钻井工程第一章-钻井工程地质条件—压力

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,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有关。Ph=0.00981H(1-1)式中:Ph静液压力，Mpa；液体密度,g/cm3；H液柱垂直高度，m。压力梯度单位高度或单位深度的液柱压力称为压力梯度。表示液柱压力随深度或高度变化的幅度。GhPh/H0.00981（1-2）,第一节地下压力特性,静液压力梯度的大小与液体中溶解的矿物或气体的浓关。油气钻井所遇到的地层水一般有两类：淡水/淡盐水0.00981MPa/m盐水0.0105MPa/m在石油工业中，地下压力的单位也常用当量密度表示。(当量密度平衡地层某处的地层孔隙压力所需的钻井液柱的密度。当量密度亦称等效密度。)地层某处的静液压力若用当量密度表示，则h=Ph/(0.00981H)地下压力有三种表示方法：Ph、Gh、h,（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的岩石基质和岩石孔隙中流体的总重力所产生的压力。式中：P0上覆岩层压力，MPa；H地层垂直深度,m；岩石孔隙度，%；ma岩石骨架密度，g/cm3；孔隙中流体密度，g/cm3；0地层密度，g/cm3。,（分段计算）,（1-3）,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。,（1-4）,（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，亦称地层孔隙压力（formationporepressue），用pp表示。正常地层压力正常地层压力等于从地表到地下某处的连续地层水的静液压力。(若地层水为淡水，则正常地层压力梯度为0.00981兆帕/米。若地层水为盐水，则正常地层压力梯度随地层水的含盐量的大小而变化，一般为0.0105兆帕/米。石油钻井中遇到的地层水多数为盐水。)异常地层压力地层压力大于或小于正常地层压力。异常高压超过正常地层静液压力的地层压力(PpPh)称为异常高压。异常低压低于正常地层静液压力的地层压力(PpPh)称为异低压。,（四）基岩应力（matrixstress）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，用表示。以上所述地下各种压力之间的关系可用式(15）和图(11)说明。,（1-5）,式中：Po上覆岩层压力，兆帕；Pp地层压力，兆帕；基岩应力，兆帕。,地下各种压力之间的关系（Po、Pp和之间的关系）Po=（孔隙流体的重力+基岩重力）/面积Po=Pp+由上式可知,上覆岩层压力由基岩和孔隙流体共同承担。Po一定，减小，Pp增大。当0时，PpPo。不管任何原因使基岩应力下降，都会导致孔隙压力增大.,Po、Pp和之间的关系可用下图表示,（五）异常地层压力的成因正常地层压力连续地层水的静液压力，即Pp=Ph。异常地层压力异常低压和异常高压统称为异常地层压力（abnormalpressure）。1异常低压（abnormallowpressure）压力梯度小于9.81kPam（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。2异常高压（abnormalhighpressure）地层压力梯度大于地层流体的静液压力梯度（0.009810.0105Mpa/m)时，称为是异常高压.,3、地层沉降压实的机理（沉积岩）沉积物的压缩过程是由上覆沉积层的重力引起的。随着地层的沉降，上覆沉积物重复的增加，下覆岩层就逐渐被压实。如果沉积速度较慢，沉积层内的岩石颗粒就有足够的时间重新紧密地排列，并使孔隙度减小，孔隙中的过剩流体被挤出.如果是“开放”的地质环境，被挤出的流体就沿着阻力小的方向，或向着低压高渗透的方向流动，于是便建立了正常的静液压力环境，地层水自上而下形成连续的正常的静液压力系统，即正常地层压力。正常地层压力的地质环境是一个开启的水力学系统。,地层沉降压实保持平衡的条件：上复岩层沉积的速度地层的渗透率地层孔隙减小的速度孔隙流体排出的能力思考题正常沉积压实的地层特征？,4、异常高压的成因异常高压的形成是多种因素综合作用的结果，这些因素与地质作用、构造作用和沉积速度等有关。对于沉积岩地层的异常高压，目前世界上公认的成因是由于沉积物的快速沉降，压实不均匀造成的。,沉积物的快速沉降，压实不均匀在稳定沉积过程中，若保持平衡的任意条件受到影响，正常的沉积平衡就被破坏。如沉积速度很快，岩石颗粒没有足够的时间去排列，孔隙内流体的排出受到限制，基岩无法增加它的颗粒与颗粒之间的压力，即无法增加它对上覆岩层的支撑能力。由于上覆岩层继续沉积，负荷增加，而下面基岩的支撑能力没有增加，孔隙中的流体必然开始部分地支撑本来应有岩石颗粒所支撑的那部分上覆岩层压力，从而导致了异常高压。,异常高压必然是一个被圈闭的密封系统，密封结构通常是一个低渗透的岩层，如页岩。这个盖层阻碍了流体的散逸，导致欠压实和异常高压。思考题异常高压地层的地质特征？,其它原因：高的供水源,地质构造作用：造成地层上升、巨大地应力的挤压水热增压作用：温度升高，流体体积膨胀渗透作用：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。,二、地层压力评价的方法地层压力评价的方法分两类1、地层压力预测利用地震质料或邻井质料进行地层压力预测，建立地层压力剖面，用于钻井工程设计。2、地层压力随钻监测利用钻井的实时数据进行地层压力的随钻监测，掌握地层压力的实际变化规律。第二类方法时对第一类方法的修正和补充。两类方法所依据的原理泥页岩沉降压实的原理。（一）地层压力预测典型的方法有地震层速度法声波时差法页岩电阻（电位）法.,声波时差法声波在岩石中传播时产生纵波和横波。在同一种岩石中，纵波的速度大约是横波速度的两倍，能够较先到达接受装置。为研究方便，目前声波测井主要是研究纵波在地层中的传播规律。声波在地层中传播的快慢常以通过单位距离所用的时间来衡量。即（1-6）式中：T声波在单位距离内的传播时间；岩石的密度；岩石的泊松比；E岩石的弹性模量。,声波在地层中传播的快慢与岩石的密度和弹性系数等有关，而岩石的密度和弹性系数又取决于岩石的性质、结构、孔隙度和埋藏深度。对于由沉积压实作用形成的泥页岩，声波时差与孔隙度之间有如下关系:(1-7)式中：岩石孔隙度,；t地层的声波时差，微秒/米；tm基岩的声波时差,微秒/米；tf地层孔隙内流体的声波时差，微秒/米。,在正常沉积的条件下，泥页岩的孔隙度随深度的变化规律为：oe-ch(1-8)式中：泥页岩的孔隙度，；o泥页岩在地面的孔隙度，；c常数;h井深，米。由孔隙度和声波时差之间关系可得：(1-9)由式(1-7)、(1-8)和(1-9)可得：ttm（totm）e-ch（1-10）,在泥页岩的岩性一定的情况下，tm也为一常数。若tm0，则：tt0e-CH（111）在半对数标系中(井深H为线性坐标，即纵坐标，声波时差为对数坐标，即横坐标)，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，岩石的孔隙度减小，声波速度增大，声波时差减小。根据声波时差的数据，可在半对数坐标纸上绘出曲线，如图13。在正常压力地层，曲线为一直线，称为声波时差的正常趋势线。进入异常高压地层之后，岩石的孔隙度增大，声波速度减小，声波时差增大，便偏离正常趋势线，开始偏离的那一点就是异常高压的顶部。,利用泥页岩声波时差测井资料计算地层压力其步骤如下：(1)在标准声波时差测井资料选择纯泥页岩层，以5m左右为间隔点在测井曲线上读出井深和相应的声波时差值，并在半对数坐标纸上描点。(2)在已知的正常地层压力井段，根据尽可能多的数据点引出声波时差随井深变化的正常趋势线，并将其延伸至异常高压井段。(3)读出某深度的实测声波时差t和该深度所对应的正常趋势线上的声波时差tn，并计算ttn。(4)在ttn和Gp关系曲线上读出ttn所对应的Gp，用Gp乘以井深H，得其深度的地层压力，即pp0.00981GpH(112)式中：pp地层压力，MPa；Gp地层压力梯度当量密度，g/cm3H井深,m。,ttn,(二)地层压力监测常用的方法有dc指数法法页岩密度法标准化钻速法.dc指数法dc指数法的实质是机械钻速法。它是利用泥页岩压实的规律和压差对钻速的影响来计算地层压力的。在正常压实的地层，若保持钻进措施不变，随着井深的增加，岩石强度变大，机械钻速会逐渐减小。进入异常高压层，由于地层孔隙度变大，岩石强度变小，机械钻速会增大，所以利用机械钻速的变化可以预测高压地层。（补充压差=井底压力地层压力P=Pb-PP式中Pb井底压力；PP地层孔隙压力。井底压差大容易产生压持效应。压持效应：在在钻进过程中，井内始终存在压差，在该压差作用下，井底岩屑难以离开井底，造成钻头重复破碎的现象。）,d指数法是在宾汉钻速方程的基础上建立的。宾汉在不考虑水力因素的影响下提出的钻速方程为：VpcKne(W/db)d(113)式中：Vpc机械钻速；K岩石可钻性系数；n转速；e转速指数，取e1；W钻压；db钻头直径；d钻压指数。假设钻井条件和岩性不变，即K=1，e=1，则方程（1-13）被简化为：Vpcn(W/db)d(114)对上式两边取对数，并整理后得：(115),若采用常用公制单位，上式变为(1-16)式中：Vpc机械钻速，m/h；n转速，r/min；W钻压，kN；db钻头直径,mm；d钻压指数,无因次。通过上式分析可知，d指数的大小和机械钻速成反比。在正常压实的地层，若保持钻井措施不变，机械钻速会随井深增加而减小，d指数随井深增加而增大。在半对数坐标纸绘d指数与井深的关系曲线，在正常压力井段d指数随井深的变化呈一条直线，如下图，这条直线称为d指数的正常趋势线。进入压力过渡带和异常高压地层后，实际的d指数较正常基线偏小。所以利用d指数的变化可以预测异常高压。,d指数随井深变化趋势,H,d,异常高压层,dc指数法（1-17）式中：dc修正的d指数；n正常地层压力当量密度（即地层水的密度），g/cm3；d实际钻井液密度，g/cm3。,d指数法的前提之一是保持钻井液密度不变，为消除钻井液密度的变化对d指数的影响，提出了修正的d指数法，即dc指数法。,利用dc指数计算地层压力的步骤：(1)在高压层顶部以上至少300米的纯泥页岩井段，按一定深度间隔取点,记录每点所对应的钻速、钻压、转速、钻头直径、地层水密度和实际钻井液密度等六项参数。(2)根据记录的数据计算d指数和dc指数。(3)在半对数坐标纸上一一作出dc指数和相应的井深所确定的点。(4)根据正常地层压力井段的数据引dc指数的正常趋势线，图1-5。(5)计算地层压力。,（118）,式中：p地层压力当量密度，g/cm3;n正常地层压力当量密度，g/cm3;dcn所求井深处正常趋势线上的dc；dca所求井深处实际的dc.,根据dc指数的偏离值计算相应的地层压力的公式是,等效深度法求地层压力：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。用等效深度法求地层压力的公式是ppGoH-(Go-Gpm)He(1-19)式中pp所求深度处的地层压力，MPa;Go上覆岩层压力梯度，MPa/m；H所求地层压力点的深度，m；Gpn等效深度处的正常地层压力梯度，MPa/m；He等效深度，m。,图1-6dc指数的等效深度,D,dc指数值发散的原因(1)岩性变化：dc指数取决于基岩强度，岩性不同，骨架强度也不同。在岩性发生变化的地层，dc指数的规律也将发生变化，例如砂、页岩交错的地层。(2)水力参数：水力参数发生大的变化时，射流对地层的破碎作用不同，dc指数的规律也将发生变化。(3)钻头类型：钻头类型不同，其破岩机理不同。所以钻头类型的变化会引起正常趋势线的移动。另外，在纠斜吊打、用刮刀钻头和取芯钻头钻进，钻头的跑合期和磨损的后期、井底不干净、钻遇断层裂缝等特殊钻进情况下都不宜取点计算dc指数值。思考题1、在正常压力地层声波时差和dc指数随井深变化的规律是什麽？2、利用声波时差和dc指数为什麽能够预测或监测异常高压地层？,1,3,2,三、地层破裂压力概念能够使井下一定深度出露的地层破裂的压力称为地层破裂压力。,（一）休伯特和威利斯法休伯特和威利斯认为，地下应力状态是以三维不均匀主应力状态为特征的，且三个主应力互相垂直。最大主应力1为垂直方向，大小等于基岩应力，最小主应力3和介于最大与最小主应力之间的主应力2在水平方向上互相垂直。最小主应力3=（1/31/2）1,地层破裂的条件地层所受的注入压力或破裂传播压力必须能够克服地层压力和水平骨架应力，地层才能破裂，即pfpp+3pp+（1/31/2）1(1-20)而1po-pp故pfpp+（1/31/2）(po-pp)(1-21)根据式（1-21）可求得地层破裂压力梯度：(1-22)式中：Gf井深H处的地层破裂压力梯度，兆帕米；pf井深H处的地层破裂压力，兆帕；pp井深H处的地层压力，兆帕；po井深H处的上覆岩层压力，兆帕