 或 Pa 2 52 在井身结构设计不 由 2 46 式或 2 50 式设计出该层套管必封点深度后 一般用 2 52 式来校 核是否能安全下到必封点位置 目的层是裸露段的底界 油层套管的下深根据完井方法不同而定 对于地质复杂层 如坍塌层 盐膏层 漏失层等 水层 非目的油气层 以及目 前钻井工艺技术难于解决的其它层段 只要裸露段中出现了这一类必封点 则这些井段是 应考虑的必封井段的顶界 必封点深度确定的几点说明 1 式 2 46 2 50 一般作该层套管可下深度的设计计算 式 2 52 作为校核计 算 2 2 46 式使用条件为 地质勘探确认该层段无高压油气层及地层压力检测精度高的 区域 3 2 50 式用于地质探井 对地层压力掌握得不确切 地质情况模糊 高压油气区域 的井 4 一般情况下 采用 2 50 式设计偏于安全 k x g S H H S 5 按工程约束条件设计的必封点深度必须满足地质复杂情况要求必封点位置 若地质 复杂必封点在工程约束必封点深度区段外 则该层套管下延至地质复杂必封深度 若设计 地层破裂压力梯度全落在地层破裂压力梯度剖面内 即在 0 目的层井深区间 PfD Pf 可 不下中间套管 但井段中任何一位置若有地质复杂 那么必封点深度以此为顶界 29 二 井身结构设计的基础参数二 井身结构设计的基础参数 井身结构设计的基础参数包括地质方面数据和工程等数据 1 地质方面数据 1 岩性剖面及故障提示 2 地层压力梯度剖面 3 地层破裂压力梯度剖面 2 工程数据 1 抽汲压力系数 Sw 以当量钻井液密度表示 单位 g cm3 Sw应根据设计井实际施工参数 由本教材第五章讲述方法计算出该井施工中可能出现 的最大抽汲压力 Prw 再由下式计算抽汲压力当量钻井液密度 Sw 2 53 H P S SW W 00981 0 对于某一个区域 若钻机类型 井深 井身结构 管柱 钻柱 套管 组合 钻井液 性能都已定型 可选用参数井 或前面已钻井 的 Sw进行后续井的设计参数 如美国墨西 湾地区采用 Sw 0 06 我国中原油田 Sw 0 015 0 049 2 激动压力系数 Sg 以当量钻井液密度表示 单位 g cm3 在 2 53 式中 将 PSW换成激动压力 Psg即可求得 Sg 美国墨西湾地区取 Sg 0 06 我国中原油田 Sg 0 015 0 049 3 地层压裂安全增值 Sf 以当量钻井液密度表示 单位 g cm3 Sf是考虑地层破裂压力检测误差而附加的 此值与地层破裂压力检测精度有关 可由 地区统计资料确定 美国墨西湾地区 Sf取值 0 024 我国中原油田取值为 0 02 0 03 4 溢流条件 Sk以当量钻井液密度表示 单位 g cm3 由于地层压力检测误差 溢流压井时 限定地层压力增加值 Sk 此值由地区压力检测 精度和统计数据确定 美国油田一般取 Sk 0 06 我国中原油田取值为 0 05 0 10 5 压差允值 PN Pa 裸眼中 钻井液柱压力与地层孔隙压力的差值过大 除使机械钻速降低外 而且也是 造成压差卡钻的直接原因 这会使下套管过程中 发生卡套管事故 使已钻成的井眼无法 进行固井和完井工作 压差允值和工艺技术有很大关系 如使用优质的具有良好润滑性能的钻井液体系 则 压差允值可以提高 压差允值也与裸眼井段的孔隙压力大小有关 若在正常压力井段 为 钻开下部高压层需要使用加重钻井液 则压差卡钻易发生在正常压力井段的较深部位 即 易发生在靠近压力过渡带的正常孔隙压力地层 若在异常高压井段 则易卡部位发生在最 小孔隙压力值处的地层 故压差允值有正常压力井段 PN 与异常高压井段 Pa 之分 一般 Pa值大于 PN值 如美国现场对 PN取值为 16 56MPa 169kg cm2 对 Pa取值为 21 36 PN 或 Pa 则中间套管下至 H3过程中有被卡危险 在这种情况下可采取以 下方法解决 a 应用以下公式重新计算中间套管下入深度 或 Pa NNPm PH 00981 0 m是在深度 HN 允许压差值 PN 或 Pa 时采用的钻井液密度 m Sw 最大允许 地层压力 在压力剖面图上找到 m Sw 值 引垂线与地层压力梯度线相交 交点即为新 计算的中间套管下入深度 记为 H2 b 应用方法 a 往往需多下一层套管或尾管 为了避免这种情况 钻井工程师可根据所 在区域钻井工艺技术水平 钻井液体系和性能 从工艺 防卡液上解决中间套管下入到 H3 的卡钻危险 4 计算钻井 或中间 尾管的最大下入深度 在第三步中 若按方法 a 解决压差卡钻危险 那么还需下一段中间尾管以满足采用 Pmax Sw 钻井液密度钻井时 H3与 H2的安全钻井问题 一般情况下 中间尾管下至 H3 即可 当然也可根据中间套管鞋处 H2 的地层破裂压力梯度 下推尾管的最大可下深度 即 PfgWfH SSS 2 式中 fH2 中间套管鞋处的地层破裂压力梯度 g cm3 P 中间尾管最大可下深度处地层压力梯度 g cm3 在压力梯度剖面图横坐标上找到 P 从 P引垂线与地层压力梯度线相交 交点即为中 间尾管的最大下入深度 H3 5 计算表层套管下入深度 H1 根据中间套管鞋处地层压力梯度 PH2 由给定溢流条件 Sk 用试算法计算表层套管的 下入深度 即 kfwPHfD S H H SS 1 2 2 式中 fD 设计地层破裂压力梯度 其工程意义为溢流压井时 表层套管鞋处承受的 有效液柱压力梯度的当量密度 32 试算中 当 fH1 fD 0 024 0 048 即符合设计要求 6 进一步校核中间尾管 a 校核中间尾管下入最大深度时 是否有卡套管危险 校核方法与步骤 3 相同 b 校核在给定 Sk溢流条件下压井时 中间套管鞋处是否有被压裂的危险 校核方法同 步骤 5 7 油层套管下入目的层中 应进行压差卡钻和溢流条件校核 以上套管层次 下入深度的确定是以井内压力系统平衡为基础 以压力剖面为依据的 但某些影响钻进的复杂情况因素目前还不能反映到压力剖面上 如吸水膨胀易塌泥页岩 含蒙脱石的泥页岩 岩膏层 盐岩层蠕变 胶结不良的砂岩等 某些复杂情况的产生又与 时间因素有关 如钻进速度快 浸泡时间短 复杂情况并不显示出来 反之钻速慢 上部 某些地层裸露时间长或在长时间浸泡下 则发生坍塌 膨胀 缩径等情况 这需要根据已 钻井的经验来确定某些应及时封隔的地层即必封点 某些地区没有复杂情况则不必确定必 封点 另外 为了求得控制复杂情况所需的坍塌压力梯度值是非常必要的 这样可以在确 定必封点上不必凭经验来进行 四 套管尺寸与井眼尺寸选择及配合